martes, 10 de enero de 2012

27- Composición química de la biosfera






27-COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA BIOSFERA

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            "Admitiendo que los fenómenos vitales se relacionan con manifestaciones físico-químicas, lo cual es cierto, la cuestión en conjunto no queda aclarada por ello, porque no es un encuentro fortuito de fenómenos físico-químicos el que construye cada ser según un plan y siguiendo un diseño fijados y previstos de antemano. Los fenómenos vitales tienen sus condiciones físico-químicas rigurosamente determinadas, pero al mismo tiempo se subordinan y se suceden en un encadenamiento y según una ley, ambos fijados de antemano: se repiten eternamente, con orden, regularidad, constancia, y se armonizan con vistas a obtener un resultado que es la organización y el crecimiento del individuo, animal o vegetal."
                                             
Claude Bernard


                   La capa "vital"


                   El vocablo biosfera fue utilizado por primera vez por el geólogo austriaco Eduard Suess, en 1875. Sin embargo, fueron los estudios del geoquímico Vladimir Ivanovich Vernadsky, los que verdaderamente lo popularizaron, al ser difundidos éstos en 1929 por diversas publicaciones. Según este autor, la biosfera es aquel lugar de la corteza terrestre en el que se concentra la energía química libre procedente del Sol. En él, los seres vivos se comportan como un tipo especial de energía, que a su vez, absorbe energía de otras formas de energía, transformándola para sostener su existencia. Esa zona de transformación energética en la que se degrada energía, produciendo el calor característico de los seres vivos, abarca o incluye a todos los que están inmersos en su seno. En el pasado, la mayor parte de esas fuentes de energía tenían un carácter local, lo que no impedía que fueran lo suficientemente intensas como para romper o formar enlaces moleculares en determinados puntos aislados de la corteza terrestre. Pero la energía solar era (y es) omnipresente en el planeta. A pesar de que la luz solar corriente, es decir, la del espectro visible, no tiene la suficiente energía como para desencadenar reacciones químicas, la radiación ultravioleta que procede del Sol sí la tiene. Ya sabemos que sin oxígeno no podría haber en torno a la Tierra una capa de ozono protectora, y esa radiación ultravioleta no parece que tenga muchas dificultades para llegar hasta la superficie terrestre.
                   También sabemos que la diferencia en la composición entre la atmósfera primitiva y la actual, debe ser bastante considerable, si atendemos a las razones de evolución geológica del planeta, y porque el oxígeno que respiramos hoy proviene casi exclusivamente de la fotosíntesis clorofílica de las plantas. Esta puede tener lugar gracias a que bajo la acción de los rayos ultravioleta sobre las grandes masas de Olibre en la atmósfera se forman moléculas de ozono, según la reacción: 3Omás energía 2O.El ozono actúa como una barrera ante la luz solar, tamizando fuertemente la radiación de los rayos ultravioleta, que serían gravemente perniciosos para la vida si ésta los recibiera directamente del Sol en toda su crudeza. Asimismo, la atmósfera terrestre en su conjunto ejerce su benéfica acción de aislante térmico.
                   El mecanismo descrito no siempre estuvo establecido en el pasado de la misma forma. Antes de que hubiera procesos vitales, la principal fuente de oxígeno molecular libre conocida debía ser la fotólisis del agua, presente primero en la atmósfera como vapor de agua y después, debido a un enfriamiento progresivo, originando una pequeña capa, la hidrosfera primitiva.
                   El mencionado geoquímico Vernadsky logró mostrar que los procesos de migración del carbono, se encuentran incardinados en la marcha general de los procesos químicos habidos en la evolución de los cuerpos cósmicos de nuestro sistema solar.    Es por eso que se interpreta que el COse combinó con los silicatos, originando carbonosilicatos y posteriormente carbonatos. El hidrógeno estaba presente en estado libre y asociado formando NH, CH, HO, etc.,  mientras que algunos gases nobles inertes como helio, argón, kriptón, etc., completaban la composición atmosférica.
                   De la consideración de los factores y elementos puestos en juego se infiere que la atmósfera oxidante es muy posterior a la de la composición mencionada, en la que los seres vivos debieron sintetizar sus compuestos orgánicos en un medio francamente anóxico o reductor.
                   Es de suponer que la energía solar, elemento fundamental en la consolidación de la vida, fuera también el nutriente principal en la creación de esa misma vida hace miles de millones de años. Los intensos intercambios energéticos que se producen, y que mantienen la prosperidad de la vida, se remiten en última instancia a tomar la energía que llega procedente del Sol. En efecto, algunos organismos son capaces de convertir la luz solar en moléculas orgánicas (energía química) siguiendo un proceso conocido con el nombre de fotosíntesis. Posteriormente, esos organismos "ceden" su energía absorbida al resto de los seres vivos que no son capaces de realizar la misma operación directamente. Todas esas complejas operaciones se realizan dentro de la biosfera, que forma una envoltura o capa protectora de todo el planeta, de una delgadez tal que su importancia cuantitativa es prácticamente nula. Su auténtica significación viene dada por su destacado carácter cualitativo de ser la zona "aéreo-acuosa-terrestre" de la distribución de la materia viva.
                   No se puede precisar o delimitar el grosor de esa capa vital, pues sus contornos son muy difusos. Por un lado, el límite superior de desarrollo de la vida está fijado en unos cinco kilómetros de altura atmosférica, si bien existe la posibilidad de que algunos microorganismos lleguen a detectarse traspasados los límites de la troposfera, de doce a quince kilómetros de altura.
                   En el otro medio, el de las aguas oceánicas, su umbral es también variable, ya que se han extraído foraminíferos de los barros de los fondos marinos más profundos. No obstante, donde la vida se concentra con más intensidad es en las partes superficiales, hasta que se desciende a los diez metros de profundidad, cuando se vuelve progresivamente más escasa a tenor del aumento de oscuridad.
                   Las enormes presiones de la columna de agua a grandes niveles y la ausencia de oxígeno suficiente constituyen dos de los más graves obstáculos para que los procesos vitales se prolonguen a esos ambientes. A pesar de todo, éstos delatan su presencia en lugares con condiciones que desde nuestra perspectiva medio ambiental, son inhóspitos. Por ejemplo, algunas clases de bacterias se desarrollan prolíficamente en el seno de aguas termales a muy altas temperaturas. En otros casos ha sido detectada su presencia a ochocientos metros de profundidad en el seno de las aguas salitrosas que aparecen frecuentemente en los yacimientos petrolíferos.
                   Pero la hidrosfera en el pasado (lo recalcamos una vez más) tenía poca entidad. La profundidad en los océanos era muy escasa, por lo que los compuestos disueltos tenían una gran concentración, en la que predominaban carbonatos, sulfatos, boratos, cloruros y fluoruros. Además, también debía haber una gran proporción de amoníaco disuelto en agua.
                   A ese panorama reinante se le añadirían las emanaciones de gases y vapores provenientes del interior de la Tierra. Los fenómenos de vulcanismo, muy activo en aquellos momentos, arrastraron gran cantidad de hidrocarburos, principalmente metano. A partir de esos hidrocarburos se habrían originado los materiales propios de la vida, es decir, las proteínas.
                   La síntesis original de los compuestos orgánicos debió verse favorecida por la utilización de fuentes energéticas que provenían principalmente de la radiactividad, del calor, de la electricidad y de los rayos ultravioleta. Sin embargo, la radiactividad posee efectos de marcado carácter ambivalente. Por un lado, facilitaría la escisión de las moléculas simples, que podrían formar moléculas complejas. Pero estas últimas también podrían verse disociadas por la misma radiación, lo que la descalifica como coadyuvante útil en la supuesta síntesis.
                   La energía térmica, en cambio, desempeñaría un papel eficiente en las primeras etapas de la biosíntesis. La Tierra, en la que se engendraba una gran actividad volcánica, emitía lavas fluidas, agua hirviente y gases a altas temperaturas, que afloraban sin cesar a su superficie. Al mismo tiempo, los lechos volcánicos podrían desempeñar el papel de activos catalizadores.
                   En relación con este tipo de surgencias, los humeros y fumarolas pudieron haber aportado la energía y   nutrientes necesarios para crear y mantener procesos vitales. El interior de las surgencias, habría proporcionado también protección contra los efectos nocivos de gran parte de los impactos materiales extraterrestres. Norman R. Pace, biólogo de la universidad de Indiana, sugiere que la corteza de la Tierra primordial era la de una capa rocosa, delgada y turbia, agujereada por miles de humeros hidrotermales. Aunque quizás la vida pudo surgir en otros lugares, más tarde se desplazaría hasta encontrar la seguridad más o menos relativa de las aguas profundas surgentes. Para corroborarlo, se observa que en la actualidad existen grandes comunidades de bacterias colonizando multitud de redes de cavernas y grietas, que se refugian bajo las cordilleras centro-oceánicas, en zonas donde la temperatura del agua es lo suficientemente alta para su desenvolvimiento vital.
                   En el pasado, los productos moleculares de algunas reacciones espontáneas se convirtieron en protagonistas de otras reacciones químicas, con la particularidad de que estas reacciones químicas adicionales ya no fueron espontáneas. Hay que tener en cuenta que las moléculas simples de amoníaco, metano y vapor de agua requieren algo de energía para seguir mezclándose. Esta energía, en cierto modo, actúa como un catalizador en la producción de moléculas aún mayores. Así, se sintetizaron moléculas mucho más complejas que las que se formarían por azar en un conjunto de átomos libres y moléculas simples. En realidad, las moléculas producidas constituyen los auténticos pilares de la vida.
                   En el ámbito de la biosfera general, cuyo marco no es ni fijo ni es estático, se producen los sucesos vitales, que vienen a coincidir aproximadamente con lo que se ha dado en llamar "el ciclo del carbono".  Mediante este ciclo, el carbono se comporta como un administrador de energía, que pasando de la forma más degradada a la más activa, la va redistribuyendo o abandonando en sucesivas etapas a través de la materia viva, hasta que tarde o temprano, vuelve a constituir la combinación más pobre en ella, el CODe esta forma se evita la pérdida definitiva del elemento consumido. Continuamente millones y millones de seres humanos e incontables miles de millones más de animales y plantas, incorporan ávidamente la energía formada por los vegetales al transformar el carbono inorgánico en carbono orgánico, y devuelven una y otra vez a la atmósfera el carbono combinado con el oxígeno, desprovisto de su energía química.


                   La evolución química


                   Pero incluso aceptando estas consideraciones, aún nos podría caber la duda de sí el carbono que se ha encontrado al analizar las células de un cabello o una uña humanos, son de la misma naturaleza que el que participa en la combinación del carbonato cálcico que forma un macizo montañoso. No tenemos más que recordar que la pequeñísima parte de energía, captada por un vegetal que le sirve para desencadenar una modestísima reacción química, es la que nos devuelven los carbones en forma de calor, al ser quemados millones de años más tarde. Los carbones fueron en tiempos pretéritos materia orgánica, que cuando vivía, transformaba la materia inorgánica en materia viva, y que después de cumplir su ciclo vital, los organismos que la componían murieron y reintegraron a la naturaleza los elementos que durante un cierto período de tiempo constituyeron su estructura.
                   Siendo como es, el alto grado de organización que caracteriza a los llamados "seres vivos", quizás, su rasgo más definitorio, no debe extrañarnos que, por lo demás, la composición global de la materia viva sea muy semejante a la composición media de la corteza terrestre. Las rigurosas investigaciones de Goldschmidt al respecto lo demuestran. Las arcillas y los limos fangosos presentan una composición tan tipificada, así como toda clase de suelos analizados, que es posible trazar curvas de distribución de los elementos terrestres más comunes, que son los mismos en todo el universo. Estas curvas son casi paralelas en muchos de sus quebrados trazos y corresponden, respectivamente, a la composición química del suelo, de la materia orgánica y de la corteza terrestre. Es lógico desde todos los puntos de vista que las gráficas muestren esa disposición, dado que los elementos biófilos (aquellos cuya concentración se debe a los procesos biológicos que se suceden) son extraídos por los seres vivos del suelo mismo, que a su vez no es más que corteza alterada y transformada.
                   Podemos enumerar los elementos más importantes en la constitución del material componente de la biosfera; estos son: nitrógeno, oxígeno, carbono, hidrógeno, etc., viejos conocidos ya, desde el estudio de la evolución de la atmósfera. A esos elementos atmófilos hay que añadir los propiamente biófilos, como fósforo, vanadio, yodo, potasio, sodio, cloro..., y muchos otros más, en proporciones descendentes. Se puede decir, que en lo que respecta a la evolución química previa al origen de la vida hay una diversidad decreciente en los componentes que habrían de intervenir en el acontecimiento. La selección química eligió de entre los noventa y dos elementos de partida, (de una relativa estabilidad) y muchos compuestos, aquel pequeño número de ellos que tienen las características biogenéticas adecuadas para la composición estructural de la materia viva. En concreto, en nuestra estructura física interna el hidrógeno y el carbono son, respectivamente 285 y 50 veces más abundantes que en las rocas. También es muy significativo que poseamos la mitad de oxígeno y mucho menos silicio que las rocas o el suelo de la corteza. Es decir, cuando la evolución biológica comenzó a despegar, encauzada ya por la selección natural, se produjo una diferenciación entre las reservas genéticas variables de descendientes de antepasados comunes, al mismo tiempo que se diversificaban y tendían a volverse más complejos.
                   La aparición de la vida requería de unas condiciones químicas bastante definidas, que propiciasen las interacciones especiales previas al asentamiento definitivo y posterior desarrollo expansivo. Esas condiciones pueden ser enumeradas sin que ello suponga proponer una clasificación por un orden de importancia cualitativa o cuantitativa. Ellas son las que marcaron las pautas de comportamiento en todos los procesos vitales: fuentes de energía, atmósfera de composición estabilizada con ausencia de oxígeno libre, cuencas oceánicas en las que son susceptibles de realizarse toda clase de combinaciones químicas, medios de protección frente a radiaciones destructivas de los antecedentes moleculares y los frágiles y primitivos productos vivos. Así pues, un período de "evolución química" precedió a la evolución de la propia vida.
                   Después, una simple molécula viva pudo ser suficiente para iniciar la peripecia que dio origen a toda la amplia variedad de seres vivos. En alguno de los océanos de aquel entonces, las primeras moléculas vivas, quizás dieron lugar por replicación a miles de millones de moléculas similares en un breve período de tiempo. Mutaciones ocasionales fueron capaces de crear formas ligeramente modificadas de la molécula y aquellas que de algún modo, fueron más eficaces en su adaptación al medio se multiplicaron a expensas de sus vecinas eliminando y reemplazando a las formas más primitivas. Su grado de eficiencia se medía según fuera mejor o peor su grado de adaptación. De este modo debió ponerse en marcha la evolución orgánica.
                   En un principio, la vida que surgió en la Tierra ni toleraba el oxígeno ni era capaz de elaborar su propio alimento, por lo que tuvo que subsistir gracias a productos orgánicos generados en la evolución química precedente y de los componentes desagregados de los organismos contemporáneos escasamente evolucionados. Más allá de ese estado primitivo simple, en general, la vida no pudo evolucionar hasta que surgió un organismo capaz de asimilar o elaborar sus alimentos. Eso es algo que, concretamente, se produjo cuando se estableció un equilibrio entre los hidratos de carbono asimilados por unos organismos y la síntesis disipadora de energía de los mismos hidratos de carbono por otras clases de organismos. Justamente, ese momento crítico fue el de la aparición de las formas automantenidas de vida, que al mismo tiempo que luchaban con eficacia contra la tendencia general al desorden, relegaron primero, y anularon después a todas aquellas cepas que no fueron capaces de crear sistemas de automantenimiento. Como en la actualidad no observamos ninguna entidad viviente con otra clase de sistema bioquímico ni automantenido, hemos de pensar que no pudo haber otros que tuviesen éxito, y si alguno lo tuvo, fue corto en el tiempo y limitado en el espacio, pues no sólo no quedaron huellas de sus actividades sino que es muy probable que fueran engullidos por las cepas ya establecidas.
                   Según parece, las semejanzas bioquímicas que tienen todos los seres vivos, se establecieron definitivamente después de que prevaleciera, en general, el oxígeno libre a partir de unos dos mil millones de años atrás. Por esta razón, las posibilidades de aparición de nuevas formas de vida, incluso precariamente, serían esencialmente nulas, y se interpreta que todos los organismos individuales presentes tienen una vinculación genética, por muy sutil que sea con todos los demás individuos que hayan vivido en el pasado o puedan vivir en el futuro. A ese respecto, es muy significativo que las proteínas de todos los seres vivos estén constituidas por aminoácidos levógiros (desvían la luz polarizada hacia la izquierda), en vez de por aminoácidos dextrógiros (desvían la luz polarizada a la derecha). Es muy lógico pensar que la nucleoproteína original, a partir de la que deriva toda la vida, estuviera constituida por razones puramente casuales, por aminoácidos-L, que dado que no pueden asociarse a los aminoácidos-D formando cadenas estables, persistió por sucesivas replicaciones en su carácter de exclusividad, hasta alcanzar su universalidad excluyente. Así se explica la escasez (su presencia es casi testimonial) de los aminoácidos-D en la naturaleza, pues sólo se encuentran en las paredes celulares de las bacterias y en algunos compuestos antibióticos.
                   De acuerdo con su forma de alimentarse, los seres vivos se clasifican en autótrofos y heterótrofos. Los primeros de ellos comprenden las plantas con clorofila y se alimentan construyendo la totalidad de sus tejidos, proteínas, vitaminas, fermentos, etc., a partir de las sustancias simples que tienen más a mano, como el anhídrido carbónico y el agua. Por su parte, los heterótrofos  necesitan materia orgánica ya formada. Ese es el caso de las plantas sin clorofila y los animales. Sin embargo, hay organismos simples, bacterias autótrofas que son capaces de vivir y reproducirse prolíficamente sin más medios alimenticios que el agua donde se encuentran, el anhídrido carbónico disuelto en ella y un pequeño número de sales minerales. Algunas bacterias requieren de la presencia de uno o varios compuestos sencillos antes de que pueda observarse un crecimiento ostensible. Su proceso vital es muy semejante al que se desarrolla en las plantas verdes, si se exceptúa el uso de la clorofila. Se supone que la energía liberada se consigue con una reacción sencilla de oxidación. Según una de las hipótesis más conocidas, la reacción inicial se originaria a expensas del propio metabolismo bacteriano, o sea, mediante la combustión de su propio protoplasma. Luego, cuando la energía puesta en libertad fuera suficiente para empezar la reacción, se continuaría a expensas de su propia energía. Seguramente que la síntesis del COcon el agua en la quimiosíntesis es análoga a la de la fotosíntesis (es decir, cuando hay una reducción del CO) pero el rendimiento y la fuente de energía difieren en ambos casos.
                   Si hemos de seguir basándonos en argumentos de una cierta complejidad química y de la necesidad de abastecimiento de oxígeno, es casi seguro que las primeras células automantenidas no se nutrían directamente de minerales ni extraían tampoco la energía de ellos. Seguramente, y aunque desconozcamos su funcionamiento, las células de las que hablamos realizaban la captación y almacenamiento de energía mediante la fotosíntesis. Aprovechaban la abundancia de moléculas de anhídrido carbónico y agua para transformarlas en hidratos de carbono mediante la energía luminosa. Los mencionados hidratos de carbono, combinados con otros gases del medio ambiente y algunos compuestos minerales, formaron nuevos hidratos de carbono y proteínas vegetales de más complejidad biológica.
                   Es bastante probable que en los mares primitivos abundasen las células sueltas y las primeras agrupaciones celulares dignas de tal nombre. Aunque sus cromosomas no estuvieran bien definidos como en las células actuales, sí contenían los ácidos nucleicos ADN y ARN y transferían las informaciones genéticas de las que eran portadoras, escindiéndose en dos o rompiéndose las cadenas celulares con agregación de células en los extremos.
                   En un principio, el cambio evolutivo en los organismos primitivos dependía únicamente de los cambios o mutaciones repentinas del potencial genético de las células. Si conseguían sobrevivir después de la irrupción mutante, se reproducían casi de la misma forma constante hasta que otra mutación tuviera lugar. Estas mutaciones eran muy frecuentes, dada la fuerte actividad de la radiación ultravioleta. Sólo cuando la alta energía de la radiación solar fue moderándose en el transcurso del tiempo tamizada por la capa de ozono que genera, la tasa de mutaciones se redujo y el ritmo de la evolución también se volvió más pausado.
                   Si efectuamos un seguimiento de los principales sucesos de la evolución biológica en la Tierra primitiva, aparte de su propia aparición, observamos que fueron: el despliegue de mecanismos para producir alimentos orgánicos, a partir de materia inorgánica, el desarrollo de la fotosíntesis como fórmula imprescindible en la generación de oxígeno, el perfeccionamiento de las oxigenasas o enzimas oxigenantes, el surgimiento de la reproducción celular mediante la cariocinesis (o mitosis) y la sexualidad y la diversificación y extensión por todo el planeta, de las algas.
                   Las primeras células consideradas heterótrofas, se encontraron con la suficiente energía para continuar viviendo y organizándose, mientras flotaban en la superficie (o cerca de la superficie) del océano y absorbiendo las moléculas de los ácidos y bases de la nutritiva sopa orgánica del océano. Esa extracción energética mediante la captura y descomposición química o fermentación de pequeñas moléculas, era un proceso muy parecido al que todavía emplean masivamente muchas bacterias en nuestro planeta. Pero, a la larga, las células heterótrofas no podrían haber conseguido la suficiente materia orgánica, a la que debían su origen, para alimentarse. El medio ambiente experimentó una serie de cambios irreversibles, a las que debieron adaptarse. Varías de las fuentes energéticas que tenían una gran preponderancia en la Tierra primitiva, se fueron debilitando, con lo que empezaron a escasear los ácidos y las bases, antes tan abundantes. La atmósfera más densa y la menor actividad geológica provocaron un descenso en el abastecimiento de nutrientes. Las células heterótrofas agotaron con gran rapidez el menguado suministro de nutritivos ácidos y bases y probablemente estuvieron abocadas a la extinción, si no se hubiera producido un cambio cualitativo de primera magnitud.
                   Algunas células primitivas, precursoras de los vegetales actuales, descubrieron una nueva forma de aprovisionamiento energético y, por tanto, de supervivencia. Utilizando el anhídrido carbónico (que era un producto residual y contaminante) y el agua mediante el proceso de fotosíntesis, se empezaron a producir oxígeno e hidrógeno e hidratos de carbono de forma cada vez más importante. El oxígeno escapaba a la atmósfera y los hidratos de carbono se incorporaban como alimento a la nueva dieta recién estrenada.
                   En los fósiles más antiguos que han podido ser localizados, se puede apreciar una estructura celular parecida a la de las actuales algas azules, es decir, un musgo filamentoso y bacteriano siempre situado a orillas de lagos y ríos. Estas formas de vida debieron alimentarse mediante la fotosíntesis, ya que se encuentran a menudo productos clorofílicos en su inmediata vecindad. Más bien simples, estos fósiles carecen de núcleos biológicos bien desarrollados y suelen consistir en restos de células autótrofas. Sin embargo, los científicos no pueden estimar ni la cantidad de tiempo requerida por esta clase de células para eliminar a las primitivas heterótrofas, ni cuando aparecieron ellas mismas.
                   El historial de los fósiles representativos de los primeros organismos respiratorios es muy fragmentario, porque al carecer de huesos o caparazones, muy poco de ellos ha permanecido intacto hasta nuestros días. En consecuencia, nada que podamos llamar inequívocamente un animal se conoce hasta unos seiscientos ochenta millones de años. Su repentina abundancia no sólo refleja el probable establecimiento de la capa de ozono con el consabido ciclo de respiración-fotosíntesis, sino también la adopción por ciertas formas de vida de primitivos esqueletos. Estos primerísimos animales eran formas multicelulares, algunas de las cuales se parecen bastante a los organismos invertebrados inferiores que pueblan el planeta en nuestros días.
                   Queda claro, pues, que dividida en sus partes componentes, los ingredientes básicos de la vida no son más que dos docenas de moléculas de una moderada complejidad. No es necesario, por tanto, estudiar organismos multicelulares superiores para comprender las propiedades fundamentales de la vida y sí atenerse a la naturaleza molecular de los sucesos vitales contemporáneos. Para apreciar la evolución química en toda su magnitud, es decir, la naturaleza de los cambios ocurridos entre átomos y moléculas hasta producir vida, basta con tener en cuenta la construcción de la primera célula.
 
 
         
                        
         
        
 


       


 
     























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