1 - Ergaro

LA IMPORTANCIA DEL AGUA PARA LA EXISTENCIA Y EL
DESARROLLO DE LA MATERIA VIVA
El filósofo griego Tales de Mileto ya en el año 600 a. c. pensó:
"El agua es el comienzo de todas las cosas"
y un proverbio uzbeko dice:
“Donde el agua termina, termina el mundo”
El agua, las sustancias nutritivas y la energía son las condiciones fundamentales para
todas las formas de vida que conocemos. La temperatura, la radiación, la presión, el pH (012), la concentración de elementos tóxicos, la humedad relativa (60- 100 %) y la salinidad,
son los factores limitantes para la existencia de alguna forma de vida en un compartimento
dado. De todas las especies vivas, las más resistentes son algunas de los microorganismos.
4.1. EL AGUA Y EL DESARROLLO DE LA VIDA
Un componente muy importante de todas las formas de vida son las proteínas. Se trata
de macromoléculas con grupos funcionales capaces de participar en puentes de hidrógeno
con moléculas de agua.
Estos puentes de hidrógeno participan en la formación y estabilidad de las estructuras
finas tridimensionales, las secundarias y terciarias de las proteínas, que a su vez
determinan las funciones de una proteína dentro de un ser vivo
En rocas y piedras con una antigüedad de 3,500 millones de años, encontradas en
Sudáfrica y Australia, se detectaron huellas de microbios (estromatolitos), que tienen
semejanza con estromatolitos actuales que se encuentran en el oeste de Australia. Se trata
de comunidades de algas unicelulares y bacterias, microbios autótrofos y heterótrofos
(estos dos términos se explicarán en el subcapítulo 4 2). Se estima que las primeras formas
de vida son todavía más antiguas y que se trató de microbios heterótrofos que se
alimentaron de moléculas químico-orgánicas, disueltas en los océanos y formadas en la
atmósfera antigua a partir de metano, amoniaco, agua e hidrógeno por la influencia de
descargas eléctricas en forma de rayos como fuente energética, o generadas en las
profundidades de los océanos, cerca de fuentes muy calientes, donde hoy día todavía
existen comunidades de vida anaeróbica.
Hace alrededor de 3,500 millones de años, probablemente algunas cianobacterias
lograron en una fotorreacción la abstracción de hidrogeno de las moléculas de agua. A partir
de este momento, el agua cambó de ser medio a ser también material nutritivo para las
formas de vida.
En la actualidad existen varias teorías científicas respecto al origen de la vida terrestre.
Pero una cosa parece ser muy clara:
En el agua, este líquido vital, se desarrollaron las primeras formas de vida. La historia de
la vida terrestre es la historia de la vida en los océanos. Y desde aquellos tiempos, el agua
y la vida terrestre están estrechamente vinculadas una con la otra. La vida en la tierra firme
se desarrolló mucho más tarde, hace aproximadamente 450 millones de años.
Hoy día, el agua es un compartimento importante para una gran cantidad de especies
vivas. Los océanos representan el más grande ecosistema de la Tierra y en gran parte
todavía están inexplorados. Sabemos más sobre la Luna, Venus y Marte que sobre la vida
en las profundidades de los mares.
Dentro de un cuerpo de agua, la diversidad de especies vivas y su densidad dependen
de las condiciones existentes, como nutrientes, temperatura, luz, concentración de oxígeno,
etc. Por ejemplo, en las aguas subterráneas, por la falta de luz, no pueden existir
organismos autótrofos, sino sólo aquellos que son heterótrofos y que viven de sustancias
orgánicas eventualmente presentes. Varios microbios peligrosos para el hombre forman
parte de estos tipos de organismos. Por tanto, es de gran importancia evitar que a las aguas
freáticas lleguen aguas residuales cargadas con este tipo de nutrientes y microbios
a gran diversidad de especies se desarrolló, y se desarrolla todavía en las aguas
superficiales. Aquí existen las condiciones adecuadas tanto para especies autótrofas como
heterótrofas y se forman cadenas alimentarias y equilibrios importantes. Cada organismo y
cada especie puede, sobrevivir, desarrollarse y propagarse solamente cundo existen todas
las condiciones necesarias. Cada cuerpo de agua contiene un mundo de vida adaptada a
las condiciones que esa agua ofrece. No son raros los casos en los que cambios leves de
las condiciones ya causan cambios drásticos en las comunidades de vida dentro de un lago,
arroyo o río, y hasta en los océanos, si pensamos en los arrecifes de coral, porque existen
muchas especies que a lo largo de su desarrollo filogenético se adaptaron a condiciones
de vida con límites muy angostos. Un ejemplo típico son algunos lagos aislados en las
montañas de Noruega. El fondo y las orillas de estos lagos son de granito y por tanto el
agua no tiene ninguna capacidad de buffer. La vida acuática está adaptada a valores de pH
muy cercanos a 7, pero las lluvias con contaminantes ácidos causan que el pH baje y así,
el ecosistema dentro de estos lagos sufre daños graves.
Ejemplos inversos son las aguas sobrecargadas con nutrientes. En cuerpos de agua los
cuales entran aguas residuales no tratadas o insuficientemente tratadas, se puede
encontrar hasta un millón de individuos vivos en cada mililitro del agua, en su mayoría
microorganismos. En aguas residuales, esta cantidad sobrepasa todavía un millón de
individuos por mililitro. Cuando las aguas residuales ya no contienen oxígeno disuelto, los
microbios anaeróbicos abundan. Para ellos el oxígeno y condiciones oxidantes son
mortales y, al revés, los microbios aeróbicos no pueden sobrevivir bajo condiciones
reductoras. Pero también existen microbios facultativos que se han adaptado a estas dos
condiciones tan diferentes.
4.2 EL AGUA COMO NUTRIENTE PARA LOS SERES VIVOS
E1 agua participa en porcentajes altos en la composición de las especies tanto de la flora
como de la fauna. Entre 60 % y 70% del cuerpo humano y de muchos animales consiste en
agua. Una célula contiene 80% y muchas plantas, frutas y verduras contienen hasta 90 %
de agua.
Desde el punto de vista químico, el agua es un participante en la reacción química de
mayor volumen en nuestro planeta: la fotosíntesis. En esta reacción, catalizada por la
clorofila dentro de las plantas y las algas verdes, el agua forma con el dióxido de carbono
(CO2) y con la participación de la luz solar, los carbohidratos (CH2O)n por ejemplo la glucosa
con n= 6. A la vez se forman moléculas de oxígeno.
2nH2O*1 + nCO2 + luz solar------------ (CH2O)n + nH2O + O2* \ (4.1)
Se estima que por esta reacción, anualmente se forman 2 x 1011 toneladas de material
seco en las capas superficiales de los océanos y en la tierra firme y se acumulan 2. 1018 kJ
de energía solar, aunque la mayoría de las plantas solamente pueden aprovechar entre 0.1
% y 0.3 % de la radiación solar. Excepciones son, por ejemplo, el maíz y la caña de azúcar,
que por un mecanismo diferente pueden aprovechar hasta 3% de la energía solar. Esta
enorme cantidad de energía (2 x 1018 kJ) es cuatro veces la cantidad gastada al año por la
humanidad al final del siglo XXI (5 x 1017 kJ).
Realmente existen sólo dos sustancias fundamentales: el agua y el dióxido de carbono,
y además la energía solar, de las cuales nosotros, los seres humanos, y las otras formas
de vida terrestre dependemos.
El mecanismo de la fotosíntesis es muy complejo. Los detalles pueden encontrarse en
libros de bioquímica. En el contexto del presente libro es importante mencionar que las
moléculas de agua no sufren directamente la foto-transformación. Como ya hemos visto en
el capítulo l, el agua no absorbe la luz visible. La mera fotorreacción ocurre por medio de la
excitación electrónica de la "clorofila a" (pigmento P 680) que absorbe luz de una longitud
de onda de alrededor de 680 nm. El P 680 electrónicamente excitado tiene un potencial de
oxidación suficientemente alto para poder arrebatar un electrón de la molécula de agua:
H-o-H P 680
H+ + HO.+ e(4.2 )
En una segunda etapa, el radical hidroxilo pierde un electrón y se forma el oxígeno:
2 HO.
2H+ + O2 + 2 e-
(4 3)
Los electrones liberados sirven para la reducción del CO2 por medio de una enzima.
La reacción 4.1 es el fundamento para la mayoría de la vida terrestre. La fotosíntesis
transforma energía solar en energía química fijada en los productos de la reacción, es decir,
en los carbohidratos y el oxígeno. Los organismos capaces de llevar a cabo esta reacción
se llaman autótrofos. Para su metabolismo y el crecimiento de su cuerpo, ellos necesitan
esencialmente las sustancias inorgánicas agua, dióxido de carbono y algunos elementos
traza, así como una fuente de energía. Todas las plantas verdes, las algas y algunas
bacterias forman parte de este grupo. Otro grupo de seres vivos, los organismos
1
El asterisco * indica que el oxígeno liberado tiene su origen en las moléculas de agua y no proviene del
dióxido de carbono.
heterótrofos, aprovecha los carbohidratos y la energía acumulada en ellos mismos para
sus procesos metabólicos y su crecimiento. Particularmente por medio de la respiración,
los carbohidratos son oxidados al consumir oxígeno, formando de nuevo agua y dióxido de
carbono y liberando la energía acumulada.
Sin considerar el agua como líquido corporal dentro de un ser vivo y las sales disueltas
en él, entonces toda la materia viva consiste en moléculas químico-orgánicas, como las
proteínas, formadas de carbono, hidrógeno, oxígeno y, en cantidades menores, también de
nitrógeno, fósforo, azufre y varios elementos químicos traza. El protoplasma de las algas,
especies muy importantes para las cadenas alimentarias dentro de los cuerpos naturales
de agua, tiene aproximadamente una composición sumaria de C106H263O110N16P1 Muy
esquemáticamente se puede decir que este protoplasma se forma por la fotosíntesis y
después se descorone, transformándose en materia orgánica muerta. Todas estas
transformaciones se llevan a cabo según las siguientes reacciones:
106 CO2 + 16 NO3- + HPO42- + 104 H2O + 18H3O*
(+ hv) fotosíntesis
descomposición
(C106 H263 O110 N16 P1) + 138 O2
Estas dos reacciones, la fotosíntesis y su reacción inversa, están vinculadas con la
distribución vertical de los elementos químicos participantes dentro de la columna de agua
en los mares y lagos profundos. La fotosíntesis ocurre en la superficie. La materia
muerta, proveniente de las mismas algas o de los animales acuáticos vinculados con ellas
por las cadenas alimentarias, baja a las profundidades, donde sufre su descomposición.
Por tanto, la concentración de oxígeno en estos cuerpos de agua disminuye de arriba hacia
abajo y las concentraciones de nitrato y fosfato aumentan en la misma dirección. En la
superficie se observan en promedio las siguientes concentraciones:
O2 aprox. 0.25 mmol . L -1 NO3- aprox. 0.005 mmol . L-1
HPO42- aprox. 0.00013 mmol. L-1
y en las profundidades:
O2 aprox. 0.074 mmol . L -1, NO3 - O.O26 mmol . L -1,
HPO42- : 0.0013 mmol . L -1
Si la concentración de oxígeno se acerca a cero, las condiciones para los procesos de
degradación cambian a condiciones reductoras favorables para los microbios anaeróbicos.
4.3. EL AGUA COMO MEDIO DE TRANSPORTE DENTRO DE UN SER
VIVO Y EL PROCESO DE ÓSMOSIS
Como ya hemos explicado en el capítulo 1, el agua es un excelente disolvente para
sustancias polares y moléculas capaces de forma: puentes de hidrógeno. Esta propiedad
es de gran importancia para el transporte tanto de nutrientes como de productos de
desintegración no sólo dentro de un cuerpo entero de las plantas, los animales y los seres
humanos, sino también para cada célula de un ser vivo. En este contexto, un proceso que
se llama ósmosis es de gran importancia. La ósmosis es el paso de moléculas de agua a
través de una membrana semipermeable desde una disolución de concentración baja o de
agua pura a una disolución más concentrada que se encuentra al otro lado de la membrana.
Este proceso continúa hasta que las concentraciones del soluto son iguales en los dos lados
de la membrana semipermeable Como consecuencia, al lado de la disolución más
concentrada aumenta el volumen o, cuando se trata de un sistema cerrado, aumenta la
presión. Se habla de la presión osmótica Posm. y esta presión osmótica depende de la
concentración de la(s) especie(s) disuelta(s) según la ecuación siguiente:
P osm = c . R . T
(4.5 a)
Donde c es la concentración del soluto en mol . L-1, R es la constante universal de los
gases y T es la temperatura absoluta.
Cuando el soluto es una sal Mm An que en disolución acuosa sufre disociación total,
entonces la concentración de especies químicas en la disolución es (m + n). c y la ecuación
4.5a se transforma en:
Posm = (m + n) c. R. T
([4.5 b)
La presión osmótica tiene gran importancia para el transporte de sustancias dentro de
las plantas de abajo hacia arriba, en contra de la fuerza de gravedad. Por el efecto de la
ósmosis, se forma una notable presión dentro de las raíces de la planta y, con ayuda de las
fuerzas capilares dentro de finos canales en la planta y la succión causada por la
transpiración en las hojas, la disolución acuosa de nutrientes sube por un sistema de
canales muy finos. Las columnas finas de agua y dependiendo de la altura de la planta, no
se rompen gracias a los puentes de hidrógeno que unen a las moléculas de agua.
A causa de la transpiración del agua en las hojas, un árbol transporta diariamente una
cantidad notable de agua del suelo y subsuelo hacia la atmósfera. En función de su
ubicación, de las condiciones climáticas y de su masa y superficie de las hojas, un árbol
necesita diariamente varios cientos de litros de agua. Las mediciones y cálculos para
árboles en Europa Central dan valores entre 5 y 10 litros de agua por kilogramo de hojas y
día.
La transpiración de esta cantidad de agua necesita energía térmica. La consecuencia es
que un árbol, y todavía más un conjunto de árboles , influye positivamente sobre el
microclima de un lugar. Un área verde arbolada, de entre 50 m y 100 m de ancho, puede
efectuar una disminución de la temperatura en el aire hasta de 3.5oC. Un bosque grande
causa no solamente temperaturas más bajas, sino también un notable aumento de la
humedad en el aire, lo que aumenta la probabilidad de precipitaciones.
La pared celular en las plantas es relativamente estable. Consecuentemente, estas
células pueden resistir presiones osmóticas notables. Pero no es el caso, por ejemplo para
los glóbulos sanguíneos. Cuando estos se hallan en contacto con una disolución acuosa de
concentración muy baja o hasta con agua pura, su pared celular se puede romper por el
aumento de la presión osmótica dentro del glóbulo. Generalmente, las células de un ser
vivo están en posesión de mecanismos para regular su presión osmótica bajo condiciones
normales para este ser vivo. La pared de una célula consiste en una capa doble de lípidos,
casi no permeable por el agua. En esta capa doble están integrados diferentes tipos de
proteínas, selectivamente permeables para una u otra especie de sustancias, iones o agua.
Moléculas pequeñas pueden pasar y moléculas grandes son retenidas.
Cuando al organismo de un ser vivo que tiene su espacio vital en la tierra firme, una
planta, un animal o al hombre le falta suficiente agua, todos los procesos vinculados con la
ósmosis sufren distorsiones graves que por fin pueden causar la muerte del individuo. Lo
mismo ocurre cuando de repente el agua accesible contiene sales en concentraciones
mucho más altas que aquellas a las cuales el ser vivo está adaptado. Es por esto por lo que
el hombre no puede sobrevivir ingiriendo solamente agua de mar y la vida acuática muere
cuando la concentración de sales llega a valores muy altos, como en el mar Muerto.