¿De dónde vino el aire que respiramos?
(Por
Raghuveer Parthasarathy)
Capítulo 30 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
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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