¿DE QUÉ ESTÁS HECHO?
Por: Ofelia Ferrera Rodríguez
Red de Estudios Moleculares Avanzados, Instituto de Ecología A.C.
Resumen
La actividad microbiana es esencial, para que los elementos que integran nuestro cuerpo puedan llegar a nosotros, al revisar los caminos que siguen el nitrógeno y el fósforo en nuestro planeta reconocemos este fascinante hecho.
Palabras clave
Ciclos biogeoquímicos, nitrógeno, fósforo.
Figura 1.- Ciclo del nitrógeno. Crédito: Ofelia Ferrera Rodríguez
Artículo
Podrías responder a esta pregunta desde las perspectivas religiosa, filosófica, psicológica, social, evolutiva, fisicoquímica, etc., pero en esta nota, para tratar de responder esta pregunta usaremos un poco de biogeoquímica y microbiología.
Tú ya sabes que tu cuerpo está constituido por órganos integrados por tejidos, los cuales están conformados por células que expresan genes que permiten a cada tejido cumplir su función, dichas células contienen organelos integrados de macromoléculas (cómo lípidos, proteínas, ADN, ARN, polisacáridos) y a su vez, dichas macromoléculas están hechas de átomos de diferentes elementos, enlazados de forma específica. Es fascinante recordar que, si usamos como referencia nuestro peso, o mejor dicho nuestra masa, estamos compuestos de: 65% de oxígeno, 18% de carbono, 9.5% de hidrógeno, 3.2% de nitrógeno, 1.5% de calcio, 1.2% de fósforo y de algunos átomos menos abundantes pero muy importantes como potasio (0.4%), sodio (0.2%), cloro (0.2%), azufre (0.2%), magnesio (1%) y otros minerales. Pero ¿estás enterado de lo que ha ocurrido para que dichos elementos estén en tu cuerpo? Sí claro, la materia que nos integra proviene de lo que comemos, bebemos y respiramos; pero es emocionante indagar los pasos que los elementos siguen para finalmente llegar a ti.
En el principio…
“Somos polvo de estrellas”, esta romántica frase popularizada por Carl Sagan a través de su serie “Cosmos”, sintetiza de forma poética y certera, el hecho de que los átomos que nos componen se formaron al inicio del universo o durante la muerte de grandes estrellas; por ejemplo: el hidrógeno se formó durante el Big-Bang (junto con el Helio), el carbono se forma cuando átomos de helio se fusionan entre sí, en el corazón de estrellas agonizantes a las que se les ha agotado el hidrógeno y que al expandirse forman “gigantes rojas”. Cuando las estrellas que mueren tienen gran cantidad de masa, el decaimiento de su centro produce reacciones nucleares que generan átomos nuevos con mayor peso atómico que el carbono, como el oxígeno y el hierro; por ejemplo, en una super nova se pueden generar átomos, como fósforo, hierro y hasta oro. La explosión de dichas estrellas, libera los átomos producidos hacia el resto del universo y su acumulación a lo largo de millones de años, conforma planetas, uno de los cuales es nuestra amada “Tierra”.
Pero no todos los átomos del universo se encuentran en tu bello ser, de entre los átomos que quedaron en nuestro fascinante planeta, los que te componen han pasado por procesos de reciclaje de materia y energía que se llevan a cabo a escala planetaria, gracias a la suma de muchísimas reacciones químicas o bioquímicas que ocurren a escalas diminutas; en la naturaleza también, la unión hace la fuerza.
Los caminos naturales que siguen los elementos que integran a los seres vivos, son conocidos como “ciclos biogeoquímicos”, este término involucra fenómenos biológicos, geológicos y químicos. Las reacciones bioquímicas que ocurren en los seres vivos (producto de su metabolismo) son esenciales para la circulación de los elementos que se mueven entre los compartimentos bióticos y abióticos de nuestro planeta. De hecho, los ciclos biogeoquímicos han evolucionado con la vida misma durante cientos de millones de años, dependen de rutas metabólicas, pero al mismo tiempo, estos ejercen presión de selección evolutiva sobre los seres vivos.
Para entender un poco lo que pasa, seguiremos los caminos del nitrógeno y del fósforo, ¿porqué del fósforo?, pues, porque del fósforo se habla poco a pesar de que forma parte de nuestros huesos y del esmalte de nuestros dientes y al igual que el nitrógeno, forma parte de moléculas tan esenciales para la vida como: ATP, ADN, ARN y proteínas, además el fósforo, está en los fosfolípidos que integran las membranas celulares; por eso mismo, tanto el nitrógeno, como el fósforo son nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas que comemos nosotros y que se comen los animales que nos comemos (los que somos carnívoros).
Es importante considerar, que a pesar de que estamos rodeados de nitrógeno que compone el 78% (en volumen) del aire que respiramos y de fósforo que, distribuido en forma heterogénea, corresponde aproximadamente al 0.09% (en peso) de la corteza terrestre; ni plantas, ni animales (nosotros tampoco) pueden adquirir directamente nitrógeno del aire o fosforo o de las rocas, están ahí, pero en una forma inaccesible. Para que el nitrógeno y el fósforo se encuentren disponibles para que las plantas puedan tomarlos, se requiere que los transformen microorganismos con actividades metabólicas especiales (es decir de forma natural y sin contaminar), o que nosotros se los pongamos en forma de fertilizantes químicos (o sea artificialmente, lo que frecuentemente genera problemas de contaminación).
Figura 2. Bacteria solubilizadora de fosfatos. A) bacterias aisladas, b) colonia de bacteria vista con microscopio, C) Resultado de prueba de solubilización de fosfatos (tubos con control negativo, reacción positiva y control positivo). Crédito: Brian Alarcón y Ofelia Ferrera Rodríguez.
¿Qué pasa con el nitrógeno?
El nitrógeno que está en el aíre es un gas de N2 es decir, dos átomos de nitrógeno unidos por tres enlaces, pero las plantas pueden usar el nitrógeno cuando está unido con oxígeno formando nitratos NO3–, o cuando está unido con hidrógeno formando amonio NH4+. Los únicos organismos del planeta Tierra, capaces de convertir el N2 en amonio NH4+ de forma natural, son algunas bacterias (por ejemplo, de los géneros Anabaena, Nostoc, Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, Rhizobium y Frankia, por mencionar algunos) y algunas arqueas (por ejemplo, de los géneros Methanococcus, Methanosarcina, Methanospirillum y Methanobacterium) lo hacen con unas enzimas llamadas nitrogenasas. Los relámpagos también pueden convertir el N2 en amonio NH4+ . Esta transformación esencial, es conocida como “fijación de nitrógeno” permite que el nitrógeno inorgánico salga del reservorio de la atmósfera y entre al suelo o el agua (lagos, océanos), en una forma que las plantas si pueden usar mediante su metabolismo; ellas lo incorporan a su ATP, ADR, ARN, proteínas, etc. A este paso se le llama “asimilación”, así el nitrógeno inorgánico se transforma en nitrógeno orgánico, de esta forma, puede llegar a ti en forma de alimento, ¿verdad que es impresionante descubrir que sin bacterias y arqueas fijadoras de nitrógeno los demás seres vivos no tendríamos acceso al nitrógeno?, claro como nos las arreglamos para cambiarlo todo, ahora nosotros, producimos amoniaco a partir de nitrógeno atmosférico con un proceso conocido como proceso de Haber – Bosch, para lo cual se requiere generar condiciones de alta presión (150-300 atmósferas) y altas temperaturas (400-500 °C), y por lo mismo se requiere mucha energía (que genera contaminación) y al tener tanto nitrógeno disponible en forma artificial, generalmente no lo aplicamos en las dosis correctas a los cultivos y los excesos provocan desequilibrio en los ecosistemas.
Pero por supuesto, los pasos mencionados no son los únicos importantes en el ciclo del nitrógeno; en uno conocido como “amonificación”, se transforman los restos de organismos muertos (que quedan en el suelo o el fondo de cuerpos de agua), gracias a las enzimas de bacterias y hongos descomponedores, se rompen las moléculas orgánicas que tienen atrapado al nitrógeno y lo sacan al ambiente en forma de amonio NH4+. Durante la “nitrificación”, bacterias como Nitrosomonas y Nitrosococcus toman el amonio NH4+ y lo convierten en nitrito NO2–; luego, bacterias como Nitrobacter toman el nitrito NO2– y lo convierten en nitrato NO3–; a su vez, en la “reducción desasimiliatoria”, bacterias como Citrobacter convierten el nitrato NO3– y nitrito NO2– a óxido nitroso N2O y a amonio NH4+. En tanto que durante la “desnitrificación”, bacterias como Pseudomonas que convierten el nitrato NO3– en nitrógeno N2 y así se libera nuevamente a la atmósfera cerrando el ciclo. Como puedes ver, son los microorganismos los que mantienen al nitrógeno circulando en el planeta.
Figura 3. Ciclo del fósforo. Crédito: Ofelia Ferrera Rodríguez
¿Y el fósforo?
El fósforo no está en el aire, no es un gas, está acumulado en rocas (como las apatitas, basaltos y rocas sedimentarias), por “intemperismo” (efecto de agua y aire) se libera al suelo y a cuerpos de agua, y así comienza su viaje. El fósforo se encuentra generalmente unido a cuatro oxígenos, formando grupos fosfato (PO43-); los grupos fosfato tienen carga neta negativa, por lo que muy frecuentemente se unen a iones con carga positiva (conocidos como cationes) como el calcio (Ca2+), aluminio (Al3+) o hierro (Fe3+). Cuando los fosfatos están ligados a los cationes, se vuelven insolubles y así las plantas no los pueden tomar; pero cuando hay cierta cantidad de iones hidrógeno (H+) libres en el agua o el suelo, (es decir a pH ligeramente ácido), los fosfatos se liberan de los cationes y se transforman en fosfato de hidrógeno (HPO42-) o fosfato de dihidrógeno (H2PO4–), así sí son solubles y están disponibles para ser absorbidos por planas, hongos y microorganismos.
Hay varios géneros de “bacterias solubilizadoras de fosfátos” (como Bacillus, Pseudomonas, Actinomycetes y Rhizobium) y de hongos (como Penicillium y Aspergillus), que con su metabolismo hacen un poco ácida el agua que los rodea, y de esta forma ayudan a que se solubilicen los fosfatos; además hay hongos llamados “micorrizas” (como Acaulospora, Gigaspora, Glomus, Geosiphon) que se asocian a las raíces de algunas plantas y que les sirven como largos popotes absorbedores de agua con nutrientes del suelo, ayudando a la planta para captar cualquier cantidad de fosfatos solubles de su alrededor, la absorción e incorporación de los fosfatos al metabolismo de las plantas y los hongos, hace que el fósforo inorgánico se transforme en fósforo orgánico, proceso que se conoce como “fijación”; y al comerte tu taco de champiñones con salcita, el fósforo que incorporaron maíz, el jitomate, el chile y los champiñones llega a ti por fin.
Por acción de microorganismos se descomponen los restos de materia orgánica, se liberan fosfatos, regresando el fósforo inorgánico al ambiente; a esto se le conoce como “mineralización”, en el ambiente el fosfato unido a cationes se mantiene insoluble, se “sedimenta” y a través de muchos años sin ser solubilizado, junto con otros minerales, forma rocas cerrando el ciclo.
Espero que te haya gustado reflexionar, que la materia que nos conforma ha llegado a nosotros gracias a la actividad de muchos microorganismos, que mantienen circulando en nuestro planeta, los elementos creados en las estrellas.
También puedes leer:
https://www.britannica.com/science/biogeochemical-cycle
Pies de figuras:
Banner: Ofelia Ferrera Rodríguez, composición elaborada con fotos de la galería de la NASA; “Death of Giant Galaxies Spreads from the Core-NASA”, and “Hubble Uses Gravitational Lens to Capture Disk Galaxy-NASA” and “The Earth’s limb above the north Pacific-NASA”.
Figura 1.- Ciclo del nitrógeno. Crédito: Ofelia Ferrera Rodríguez
Figura 2. Bacteria solubilizadora de fosfatos. A) bacterias aisladas, b) colonia de bacteria vista con microscopio, C) Resultado de prueba de solubilización de fosfatos (tubos con control negativo, reacción positiva y control positivo). Crédito: Brian Alarcón y Ofelia Ferrera Rodríguez.
Figura 3. Ciclo del fósforo. Crédito: Ofelia Ferrera Rodríguez