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Ciclo del Nitrógeno

El ciclo del nitrógeno se refiere al ciclo de los átomos de nitrógeno a través de los sistemas vivos y no vivos de la Tierra. El ciclo del nitrógeno es vital para la vida en la Tierra. A lo largo del ciclo, el nitrógeno atmosférico se convierte en una forma que las plantas pueden incorporar en nuevas proteínas.

Explicación del ciclo del nitrógeno

El nitrógeno se formó originalmente en los corazones de las estrellas mediante el proceso de fusión nuclear. Cuando las estrellas antiguas explotaron, arrojaron gases que contienen nitrógeno a través del Universo. Cuando se formó la Tierra, el gas nitrógeno era el principal ingrediente de su atmósfera.

Hoy en día, la atmósfera de la Tierra está compuesta por aproximadamente un 78% de nitrógeno, aproximadamente un 21% de oxígeno y aproximadamente un 1% de otros gases. Este es un equilibrio ideal porque demasiado oxígeno puede ser tóxico para las células. Además, el oxígeno es inflamable. El nitrógeno, por otro lado, es inerte e inofensivo en su forma gaseosa. Sin embargo, el gas nitrógeno no es accesible a plantas y animales para usarlo en sus células.

Aquí discutiremos cómo el nitrógeno juega un papel vital en la química de la vida y cómo pasa de la atmósfera a los seres vivos y viceversa.

Pasos del ciclo del nitrógeno

Los pasos básicos del ciclo del nitrógeno se ilustran aquí:

Pasos del ciclo del nitrógeno
Pasos del ciclo del nitrógeno

Discutiremos cada parte del proceso a continuación.

Fijación de nitrogeno

En el proceso de fijación de nitrógeno, las bacterias convierten el gas nitrógeno de la atmósfera en amoníaco.

Estas bacterias fijadoras de nitrógeno, a menudo llamadas «diazótrofas», tienen una enzima llamada «nitrogenasa» que combina átomos de nitrógeno con átomos de hidrógeno. El amoníaco es un compuesto de nitrógeno que puede disolverse en agua y es más fácil para las enzimas de otros organismos interactuar con él.

Curiosamente, la enzima nitrogenasa solo puede funcionar cuando no hay oxígeno. Como resultado, los organismos que lo utilizan han tenido que desarrollar compartimentos libres de oxígeno en los que realizar su fijación de nitrógeno.

Ejemplos comunes de este compartimento exento de nitrógeno son los nódulos de Rhizobium que se encuentran en las raíces de las plantas leguminosas fijadoras de nitrógeno. La carcasa dura de estos nódulos mantiene el oxígeno fuera de los bolsillos donde las bacterias Rhizobium realizan su valioso trabajo de convertir el gas nitrógeno en amoníaco.

Puede ver los nódulos de Rhizobium libres de oxígeno , visibles como grandes bultos redondos, en las raíces de esta planta de caupí :

Nódulos de rizobios en Vigna unguiculata
Nódulos de rizobios en Vigna unguiculata

Nitrificación

En la nitrificación, una gran cantidad de bacterias del suelo participan en la transformación del amoníaco en nitrato, la forma de nitrógeno que pueden utilizar las plantas y los animales. Esto requiere dos pasos, realizados por dos tipos diferentes de bacterias.

Primero, las bacterias del suelo como Nitrosomonas o Nitrococcus convierten el amoníaco en dióxido de nitrógeno. Luego, otro tipo de bacteria del suelo, llamada Nitrobacter , agrega un tercer átomo de oxígeno para crear nitrato.

Estas bacterias no convierten el amoniaco para plantas y animales por la bondad de sus corazones. Más bien, son » quimiótrofos » que obtienen su energía de sustancias químicas volátiles. Al metabolizar el nitrógeno junto con el oxígeno, obtienen energía para impulsar sus propios procesos de vida.

El proceso puede considerarse como un análogo aproximado (y mucho menos eficiente) de la respiración celular realizada por los animales, que extraen energía de los enlaces carbono-hidrógeno y utilizan oxígeno como aceptor de electrones, produciendo dióxido de carbono al final del proceso.

Los nitratos, el producto final de esta cadena vital de reacciones bacterianas, se pueden producir artificialmente y son el ingrediente principal de muchos fertilizantes para el suelo. Es posible que escuche que se hace referencia a dicho fertilizante como «fertilizante de nitrato». Al bombear el suelo lleno de nitratos, estos fertilizantes permiten que las plantas crezcan rápidamente, ¡sin depender de la velocidad a la que las bacterias fijadoras de nitrógeno hacen su trabajo!

Curiosamente, los entornos de alta energía, como los rayos y las erupciones volcánicas, pueden convertir el gas nitrógeno directamente en nitratos, ¡pero esto no sucede lo suficiente como para mantener saludables los ecosistemas modernos por sí solo!

Asimilación

En la asimilación de nitrógeno, las plantas finalmente consumen los nitratos producidos por las bacterias del suelo y los utilizan para producir nucleótidos, aminoácidos y otras sustancias químicas vitales para la vida.

Las plantas absorben nitratos a través de sus raíces y los utilizan para producir aminoácidos y ácidos nucleicos desde cero. Los animales que comen las plantas pueden utilizar estos aminoácidos y ácidos nucleicos en sus propias células.

Amonificación

Ahora hemos movido nitrógeno de la atmósfera a las células de plantas y animales.

Debido a que hay tanto nitrógeno en la atmósfera, puede parecer que el proceso podría detenerse allí, pero el suministro de la atmósfera no es infinito y mantener el nitrógeno dentro de las células vegetales y animales eventualmente resultaría en grandes cambios en nuestro suelo, nuestra atmósfera y nuestros ecosistemas!

Afortunadamente, eso no es lo que sucede. En un ecosistema robusto como el nuestro, en cualquier lugar donde se haya invertido esa energía en la creación de una sustancia química orgánica, hay otra forma de vida que está esperando extraer esa energía rompiendo esos enlaces químicos.

Un proceso llamado » amonificación » es realizado por bacterias del suelo que descomponen plantas y animales muertos. Durante el proceso, estos descomponedores descomponen los aminoácidos y ácidos nucleicos en nitratos y amoníaco y liberan esos compuestos nuevamente en el suelo.

Allí, las plantas y las bacterias nitrificantes pueden volver a absorber el amoníaco. Alternativamente, el amoníaco se puede convertir nuevamente en nitrógeno atmosférico mediante el proceso de desnitrificación.

Desnitrificación

En el paso final del ciclo del nitrógeno, las bacterias anaeróbicas pueden volver a convertir los nitratos en gas nitrógeno.

Este proceso, como el proceso de convertir el gas nitrógeno en amoníaco, debe ocurrir en ausencia de oxígeno. Como tal, a menudo ocurre en las profundidades del suelo o en ambientes húmedos donde el barro y la suciedad mantienen a raya el oxígeno.

En algunos ecosistemas, esta desnitrificación es un proceso valioso para evitar que los compuestos de nitrógeno en el suelo se acumulen a niveles peligrosos.

¿Por qué es importante el ciclo del nitrógeno?

El nitrógeno es un ingrediente esencial para la vida tal como la conocemos. Sus propiedades de unión química únicas le permiten crear estructuras como nucleótidos de ADN y ARN y los aminoácidos a partir de los cuales se construyen las proteínas. Sin nitrógeno, estas moléculas no podrían existir.

Se cree que los primeros nucleótidos y aminoácidos se formaron naturalmente bajo las condiciones volátiles de la Tierra primitiva, donde las fuentes de energía como los rayos podrían hacer que el nitrógeno y otros átomos reaccionen y formen estructuras complejas.

Este proceso podría haber producido de forma natural sustancias químicas orgánicas autorreplicantes, pero para reproducirse y evolucionar, la vida necesitaba descubrir cómo producir estos compuestos de nitrógeno a demanda.

Hoy en día, los «fijadores de nitrógeno» son organismos que pueden convertir el gas nitrógeno de la atmósfera en compuestos de nitrógeno que otros organismos pueden utilizar para producir ácidos nucleicos, aminoácidos y más. Estos fijadores de nitrógeno son una parte tan vital del ecosistema que la agricultura no puede ocurrir sin ellos.

Los pueblos antiguos aprendieron que si no alternaban el cultivo de cultivos que consumen nitrógeno con cultivos que fijan nitrógeno, sus granjas quedarían en barbecho y no podrían soportar el crecimiento. Hoy en día, la mayoría de los fertilizantes artificiales contienen compuestos nitrogenados que dan vida como ingrediente principal para hacer que el suelo sea más fértil.

El peligro del exceso de nitrógeno

Si bien la importancia del nitrógeno para la vida vegetal y animal puede parecer que no existe el exceso, en realidad existen algunos peligros que pueden surgir al poner demasiados nitratos en el suelo.

Como cualquier otra cosa, los compuestos nitrogenados pueden ser tóxicos en altas concentraciones. Al igual que demasiado oxígeno es tóxico para quienes respiran aire, las plantas pueden sufrir efectos nocivos por una sobredosis de nitrógeno.

Inhumanos

Los nitratos también pueden ser directamente tóxicos para los humanos: cuando se consumen en grandes cantidades en los alimentos o el agua, los nitratos pueden aumentar los riesgos de cáncer e interferir con la química sanguínea, lo que hace que la sangre no pueda transportar el oxígeno de manera adecuada.

El «síndrome del bebé azul» es un efecto secundario que se observa en los seres humanos que consumen altos niveles de nitratos en la comida o el agua.

Dentro de los ecosistemas

Otra gran preocupación es el peligro de desequilibrar los ecosistemas. Algunos organismos pueden usar compuestos de nitrógeno para crecer más rápido que otros, y eso significa que cuando hay mucho nitrógeno alrededor, estos organismos pueden crecer tan rápido que causan daño a otros organismos.

Una preocupación que se ha planteado sobre el uso de fertilizantes de nitrato artificial es que cuando ingresa a ríos, lagos e incluso al océano, puede causar un crecimiento descontrolado de la vida vegetal allí.

Más vida vegetal puede parecer algo bueno, pero no cuando las plantas acuáticas incluyen algas que pueden impedir que el sol y el oxígeno lleguen a otros organismos acuáticos, ¡e incluso producen toxinas que enferman a los humanos y otros animales!

Se ha culpado a los fertilizantes nitrogenados en los suministros de agua por algunas floraciones de «mareas rojas», «mareas marrones» y la bacteria Pfiesteria, todas las cuales producen toxinas que pueden enfermar o matar a humanos y otros animales.

Los científicos todavía están investigando la cuestión de cómo mantener fértiles las tierras agrícolas sin utilizar fertilizantes con nitratos. Se espera que algún día, las prácticas sostenibles que utilizan plantas fijadoras de nitrógeno naturales o modificadas genéticamente puedan permitir a los agricultores producir cosechas de alto rendimiento sin añadir altas concentraciones de nitratos artificiales al suelo.

Ejemplos del ciclo del nitrógeno

La historia de Acción de Gracias

La historia del primer Día de Acción de Gracias cuenta que los peregrinos festejaron con los indios para celebrar su primera cosecha en el Nuevo Mundo. Pero, ¿por qué esta cosecha fue lo suficientemente grande como para dar un festín? ¿Y por qué, exactamente, era importante que los indios y los colonos europeos comieran juntos?

Cuando los colonos europeos llegaron a América, tenían muy poca idea de cómo sobrevivir aquí. Habiendo trabajado en granjas en Inglaterra durante generaciones, los peregrinos asumieron que la agricultura aquí sería muy similar. Ese resultó no ser el caso. Los peregrinos tuvieron dificultades para crecer o encontrar comida suficiente para el invierno.

Una de las razones fue que no había mucho nitrógeno en el suelo donde desembarcaban los peregrinos. Sus cultivos no fijaban nitrógeno y no habían traído ganado de gran tamaño. Este era un problema importante, ya que el estiércol había sido una fuente común de fertilizante en el viejo mundo. Después de intentar, frustrado, cultivar en suelo americano, los indios americanos mostraron a los europeos cómo resolver sus problemas.

Al enterrar peces muertos en sus campos de cultivo, los peregrinos restauraron el nitrógeno de las proteínas y nucleótidos de los peces al suelo. Como resultado, sus cultivos florecieron y los primeros colonos europeos aprendieron de los indios americanos cómo sobrevivir en el Nuevo Mundo.

Las tres hermanas

Algunas tribus de nativos americanos cultivan tradicionalmente tres cultivos juntos: maíz, frijoles y calabaza.

A menudo conocida como «las tres hermanas», esta combinación de cultivos es ingeniosa por varias razones. Por un lado, comer estas tres plantas en combinación proporciona a los humanos proteínas que contienen todos los aminoácidos esenciales.

Por otro, incluye una planta fijadora de nitrógeno: los frijoles.

Los frijoles contienen nódulos de Rhizobium en sus raíces, que contienen bacterias que pueden convertir el nitrógeno atmosférico en una forma que pueden utilizar las bacterias del suelo y, en última instancia, las plantas.

Al igual que enterrar peces en los campos, cultivar frijoles junto con maíz y calabaza asegura que el suelo no se agote demasiado para cultivar nuevas plantas. ¡Incluso una sola cosecha de maíz o calabaza puede crecer mejor junto con los frijoles fijadores de nitrógeno, ya que su bacteria Rhizobium nutre el suelo circundante!

Fertilizante artificial

Los seres humanos comenzaron a fertilizar sus cultivos utilizando sustancias naturales que contienen nitrógeno, como peces muertos y estiércol animal. Estos productos de desecho de la vida animal contenían proteínas, aminoácidos y nucleótidos que las bacterias del suelo y las plantas podían utilizar para crecer.

Hoy en día, los seres humanos han descubierto procesos industriales que pueden convertir el amoníaco en nitratos como los producidos por las bacterias del suelo. Las plantas pueden utilizar estos nitratos directamente y la industria humana puede producirlos en grandes cantidades.

Desafortunadamente, el impacto humano en el ciclo del nitrógeno produce cambios en el medio ambiente que pueden tener consecuencias no deseadas. Así como los nitratos artificiales promueven el crecimiento de plantas «buenas» como los cultivos, también pueden promover el crecimiento de plantas y algas «malas» que producen toxinas y superan a otras formas de vida.

Esto puede ser especialmente problemático cuando los fertilizantes artificiales son transportados por el agua de lluvia desde las tierras de cultivo y el césped hasta los ríos y lagos. El resultado puede ser el crecimiento de algas tóxicas que pueden estrangular los humedales e incluso llegar al agua potable humana.

Descubre además el ciclo del carbono aquí.

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