Asimov Isaac - Fotosintesis

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Biblioteca de Divulgacin Cientfica ISAAC ASIMOV

FOTOSNTESIS

EDICIONES ORBIS, S. A. Distribucin exclusiva para Argentina. Chile, Paraguay. Per y Uruguay. HYSPAMERICA Titulo original: Photosynthesis (1968) Traduccin: J. Ferrer Aleu Escaneo: Marroba2002 Correccin: Pepe Asesor cientfico: Pedro Puigdomnech Direccin de la coleccin: Virgilio Ortega Foto portada: Bill Binzen/The Image Bank 1968 by Isaac Asimov 1980, Plaza & Janes, S. A., Editores Por la presente edicin. Ediciones Orbis, S. A., 1985 Distribucin exclusiva para Argentina, Chile, Paraguay, Per y Uruguay: HYSPAMERICA EDICIONES ARGENTINA, S. A. Corrientes, 1437, 4to piso. (1042) Buenos Aires Tels. 46-4385/4484/4419 ISBN: 84-7634-001-X (Coleccin) ISBN: 84-7634-156-3 (Volumen X) Depsito legal: M. 10298-1986 Impreso por Artes Grficas EMA, S. A. Miguel Yuste, 27. 28037 Madrid Encuadernado por LARMOR Printed in Spain

A LA MEMORIA DE HENRY BLUGERMAN

cuya vida fue un dechado de bondad y de valor

1. EL GRAN CICLO

EL CUERNO DE LA ABUNDANCIAEs sorprendente lo mucho que damos por sabido. Por ejemplo, respiramos. Respiramos sin cesar, unas diecisis veces por minuto. Si dejramos de respirar cinco minutos, aproximadamente, moriramos. Sin embargo, raras veces nos preguntamos cmo es posible que siempre haya aire que respirar. Respiramos no slo para obtener aire; necesitamos un gas llamado oxigeno, que se encuentra en el aire. El aire con que llenamos nuestros pulmones contiene, aproximadamente, un 21 % de oxgeno. Parte de este oxgeno es absorbido por nuestro cuerpo y utilizado por l. El aire que exhalamos slo contiene un 16 % de oxgeno. Una y otra vez, penetra aquel 21 % de oxgeno y slo vuelve a salir el 16 %. Y esto no slo se produce en ustedes y en m, sino en todos los seres humanos de la Tierra, as como en todos los animales terrestres. Los animales marinos o de agua dulce no respiran como nosotros, pero extraen y consumen el oxgeno disuelto en el agua. Las plantas consumen tambin oxgeno en algunos de sus procesos vitales. Las bacterias productoras de descomposicin y podredumbre tambin gastan oxgeno1, y lo mismo ocurre en diversos procesos qumicos naturales que se desarrollan en la Tierra y que no afectan a formas de vida. As pues, se consume constantemente oxgeno, y todos nosotros (y las otras formas de vida consumidoras de oxgeno) lo cambiamos por otro gas, denominado dixido de carbono. ste no es equivalente a aqul, en el sentido de que no podemos respirarlo en lugar del oxgeno. La concentracin de dixido de carbono en el aire es tan baja en la actualidad que no nos perjudica en absoluto, pero si aumentara, aunque fuese de un modo moderado, nos asfixiara. Como resultado de toda la respiracin y de otros procesos consumidores de oxgeno que se producen en la Tierra, podramos decir que se consumen unas 10.000 toneladas de oxgeno por segundo. A este paso, la ltima porcin de oxgeno utilizable en la atmsfera y en los mares de la Tierra habra desaparecido dentro de 3.000 aos. Y ni siquiera tendramos que esperar estos 3.000 aos para vernos en grave peligro. Dentro de unos pocos siglos, la cantidad de dixido de carbono que se habra acumulado en la atmsfera asfixiara toda forma de vida animal. Sin embargo, la Humanidad, y todas las dems formas de vida, han estado consumiendo oxgeno y produciendo dixido de carbono no desde hace tan slo unos cuantos siglos o unos cuantos miles de aos, sino desde hace, al menos, varios cientos de millones de aos. Y, a pesar de que durante todo este tiempo ha desaparecido constantemente oxgeno, el aire sigue siendo una cornucopia..., un cuerno de la abundancia siempre lleno. Hay tanto oxgeno en el aire como lo hubo siempre, y existe la misma pequea cantidad de dixido de carbono. Por qu? La nica conjetura lgica es que existe cierto ciclo. Las cosas se mueven en crculo, y todo regresa, por as decirlo, con la misma rapidez con que se va.1

Algunos tipos de bacterias no consumen oxigeno, pero representan una pequesima proporcin entre las formas de vida existentes.

Podemos observar el mismo ciclo en lo que respecta al agua. Bebemos siempre agua y la empleamos tambin para lavar y con fines industriales. Se consumen millones de litros cada minuto en todo el mundo, y por cada milln que consume el hombre, otros muchos se pierden en la superficie de la Tierra sin ser utilizados por aqul, y sin embargo, el agua dulce no se agota nunca. Pero esta paradoja tiene una respuesta muy sencilla. Toda el agua dulce, tanto si se consume como si no, se evapora, ya sea directamente en su propio lugar, ya sea despus de verterse en el ocano. El calor del Sol eleva grandes cantidades de vapor tomado del mar o de la tierra, y este vapor es solamente de agua, sin los elementos slidos que estuvieron disueltos en ella. El vapor vuelve a la tierra en forma de lluvia, y el depsito de agua dulce se llena con la misma rapidez con que se ha consumido. De la misma manera, hay que presumir la existencia de algn proceso, en el planeta que forma oxgeno con la misma rapidez con que nosotros lo producimos. Slo de este modo podemos esperar que los niveles de oxigeno y de dixido de carbono de la atmsfera permanezcan invariables durante millones y millones de aos. Pero el proceso que restablece el oxgeno y elimina el dixido de carbono, manteniendo la atmsfera respirable, es muchsimo menos evidente que el que recupera el agua dulce y conserva la tierra agradablemente hmeda, y los lagos y los ros llenos y resplandecientes. Para descubrir este proceso, consideraremos otro problema bastante parecido, que puede relacionarse con el de los niveles de oxgeno y de dixido de carbono. Es el siguiente: Por qu no se agota nuestra comida? Cuando respiramos oxgeno, ste se combina con algunas sustancias de nuestros tejidos para producir la energa que necesitamos para vivir. En esta operacin, no slo producimos dixido de carbono, que expulsamos al respirar, sino tambin otros varios productos de desecho que eliminamos principalmente por medio de la orina. Si no hicisemos ms que respirar, es tal la cantidad de sustancias de nuestros tejidos que se combinan con el oxgeno para producir energa, que nos quedaramos sin las necesarias para seguir viviendo. Perderamos peso, nos debilitaramos y, en definitiva, moriramos. Para evitar esto, debemos restablecer nuestros tejidos con la misma rapidez con que los gastamos, y, para este fin, hemos de comer. Debemos incorporar a nuestro cuerpo los componentes de los tejidos, por ejemplo, de otros animales, y convertirlos en tejidos propios. Pero los animales que comemos han gastado tambin sus tejidos para sus propios fines y tienen que reparar su desgaste comiendo. Si todos los animales tuviesen que reponer sus tejidos consumidos comiendo otros animales, toda la vida animal se extinguira rpidamente, al agotarse todas las sustancias de los tejidos. Los animales ms grandes y vigorosos robaran la sustancia de los animales ms pequeos y, despus, se destruiran unos a los otros. Por ltimo, slo quedara un animal, que se morira de hambre lentamente. Si los animales tienen que seguir viviendo, deben encontrar algn alimento que no necesite comer a su vez, sino que pueda extraer de la nada las sustancias de sus propios tejidos. Esto parecera imposible (si no conocisemos de antemano la respuesta), pero no lo es. La respuesta es la vida vegetal. Todos los animales comen plantas, u otros animales que han comido plantas, u otros animales que han comido animales que han comido plantas, etc. Y, en definitiva, todo vuelve a las plantas.

Las plantas estn constituidas por tejidos que contienen las mismas sustancias complejas de los tejidos animales. Por consiguiente, los animales pueden vivir alimentndose exclusivamente de plantas, robndoles sus caudales de tejidos y ponindolas al servicio del que come. En realidad, la mayor parte de los animales son herbvoros, es decir comedores de plantas. Una minora de ellos son carnvoros (comedores de carne) y se alimentan de la mayora herbvora. Unos pocos tipos de criaturas, como los hombres, los cerdos y las ratas, son omnvoros (comen de todo) y pueden consumir vegetales y animales, en realidad, casi de todo, con igual facilidad. Las criaturas omnvoras suelen ser las ms prsperas en el esquema vital. En cuanto a las plantas, emplean la sustancia de sus propios tejidos para producir energa. Sin embargo, a pesar de su propio consumo y de las depredaciones infligidas por la vida animal, los vegetales del mundo nunca se consumen por entero. Sus tejidos se reparan con la misma rapidez con que se desgastan, y no tienen que hacer presa en las sustancias de otros organismos para sustituirlos. Ciertamente, parecen formar tejidos de la nada. Gracias a esta capacidad de los vegetales, los arsenales de alimentos del mundo, como el depsito de oxgeno, permanecen perpetuamente llenos. De alguna manera, las plantas suministran el alimento. Pero ste debe proceder de alguna otra parte. En realidad, no puede formarse de la nada. Estudiemos, en este caso, los vegetales, y, si descubrimos la manera en que se repone el caudal de los alimentos, podremos tambin descubrir algo sobre el modo en que se restablece el caudal de oxgeno del aire.

EL SAUCEDesde luego, es evidente que las plantas no fabrican su sustancia de la nada, en el sentido literal de la expresin. Hay hechos bien conocidos que demuestran que esto es completamente imposible. La planta es, en su origen, una pequea semilla, pero esta semilla no se desarrollara y convertira en una planta grande (a veces enorme), si no se colocase en el suelo. Una vez en el suelo, la planta en crecimiento produce un complicado sistema de races que penetran en el suelo en todas direcciones. Si fuese arrancada del suelo, o se lesionasen gravemente sus races, la planta morira. Por tanto, pareca muy evidente que las plantas obtenan cierta clase de alimento del suelo, a travs de sus races. Este alimento era algo que no podan comer los animales, pero que sostena a las plantas. Pero no todo el suelo era igualmente adecuado para las plantas. Haba suelos frtiles, donde los vegetales crecan perfectamente, y suelos ridos, en los que las plantas crecan mezquinas en el mejor de los casos. Por consiguiente, haba en los suelos frtiles alguna clase de material alimentario que faltaba en los suelos ridos. Ms an, si un suelo frtil era empleado para cultivos continuados de una clase particular de planta, perda gradualmente su fertilidad, como si se agotase la reserva de alimento. Esta fertilidad poda restablecerse en parte, si se dejaba la tierra sin cultivar durante un tiempo o si se cultivaba en ella otra clase de vegetal. El resultado era an mejor si se aada al suelo alguna sustancia fertilizante, como excrementos de animales (abonos). Pero el suelo no era lo nico que se necesitaba para una floreciente vida vegetal. Otro factor, igualmente vital, era el agua. Cualquier agricultor saba que ningn suelo, por rico y frtil que fuese, podra producir cosecha alguna sin un copioso suministro de agua. Los

perodos de sequa eran fatales para los agricultores que dependan de unas lluvias ms o menos regulares. Por esto, los agricultores que vivan cerca de los ros construyeron extensos sistemas de canales para llevar agua a los campos, particularmente en las regiones donde escaseaba la lluvia. Sabido es que las primeras civilizaciones humanas se desarrollaron en valles regados por ros: el Nilo, en Egipto; el Eufrates, en Mesopotamia; el Indo, en Pakistn, y el Amarillo, en China. Fcilmente poda presumirse que, de los dos elementos, suelo y agua, era realmente el suelo el ms importante. El vegetal slido se parece mucho ms al suelo slido que al agua lquida. Es ms fcil suponer que el material slido del suelo se convierte de algn modo en el material slido de los tejidos de la planta, que creer que el agua se endurece y cobra vida. Por esto caba suponer que el objeto del agua era, simplemente, transportar materiales del suelo al interior de la planta. Naturalmente, si el agua no estaba presente, los materiales del suelo no hubiesen podido trasladarse a la planta y habra cesado el crecimiento de sta. El agua sera necesaria para la vida vegetal, pero slo de un modo pasivo. Hubo que esperar a comienzos de los tiempos modernos para que se le ocurriese a alguien comprobar esto experimentalmente. El hombre que concibi esta idea fue Jan Baptista van Helmont, alquimista y fsico de los Pases Bajos, que vivi y trabaj en una tierra que hoy pertenece a Blgica, pero que formaba entonces parte del Imperio espaol. Van Helmont pensaba que el agua era la sustancia fundamental del Universo (como haban sostenido, en realidad, algunos filsofos griegos antiguos). En tal caso, todo era realmente agua, y las sustancias que no se parecan a sta eran, de todos modos, agua que haba cambiado de forma de alguna manera. Por ejemplo, el agua era necesaria para la vida vegetal. Sera posible que, por improbable que pareciese a primera vista, los tejidos de las plantas se formaran de agua y no de elementos del suelo? Por qu no averiguarlo? En 1648, Van Helmont termin su gran experimento, grande no slo porque obtuvo interesantes y aun cruciales resultados, sino tambin porque fue el primer experimento cuantitativo que se realiz con un organismo vivo. Dicho en otras palabras, fue el primer experimento biolgico en que se pesaron exactamente unas sustancias y se observaron cuidadosamente cambios de peso que proporcionaron la respuesta que se buscaba. Van Helmont empez por trasplantar un vstago de un joven sauce a un cubo grande lleno de tierra. Pes el sauce y la tierra, por separado. As, si el sauce formaba sus tejidos absorbiendo sustancias de la tierra, lo que ganase en peso debera perderlo la tierra. Van Helmont cubri cuidadosamente la tierra, a fin de evitar que cayesen otros materiales en el cubo capaces de alterar la prdida de peso de aqulla. Naturalmente, Van Helmont tena que regar el sauce, pues, si no lo haca, ste no crecera. Sin embargo, si el agua no era ms que un medio de transporte, lo nico que hara sera transportar el material del suelo a la planta y, despus, se evaporara. El agua que tendra que aadir slo servira para sustituir la que se perdiese por evaporacin. Durante cinco aos. Van Helmont reg su rbol con agua de lluvia. ste creci y se desarroll, y, al terminar aquel perodo, Van Helmont lo extrajo cuidadosamente del cubo, sacudi la tierra de sus races y lo pes. En cinco aos de crecimiento, el sauce haba aumentado 7,5 Kg. de peso. Muy bien! Ahora haba que pesar el suelo, despus de que se secase. Haba perdido los 7,5 Kg. que haba ganado el rbol? De ninguna manera. Slo haba perdido dos onzas!

El sauce haba aumentado mucho de peso..., pero no a expensas de la tierra. Cul era la otra nica sustancia que haba estado en contacto con el sauce?, se pregunt Van Helmont. La respuesta era: el agua. De esto dedujo que la planta obtena su sustancia no del suelo, sino del agua. Y emple el resultado de este experimento para sostener que el agua era, sin duda, la sustancia fundamental del Universo, ya que, si poda transformarse en tejido vegetal, poda tambin transformarse en cualquier otra cosa.

EL AIREPero veamos lo que demostr realmente Van Helmont. Mostr, sin lugar a dudas, que el suelo no era el principal abastecedor del tejido vegetal. Al menos, prob que era as en el sauce; pero podemos presumir con toda seguridad, y as lo demostraron posteriormente los cientficos, que ocurre lo mismo en todas las dems plantas. El sistema de races que se abre paso serpenteando en grandes extensiones de terreno no puede considerarse que tenga, como funcin principal, la de absorber materiales del suelo, con transporte por el agua o sin ella. Pero, demostr Van Helmont que el suelo no daba nada a los tejidos vegetales? No. Se haba producido una ligera prdida de peso en la tierra: dos onzas. No era mucho, e incluso poda ser resultado de lo que llamamos un error experimental, pues es difcil pesar toda la tierra en un cubo; pudo quedar alguna pegada a las races, y las balanzas de aquella poca no eran tan exactas como las que poseemos en la actualidad. Sin embargo, dos onzas no es una cantidad despreciable. Poda representar la absorcin de ciertos componentes mnimos, pero necesarios, del tejido de la planta. Adems, por muy cuidadosas que fuesen las observaciones de Van Helmont, stas no tachaban de falsas otras observaciones anteriores. Si una teora ha de ser til, debe explicar todas las observaciones. Por ejemplo, sigue siendo un hecho indiscutible, a pesar del sauce de Van Helmont, que algunos suelos son frtiles y otros son ridos, y que el suelo pierde fertilidad si se abusa de l y puede recobrarla con el empleo de abonos. Por consiguiente, el suelo debe contribuir con algo. Si no con todo, al menos con algo, y este algo debe ser vital. Por ejemplo, si el suelo no fuese indispensable para el alimento de la planta, debera ser posible cultivar plantas en el agua, sin la presencia de tierra. Esto ocurre en ciertas plantas acuticas, como las algas marinas, pero debera aplicarse tambin a las plantas terrestres, si hubisemos de guiarnos por el sauce. Si la conclusin de Van Helmont hubiese sido exacta, y si el agua fuese el nico alimento de la planta, los vegetales podran crecer, efectivamente, en agua pura (agua destilada). Y no es as; su crecimiento es efmero en agua destilada. Pero, qu pasa si ciertos componentes del suelo son necesarios en pequea cantidad? En tal caso, estos componentes, una vez identificados, podran producirse sin necesidad de suelo. En realidad, esto fue posible en la prctica, y el cultivo de plantas en soluciones, en vez de suelo, se conoce con el nombre de hidropona. Admitamos, pues, que son necesarios ciertos componentes menores del suelo para el crecimiento de la planta y se incorporan al tejido de sta. Pero queda an por explicar la inmensa mayor parte del tejido vegetal producido. Si aceptsemos la hiptesis de Van Helmont, de que el agua era, sin duda, el nico material,

aparte del suelo, que tocaba la planta, deberamos admitir tambin su conclusin de que el tejido vegetal se derivaba del agua. Pero, es as en realidad? Indudablemente, el agua no era el nico material que tocaba la planta. Tambin la tocaba el aire. Difcilmente poda pasar inadvertido a Van Helmont que el aire tocaba la planta. Sin embargo, prescindi de esta cuestin. El aire, en general, era desdeado por los filsofos anteriores a la poca de Van Helmont. Desde luego, saban que exista, ya que difcilmente podan negarse los huracanes. Pero el aire no poda verse ni tocarse. Pareca ser algo tenue, que poda soplar, pero no influir en los lquidos y los slidos que podan verse y tocarse. Por consiguiente, los alquimistas y todos los que estudiaban los materiales fsicos del Universo tendan a prescindir del aire. En ocasiones, los alquimistas de la Antigedad y de los tiempos medievales advirtieron que se formaban vapores en sus mezclas y que stos eran expulsados en burbujas. Pero pensaban que tales vapores eran formas de aire y, por tanto, tambin los desdeaban. En realidad, la primera persona que sabemos que prest atencin a aquellos vapores y decidi que eran ms que simples formas de aire fue el propio Van Helmont. Advirti que algunos de los vapores que se formaban en el curso de sus experimentos no se comportaban como el aire. Por ejemplo, los haba que podan inflamarse, cosa que nunca ocurra con el aire. Entonces, y dado el inters especial de Van Helmont por los vapores, cmo se explica que olvidase la funcin del aire como medio de alimentacin de las plantas? Van Helmont advirti que, al arder los vapores inflamables, dejaban a veces gotitas de humedad. Por consiguiente, pens que tales vapores no eran ms que otras formas de agua. En apariencia, el aire corriente no tena nada que ver con el agua, y, por consiguiente, segn la teora predilecta de Van Helmont, el aire no poda ser una forma de materia. Partiendo de esta base, prescindi de l como posible medio de alimentacin de las plantas. Para Van Helmont, aquellos vapores, que parecan ser una forma de agua, se diferenciaban, sin embargo, del agua corriente en un importante aspecto. Como el aire, no podan verse ni tocarse, y no tenan un volumen definido. Lejos de esto, los vapores eran una forma de materia que se extenda en todas direcciones en cualquier volumen en el que pudiesen penetrar. Los antiguos griegos haban imaginado que el Universo empez con una forma de materia igual y totalmente desorganizada, a la que llamaron caos. Van Helmont (segn creen algunos) aplic este trmino al vapor, pronuncindolo a la manera de los Pases Bajos. Si empleamos tal pronunciacin, la palabra se convierte en gas. En definitiva, este vocablo hizo fortuna y se emple no slo para los vapores, sino tambin para el aire; y, desde luego, para todas las sustancias que compartan las principales propiedades del aire. Aunque resulte extrao, Van Helmont fue el primero en observar un gas que haba de ser factor importante en la solucin del problema de la nutricin de las plantas (si l lo hubiese sabido!). Cuando quemaba madera, obtena un gas al que llam gas silvestre (gas de madera) Este gas no era inflamable y tenda a disolverse en el agua (o a convertirse en agua, segn supona Van Helmont). Era el que hoy llamamos dixido de carbono. Una de las dificultades para el estudio de los gases reside en el hecho de que son caticos. En cuanto se producen, se escapan en burbujas, se extienden, se mezclan con el aire y se pierden. Stephen Hales, botnico ingls que vivi un siglo despus de Van Helmont, dio un paso importante a este respecto. Estudi, con gran detalle, la manera en que el agua pasaba a

travs de la planta, siendo absorbida por las races y expulsada de nuevo, en forma de vapor, por las hojas. La capacidad de las plantas para expulsar un gas le hizo pensar que tambin era posible que absorbiesen gases; que pudiesen respirar, en efecto, como los animales, aunque de manera menos visible. Si era as, pens, caba en lo posible que el aire sirviese para nutrir, al menos, una parte del tejido vegetal. Esto le indujo a estudiar los gases y a publicar, en 1727, los resultados de estos estudios. Por esta publicacin, sabemos que preparaba los gases de manera que no pudiesen escapar. La vasija de reaccin en la que se formaban estaba cerrada, salvo por un tubo curvo que discurra debajo de la superficie del agua de un recipiente abierto. El tubo describa una curva hacia arriba, debajo del agua, y se introduca en la boca de una jarra llena de agua y colocada boca abajo en el recipiente. El gas que penetraba burbujeando en el frasco invertido se elevaba hacia la cima y obligaba al agua a salir por abajo. Cuando haba salido toda el agua, se poda deslizar una lmina de cristal sobre la boca del frasco, y se poda volver ste en la posicin normal. Se haba llenado de un gas particular, en forma relativamente pura. Entonces poda estudiarse el gas cmodamente. De esta manera. Hales prepar y estudi numerosos gases, incluidos los que hoy llamamos hidrgeno, dixido de azufre, metano, monxido de carbono y dixido de carbono. Hales no extrajo de todo esto tanto como habra podido obtener, pues estaba convencido de que todos aquellos gases no eran ms que formas modificadas del aire. No se dio cuenta de que estaba operando con sustancias diferentes y distintas. Sin embargo, su mtodo de preparacin de los gases estimul el estudio intensivo del aire y de otras sustancias gaseosas durante el resto del siglo XVIII.

EL OXGENOEl intenso y continuado inters por los gases revel muy pronto, de una vez para siempre, que muchos gases eran sustancias distintas, muy diferentes del aire. Y los qumicos empezaron a sospechar que el propio aire podra estar compuesto de ms de una clase de gas. Un qumico escocs, Joseph Black, se interes particularmente en el dixido de carbono (l lo llam aire fijo). En 1756, descubri que se combinaba con la cal para formar piedra caliza. Pero el punto ms interesante es que, para ello, no tena que aadir dixido de carbono a la cal. Le bastaba con dejar la cal al aire libre, y sta empezaba a pulverizarse por los bordes y se converta en piedra caliza. Por lo visto, haba constantemente pequeas cantidades de dixido de carbono en el aire; es decir, ste contena, al menos, un pequeo componente gaseoso. Y, si haba uno, por qu no poda haber ms? En 1772, otro qumico escocs, Daniel Rutherford (en realidad, alumno de Black), inform sobre los efectos de hacer arder una vela en un depsito cerrado de aire. Al cabo de un rato, la vela se apagaba y no poda encenderse otra en el contenedor. En aquella poca, se saba ya que las velas, al arder, producan dixido de carbono, y que nada poda arder en el dixido de carbono. sta pareca ser la explicacin ms fcil de lo que suceda. La vela encendida haba gastado todo el aire, remplazndolo con dixido de carbono. Pero tambin se saba que ciertas sustancias qumicas absorban el dixido de carbono. El aire empleado fue pasado a travs de estas sustancias, con lo cual se absorbi el dixido de

carbono producido por la vela al arder. Sin embargo, el aire no desapareci, como hubiera sucedido si no hubiese habido ms que dixido de carbono. La mayor parte de l permaneci. Esta parte restante de aire no era dixido de carbono, y por esto pens Rutherford que, eliminado ste, la vela volvera a arder en el aire que quedaba. Sin embargo, no fue as. Dicho en otros trminos, Rutherford tena un gas que era parte importante del aire, pero que no lo constitua en su totalidad; que no era dixido de carbono, pero que tampoco permita que la vela ardiese. l inform de todo esto, pero fue incapaz de interpretarlo correctamente. Exactamente dos aos ms tarde, Joseph Priestley, ministro unitario ingls y qumico aficionado, aadi otro factor importante a los crecientes conocimientos acerca de los gases. Su inters por los gases se debi a la circunstancia de que su iglesia de Leeds estaba situada junto a una fbrica de cerveza. En el curso de la fabricacin de la cerveza, se produce un gas (que es el causante de las burbujas de la cerveza), y Priestley pudo obtener ciertas cantidades de este gas. Tambin recogi otros gases, como haba hecho Hales, pero los hizo pasar a travs de mercurio, en vez de agua. De esta manera, pudo aislar y estudiar gases solubles en el agua, que no habran sobrevivido en forma gaseosa de haber pasado a travs de este elemento. El hecho de trabajar con mercurio llev a Priestley a su mayor descubrimiento. Cuando es calentado en el aire a elevada temperatura, se forma un polvo rojizo en su superficie. Esto es resultado de su combinacin con una parte del aire. Priestley recogi este polvo rojo, lo meti en un frasco y lo calent fuertemente con los rayos del sol concentrados por una lente de aumento. El polvo volvi a convertirse en mercurio, desprendiendo la porcin de aire con la que se haba combinado antes. El mercurio formaba pequeas gotas metlicas, mientras que el aire desprendido se extenda en el frasco como un vapor invisible. El mercurio se haba combinado con lo que no era ms que un pequeo componente del aire. Al desprenderlo de nuevo, produca el gas en forma pura, y Priestley pudo observar sus curiosas propiedades. Si introduca una astilla en ascua en un frasco lleno de este gas, la astilla se inflamaba rpidamente, cosa que no habra ocurrido si el gas hubiese sido simplemente aire. Esta propiedad del nuevo gas era precisamente todo lo contrario de la del gas de Rutherford, en el que la astilla en ascua (o incluso ardiendo con llama) se habra apagado inmediatamente. Priestley estaba fascinado con su nuevo gas. Descubri que unos ratones colocados en una campana llena de este gas se mostraban extraamente retozones, y que l mismo, si lo respiraba, se senta ligero y contento. Sin embargo, tal como le haba ocurrido a Rutherford, no supo lo que haba descubierto. Este privilegio correspondi a otro investigador, un qumico francs llamado Antoine Laurent Lavoisier. En 1775, Lavoisier haba llegado a la conclusin de que el aire estaba constituido principalmente por dos gases: el gas de Priestley, que representaba una quinta parte y facilitaba la combustin, y el gas de Rutherford, que constitua las cuatro quintas partes e impeda la combustin. Lavoisier dio al gas de Priestley el nombre de oxgeno, tomado de dos palabras griegas que significaban productor de cido, porque crea que todos los cidos lo contenan. En esto se

equivocaba, porque algunos cidos no contienen oxgeno; pero el nombre persisti a pesar de ello. Al gas de Rutherford lo llam zoe, palabra tomada del griego y que significa sin vida, porque los ratones colocados en un recipiente lleno de zoe moran. Por lo visto, el oxgeno no era slo necesario para la combustin, sino tambin para los procesos vitales del cuerpo. Lavoisier pens que deba de haber cierta clase de combustin lenta dentro del cuerpo; una combustin que suministraba la energa necesaria para la vida. Esta combustin interna se llama respiracin, y el oxgeno es necesario para que se produzca, mientras que el zoe la impide, si es el nico gas que se halla presente. El nombre zoe no persisti, y el gas fue llamado nitrgeno (productor de nitro), porque se obtena de un mineral comn denominado nitro. Hoy da, sabemos que el aire se compone aproximadamente de un 78 % de nitrgeno y un 21 % de oxgeno. Se advertir que esto slo suma el 99 %. Esto se debe a que el 1 % restante est formado por una mezcla de gases diferentes del oxgeno y el nitrgeno. La mayor parte de stos no se descubrieron hasta la dcada de 18902, y no interesan para nuestros fines. El otro nico componente del aire, distinto del nitrgeno y el oxgeno, que debemos mencionar aqu, es el dixido de carbono, cuya existencia en el aire fue descubierta con anterioridad por Black. Ciertamente, es un componente nfimo, pues slo representa, ms o menos, el 0,035 % del aire; pero, como veremos, tiene una importancia crucial para la vida en la Tierra. Lavoisier dedujo que el proceso de combustin requera la combinacin del objeto combustible con el oxgeno (y slo con el oxgeno) del aire. Tomemos, por ejemplo, el carbn. ste seta formado por una sustancia a la que los qumicos llaman carbono (de la palabra latina que significa carbn). Cuando el carbn arde, el carbono que lo constituye se combina con el oxgeno y forma el dixido de carbono. El gas recibe este nombre porque est formado por cierta combinacin de carbono y oxgeno. Fue el propio Lavoisier, con ayuda de varios colegas, quien invent el sistema de denominar las sustancias a base de los nombres de las sustancias ms simples que se combinan para componerlas. A las sustancias ms simples (tanto, que no pueden dividirse en otras ms simples) se les da ahora el nombre de elementos; las sustancias ms complejas, formadas con los elementos, se llaman compuestos. El dixido de carbono es un compuesto formado por dos elementos: carbono y oxgeno, Hay otro elemento simple e importante que se combina con el oxgeno; un elemento que se manifiesta como gas inflamable y que fue observado tanto por Van Helmont como por Hales. Sin embargo, el primero que lo estudi detalladamente, en 1766, fue un qumico ingls llamado Henry Cavendish. En 1784, lo hizo arder en el aire, recogi los vapores resultantes y descubri que se condensaban para formar agua. Cuando Lavoisier tuvo noticias de este experimento, lo repiti y dio al gas inflamable el nombre de hidrgeno (productor de agua). Lavoisier vio que la combinacin del hidrgeno con el oxgeno formaba agua. Hablando con propiedad, el agua debera llamarse monxido de hidrgeno, pero, naturalmente, nada puede sustituir al viejo y conocido nombre de tal sustancia.2

Estos gases, aunque no interesan a este libro, cuentan con una fascinadora historia propia, que puede encontrarse en mi obra Los gases nobles, publicado en espaol por Plaza & Janes.

Lavoisier hizo los primeros y toscos anlisis qumicos de sustancias procedentes de alimentos, y le pareci evidente que los complicados artculos alimenticios eran ricos en carbono y en hidrgeno. El oxgeno, introducido en el organismo a travs de los pulmones, estableca contacto con el alimento. El carbono y el hidrgeno se combinaron lentamente con el oxgeno para formar dixido de carbono y agua. Para Lavoisier, la combinacin de una sustancia con el oxgeno era un caso de oxidacin. A veces, el oxgeno no se combinaba directamente con la sustancia, sino que lo haca con parte del hidrgeno contenido en aqulla. Por esta razn, podemos considerar que la oxidacin es o bien la adicin de oxgeno a una sustancia, o bien la sustraccin de hidrgeno de ella3. Cuando la oxidacin se produce rpidamente, nos hallamos con el fenmeno conocido vulgarmente como combustin. La oxidacin rpida produce energa, que se vierte en el medio ambiente. Tenemos perfecta conciencia de esto, ya que lo descubrimos en forma de luz y calor al quemar un objeto. La oxidacin dentro del cuerpo (respiracin) se produce con mucha ms lentitud y, segn es lgico suponer, la produccin de energa es tambin mucho ms lenta. Sin embargo, origina un ligero calor en los animales de sangre caliente y, en algunos seres, tambin una luz dbil. La energa producida en esta lenta oxidacin es cuidadosamente almacenada por el cuerpo y permite todos los procesos consumidores de energa (por ejemplo, el movimiento) que asociamos con la vida. Podemos resumir esto en la siguiente ecuacin:

(Ecuacin 1)ELIMINEMOS LO SUPERFLUOComo puede verse, volvemos a los dos problemas que se plantearon al comienzo de este libro. En el curso de la respiracin, se consumen alimentos y oxgeno. Entonces, cmo no se agotan stos? El alimento es de algn modo producido de nuevo por las plantas: tomndolo del suelo (segn los antiguos), o del agua (segn Van Helmont), o incluso, posiblemente, del aire (segn Hales). Pero, de dnde procede el oxgeno? Cmo es restituido al aire? Priestley, el descubridor del oxgeno, fue el primero en apuntar una respuesta. l, como Rutherford, experiment con un recipiente lleno de aire y cerrado, en el que haba hecho arder una vela y en el cual, por consiguiente, eran imposibles la combustin y la vida (porque, como sabemos, se haba consumido el oxgeno). Priestley coloc un ratn en el recipiente cerrado, y el animalito muri rpidamente. Entonces quiso hacer la prueba con un poco de vida vegetal. Si el aire quemado impeda la vida, deba impedirla en cualquier forma. Las plantas tenan que morir como los animales. Por consiguiente, puso un brote de menta en un vaso de agua y coloc ste en el recipiente cerrado.3

Actualmente, los qumicos tienen un concepto mucho ms refinado de la oxidacin, pero esta anticuada definicin sirve perfectamente para nuestro objetivo y ofrece la ventaja de no introducir complejidades innecesarias.

La plantita no muri. Creci all durante meses y pareci florecer. Ms an, pasado aquel tiempo, meti un ratn en el recipiente cerrado, y el animal vivi..., como tambin ardi una vela encendida. Priestley no interpret debidamente estos resultados, porque, ni entonces ni ms tarde, quiso aceptar el concepto de materia de Lavoisier. Segn el punto de vista de ste, lo ocurrido era que, as como la primitiva vela encendida haba eliminado el oxgeno del aire, la planta se lo haba devuelto! Por lo visto, el mundo de la vida vegetal no slo repona constantemente el caudal de alimento de la planta, sino tambin el de oxgeno. Un fsico holands, Jan Ingenhousz, tuvo noticia del experimento de Priestley y se apresur a profundizar en la cuestin. En 1779, realiz muchos experimentos sobre la funcin restauradora de las plantas... e hizo un descubrimiento formidable. Descubri que las plantas slo producan oxgeno en presencia de la luz del sol; nunca de noche. Parece lgico presumir que la produccin de alimento y de oxgeno por la planta son partes del mismo proceso. En la formacin de alimentos, se constituyen sustancias complejas a base de sustancias simples del suelo, del agua o del aire. Los qumicos dan a este proceso el nombre de sntesis, palabra tomada del griego y que significa juntar. Como la luz del sol es esencial para la produccin de oxgeno y, por tanto, para la sntesis de los alimentos, el fenmeno es denominado fotosntesis (juntar por medio de la luz). Podemos decir, pues, que Ingenhousz descubri la fotosntesis. Pero, si se forman alimentos y oxgeno, de dnde proceden? Un sacerdote suizo Jean Senebier, realiz experimentos que le condujeron, en 1782, a aceptar la tesis de Ingenhousz de que la luz era esencial para la produccin de oxgeno, y a sostener, por aadidura, que se necesitaba tambin otra cosa: dixido de carbono. El oxgeno no se produca si la planta era privada de todo contacto con el dixido de carbono, ya estuviese como gas en el aire, ya disuelto (como bicarbonato) en el agua. En 1804, otro erudito suizo, Nicols Theodore de Saussure, estudi el asunto cuantitativamente. En realidad, repiti todo el experimento de Van Helmont, pero con vistas al dixido de carbono, en vez del suelo. Es decir midi cuidadosamente el dixido de carbono que consuma la planta y el aumento de peso del tejido vegetal. Este aumento de peso era considerablemente mayor que el del dixido de carbono consumido, y Saussure arguy, de modo convincente, que el nico productor posible de la diferencia de peso era el agua. Pareca, pues, que Van Helmont y Hales, cada cual a su manera, tenan razn, al menos parcialmente. Las plantas son alimentadas tanto por el agua como por una parte del aire, y obtienen de ambos sustancias para sus tejidos. Podemos ver que esto es necesario desde el nuevo punto de vista de Lavoisier sobre la qumica. Los alimentos contienen carbono e hidrgeno, y, por consiguiente, deben formarse a base de materiales ms simples que contengan carbono e hidrgeno. (Los elementos, en opinin de Lavoisier, no podan ser creados ni destruidos, segn la regla conocida por el nombre de ley de conservacin de la materia)4. Sabemos que el agua se compone de hidrgeno y oxgeno, y que el dixido de carbono se compone de oxgeno y carbono. Tanto el agua como el dixido de carbono estn siempre al alcance de las plantas, por lo que parece lgico que ambos contribuyan a la formacin del alimento; es decir, del tejido vegetal. Adems, si el carbono del dixido de carbono y el4

Esta regla no es absolutamente exacta, segn se descubri a principios del siglo xx, pero lo es lo suficiente para el objeto de este libro.

hidrgeno del agua se emplean para formar la sustancia alimenticia, el oxgeno que resta debe ser expelido a la atmsfera. Pero, podemos eliminar completamente el suelo? Recordemos que algunos pequeos componentes del suelo son necesarios para la vida vegetal y que, en realidad, los tejidos vegetales no se componen nicamente de carbono, hidrgeno y oxgeno. Estos tres elementos representan, en efecto, el 95 %, poco ms o, menos, del peso del tejido vegetal, pero hay tambin otros elementos presentes, elementos que, aun en nfimas proporciones, son, empero, indispensables para la vida. Son, entre otros varios, el nitrgeno, el azufre, el fsforo, el calcio, el magnesio, el hierro, el sodio y el potasio. Si, de momento, prescindimos del nitrgeno, veremos que ninguno de los otros elementos se encuentra en cantidades significativas en el aire o en agua de lluvia. En cambio, hay en el suelo compuestos que contienen estos elementos. El agua que se filtra en el suelo disuelve algunos de estos componentes, que pasan con ella a la planta Luego, el agua es necesaria para la vida vegetal, no slo como parte integrante del tejido de la planta, sino tambin como medio de transporte de componentes del suelo. Vemos, pues, que el suelo representa tambin un papel. Los pequeos componentes del suelo que son necesarios para la vida vegetal vuelven a la tierra cuando las plantas mueren y se descomponen lentamente. Si las plantas son comidas, parte del material es devuelto en forma de excrementos animales, y el resto, cuando el animal muere y se corrompe. Slo cuando el hombre cultiva intensamente el suelo y recoge las plantas y se las lleva, el suelo se ve privado poco a poco de aquellas sustancias y se convierte en estril. En tal caso, los agricultores deben restaurar tales sustancias, fertilizando la tierra con excrementos animales y con abonos qumicos especiales, inventados a lo largo del ltimo siglo. Estas sustancias del suelo se incorporan al tejido vegetal gracias a mecanismos que no requieren la accin de la luz del sol y no forman parte de la fotosntesis. Como este libro se limita al proceso de la fotosntesis y a materias directamente relacionadas con sta, eliminaremos lo superfluo y evitaremos cualquier discusin sobre sustancias del suelo que no guarden relacin directa con aqulla. Cabe decir lo propio en lo tocante a la respiracin. Si consideramos la descomposicin del alimento en dixido de carbono y agua, esto slo tiene en cuenta los elementos carbono, hidrgeno y oxgeno. Qu hay de los otros elementos que estn indudablemente presentes en el alimento? No nos interesan (desde el punto de vista fotosinttico) y, por consiguiente, prescindiremos de ellos. La duda se presenta con el nitrgeno. Despus del carbono, del hidrgeno y del oxgeno, el nitrgeno es el elemento ms corriente que encontramos generalmente en los tejidos vivos, tanto animales como vegetales. Es parte vital de los compuestos ms importantes de los tejidos vivos: las protenas y los cidos nucleicos, Y el nitrgeno est presente en el aire, constituyendo, ciertamente, las cuatro quintas partes de ste. Por tanto, parecera lgico presumir que el aire contribuye a la alimentacin de las plantas con su contenido en nitrgeno, adems de la pequea cantidad de dixido de carbono, y que el nitrgeno representa un papel en la fotosntesis. El primero en realizar experimentos en este sentido fue el qumico agrcola francs Jean Baptiste Boussingault. Empez su trabajo en 1837, preparando un suelo desprovisto de todo componente nitrogenado y plantando en l semillas previamente pesadas. Cuid muy bien de que ninguna sustancia que contuviera nitrgeno pudiese establecer contacto con las

plantas en crecimiento, de modo que, si stas absorban nitrgeno, el mismo slo poda proceder de la atmsfera. Descubri que algunas plantas se desarrollaban efectivamente en estas condiciones de ausencia de nitrgeno. Los guisantes y los trboles no slo crecan y florecan, sino que sus tejidos eran tan ricos en nitrgeno como los de las plantas que crecan en suelos que contenan tal elemento. Evidentemente, los guisantes y los trboles obtenan el nitrgeno de la atmsfera. Sin embargo, Boussingault descubri tambin que otras plantas, como el trigo y la cebada, no crecan en absoluto en condiciones de carencia de nitrgeno. Esto sigui siendo un enigma hasta mediados del siglo XIX, cuando empezaron a estudiarse con detalle las bacterias y se empez a comprender mejor su importancia en la economa de la vida. Result que haba ciertas bacterias que podan emplear el nitrgeno del aire, convirtindolo en compuestos parecidos a los que suelen encontrarse en el suelo. Tales bacterias tendan a desarrollarse en ndulos que se fijaban a las races de ciertas plantas y, en particular, de los guisantes, las habas y los trboles. Las bacterias formaban compuestos nitrogenados en cantidades mayores de las que ellas mismas necesitaban, y las plantas absorban el exceso. Los guisantes, las habas y los trboles no utilizaban directamente el nitrgeno atmosfrico, sino que slo lo absorban cuando las bacterias haban realizado su trabajo. Si estas mismas plantas se hallaban en un suelo que no slo careca de nitrgeno, sino estril y desprovisto de bacterias, ya no podan desarrollarse. Esto significa que podemos eliminar tambin el nitrgeno al considerar la fotosntesis. Ninguna planta puede absorberlo directamente de la atmsfera, y no representa un papel directo en la fotosntesis.

SE COMPLETA EL CICLODe momento, nos hemos quedado con slo tres elementos: carbono, hidrgeno y oxgeno. As como resumimos el hecho de la respiracin en la ecuacin 1.a, busquemos la manera de resumir el hecho de la fotosntesis. Empezamos con dixido de carbono y agua, y acabamos con tejido vegetal y oxgeno. Como el tejido vegetal nos interesa ahora principalmente como alimento, lo llamaremos alimento. Recordemos tambin que la luz del sol es esencial y que esta luz es una forma de energa; por consiguiente, aadiremos la energa como uno de los factores. As tendremos:

(Ecuacin 2)Si comparamos las ecuaciones 1. y 2.a, veremos que cada una de ellas es exactamente lo contrario de la otra. Dicho en otras palabras, si consideramos al oxgeno y el alimento de una parte, y el dixido de carbono, el agua y la energa, de otra, veremos que la respiracin lo empuja todo hacia el lado del dixido de carbono, el agua y la energa, mientras que la fotosntesis lo impulsa todo hacia el lado del alimento y el oxgeno. Esto es lo que queremos decir cuando hablamos de un ciclo. As, las ecuaciones 1. a y 2.a pueden combinarse para formar el llamado ciclo del carbono, porque el elemento carbono parece representar en l un papel clave (aunque, en realidad, no es ms vital que ela

representado por el hidrgeno y el oxgeno y como veremos ms adelante tambin por otros elementos). Sin embargo, antes de presentar el ciclo, conviene aclarar unos puntos. La respiracin se produce tanto en los animales como en las plantas, aunque el proceso es menos aparente en stas, que no respiran visiblemente A la luz del sol, el efecto de la fotosntesis disimula el de la respiracin en la planta; en cambio, de noche, cuando no acta la fotosntesis, las plantas absorben oxgeno y desprenden dixido de carbono, de la misma manera que los animales, segn demostr por primera vez, en 1868, el botnico alemn Julius von Sachs. (Sin embargo, en conjunto, la fotosntesis es la reaccin dominante en las plantas, de modo que no hay una clara produccin de dixido de carbono. La respiracin vegetal no anula la fotosntesis de la planta, ni mucho menos.) Pero la fotosntesis slo se produce en las plantas, nunca en los animales. (Hay ciertas bacterias que muestran reacciones qumicas muy parecidas a la fotosntesis.) Otro punto es que las ecuaciones 1.a y 2.a no son exactamente opuestas en todos los sentidos. En la respiracin, la energa producida es desprendida, en parte, en forma de calor y parcialmente almacenada en forma de ciertos compuestos. Podemos denominar energa qumica a la que se obtiene con la descomposicin esencial para la vida; por consiguiente, de momento prescindiremos del hecho de que tambin se produce calor, y nos referiremos a la energa producida en la respiracin como energa qumica y nada ms. Pero, en la fotosntesis, la energa que se utiliza no es calor ordinario, ni energa qumica. Es la energa de la luz del sol, a la que llamaremos energa solar. Sin olvidar esto, tracemos ahora una combinacin de las ecuaciones 1. a y 2.a, en forma de un ciclo (vase figura 1).

Figura 1. El ciclo del carbonoste es el gran ciclo que hace que la vida contine indefinidamente. Si funciona a la perfeccin, el alimento, el oxgeno, el dixido de carbono y el agua, se consumen y forman de nuevo, una y otra vez, y en teora, pueden durar eternamente. Lo que impulsa el ciclo (como veremos con detalle en este libro) es la luz del sol, y podramos decir que todo el objeto del ciclo es convertir energa solar en energa qumica. (Digamos, de paso, que esto fue sealado por vez primera, en 1845, por el fsico alemn Julius Robert von Mayer.) La energa qumica hace posibles todas las manifestaciones de la vida, y, dado que su origen es la energa solar, toda vida (incluida la nuestra) depende para todo del Sol. Y son las plantas, gracias a la fotosntesis, las que ponen la energa solar no slo a su propio alcance, sino tambin al de los animales.

2. LOS MIEMBROS DEL CICLO

CONCRETEMOS VAGUEDADESAhora conocemos la respuesta al problema planteado al comienzo de este libro y sabemos por qu no se agotan los alimentos y el oxgeno. Pero la solucin slo se ha dado en sus trminos ms amplios y vagos. No se han dado detalles, y seguramente nos gustara conocerlos, tratndose de un ciclo del que depende toda la vida. El trmino ms vago de todos los empleados en la figura 1, que es nuestra primera representacin del ciclo del carbono, es alimento. El hombre consume una gran variedad de comida. En realidad, casi todo lo que no es venenoso y puede masticarse, tragarse y emplearse como alimento, ha servido de comida a algn grupo humano. Sera muy til si pudisemos concretar este trmino particularmente vago. Toda la gran variedad de alimentos puede reducirse a tres clases de sustancias que, juntas, constituyen la mayor parte de todos los comestibles que existen. Son las siguientes: 1) hidratos de carbono; 2) lpidos o, ms vulgarmente, grasas, y 3) protenas. Todas ellas son utilizadas de diversos modos por el organismo, pero la mayor parte de estos usos no nos interesan. El ciclo del carbono es un mtodo para utilizar y producir energa; por consiguiente, nos interesa saber si una de estas clases de alimento tiene que ver ms que las otras con la produccin de energa. En realidad, cada uno de los tres tipos de sustancias puede ser utilizado como fuente de energa, pero no con igual prontitud. Por ejemplo, las protenas son las sustancias clave del tejido vivo. Existen en millares de formas y realizan millares de funciones vitales. Aunque pueden emplearse para la produccin de energa, esto slo ocurre en circunstancias desesperadas o cuando hay que librarse de ciertos excedentes. No pueden considerarse como lea para el hogar (aunque, en casos desesperados, pueden emplearse las sillas como lea, si no hay otra cosa disponible). La lea, en el caso de los tejidos vivos, es los hidratos de carbono y la grasa. De estos dos, la grasa representa el almacn ms concentrado de energa. Esto quiere decir que un gramo de grasa, combinado con oxgeno, producir ms energa que un gramo de hidratos de carbono. Por consiguiente, la grasa es una manera ms econmica de almacenar grandes cantidades de energa. (Una persona obesa abultara por lo menos dos veces ms si su enorme almacn de energa se presentase como hidratos de carbono en vez de grasa.) La grasa es un buen almacn de energa por otra razn. Es insoluble en el agua. El tejido vivo es muy acuoso (unas cuatro quintas partes de su peso corresponde al agua) y las reacciones qumicas que se producen en l suelen estar relacionadas con este agua. Gracias a su insolubilidad, la grasa se retira, por decirlo as, en gran parte, del tumulto qumico existente dentro de los tejidos. Una gran cantidad de ella puede almacenarse aparte, sin que se entremezcle en la complicada maquinaria qumica del cuerpo. Sin embargo, la misma insolubilidad de la grasa significa que su utilizacin requiere algn trabajo. Los hidratos de carbono, mucho ms compatibles con el agua, pueden emplearse con ms rapidez y con menos complicaciones.

Cierto que los hidratos de carbono se presentan en muchas formas y que algunos de ellos son menos manejables. Un tipo de hidrato de carbono es la celulosa, que es empleada por las plantas como estructura de soporte. La madera es en buena parte celulosa. Ni las plantas ni los animales pueden emplear la celulosa para producir energa. Las termitas y algunos otros insectos se alimentan ciertamente de madera, pero esto slo es posible porque en su tubo digestivo existen criaturas microscpicas (microorganismos) que son capaces de desintegrar la celulosa. De esta manera, se elaboran productos simples que pueden emplearse para conseguir energa, en cantidades mucho ms que suficientes para las necesidades de los propios microorganismos. La termita se queda con el sobrante. De manera parecida, el ganado y otros rumiantes se alimentan de hierba y de otros vegetales ricos en celulosa. Las bacterias de su tubo digestivo desintegran la celulosa, y slo gracias a esto puede vivir el ganado con semejante dieta. Otra forma compleja de hidrato de carbono insoluble en el agua es el almidn. ste no forma fibras slidas como la celulosa, sino que se encuentra ms bien en forma de granos polvorientos. Tanto la celulosa como el almidn se constituyen a base de una unidad qumica que se engancha en largas cadenas. Ciertamente, ambas sustancias parten de la misma unidad; slo que las interconexiones, en el caso de la celulosa, resisten a la ruptura por los mecanismos qumicos de que disponen las plantas y los animales, mientras que las interconexiones, en el caso del almidn, son fciles de romper. Todo animal tiene capacidad para desintegrar el almidn en su tubo digestivo. Entonces, las unidades que constituyen aqul se presentan libres y aisladas, y pueden ser absorbidas por el cuerpo y empleadas para producir energa. Esta unidad se llama glucosa. La glucosa puede ser considerada como un hidrato de carbono, pero muy simple. Los hidratos de carbono simples reciben el nombre de azcares, y la glucosa se distingue de los dems azcares por el hecho de que fue descubierta ante todo en las uvas, y por esto se llama a veces azcar de uva. En el cuerpo humano, hay grandes reservas de grasa, pero el caudal de energa capaz de ser empleado instantneamente es el glucgeno, forma de almidn que est almacenada en el hgado y los msculos. Cuando se requiere energa, el glucgeno se convierte fcilmente en sus unidades de glucosa. (En realidad, el propio nombre de glucgeno es derivado de unas palabras griegas que significan productor de glucosa.) La glucosa producida de esta suerte se difunde en la sangre, y el torrente sanguneo la transporta a todas las partes del cuerpo. Vemos, pues, que la glucosa es el alimento inmediato del tejido orgnico humano. La economa del cuerpo se comporta de tal suerte que el contenido de glucosa en la sangre se mantiene sumamente regular, a pesar de las variaciones en el consumo de comida y en el gasto de energa. Debido a esto, la glucosa podra llamarse azcar de sangre, por igual razn que la llamamos azcar de uva. Lo que hemos dicho del tejido orgnico humano puede decirse tambin, en general, de todos los tejidos vivos. La glucosa es un componente clave, desde el punto de vista de produccin de energa. Adems, en los ltimos cincuenta aos, los qumicos han analizado cada vez ms los detalles de las operaciones qumicas que se producen en el interior de los tejidos. En circunstancias adecuadas, la glucosa puede convertirse en casi cualquier otra sustancia de los tejidos, y viceversa. Por consiguiente, parece acertado dejar que la glucosa

represente las sustancias alimenticias en general y considerarla como fuente de energa por antonomasia. Dicho de otro modo, podemos concretar la ecuacin de la respiracin (vase la ecuacin 1) poniendo glucosa en vez de alimento. As, tendremos:

(respiracin) glucosa + oxgen>dixido de carbono + agua + energa (Ecuacin 3)Sin embargo, ahora nos encontramos con un ciclo y no podemos hacer ninguna sustitucin en una mitad de l, a menos que estemos seguros de que la sustitucin concordar tambin con la otra mitad. En otras palabras, podemos emplear el trmino glucosa, en vez del de alimento, tambin en relacin con la fotosntesis? El experimento clave a este respecto fue realizado por Sachs, descubridor de la respiracin de las plantas. Saba que las hojas de las plantas, en condiciones normales, contenan almidn. Esto es fcil de demostrar, pues el almidn reacciona con el yodo y forma una sustancia negra, de modo que, si las hojas se exponen al vapor de yodo, se vuelven negras. Sin embargo, si las hojas se conservan en la oscuridad durante varias horas, consumen su propio almidn para obtener energa y dejan de reaccionar al vapor de yodo. En 1872, Sachs coloc a la luz del sol una hoja que haba consumido su almidn de aquella manera, pero cubri una mitad con una cubierta opaca. Al cabo de algn tiempo, expuso toda la hoja al vapor de yodo. La mitad que haba estado expuesta a la luz del sol se volvi negra; la otra mitad, que haba permanecido en la oscuridad, no sufri cambio alguno.

Figura 2. El ciclo del carbono (con glucosa)En vista de ello, pareca claro que la fotosntesis haba producido almidn en la hoja (ms que cualquier otra sustancia, como grasa o protenas.) Dado que el almidn se forma con largas cadenas de unidades de glucosa sujetas entre si, parece lgico presumir que se forma primero la glucosa y que sta se combina despus para elaborar el almidn. Luego, al parecer est justificado que sustituyamos al trmino alimento por el de glucosa en la porcin fotosinttica del ciclo, lo mismo que en la porcin de la respiracin. De este modo, puede rehacerse todo el ciclo tal como aparece en la figura 2.

ESCUCHEMOS A LOS TOMOSLa sustitucin de alimento por glucosa es ms que un simple reemplazo de un trmino vago por otro concreto. Los alimentos constituyen una vasta y compleja mezcla de una gran variedad de sustancias, y los qumicos no pueden tratar una mezcla semejante como una unidad Por otra parte, la glucosa es una sustancia nica y bien definida, que el qumico puede mejorar, estudiar y discutir sin dificultades. La facilidad con que puede manejarse la glucosa, como compuesto qumico, se debe, al menos en parte, al hecho de que, en las primeras dcadas del siglo XIX, los qumicos inventaron un lenguaje conveniente. Establecieron mtodos para indicar la naturaleza qumica de los diversos compuestos mediante una serie de smbolos racionales, gracias a que, ya en 1803, el qumico ingls John Dalton haba desarrollado una teora atmica de la materia. Dalton sostena que toda materia estaba constituida por diminutas partculas, tan pequeas que escapan incluso a los mejores microscopios. Dio a esas partculas el nombre de tomos. Cada elemento estaba formado por una diferente variedad de tomo. As el carbono estaba constituido por tomos de carbono; el hidrgeno, por tomos de hidrgeno, y el oxgeno, por tomos de oxgeno. Estos tomos podan presentarse solos, pero, generalmente, se reunan en grupos. Estos grupos de tomos reciben el nombre de molculas, y los qumicos descubrieron que la mejor manera de definir una sustancia era averiguando el nmero y las clases de tomos que formaban tal molcula. Por ejemplo, el oxgeno, tal como se presenta en la atmsfera, se compone de molculas, cada una de las cuales est constituida por dos tomos de oxgeno juntos. Tambin pueden reunirse tomos de diferentes tipos. As, dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno se juntan para formar una molcula de agua. Un tomo de carbono y dos de oxgeno se agrupan para formar una molcula de dixido de carbono. En vez de dar un nombre a un compuesto (nombre que podra o no describir su estructura), se pueden emplear smbolos que indiquen el nmero y las clases de tomos que forman las molculas del compuesto. El sistema empleado consiste en representar el tomo de cada elemento por una letra (o a veces por dos letras). En el caso del carbono, del hidrgeno y del oxgeno, las letras empleadas son, y se explica que as sea, las iniciales de los nombres de tales elementos. As, el tomo de carbono se designa con una C; el tomo de hidrgeno, con una H, y el tomo de oxgeno, con una O. Estas letras son los smbolos qumicos de los elementos. Si hay ms de un tomo de una clase particular en un compuesto, el nmero de tomos se expresa con nmeros pequeos situados en la parte inferior. Ejemplo: ya que la molcula de oxgeno est formada por dos tomos de oxgeno, se escribir O2. sta es la frmula qumica del oxgeno. Lo que podamos denominar oxgeno en la forma en que se encuentra en la atmsfera u oxgeno atmosfrico o incluso oxgeno molecular, puede expresarse, ms prctica y concisamente, con la frmula O2. Adems, O2 nos facilita ms informacin que cualquiera de aquellas frases alternativas. Si escribimos O2, vemos inmediatamente que hay dos tomos de oxgeno en la molcula, y esto puede tener importancia vital para el qumico que estudie una reaccin qumica. Si dice oxgeno, puede olvidar con facilidad la existencia de dos tomos, cosa imposible si lo designa como O2.

La molcula de dixido de carbono, compuesta de un tomo de carbono y dos tomos de oxgeno, se escribe CO2, y la molcula de agua, compuesta de dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno, se expresa como H2O. En el caso del dixido de carbono, este nombre es conveniente, puesto que indica la presencia de un tomo de carbono y dos de oxigeno, ya que el prefijo di significa dos. En cambio, el nombre agua no da ninguna indicacin y es un mal sustituto de H2O. Por consiguiente, la reaccin de la respiracin (vase 3.a ecuacin) puede expresarse de modo mucho ms conciso y elocuente en esta forma:

(respiracin) glucosa + O2 > CO2 + H2O + energa(Ecuacin 4) Pero esto nos lleva a hablar de la glucosa. Puede expresarse tambin con una frmula qumica? Es fcil comprender que, dado que todos los compuestos estn formados por molculas, que a su vez estn formadas por tomos, todo compuesto puede expresarse con una frmula qumica. Sin embargo, lo que es tericamente posible puede ser impracticable en la realidad. Las sustancias complejas de los tejidos vivos pertenecen a un grupo llamado compuestos orgnicos, porque se encuentran en los organismos vivos y no en el mundo mineral. As como el oxgeno, el dixido de carbono y el agua, tienen molculas compuestas de dos o tres tomos, los compuestos orgnicos tienen molculas formadas por docenas, cientos, miles e incluso millones de tomos. Las sencillas molculas del mundo mineral (compuesto inorgnico) pueden expresarse, por lo general, con frmulas que no ofrecen dificultad. No as las molculas de los complejos orgnicos, donde todava estamos resolviendo lentamente el problema de la estructura exacta de sus miembros ms complejos. El almidn, por ejemplo, se compone de molculas gigantescas y que presentan innumerables variaciones, por lo que, si el almidn formase parte de nuestro ciclo del carbono, nos sera imposible encontrar una frmula verdadera y completa para ste (aunque podramos emplear una frmula simplificada con buen resultado). En cambio (y por suerte), la glucosa es uno de los compuestos orgnicos ms simples, con molculas compuestas tan slo de dos docenas de tomos. El nmero exacto y la naturaleza de estos tomos fueron descubiertos en 1868, cuando el fsico alemn Rudolf Fitting estableci que la molcula de glucosa estaba formada por seis tomos de carbono, doce tomos de hidrgeno y seis tomos de oxgeno. Por consiguiente, puede expresarse as: C6H12O6. Supongamos ahora que queremos escribir la ecuacin de la respiracin empleando la frmula qumica de la glucosa. Entonces tendremos que exponer que C 6H12O6 ms O2 forma CO2 y H2O. Pero la molcula de glucosa contiene seis tomos de carbono, mientras que la molcula de dixido de carbono slo contiene uno. Cada uno de los seis tomos de carbono de la molcula de glucosa ser parte de una molcula separada de dixido de carbono. Por consiguiente, una molcula de glucosa dar origen a seis molculas de dixido de carbono, que expresaremos como 6CO2. De manera parecida, los doce tomos de hidrgeno de la molcula de glucosa pueden pasar, a pares, a formar molculas de agua. Como hay seis pares en total, se formarn seis molculas de agua: 6H2O.

Ahora bien, si una molcula de glucosa da origen a 6CO 2 y 6H2O, estas molculas tienen, en total, dieciocho tomos de oxgeno (doce en las seis molculas de dixido de carbono, ms seis en las seis molculas de agua). De dnde proceden todos estos tomos de oxgeno? Si en la molcula de glucosa no hay ms que seis, esto quiere decir que se necesitan otros doce. Aqu es donde interviene el oxgeno del aire. Ya que el oxgeno se presenta en forma de molculas compuestas de dos tomos de oxgeno cada una, los doce tomos de oxgeno deben ser suministrados en forma de seis molculas de oxgeno; es decir, 6O2. Por tanto, podemos expresar la reaccin de la respiracin (vase 4.a ecuacin) de la manera siguiente:

(respiracin) C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + energa (Ecuacin 5)Si se compara la parte de la ecuacin a la izquierda de la flecha con la parte a la derecha de la misma, se observar que hay un equilibrio atmico. Hay, en total, seis tomos de carbono, doce tomos de hidrgeno y dieciocho de oxigeno, en el lado izquierdo; y hay, en total, seis tomos de carbono, doce tomos de hidrgeno y dieciocho tomos de oxgeno, en el lado derecho. ste es un ejemplo de ecuacin qumica equilibrada, y todas deben ser as. En los procesos qumicos, los tomos no desaparecen en la nada, ni se crean de la nada.

CMO SE COMBINAN LOS TOMOSExaminemos ms atentamente la frmula de la glucosa, C6H12O6. Al parecer, H12O6 podra representar seis molculas de agua, 6H2O. Entonces, puede expresarse la molcula de glucosa como C6(H2O)6; es decir como una cadena de seis tomos de carbono con una molcula de agua fijada a cada uno de ellos? Cuando se estaban elaborando las frmulas de la glucosa y de otros azcares, algunos autores presumieron que poda ser as. En realidad, el propio trmino hidrato de carbono suscit esta presuncin. Significa, en grecolatino, carbono aguado. Pero no es as. He mencionado aquella presuncin porque explica el nombre de la clase de compuestos a que pertenece la glucosa, y porque tuvo alguna influencia en la evolucin de las ideas referentes a la fotosntesis. En realidad, no hay molculas de agua en la molcula de glucosa, segn se descubri en definitiva. Con el fin de demostrar la presencia o la ausencia de molculas de agua dentro de una molcula mayor, los qumicos tuvieron que ser capaces de establecer no slo el nmero y la clase de los tomos que componen la molcula, sino tambin la manera exacta en que se combinan. Esta posibilidad empez en 1850, cuando el qumico ingls Edward Frankland demostr que un tipo particular de tomo poda enlazarse con un nmero fijo de otros tomos. Esta nocin fue desarrollada y aplicada a los compuestos orgnicos principalmente por el qumico alemn Friedrich August Kekul, en 1858. Para ver cmo funciona esto, limitmonos, de momento, a las tres clases de tomos que ahora nos interesan ms: carbono, hidrgeno y oxgeno. Un tomo de carbono puede unirse a otros cuatro tomos como mximo, mediante eslabones de conexin llamados enlaces; el tomo de oxgeno puede unirse a dos, y el tomo de hidrgeno, solamente a uno.

Podemos expresar este nmero caracterstico de enlaces por tomo (la llamada valencia de un elemento) aadiendo al smbolo del elemento el nmero de enlaces que posee, en forma de breves trazos:

Estos tomos pueden unirse para formar molculas en las que cada tomo emplea uno de sus enlaces para unirse a un tomo vecino: o a veces, a dos, o, en algunas ocasiones, a tres.

Por ejemplo, la molcula de oxigeno, la molcula de dixido de carbono y la molcula de agua, pueden escribirse de manera que muestren la forma de conexin y el nmero de enlaces, en una frmula estructural5. Advirtase, en estas frmulas, que el nmero de trazos adyacentes al tomo de hidrgeno es siempre uno; en el tomo de oxgeno, dos, y en el tomo de carbono, cuatro.

Figura 3. Pares de ismerosTratndose de molculas tan simples, no se obtiene ventaja alguna consignando las frmulas estructurales. Para el qumico prctico, stas tienen virtualmente una importancia5

Las frmulas estructurales que figuran en este libro son las ms sencillas. La teora qumica moderna introduce ciertos refinamientos para explicar por entero las propiedades moleculares, pero esto no interesa en este libro.

secundaria, y le basta con seguir diciendo O2, CO2 y H2O. Puede decirse lo propio de otras molculas compuestas de media docena de tomos o menos. Pero no ocurre lo propio cuando se trata de compuestos orgnicos, con sus numerosos tomos. En tal caso, las frmulas estructurales son mucho ms tiles que las simples frmulas empricas, que, como en el caso de C6H12O6, slo expresan el nmero total de cada clase de tomo. Esto es as especialmente, porque un nmero determinado de clases particulares de tomos pueden combinarse a menudo de ms de una manera, y cada combinacin da origen a un compuesto distinto y con propiedades diferentes, aunque puede aplicarse a todos la misma frmula emprica. En la figura 3, se exponen tres ejemplos comparativos de esto: tres pares de ismeros.

Figura 4. Pares de Ismeros (frmulas resumidas)Incluso en las sustancias sencillas que aparecen en la figura 3, las frmulas estructurales son claramente necesarias para distinguir entre compuestos que no podran diferenciarse con slo frmulas empricas. En los compuestos realmente complicados, el nmero de combinaciones posibles puede alcanzar millones, y, en este caso, slo sirven las frmulas estructurales. Como es natural, los qumicos hacen todo lo que pueden para simplificar tales frmulas. En general, tratan de evitar la colocacin de numerosos tomos de hidrgeno al final de los trazos, como otras tantas pas de puerco espn. Se presume que la persona que debe trabajar con frmulas aprender rpidamente la manera de asignar el nmero correcto de enlaces a cada tomo y de combinar adecuadamente los tomos de hidrgeno. Dejando que esto se haga in mente, por decirlo as, uno puede concentrarse en la combinacin de los tomos restantes. Tambin pueden emplearse otras abreviaturas, pero no abrumar con ellas al lector. Me limitar a los tomos de hidrgeno, abstenindome de condensar ms cosas. La frmula expuesta in extenso, en la figura 3, puede presentarse en la forma condensada de la figura 4 con la 3, en que nada se ha perdido abreviando las frmulas; por el contrario, se ha ganado resumindolas. Las diferencias entre los ismeros resultan ms claras condensando los tomos de hidrgeno.

Figura 5. GlucosaHubo que esperar hasta 1891 para que la frmula estructural de la glucosa fuese establecida por el qumico alemn Emil Fischer. Hay varias maneras de presentar esta frmula estructural, la ms sencilla de cuyas alternativas es la que se expone en la figura 5. La frmula que se muestra en ella es inexacta, en el sentido de que presenta los seis tomos de carbono en una lnea recta, cuando, en realidad, cinco tomos de carbono ms uno de oxgeno forman un anillo de seis elementos. Sin embargo, para el propsito de este libro, es suficiente la frmula en cadena recta. Es ms fcil de manejar y observar que la frmula en anillo, y mostrar las propiedades de la glucosa que aqu nos interesan. Tal vez se preguntarn por qu una de las combinaciones atmicas hidrgeno-oxgeno (a la que llamamos grupo hidroxilo y escribimos como OH o como HO) apunta hacia la izquierda en la frmula de la glucosa, mientras que las otras lo hacen a la derecha. Esto se debe al hecho de que las combinaciones atmicas dentro de las molculas se hacen realmente en las tres dimensiones. Al presentar las frmulas en una hoja de papel, o sea en dos dimensiones, nos vemos obligados a tomar ciertas decisiones convencionales en lo concerniente a la derecha y a la izquierda. Por ejemplo, existen otros tres azcares comunes, llamados fructosa, galactosa y manosa. Cada uno de ellos tiene una frmula emprica, C6H12O6, igual a la de la glucosa. Y cada uno de ellos puede representarse por una cadena de seis tomos de carbono a los que estn ligados cinco grupos hidroxilos y un tomo de oxgeno con doble enlace (=0). Las diferencias estn en la disposicin tridimensional de los grupos hidroxilos con respecto a los tomos de carbono, y esto se refleja en las frmulas bidimensionales alterando la distribucin de los hidroxilos a derecha o a izquierda. La glucosa es la nica sustancia de este tipo que examinaremos con tal profundidad que necesitaremos la frmula estructural. No insistiremos ms sobre este tema, y aceptaremos la distribucin de los grupos hidroxilos tal como ha sido presentada. Ahora, si echamos otro vistazo a la frmula de la glucosa, comprobaremos que no hay molculas de agua propiamente dichas. La molcula de agua est formada por un tomo de hidrgeno unido a un grupo hidroxilo (HOH). En la molcula de glucosa, hay cierto nmero de tomos de hidrgeno y cierto nmero de grupos hidroxilos, pero en ningn caso se unen aqullos a stos, sino que, siempre, los tomos de hidrgeno y los grupos hidroxilos se juntan separadamente a tomos de carbono. Un tomo de hidrgeno y un

grupo hidroxilo pueden unirse separadamente al mismo tomo de carbono, pero no puede aproximarse ms entre s, y esto no es suficiente para producir agua. Aclarado esto, veamos si podemos emplear esta apreciacin de la estructura de la glucosa para simplificar la ecuacin de la respiracin (5.a ecuacin). Resulta un poco complicado tener que manejar seis molculas de oxgeno, otras tantas de dixido de carbono y otras tantas de agua, con el fin de equilibrar la ecuacin; pero, si actuamos con molculas de glucosa intactas, de seis tomos de carbono, nos veremos obligados a hacerlo. Entonces, por qu no valernos de un sexto de molcula de glucosa? Si nos atenemos solamente a la frmula emprica, ser muy fuerte la tentacin de presentar el tema casi como si fuera un ejercicio de aritmtica. (C6H12O6)/6 = CH2O Antes de que se comprendiese adecuadamente la importancia de las frmulas estructurales, se habra podido dar a semejante ejercicio aritmtico ms importancia de la que tena en realidad. La frmula emprica CH2O representa el formaldehdo. La frmula podra escribirse, ms adecuadamente, H2C=O, pero no merece la pena, al tratarse de una molcula tan simple. Slo hay una manera de combinar un tomo de carbono, dos tomos de hidrgeno y un tomo de oxgeno, de manera que den un compuesto legtimo, y esta nica manera es el formaldehdo. La tentacin de afirmar que un sexto de una molcula de glucosa es formaldehdo, es casi irresistible. Incluso antes de que Sachs hubiese experimentado definitivamente, en 1872, la produccin de almidn a travs de la fotosntesis, muchos autores haban dado por sentado que el almidn era el producto. Despus haban pasado a la deduccin lgica de que, dado que el almidn estaba formado por unidades de glucosa, era la glucosa la que se formaba en primer lugar por fotosntesis, combinndose muchas molculas de glucosa para formar el almidn. En 1870, el qumico alemn Adolf Baeyer dio un paso ms, aparentemente lgico. La fotosntesis, no formara, ante todo, formaldehdo? En tal caso, seis molculas de formaldehdo se combinaran para constituir una de glucosa, y muchas molculas de glucosa se combinaran para formar almidn. Dado que el formaldehdo poda combinarse para formar sustancias parecidas al azcar, la teora de Baeyer pareca bastante plausible. Desde luego, nadie poda demostrar que existiese esta clase de combinacin de formaldehdo en los tejidos vivos, ni siquiera descubrir en ellos funcin alguna de formaldehdo. Sin embargo, era fcil presumir que el formaldehdo se consume tan rpidamente despus de su formacin que la cantidad presente en cualquier instante era demasiado pequea para ser detectada. La hiptesis del formaldehdo se mantuvo en vigor durante tres cuartos de siglo. Slo en poca reciente ha sido rechazada, gracias a experimentos que describiremos ms adelante. No me atrevo, pues, a escribir la frmula de un sexto de molcula de glucosa como CH 2O; en primer lugar, porque sta da la impresin de un tomo de carbono al que se ha fijado una molcula de agua, y, en segundo lugar, porque tambin da la impresin de ser una molcula de formaldehdo; teoras, ambas, que han sido refutadas. Pero supongamos que, en vez de CH2O, escribimos: HCOH. Seguir siendo la combinacin de un tomo de carbono con un tomo de oxgeno y dos de hidrgeno, y, por consiguiente, representar la sexta parte de una molcula de glucosa. No puede confundirse con carbono ms agua, ni con formaldehdo, cuya frmula no se escribe nunca de esta manera. Adems,

se asemeja a lo que imaginamos que es la sexta parte de una molcula de glucosa. (Si cortsemos la frmula de la figura 5 en seis pedazos, por los trazos que unen los tomos contiguos de carbono, nos encontraramos nada menos, que con cuatro fragmentos HCOH.)

(respiracin) [HCOH] + O2 > CO2 + H2O + energa (Ecuacin 6)Sin embargo, no queremos dar la impresin de que HCOH es una molcula por derecho propio. Porque no lo es. Es un fragmento hipottico de una molcula, del que nos valemos, no porque tenga la menor existencia real, sino tan slo porque facilitar la escritura y la lectura de nuestras ecuaciones qumicas. Por consiguiente, lo colocaremos entre corchetes, para distinguirlo de la frmula real de una molcula real. Escribir un sexto de molcula de glucosa de esta manera: [HCOH].

Figura 6. El ciclo del carbono (con frmulas)Empleando la frmula de un sexto de molcula de glucosa, se puede escribir la ecuacin de la respiracin con slo una molcula de cada una de las otras sustancias en juego: Ms an, el ciclo del carbono puede escribirse con todos sus miembros representados por formulas en la manera ms simple posible, como en la figura 6.

LA HOJA VERDELa figura 6 nos muestra que los miembros del ciclo son, arriba, glucosa y oxgeno, y, abajo, dixido de carbono y agua. Pero, se agota con esto la lista de los miembros clave? En absoluto! El ciclo del carbono no gira por si solo. Si lo hiciese, girara y continuara girando en todas las formas de vida; pero no es as! Gira sin cesar en las plantas, pero no en los animales. En stos, slo describe la mitad del crculo, desde la glucosa y el oxgeno hasta el dixido de carbono y el agua. No efecta el viaje de regreso. Hay que suponer que existe algo en las plantas que no est presente en los animales y que hace posible aquel viaje de regreso. Y, seguramente, este algo es otro miembro clave del ciclo. Es posible deducir algo acerca de las propiedades de este miembro clave adicional del ciclo. Hace factible la fotosntesis, y el hecho bsico de la fotosntesis es que se utiliza energa solar. Por consiguiente, la sustancia que buscamos debe absorber luz.

Cmo debemos utilizar este dato? Si una sustancia no absorbe mucha luz, sino que por lo general la refleja, aparece blanca. Si absorbe luz, de manera usual y eficazmente, aparece negra. Sin embargo, muchas sustancias que absorben luz no lo hacen de un modo tan corriente. Absorben algunas porciones de ella, y reflejan el resto. Las diversas porciones de luz son captadas por nuestros ojos como de colores diferentes. Si una sustancia absorbe algunos colores y refleja otros, nuestros ojos ven en ella el color que refleja. La sustancia responsable de la fotosntesis debe absorber luz; por tanto, no puede ser blanca. Probablemente no absorbe todas las porciones de luz; as pues, debera tener algn color. Si hay en las plantas una sustancia fotosintetizadora que no existe en los animales, las plantas deberan tener algn color inexistente en los animales. Antes de seguir adelante, debemos observar que es posible que una sustancia sea coloreada, como resultado de una absorcin parcial de la luz, sin que tenga nada que ver con la fotosntesis. La sangre humana contiene una sustancia que le da un color rojo, pero que no tiene nada que ver con aquella funcin. Ciertamente, dentro de los vasos sanguneos, la luz no afecta a la sustancia coloreada de modo significativo, por lo que las propiedades de absorcin luminosa que pueda tener son completamente ajenas a dicha funcin. Adems, los colores pueden coincidir por razones que nada tienen que ver con la estructura qumica o con la funcin. As, hay flores que parecen tan rojas como la sangre, pero estas coloraciones del ptalo y de la sangre son producidas por sustancias totalmente diferentes, con propiedades y funciones que no guardan semejanza alguna. Sin olvidar esto, no obstante podemos preguntarnos si existe alguna diferencia sustancial en los colores de las plantas y de los animales que pueda relacionarse de algn modo con la fotosntesis. Y, en efecto, la encontraremos. Virtualmente, todas las plantas son verdes en su totalidad o en buena parte, mientras que no existen animales verdes. (Hay pigmentos verdes en las plumas de algunos pjaros, pero no existe ninguna relacin entre este verde y el de las plantas. Podemos prescindir de las plumas verdes.) No es difcil determinar que slo las porciones verdes de la planta pueden fotosintetizar. Existen organismos que poseen todas las caractersticas de los vegetales, pero que no son verdes, los hongos constituyen el ejemplo ms conocido, y no fotosintetizan. As pues, parece casi seguro, sin necesidad de profundizar ms, que la sustancia que da a las plantas su color verde debe ser un miembro vital del ciclo del carbono. En 1817, dos qumicos franceses, Pierre Joseph Pelletier y Joseph Bienaim Caventou, aislaron la sustancia verde y la llamaron clorofila, de unos vocablos griegos que significan hoja verde. No se poda negar su importancia para las plantas, para el hombre y para la vida en general, pero tampoco podan negarse las dificultades de su estudio. En la poca de su descubrimiento, los qumicos slo estaban en condiciones de observar los detalles moleculares de los compuestos orgnicos ms simples. Necesitaron todo el resto del siglo XIX para inventar instrumentos que les permitiesen desentraar algo tan complejo como result ser la clorofila. El primer xito importante se obtuvo en 1906, gracias a los trabajos del qumico alemn Richard Willsttter. ste fue el primero en preparar clorofila en forma bastante pura, e hizo varios descubrimientos importantes en relacin con ella. Descubri, para empezar, que no era un solo compuesto, sino dos, ntimamente relacionados, pero que diferan un poco en su manera de absorber la luz. Llam a esta

pareja clorofila a y clorofila b. La primera era la ms comn, equivalente a tres cuartas partes de la mezcla. Estudi tambin los diferentes tipos de elementos que se encuentran en la molcula de clorofila. Como era de esperar, se hallaban presentes el carbono, el hidrgeno, el oxigeno y el nitrgeno; cuatro elementos que, virtualmente, se encontraban en toda sustancia de estructura complicada de los tejidos vivos. Pero, adems, haba tomos de magnesio. Esto constituy una sorpresa. La clorofila era el primer compuesto de tejidos vivos en el que se haba descubierto tal elemento. El paso siguiente haba de ser la determinacin de cmo se combinaban los diversos tomos de estas cinco variedades dentro de la molcula de clorofila, lo cual representaba, sin duda, un problema enorme. Gracias a los conocimientos que se han adquirido despus de la poca de Willsttter, sabemos que la molcula de clorofila a contiene nada menos que ciento treinta y siete tomos, y que la de clorofila b contiene ciento treinta y seis. La frmula emprica de estos compuestos (siendo Mg el smbolo qumico del magnesio) es C55H72N4O5Mg, para la clorofila a y C55H70N4O6Mg, para la clorofila b. El nmero de posibles combinaciones entre tales nmeros y variedades de tomos es enorme, y, en tiempos de Willsttter, era sencillamente imposible llegar a ningn resultado trabajando con la molcula intacta. La prctica qumica corriente en tales casos era dividir las molculas en fragmentos, mediante algn mtodo, y estudiar despus la estructura de cada uno de ellos. Con un poco de suerte, se poda entonces deducir cmo se acoplaban tales fragmentos para formar la estructura original, y comprobarlo con los experimentos adecuados. Willsttter trat la clorofila de modo que se rompiese en fragmentos. La informacin ms importante que obtuvo de esta manera fue que la estructura molecular de muchos de tales fragmentos pareca incluir el llamado anillo de pirrol. Este anillo est formado por cuatro tomos de carbono y uno de nitrgeno dispuestos en pentgono. El compuesto ms simple que contiene este anillo es el propio pirrol, que se muestra en la figura 7. Pareca, pues, razonable presumir que, fuese cual fuere la estructura de la clorofila, deba contener uno o ms anillos de pirrol.

Figura 7. PirrolLlegado a este punto, Willsttter abandon la investigacin. Sin embargo, por lo que haba hecho, y por su trabajo en otras sustancias coloreadas de las plantas, recibi el premio Nobel de Qumica en 1915.

EL ANILLO DE ANILLOSEl relevo fue tomado por otro qumico alemn, Hans Fischer. ste centr al principio su inters en la materia colorante roja de la sangre. Este color se deba a la presencia, en los glbulos rojos de la sangre, de una protena llamada hemoglobina. Esta protena era fcilmente separable en dos partes desiguales: hem (de una palabra griega que significa sangre) y globina.

La globina es la protena propiamente dicha. Hem no es una protena, sino ms bien una estructura no protenica, relativamente pequea, unida a la molcula protenica. Las protenas son molculas gigantes, y por esto el hem, aun siendo grande, es relativamente pequeo en comparacin con aqullas. En realidad, la molcula de hem tena aproximadamente el tamao y la complejidad de la molcula de clorofila, e incluso tena, como sta, asociado un tomo metlico. Pero ste era de hierro, en vez de magnesio. Cuando Fischer empez a dividir la molcula de hem, la similitud con la clorofila apareci an ms evidente. Como Willsttter en la clorofila, Fischer encontr anillos de pirrol en la estructura de los fragmentos. Pero Fischer fue ms all. Llev adelante su investigacin hasta que se convenci de que la estructura de la molcula de hem consista en cuatro anillos de pirrol unidos en crculo por puentes constituidos por un tomo simple de carbono. Los compuestos que contienen este anillo de anillos se llaman porfirinas, de una palabra griega que significa prpura, porque muchos de estos compuestos tienen color rojizo. La porfirina ms simple, cuya molcula est constituida por el anillo de anillos sin el menor aditamento, recibe el nombre de porfina y se muestra en la figura 8.

Figura 8. El anillo de porfirinaLa porfina propiamente dicha no existe en los tejidos vivos. Hans Fischer la form partiendo de estructuras ms simples, en 1935, y slo entonces pudo ser estudiada directamente. Las porfirinas que se encuentran en los tejidos vivos tienen la estructura de la porfina como ncleo, pero a ste se aaden pequeos grupos de tomos de carbono (cadenas laterales) en los ngulos externos de los anillos de pirrol, numerados del 1 al 8 en la figura 8. La conclusin de Fischer de que el hem era una porfina natural era correcta en s, pero permaneca la pregunta: De qu se derivaba? Cules eran las diferentes cadenas laterales en el hem, y en qu posicin particular se hallaba cada una de ellas? Para determinar esto, Fischer obtuvo minuciosamente los diferentes pirroles que haba obtenido de la molcula de hem rota, para ver qu cadenas laterales estaban unidas a ellos.

El anillo de pirrol, ms pequeo que el anillo de porfirina, revel ms fcilmente sus secretos. Lleg a la conclusin de que, distribuidos entre las ocho posiciones, en el anillo de porfirina, haba cuatro cadenas laterales, con un tomo de carbono cada una; dos, con dos tomos de carbono cada una, y tres, con tres tomos de carbono cada una. Sin embargo, estas cadenas laterales podan distribuirse de quince maneras diferentes alrededor del anillo de porfirina, y haca falta saber qu combinacin se produca en el hem. Para contestar a esta pregunta, Fischer decidi tomar una muestra de cada distribucin posible, y, con este fin, dividi sus discpulos en quince grupos e hizo que cada uno de stos trabajase en la sntesis de una de aquellas distribuciones. Despus comprob las propiedades de cada una de ellas y las compar con las de la porfirina obtenida del propio hem. Result que la porfirina que buscaba tena las cadenas laterales de un tomo de carbono en las posiciones 1, 3, 5 y 8; las de dos tomos de carbono, en las posiciones 2 y 4, y las de tres tomos de carbono, en las posiciones 6 y 7. Un tomo de hierro, en el centro de esta porfirina, daba el hem. (El smbolo qumico del tomo de hierro es Fe, de la palabra latina ferrum que designa aquel metal. Sin embargo, el hierro, tal como se presenta en el hem, no es un tomo corriente. Lleva una doble carga de electricidad positiva, por razones que no interesan aqu, y puede simbolizarse como Fe**.) La frmula del hem se presenta en la figura 9. Fischer termin su explicacin de la estructura de la molcula de hem en 1930, y aquel mismo ao le fue otorgado el premio Nobel de Qumica.

Figura 9. HemEl motivo de que demos estos detalles sobre la estructura del hem es doble. En primer lugar, sta se halla directamente relacionada con la estructura de la clorofila, y en segundo trmino, desempea un importante papel en el ciclo del carbono.

Se conoce el hem, sobre todo, como componente de la hemoglobina, que es el compuesto que transporta el oxgeno en la sangre. Al pasar la sangre a travs de los vasos de delgadas paredes que surcan las membranas del pulmn, las molculas de oxgeno atraviesan las finas membranas y se unen dbilmente a los tomos de hierro de la molcula de hem. La hemoglobina portadora de oxgeno (oxihemoglobina) es transportada por la sangre a todo el cuerpo, y el oxgeno pasa a los tejidos6. Sin embargo, ste no es el servicio clave que presta el hem a la vida en general. La hemoglobina es caracterstica de los vertebrados, pero muchos animales invertebrados emplean otros tipos de compuestos para transportar el oxgeno, o incluso, si son muy pequeos, pueden ahorrarse los mecanismos especiales de transporte. Pero el hem est tambin ligado a otras protenas. En particular, se encuentra en una familia de protenas llamadas citocromos, que se hacen cargo de las molculas de oxgeno en cuanto stas pasan de la sangre a los tejidos. Estos citocromos son indispensables para la produccin de energa, va ciclo del carbono. Todas las plantas y todos los animales, grandes y pequeos, tanto si tienen hemoglobina como si no, poseen citocromos.

AADAMOS UNA COLADespus de haber averiguado la estructura del hem, Fischer centr sus esfuerzos en la de la clorofila, que, segn esperaba, deba de ser muy similar. La similitud result ciertamente muy acusada en algunos aspectos. El anillo de porfirina formaba el ncleo de la molcula de clorofila, de la misma manera que constitua el de la molcula de hem. Las cadenas laterales 1, 3, 5 y 8 eran en la clorofila, como en el hem, grupos con un tomo de carbono; las cadenas 2 y 4 eran grupos con dos tomos de carbono, y las cadenas 6 y 7, lo eran con tres tomos de carbono. Pero haba algunas diferencias. En vez del tomo de hierro del hem, hay aqu un tomo de magnesio con doble carga positiva (Mg**). La cadena lateral en posicin 4 de la clorofila, aunqu