Energíaen losSeres Vivos

1. La energía fluye desde elSol a través de toda la vidasobre la Tierra

¿Automóviles que funcionan con aceite de cocina?Los organismos y las máquinas necesitan energía para funcionar

magínate que te encuentras realizando un largo viaje por la carretera. De repente, elconductor se da cuenta que el indicador de combustible del automóvil está a punto demarcar vacío. Necesitamos salir de la ruta para llenar el tanque. Pero, en vez de ingresar auna estación de servicio, nos dirigimos a la parte trasera de un restaurante de comida

rápida y llenamos el depósito de combustible con aceite de cocina usado. Volvemos a lacarretera, listos para conducir varios cientos de kilómetros más antes de necesitar otra“estación de comida rápida”.

¿Leíste bien?, ¿comida rápida para tuvehículo? ¡Sí! La idea no es tandescabellada como parece. De hecho,hoy en día en las carreteras de variospaíses muchos vehículos funcionan conbiocombustibles, combustibles produci-dos a partir de plantas y productos deorigen animal (Figura 1 -1).Sin embargo, la mayoría de losautomóviles y camiones, todavíafuncionan con combustibles fósiles, talescomo la nafta, el gas o el gas-oil. Estoscombustibles (que también incluyenpetróleo, gas natural y carbón) seproducen a partir de los restos endescomposición de plantas y animalesmodificados durante millones de años

por el calor, la presión y las bacterias.

Resulta que los biocombustibles, los combustibles fósiles y los alimentos que suministranenergía para la mayoría de los organismos vivos son químicamente parecidos. Este hecho noes sorprendente, ya todos estos compuestos químicos almacenan energía en los enlacesquímicos entre sus átomos. Vamos a investigar de qué manera los combustibles proporcionanenergía, y de dónde proviene esa energía.Cuando quemamos nafta, largas cadenas de átomos de carbono e hidrógeno se separan,liberando dióxido de carbono (CO2), agua (H2O), y una gran cantidad de energía que estabaalmacenaba en las uniones entre los átomos que forman cada molécula de nafta (Un hechointeresante: la energía liberada en la combustión de 3,8 litros de nafta –un galón en el sistemade medidas norteamericano- es equivalente al contenido calórico de 15 pizzas grandes demuzzarella.). En el motor de un automóvil, parte de esta energía liberada se aprovecha paraproducir el movimiento del vehículo.

Las grasas animales y los aceites de muchas plantas, tales como los que se utilizan paracocinar papas fritas, comparten una importante característica química con la nafta. Tanto lanafta, las grasas y los aceites contienen cadenas de átomos de carbono e hidrógeno unidosentre sí. De forma similar a lo que ocurre cuando quemamos nafta, al romper los enlaces entrelos átomos de los aceites y grasas se liberan grandes cantidades de energía (junto con agua yCO2). Si esta energía liberada se pudiera capturar de manera eficiente, también, por qué no,podría ser utilizada para empujar los pistones y girar las ruedas de un coche.

Los vehículos que funcionan con biocombustibles son algo más que un truco tecnológico. Laproducción de biocombustibles requiere únicamente una fuente vegetal o animal, la luz del sol,aire, agua, y un tiempo relativamente corto, entre unos pocos meses o años, dependiendo de lafuente. Por otro lado, la producción de combustibles fósiles tales como el carbón o el petróleocrudo requiere restos de plantas y animales en grandes cantidades, mucho calor y presión a

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grandes profundidades en la tierra y unos cuantos millones de años. Esta diferencia le da a losbiocombustibles una ventaja importante sobre los combustibles fósiles: son un recursorenovable. Por esta razón, los biocombustibles señalan el camino hacia un futuro con unamenor dependencia de los combustibles fósiles, suministros que son cada vez más escasos ycuya combustión generan muchas consecuencias dañinas, como el aumento del calentamientoglobal y la liberación de partículas causantes de cáncer en la atmósfera.

Sin embargo, ¿estamos preparados,para que todos nuestros vehículospueden funcionar con estosbiocombustibles? No del todo: haymuchos problemas graves queocasionaría el aumento del uso delos biocombustibles. El principal ymás grave de ellos: la destrucción delos bosques, humedales y otroshábitats de importancia ecológica porculpa del aumento del uso de la tierrapara cultivar estas fuentes debiocombustibles. Esta es la razónprincipal por la que se siguenbuscando fuentes de energíamejores.

En estas páginas exploraremos cómolas plantas, los animales, y enrealidad, todos los seres vivosfuncionan con la energía almacenadaen los enlaces químicos. Al igual queel movimiento hacia adelante de unautomóvil es producido al romperselos enlaces químicos de la nafta yaprovechar de la energía liberada,las actividades de los organismosvivos se realizan cuando se rompenlos enlaces químicos presentes enlas moléculas de los alimentos y seutiliza la energía que estabaalmacenada en esos enlaces.

Toda la vida depende de la captura de la energía del sol y de su conversión en otra forma deenergía que puedan usar los seres vivos. Esta captura y conversión se produce en dosprocesos importantes que se reflejan entre sí: (1) la fotosíntesis, el proceso por el cual lasplantas capturan la energía del sol y la almacenan en los enlaces químicos de las moléculas delos alimentos que fabrican, y (2) la respiración celular, proceso por el cual todos losorganismos vivos liberan la energía almacenada en las moléculas de esos alimentos y lautilizan para realizar todas las funciones vitales (Figura 1 - 2). En cierta forma, ¡estamos a solodos pasos del Sol!

En pocas palabras: 1El sol es la fuente de la energía que sostiene a todos los organismos vivos. La energía de laluz solar se almacena en los enlaces químicos de las moléculas. Cuando estos enlaces serompen, se libera energía independientemente de si el enlace está en una molécula dealimentos, un combustible fósil o un biocombustible como el aceite con el que se cocinan laspapas fritas

La energía tiene dos formas: cinética y potencial.

"Las pilas no están incluidas." Para un niño (y para muchos de nosotros también), esas sonpalabras bastante deprimentes. Sabemos que muchos de los juguetes y aparatos electrónicosque hacen que nuestras vidas sean divertidas o útiles (o ambas) necesitan energía,generalmente en forma de baterías. La generación de tonos de llamada, las luces, y elmovimiento requiere energía.Lo mismo vale para los seres humanos, las plantas y todos los demás organismos vivos:necesitan energía para sus actividades, moverse, reproducirse, pensar, etcétera.

La energía es la capacidad para hacer un trabajo. Y el trabajo es todo lo que implica materia enmovimiento contra una fuerza opuesta. La energía encontrada al estudiar los seres vivos es dedos tipos: cinética y potencial. La energía cinética es la energía de los objetos en movimiento.Las piernas empujando los pedales de la bicicleta y el aleteo de las alas de las aves sonejemplos del uso de energía cinética (Figura 1 -3). El calor, que se produce al moverserápidamente una gran cantidad de moléculas, es otra forma de energía cinética. Debido a quela luz implica el movimiento de partículas de alta energía, es también una forma de energía,probablemente la forma de energía cinética más importante en la tierra. (Cuando veamos másadelante la fotosíntesis, exploraremos cómo se aprovecha la luz solar para la producción demoléculas de los alimentos.)

Un objeto no necesita estar en movimiento para tener la capacidad de realizar un trabajo; yaque puede tener energía potencial, un tipo de energía que se almacena en la materia y estárelacionada con la ubicación o la posición de un objeto. El agua en una represa, por ejemplo,tiene energía potencial. Si se abren las compuertas del dique, el agua pasa mucha velocidad através de ellas, y hace girar una turbina para producir electricidad. La energía potencial delagua en la represa se convierte en energía cinética al moverse cuesta abajo y esa energía seaprovecha para mover la turbina, que a su vez, transforma el movimiento en energía eléctrica.

Pero también tiene energía potencial un gradiente de concentración, como el que se puedeencontrar dentro de los diferentes compartimentos de las células potencial: si las moléculas enun área de alta concentración se desplazan hacia un área de menor concentración, la energíapotencial de la pendiente (de mayor a menor concentración) se convierte en energía cinética enforma de movimiento molecular y esta energía cinética puede hacer un trabajo.La energía química, que es el almacenamiento de energía en los enlaces químicos, es tambiénun tipo de energía potencial.

Dado que la energía potencial noimplica movimiento, es una formamenos obvia de energía que laenergía cinética. Cuando comemosuna manzana, ésta tiene energíapotencial, al igual que cualquier otrotipo de alimento (Figura 1-4).¿Por qué? debido a durante larespiración celular, la energía químicaalmacenada en los enlaces químicosque componen el alimento presenteen la manzana puede romperse yliberarse, lo que nos permite correr,jugar y trabajar. Exploraremos másadelante la respiración celular, que noes otra cosa que la ruptura de lasmoléculas de alimento para que selibere energía. Pero primeronecesitamos saber más acerca de lanaturaleza de la energía.

Como la energía es capturada y convertida, la cantidad de energíadisponible para hacer el trabajo disminuye

Cada minuto de cada día, incluso en los días nublados, el sol brilla, liberando enormescantidades de energía. Los organismos de la Tierra no pueden capturar toda la energíaliberada por el sol; de hecho, la mayoría de las plantas capturan sólo una pequeña fracción dela energía disponible. ¿Qué pasa con el resto? Esta energía no utilizada no desaparece. Loscontadores amarían controlar el flujo de energía, ya que, como en un buen libro decontabilidad, todos los números de la energía se suman a la perfección. Podemos calcular todala energía del sol que recibimos: una porción de ésta (probablemente menos del 1%) escapturada y transformada en energía química utilizable por los organismos a través de lafotosíntesis (Figura 1-5). El resto de la energía del sol se refleja de vuelta al espacio(probablemente alrededor del 30%) o es absorbida por la tierra, los océanos y la atmósfera(aproximadamente 70%) y, sobre todo transformada en calor. Sin embargo, el calor no sepuede aprovechar fácilmente para hacer un trabajo, y por lo tanto es una forma mucho menosútil de energía que la energía transformada en energía química en las plantas (y almacenadaen forma de hidratos de carbono o azúcares).

En pocas palabras: 2La energía, que es la capacidad para hacer un trabajo, se presenta en dos formas. La energía cinética esla energía de los objetos en movimiento, mientras que la energía potencial, como la energía química, esla energía almacenada o la capacidad para hacer un trabajo que resulta de la posición o ubicación de unobjeto.

Podemos estimar una pérdida de energía similar a nivel biológico: Si tú comes un plato dearroz, una parte pequeña de la energía química almacenada en el almidón presente en losgranos de arroz se transforma en energía utilizable; ésta puede alimentar las actividades de tuscélulas. Todo el resto de la energía almacenada se transforma en calor y se perdió en últimainstancia hacia la atmósfera.El hecho de que la energía puede cambiar de forma, pero nunca desaparecer es una de suscaracterísticas más importantes, y se cumple en todo el Universo conocido: no importa siestamos hablando del Sol, de la Tierra, o de un ser humano con su plato de arroz. Del mismomodo que la energía nunca puede desaparecer -ni puede ser destruida-, la energía nuncapuede ser creada. Toda la energía que está presente en el Universo ha estado aquí desde queéste comenzó, y todo lo que ha ocurrido desde entonces se ha producido por la transformaciónde una forma de energía en otra. En toda nuestra alimentación y durante nuestro crecimiento,al conducir una bicicleta o al dormir, simplemente estamos transformando la energía.El estudio de la transformación de la energía de un tipo a otro, como por ejemplo de energíapotencial a energía cinética, se llama termodinámica, y la primera ley de la termodinámicaestablece que la energía no se crea ni se destruye. Sólo puede cambiar de una forma a otra.

La segunda ley de la termodinámica establece que toda conversión de energía no esperfectamente eficiente e invariablemente incluye la transformación de un poco de energía encalor, que se pierde en el ambiente. Aunque el calor es sin duda una forma de energía, losorganismos vivos no puedan usarlo como fuente de energía para alimentar su actividad celular,ya que no es aprovechada fácilmente para hacer un trabajo. Dicho de otra manera, la segundaley de la termodinámica nos dice que, si bien la cantidad de energía en el universo no estácambiando, su calidad sí lo está haciendo. Poco a poco, disminuye la cantidad de energíadisponible para hacer trabajo.

Dado que las plantas capturan menos del 1% de la energía del sol, podría parecer que sonparticularmente ineficientes. Pero nosotros, los humanos también somos bastante ineficientesen la extracción de la energía química de las plantas cuando nos las comemos. Estasineficiencias se producen debido a que cada vez que la energía se convierte de una forma aotra, parte de la energía se convierte en calor. Cuando un humano convierte la energía químicade un plato de fideos en la energía cinética corriendo una maratón, o cuando un cochetransforma la energía química de la nafta en la energía cinética del movimiento hacia adelante,parte de la energía se convierte en calor, la forma menos utilizable de energía cinética.

En los automóviles, porejemplo, alrededor de lastres cuartas partes de laenergía que tiene la naftase pierde en forma de calor(Figura 1 - 6). Por lo tanto,por cada $ 17 pesosgastados en cargar nafta,¡aproximadamente $ 4,25son los que realmentehacen mover el automóvil!

Ahora que entendemosque los seres vivos nopueden capturar toda laenergía liberada por el soly que son ineficientes parautilizarla, vamos a echar unvistazo a la “moneda deenergía” que usan lascélulas: el ATP.

Las moléculas de ATP son como las baterías recargables que flotanlibremente en todas las células vivas.

Gran parte del trabajo que hacen las células requiere energía. Sin embargo, a pesar de que laluz y las moléculas de azúcar, grasas y proteínas contienen energía, no se pueden utilizardirectamente para alimentar las reacciones químicas de las células.Para poder usarse, la energía debe ser “atrapada” en los enlaces químicos de una moléculallamada Adenosín trifosfato (ATP). El ATP es una molécula que se encuentra en las células detodos los seres vivos, flotando libremente en el citoplasma y que actúa como una bateríarecargable. El ATP almacena temporalmente la energía que luego será usada por las célulaspara realizar las funciones vitales. El ATP resuelve el problema de disponibilidad de energíaque tienen las células.

El ATP es una molécula simple con tres componentes (ver Figura 1-7) . En el centro de lamolécula de ATP hay dos de estos componentes: una molécula de azúcar pequeña unida auna molécula llamada adenina.Pero el tercer componente (y el más pequeño de los tres) es el que hace al ATP tan eficaz paraalmacenar y liberar la energía durante un período breve de tiempo: unida al azúcar y a laadenina hay una cadena de tres grupos fosfato cargados negativamente (de ahí el "tri" en"trifosfato"). Debido a que estos tres grupos fosfato se encuentran unidos entre sí, pero los tresposeen cargas eléctricas negativas, estos grupos se repelen entre sí. Por lo tanto, los enlacesque unen a estos grupos fosfato contienen una gran cantidad de energía y son inestables. Lainestabilidad de estos enlaces de alta energía hace que los tres grupos fosfato se parezcan aun resorte comprimido o a una rama que se dobla casi hasta el punto de ruptura. Con la másmínima presión, uno de los grupos fosfato se desprenderá, y su lugar será ocupado por unamolécula de agua. En ese proceso, una cantidad importante de energía se libera, y puede serusada por la célula.

En pocas palabras: 3La energía ni se crea ni se destruye, pero puede cambiar de forma. Cada conversión de energía esineficiente, y parte de la energía utilizable se convierte en energía de calor menos útil.

Es precisamente debido a que cada molécula de ATP está siempre al borde de expulsar unode sus grupos fosfato lo que la hace una fuente de energía efectiva dentro de la célula.Mientras haya muchas moléculas de ATP alrededor, habrá energía disponible para que selleven adelante las reacciones químicas que hacen posible la vida de la célula, tales como lacontracción de músculo, la reparación de heridas, o el crecimiento de las raíces. Cada vez queuna célula gasta una de sus moléculas de ATP, un grupo fosfato se rompe y se libera energía.Lo que queda es una molécula con dos grupos fosfato, el ADP (adenosina difosfato), y ungrupo fosfato por separado (con la etiqueta Pi).

Un ser vivo puede también utilizar ADP para regenerar el ATP: hace falta ADP, más un grupofosfato que se encuentre libre en el citoplasma de la célula, y un aporte de energía cinética.(Figura 1 - 8). La energía cinética se convierte en energía potencial cuando el grupo fosfatolibre se une a la molécula de ADP para formar ATP. Podemos ver cómo el ATP funciona comouna batería recargable.

Pero, ¿de dónde viene el aporte de energía necesaria para la recarga de ATP? Cuandohablemos de la fotosíntesis, veremos que las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan

directamente la energía luminosa del sol para producir ATP a partir de ADP y grupos fosfatopresentes en el interior de la célula vegetal.Los animales usan la energía contenida en las moléculas de los alimentos. En cualquier caso,la energía se utiliza para volver a crear una unión inestable de la cadena de tres fosfatos en elATP.Cuando se necesita energía, el organismo puede volver a descomponer el ATP, liberando ungrupo fosfato. Nuestros cuerpos reciclan así moléculas de ATP decenas de miles de veces aldía.

En síntesis, esta es la historia del ATP. Descomponer por ejemplo, una molécula de azúcar deun vaso de jugo de naranja, lleva a una explosión de energía en miniatura en tu cuerpo. Laenergía de esa mini-explosión se utiliza para la construcción de los enlaces de alta energíainestables que unen grupos fosfato a las moléculas de ADP, para crear nuevas moléculas deATP. Más tarde - tal vez sólo una fracción de segundo más tarde -cuando se necesita unareacción que consume mucha energía, las células pueden liberar la energía almacenada en lasnuevas moléculas de ATP.

En pocas palabras: 4Las células almacenan temporalmente energía en los enlaces de las moléculas de ATP. Esta energíapotencial puede ser convertida en energía cinética y se utiliza para alimentar las reacciones químicasque mantienen la vida. El ATP puede usarse muchísimas veces.