Biología Aplicada a la Ingeniería de Materiales - Lección 2

Leccion 2: Fundamentos químicos 1.-Introduccio n Como dijimos en el tema anterior, la biología es la ciencia que se dedica al estudio de los seres vivos, en esa lección estudiaremos los seres vivos desde el nivel más básico, los fundamentos químicos, es decir, la materia de la que están formados lo...

Leccion 2: Fundamentos químicos 1.-Introduccio n Como dijimos en el tema anterior, la biología es la ciencia que se dedica al estudio de los seres vivos, en esa lección estudiaremos los seres vivos desde el nivel más básico, los fundamentos químicos, es decir, la materia de la que están formados los seres vivos. 2.-Nutrientes esenciales Los organismos vivos están formados por materia, que a su vez es el resultado de agrupar elementos esenciales y sus combinaciones denominadas compuestos. Los elementos son sustancias que no se pueden dividir en otras sustancias por medio de reacciones químicas. Los elementos son clasificados por la tabla periódica de los elementos, listado de los 92 elementos conocidos. De los 92 elementos conocidos en torno a 25 son considerados nutriente esenciales para la vida. Solo 4 de estos elementos (C, H, O, N) constituyen el 96% de toda la materia viva. 2.1.-Nutrición animal (ser humano) Se reconocen 7 macronutrientes esenciales y una larga lista de micronutrientes, que aunque se encuentren en una pequeñísima cantidad son indispensables para el correcto funcionamiento del cuerpo humano. 2.2.-Nutrición vegetal Se reconoces 13 nutrientes minerales esenciales, que se dividen en macronutrientes y micronutrientes. Las plantas son la principal vía de incorporación de elementos minerales a la biosfera, a excepción de la sal. Las plantas obtienen C, H, O del CO2 y del H20. El resto de nutrientes se absorben por la raíz, salvo alguna excepción. 15 Proceso de absorción de nutrientes La absorción de estos elementos es un proceso realmente selectivo, se ha podido comprobar que las plantas modifican su tasa de absorción de nutrientes en función de las necesidades y la abundancia de dichos nutrientes en el suelo. Sin embargo aunque el proceso es muy selectivo, las plantas pueden incorporar a su organismo elementos que no son esenciales o incluso elementos tóxicos. Al aumentar la tasa de disponibilidad de un nutriente en el suelo aumenta la tasa de absorción de dicho nutriente en las raíces, también cuando el nutriente tiene una disponibilidad escasa la tasa de absorción de dicho nutriente aumenta exponencialmente, esto permite a diferente plantas competir por nutrientes escasos. Cuando la disponibilidad de nutrientes en dos suelos distintos es igual, la planta que haya sido cultivada previamente en un suelo más pobre presentara una tasa de absorción mayor de dicho nutriente. Debido a estas características de fijación de las plantas y su margen de absorción de elementos no esenciales, el ser humano ha descubierto una aplicación biotecnológica para algunas plantas llamada la fitorremediación que consiste en la descontaminación de suelos mediante el uso de plantas capaces de acumular metales pesados (plantas hiperacumuladoras) y otros elementos contaminantes del suelo. Fijación del nitrógeno El nitrógeno es el nutriente esencial que las plantas necesitan en mayor cantidad, y a diferencia del resto de nutrientes esenciales, no existe aporte de nitrógeno por descomposición de la roca madre. Por esta razón los árboles caducifolios degradan la clorofila (alta concentración de nitrógeno en ellas) de sus hojas en otoño antes de la caída de estas y retraslocan nutrientes esenciales hasta las ramas y ramillos donde son almacenados hasta la llegada de la floración en la primavera. 16 Las principales fuentes de aporte de nitrógeno a las plantas son las siguientes:  Restos de materia orgánica (animales y plantas). Debido a la descomposición. Es el medio de aporte de nitrógeno a corto plazo.  N2 atmosférico. Debido a la fijación, proceso realizado por una serie de bacterias. Las bacterias capaces de realizar la fijación del nitrógeno atmosférico se encuentran libres en el suelo (no simbiontes) o bien asociadas a las raíces (simbiontes) de algunas plantas formando nódulos que se pueden observar a simple vista. La enzima nitrogenasa es la encargada de catalizar la reacción de fijación de nitrógeno, se desactiva de forma irreversible mediante la presencia de oxígeno, por lo que debe trabajar en condiciones anaeróbicas. Es el medio de aporte de nitrógeno a largo plazo. La carencia de elementos esenciales produce una disminución del crecimiento y la aparición de una sintomatología propia. Por ejemplo: , La falta de hierro produce clorosis, hojas amarillentas, ya que se impide la síntesis de clorofila. , La falta de potasio y fosforo produce necrosis, manchas de tejido muerto en la hoja. El exceso de elementos esenciales también puede ser tóxico para los organismos vivos. 17 Reducción de crecimiento Siempre que la concentración de nutrientes difiera de la óptima el crecimiento será inferior al máximo. Podemos diferenciar dos curvas respecto a la reducción del crecimiento en plantas en función de la concentración de macronutrientes y micronutrientes. En estas curvas encontramos diferentes zonas a destacar:  Contenido óptimo es la zona de máximo crecimiento que se da en la gráfica, es siempre menor para los micronutrientes y muestra una mayor sensibilidad.  Concentración crítica es el punto en el cual al descender o aumentar la concentración del nutriente en la planta desciende el crecimiento que se encontraba en su pico máximo.  Consumo de lujo. Las plantas continúan absorbiendo nutrientes aunque hayan sobrepasado la concentración crítica aunque en este caso el crecimiento no se ve reducido. Es más fácil de apreciar en macronutrientes. Este exceso de nutrientes no es, aparentemente, beneficioso ni perjudicial para la planta. Existen una serie de plantas que se han adaptado para no sufrir toxicidad por el exceso de algunos nutrientes. Algunos ejemplos de estas plantas son:  Las plantas nitrófilas, como la ortiga, sobreviven en suelos con unas concentraciones de nitrógeno letales para otras plantas.  Las plantas halófitas, como la Tamarix gallica, adaptadas a sobrevivir en ambientes salinos letales para otras plantas. 18 3.-Átomos e isotopos Las propiedades de un elemento dependen de la estructura de sus átomos. El número de protones define el elemento. La distribución de electrones en los distintos orbitales indica la energía potencial del átomo en función de la distancia al núcleo. La absorción de energía luminosa puede excitar un electrón hasta un nivel superior de energía potencial. Este es el primer paso de transformación de la energía luminosa en energía química (fotosíntesis). 3.1.-Isótopos Sin embargo, un mismo elemento (con igual número de protones) puede tener diferente número de neutrones, a estos elementos se les denomina isótopos. Los isotopos más interesantes desde un punto de vista biológico son los del carbono:  12 C, es estable y compone el 99% del carbono existente. Es utilizado en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis: el CO2 atmosférico se incorpora a una molécula presente en la planta en una reacción catalizada por la enzima rubisco, es una enzima muy específica, tan especializada que es capaz de discriminar el resto de isotopos del carbono.  13 C, es estable y es discriminado en el proceso de metabolización C3 en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis. Como resultado la proporción de 13C es inferior en tejidos vegetales que en el aire. El 1% de las plantas presentan metabolismo C4 en el proceso de carboxilación de la fotosíntesis en este proceso se utiliza una enzima que no discrimina frente al 13C.  14 C, es radiactivo, es utilizado en la medicina y para la datación de fósiles de una antigüedad de hasta 75000 años. 3.2.-Átomos Los átomos se unen para formar moléculas; la forma, el tamaño y la distribución de cargas en las moléculas determinan su funcionamiento biológico. Las uniones débiles entre moléculas son de determinante importancia biológica. Estas uniones son explicadas mediante el concepto de la electronegatividad. La electronegatividad es la atracción que ejerce un átomo sobre los electrones compartidos en enlaces covalentes de otro átomo. El oxígeno es un elemento muy electronegativo y el hidrogeno muy poco, por lo tanto la molécula de agua, H2O, tiene una gran polaridad lo que proporciona multitud de aplicaciones biológicas. Entre moléculas de agua se forman enlaces covalentes cuando un átomo de hidrogeno de una molécula de agua es atraído por un átomo de oxigeno de otra molécula de agua esto genera entre las moléculas de agua una elevada tensión superficial que, por ejemplo, permite a algunos insectos caminar por encima de ella. 19 Las fuerzas de Van der Waals resultan de la asimetría en la distribución de cargas generadas por el movimiento de electrones en las moléculas no polares. Las fuerzas de Van der Waals explican la capacidad de la salamanquesa para subir por las paredes verticales. En la pata del animal encontramos cientos de miles de minúsculos pelos que a su vez se ramifican proporcionando un altísimo nivel de puntos de contacto con la posibilidad de atracción de Van der Waals con una superficie. 20