La danza matemática oculta dentro de las células vegetales

Los orgánulos que captan la luz solar, conocidos como cloroplastos, resuelven un problema de organización: cómo optimizar la fotosíntesis sin sufrir daños por rayos peligrosamente intensos.

Quanta Magazine | 4 de mayo de 2026

Max G. Levy – Redactor colaborador

Para buscar la luz solar o protegerse de ella, los cloroplastos pueden moverse. Los biofísicos estudian si optimizan su empaquetamiento. Este video en cámara rápida (a 60 veces la velocidad normal) muestra el movimiento de los cloroplastos en las células de la planta acuática Elodea. https://www.quantamagazine.org/wp-content/uploads/2026/05/ChloroplastPacking-crBenediktPleyer_NomadicNostoc_SciencePhotoLibrary-Lede.mp4

Vivir de la luz es un juego peligroso. Los rayos del sol no solo transportan ondas ultravioleta que pueden romper las cadenas de ADN y degradar las moléculas, sino que además su intensidad varía enormemente. Las plantas deben resistir y prosperar bajo la suave luz de la mañana y las abrasadoras tardes de verano, entre la sombra en un instante y el sol pleno al siguiente. La energía solar llega a cuentagotas, o a raudales.

“Imaginen una nube que oculta el sol, y de repente la nube se disipa y el rayo de sol incide sobre una hoja”, explicó Nico Schramma, biofísico del Centro Médico Universitario de Ámsterdam. “Algo tiene que cambiar, porque la intensidad podría multiplicarse por cien”.

Las plantas no son pasivas. Reaccionan en consecuencia. Pueden reorientarse girando sus hojas y tallos para buscar la luz del sol o la sombra, pero este mecanismo funciona en cuestión de minutos u horas. Para respuestas más precisas, sus células también deben movilizarse. Dentro de cada célula vegetal se encuentran los cloroplastos, orgánulos con forma de disco que transforman la luz solar en azúcares. Y mientras que las plantas deben permanecer mayormente inmóviles, los cloroplastos no.

“Los cloroplastos se mueven”, explica Schramma. Comparó su comportamiento con el de un rebaño de ovejas que busca sombra en un día soleado: la luz intensa guía a los cloroplastos hacia zonas sombreadas a lo largo de la pared celular.

«La luz es la mejor amiga y la peor enemiga de los cloroplastos», afirmó Mazi Jalaal, biofísico de la Universidad de Ámsterdam que supervisó la tesis doctoral de Schramma. «La necesitan para la fotosíntesis. Pero en cuanto la intensidad de la luz aumenta demasiado, tienen que huir de ella».

Recientemente, Schramma y Jalaal se han obsesionado con un misterio de la física de los cloroplastos. ¿Cómo equilibra cada orgánulo la necesidad de luz de la planta con su aversión al exceso? ¿Y cómo se manifiesta esto, a su vez, en patrones dentro de la célula? En otoño de 2025, en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , informaron que los cloroplastos de Elodea, una planta acuática común en acuarios que utilizan como modelo, se autoorganizan en una especie de óptimo matemático. Se compactan en la superficie celular lo suficiente como para absorber abundante luz, a la vez que se distribuyen de forma dispersa para poder moverse y ocultarse eficazmente cuando es necesario.

“Lo maravilloso que vemos aquí es lo que representa una evolución de diseño excepcional”, dijo Dakota McCoy, bióloga evolutiva que estudia la fotosíntesis en la Universidad de Chicago. “Cuando ves que algo se ajusta a tu simulación a la perfección, como sucede en este artículo… ¿es una coincidencia o es que evolucionó para ser así?”.

Matemáticas naturales

La trayectoria de Jalaal en este campo parece sacada de un chiste. Su madre era profesora de biología en el instituto. Su padre, de física. La familia debatía sobre qué camino profesional seguiría el adolescente. Y así, se decantó por la biofísica.

“[Las preguntas de nuestro laboratorio] siempre son preguntas de biología”, dijo Jalaal. “A menudo, uno descubre de inmediato que debe resolver un problema de física para resolver esas preguntas biológicas”.

Las plantas suscitan muchas preguntas de este tipo. En 2021, mientras él y Schramma intercambiaban ideas para un nuevo proyecto, descubrieron a Elodea densa. Elodea es bastante común: una planta habitual en acuarios domésticos y en las clases de ciencias de la escuela secundaria. A su favor, esta planta acuática tiene hojas simples, que son más fáciles de observar al microscopio que las de las plantas terrestres. Para los investigadores, esto les ofreció un atajo hacia nuevas preguntas. «Hay tantos problemas de física que estos organismos tienen que resolver durante el curso de la evolución», dijo Jalaal.

Tras ver algunos vídeos en YouTube, encargaron la planta por internet. Schramma cortó unas hojas de un centímetro de largo. Bajo el microscopio, parecían una pared de ladrillos formada por células rectangulares. Los cloroplastos salpicaban visiblemente cada célula de un extremo a otro. Pronto hizo la observación —familiar para los biólogos de plantas— de que los cloroplastos crecen en una gran variedad de tamaños y se extienden para captar la luz o se agrupan contra las paredes celulares para protegerse de ella.

“Resulta sorprendente observarlas al microscopio”, dijo Jalaal. Se preguntó cómo esas manchas irregulares logran organizarse de forma tan ordenada bajo diferentes condiciones de luz.

Descubrieron que pocos biólogos vegetales habían estudiado el movimiento de los cloroplastos con gran detalle. Dos pioneros —Roger Hangarter, de la Universidad de Indiana, y Masamitsu Wada, de la Universidad Metropolitana de Tokio— estaban jubilados. Wada había comenzado a experimentar con el movimiento de los cloroplastos en la década de 1990, investigando cómo se mueven o se anclan estos orgánulos mediante la formación de fibras del citoesqueleto, como la actina y los microtúbulos. Hangarter había estudiado esta mecánica, así como la geometría de los cloroplastos, en docenas de especies vegetales diferentes.

“La protección es fundamental”, dijo Hangarter. “Si no puedes mover tus cloroplastos, es probable que se dañen y entonces tendrás que gastar energía en repararlos. Incluso podría matar a la planta”.

Jalaal descubrió que, para cada posible investigación biológica, la física involucrada estaba poco explorada. Los físicos saben que pequeñas unidades de todo tipo pueden autoorganizarse en estructuras grandes y complejas a partir de interacciones simples, un fenómeno conocido como emergencia. Imagínese bandadas de estorninos tiñendo el cielo como gotas de tinta o rebaños de ovejas fluyendo como un líquido. La autoorganización se cruza con las matemáticas en los llamados problemas de empaquetamiento, que se remontan a Johannes Kepler. El astrónomo del siglo XVII, conocido principalmente por sus estudios del movimiento planetario, propuso que la forma más densa de apilar esferas es organizarlas en una pila piramidal, como se colocan las naranjas en un supermercado (en dos dimensiones, este problema es más parecido a organizar monedas de un centavo sobre una mesa plana). Esto puede parecer obvio, pero demostrarlo fue bastante desafiante, especialmente para dimensiones superiores u otras formas.

Jalaal comprendió que las células vegetales deben resolver su propio problema de empaquetamiento: un puñado de discos de diferentes tamaños deben organizarse y empaquetarse de manera eficiente tanto en luz solar intensa como tenue. Al observar células de Elodea bajo el microscopio, vio cloroplastos que empaquetaban la célula de manera uniforme. Esto sugería una especie de «cálculo» en la planta, explicó Jalaal. «Incluso antes de analizar cómo se mueven los cloroplastos, [la imagen del microscopio] era una clara señal de que aquí suceden muchas cosas».

Los cloroplastos evolucionaron mucho antes que las plantas. Hace unos 3000 millones de años, una bacteria desarrolló las herramientas químicas necesarias para alimentarse de la luz. Mil millones de años después, otra célula la engulló sin matarla y se apropió de sus herramientas de captación de luz. Se cree que esta ingestión primordial, que dio origen a un proceso conocido como endosimbiosis (considerado también el origen de las mitocondrias), ocurrió solo una vez. Sin embargo, la célula híbrida resultante era tan apta que sus descendientes dieron lugar a todas las especies de algas y plantas de la Tierra. «Pensamos en la simbiosis como algo parecido a la relación entre un pez payaso y una anémona, pero una célula vegetal con sus cloroplastos domesticados también lo es», afirmó McCoy.

A principios del siglo XIX, los microscopistas observaron cloroplastos desplazándose por las células vegetales; décadas después, observaron cómo estos orgánulos reaccionaban a la luz. Unos 200 años más tarde, Schramma atrajo miradas curiosas de los físicos vecinos cuando introdujo una segunda pecera en su laboratorio.

Embalaje y mudanza

Una célula vegetal es un espacio muy reducido. Gran parte de su volumen interno está ocupado por una masa llena de líquido —la vacuola central— que ejerce presión sobre los demás orgánulos. Atrapados entre la vacuola y la presión, los cloroplastos, el núcleo y otros orgánulos se ven comprimidos contra las rígidas paredes rectangulares de la célula vegetal.

¿Cómo podría un cloroplasto abrirse paso entre la multitud? Hangarter y Wada habían debatido los posibles mecanismos: tal vez el citoesqueleto de filamentos proteicos lo transporta, tal vez el cloroplasto se mueve aleatoriamente, tal vez una combinación de ambos. Desde el punto de vista biofísico, Jalaal y Schramma se preguntaban cómo una célula vegetal puede organizar el movimiento de sus cloroplastos, de los que depende su supervivencia.

Su respuesta: comportamiento vítreo. Una llamada transición vítrea ocurre cuando un material puede moverse reversiblemente entre los estados sólido y líquido sin experimentar una transición de fase completa, de la misma manera que una gota gelatinosa de caldo de pollo se derrite con un poco de calor y se solidifica de nuevo al enfriarse. Se sabe que una transición similar ocurre en algunas células bacterianas. En 2023, utilizando una combinación de experimentos y modelado matemático, Schramma y Jalaal informaron que las células de Elodea ocupan un punto crítico en dicha transición. Cuando las condiciones de luz son constantes, la célula es estable y firme, y los cloroplastos permanecen en su lugar. Cuando un cambio en la intensidad de la luz provoca actividad, el denso contenido celular se comporta más como un líquido. Para esconderse de la luz, algunos cloroplastos incluso se esconden detrás de otros en un grupo 3D a lo largo de la pared celular, una disposición que solo es posible si el interior de la célula se vuelve primero más fluido.

Pero esa explicación dejaba interrogantes sin respuesta. Las diferencias en el tamaño, la forma o la densidad de los cloroplastos en la célula podrían desviar al sistema de una transición vítrea. «¿Por qué esta densidad? ¿Por qué esta forma?», preguntó Schramma. «¿Significa algo?».

Jalaal y Schramma reformularon su pregunta como un problema de empaquetamiento. Los cloroplastos son discos que pueden presentarse en diversos tamaños y cantidades en diferentes células. Su contenedor, una célula rectangular, puede alcanzar prácticamente cualquier longitud y anchura, pero debe permitir que los cloroplastos se empaqueten cuando la luz es tenue y se oculten a lo largo de sus paredes cuando la luz es intensa. Dadas estas limitaciones, se preguntaron: ¿cuál es la relación entre el tamaño y la forma de la célula vegetal y el tamaño y la cantidad de cloroplastos?

En colaboración con el físico de materia blanda Eric Weeks de la Universidad de Emory, adaptaron un algoritmo de la física teórica. Programaron entre 30 y 130 discos, de diámetro variable, para que se dispersaran en un rectángulo bidimensional de longitud y anchura fijas. Al principio, los discos ocupaban en conjunto el 1 % del rectángulo. La simulación ampliaba primero un disco y luego otro con el mismo factor de crecimiento, y así sucesivamente. El proceso se repitió durante varias iteraciones: los discos crecían, el espacio vacío se reducía y el factor de crecimiento se ajustaba, hasta que los discos dejaron de crecer. En ese momento, alcanzaron su máxima densidad.

Tras 30.000 simulaciones con diversos parámetros, el modelo predijo una geometría óptima para que las células maximizaran tanto la absorción como la evasión de la luz. Con este tamaño y forma celular, los cloroplastos tendrían espacio suficiente para agruparse de forma óptima en una sola capa y maximizar la absorción de luz —ocupando entre el 70 % y el 80 % de la superficie expuesta de la célula—, a la vez que dispondrían de espacio suficiente para desplazarse hacia las paredes y evitar la luz cuando fuera necesario.

Pero esto era solo teoría, un mundo perfecto imaginado y resuelto en una computadora portátil. Para comprobar los hallazgos en biología real, Schramma volvió a meter el brazo en el acuario, cortó más hojas y tomó imágenes microscópicas de las células para medir la densidad de empaquetamiento real de la Elodea . Los datos reales coincidieron casi a la perfección con sus predicciones.

Al principio, Schramma no podía creerlo. «Entré corriendo un par de veces a la oficina de Mazi [Jalaal] diciéndole: «¡Me equivoqué!». Luego, diez minutos después: «¡Ah, en realidad no!»», recordó. «Estaba obsesionado con comprobarlo».

Los cloroplastos estaban, en efecto, empaquetados de una manera matemáticamente óptima. Las células de Elodea eran lo suficientemente pequeñas como para que el conjunto particular de cloroplastos en su interior se compactara para absorber la máxima cantidad de luz, y lo suficientemente grandes como para que los cloroplastos pudieran maniobrar unos alrededor de otros para evitarla cuando fuera necesario.

Cuando Schramma analizó las implicaciones de este resultado para las células en crecimiento (que cambian de forma), concluyó que las células mantendrían una disposición óptima solo si crecían en una única dirección. Resulta que así es como crecen las células de Elodea .

¿Selección o casualidad?

Una cosa es encontrar un patrón en la naturaleza; otra muy distinta es demostrar que es producto de la evolución. O bien el empaquetamiento de los cloroplastos evolucionó para optimizar la absorción y la evasión de la luz, como sospechaban los investigadores, o bien surgió de forma fortuita como resultado de adaptaciones a otras presiones a las que se enfrentan.

“Estoy convencido de que el empaquetado eficiente es, en sí mismo, producto de la evolución”, afirmó McCoy, quien no participó en el estudio. “La selección natural es implacable. Si no eres lo suficientemente eficiente o no eres lo suficientemente bueno en tu trabajo, es muy fácil que te extingas”.

El propio Schramma se muestra cauto respecto a esta conclusión. Para descartar una coincidencia, sería necesario demostrar que una hoja prioriza la versatilidad que le proporcionan los cloroplastos móviles de un tamaño determinado. Al parecer, existen algunas pruebas de ello.

En un estudio de 2023, la botánica experimental Katarzyna Glowacka cultivó variantes de tabaco con cloroplastos de distinto tamaño en la Universidad de Nebraska. Esperaba que una gran cantidad de cloroplastos pequeños hiciera que las células de las hojas fueran fotosintéticas más ágiles. No fue así. De hecho, lograr que el tabaco redujera el tamaño de sus cloroplastos resultó sorprendentemente difícil. «Es casi como si la planta fuera resistente», dijo Glowacka. «Como si algo les impidiera hacerse más pequeños». Los cloroplastos ultra compactos podrían ser malos recolectores de luz y dióxido de carbono, o podrían estar demasiado apretados , como el contenido de una casa grande metido en un apartamento tipo estudio. Concluyó que el tamaño natural de los cloroplastos del tabaco era el óptimo.

Para Jalaal, llegar a una conclusión más firme requiere analizar estas características en otras plantas. La respuesta puede variar según la especie y entre otros organismos fotosintéticos, como las algas. La solución de Elodea a su problema con los cloroplastos podría ser generalizada o totalmente única. La única forma de saberlo con certeza es investigar.

“En física, buscamos la universalidad”, dijo Jalaal. “En biología, aceptamos la no universalidad y la biodiversidad”.