II. LA MATERIA VIVIENTE
EL VIEJO médico Jan Baptiste van Helmont era un espíritu del Renacimiento:
tenía sus resabios de alquimista seguidor de Paracelso pero efectuó un experimento
por el que podría ser considerado el abuelo de la fisiología vegetal. Pesó cierta
cantidad de suelo, tomó un arbolillo joven, lo pesó y lo plantó en él; por cinco
años lo regó y cuidó, tras de lo cual lo sacó y lo pesó anotando que había aumentado
164 libras; pesó de nuevo el suelo y advirtió que solamente había disminuido
2 onzas; no lo creyó importante y concluyó que "por tanto 164 libras de madera,
corteza y raíces se produjeron por transformación del agua solamente". La conclusión
es falsa, pues el aumento de peso del árbol incluye las onzas de suelo faltantes
que son el nitrógeno, fósforo y demás elementos y se debió primordialmente a
la fijación del bióxido de carbono del aire por fotosíntesis, pero es muy buen
ejemplo del espíritu experimental y científico que renacía a fines del siglo
XVI.
A mediados del pasado siglo ya se sabía que la planta toma elementos químicos del suelo y bióxido de carbono del aire; Boussingault demostró que aunque el aire contiene mucho nitrógeno la planta no puede utilizarlo y lo toma del suelo. Por esos años Liebig estableció la ley del mínimo según la cual el desarrollo de la planta depende del nutriente que se encuentre en la cantidad mínima en el suelo en relación con lo que la planta exige. Posteriormente esta ley se amplió para todos los factores que gobiernan la vida de la planta, al establecer Blackman que el desarrollo del vegetal está limitado por aquel factor que se encuentra al mínimo.
En efecto, si una planta crece en el suelo con cierta deficiencia de nitrógeno y fósforo y una fuerte deficiencia en agua, no se logrará mejorar su desarrollo aumentando los nutrientes sino, ante todo, elevando la cantidad de agua en el suelo pues ésta es su mayor carencia, su limitante. En realidad lo único que un agrobiólogo debe hacer para merecer su salario es aplicar la ley de los factores limitantes pues suprimiendo el limitante se elevará la producción del campo en un caso determinado y ésta es la función del agrónomo.
Desde luego, esto se dice fácilmente, pero no siempre es fácil hacerlo. El factor limitante puede ser conspicuo o tan escondido que ni siquiera se sospecha su existencia y tomará tiempo y esfuerzo descubrirlo; una vez identificado deberá ser suprimido o disminuido, lo cual puede ser difícil. Si el factor es imposible de cambiar en el campo, como una temperatura inadecuada para un cultivo, será preciso cambiar la variedad o aun la especie cultivada, pues si no se suprime el factor limitante —temperatura— toda fertilización, aumento de riesgos u otro esfuerzo será en vano.
Cuando un factor limitante se va cubriendo poco a poco por medio de insumos constantes y repetidos, la planta va normalizando paulatinamente su fisiología. Llegará el momento en que el factor ya no sea limitante y entonces ya no habrá respuesta fisiológica. La manera en que esto sucede es establecida por la ley de los retornos decrecientes, según la cual a cada insumo del factor limitante se tiene un aumento en la respuesta —rendimiento, por ejemplo—, pero cada respuesta es menor a la anterior hasta que llega a ser cero, o sea, que ya no hay incremento en el desarrollo. Así, si se agrega una cantidad X de nitrógeno a un suelo pobre, se elevará el rendimiento quizá al doble; si se vuelve a adicionar la misma cantidad X de nitrógeno volverá a elevarse el rendimiento, pero bastante menos que la primera vez, y así sucesivamente hasta que ya no haya respuesta. Cuando se llega a este punto no se debe pensar que ya se tiene el rendimiento máximo; lo que sucede es que ahora el limitante es otro factor al cual habrá que ponerle remedio.
La ley de los retornos decrecientes tiene un valor general pues se observa en la respuesta de plantas, animales y hombre; y no tan sólo respecto a los nutrientes, sino a cualquier tipo de estímulo. Su importancia en biología aplicada es enorme pues permite predecir, entre otras cosas, el punto en que es económico aplicar un factor (nitrógeno, agua, etc.) con respecto al aumento en rendimiento consiguiente. La ley de los factores limitantes también tiene un valor general para todos los seres vivos y para sus diversas acciones. Ambas leyes norman el desarrollo biológico, en interacción con el medio ambiente expresado en forma matemática.
Excepto por el oxígeno necesario para respirar y el bióxido de carbono preciso para hacer azúcar que son tomados del aire, la planta toma del suelo el agua y todos sus nutrientes minerales. Una planta necesita alrededor de 25 elementos químicos para hacer sus compuestos; cuatro o cinco de ellos los precisa en cantidades altas; otros en cantidades pequeñísimas. Sin embargo, cuando se dice que un elemento es esencial significa que la planta no puede vivir en su ausencia aunque lo necesite en proporción de una décima de miligramo, por cada kilogramo de peso de la planta. Muy generalmente estos elementos aplican como fertilizantes foliares, mojando el follaje con una solución de ellos.
El elemento más importante por la cantidad en que se necesita es el nitrógeno. Lo que vive en el cuerpo de la planta es el protoplasma de sus células, el cual está formado por compuestos llamados proteínas que contienen nitrógeno. El nitrógeno del suelo no proviene de la disgregación de rocas, y excepto por cierta cantidad que se fija del aire al suelo por efecto de la tormentas eléctricas, así como por pequeñas cantidades fijadas por actividad de unas bacterias, todo el nitrógeno proviene de restos de seres vivos. Éstos son atacados por bacterias del suelo que los llevan hasta la forma química de nitrato, y así es como el nitrógeno se encuentra en el suelo.
Los nitratos son fracciones de moléculas llamadas iones que constan de nitrógeno y oxígeno. Las plantas absorben del suelo los iones nitrato pero van a formar proteínas y para ello deben separar el nitrógeno del oxígeno y juntarlo con hidrógeno para formar iones amonio; este proceso se denomina reducción del nitrógeno. Seguidamente el ion amonio se liga a un ácido para formar un aminoácido; las moléculas de proteína se constituyen por cientos de aminoácidos y constituyen la materia viva, así que las proteínas coloidales en agua son el asiento de los fenómenos que llamamos vida. Todo el proceso de síntesis proteica exige mucha energía para llevarse a cabo y es aquí donde la planta —que no se mueve ni mantiene estable su temperatura— invierte casi toda la energía de su respiración.
Hasta hace pocos años la síntesis de las proteínas permanecía en el misterio: se sabía cómo se deshacen pero no cómo se hacen. Los estudiosos de la fisiología animal habían ideado métodos para estudiar la digestión. El procedimiento es el siguiente: se ata una esponja a un cordel largo, se empapa en jugo de carne y se la hace tragar a un perro; minutos después se tira del cordel, se saca la esponja y se analizan las sustancias que la impregnan. Otra variante: se hace tragar una esponja a un can, se la saca impregnada de jugo gástrico, se exprime sobre un suculento trozo de carne en un recipiente y se puede estudiar la digestión in vitro, o sea, fuera del organismo. Tercer procedimiento: se practica un orificio o fístula en el estómago de un perro y se le coloca un tapón; se alimenta al animal y cuando está digiriendo se quita el tapón y se drenan los productos de la digestión que pueden ser analizados sin problemas, y el can se queda sin su cena. Este tipo de experimentos y otros muchos peores explican por qué decidí dedicarme a la fisiología vegetal y no a la animal.
Justo es decir que la experimentación con animales ha sido necesaria para el avance de la fisiología humana. Muchas muertes y mucho dolor humano se han evitado por la labor de los científicos, sin duda muy lejos de sentimientos de crueldad, pero que juzgaban preciso —y lo era— conocer el funcionamiento del organismo. Por otra parte fueron experimentos efectivos y enseñaron que las grandes moléculas de proteína se rompen en otras más pequeñas llamadas polipéptidos; éstos se fraccionan en otras menores, las peptonas, y éstas se rompen al fin en aminoácidos.
Se postuló entonces que las proteínas se sintetizarían siguiendo el mismo camino pero al revés. Sin embargo esto no explica la singularidad y la unicidad del ser vivo: ¿cómo es que yo soy siempre yo, diferente de cualquier otra persona?, ¿cómo es que mi cuerpo es siempre fiel a su química aunque se reconstituya con diversos alimentos cada día? Si al digerir a las proteínas las desintegro hasta aminoácidos cabría esperar que al asimilar el alimento los aminoácidos se reunieran al azar y la química de mi cuerpo cambiaría de modo caprichoso. En todo caso sería más lógico que al comer chuletas se reconstituyeran proteínas de cerdo y al desayunar huevos se rehicieran las proteínas del huevo. No es así; mis proteínas son siempre las mismas, las mías; mi cuerpo es siempre fiel a sí mismo. Así pasa con las plantas: el frijol es frijol y el maíz es maíz: aunque crezcan sobre el mismo suelo y aunque sus raíces absorban los mismos elementos químicos la química de sus cuerpos es diferente.
Este misterio empezó a develarse hasta hace unos treinta años. De modo muy sumario, sucede lo siguiente: dentro del núcleo de la célula van los cromosomas que son fibrillas o hilillos compuestos de una sustancia de nombre tan largo que se acostumbra nombrar por sus siglas: el ADN (ácido desoxi-ribo-nucleico); aquí van los mensajes bioquímicos. El ADN permanece en el interior del núcleo cubierto de influencias químicas exteriores y es el que da la permanencia química al individuo, planta o animal. Sus mensajes son llevados al protoplasma celular por un compuesto muy parecido, el ARN (ácido ribonucleico) que es el encargado de "ensartar" a los aminoácidos y hacerlos ordenarse en series definidas por el mensaje del ADN; así que aunque los aminoácidos provengan de proteínas del frijol o de la carne o del huevo, van a formarse en una serie prescrita por el ADN del individuo que los comió. El proceso se conoce con mucho detalle pero una exposición así queda para un texto de fisiología celular; sin embargo, se encontrará más sobre este tópico en el capítulo IV: El programa vital, "La información para la vida".
Cuando una planta o animal muere, su cadáver es desintegrado por bacterias y sus proteínas se descomponen en aminoácidos, los que prosiguen transformándose hasta llegar a compuestos nitrogenados que forman el humus o mantillo, "tierra de encino pa' las macetas" que aún gritan los vendedores, y el proceso de transformación se continúa hasta llegar a formarse nitratos. Éstos son tomados por nuevas plantas en desarrollo que necesitan hacer proteínas y que, a su vez, morirán en el futuro para repetir el ciclo. Si la planta es comida por un animal el proceso sería: planta (proteína)-animal (proteína)-cadáver-humus-nitrato-nueva planta, etc. "Polvo eres y en polvo te convertirás"; o expresado científicamente "devolverás tu nitrógeno al suelo, de donde vino".
El ciclo del nitrógeno tiene gran importancia en la agricultura y la ecología. Si no regresa al suelo en cantidad igual a la que extrajeron las plantas; la tierra se ira empobreciendo en nitrógeno entonces la cubierta vegetal que pueda soportar será menor y así se irá acentuando la carencia del elemento hasta que el campo se convierta en un erial. Lo mismo puede decirse de los demás elementos pero el nitrógeno es el que las plantas tornan en mayor cantidad. En condiciones naturales las hojas de los árboles y las plantas que se secan yacen en el sitio en que nacieron y devuelven al suelo el nitrógeno extraído; pero cuando el hombre levanta una cosecha los elementos extraídos del suelo son llevados al mercado, ingeridos por el hombre y —en formas químicas y a través de lugares innombrables— son drenados a los ríos. En países de desarrollo pobre e incierto o nulo, la población en desorbitado crecimiento obliga a extraer grandes cosechas y la pobreza cultural y económica impide fertilizar adecuadamente; la conjunción de ambos fenómenos es una firme promesa de hambre en el futuro.
COMEDORES DE AIRE Y COMEDORES DE PROTEÍNA
El aire contiene un 79% de nitrógeno, un 20% de oxígeno, 0.03% de bióxido de carbono y otros gases en cantidades menores. (Estas cifras no se aplican a la ciudad de México, desde luego). Cuando el aire entra a mi cuerpo el oxígeno se combina con ciertas moléculas y me sirve para respirar; los otros gases no encuentran con quién ligarse y salen como entraron; lo mismo sucede en los hongos. Las plantas verdes son más hábiles: se quedan con el oxígeno para respirar y con el bióxido de carbono para hacer azúcares por fotosíntesis; pero el nitrógeno entra y sale. Hay unos humildes seres unicelulares que si saben "enganchar" el nitrógeno del aire y se apoderan de él para hacer proteína; son unas bacterias que viven en la tierra.
Las bacterias que fijan el nitrógeno del aire al suelo se llaman Azotobacter y Clostridium y no deben confundirse con las que transforman las proteínas a nitratos cuyos nombres son Nitrosomas y Nitrobacter. Las primeras enriquecen el suelo con nitrógeno del aire; las segundas solamente lo transforman químicamente. Las bacterias fijadoras de nitrógeno tienen un primo hermano que no vive en el suelo sino en las raíces de las leguminosas (alfalfa. frijol garbanzo etc ), que son muy eficientes para fijar el nitrógeno del aire. Por esta razón dichos cultivos no agotan el nitrógeno del suelo; más aún, puede sembrarse una leguminosa; dejarla crecer hasta que esté próxima a florear y entonces cortarla e incorporarla al suelo aumentando así su contenido de nitrógeno pues todo el que existía en el cuerpo de la planta provenía del aire. Ésta es la técnica del abono verde y yo pude ver sus efectos en el desarrollo del trigo en un campo experimental donde; después de enterrar trébol (Melilotus) el cereal dio el doble de rendimiento que antes de hacerlo.
¿Por qué algunas células pueden utilizar solamente el oxígeno del aire, otras oxígeno y bióxido de carbono y otras el nitrógeno?
Las moléculas de los gases que forman el aire solamente pueden tomar parte en un proceso orgánico si reaccionan con una molécula del organismo, o sea que necesitan una molécula receptora a la cual "engancharse". Pero para que ello suceda necesitan levantar su nivel de energía para acoplarse al receptor. Las moléculas que proveen la energía, sin las cuales la vida sería imposible, se llaman enzimas. No dan energía solamente en procesos como la fotosíntesis o la respiración, sino en muchas otras transformaciones químicas; sin enzimas, la digestión, que ocurre en dos o tres horas aproximadamente, tomaría meses en ocurrir.
Los animales tenemos una enzima, la citocromooxidasa, que activa al oxígeno y nos permite respirar. Las plantas verdes tienen, además carboxidismutasa, que activa al bióxido de carbono para formar el azúcar. Las bacterias nitrogenantes del suelo poseen nitrogenasa, con la que activan al nitrógeno gaseoso, libre, del aire, que es muy inerte de por sí y lo hacen reaccionar con moléculas de su cuerpo quedándose con él para hacer proteína. Y surge la pregunta: ¿por qué yo no tengo las enzimas carboxidismutasa y nitrogenasa? Si éste fuera el caso, al aspirar aire no obtendría tan sólo energía por la respiración, sino que haría azúcares y proteínas. ¡Habría resuelto mis problemas básicos!
La ciencia puede explicar por qué unas células son capaces de efectuar ciertas reacciones y otras no; podrá explicar por qué unas células han evolucionado hacia cierto destino y otras hacia otro; puede incluso decirnos el código que el ADN utiliza para ordenar que se forme tal o cual enzima. Pero a la pregunta trascendental de "¿por qué yo no y esa estúpida bacteria sí?", la ciencia no puede responder. Porque la ciencia es un sistema lógico que permite dar explicaciones a fenómenos concretos; cuando y en tanto los hechos observados estén de acuerdo con la explicación teórica diremos que tenemos una verdad científica, pero si los hechos pueden tener otra explicación más lógica o se descubren nuevos hechos, la verdad científica deja de ser operante. Las verdades científicas, aunque tengan muchas veces un valor general, son siempre temporales pues en principio están sujetas a revisión y son de orden diferente a las verdades inconmovibles, eternas, a las que queremos asirnos en nuestros momentos de debilidad o desesperación.
Pero no hay que despreciar las verdades científicas: por pequeñas y perecederas que sean nos han traído de habitar en una cueva a vivir en una casa con el clima regulado. Y sobre el tópico de las enzimas nos han enseñado mucho. Sabemos cuál es la enzima responsable de la fijación del nitrógeno; sabemos cuál es el código —o sea el gene— con que el ADN ordena que la célula sintetice dicha enzima, y sabemos dónde se localiza dicho gene en la larga cadena de ADN. Con estos conocimientos se trabaja en los laboratorios de ingeniería genética para implementar el gene de fijación del nitrógeno en las gramíneas para tener patizales muy productivos que no habría que fertilizar. ¿Y los cereales? ¿Cuántos miles de millones de pesos se gastan para añadir nitrógeno a los campos de trigo, maíz y arroz?
Se dirá, ¿ y por qué no implantar el gene de las leguminosas en mis células para aprovechar directamente el nitrógeno del aire? Por simple que parezca un proceso químico celular exige un complicadísimo sistema de moléculas que acepten ser oxidadas o reducidas que reaccionen entre sí; debe haber también enzimas y transportadores de energía, etc. Nuestro organismo difiere tanto del de una planta que sería del todo insuficiente adicionar una enzima para cambiar todo el proceso pues la enzima carecería del equipo bioquímico que posibilita su acción.
Somos, y seguiremos siendo, comedores de proteína. La proteína está en todo ser vivo y si comemos cerdo y no ratones o si preferimos carne a frijoles es cuestión de gusto. El problema del alimento proteico se ha vuelto serio y se ha pensado en resolverlo acudiendo a fuentes poco usuales pero capaces de proporcionarlo, como los insectos. En realidad, en casi todos los países se consumen algunos tipos de alimentos que horrorizan a los americanos, consumidores irredimibles del músculo de res en su forma más primitiva, simplemente asado. En México siempre se han consumido diversos insectos, quizá más como delikatessen, antojo o botana que como alimento serio; pero de ser necesario podrían ser parte importante de la dieta por su valor nutricional y su bajo costo de cría; son bien conocidos los gusanos de maguey, "chapulines" o saltamontes, algunas especies de hormigas "mieleras", etc., pero existen muchísimos otros que son también consumidos; un catálogo muy amplio lo presenta Julieta Ramos de Conconi en: Los insectos como fuente de proteínas en el futuro (Editorial Limusa).
Como en el caso del cultivo y consumo de algas considerado en el capítulo I, la necesidad de llegar al extremo indeseable para muchos de comer grillos al jerez o cucarachas en salsa blanca ha quedado en suspenso temporalmente por el desarrollo de nuevas técnicas de cultivo en el campo y en ambiente controlado. El cultivo en condiciones de total control incluye la manipulación de los factores de clima (luz y temperatura) y del suelo; de hecho el suelo no existe, pues es sustituido por una solución nutritiva que contiene todos los elementos necesarios para la vida de la planta en cantidades suficientes y equilibradas. Como ya se dijo, en estas circunstancias los rendimientos son muy superiores a los obtenidos en el campo.
Además de las proteínas, hay otros compuestos que llevan nitrógeno en su molécula: son los alcaloides. Por desconocer su papel en la planta y dado que es natural al hombre juzgar que lo que no conoce o entiende no sirve para nada, se supuso que los alcaloides son productos de desintegración de las proteínas y meras sustancias catabólicas, o sea simples desechos. Ahora se ha rectificado este juicio al menos en algunos casos. Y por otra parte, sea cual fuere la función que los alcaloides tengan en el organismo vegetal que los produce, su acción en el organismo animal es importante.
Muchos alcaloides se conocen de antiguo: las propiedades de la amapola adormidera
eran conocidas por los asirios, y el médico y botánico griego Dioscórides describió
en el siglo I al opio compuesto que se encuentra en los frutos
verdes de la amapola y que tiene entre sus componentes a la morfina. Este alcaloide
es un poderoso relajante del sistema nervioso, pues bloquea el dolor. Éste es
su principal uso en la medicina, pero también bloquea otros centros de la porción
del cerebro llamada hipotálamo, produciendo un estado de sueño anestésico.
El hipotálamo es un órgano cerebral de gran importancia: es el centro de sensaciones como sed, hambre, los impulsos sexuales y la ira; además, liga al sistema nervioso con el sistema hormonal, es decir, enlaza los centros de donde parten los mensajes nerviosos con los centros de mensajes hormonales coordinando así muchas actividades orgánicas. La morfina efectúa su acción adhiriéndose a lugares determinados (receptores) de las células nerviosas, y es muy interesante que el hipotálamo sintetice sustancias de estructura química parecida a la morfina; tales son las endorfinas que se adhieren a los mismos receptores que la morfina, de manera que el organismo lleva en sí mismo un sistema de bloqueo al dolor y relajamiento a la fatiga.
Es curioso que el organismo animal responda a compuestos químicos hechos por organismos tan diferentes como lo son las plantas superiores; en realidad, aunque el hecho es bien conocido se ignora su causalidad o determinismo. Una hipótesis atractiva con apoyos en la observación es la siguiente: los seres muy primitivos, unicelulares todos ellos, desarrollaron la habilidad de sintetizar moléculas con las que se comunicaban entre sí; sustancias de este tipo se han encontrado de hecho en seres unicelulares y en los interesantes bichos llamados mixomicetos, que son en una etapa de su vida amibas y en otra conjuntos célulares como hongos, y aun en los insectos cuyas feromonas son atractivos sexuales que actúan a través de kilómetros de distancia (un vistazo al papel de las sustancias de comunicación en los mixomicetos se encuentra en el profundo y regocijante libro The Center of Life escrito por L. Cudmore, Time Books). Millones de años de evolución dieron por resultado la formación de grupos muy diferentes de organismos separados en las grandes ramas de animales superiores y vegetales superiores, culminación de una larguísirna evolución divergente. Pero las moléculas que se formaban en los seres primigenios aún se forman, pues en cierto sentido los genes son eternos e inmutables, y si por su estructura general el organismo que las produce ya no responde a dichas moléculas —lo que no está demostrado— sí evocan respuestas en el organismo animal (véase la revista The Sciences, mayo-junio de 1987).
Algunas de estas moléculas tienen propiedades analgésicas y somníferas, pero hay otras que provocan estados de alucinación en los que el cerebro evoca imágenes y colores de gran belleza y un estado general indescriptible de sublimación de los sentidos y de la personalidad. Por ello es que los hombres de muy diversas culturas han consumido o aún consumen el peyote y los hongos alucinógenos, en reuniones místicas y siguiendo rituales sagrados para penetrar en el mundo de los dioses y tomar contacto con la realidad profunda de las cosas.
El hombre es un animal de ideales: quiere conocer, quiere trascender, llegar más allá, ser algo más: ésa es su grandeza, fallar en la empresa es su miseria. Incluso pueblos que tachamos de primitivos guardan este anhelo de comprensión total, de inmersión en el infinito y usan los alucinógenos respetuosamente, religiosamente (veáse Los dos nacimientos de Dionisios por R. Graves, editado por Seix Barral). Ha quedado para nuestra época, en que el éxito ha coronado a la rebelión de las masas que temiera Ortega y Gasset y ha propiciado la aparición de una numerosa clase media rica en dinero y pobrísima en cultura moral e intelectual, el convertir los alucinógenos en una diversión de la lumpen-cultura característica de esta clase. La idiotez siempre paga un precio; en este caso es la locura, el vacío mental y el suicidio.
Porque ensoñar el ideal debe ser cosa seria y fracasar en la realidad soñada
puede ser terrible. Yo no he experimentado con drogas alucinógenas pero sé que
todo hombre lleva dentro de sí "alucinógenos" que lo hacen aspirar a grandes
empresas, a soñar en mundos de belleza y de justicia, a querer realizar fantasías
irrealizables. Será sin duda un espíritu muy árido quien no haya sentido alguna
vez un "dulce soñar y dulce congojarme / cuando estaba soñando que soñaba /
dulce gozar con lo que me engañaba / si un poco más durara el engañarme ".1
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