La ley de mínimos: un enunciado de la máxima trascendencia

Aquella mañana de finales de 1845 el químico alemán Justus von Liebig se encontraba particularmente irritado. A través de ciertos contactos había recibido la confirmación a su sospecha de que Inglaterra, a la sazón el país más poderoso de la Tierra, estaba profanando millones de tumbas en Europa y el resto del mundo. Lo peor de todo era que el propio Liebig se consideraba responsable involuntario de este macabro expolio. No, decididamente no iba a quedarse de brazos cruzados. Tomando una pluma se sentó en su despacho y empezó a escribir:
“Inglaterra está robando a todos los demás países la condición de su fertilidad. En su impaciencia, ha excavado los campos de batalla de Leipzig, Waterloo y Crimea; ya se ha llevado de las catacumbas de Sicilia los esqueletos de muchas generaciones sucesivas. Anualmente se lleva de las costas de otros países hacia su propio país el equivalente en abono de tres millones y medio de hombres, quitándonos a nosotros los medios de sostenernos, y arroja sus desechos al mar. Como un vampiro, se cuelga alrededor del cuello de Europa –no, del mundo entero– y chupa la sangre del corazón de las naciones...”
¿A qué impulso obedecía ese necrófilo interés por parte de los súbditos de Su Graciosa Majestad? Cinco años antes, Liebig había publicado la que se convertiría en su obra cumbre, la Química orgánica y sus aplicaciones a la agricultura y la fisiología, un sorprendente éxito editorial del que se llegarían a publicar diecisiete ediciones en ocho idiomas. En su libro, Liebig había enunciado la llamada “ley de los mínimos”, que dice que el rendimiento de una cosecha está limitada por aquellos nutrientes que se encuentran en menor cantidad. Se trata de un principio fundamental no sólo en agronomía, sino también en ecología, en la medida en que permite explicar los patrones de distribución de muchas plantas.

Liebig demostró además que uno de los nutrientes más importantes para las plantas era el ácido fosfórico, que sólo puede obtenerse de los depósitos minerales o de la descomposición de la materia viva. Ahora bien, una manera sencilla de producirlo era tratando los huesos de los cadáveres con ácido sulfúrico. Fue por entonces cuando los ingleses empezaron a fabricar gran cantidad de fósforo, lo que despertó las sospechas de Liebig y suscitó en definitiva su airada protesta.

Un enigma ecofisiológico
Aunque ha llovido mucho desde que se apagaron los ecos de la denuncia de Liebig, la ley de los mínimos que enunciara en su momento sigue tan vigente como entonces. Ahora sabemos, además, que el nitrógeno es un factor limitante tan valioso como el fósforo, puesto que se emplea en la síntesis de moléculas tan importantes como las proteínas y los ácidos nucleicos. El nitrógeno diatómico, N2, es el gas más abundante de la atmósfera, pero se trata de una molécula inerte que no puede ser asimilada por las plantas. Afortunadamente algunos microorganismos son capaces de convertirlo en ión amonio, una configuración química que sí puede ser aprovechada por las plantas. Estos microorganismos, que cumplen la importantísima función de cerrar el ciclo del nitrógeno, pueden ser de vida libre, como las cianobacterias, o vivir en simbiosis dentro de las raíces de las leguminosas, como las bacterias del género Rhizobium. Y es precisamente en este último grupo en el que se ha puesto de manifiesto un curioso enigma.

El doctor Ying Ping Wang, del Centre for Australian Weather and Climate Research, afirma que la fijación de nitrógeno atmosférico juega un papel fundamental en el control de las respuestas de muchos ecosistemas, especialmente de bosques boreales y templados, al cambio ambiental global. Para poner de manifiesto el alcance de su afirmación asegura que la fijación bacteriana de nitrógeno supone entre 50 y 200 megatoneladas al año, mientras que el aporte de nitrógeno por fertilizantes es de 100 megatoneladas al año.

En un reciente artículo aparecido en la revista Nature, el doctor Wang se pregunta por qué las plantas que usan bacterias para convertir el nitrógeno atmosférico en amoniaco son más abundantes en las regiones tropicales que a latitudes mayores. “Hay discrepancias significativas entre las observaciones del mundo real y las teorías usadas para predecir los patrones de fijación del nitrógeno a lo largo de grandes superficies de la biosfera”, asegura.

Los investigadores saben que el crecimiento de los bosques de altas latitudes está limitado por el nitrógeno, mientras que el de los trópicos está limitado por el fósforo. “De acuerdo con una simple teoría económica, los fijadores de nitrógeno deberían tener más ventaja en las altas latitudes y consecuentemente ser más abundantes que en los trópicos”, afirma Wang. “Es lo contrario de lo que se observa en el campo. Los árboles fijadores de nitrógeno son más abundantes en los trópicos que en las regiones boreales o templadas. Es un misterio de la ecología vegetal.”
El insospechado maridaje entre nitrógeno y fósforo
Para resolver esta paradoja y comprender la distribución de las plantas fijadoras de nitrógeno, el equipo de Wang ha desarrollado dos hipótesis basadas en el análisis de costes y beneficios. La primera afirma que el proceso de fijación de nitrógeno tiene una temperatura óptima de 26ºC, por lo que las bajas temperaturas de las regiones boreales y templadas limitan ese proceso. La segunda sugiere que los fijadores de nitrógeno pueden usar dicho elemento químico para sintetizar la enzima fosfatasa, que permite adquirir más fósforo del suelo que las plantas competidoras. Esta enzima la fabrican las bacterias o las raíces de las plantas y convierte el fósforo de la materia orgánica en fosfato, que es la forma asimilable por la planta.

La combinación de ambas hipótesis permite suponer que en los trópicos, con temperaturas cálidas y limitaciones de fósforo, la fijación de nitrógeno es esencial para incorporar el escaso fosfato del suelo. “Trabajando sobre la base de estas dos hipótesis hemos generado un nuevo modelo que podría ayudar a los científicos a predecir mejor el efecto del cambio climático en diferentes ecosistemas y las interacciones entre la biosfera terrestre y el cambio climático a escalas de tiempo de décadas o siglos”, asegura Wang. “Creemos que nuestra teoría proporciona un marco de trabajo unificado para la fijación de nitrógeno que pueden explicar los diferentes niveles de fijación observados en un amplio rango de ecosistemas terrestres geográficamente definidos a lo largo de la Tierra.”
Y es que hasta ahora los ciclos acoplados del nitrógeno y el fósforo no han sido incluidos en los modelos del ciclo del carbono global, lo que, en opinión de los autores, les resta credibilidad. Por ejemplo, se ha demostrado que la respuesta de las plantas a elevadas concentraciones de dióxido de carbono, el llamado efecto de fertilización por dióxido de carbono, es mucho menor cuando el crecimiento de las plantas está limitado por nitrógeno o fósforo, lo que no se consideraba en las predicciones anteriores.
“Nuestro estudio muestra que los ciclos del nitrógeno y del fósforo interaccionan en el suelo a través de la producción de fosfatasa”, concluye Wang. “Este hecho ha recibido poca atención hasta ahora. Nuestro estudio muestra que la producción de fosfatasa es un importante proceso que influye en la competencia entre fijadores y no fijadores de nitrógeno. Futuros experimentos de campo servirán para comprobar esta teoría.”


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Esperamos tu respuesta a los Retos Eco-Lógicos
Los lectores que quieran recoger el guante y participar con su respuesta en la resolución de estos retos eco-lógicos, pueden ponerse en contacto con el autor en la siguiente dirección de contacto:
José Gabriel Segarra Berenguer • Instituto de Enseñanza Secundaria La Asunción de Nuestra Señora • c/ Huertos y Molinos, 40 • 03203 Elche / Elx • Alicante • Correo electrónico: josegsegarra@yahoo.es
También es posible sumarse al foro de debate abierto en la página web de Quercus: www.quercus.es


Bibliografía

Houlton, B.Z.; Wang, Y.P.; Vitousek, P.M. y Field, C.B. (2008). A unifying framework for dinitrogen fixation in the terrestrial biosphere. Nature, 454: 327-330.


Pies de foto

La gráfica muestra la dependencia entre la actividad de la nitrogenasa y la temperatura, con un máximo en torno a los 26ºC. Adaptado a partir de Houlton y otros autores (2008).

El algarrobo (Ceratonia siliqua) es un árbol procedente del Mediterráneo oriental, adaptado al clima cálido. En las zonas semidesérticas su copa frondosa destaca sobre la aridez del medio, debido en parte a la simbiosis que mantiene con bacterias fijadoras de nitrógeno.


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Respuestas de los lectores al reto del mes de julio
Recordamos que el reto del mes de julio estaba dedicado al repentino origen de las angiospermas, las plantas con flores, hace unos cien millones de años. Suceso al que el propio Darwin tildaba de “abominable misterio”.

Jordi Gra (jordigra21@hotmail.com) se ha hecho eco del artículo del pasado mes de julio, en el que tratamos el origen evolutivo de las plantas con flores. En su opinión “una de las principales razones que llevó a la aparición de las flores fue el derroche energético que supone la producción de polen en las gimnospermas. Si para una especie arbórea ya lo es, puede imaginarse lo que significa para una herbácea. Así que una vez que la especie que experimentó con la creación de los órganos florales tuvo éxito, no es de extrañar que enseguida gran parte del reino vegetal se pusiera a copiar la idea. Y aquí está el gran quid de la cuestión. En todo el artículo se dan vueltas y más vueltas a los mecanismos que usaron las plantar para poder crear tales órganos y no se entra de lleno en el abominable misterio que, supongo, es lo que tanto extrañó al ilustre señor Darwin: ¿como unos seres que no tienen ojos ni oídos, que para gran parte de esta sociedad occidental son unos simples sintetizadores de clorofila, pudieron tomar la decisión de sustituir la polinización aérea por otra muchísimo más eficaz mediante los insectos, seres a los que no pueden ¿ver ni oír? Y encima, para hacer más atractiva la historia, sintetizar comida, o sea, el néctar, adaptándose a sus necesidades. Este es, para mí, el auténtico misterio.”
Siguiendo la misma línea argumental, Gra se pregunta por el mecanismo que permitió al resto de las plantas copiar la idea de la polinización por insectos: “Personalmente, creo que todo esto va mucho más allá de la genética. Y aquí entramos en un terreno en que el valiente agente de policía Cleve Backster (protagonista del reto de septiembre de 2007) estaría bastante a gusto, a pesar de la oposición o el descrédito de parte de la comunidad científica occidental. Encima, los responsables del Proyecto del Genoma Floral ya empiezan a vender otra vez la moto de meter mano a la genética de los alimentos sea como sea. Los resultados de esta nefasta costumbre actual ya se están viendo en la misma revista Quercus. Y siempre con la misma excusa: se hace por el bien de la humanidad. Ya me gustaría que, por una vez, dijeran que lo hacen por el bien de sus bolsillos. Si lo hicieran por el bien de la humanidad, dejarían a los genes en paz. Mary Shelley, la escritora que creó la historia del doctor Frankestein y la criatura que ensambló, dejó una profecía a la cual nadie, o muy poca gente, ha querido hacer caso.”