lunes, 24 de diciembre de 2018

El aire que respiramos - Raghuveer Parthasarathy

¿De dónde vino el aire que respiramos?
(Por Raghuveer Parthasarathy)



Cada vez que respiramos, usamos moléculas producidas por otros innumerables  seres vivos, y también por procesos geológicos que se remontan hace miles de millones de años. Desde la perspectiva de las células de nuestros cuerpos, la molécula más importante en el aire es el oxígeno. Cada una de nuestras células usa el oxígeno para realizar reacciones químicas que liberan energía de los azúcares, grasas, y proteínas que consumimos, soltando dióxido de carbono y agua como productos. Sin el consumo de oxígeno, seríamos incapaces de extraer la energía de la comida. Por lo tanto, preguntaremos primero ¿de dónde vino el oxígeno de la atmósfera de la Tierra?, y a continuación examinaremos otros componentes del aire que respiramos.

A primera vista, poco tienen que ver la vida de las plantas con el proceso respiratorio. Sin embargo, los dos están marcadamente ligados. Las plantas absorben suficiente energía por un proceso llamado fotosíntesis, la conversión de energía contenida en la luz en energía almacenada en enlaces químicos. Mientras el dióxido de carbono y el agua se consumen, el oxígeno y las moléculas orgánicas ricas en energía se producen (efectivamente, es el revés del proceso respiratorio del que se sirven nuestras células al consumir el oxígeno). La actividad de los organismos realizando la fotosíntesis es la fuente del oxígeno en la atmósfera, el oxígeno que mantiene vivos a los animales, incluidos nosotros. La mayoría del oxígeno atmosférico viene de los océanos, producido por organismos microscópicos llamados fitoplancton. El resto viene de plantas terrestres. Es interesante pensar en el rango de tamaños de las criaturas que nos brindan el oxígeno, desde la bacteria fotosintética que mide la millonésima parte de un metro hasta los árboles más grandes que miden más de cien metros de altura.

El oxígeno es bastante abundante, componiendo una quinta parte de la atmósfera del planeta. Sin embargo, no ha sido siempre así. La tierra tiene usos 4.5 mil millones de años, y los organismos unicelulares capaces de la fotosíntesis surgieron después de uno o dos mil millones de años. Aun después, el oxígeno era muy escaso en el aire. El oxígeno es un elemento muy reactivo, y durante cientos de millones de años, moléculas de oxígeno rápidamente se absorbían por minerales, creando compuestos como óxido de hierro (moho) que observamos aun hoy en formaciones rocosas antiguas. Hace unos 2.4 mil millones de años, la tierra pasó por un periodo al que se refieren los geólogos como el Gran Evento Oxigenizante. Aquí, las medidas geológicas, muestran un gran aumento constante en el oxígeno atmosférico. Las causas, sea un aumento en la producción de poblaciones de organismos fotosintéticos o bien el consumo reducido del oxígeno por procesos geoquímicos, están todavía oscuras. Independientemente de su causa, el resultado fue un incremento en la abundancia del oxígeno libre, hasta niveles todavía inferiores a un décimo de los niveles actuales. Hace unos, entre 1000-500, millones de años la tierra pasó por un segundo evento oxigenizante, con niveles de oxígeno que iban variando entre 15 y 30% a lo largo de los últimos cientos de millones de años. Estos niveles del oxígeno hicieron posible el desarrollo de organismos multicelulares, tales como los animales.

          ¿Y los otros componentes del aire que respiramos? El nitrógeno compone el 78% de la atmósfera. A todos los organismos les hace falta, es un componente de proteínas, ADN, y otras moléculas biológicas. Sin embargo, no podemos ingresar directamente el nitrógeno del aire, siendo un gas inerte. Ciertas bacterias, por ejemplo especies que viven en el suelo y forman relaciones simbióticas con las plantas, poseen la capacidad de ‘fijar’ el nitrógeno del aire, combinándolo con el hidrógeno para formar el amonio, que luego puede convertirse en otros compuestos útiles. Hace unos cien años, los químicos Fritz Haber y Carl Bosch inventaron una manera de fijar artificialmente el nitrógeno, llevando al desarrollo de abonos artificiales y un vasto incremento de la productividad agrícola, y por ende, un vasto incremento de la población humana en la Tierra. La descomposición de sustancia orgánica, por varios procesos, emite el nitrógeno a la atmósfera. Este ‘ciclo del nitrógeno’ determina el fluir de este importante componente atmosférico. El oxígeno y el nitrógeno son los componentes más abundantes de la atmósfera. Hay también otros constituyentes, que pueden tener un gran impacto en la Tierra incluso en cantidades pequeñas. Uno particularmente importante es el dióxido de carbono, que ya hemos encontrado como producto de la respiración celular. El dióxido de carbono es buen absorbente de la radiación infrarroja, una forma invisible de luz emitida por objetos cálidos, como la superficie de la Tierra. La absorción de la luz infrarroja por el dióxido de carbono hace que la superficie de la Tierra sea más cálida de lo que debiera, un fenómeno conocido como el Efecto Invernadero. (El vapor de agua es otro gas que también contribuye al Efecto Invernadero). De manera muy semejante a la respiración celular, quemar las moléculas orgánicas como los combustibles fósiles (petróleo, carbón, y gas natural) suelta dióxido de carbono en la atmósfera. La cantidad de combustibles fósiles que quemamos es tan enorme que tiene un impacto significativo en la concentración atmosférica del dióxido de carbono, que ha incrementado de unas 280 partes por millón a unas 400 partes por millón desde los albores de la Revolución Industrial, hace unos 200 años. Esta cantidad tan grande, y sigue en aumento, conduce a un Efecto Invernadero aun más fuerte, y por lo tanto un calentamiento global que ya comienza a tener consecuencias graves para el clima del planeta.

Pensar en el dióxido de carbono, sin embargo, nos lleva a pensar tanto en el pasado lejano como en el futuro inminente. Mucho antes del origen de la vida en la Tierra, la atmósfera era radicalmente diferente de lo que es hoy. Hidrógeno y helio, los elementos más abundantes en el universo, formaron la primera atmósfera del planeta, cuando el planeta se formó de nubes de polvo y gas. Sin embargo, estos elementos ligeros fácilmente se escaparon de la atracción gravitatoria del planeta. La actividad volcánica en la Tierra temprana soltó vapor de agua, amonio, y dióxido de carbono. El vapor de agua se condensó para formar océanos. Parte del dióxido de carbono se disolvió en estos océanos —experimentamos a menudo esta solubilidad del dióxido de carbono en bebidas carbonizadas— donde era recurso para los organismos fotosintéticos y paulatinamente llevó a la abundancia del oxígeno atmosférico, así cerrando el círculo de nuestra historia.


Gracias al dr. David Wacks (Professor,University of Oregón) por una traducción precisa de este capítulo.

Raghuveer Parthasarathy
Doctor en  Física
Profesor Titular de Física, University of Oregón (EEUU)







Is a Physics professor at the University of Oregon, U.S.A. His research interests involve biophysics, especially the physical properties of lipid membranes and the assembly of multi-cellular structures like communities of gut microbes, which his research group explores using new microscopy methods.

His teaching interests mostly involve courses for non-science majors, including for example a recently developed “biophysics for non-scientists” class ("The Physics of Life") and a course on the "Physics of Energy and the Environment." 

His “official” web page

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