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¿Por qué nunca se agotan ni los alimentos ni el oxígeno?

Martes, 01 de Noviembre 2016 - 15:00

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Jorge Rubalcava

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¿Te has preguntado alguna vez cómo es posible que tanto el oxígeno que respiramos como los alimentos que consumimos nunca se acaban? He aquí la respuesta.

Cuando respiramos, inhalamos aire el cual contiene una mezcla de 21% de oxigeno; durante este proceso, parte de él es absorbido y utilizado por nuestro cuerpo. Esto lo hacemos una y otra vez durante el curso de nuestra vida y lo mismo hacen todos los animales terrestres.

Los animales que viven en el agua ya sea dulce o salada, a excepción de los mamíferos, no respiran como lo hacemos nosotros, pero tienen una forma de extraer y consumir el oxígeno disuelto en el agua. Las plantas también consumen oxígeno para realizar algunos de sus procesos vitales, y la mayor parte de las bacterias también lo hacen para descomponer algunos de los productos que generan, lo mismo sucede en diversos procesos químicos naturales que se llevan a cabo en la tierra.

De esta forma es como todos los seres vivos consumidores de oxígeno, lo intercambiamos por otro gas llamado dióxido de carbono, el cual exhalamos durante la respiración. Hoy en día la concentración de dióxido de carbono en el aire es tan baja que no nos perjudica en absoluto, pero nos asfixiaría si aumentara aunque fuera en un pequeño porcentaje.

Podemos decir que en la tierra se consumen unas 10,000 toneladas de oxígeno por segundo como resultado de la respiración animal y otros procesos consumidores de oxígeno que se llevan a cabo en la tierra. A esta tasa de consumo, la última porción de oxígeno utilizable en la atmósfera y en los mares de la Tierra habría desaparecido en 3,000 años, pero antes de ese tiempo nos veríamos en graves apuros, ya que la cantidad de dióxido de carbono que se habría acumulado en la atmósfera acabaría por asfixiar toda forma de vida animal.

Pero la Humanidad, y todas las demás formas de vida, han estado consumiendo oxígeno y produciendo dióxido de carbono desde hace varios cientos de millones de años. Y a pesar de que durante todo este tiempo ha estado desapareciendo constantemente oxígeno, el aire permanece siempre en abundancia para soportar la respiración de todos los seres vivos. El oxígeno permanece intacto al igual que la misma pequeña cantidad de dióxido de carbono, ¿por qué sucede esto?

La única explicación lógica es que existe un ciclo en donde las cosas se mueven en círculo, y todo regresa al punto de partida con la misma rapidez con la que se va. Un ejemplo comparativo es el ciclo del agua, la cual empleamos para beber y utilizarla en infinidad de tareas; consumimos  millones de litros cada segundo y el agua dulce nunca se agota.

Toda el agua, se evapora por los efectos del calor del sol tanto en los lagos, en los depósitos o en los océanos. Posteriormente ese vapor regresa a la tierra en forma de lluvia y el depósito de agua se llena con la misma rapidez con que se ha consumido. De la misma forma, existe un proceso que forma oxígeno con la misma rapidez con que nosotros lo consumimos. Sólo de este modo podemos esperar que los niveles de oxigeno y de dióxido de carbono de la atmósfera permanezcan invariables durante cientos de millones de años.

Pero este proceso es menos evidente que el que recupera el agua dulce y conserva la tierra húmeda y los lagos y ríos siempre llenos. Para develarlo, debemos considerar otro proceso, que también se relaciona con los niveles de oxígeno y de dióxido de carbono y es el de nuestros alimentos.

Cuando respiramos oxígeno, éste se combina con algunas sustancias de nuestros tejidos para producir la energía que necesitamos para vivir, al hacerlo expulsamos dióxido de carbono y algunos otros productos de desecho que eliminamos principalmente mediante la orina.

Para restablecer nuestros tejidos con la misma rapidez con la que los gastamos, debemos de comer e incorporar a nuestro cuerpo los componentes de los tejidos de otros animales, y convertirlos en tejidos propios. Pero los animales que ingerimos, también han gastado sus propios tejidos y tienen que reparar su desgaste comiendo. Si todos los animales tuviesen que reponer sus tejidos consumidos comiendo otros animales, la vida animal se extinguiría rápidamente al agotarse todas las sustancias de los tejidos. Los animales más grandes y fuertes, robarían la sustancia de los animales más pequeños y después se destruirían unos a otros, al final, quedaría un solo animal que moriría de hambre.

Para que esto no suceda, la respuesta está en la vida vegetal. Todos los animales se alimentan de plantas o de otros animales que han comido plantas, o de animales que han comido animales que han comido plantas. Las plantas están constituidas por tejidos que contienen las mismas sustancias complejas de los tejidos animales. Por lo tanto, los animales pueden vivir alimentándose exclusivamente de plantas. La mayoría de los animales son «herbívoros», es decir comedores de plantas, solo una minoría son «carnívoros» (comedores de carne) y se alimentan de la mayoría herbívora. Pocos animales, como los hombres, los cerdos y las ratas, son «omnívoros» (comen de todo) y pueden consumir vegetales y animales.

Sin embargo, a pesar de su propio consumo y de los depredadores, los vegetales del mundo nunca se consumen por completo, sus tejidos se reparan con la misma rapidez con la que se desgastan. Gracias a esta capacidad los alimentos del mundo, como el depósito de oxígeno, permanecen perpetuamente llenos. Veamos de qué forma los vegetales reponen su caudal de alimentos, para descubrir también la forma en que se restablece el oxígeno del aire.

Es evidente que las plantas no fabrican su sustancia de la nada, ésta inicia como una pequeña semilla, pero para que crezca y se desarrolle debe colocarse en el suelo, en donde creará un complicado sistema de raíces que irán en todas direcciones. Este alimento es algo que no pueden comer los animales, pero que sostiene a las plantas. Pero no todo el suelo es adecuado, existen suelos fértiles donde los vegetales crecen perfectamente, y suelos áridos en los que es casi imposible su desarrollo. Por lo tanto, hay algo en los suelos fértiles que no existe en los suelos áridos.

Más aún, si un suelo fértil es empleado constantemente en el mismo tipo de cultivos, perderá gradualmente su fertilidad, como si se agotase la reserva de alimento. Esta fertilidad puede restablecerse en parte, si se deja la tierra sin cultivar durante un tiempo o si se cultiva en ella otra clase de vegetal, incluso el resultado mejora si se añade al suelo alguna sustancia fertilizante como excrementos de animales (abonos).

Pero el suelo no es lo único que se requiere para una floreciente vida vegetal, otro factor indispensable es el agua. Cualquier agricultor sabe que ningún suelo, por rico y fértil que sea, puede producir cosechas sin suministro de agua, por lo tanto, es de suponer que el objeto del agua es transportar materiales del suelo al interior de la planta, pero hubo que esperar varios milenios desde la aparición del hombre, para que a alguien se le ocurriera comprobar esto experimentalmente.

En 1648, Jan Baptista Van Helmont alquimista y físico de los países bajos que nació en lo que hoy es Bélgica, realizó el primer experimento cuantitativo que se hizo con un organismo vivo, fue el primer experimento biológico en que se pesaron exactamente unas sustancias y se observaron cuidadosamente cambios de peso que proporcionaron la respuesta que se buscaba.

Van Helmont trasplantó un vástago de un joven sauce a un cubo grande lleno de tierra, pesando el sauce y la tierra por separado. Supuso que si el sauce

formaba tejidos absorbiendo sustancias de la tierra, lo que ganase en peso debería perderlo la tierra. El agua que utilizó para regar la planta, serviría solo para sustituir la que se perdiese por evaporación. Durante cinco años, Van Helmont regó su árbol con agua de lluvia, el cual creció y se desarrolló, después de este tiempo, lo extrajo cuidadosamente del cubo, sacudió la tierra de sus raíces y lo pesó; el sauce había aumentado 7,5 Kg. de peso. Ahora solo tenía que pesar el suelo una vez que se secara. Para su asombro, el sauce ¡solo había perdido 56 gramos!

El sauce había aumentado de peso enormemente, pero no a expensas de la tierra. Van Helmont se preguntó ¿cuál era la otra única sustancia que había estado en contacto con el sauce? la respuesta era “el agua”. De esto dedujo que la planta obtenía su sustancia no del suelo, sino del agua. Y sostuvo que el agua era, sin duda, la sustancia fundamental del Universo, ya que si podía transformarse en tejido vegetal, podía también transformarse en cualquier otra cosa.

Si la conclusión de Van Helmont hubiese sido exacta, y si el agua fuese el único alimento de la planta, los vegetales podrían crecer, efectivamente en agua pura («agua destilada»). Pero no es así, su crecimiento no es permanente en agua destilada. Indudablemente, el agua no era el único material que tocaba la planta, también era tocada por el aire. Pero el aire no podía verse ni tocarse, por lo tanto, los alquimistas y todos los que estudiaban los materiales físicos del Universo tendían a prescindir del aire.

Van Helmont fue el primero en observar un gas que había de ser factor importante en la solución del problema de la nutrición de las plantas. Cuando quemaba madera, obtenía un gas al que llamó gas silvestre (gas de madera) Este gas no era inflamable y tendía a disolverse en el agua (o a «convertirse en agua», según suponía Van Helmont), ese gas era el que hoy llamamos dióxido de carbono.

Stephen Hales, botánico inglés que vivió un siglo después de Van Helmont, concluyó que el agua pasaba a través de la planta, siendo absorbida por las raíces y expulsada de nuevo, en forma de vapor por las hojas. Esta capacidad para expulsar un gas, le hizo pensar que también era posible que absorbieran gases; incluso que pudieran respirar como los animales, aunque de manera menos visible. Si era así, cabía la posibilidad de que el aire sirviera para nutrir, al menos una parte del tejido vegetal.

Esto le indujo a estudiar los gases y a publicar, en 1727 los resultados de sus  estudios, incluidos los que hoy llamamos hidrógeno, dióxido de azufre, metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono, estaba convencido de que todos aquellos gases no eran más que formas modificadas del aire, no se dio cuenta de que estaba operando con sustancias diferentes y distintas. El intenso y continuado interés por los gases realizado durante todo el siglo XVIII, reveló muy pronto, que muchos gases eran sustancias distintas, diferentes del aire, y los químicos empezaron a sospechar que el propio aire podría estar compuesto de más de una clase de gas.

El químico escocés, Joseph Black, se interesó particularmente en el dióxido de carbono, al cual llamó “aire fijo” . En 1756, descubrió que se combinaba con la cal para formar piedra caliza, y para ello, no tenía que añadir dióxido de carbono a la cal, bastaba con dejar la cal al aire libre y ésta empezaba a pulverizarse por los bordes convirtiéndose en piedra caliza. Esto demostraba que en el aire había pequeñas cantidades de dióxido de carbono.

Otro químico escocés, Daniel Rutherford, informó en 1772 sobre los efectos de hacer arder una vela en un depósito cerrado de aire. Después de un rato, la vela se apagaba y no podía encenderse nuevamente dentro de su contenedor, se sabía que las velas, al arder, producían dióxido de carbono, y que nada podía arder en el dióxido de carbono. Ésta parecía ser la explicación más fácil de lo que sucedía, la vela encendida había gastado todo el aire, remplazándolo con dióxido de carbono.

En 1775, Antonie Laurent Lavoisier había llegado a la conclusión de que el aire estaba constituido principalmente por dos gases: el oxígeno, que representaba una quinta parte y facilitaba la combustión, y el nitrógeno, que constituía las cuatro quintas partes e impedía la combustión, intuyó que el oxígeno no solo era necesario para la combustión, sino también para los procesos vitales del cuerpo, pensó que debía de existir un tipo de combustión lenta dentro del cuerpo que suministraba la energía necesaria para la vida. Esta combustión interna se llama respiración, y el oxígeno es necesario para que se produzca.

Hoy día, sabemos que el aire se compone aproximadamente de un 78 % de nitrógeno y un 21 % de oxígeno, sumando el 99 %; el 1 % restante está formado por una mezcla de gases como el bióxido de carbono y los gases nobles que fueron descubiertos en su mayoría hasta la década de 1980.

Lavoisier dedujo que el proceso de combustión requería la combinación del objeto combustible con el oxígeno del aire. Tenemos como ejemplo el carbón,  cuando arde, el carbono que lo constituye se combina con el oxígeno y forma el dióxido de carbono. Existe otro elemento simple e importante que se combina con el oxígeno, un gas inflamable y que fue estudiado detalladamente por un químico inglés llamado Henry Cavendish. En 1784, lo hizo arder en el aire, recogió los vapores resultantes y descubrió que se condensaban para formar agua. Lavoisier tuvo noticias de este experimento, lo repitió y dio al gas inflamable el nombre de hidrógeno («productor de agua»).

Lavoisier realizó los primeros  análisis químicos de sustancias procedentes de alimentos, y descubrió que eran ricos en carbono y en hidrógeno. El oxígeno, introducido en el organismo a través de los pulmones, hacía contacto con el alimento, y el carbono y el hidrógeno se combinaban lentamente con el oxígeno para formar dióxido de carbono y agua.

La oxidación dentro del cuerpo (respiración) se produce con mucha lentitud y la producción de energía es también muy lenta, la cual es cuidadosamente almacenada por el cuerpo y permite todos los procesos consumidores de energía (por ejemplo, el movimiento) que asociamos con la vida, esto puede resumirse en la siguiente ecuación química:

Alimento + oxígeno ➞ (respiración) ➞ bióxido de carbono + agua + energía.

Ahora volvemos a los dos problemas planteados al principio. En el curso de la respiración, se consumen alimentos y oxígeno, ¿cómo es que no se agotan?

El alimento es de algún modo producido de nuevo por las plantas: tomándolo del suelo, del agua, o incluso, posiblemente del aire, pero, ¿de dónde procede el oxígeno? ¿Cómo es restituido al aire?

Priestley, el descubridor del oxígeno, fue el primero en plantear una respuesta. Experimentó con un recipiente lleno de aire y cerrado, e hizo arder una vela, cuando el oxígeno se agotó fue imposible la combustión y la vida. Colocó un ratón en el recipiente cerrado, el cual murió rápidamente. Entonces hizo la misma prueba con vida vegetal. Si la falta de oxígeno impedía la vida, las plantas tenían que morir igual que los animales, por lo que puso un brote de menta en un vaso de agua y lo colocó en el recipiente cerrado. La planta no murió, creció durante meses y pareció florecer, entonces metió un ratón en el recipiente cerrado junto a la planta, y el animal vivió al igual que también ardió una vela encendida.

El físico holandés, Jan Ingenhousz, tuvo noticia del experimento de Priestley y en 1779, realizó muchos experimentos sobre la función restauradora de las plantas haciendo un descubrimiento formidable. ¡Las plantas sólo producían oxígeno en presencia de la luz del sol; nunca de noche!

Parecía lógico asumir que la producción de alimento y de oxígeno por la planta eran partes del mismo proceso. En la formación de alimentos, se constituyen sustancias complejas a base de sustancias simples del suelo, del agua o del aire. Este proceso es denominado síntesis, palabra griega que significa «juntar». Como la luz del sol es esencial para la producción de oxígeno y, por tanto, para la síntesis de los alimentos, el fenómeno es denominado fotosíntesis («juntar por medio de la luz»). Ingenhousz había descubierto la fotosíntesis.

Pero, si se forman alimentos y oxígeno, ¿de dónde proceden? En 1782 Jean Senebier, un sacerdote suizo realizó experimentos que le condujeron, a aceptar la tesis de Ingenhousz de que la luz era esencial para la producción de oxígeno, y a sostener, que también era necesario el dióxido de carbono. El oxígeno no se producía si la planta era privada de todo contacto con el dióxido de carbono, ya fuese que estuviera como gas en el aire, o disuelto (como «bicarbonato») en el agua.

En 1804, otro erudito suizo, Nicolás Theodore de Saussure, midió cuidadosamente el dióxido de carbono que consumía la planta y el aumento de peso del tejido vegetal. El aumento de peso era considerablemente mayor que el del dióxido de carbono consumido, y Saussure concluyó de modo convincente, que el único productor posible de la diferencia de peso era el agua.

Las plantas son alimentadas tanto por el agua como por una parte del aire, y obtienen de ambos sustancias para sus tejidos. Los alimentos contienen carbono e hidrógeno, y por consiguiente, deben formarse a base de materiales más simples que contengan carbono e hidrógeno. Sabemos que el agua se compone de hidrógeno y oxígeno, y que el dióxido de carbono se compone de oxígeno y carbono. Tanto el agua como el dióxido de carbono están siempre al alcance de las plantas, por lo que parece lógico que ambos contribuyan a la formación del alimento; es decir, del tejido vegetal. Además, si el carbono del dióxido de carbono y el hidrógeno del agua se emplean para formar la sustancia alimenticia, el oxígeno que resta debe ser expelido a la atmósfera.

Pero, ¿podemos eliminar completamente el suelo? Recordemos que algunos pequeños componentes del suelo son necesarios para la vida vegetal y que, en realidad, los tejidos vegetales no se componen únicamente de carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos tres elementos representan aproximadamente el 95 % del peso del tejido vegetal, pero hay también otros elementos presentes, elementos que en ínfimas proporciones, son también indispensables para la vida, entre otros varios son el nitrógeno, el azufre, el fósforo, el calcio, el magnesio, el hierro, el sodio y el potasio.

Dejando de lado el nitrógeno, ninguno de los otros elementos se encuentra en cantidades significativas en el aire o en agua de lluvia. Sin embargo en el suelo hay compuestos que contienen estos elementos. El agua al filtrarse en el suelo disuelve algunos de estos componentes, que pasan con ella a la planta, el  agua es necesaria para la vida vegetal no sólo como parte integrante del tejido de la planta, sino también como medio de transporte de componentes del suelo.

Los pequeños componentes del suelo que son necesarios para la vida vegetal vuelven a la tierra cuando las plantas mueren y se descomponen lentamente. Si las plantas son ingeridas, parte del material es devuelto en forma de excrementos animales, y el resto cuando el animal muere y se corrompe. Sólo cuando el hombre cultiva intensamente el suelo y cosecha las plantas llevándoselas, el suelo se ve privado poco a poco de aquellas sustancias y se convierte en estéril. Para restaurar dichas sustancias, los agricultores deben fertilizar la tierra con excrementos animales y con abonos químicos. Las sustancias del suelo se incorporan al tejido vegetal gracias a mecanismos que no requieren la acción de la luz del sol y no forman parte de la fotosíntesis.

Nos hemos quedado con sólo tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno. De la misma forma en la que resumimos la respiración en una ecuación:

Alimento + oxígeno ➞ (respiración) ➞ bióxido de carbono + agua + energía.

Resumiremos ahora el hecho de la fotosíntesis que inicia con dióxido de carbono y agua, y acaba con tejido vegetal (alimento) y oxígeno, la luz del sol es esencial y es una forma de energía; por consiguiente, añadiremos la energía como uno de los factores. Así tendremos:

Bióxido de carbono + agua + energía ➞ (fotosíntesis) ➞ alimento + oxígeno.

Si comparamos las dos ecuaciones, veremos que cada una de ellas es exactamente lo contrario de la otra. Dicho en otras palabras, si consideramos al oxígeno y el alimento de una parte, y el dióxido de carbono, el agua y la energía, de otra, veremos que la respiración lo empuja todo hacia el lado del dióxido de carbono, el agua y la energía, mientras que la fotosíntesis lo impulsa todo hacia el lado del alimento y el oxígeno.

Esto es lo que llamamos un ciclo. Así, las dos ecuaciones pueden combinarse para formar el llamado «ciclo del carbono», porque el elemento carbono representa un papel clave.  La respiración se produce tanto en los animales como en las plantas, aunque el proceso es menos aparente en éstas porque no respiran visiblemente A la luz del sol, el efecto de la fotosíntesis disimula el de la respiración en la planta; en cambio, de noche, cuando no actúa la fotosíntesis, las plantas absorben oxígeno y desprenden dióxido de carbono, de la misma manera que los animales.

Pero las dos ecuaciones no son exactamente opuestas en todos los sentidos. En la respiración, la energía producida es desprendida, en parte, en forma de calor y parcialmente almacenada en forma de ciertos compuestos por lo que la podemos denominar «energía química». Pero en la fotosíntesis, la energía que se utiliza no es calor ordinario, ni energía química, es la energía de la luz del sol, a la que llamaremos «energía solar».

El ciclo del carbono es el que permite que la vida continúe indefinidamente, el alimento, el oxígeno, el dióxido de carbono y el agua, se consumen y forman de nuevo, una y otra vez, y en teoría, pueden durar eternamente. Lo que impulsa el ciclo es la luz del sol, y podemos decir que el «objeto» del ciclo es convertir energía solar en energía química. La energía química hace posible todas las manifestaciones de la vida, y, dado que su origen es la energía solar, toda vida depende del Sol, y son las plantas, gracias a la fotosíntesis, las que ponen la energía solar no sólo a su propio alcance, sino también al de los animales.

Si el lector desea conocer más sobre esto, puede leer un excelente libro de Isac Asimov llamado “Fotosíntesis” editado en español por Plaza & Janes, S. A., Editores© 1980.

También puede leer el libro Oxygen: the molecule that made the world de Nick Lane (al momento no existe traducción al español).


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Número 34 - Octubre 2019
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