Vida Azotada - Cienciorama

Transcript

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. Vida azotada / CIENCIORAMA 1 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 2 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. Vida azotada / CIENCIORAMA 3 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 4 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. Vida azotada / CIENCIORAMA 5 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 6 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. Vida azotada / CIENCIORAMA 7 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 8 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 9 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 10 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 Vida azotada / CIENCIORAMA 11 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 1. Bebout, G. E., Fogel, M. L., & Cartigny, P., “Nitrogen: Highly Volatile yet Surprisingly Compatible“, Elements (2013), 9(5), 333-338. doi:10.2113/gselements.9.5.333 2. Canfield, D. E., Glazer, A. N., & Falkowski, P. G., “The Evolution and Future of Earth’s Nitrogen Cycle”, Science (2010), 330, 192-196. 3. Joo, Y. J., Li, D. D., & Lerman, A., “Global Nitrogen Cycle: Pre-Anthropocene Mass and Isotope Fluxes and the Effects of Human Perturbations“, Aquatic Geochemistry (2013) 19(5-6), 477–500. doi:10.1007/s10498-013-9211-x Vida azotada / CIENCIORAMA 12 Bibliografía no especializada 1. Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J. N., Klimont, Z., & Winwarter, W., “How a century of ammonia synthesis changed the world“, Nature Geoscience 1 (octubre de 2008), 636-639. 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. Vida azotada / CIENCIORAMA 13