Radiación electromagnética, atmósfera y vida

En otra entrada anterior os hablaba sobre qué es la radiación electromagnética y cuál es su naturaleza. Ya en aquella ocasión mencionaba la amplia variedad de orígenes, usos y efectos que pueden tener las radiaciones electromagnéticas debido a la amplitud de escala de la energía asociada a estas ondas. Especialmente interesante es la relación entre el fenómeno de la vida y este tipo de energía.

Radiación electromagnética y vida son fenómenos íntimamente ligados de formas muy diversas y, en algunos casos, de manera poco conocida. Por una parte, no se puede comprender el origen y mantenimiento de la vida en la Tierra sin tener en cuenta determinados tipos de radiación electromagnética. Por otra parte, algunos tipos de radiación electromagnética pueden ser letales para la vida y la protección que la Tierra ofrece frente a ellas, en gran medida gracias a la atmósfera, es esencial para que la vida prosiga. La relación estrecha entre radiación electromagnética y vida aporta, además una “conexión cósmica” más de esta última, ya que la mayor parte de la radiación electromagnética que llega hasta el planeta proviene directa o indirectamente del espacio.

Las estructuras vivas son como las figuras de viento: requieren un flujo de energía constante para mantener su estabilidad.

La explicación general para esta doble cara, amable y destructora, de la radiación electromagnética con respecto a la vida es fácil de justificar en una primera aproximación: La vida es un fenómeno basado en estructuras complejas (los seres vivos) que, en realidad, son poco estables. La única forma de mantener ese orden inestable es mediante un suministro permanente de una cierta cantidad de energía. ¿Has visto los castillos inflables para fiestas infantiles, o esas grandes figuras inflables de propaganda? Un ventilador está permanente insuflando aire que pasa a través de la estructura. Este flujo materia y energía es el que mantiene estable la forma de la estructura. Si apagamos el ventilador, la estructura se viene abajo.

La vida es algo parecido, y necesita una cierta cantidad y tipo de energía. Si la energía es insuficiente, la vida no saldrá adelante, pero si es excesiva, las estructuras vivas serán destruidas. Imagina un molino de agua: la corriente mueve las paletas que transmiten su movimiento al eje de giro. En un periodo de sequía, el escaso flujo de agua puede no ser suficiente para hacer funcionar el molino. Si por el contrario sobreviene una crecida y la corriente se desborda, las aguas salvajes producidas destruirán la estructura del molino.

Así pues, la vida es especialmente delicada en cuanto al rango de energía que requiere y soporta, y no todas las radiaciones electromagnéticas son suficientes o adecuadas para mantener ese estado alejado del equilibrio que es la vida.

Y en medio de este tormentoso idilio entre vida y radiación electromagnética, la atmósfera interviene como una moderadora de excesos, que filtra selectivamente determinados tipos de radiación. Veamos, a continuación con más detalle, asuntos de esta interacción que explica algunas de las claves de la vida en la Tierra.

Tipos de radiación electromagnética e interacción con la materia

Ya sabes que las longitudes de onda de la radiación electromagnética son extraordinariamente variables, por lo que también lo son su energía asociada y los efectos que se producen cuando se “encuentra” con la materia. Dado que las ondas electromagnéticas se han estudiado desde diversos campos de la Física y la Tecnología, la radiación electromagnética ha recibido nombres muy diferentes según la longitud de onda que posea y actualmente esas categorías sirven para clasificar en unos pocos grupos la amplia variedad de ondas electromagnéticas. Puedes ver dichos tipos en el siguiente esquema.

Los fotones, de modo general, tienen la propiedad de interactuar con la materia cuando “se cruzan” en su camino, provocando ciertas alteraciones en las partículas con las que se encuentran. Sin embargo, no todos los tipos de átomos o moléculas reaccionan igual ante cualquier onda electromagnética, por lo que sus mecanismos y efectos predominantes varían mucho de un caso a otro. Sigamos analizando con mayor detalle cada tipo de radiación electromagnética.

Radiación electromagnética de alta energía. Rayos gamma y rayos X

Estas radiaciones, las más energéticas dentro de las electromagnéticas debido a su alta frecuencia, se pueden producir como resultado de procesos nucleares realizados por el ser humano en las centrales de fisión, pero también fruto de la desintegración radiactiva de elementos naturales presentes en el interior de la Tierra. Además, a la capa externa de la atmósfera terrestre también llega un intenso bombardeo de este tipo de radiaciones procedentes de diferente fuentes en el espacio, tales como núcleos activos de galaxias, algunos tipos especiales de estrellas como los púlsares y del propio Sol, particularmente durante las tormentas solares.

Cuando los rayos gamma y los rayos X se encuentran en su recorrido con un átomo, pueden provocar efectos de diverso tipo, dependiendo, entre otros detalles, de la energía del fotón. En algunos casos, un fotón puede transferir toda su energía a un electrón que forma parte de un átomo y hacer que quede desligado de éste (efecto fotoeléctrico). En otros casos, puede transferirse sólo una parte de la energía del fotón, pero es suficiente para que el electrón que la haya absorbido quede también liberado del átomo al que pertenecía. La energía sobrante dará lugar a la formación de un nuevo fotón menos energético que el inicial (efecto Compton). En el caso de fotones de rayos gamma especialmente energéticos puede producirse un efecto aún más curioso cuando esos fotones interactúan con el campo eléctrico del núcleo: se genera una pareja de partículas, un electrón y un positrón (formación de pares electrón-positrón).

Mecanismos de absorción de fotones. Efecto fotoeléctrico, un fotón es absorbido. Este desaparece y la energía provoca la liberación del electrón. 2. Efecto Compton. Parte d ela energía del fotón es absorbida por el electrón que "escapa". La energía sobrante origina un fotón de mayor longitud de onda que el original. 3. Creación de un par electrón positrón. El fotón gamma interacciona con el campo eléctrico del núcleo y se generan un electrón y un positrón.

Mecanismos de absorción de fotones. 1. Efecto fotoeléctrico: Un fotón es absorbido. Este desaparece y la energía provoca la liberación del electrón afectado. 2. Efecto Compton: Parte de la energía del fotón es absorbida por el electrón que “escapa”. La energía sobrante origina un fotón de mayor longitud de onda que el original. 3. Creación de un par electrón positrón: El fotón gamma interacciona con el campo eléctrico del núcleo y se generan un electrón y un positrón.

En cualquier caso, el efecto global de esta interacción es la generación de  partículas cargadas eléctricamente (los electrones que son desligados de sus átomos y los átomos que quedan cargados eléctricamente al perder electrones). La cantidad de partículas cargadas producidas de forma directa por los rayos gamma o X no es mucha (dos por fotón), pero estas partículas con carga eléctrica son, a su vez, capaces de provocar de forma secundaria la formación de gran número de nuevas partículas cargadas. Por eso se dice que dicha radiación electromagnética tiene poder ionizante indirecto.

Si toda la radiación gamma y rayos X que alcanza nuestro planeta llegara hasta su superficie, su interacción con los seres vivos sería fatal. La alteración indiscriminada de muchas biomoléculas plantearía unas condiciones muy difíciles para los seres vivos en la Tierra. Pero entre el espacio y nosotros, los seres vivos contamos la atmósfera, que, como sabes, esta hecha de materia; mucha materia, en contra de lo que pueda parecer. Aunque la densidad de la atmósdfera sea muy baja en comparación con cualquier líquido o sólido, su enorme espesor hace que sobre cada metro cuadrado haya ¡unas 10 toneladas de aire! (Tanta materia es la responsable de la presión atmosférica).

Capas de la atmósfera

Cuando la radiación electromagnética atraviesa la atmósfera, los rayos gammma y rayos X tienen una gran probabilidad de tropezarse e interactuar con las moléculas de  O2, H2 y, especialmente, de N2, el gas mayoritario de la atmósfera terrestre. En esta interacción, la inmensa mayoría de estos fotones son absorbidos por algunos de los electrones de dichas moléculas. El efecto global es doble: por una parte, la radiación electromagnética de alta energía no alcanza la superficie del planeta porque es absorbida antes de llegar a ella, es decir, la atmósfera es 100% opaca a la radiación ionizante (aunque los rayos gamma consiguen penetrar más en ella que los rayos X). Por otra, las capas altas de la atmósfera sufren un alto grado de ionización y se libera una cierta cantidad de calor, dando lugar a la ionosfera, una capa situada entre los 100 y los 600 km de altura que llega a alcanzar los 1500 ºC de temperatura (por lo que también se denomina termosfera). Por esta razón suele decirse que la ionosfera nos protege frente a la radiación gamma, aunque quizá sea más correcto decir que la ionosfera es un producto de la interacción de las capas altas de la atmósfera con la radiación electromagnética.

Paradójicamente, diversos estudios sugieren que en algún momento de la historia de la Tierra, la incidencia de radiación gamma en la superficie del planeta pudo ser muy importante para la formación de algunas biomoléculas que forman parte de los seres vivos, como es el caso de los aminoácidos. En cualquier caso, la radiación de alta energía que llega a la Tierra no siempre es la misma, dependiendo de cuándo tengan lugar los fenómenos estelares que los producen. Algunos autores incluso encuentran una estrecha relación entre los picos de radiación gamma en la Tierra y fenómenos  en la evolución biológica de la vida. Es decir, las variaciones de la incidencia de radiación gamma en la Tierra podrían influir en la historia evolutiva de los seres vivos.

Picos de radiación gamma en la Tierra a lo largo de la historia desde hace 1 millón de años. Fuente (http://fundacion-eticotaku.org)

Radiación ultravioleta

La radiación ultravioleta es la siguiente en nivel energético,  ya que sus longitudes de onda son algo mayores que las de rayos gamma y X. A efectos prácticos, la radiación ultravioleta suele dividirse en tres categoría en función de su longitud de onda, que, lógicamente se corresponden también con la energía asociada:

Radiación ultravioleta C (UVC) (Longitud de onda de 200 a 280 nm). La más energética y la que podría causar daños más graves en los seres vivos.

Radiación ultravioleta B (UVB) (Longitud de onda de 281 a 320 nm). Capaz de producir quemaduras en la piel y alteraciones del ADN de las célula de la piel que desemboquen en estados cancerosos.

Radiación ultravioleta A (UVA) (Longitud de onda de 321 a 400 nm). Menos energéticas pero con efectos acumulativos que pueden llegar a ser nocivos a partir de cierto nivel.

El Sol produce una considerable cantidad de radiación ultravioleta que llega hasta el planeta, lo cual, como en el caso anterior, podría representar un grave problema, ya que especialmente las radiaciones UVC y UVB son capaces de interactuar con biomoléculas, en particular con el ADN, y provocar graves daños en las mismas. De hecho, la radiación UV está considerada como la causa principal  del cáncer de piel. Pero nuevamente la atmósfera juega un papel clave.

Los fotones de radiación ultravioleta C y parte de la B tienen energía suficiente para interaccionar con algunos electrones de las moléculas de O2. La energía absorbida provoca la ruptura de los enlaces químcos que mantienen unidos los átomos formándose átomos libres reactivos de oxígeno. Dichos átomos pueden asociarse a moléculas de Oxígeno y formar Ozono (O3). Pero los electrones de las moléculas de O3 también son capaces de absorber estos fotones, provocando su ruptura. Se establece, de esta forma, un equilibrio de reacciones químicas entre el O2 y O3 capaz de absorber y, por tanto, impedir el paso de la práctica totalidad de los fotones UVC y buena parte de los UVB.

Ciclo del Ozono en la atmósfera. El Ozono se forma cuando un átomo de oxígeno se une a una molécula de oxígeno. Esta unión puede ser rota por absorción de fotones, pero tiene a volver a formarse espontáneamente.

Ciclo del Ozono en la atmósfera. El Ozono se forma cuando un átomo de oxígeno se une a una molécula de oxígeno. Esta unión puede ser rota por absorción de fotones, pero tiene a volver a formarse espontáneamente. Modificado a partir de original. (Fuente: Wikipedia)

Variación dependiendo de la altura de la concentración de ozono atmosférico. Modificado a partir de original (Fuente: Wikipedia)

Variación dependiendo de la altura de la concentración de ozono atmosférico. Modificado a partir de original (Fuente: Wikipedia)

La radiación ultravioleta va siendo absorbida poco a poco conforme penetra en la atmósfera gracias a su interacción con el oxígeno. Sin embargo, la densidad del aire por encima de los 50 km es tan baja que sobre este nivel, la  formación de Ozono es poco efectiva. Por el contrario, por debajo de este límite, la probabilidad de que los átomos reactivos de oxígeno se asocien a moléculas de oxígeno aumenta, por lo que la formación de ozono se incrementa, y de esta forma la absorción de la radiación ultravioleta se hace mucho más efectiva.

Sin embargo, el término de capa de Ozono es muy poco riguroso,  ya que en realidad se trata de una región de la estratosfera situada entre 15 y los 35 km de altura en la que la concentración de Ozono sube progresivamente, alcanzando su máximo a los 23 km por término medio). A pesar de todo,  el Ozono es un gas muy escaso, incluso en las zonas de máxima concentración, así que lo de capa “de Ozono” induce a error. Cómo máximo, este gas apenas llega a alcanzar 10 ppm (partes por millón) o, lo que es lo mismo, 0.001%.
Curiosamente el ozono también aborbe fotones de radiación infrarroja de determinadas frecuencias, lo que podría explicar su contribución observada al efecto invernadero de nuestra atmósfera.

Luz visible

La luz visible constituye la porción de la radiación electromagnética más abundante en las emisiones solares y, no es de extrañar, es la forma de este tipo de energía más estrechamente vinculada al fenómeno de la vida. De hecho, podría decirse que la vida es un fenómeno hecho a la medida de este tipo de radiación.

La luz visible no sólo forma la parte más importante del espectro de emisión solar, sino que, además, la atmósfera es considerablemente transparente a este tipo de radiación debido a que los fotones de luz visible interaccionan poco con los gases mayoritarios de la atmósfera. Por eso se decie que la atmósfera posee una “ventana óptica” que permite que la luz visible llegue en un notable porcentaje hasta la superficie del planeta.

La atmósfera es opaca a las radiaciones gamma, rayos X, y buena parte de la radiación ultravioleta. Sin embargo, es muy "transparente" a la luz visible, que alcanza con pocas dificultades la superficie del planeta.

La atmósfera es opaca a las radiaciones gamma, rayos X, y buena parte de la radiación ultravioleta. Sin embargo, es muy “transparente” a la luz visible, que alcanza con pocas dificultades la superficie del planeta.

La luz visible no está considerada una radiación ionizante, pero, paradójicamente, la piedra angular de la mayor parte de la vida en la Tierra está basada en sistemas de ionización controlada mediados por luz presentes en las plantas. Sí, me estoy refiriendo a los mecanismos de absorción y transformación de la energía luminosa característicos de la fotosíntesis. Los conjuntos de pigmentos fotosintéticos que están presentes en las membranas de los cloroplastos de las células vegetales están especializados en absorber y transferir energía procedente de fotones luminosos hasta electrones concretos de la clorofila. Estos electrones aumentan tanto su nivel energético que escapan de los átomos de los que forman parte para ser transportados a través de una serie de moléculas que forman una cadena de transporte electrónico. Este flujo de electrones energizados con energía electromagnética es el que permite la fabricación de moléculas como el ATP. Se trata de una ionización muy controlada, no sólo por la conducción que se realiza de los electrones que escapan, sino porque los electrones perdidos por la clorfila son rápidamente sustituidos mediante un suminstro inagotable desde moléculas de agua, asegunrado de esta forma la estabilidad de todo el sistema.

Los sistemas de transporte electrónico que forma parte del proceso fotosintético se basan, en realidad, en procesos de ionización controlada de moléculas de clorofila y transferencia de electrones. La Naturaleza “ha aprendido” a sacar partido de la interacción entre radiación electromagnética y fotosíntesis.

En cualquier caso, resulta curioso observar que el mismo tipo de procesos de interacción entre radiaciones electromagnéticas y materia que puede tener un efecto destructivo sobre estructuras vivas, puede ser también la clave del suministro de energía a los procesos de los seres vivos cuando tienen lugar de una forma controlada. Una vez más, los diseños moleculares de la Naturaleza nos sorprenden por su elegancia y eficacia.

6 thoughts on “Radiación electromagnética, atmósfera y vida

  1. Pingback: Radiación electromagnética: energía con doble personalidad | Naturalmente, Ciencias

  2. Muy interesante, como siempre, profesor Mc Manus. Espero que le vaya muy bien en el nuevo centro y venga algún día a visitarnos!! Un saludo, de su antigua bióloga.

    • Gracias por tu comentario, Oliva!
      Por supuesto que intentaré haceros alguna visita en cuanto pueda. Entretanto, yo también os deseo mucha suerte y muchas oportunidades de aprender cosas nuevas.

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