Vida azotada - Cienciorama

Estructura de una base nitrogenada en el ADN de una célula (Fernanda Vargas Romero).
Vida azotada
Pablo Martínez Sosa
Incoloro, inodoro y letal
El aire que respiramos está compuesto en un 78% de nitrógeno diatómico
o molecular, en un 21% de oxígeno, en un 0.93% de argón, en un 0.04%
de dióxido de carbono, así como de muchos otros componentes en
menores proporciones. A pesar de que esto es bien conocido en la
actualidad, por mucho tiempo se pensó que el aire era una sola sustancia
cuyas propiedades —por ejemplo la de ser tóxico para los seres vivos-podían cambiar si reaccionaba con otras sustancias.
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Entender que el aire es una mezcla de varios elementos y compuestos
requirió del trabajo de muchos investigadores pero Daniel Rutherford fue el
primero que logró aislar el componente principal del aire: el nitrógeno.
Es importante notar que si bien la atmósfera tiene la mayor
concentración de nitrógeno en el planeta (78%), no es el principal
reservorio, es el manto terrestre,
que pese a tener un porcentaje bajo y
difícil de determinar, es por mucho más extenso que la atmósfera (figura
1).
Figura 1. Esquema comparativo de las capas de la Tierra con su radio en kilómetros. Se
muestra la atmósfera (azul), litósfera (café), mantos externo e interno (verde), núcleo
externo (amarillo) y núcleo interno (rojo).
En
1772,
cuando
Rutherford
trabajaba
como
estudiante
del
químico
escocés Joseph Black en la Universidad de Edimburgo, se sabía que el
aire
podía
reaccionar
con
algunas
sustancias
y
con
esta
base
se
clasificaron varios tipos de aire. Se sabía, por ejemplo, que el aire que
quedaba en un recipiente cerrado después de encender una vela ya no
permitía encender una flama y que además resultaba tóxico para los seres
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vivos; por esta última propiedad se le conocía como aire mefítico, es decir,
venenoso; también se le conocía como aire fijado.
El trabajo que Joseph Black encargó a Rutherford fue estudiar
precisamente el aire que quedaba dentro de un recipiente tras una
combustión. Rutherford notó que una vez que se obtenía este gas, se
podía separar aún más haciéndolo pasar por una disolución básica -de
carácter alcalino y pH alto-. El gas que quedaba mantenía la propiedad de
ser tóxico para los organismos y de evitar el encendido de una flama,
pero además carecía de otras propiedades características del aire mefítico,
como la de
parecía
reaccionar con disoluciones básicas. A este gas que ya no
reaccionar
con
otras
sustancias
Rutherford
lo
nombró
aire
flogisticado (figura 2).
Si se conoce la composición real del aire es claro que en los
experimentos de Rutherford al prender la vela se consumía la mayoría del
oxígeno, formando CO2 (la mezcla de gases con una mayor cantidad de
este compuesto era el aire mefítico). El CO2 a su vez reaccionaba con la
disolución
básica
formando
una
sal;
y
el
gas
que
quedaba
era
mayoritariamente nitrógeno molecular o diatómico, que no sirve como
comburente. Por lo tanto no era posible encender una flama y no era
asimilable por los ratones que usaba Rutherford para sus experimentos, a
los que les causaba la muerte. Además, esta molécula de nitrógeno
diatómico es muy estable, lo cual explica que, a diferencia del CO2, no
reaccionara con otras sustancias como en los experimentos de Rutherford.
Aunque a Rutherford se le da el crédito de aislar el nitrógeno, otros
investigadores casi a la par describieron lo mismo, aunque no tan
detalladamente.
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El nitrógeno es uno de los elementos más abundantes en el universo, y se
encuentra en dos formas:
14
N y
15
N. Tanto el
14
N como el
15
N poseen siete
protones en su núcleo, pero mientras el nitrógeno 14 posee siete
neutrones, el otro posee ocho. A los grupos de átomos que poseen la
misma cantidad de protones pero varían en el número de neutrones se les
llama isótopos. En el caso del nitrógeno,
14
N es el isótopo más abundante;
ambos isótopos son estables, lo que significa que no emiten radiación y
por lo tanto no se convierten en otros elementos.
Figura 2. Método de purificación del nitrógeno usado por Rutherford. Tras consumir una
vela en un recipiente, el aire se hacía pasar por una trampa de disolución básica, el gas
que quedaba era el aire flogisticado, tóxico para los seres vivos.
Un átomo de nitrógeno es capaz de unirse con uno y hasta con tres
átomos distintos, lo que da origen a moléculas como amoniaco (NH3) o
nitrógeno molecular (N2). En este último caso, los dos átomos de nitrógeno
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están unidos por tres enlaces (ver en Cienciorama “La raya por la que se
intuyeron las moléculas”), para romper el N2 se necesita romper estos tres
enlaces, lo que requiere una cantidad de energía muy alta, lo cual hace
que el nitrógeno molecular sea especialmente estable. Por esta razón
Rutherford no podía hacerlo reaccionar con otras sustancias y tiempo
después Antoine Lavoisier le dio el nombre de azote, proveniente del
griego, que significa “sin vida”, ya que el nitrógeno diatómico asfixiaba a
los animales.
Un contraste interesante es que pese al nombre propuesto por
Lavoisier, o que Rutherford y sus contemporáneos describieran como una
de sus propiedades que mataba a los organismos, el nitrógeno es uno de
los elementos esenciales para los seres vivos.
El Dorado hecho de nitratos
El nitrógeno molecular (N2) es el principal componente de la atmósfera
(78%) y a su vez es un nutriente esencial para los organismos. Partiendo
de esto, uno podría creer que en general obtener nitrógeno no debería ser
un problema para los seres vivos. Sin embargo, los organismos sólo
asimilan este elemento en forma de nitratos, de amoniaco o de materia
orgánica, mas no en su forma diatómica. Así, muchos ecosistemas tienen
cantidades bajas de estas moléculas asimilables; la razón es el triple
enlace
de
la
molécula,
que
requiere
una
cantidad
de
energía
excepcionalmente alta para poder formar otras moléculas de nitrógeno,
que a su vez requieren menos energía para romperse y formar muchas
otras moléculas. Al nitrógeno en moléculas como amoniaco, nitrato o
compuestos orgánicos se le conoce como nitrógeno fijado.
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Al problema de la falta de nitrógeno fijado se enfrentaron los agricultores
en el mundo a finales del siglo XIX cuando la población global comenzó a
crecer. Como los cultivos de cereales reducen la cantidad de nitrógeno
fijado en el suelo, resultaba imposible sembrar consecutivamente cereales
en el mismo campo, y esto era inconveniente en una época en que la
demanda de cereales crecía cada vez más y las alternativas para renovar
las fuentes de nitrógeno en los campos, como por ejemplo sembrar
leguminosas, resultaban imprácticas ya que dejaban campos enteros sin
producir cereales.
La solución temporal que se encontró al problema del nitrógeno en
el suelo fue aprovechar fuentes de este elemento como cadáveres, guano
o depósitos de nitratos. A mediados de 1800 se describieron grandes
depósitos de nitratos en el desierto de Atacama, entre Chile y Perú. La
demanda de estos depósitos fue tan alta que causó conflictos entre
Bolivia, Chile y Perú por el territorio.
Una pregunta interesante, que incluso el mismo Darwin exploró, es
¿cuál sería el origen de los nitratos en Atacama? y ¿cómo es que, siendo
un
nutriente
tan
esencial,
se
logró
acumular
tal
cantidad
de
esta
sustancia?
El amplio uso de este elemento por los seres vivos explica la
aparición de un sistema enzimático tan costoso como es la fijación
biológica del nitrógeno. Además, como la inmensa mayoría de las especies
animales y vegetales depende de las formas fijadas del nitrógeno, es difícil
encontrar nitrato (NO3-) como componente del suelo en condiciones
normales.
La importancia del nitrógeno en los organismos vivos se puede
ejemplificar con el consumo promedio de átomos de nitrógeno en un
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organismo; se calcula que aproximadamente por cada 100 átomos del
carbono, que constituye la base de todas las moléculas orgánicas, que se
consume, se ingieren entre dos y 20 átomos de nitrógeno. Un factor
importante que explica la gran demanda de este elemento es su capacidad
para unirse hasta con tres átomos distintos, la cual combinada con la
capacidad del carbono de unirse con otros cuatro átomos, aumenta
mucho la cantidad de moléculas que se pueden formar y que constituyen
a los seres vivos. Así, el nitrógeno forma parte de biomoléculas tan
diversas como los aminoácidos que son la base de las proteínas, de las
bases nitrogenadas indispensables en el ADN y de las porfirinas --un grupo
de moléculas dentro de las que se encuentra la hemoglobina--, además
los óxidos de nitrógeno tienen por sí mismos efectos fisiológicos como la
regulación de la presión arterial (figura 3).
Vida, agua y nitrógeno
Que en Atacama se preserven los depósitos de nitrato (NO3-) tiene una
explicación relativamente sencilla, basta mirar una fotografía del desierto
para darse cuenta de que en la región más árida, la que tiene la mayor
concentración, no se alcanzan a observar ni plantas ni animales, incluso a
nivel microscópico es difícil encontrar organismos en las capas más
superficiales del suelo. La ausencia de seres vivos explica la concentración
de nitratos ya que no hay quien los consuma del suelo. Además, la
extrema aridez del lugar –la región más seca registra menos de 1mm de
lluvia al año-- mantiene en la parte superficial a estos compuestos; debido
a su alta solubilidad en agua, una cantidad pequeña de ella suele
transportar rápidamente los nitratos (NO3-) al subsuelo.
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Figura 3. Representación de algunas biomoléculas que poseen nitrógeno dentro de su
estructura. La base nitrogenada como parte del ADN y el aminoácido dentro de una
cadena peptídica.
El origen de los depósitos de nitrato es un problema que aún se discute,
aunque se tienen varias posibles explicaciones que no son excluyentes. Al
estudiar los depósitos Darwin sugirió que su origen era biológico, de
manera similar al de los depósitos de guano en las islas cercanas a la
zona. Esta teoría resulta lógica considerando que la mayoría de las
especies fijadas de nitrógeno a nivel global son de origen biológico. Una
de las hipótesis que se han planteado es que el desierto de Atacama era
antes una laguna que al secarse formó los depósitos de nitratos a partir
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de los organismos muertos en ella. Actualmente esta hipótesis es poco
popular debido a la falta de evidencia que la respalde.
Otra posibilidad es que los nitratos se formen por acción de los
relámpagos o por reacciones fotoquímicas en las que la radiación solar
interactúa con la alta atmósfera y da la energía necesaria para que se
lleve a cabo el rompimiento de la molécula de nitrógeno diatómico. Estas
reacciones dan lugar a especies oxidadas de nitrógeno que al interactuar
con los minerales del suelo producen nitratos. A pesar de que el aporte
de estos fenómenos es relativamente bajo a nivel global, por análisis de
isótopos se ha visto que una parte importante de los nitratos de Atacama
son de origen fotoquímico.
La ruta del nitrógeno
Como parte de los ciclos biogeoquímicos en la Tierra, es decir de aquellos
procesos en los que una sustancia pasa a través de elementos bióticos y
abióticos, el nitrógeno se recicla en un interesante proceso. Como ocurre
en Atacama, parte del nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede
ser fijado por procesos abióticos y depositado en forma de sales. Sin
embargo el mayor aporte de nitrógeno fijado lo dan los seres vivos. Un
grupo de bacterias y arqueas denominados diazótrofos llevan a cabo la
reacción de fijación de manera muy eficiente. El
secreto de estos
organismos radica en el uso de enzimas especializadas que pueden
realizar la conversión de N2 en amoniaco a costa de un enorme gasto
energético; en términos generales se requieren aproximadamente ocho
moléculas
de
metabolismo
glucosa
para
microbiano.
fijar
una
sola
Posteriormente
el
molécula
de
amoniaco
N2
en
puede
un
ser
incorporado en forma de moléculas orgánicas o ser transformado en
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nitrato (NO3-) por organismos nitrificantes. Después una gran cantidad de
grupos de microorganismos pueden pasar el nitrato nuevamente a N2;
actualmente se han encontrado nuevos metabolismos que realizan este
paso. En menor medida, pero igualmente importante a nivel global, la
materia orgánica de los organismos muertos, si no es consumida, puede
aportar amoniaco al suelo, el cual entra entonces al ciclo de las rocas y
mediante éste puede regresar a la atmósfera por vulcanismo (figura 4).
Figura 4. Esquema general del ciclo del nitrógeno. Diversos procesos intervienen en el
ciclo del nitrógeno, sin embargo el factor principal son los organismos vivos.
Si la vida te da limones…
Aunque los depósitos de nitratos ayudaban a aumentar la producción
agrícola durante el siglo XIX, no eran una solución a largo plazo. Más aún,
los nitratos son parte esencial en la producción de dinamita y pólvora, por
lo
que
la
región
de
Atacama
se
volvió
especialmente
valiosa.
La
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explotación excesiva de nitratos causó un rápido aumento en los precios
de esta sal, lo cual afectó especialmente a países como Alemania que
dependían casi totalmente de los nitratos que importaba.
La solución al problema la encontraron en 1910 los científicos
alemanes Carl Bosch y Fritz Haber. A pesar de que previamente existían
métodos para obtener formas fijadas de nitrógeno, hasta el desarrollo del
método Haber-Bosch no había una manera de fijar el nitrógeno que
permitiera generar fertilizantes a un nivel suficiente para cubrir la demanda.
El método que desarrollaron estos científicos consiste en transformar el
nitrógeno molecular en amoniaco calentándolo a temperaturas de entre
300 y 500ºC en un contenedor a una presión de entre 150 a 300 veces
la presión atmosférica; además se deben agregar catalizadores a la
reacción
para
que
ocurra
a
mayor
velocidad.
Inclusive
con
estas
condiciones tan extremas, la eficiencia del proceso no es de más del 20%.
Actualmente, pese a muchos esfuerzos, aún se utiliza esta técnica para
obtener amoniaco.
De manera interesante, pocos años después, al comienzo de la
Primera
Guerra
Mundial,
el
proceso
Haber-Bosch
fue
vital
para
la
producción de pólvora de Alemania, ya que con la guerra este país perdió
el acceso a los depósitos de guano y nitratos en Sudamérica.
La gran dependencia entre la vida y el nitrógeno
La fuerte relación que existe entre la vida y el ciclo del nitrógeno queda
clara al considerar que si no existiera la vida, todo el N2 de la Tierra
quedaría secuestrado en la corteza terrestre en algunos miles de años
(figura 4). Esto ocurriría porque la fijación biológica es la más importante a
pesar de no ser la única; los procesos de reciclado geológicos del N2
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hacia a la atmósfera son demasiado lentos como para compensar la
fijación biológica de nitrógeno. Esto hace del ciclo del nitrógeno un
proceso biogeoquímico particular, ya que a diferencia de otros, como el
del agua o el carbono, éste se encuentra gobernado principalmente por
los seres vivos y no por procesos geológicos.
La relación que existe entre los seres vivos, los humanos en
particular,
y
el
nitrógeno
dista
de
ser
completamente
armoniosa,
principalmente debido a la gran codependencia entre ambas partes. Esta
relación se muestra en el uso de los fertilizantes. Se sabe que desde la
invención del proceso Haber-Bosch la producción de alimento se ha
incrementado exponencialmente, a consecuencia de esto la esperanza de
vida de los humanos también ha aumentado. Sin embargo la actividad
humana
y
la
contaminación
emisión
han
de
afectado
óxidos
el
de
ciclo
nitrógeno
y
biogeoquímico
otros
tipos
causando
de
serios
problemas en los ecosistemas como el crecimiento excesivo de plantas
acuáticas en cuerpos de agua, lo cual causa la reducción de oxígeno en
estos sitios, matando a otros organismos.
Bibliografía especializada
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(2013)
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Bibliografía no especializada
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2. Vargas, E. (2014)., “La raya por la que se intuyeron las moléculas“, Cienciorama,
http://www.cienciorama.unam.mx/#!titulo/360/?la-raya-por-la-que-se-intuyeron-lasmoleculas
3. Weeks, M. E., “Daniel Rutherford and the discovery of nitrogen“, Journal of
Chemical Education (1933). 1, 101–107.
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