001 carpena final aa - Real Academia Nacional de Farmacia
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Excmo. Sr. Director.
Excmos. Sres.
Académicos Sras., Sres.:
Vengo a suceder en esta ilustre Corporación al Excmo. Sr. D. José Ranedo Sánchez-‐Bravo. No tuve la suerte de conocerle personalmente; sin embargo, la obligación ineludible, y muy grata a la vez, de glosar en actos como el que hoy celebramos la vida y obra de! Académico que por ley inexorable abandonó su puesto aquí, me han instado a mostrar profundo y cariñoso interés por los aspectos principales de la personalidad de este hombre ejemplar.
El Dr. Ranedo nació en Jaén el 9 de abril de 1889. Su muerte tuvo lugar en Madrid el 10 de marzo de 1974. Son casi ochenta y cinco años en los que, salvo el último período, anulada su actividad pública por enfermedad, mantuvo una ejecutoria continuada e intensa.
En marzo de 1911, a los veintidós años, se licencia en Farmacia, después de una carrera notable, realizada en bastante menos tiempo del habitual. Inicia seguidamente su larga y eficaz colaboración con el que fue Presidente Perpetuo de esta Academia y figura impar de la Farmacia española, D. José Casares Gil. Junto a éste, se forma básicamente en lo que esencialmente constituía su vocación: la de Analista. La permanencia al lado del Maestro, sólo se interrumpió en 1919 y 1921 para trabajar en e! Instituto Pasteur con Fourneau y en la Universidad de Munich con el Profesor Willstätter.
En 1925 ingresa con el número uno en el Laboratorio Central de Aduanas, donde ha de desarrollar su vida profesional sin perder e! contacto con las tareas científicas, como lo prueba sus trabajos con el propio Casares y Medinaveitia, entre otros.
Su dedicación a la Academia también fue muy prolongada. Vicedirector durante cuatro lustros, asumió la Presidencia en 1957 por renuncia de quien lo era de modo perpetuo, su maestro y amigo.
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Estos datos son un pálido reflejo de la trayectoria científica y profesional del Dr. Ranedo, a quien rindo desde esta tribuna público homenaje, sin olvidar a su esposa y colaboradora, D.ª María Luz Navarro, por fortuna todavía con nosotros.
Pido perdón de antemano por la petulancia de atreverme a considerar ante este relevante auditorio una cuestión tan complejísima como la nutrición de las plantas cultivadas; quizás sólo pueda exhibir en mi descargo su importancia extraordinaria. Afronto este riesgo, porque aspiro ilusionadamente a llamar la atención de los científicos ilustres que me escuchan sobre los complejos fenómenos que mi discurso va simplemente a esbozar. Si este principal objetivo se cumple, estoy seguro de que mi trabajo no será baldío.
Mientras que la Agricultura es tan vieja como el hombre, la investigación científica con ella relacionada toma carta de naturaleza muy recientemente, si bien desde antiguo ha existido la preocupación por relacionar adecuadamente los factores externos, derivados del medio donde las plantas se desarrollan, con aquellos otros especialmente inherentes al vegetal. Tal vez el primer experimento de que se tiene noticia y que muestra ya la curiosidad del hombre, redoblada constantemente a través de los tiempos, es el realizado en 1450 por Nicolai de Cusa1. muy notable por el control cuidadoso de las variables experimentales, la aproximación cuantitativa y su implícita confianza .en el principio de conservación de la materia, tres conceptos básicos que todavía constituyen requisitos indispensables para investigar en .las ciencias de la naturaleza. Casi doscientos años más tarde, Jean Baptista van't Helmont llevó a cabo una experiencia muy semejante, que por su meticulosidad y perseverancia constituye un modelo imitable aún en nuestros días.
Pero el avance considerable en el conocimiento de la nutrición vegetal se inicia científicamente a mediados del siglo pasado, poco más o menos con Justus van Liebig, fundador de la Agroquímica, ha permitido, junto al esclarecimiento de no pocos procesos, la elevación de la producción mundial de alimentos a cotas verdaderamente importantes. Sin embargo, el desafío continúa, dado el impre-‐
1 CUSA. CARDINAl. P. NICOLAI: Concerning tbe Elements of Wood, Plants, Flesh. Animals and Liquids, En «Great Experiments in Biologys (1957), 4.ª ed . Prentice-‐Hall Inc. Englewood Cliffs, N. J.
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sionante crecimiento demográfico, que pone en tela de juicio a plazo corto la propia existencia de la Humanidad. No está en mi ánimo discurrir sobre este tema, tratado ya por científicos de prestigio dentro y fuera de la Academia. Mi propósito es más concreto, aunque evidentemente relacionado con aquella trascendental cuestión: se trata de examinar ante ustedes algunos aspectos físico-‐químicos, condicionantes de la dinámica en el sistema suelo-‐planta de los bioelementos esenciales.
Les invito a que en esta ocasión efectúen conmigo un periplo hipotético, mas sugestivo, teniendo de acompañantes a unos personajes curiosos y de importancia relevante: los elementos químicos esenciales a la vida vegetal, que en forma usualmente iónica y permanentemente asistidos de una molécula singular -‐el agua-‐, han de recorrer un camino maravilloso, si bien plagado de obstáculos; unos impuestos por la ruta, tortuosa y heterogénea, y otros por sus propias características excepcionales y que, como a menudo los humanos, luchan con todas las armas que poseen para cumplir su finalidad existencial.
Pero antes, permitid me deciros cuánto agradezco vuestra llamada. Hijo de farmacéutico y con la ayuda de Dios pronto padre de farmacéutico, recibo hoy un honor inmerecido del que me consideraré siempre deudor.
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I. LA NUTRICIÓN VEGETAL. BIOELEMENTOS ESENCIALES
Es de aceptación general que la clave fundamental del aumento d e los recursos alimenticios a disposición del ser humano reside en el aprovechamiento integral de la fotosíntesis; pero, a menudo, se cae muy poco en la cuenta que la consecución de semejante objetivo exige la consideración profunda y detenida de otros fenómenos y circunstancias estrechamente interrelacionados con ella y que pueden englobarse de modo general en el término nutrición vegetal.
El problema de la nutrición vegetal está íntimamente relacionado con el trasiego constante de los llamados elementos esenciales entre la biosfera y el medio no viviente que forma el sustrato; ambos constituyen la llamada Ecosfera2. Los ciclos elementales de ésta confluyen en el suelo, donde, como diría Albareda 3, se verifica el retorno de lo biológico a lo geológico. Pero la integración de los elementos de la parte inanimada de la ecosfera, en la múltiple teoría de compuestos encontrados en las plantas, requiere energía. Virtualmente, toda la energía que regula la biosfera es de origen solar; alrededor de un tercio de la misma es reflejada de nuevo al espacio; la mayor parte de la restante calienta la tierra y es eventualmente reirradiada al espacio en forma de calor. Solamente un 0,05 por 100 de toda la energía solar incidente sobre la tierra potencia las actividades de los organismos fotosintéticos4. Los compuestos sintetizados a partir ele los materiales inorgánicos, mediante la energía solar, se constituyen en los materiales ele construcción y en la fuente -‐energética para todo el resto de la biosfera.
Se ha indicado que, en la era carbonífera, la atmósfera terrestre
2 COLE, L. C. (1958). «Scientific American». 198 (4), 83-‐92.
3 ALBAREDA. J. M. (1956). Real Acad. Ciencias. Discurso inaugural. 9.
4 DELWICHE. C. C. (1007). «Soil Biochernistry». Marcel Dekker, Inc. Nueva York. 173-‐194
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contenía 5 por 100 de carbónico y sólo 5 por 100 de oxígeno, lo que unido al calor y humedad elevados de este período, representaron las condiciones ideales para el desarrollo vegetal. Tal desarrollo ha proporcionado el carbón y el petróleo; pero también nos ha suministrado una lección objetiva: las plantas del carbonífero, en su proliferación y crecimiento desmesurados, dilapidaron los recursos naturales -‐el carbónico-‐, modificando para siempre el ambiente con los productos ele desecho de su propio metabolismo, el oxígeno.
La nutrición de las plantas es en sí un tema de singular importancia en el reino de la vida sobre la tierra y en la aventura humana: en la constitución de todos los seres vivos, y por supuesto las plantas, entran necesariamente átomos de determinados elementos químicos. Cuando uno de ellos está presente en el medio nutritivo, en cantidad insuficiente o en combinaciones químicas que le hacen poco disponible para Sil absorción, se produce una situación deficitaria del mismo en la planta con alteraciones metabólicas que se manifiestan ordinariamente de manera visible y con sintomatología diversa.
La producción mayor de alimentos hasta el presente es el resultado de la integral de un gran conjunto de reacciones químicas. Los materiales son los llamados bioelementos esenciales, la energía es esencialmente luminosa y la principal sede de síntesis es el mesófilo foliar.
Las preguntas ya planteadas por Liebig siguen en su mayoría sin respuesta plenamente satisfactoria. Podrían esquematizarse así: 1) ¿ Qué elementos químicos son necesarios a las plantas? 2) ¿ Cuáles son los mecanismos de captación, transporte y metabolismo de tales elementos? 3) ¿ Es posible establecer una ley de la nutrición?
Es evidente el progreso considerable en estas cuestiones, así como en el desarrollo de métodos de diagnóstico, rápidos y sensibles, de las necesidades nutritivas y, en suma, en el conocimiento del sistema suelo-‐planta. Todo ello ha conducido a aumentos espectaculares de' la producción agrícola, pero todavía estamos lejos del límite ideal.
La aplicación del método analítico ha permitido obtener información valiosa respecto de la composición de la materia viva vegetal y de los bioelementos esenciales. Así, hasta primeros de siglo, el número de elementos considerados como indispensables era de diez: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, potasio, calcio,
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magnesio, azufre y hierro. Posteriormente, en especial a partir de los años treinta, se han incorporado a la lista los llamados oligoelementos: manganeso, zinc, cobre, boro, molibdeno, cloro y sodio. En total 17.
Todas las actividades fisiológicas de las plantas, incluyendo las nutricionales, son función de su constitución genética y del medio en que viven. El interjuego entre estos dos factores resulta especialmente fascinante a causa del número considerable de especies vegetales y de la gran diversidad de suelos, que hoy por hoy constituyen su principal medio de alimentación mineral.
El intervalo de concentraciones para cada elemento varía ampliamente según las plantas y es afectado también por las condiciones bajo las que aquéllas se desarrollan. Ordinariamente, el potasio es el constituyente más abundante, al revés que los tejidos animales, más ricos en sodio5.
La influencia genética en la composición es notoriamente acusada: especies y variedades difieren marcadamente, aun creciendo en condiciones idénticas. Así, Plantago lanceolata y Plantago maritima, cultivadas en la misma disolución nutritiva, la primera absorbe más del doble de potasio que la segunda6; en general, los forrajes contienen menos calcio que las leguminosas y mucho más silicio; contrariamente a la mayoría de los vegetales, los del género Lycopodium y algunas especies de Angiospermas, de la familia Diapensiaceae, contienen grandes cantidades de aluminio, por lo que en otro tiempo se usaron en la industria como mordientes; leguminosas del género Astragalus acumulan selenio tan abundantemente que producen toxicidades elevadas.
Y, finalmente, en especies del género Citrus, tan afines como Citrus limonum, variedades Primofiore y Verna , hemos apreciado variaciones sensibles de composición aun creciendo en medios idénticos 7 , que probablemente, tienen también origen genético. De acuerdo con ello, Weis8, en dos variedades de soja, que absorben
5 SUTCLIFFE J. F. y BAKER. D. A. (1974). Plants and. Mineral Salts., Edward Arnold Ltd., Londres. 4.
6 COLLANDER, R. (1941). «Plant physiol».,16, 691-‐720
7 COSTA, F. y CARPENA, O. (1963). «Agrochimica», VII, 62-‐73. 8 WEISS, M. G. (1943) .«Genetics», 28, 253-‐268.
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hierro en proporciones diferentes, demostró que la capacidad de absorción para concentraciones bajas viene controlada por un gene especifico. Aunque en la bibliografía se han descrito algunos otros casos de control monogénico, se admite de modo general que son varios los genes implicados en el gobierno de la capacidad de absorción.
Puede concluirse, pues, que para especies vegetales diferentes varían las concentraciones y relaciones entre elementos: y lo mismo puede decirse para plantas del mismo genotipo, creciendo en condiciones distintas. Sin embargo, suelen darse valores aproximados, resultantes de numerosos análisis con muchas muestras9, los cuales revelan que la biosíntesis vegetal está sujeta de modo general a las mismas reglas de la estequiometría que rigen las bien conocidas reacciones inorgánicas de laboratorio. Esto significa que los metabolitos importantes son sintetizados en relaciones fijas, de acuerdo con la constitución genética de la planta y dependiendo, por supuesto, de la disponibilidad en el medio de todos los elementos necesarios.
La presencia de un determinado elemento químico en un tejido vivo no significa necesariamente que cumpla una función útil. Para probar su esenciabilidad es preciso constatar que la planta no crece normal y completamente, a menos que se aporte dicho elemento. Ocasionalmente, la omisión de un elemento del medio de cultivo puede interferir indirectamente con el crecimiento. bien por evitar la absorción de otro nutriente requerido o por promover la toma de una sustancia tóxica. De acuerdo con Aman 10 , tal elemento «beneficioso» no debe ser considerado como esencial, a menos que tenga también una función específica en la planta: es decir, que no pueda ser reemplazado por cualquier otro. Excepcionalmente. el potasio y el rubidio son aparentemente intercambiables en muchas bacterias y en la lechuga de mar Ulva lactuta: y el estroncio, que puede reemplazar el calcio en el alga Chlorella y, probablemente. en algunos hongos.
Aparece otra dificultad, cuando el elemento es requerido exclusivamente en ciertas condiciones. Así, el molibdeno sólo es esencial para el alga Scenedesmus, cuando el nitrógeno es suministrado como
9 EPSTEIN, E. (1965).« Plant Bíochernistrys», Academic Press, Nueva York, 438-‐466. 10 ARNON, D. R. (1950). «Lotsya», 3, 31-‐38.
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nutrientes minerales. Un ejemplo es la apertura y cierre de los estomas.
Las anormalidades bioquímicas motivadas por deficiencias minerales pueden tener muchas etapas a partir de la lesión primaria; ello impide establecer fácilmente el mecanismo de acción del elemento deficiente. A este respecto es interesante plantearse algunas cuestiones acerca de los efectos bioquímicos y metabólicos que dichas enfermedades producen: ¿ En qué medida tales efectos son específicos del elemento? ¿ Cuál de los metabolitos afectados responde más rápidamente al aporte del nutriente deficitario?
Para proporcionar respuestas adecuadas, es necesario un largo y sistemático trabajo en equipo. De otra forma, los conocimientos adquiridos son fragmentarios y, por tanto, sin apenas posibilidad de conclusiones definitivas. No obstante, se ha comprobado el influjo de bastantes deficiencias minerales sobre la fotosíntesis, respiración y síntesis de proteína11. A propósito de esta última, es conocido de: antiguo que la deficiencia de hierro eleva notoriamente el contenido foliar de nitrógeno: al fraccionar éste, hemos comprobado12, entre otros hechos de interés. que, concretamente, la arginina aumenta su contenido en tal magnitud que quizás sea su determinación en la actualidad el «test» más significativo para comprobar el estado nutricional del hierro. A la vista de los hechos experimentales, cabe preguntarse si la falta de este elemento impide la síntesis de proteínas específicas con proporciones mayores de arginina.
Las deficiencias nutritivas determinan, pues, cambios en el metabolismo y en el crecimiento. En primer lugar, vienen afectados los procesos metabólicos en los que el elemento participa habitualmente: pero como cada uno de aquellos es parte de un conjunto complejo de procesos interconectados, la influencia se extiende incluso a otros no directamente implicados. Puede afirmarse, en suma. que las condiciones metabólicas están profundamente influidas por los procesos de absorción, transporte y distribución de los nutrientes en la planta. Incluso cabría decir que los mecanismos del transporte de nutrientes
11 BOTTRILL, D. E., POSSINGHAM, J. V. y KRIEDEMANN. P. E. (1970) .« Plant and Soil», 32. 424-‐438.
12 NAVARRO, S., CARPENA, O. , GARCIA, A. L., y COSTA, F. (1972). «Agrochimica», 208-‐220.
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minerales se han desarrollado en respuesta a las necesidades fisiológicas, metabólicas o bioquímicas de las plantas.
Una aproximación muy simple al problema de la nutrición mineral de las plantas cultivadas, que ha venido siendo apoyada históricamente, consiste en considerar el rendimiento como función de un solo factor limitante, que es aquél cuyo nivel está más distante del óptimo requerido. Sin duda, fue Liebig el primero a considerar cien-‐tíficamente que el desarrollo vegetal está absolutamente relacionado con los nutrientes minerales. Posteriormente, la ley de las restituciones decrecientes, promulgada por Wollny en 1891, fue desarrollada y popularizada por Mitscherlich, de quien tomó definitivamente el nombre y que, en realidad, es una nueva versión de la célebre Ley del Mínimo. La técnica de Mitscherlich, de amplia difusión, sobre todo a partir de los años treinta, conduce a veces a conclusiones tan peregrinas como que la mejor relación nitrógeno-‐fósforo-‐potasio es 5-‐1-‐2 para toda clase de plantas13.
Además de la formulación de Mitscherlich, que puede ser derivada de la teoría de la probabilidad14, hay otras dos que expresan también la velocidad del crecimiento o del rendimiento en función de componentes esenciales: la de Balmukand 15 y la de Michaelis-‐Menten16.
Evidentemente, hubiese sido del todo afortunada la certeza absoluta de la teoría del factor limitante: si solamente éste controlase el rendimiento, bastaría determinarlo con precisión y restituirlo: pero, desgraciadamente, las cosas no son tan sencillas. En efecto, a pesar de los optimismos que pueden deducirse de los espectaculares aumentos de producción obtenidos últimamente, hay evidencia manifiesta de la distancia enorme que todavía existe entre las producciones unitarias y las potencialidades que encierran las plantas cultivadas.
13 WILCOX, O. W. (1937). ABC of Agrobiology. Norton. Nueva York, 323. 14 MITSCHERLICH, E. A. (1930). Die Bestimmung des Dünge bedürfnisses des Bodens. Parey, Berlin. 15 BALMUKAND, B. H. (1928). «J. Agr. Sci.», 18, 602-‐627. 16 REINER, J. M. (1959). Behavior of Enzime Systems. Burguess Publishing. Co., Minneapoles.
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Con técnicas de alto control, se vienen obteniendo rendimientos de hasta cincuenta veces superiores a los de tipo medio17 18.
Llegados a este punto, tal vez merezca hacer algunas consideraciones relativas al tema que nos ocupa y acerca de lo que en otras ocasiones19 me he tomado la libertad de llamar inercia científica: resulta verdaderamente sorprendente comprobar cómo la llamada teoría de la nutrición mineral de las plantas sigue apoyándose en numerosos aspectos, con fidelidad ejemplar, sobre los criterios de Liebig, al que de antemano le debemos público reconocimiento, pues no en balde fue el primer químico orgánico de su época; pero que, como claramente dice Epstein20, al tiempo de su famosa publicación en 1840 no había hecho investigación en los campos de la Química Agrícola y de la Nutrición Vegetal. La ley del mínimo, aplicada estrictamente, significa querer interpretar un proceso biológico -‐por esencia, absolutamente dinámico-‐ con los criterios estáticos de una experiencia de laboratorio. ¿ Cómo es posible considerar la actividad de un nutriente al margen de los dieciséis restantes, con sus interacciones y, en definitiva, con su dinámica extraordinariamente inter-‐relacionada? Definir con una cifra -‐llámese nivel o porcentaje crítico-‐ el estado nutritivo de una planta, es, aparte de ingenuo, claramente anticientífico. Y así, cuando se consulta la frondosa bibliografía sobre este asunto, es fácil encontrar en una misma especie' vegetal niveles críticos de un elemento dado claramente discrepantes. y lo que es peor, si se utilizan estos datos con fines de diagnóstico; los resultados son frecuentemente erróneos.
Según hemos tenido ocasión de demostrar reiteradamente21 22, una determinada planta puede presentar contenidos altos de hierro, manganeso, nitrógeno, etc.. y, sin embargo, ser nutricionalmente deficiente. Y ello puede ser debido a multitud de causas, tales como
17 KRIZEK, D.T., BAILEY W. A. y KLUETER, H. H. (1968), «Plant Physiol.» 18 KLUETER, H. H., BAILEY, W. A. y KRIZEK, D. T. (1969). «Agr. Res.» 17, 9 19 CARPENA, O. LLORENTE, S. y ALCARAZ, C. (1969). «Anal. Edaf. y Agrob», XVII, núms 1 y 2. 49-‐52. 20 EPSTEIN, E. (1972). Mineral Nutrition of Plants. JOHN WILEY and Sons, Inc. New York, 10-‐11. 21 CARPENA, O. (1966). Contribución al conocimientos de la clorosis férrica en Citrus. CEBAS. Murcia. 22 CARPENA. O., COSTA, F., NAVARRO, S. (1968). «Atti VII Simp. Internaz. Agrochimica», Salamanca.
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el bloqueo de nutrientes en el tejido utilizado para el análisis, razones puramente fisicoquímicas o por exceso de otro elemento23.
El equilibrio forma parte fundamental de las leyes de la Naturaleza. A pesar de ello, ha prevalecido la idea durante mucho tiempo de que para cada especie cultivada existe un nivel foliar mínimo por elemento esencial. debajo del cual aparece el estado deficitario. Sin embargo, el verdadero factor que controla la situación nutritiva es la relación o balance en la hoja de todos los elementos o. con más precisión, de sus fracciones activas biológicamente. Tal vez los intentos de expresar matemáticamente las relaciones entre el suministro de nutrientes y su acumulación en la planta no han tenido éxito completo, por haberse subestimado el criterio de que la concentración foliar de un elemento dado está condicionada por las de los restantes. Considerar aisladamente una relación entre nutrientes y cosecha, equivale a admitir que en nutrición vegetal es posible fijar todas las variables menos una.
Ya hemos dicho que se tiene la convicción de que los requerimientos minerales de las plantas no son los mismos cuantitativamente. No podemos afirmar con rigor que los resultados apreciados en algunas especies puedan extenderse a todas; de ahí que en el futuro deban investigarse más profundamente las necesidades nutritivas durante varios estados del desarrollo e incluso de las células y tejidos durante la diferenciación.
Con la simple enumeración efectuada, parece obvio que el problema de la nutrición vegetal debe plantearse sobre bases más rigurosas, las cuales deberán abarcar necesariamente los aspectos inherentes a la planta, eminentemente biológicos. y aquéllos otros de carácter exógeno, que en su mayor parte son estrictamente físico-‐químicos.
En relación con lo primero, es evidente que si el análisis de un tejido vegetal idóneo revela la ausencia o escasísimo contenido de un elemento esencial. la planta está deficientemente nutrida respecto de él: pero el problema actual es de mayor profundidad, pues consiste, ni más ni menos. que en definir y obtener la situación nutritiva óptima condición indispensable de la salud fisiológica y el rendimien-‐
23 CARPENA, O., LLORENTE, S., y LEÓN, A. (1968). II Coloquio Europeo y Mediterráneo sobre control alimentación plantas cultivadas. Sevilla.
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to máximo. Se trata, entonces, de ajustar con la máxima perfección posible los mecanismos suministradores de los reaccionantes, es decir, de los nutrientes esenciales, a la sede de la correspondiente biosíntesis. Cuando esta sincronización se altera, el proceso productivo se deteriora en mayor o menor cuantía, según la intensidad de la perturbación. Y tales disturbios no son siempre de naturaleza cuantitativa, sino que a veces se deben a interacciones fisiológicas con los demás nutrientes o a fenómenos puramente químicos, tales como oxidación, precipitación, quelación, etc. Ejemplos claros de estos hechos son la inmovilización del calcio, por precipitación como oxalato cálcico, o la del hierro como fosfato.
De otra parte, y como ya hemos dicho, no tiene sentido la determinación elemental en un instante dado, puesto que los niveles así encontrados son consecuencia de la diferencia entre lo ingresado en el órgano de que se trate -‐hoja, generalmente-‐ y lo emigrado, con lo que la simple consideración de un mismo análisis, practicado en etapas distintas del ciclo vegetativo, puede conducir a resultados contradictorios. Además, la determinación a nivel elemental ofrece poca información; lo verdaderamente importante es saber en cada caso la cantidad de nutriente realmente incorporada a estructuras biológicas vitales para la planta. La solución ideal, en definitiva, estriba en conocer el nivel real de la molécula o moléculas importantes a las que está ligado directa o indirectamente el elemento. El «test» de catalasa o de arginina, nos dice mucho más de la situación nutricional del hierro que su determinación directa. Estos son los nuevos caminos que prometen resultados mejores.
Por lo que respecta a los factores externos y habida cuenta de que la fuente nutritiva habitual, hoy por hoy, de las plantas cultivadas -‐con excepción del carbono, hidrógeno y oxígeno-‐ es el suelo, hay que contemplar la dinámica en él de los catorce elementos restantes, teniendo en cuenta además de que se trata de un sistema heterogéneo y notoriamente diverso, según su origen y proceso de formación.
El suelo provee de soporte y de nutrientes a la mayoría de las plantas; pero es mucho más que eso. Constituye un medio complejo que influye con intensidad en la vida vegetal, principalmente porque
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sus propiedades físico-‐químicas interaccionan intensamente con las raíces que en él viven y se desarrollan.
II. EL SISTEMA SUELO-‐PLANTA
Sin un mayor conocimiento y comprensión del sistema suelo-‐planta, no podemos contar con los métodos más adecuados para conseguir altos rendimientos en las condiciones tan diversas de suelo y clima que reúne la tierra.
Desde el punto de vista de la nutrición mineral, el sistema suelo-‐planta es un sistema abierto en el que los nutrientes son continuamente liberados en un extremo del mismo (fase sólida del suelo) y acumulados en el otro (planta), de acuerdo a la ecuación24:
Para que el proceso discurra en el sentido expuesto, es preciso suministrar energía al sistema, lo que tiene lugar en las plantas superiores merced a la fotosíntesis. Este proceso de captación de la energía luminosa es capaz de cambiar las concentraciones reaccionantes e incluso las constantes de los equilibrios de la ecuación (1). Es curioso que hasta ahora no se haya tratado de describir en su conjunto este proceso energético.
En un sistema abierto como el (I), la cantidad de un ión acumulada en la planta en un tiempo dado será igual a la pérdida neta del mismo experimentada por el suelo. Si todas las reacciones intermedias transcurren a la misma velocidad. ninguno de los reaccionantes cambiará su concentración y dni/d t = 0. El sistema se considera entonces como estacionario.
La toma de nutrientes es un proceso dinámico continuo y todas las reacciones sugeridas e implicadas en (I) se verifican en todo momento. La solución de una ecuación cinética implicancia dos reacciones consecutivas es extremadamente compleja; y si se trata de más de dos, entonces las dificultades son extraordinarias. Las soluciones
24 FRIED , M. y BROESHART (1972). The Soil-‐Plant System. Academic Press. Inc. New York, 3.ª ed., 3.
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prácticas necesitan normalmente algunas aproximaciones 25 26 . El proceso de toma de nutrientes es útil tratarlo como un sistema estacionario que responde a los cambios de concentración de uno de los reaccionantes, o de una de las constantes de reacción, mediante los ajustes necesarios en las demás reacciones, cle modo a alcanzar un lluevo nivel de estado estacionario.
Las reacciones individuales que constituyen este «continuum» de la acumulación definitiva de un ión en la planta, desde su presencia inicial en la fase sólida del suelo, podemos estudiarlas aisladamente; pero su verdadera significación en el proceso de acumulación no puede ser evaluada sin la consideración de las demás reacciones de dicho «continuum».
La ecuación (I) describe la acumulación de nutrientes por la planta como una secuencia de reacciones que pueden ser descritas cuantitativamente en los términos de la Química Física. El primer miembro de la secuencia -‐N(suelo)-‐ se refería principalmente a ión adsorbido, en cuanto a su relación con el próximo -‐N(disolución)-‐. Sin embargo, es preciso subrayar que tanto los minerales como la materia orgánica, pueden ser una ulterior fuente de nutrientes.
En ausencia de las raíces, la concentración de la disolución del suelo depende de la naturaleza de la reacción entre el ión en la disolución y en la fase sólida, como veremos más adelante.
Una vez el nutriente en la disolución, debe atravesar una distancia hasta alcanzar el mecanismo captador de iones de la planta; este movimiento puede tener lugar por difusión o flujo de masa. Bajo condiciones normales de transpiración, el flujo de masa puede considerarse como el principal para el movimiento de la mayor parte de los nutrientes hasta alcanzar la raíz y ser ulteriormente tomados por otros órganos vegetales. Pero también, y dado que no siempre está el agua en movimiento, a veces todos los iones se mueven hacia la raíz bajo la fuerza conductora de la difusión.
La relativa importancia de los dos mecanismos -‐flujo de masa y difusión-‐ en el transporte iónico hasta la raíz, no está suficiente-‐
25 LAIDLER, K. J. (1958). The chemical kinetics of Enzyme Action. Clarendon Press., Oxford. 26 DIXON, M. y WEBB, E. C. (1858). Enzymes. Academic Press. Inc. , Nueva York, 419.
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mente dilucidada; entre otras cosas, porque ambos vienen afectados por los mismos factores. La concentración en la disolución del suelo afecta de una parte al gradiente máximo de concentración y de otra a la cantidad de ión en movimiento por el flujo de masa; y, además, el factor de capacidad determina el movimiento necesario para ambos mecanismos.
En la ecuación (I), N(suelo) es la cantidad de un ión dado asociado con una cantidad definida de la fase sólida que, bajo condiciones de transferencia no neta de energía libre, está en equilibrio con N (disolución), cantidad también definida del mismo ión en un volumen específico de la disolución del suelo. Esta concentración -‐ (disolución)-‐ es un factor de intensidad, análogo a la concentración de iones hidrógeno en la disolución de un ácido débil.
Las relaciones fase sólida-‐disolución del suelo, implican no sólo la consideración acerca de la naturaleza de la unión de los nutrientes a la fase sólida, sino también lo relativo a cantidades asociadas a las dos fases y la velocidad a la cual ocurre esta unión irreversible.
Las interacciones entre la fase sólida y la disolución del suelo comprenden varias formas de unión: unas son de carácter electrostático que vienen influenciadas principalmente por la valencia del ión y la densidad de carga de la fase sólida; otras se deben más a fuerzas específicas para el ión implicado, polarizabilidad, por ejemplo. Aunque estas últimas raramente están ausentes, la interacción en el caso de los cationes está gobernada principalmente por efectos de carga. Para los aniones es algo diferente y algunas veces domina el enlace químico.
La adsorción de cationes por grupos disociados puede dar lugar -‐a una doble capa difusa. En efecto, la composición de la disolución del suelo en estrecha vecindad con las capas de arcilla, como consecuencia de la carga negativa de éstas, difiere de la que está fuera de la influencia del campo eléctrico, La extensión de esta doble capa en un suelo dado, es función de la valencia del catión y de la concentración salina total de la disolución. Los cationes monovalentes estarán menos ligados que los divalentes, por lo que emigrarán más lejos de las capas de arcilla. Cuando la concentración salina sea menor, más extendida será la doble capa. El espesor puede variar desde 200 Angstrom en una arcilla sódica, para una disolución de cloruro sódico milésimo normal, a 20 Angstrom en una décimo nor-‐
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mal. Para los cationes divalentes, los valores aproximados son la mitad, respectivamente. Esto significa que a baja humedad casi todos los iones de la disolución del suelo están dentro de la zona de influencia de la superficie cargada de la arcilla.
Las redes cargadas negativamente expulsan los aniones de sus proximidades (repulsión aniónica o absorción negativa). Al contrario que los cationes, es dudoso que la absorción de aniones por los constituyentes del suelo tenga la naturaleza de una doble capa. Las cargas positivas no son distribuidas homogéneamente en la superficie: en suelos normales, la unión específica de aniones es mucho más importante que la atracción electrostática27.
La cantidad de un ión dado en la fase sólida, que está asociado con el mismo ión en la fase líquida, es un factor de capacidad análogo a la molaridad de un ácido. Este factor de capacidad significa simplemente la medida de la reserva o «pool», desde donde el ión es separado de la fase sólida.
El factor de capacidad, debe ser multiplicado por una constante de velocidad a fin de obtener una medida de la capacidad de la fase sólida de continuar suministrando un ión nutriente a la disolución del suelo lo bastante rápidamente para satisfacer la demanda de la planta. Relacionar estos factores de intensidad y capacidad con las velocidades a las que el sustrato es transformado. presenta grandes dificultades en un sistema tan altamente heterogéneo: su tratamiento, por otra parte, corresponde al dominio de la termodinámica de procesos irreversibles 28 29 30.
Cuando se examinan los datos de la bibliografía relativos a la composición de la disolución del suelo 31 , se aprecia que los factores intensidad y capacidad son importantes sobre todo para los iones que existen en la disolución del suelo en cantidades tan peque-‐
27 DE HANN, F. A. M, (1965). The interaction of certain Inorganic Anions with Clay and Soils. Thesis, Agricultrual University of Wageningen, Holanda, 167. 28 DE GROOT, S. R. (1952). Thermodynamic of Irreversible Processes. North Holland Publ. C., Amsterdam, 242. 29 DENBIGH, K. G. (1951). The Thermodynamic of the Steady State. «Methuen and Co. Ltd.», Londres, 103. 30 PRIGOGINE, I. (1955). Thermodynamic of Irreversible Processes. C.C. Thomas, Springfield, Illinois, 115. 31 Cf. FRIED, M. (24), 19.
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ñas que deben ser renovadas frecuentemente, si se quiere atender a las necesidades de la planta. Esto es particularmente cierto con el fósforo, para el cual la renovación debe tener lugar continuamente desde la fase sólida, si se quiere cubrir la demanda total del elemento32. Como han demostrado Stout y Overstreet33, el fósforo, a una concentración media de una parte por millón, se renueva en la disolución diez veces por día.
La velocidad de transferencia de un ión entre la fase sólida y la disolución del suelo varía muy ampliamente. Las reacciones de intercambio iónico son prácticamente instantáneas, salvo limitaciones estéricas,
La carga eléctrica de las partículas del suelo es neutralizada por los llamados contraiones, ligados a la superficie principalmente por fuerzas de Coulomb. A causa del movimiento térmico, los contraiones se distribuyen dentro de un cierto espacio formando la capa difusa o enjambre iónico de la que ya hemos hablado. Los iones intercambiables están rodeados por moléculas de agua y puede considerarse que constituyen una disolución, a menudo llamada disolución micelar o interna, para distinguirla de la más externa, de electrolitos libres, denominada disolución intermicelar.
El conocimiento de las relaciones N (suelo)-‐N (disolución) puede basarse, en una primera aproximación, sobre consideraciones de equilibrio. Si tratamos el intercambio iónico como una reacción química. podríamos escribir, para el caso de los cationes:
En el equilibrio, la energía libre del sistema es un mínimo y, consecuentemente, el producto de actividad de los reaccionantes es una constante. la llamada constante de equilibrio termodinámico:
32 FRIED, M., y SHAPIRO, R. E. (1956). «Soil Sci. Soc. Am. Proc.», (20) (4), 471-‐475. 33 STOUT, P. R. y OVERSTREET, R. (1950). «Ann. Rev. Plant. Physiol.», 1, 305-‐342.
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Se ha objetado que la ley de acción de masas no es aplicable en -‐este caso, por entenderse que el intercambio iónico no es una verdadera reacción química con formación de nuevos compuestos, sino meramente una redistribución dentro de la disolución micelar y entre -‐ella y la disolución intermicelar. Pero el conocimiento actual sobre la estructura de la doble capa difusa y sus relaciones con el medio circundante, permite aceptar con plenitud la aplicación de la ley de acción de masas al estudio del intercambio iónico en el sistema suelo. Desde que Gauss, en 1913, y posteriormente Kerr34, iniciaron su -‐aplicación, son muchas las ecuaciones derivadas35 36.
Aunque la complejidad del sistema desde el punto de vista físico-‐químico, hace desconfiar de la utilización práctica de estas aproximaciones básicas, la realidad es que las ecuaciones de intercambio han sido empleadas últimamente desde 1940 para delimitar problemas, por ejemplo, de salinidad. Sin embargo, su uso para predecir la concentración de iones nutrientes en la disolución del suelo no ha sido todavía completamente satisfactorio, si bien se ha obtenido considerable y valiosa información37.
La atención creciente al equilibrio Donnan, como base para dilucidar los fenómenos de intercambio 38 , justifica que en esta ocasión lo tratemos con cierta amplitud: el estado de equilibrio de un sistema que contenga una membrana impermeable para una especie iónica dada, fue formulado por Dorman en 191139. Para un sistema constituido por los electrolitos RN y N A, el primero no difusible, Donnan demostró que se verifica:
[ N+]i • [ A-‐]i = [ N+]e • [ A-‐]e•
Este producto iónico constante es generalmente conocido como equilibrio de membrana Donnan.
Ulteriores estudios han demostrado que cualquier sistema en el
34 KERR, H. W., (1928). «J. Am. Soc. Agro.», 20, 309-‐355. 35 JENNY, H., (1936). «J. Phys. Chem.», 40, 501-‐517. 36 VANSELOW, A. P. (1932). «Soil. Sci», 33, 95-‐113. 37 BOWER, C. A., (1959). «Soil. Sci», 88, 32-‐35. 38 OVERBEEK, J. TH. G. (1956). The Donnan Equilibrium Pogress. « Biophys. Chem.», 6. 58-‐84. 39 DONNAN, F. S. (1911). «Ztschr. F. Electrochem», 17, 572.
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que al menos una de las especies iónicas esté restringida para difundirse libremente a través del conjunto, viene caracterizado por una distribución Donnan, donde las fuerzas de atracción eléctricas, entre la superficie de la partícula y los contraiones, actúan como un a modo de freno que origina una distribución no uniforme en la disolución micelar.
Termodinámicamente, la condición de equilibrio de un sistema Donnan se caracteriza porque el potencial químico de cada electrolito difusible y el potencial electroquímico de cada especie iónica difusible son constantes en todo el sistema. Así, para una partícula coloidal, en equilibrio con la disolución intermicelar, conteniendo un electrolito fuerte NA, el estado de equilibrio, a temperatura y presión constantes, viene dado por
La aplicación del equilibrio membrana Donnan al estudio de las reacciones de intercambio iónico en suelos ha sido sumamente discutida. No obstante. es evidente que, frente a la mayor parte de otras fórmulas propuestas, presenta como ventaja principal la de contemplar conjuntamente la distribución de los iones presentes, tanto cationes como aniones.
El conocimiento de la actividad de los iones intercambiables es fundamental para el conocimiento correcto del comportamiento físicoquímico general de los suelos y, sobre todo, de la interacción suelo ⇄raíz.
La toma de nutrientes por las plantas. lavado de los mismos, fijación de iones en formas no intercambiables, edafización, formación de minerales de la arcilla, desarrollo del perfil del suelo y otros proceses. están íntimamente conectados con la actividad iónica en los suelos. Y puesto que la disolución del suelo es muy diluida, según ya hemos visto, y dado que a través de ella se verifica principalmente el proceso complejo de la nutrición de la planta, es claro que todo depende de la interdependencia y competitividad de dos grandes procesos de intercambio iónico: suelo ⇄ disolución del suelo y disolución del suelo ⇄raíz.
La adsorción e intercambio aniónicos han sido menos estudiados: pero los efectos sobre los iones intercambiables parece son similares
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a la de los cationes. Ahora bien, contrariamente al intercambio catiónico, la capacidad para retener aniones aumenta con la acidez; el descenso de pH induce la activación de los grupos básicos, por el incremento de la capacidad para aceptar protones. Y puesto que la capacidad para absorber los iones cloruro, nitrato y sulfato es pequeña, a los pH ordinarios de los suelos cultivados, se pierden fácilmente por lavado, a lo que ayuda la adsorción negativa. Esta se explica fácilmente si suponemos una distribución iónica desigual en la doble capa difusa y aplicamos el equilibrio Donnan; en efecto, las experiencias de Mattson40 demuestran que la absorción negativa del ión cloruro disminuye según la secuencia:
sodio → potasio → calcio → bario
y para una bentonita saturada con sodio, la absorción negativa siguió> el siguiente orden de aniones:
cloruro = nitrato → ferrocianuro
Los procesos de intercambio pueden transcurrir como intercambios iónicos ordinarios, vía disolución intermicelar, cuyo equilibrio' viene regulado por la ley de acción de masas, o por contacto directo entre las dos fases sólidas suelo -‐7 raíz. Este último mecanismo fue sugerido por Jenny41, con el nombre de intercambio por contacto. Su teoría describe un dispositivo para reacciones entre adsorbentes sin la participación de electrolitos libres y descansa esencialmente sobre el concepto de espacios de oscilación, solapantes de los iones adsorbidos, englobando todas las superficies iónicas, no sólo coloides del suelo y raíces.
Hay un aspecto mecanístico importante que hace particularmente atractiva esta teoría: entre superficies negativas, la transferencia de cationes puede efectuarse sin ayuda de aniones; inversamente, entre superficies positivas, los aniones pueden ser transferidos sin cationes. Aunque el agua está generalmente presente, no es esencial. Teórica-‐
40 MATTSON, S. (1929). «Soil Sci.», 28, 179-‐220. 41 JENNY, H. (1936). «J. Phys. Chem.», 40, 501-‐517.
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mente, el intercambio por contacto puede tener lugar en cualquier medio con tal de que exista una doble capa eléctrica. Como dice su autor 42, la teoría del contacto, de la nutrición mineral de las plantas en suelos, es sólo una teoría productiva y estimulante, que desvela nuevos horizontes sobre el comportamiento de las plantas en suelos.
Ocupémonos ahora, siquiera brevemente, de una cuestión apasionante por su indudable trascendencia y todavía no resuelta. Es la relativa a la dinámica nutritiva del fósforo.
El nivel de fosfato encontrado ordinariamente en la disolución del suelo es del orden de 10-‐5 a 10-‐6 molar43. Una cosecha normal contiene de 30 a 60 kgs. de fósforo por hectárea. Si tomamos como humedad media del suelo el 20 por 100, se puede ver fácilmente que en todo momento el contenido de fósforo de la disolución sólo es capaz de alimentar a la planta unas horas. Ello significa que la disolución del suelo debe ser renovada, como ya hemos dicho, varias veces al día. Schofield44 estableció la hipótesis de que la disponibilidad de fósforo del suelo está determinada principalmente por el potencial químico adecuado y por la velocidad de disminución de la concentración debida al fósforo retirado. Pero a pesar de la considerable atención prestada a la determinación de los potenciales de fosfato, éstos no caracterizan al suelo en un contexto de nutrición vegetal, ni ayudan satisfactoriamente a comprender la naturaleza del suministro continuo de fósforo a las plantas.
Los productos de solubilidad han sido usados también para caracterizar el sistema fosfato-‐suelo, basándose en el principio de que una vez identificada la especie sólida y determinado su producto de solubilidad, la concentración en la disolución puede deducirse en todo momento sin más que conocer la concentración del catión asociado. Los resultados, sin embargo, no son concordantes, debido principalmente a que no ha sido posible todavía identificar con certeza la existencia de un fosfato determinado, como la especie dominante que induce la concentración de aquél en la disolución del suelo. Además,
42 JENNY, H. (1953). En «Mineral Nutrition of Plants», The University of Wisconsin Press, 2.ª ed., 107-‐32. 43 FRIED, M. y SHAPIRO, R. E. (1961). «Ann. Rev. Plant. Physiol.», 12, 91-‐112. 44 SCHOFIELD, R. K. (1955). «Soil Fertilizers», 18, 373-‐375.
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en los suelos, las interacciones por adsorción modifican las sustancias, y su solubilidad45 46.
La realidad es que hasta el momento no se tiene un conocimiento pleno y, por tanto. susceptible de ser aplicado prácticamente a los complejos problemas que comporta la nutrición fosforada de la planta. Se trata, pues, de una más de las incógnitas por despejar en los. próximos años, tal vez de la mayor importancia. Últimamente47 48, se ha abierto un camino interesante para la movilización del fósforo en suelos con la utilización de sistemas microbioquímicos.
La descripción cuantitativa de las relaciones fase sólida-‐disolución del suelo, puede generalizarse cuando se trata de cationes: pero no así en el caso de los aniones, que, en general, exigen tratamientos individuales. Esto se debe, principalmente, a que la carga y tamaño de los primeros son los factores principales que gobiernan las relaciones entre un catión y otro en el sistema fase sólida-‐disolución; al contrario que los aniones, los cuales están unidos generalmente al suelo participando a la vez electrones y aniones convalentes, en contraste al enlace electrovalente de los cationes. Por todo ello, la asociación aniónica a la fase sólida es infinitamente más compleja y no adecuada para un tratamiento general.
El movimiento de los iones en el suelo bajo condiciones agrícolas ocurre principalmente a través de la fase líquida, según dos aspectos: el movimiento del agua en respuesta al potencial gravitacional y el originado por los gradientes iónicos producidos por la presencia activa de las raíces de las plantas: cuando el agua se mueve, los iones se mueven con ella. El otro aspecto es el relativo al movimiento por difusión, pero sólo sobre distancias mucho más cortas. Pero debemos distinguir, además, en el primero, a su vez, dos tipos:
El movimiento de los iones libres, que es gobernado principalmente por el del agua y en el que los iones nitrato, cloruro y en alguna extensión sulfato, tienden a percolar a través del perfil. Se
45 OLSEN, S. R., WATANABE, F. S. y COLE, C. V. (1960). «Soil Sci.», 90 (1), 44-‐50. 46 GOUGH, N. A y BEATON, J. D. (1963). «J. SCI. Food Agr.», 14, 224-‐228. 47 ORTUÑO, A., CARPENA, O., HERNANSÁEZ, A. y PARRA, M. (1968). Transactions 9th International Congres of Soil Science, IV, 694-‐697. 48 ORTUÑO, A., PARRA, M., HERNANSÁEZ, A., y NOGUERA, J. (1973). «Anal. Edaf. y Agrob.», 32, núms. 3-‐4, 391-‐399.
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oponen a él las fuerzas de evaporación y transpiración, intentando conservar los nutrientes en la zona radicular.
Y el movimiento de los iones adsorbidos por el suelo, que también es dirigido en gran extensión por el movimiento del agua. Pero la concentración de un ión y, consecuentemente, la cantidad del mismo que puede moverse con el agua, viene definida por la relación físico-‐química entre el ión en la disolución y en la fase sólida, y la presencia de otros iones en el sistema. Si bien el movimiento del agua es predecible. el de los iones adsorbidos -‐que repetimos, esencialmente son todos los nutrientes menos nitrato, cloruro y en alguna extensión sulfato-‐ puede variar según la relación entre la concentración de ión adsorbido y la del mismo en la disolución.
El movimiento de los iones por simple difusión tiene lugar, en contraste al anterior, sólo en distancias muy cortas y sigue las leyes de la difusión. Su importancia está todavía por determinar, tal vez por la notoria complejidad del problema, debido a la heterogeneidad del suelo y con poros no uniformes. De aquí que en la ley de Ficks haya que introducir. además del coeficiente de porosidad, el de tortuosidad. Por otra parte, hay también que tener en cuenta que los poros no están completamente llenos de la disolución del suelo.
Puesto que el agua tomada por las plantas alcanza la superficie de la raíz conteniendo los iones nutrientes, puede admitirse la existencia de un flujo iónico hacia la raíz, impulsado por el mecanismo de la transpiración. Por ejemplo, una cosecha de maíz del orden de 3.500 a 4.000 kgs., utiliza de 12,5 a 25 kgs. de fósforo, 50 a 100 kgs. de potasio y cantidades intermedias de calcio y magnesio49. Si la disolución del suelo contiene aproximadamente veinte partes por mi. lIón de fósforo, cien de potasio, cuarenta de calcio y otras tantas de magnesio, entonces los mil metros cúbicos de disolución, que es lo que aproximadamente sería transpirado por las plantas de maíz. aportarían la cantidad de estos elementos demandados por la cosecha.
Sin embargo. las cosas no son tan simples. En primer lugar, el proceso de nutrición es continuo -‐día y noche-‐, mientras que la transpiración no: y, además, la toma de nutrientes es función, entre otras variables, de la edad de la planta, por lo que no necesariamente
49 NELSON, L. B. (1956). «Adv. Agrom.», 8, 321-‐375.
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ha de seguir el mismo ritmo que el consumo de agua. No obstante, considerando que las raíces están continuamente penetrando en nuevas áreas y pueden separar cantidades apreciables del volumen de difusión, la contribución directa del agua transpiracional parece razonable. Pero todo esto no significa que los iones entren en la planta con el agua; pues ambos se mueven independientemente, en respuesta a procesos físico-‐químicos diferentes. Parte de los iones transportados por el agua es tomada por la planta mediante un mecanismo independiente; el resto, queda rezagado en la superficie radicular, o en las partículas del suelo cercanas a la raíz, constituyendo una subsiguiente fuente de suministro.
En resumen, el movimiento de los iones en el suelo tiene lugar bajo la influencia de la difusión y del flujo de masa. Merced a un conjunto determinado de condiciones ambientales, en cada suelo hay un volumen de difusión que libera iones en la superficie de la raíz a la misma velocidad que la planta los transporta al interior. Cuando el factor de capacidad y la velocidad de toma de iones no varía, el volumen de difusión es directamente proporcional a la difusibilidad y al gradiente de concentración. Esto es válido para todas las especies iónicas, adsorbidas o no. Análogamente. el volumen de difusión es inversamente proporcional a las exigencias del nutriente por la planta, puesto que si es baja la velocidad de requerimiento, más tiempo hay disponible para la difusión, con 10 que los iones pueden así alcanzar distancias más grandes y atender todavía necesidades de otras plantas.
Barber50 ha sugerido que los iones asociados a las partículas del suelo se mueven en el flujo de masa de agua, mientras que los no asociados no. De acuerdo con Fried51, todos los iones se mueven por difusión y flujo de masas; cuando el agua no se mueve, los iones se mueven solamente por difusión. Si el volumen de difusión no contiene bastantes nutrientes para las necesidades de la planta, debe ser recargado por el flujo de masa. La cantidad de iones aportados así es función de la concentración de la disolución del suelo y no de si el ión es adsorbido o libre.
50 BARBER, S. A. y WALKER, J. M. (1962). Trans Fourth Comm. Intern. Soc. Soil. Sci., Nueva Zelanda, 121-‐124. 51 Cf. FRIED, M. (24), 68.
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III. ABSORCIÓN Y TRANSPORTE EN LA RAÍZ
Cuando las primeras plantas comenzaron, hace muchos millones de años, a emerger de los océanos e invadir la tierra, se provocó la separación en el espacio de las dos grandes fases de la nutrición: la inorgánica, con la adquisición de los nutrientes minerales y el agua a través de la raíz, que por penetrar en el suelo está privada de la luz y por consiguiente de la fotosíntesis; y la orgánica a cargo de las partes aéreas de la planta. Esta separación espacial fue la causa determinante de la evolución de estructuras y mecanismos que diferencian esencialmente a los individuos pertenecientes a los llamados grandes Reinos de la Vida. Efectivamente, las plantas han evolucionado sobre esquemas básicamente diferentes de los animales 52 ; mientras que éstos son mecanísticos y determinados en su desarrollo y vida. las plantas crecen y actúan sin estar sometidas a tal limitación; en cambio, tienen una movilidad mucho más reducida y están constreñidas a crecer en un entorno concreto.
Por su naturaleza autótrofa, para las plantas superiores la nutrición orgánica no constituye un problema de tan capital importancia como para los animales; pero, a cambio, su dependencia de los aportes edáficos las hace particularmente conservadoras en la nutrición mineral, especialmente respecto del nitrógeno.
Los vegetales han evolucionado constantemente y todavía siguen evolucionando. Y esta evolución ha afectado también, aparte de tamaño, forma, hábitos de crecimiento y vida-‐ a los procesos fisiológicos y bioquímicos. Pues si bien es cierto que los dos procesos básicos -‐fotosíntesis y respiración-‐ no han cambiado durante un gran período de tiempo, existen indicaciones recientes de que algunos de los procesos subsidiarios pueden experimentar modificaciones considerables cuando las nuevas plantas evolucionan en respuesta a sus continuados cambios ambientales.
Como ya hemos dicho, casi todos los nutrientes son extraídos por las plantas principalmente del suelo. Este hecho tiene un profundo significado respecto de la evolución vegetal sobre la tierra; en efec-‐
52 BIDWELL, R. G. S. (1974). Plant Physiology. Mac Millan Publishing Co. Inc., Nueva York, 3-‐7.
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to, dado que los nutrientes esenciales existentes en el suelo son en su mayor parte relativamente inmóviles, los órganos preferenciales de absorción -‐las raíces-‐, han evolucionado en orden a penetrar en el conjunto de la masa del suelo y dando lugar a que la superficie absorbente sea lo más grande posible.
Las raíces representan, en definitiva, la adaptación que capacita a las plantas para extraer del suelo los nutrientes que le son esenciales. El Íntimo contacto con la masa del suelo que su función requiere es, por tanto, la región de asentamiento localizado propia de la planta. La fotosíntesis y la fijación del nitrógeno pueden no ser necesariamente incompatibles con los organismos móviles 53 54 , pero la adquisición primaria de los nutrientes minerales del suelo sí. Podría deducirse de todo ello que los animales terrestres hemos adquirido la libertad de movimiento precisamente por el desarrollo evolutivo,. que nos emancipó de la nutrición principalmente mineral.
Cualquier conclusión con respecto a la penetración de un IOn en la raíz debe ser consistente con la estructura de la misma; pero las observaciones directas de esta penetración están limitadas por las escasas posibilidades que todavía disponemos de localizar los iones. a nivel endocelular y en determinado momento.
Progresos constantes se vienen haciendo en este campo tanto por el desarrollo de técnicas de fraccionamiento ópticas asociadas al microscopio electrónico, reacciones histoquímicas, autorradiografía y análisis por rayos X. Esta última, todavía incipiente, consiste en focalizar un haz electrónico sobre la muestra y analizar la radiación X emitida.
Durante los últimos años, la absorción mineral ha suscitado enorme interés. En el plano técnico, se han perfeccionado los modelos biofísicos en función del progreso de la termodinámica de sistemas irreversibles y de los recientes avances de la Bioquímica, lo que ha conducido a hipótesis razonables sobre las relaciones entre la absorción y el metabolismo celular. El contraste experimental de dichas hipótesis se ha visto considerablemente favorecido por la mejora
53 TRENCH, R. K.. GREENE, W. y BYSTROM, B. G. (1969). «J. Cell. Biol.», 42, 404-‐417. 54 BERGERSEN, F. J. y HIPSLEY, E. H. (1970). «J. Gen. Microbiol.», 60, 61-‐65.
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obtenida en las técnicas analíticas y muy especialmente en el empleo de radioisótopos.
Las plantas muestran una clara selectividad por los iones que le son ofrecidos. Así mientras que el sodio penetra muy mal en las células. éstas acumulan potasio hasta concentraciones más elevadas que en el medio.
Además del tipo, edad y especie, la absorción viene frecuentemente influida por la composición mineral del medio. no sólo por la concentración del elemento de que se trate. sino por interacciones de los diversos iones, particularmente los antagonismos.
También el estado fisiológico celular ejerce una influencia determinante. Por ejemplo. la falta de oxígeno y la presencia de inhibidores respiratorios, disminuye fuertemente la absorción: en cambio. viene estimulada por la temperatura, con la excepción del calcio.
Una vez absorbidos los iones han de atravesar la pared celulopéctica y el plasmalema. Algunos, como el calcio y el sodio, son retenidos en este paso en proporción bastante importante, mientras que el potasio, cloruro, nitrato y fosfato emigran en casi su totalidad hacia el interior. En el citoplasma, los iones se fijan más o menos sobre las diferentes estructuras (retículo endoplásmico, ribosomas), penetran en los orgánulos endocelulares (mitocondrias, cloroplastos) o ganan la vacuola atravesando el tonoplasto. A menudo, el paso de una célula a otra se verifica entre los citoplasmas respectivos mediante los plasmadesmos.
Si un tejido vegetal, después de lavado con agua, se sumerge en una disolución salina, acontece una absorción iónica muy rápida, prácticamente completa en pocos minutos; a ella sigue otra más lenta, que puede durar varias horas e incluso días. Si el tejido es transferido de nuevo al agua, gran proporción de los iones primeramente retenidos son devueltos al medio. El tratamiento ulterior con una disolución salina, libera por intercambio otra fracción iónica. Finalmente el resto, la fracción no exsorbable, queda retenida firmemente.
Se acepta de modo general que la captación rápida inicial representa el movimiento iónico en todos los espacios ocupados por agua en las grandes células y es ordinariamente referido al llamado espacio libre, esto es, a la parte muy accesible de las células. Por el contrario, la fracción intercambiable comprende aquellos iones que son
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adsorbidos en la doble capa eléctrica o espacio libre Donnan, que también está en la pared celular.
Se han efectuado numerosos intentos para estimar el volumen de tejido ocupado por el espacio libre, con resultados erróneos en la mayoría de los casos. Para evitarlos, se introdujo el concepto de espacio libre aparente, que puede ser definido como el volumen calculado en una célula o tejido que estaría «ocupado» si la concentración iónica en ese volumen fuera la misma que la del medio bañante. El espacio libre proporciona un continuo entre la disolución del suelo y todas las células de la corteza radical, por lo que ésta no constituye, evidentemente, una barrera principal para la absorción. De acuerdo con ello, la disolución del suelo puede penetrar a través de la corteza hasta la endodermis, vía la pared celulopéctica, sin cruzar ninguna membrana o barrera de alta resistencia, lo que significa que cada célula cortical está bañada en un medio muy similar al que rodea la raíz y que su plasmalema está en contacto directo con esta disolución. Resulta así una vasta área superficial, donde puede tener lugar la acumulación iónica dentro del citoplasma cortical. De esta forma las células pueden capturar la masa de iones de la disolución, que está moviéndose a través de la raíz en respuesta al gradiente del potencial hídrico creado por la transpiración, o por la acumulación de solutos en la savia del xilema. Las paredes de las células corticales tienen una fase Dorman en la que aniones y cationes pueden resultar fijados. Finalmente, algunos de éstos, junto con los iones del espacio libre. son transferidos al interior del citoplasma.
Aunque el reconocimiento de la existencia del espacio libre resuelve algunos problemas conceptuales sobre cómo los iones son acumulados por las células y transportados entre ellas, la importancia del mismo respecto a su papel e influencia en la velocidad de la captación iónica está por demostrar todavía.
Tanto las raíces vivas como muertas absorben iones. Sin embargo, la mayor parte de los problemas importantes acerca de la naturaleza y extensión de esta absorción permanece todavía sin respuesta. En particular, hay una mayor falta de conocimiento acerca de la absorción aniónica. Gran parte de la información adquirida se refiere a raíces muertas y la relación entre éstas y las raíces vivas es esencialmente desconocida.
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El fenómeno de la absorción de iones por raíces muertas fue descubierto por Williams y Coleman 55 , y se suele expresar como capacidad de intercambio, aniónico o catiónico, de raíces56 57. Durante mucho tiempo y por diversos investigadores se apoyó la idea de que la capacidad de cambio de raíces explicaba las necesidades relativas de las diversas especies vegetales58. Sin embargo, hoy se acepta que otros factores. distintos de la capacidad de cambio de raíces, controlan la toma de iones por raíces vivas.
Aun con las discrepancias señaladas, son numerosos los hechos experimentales que muestran interacciones entre coloides del suelo, intercambio catiónico en raíces y nutrientes. para descartar la idea de que la capacidad de intercambio iónico de las raíces no influye en: el estado nutritivo de las plantas.
En resumen, podemos concluir hasta aquí que es posible diferenciar tres rutas principales en el flujo iónico absorbido: la más rápida corresponde a la entrada o salida de los espacios extracelulares, que se identifican «a grosso modo» como el espacio libre: la segunda corresponde al paso del plasmalema: y, por último. la más lenta, a través del tonoplasto. Una descripción segura de los movimientos en el seno de la célula, no podrá ser elaborada definitivamente hasta que se tengan datos cuantitativos precisos sobre la localización endoce¬II1Jar de los iones absorbidos. N o obstante, en relación con los tipos de transporte y los mecanismos en él implicados, se ha realizado un trabajo considerable que merece ser comentado:
Para que los iones penetren en el espacio no libre de la célula han de atravesar la membrana exterior, el plasmalema. El movimiento, a través de ella puede ser activo, es decir, que el ión se mueve frente al gradiente de potencial electroquímico con la ayuda de la energía metabólica: o pasivo, en respuesta al potencial de difusión o al potencial Donnan a través de la membrana. Debe subrayarse que, a veces, el llamado movimiento pasivo es consecuencia del gradiente estable
55 WILLIAMS, D. E. y COLEMAN, N. T. (1950). «Plant and Soil», 2 (2), 243-‐256. 56 DRAKE, M., VEUGRIS, J. y COLBY, W. (1951). «Soil Sci», 72 (2), 139-‐147. 57 PETERBURGSKII, A.V. y NELUBOVA, S. I. (1963). «J. Sci. Food Agr.», 14 (3), 186-‐187. 58 BLACK, C.A. (1957). Soil Plant Relationship. John Wiley and Sons. Inc. Nueva York.
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cido previamente por un proceso metabólico; en ese caso, se trata (de un transporte pasivo activado. Pero además, la síntesis y permanencia de la membrana -‐cuya presencia es esencial en el conjunto del sistema-‐ es en sí mismo un proceso consumidor de energía. Los tones del espacio roo libre -‐que principalmente lo constituyen las vacuolas-‐ no se difunden o intercambian fácilmente con iones similares del medio externo en tanto que las membranas permanezcan intactas.
Nosotros podríamos definir más precisamente el transporte pasivo como el que se efectúa en el sentido de una disminución de potencial electroquímico. Pero como en la práctica la medida de este potencial no es fácil, para apreciar si un transporte es pasivo debemos acudir a indicaciones indirectas tales como la temperatura o la Insensibilidad a los agentes metabólicos.
El mecanismo más invocado a menudo para el transporte pasivo es la difusión, donde las partículas se mueven bajo el efecto de la agitación molecular y, eventualmente, de un campo eléctrico. Es por la difusión como tiene lugar la entrada y salida en el llamado espacio libre.
Los intercambios de iones absorbidos se efectúan en sí mismos pasivamente; no obstante, el metabolismo puede modificar las condiciones de estos intercambios hasta el punto de que se ha sugerido un papel posible de la absorción en el transporte activo.
Si consideramos la absorción como un simple paso de partículas a través de una membrana, es decir, de modo pasivo, los desplazamientos de aquéllas están ligados a la variación del potencial electroquímico.
En un sistema físico-‐químico susceptible de evolución a temperatura y presión constantes, como los sistemas biológicos, el sentido de aquélla puede ser deducido mediante la consideración de una función característica del estado del sistema, la entalpía libre o energía libre de Gibbs.
El hecho de que el potencial electroquímico sea una entalpía libre significa que necesariamente ha de disminuir en una transformación real, salvo que reciba energía exterior. Esta es, en suma, la propiedad que define el transporte pasivo, movimiento que se realiza en el sentido de descenso del potencial electroquímico y que puede en-‐
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tonces producirse espontáneamente. Por oposición, el transporte activo, efectuado en sentido del aumento del potencial electroquímico, necesita obligatoriamente una fuente exterior de energía y un mecanismo que permita utilizarla.
La realidad del transporte activo es plenamente aceptada por la falta de concordancia entre los resultados experimentales y las leyes fundamentales de la difusión, así como por las correlaciones observadas entre la intensidad de la absorción y las actividades metabólicas.
Las interpretaciones de los mecanismos del transporte activo se han reducido a dos hipótesis que no se excluyen entre sí e incluso presentan analogías. Mientras que una se fundamenta en adsorciones y deserciones sucesivas sobre lugares cada vez más internos, la otra invoca la existencia de transportadores móviles y susceptibles de unirse provisionalmente con los cuerpos a transportar como el enzima se une con su sustrato. Diversas dificultades han conducido a modificar un poco esta última y a tener presente las reacciones vectoriales que se desarrollan sobre las membranas.
La primera sugerencia sobre transportadores iones se debe a Lapiccque 59, al pretender explicar el fenómeno de la epictesis en el alga de agua dulce Ectocarpus; pero son los trabajos de Lundegärdh60 61 , y sobre todo de Epstein62, los que determinaron el nacimiento de la teoría de los transportadores.
Para Lundegärdh, la absorción de cationes no constituye problema si se admite la existencia en la raíz de macroaniones de naturaleza proteínica. Respecto del transporte de aniones, sugirió que la energía necesaria procedía de un suplemento de respiración que denominó «respiración aniónica»; los transportadores serían los citocromos. La teoría fue modificada posteriormente63, para intentar responder a las diversas objeciones formuladas. Sin embargo, no es capaz de explicar la diferente velocidad de adsorción de los aniones,
59 LAPICCQUE, L. «Bull. Soc. Chim. Biol.», 7. 621. 60 LUNDEGÄRD,H. y BÜRSTROM, H. (1933), «BIOCHEM. Z.» , 261, 235-‐251. 61 LUNDEGÄRD, H. (1951). Leaf Analysis. Hilger and Watts Ltd, Londres. 62 EPSTEIN, E. (1953). «Nature», 7. 621. 63 LUDENGÄRDH, H. (1966). Plant Phisiology. American Elsevier Publishing Company Inc., Nueva York.
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así como que la relación entre los adsorbidos y el oxígeno reducido sea a menudo superior a la teórica. Y, sobre todo, por la distinta localización del transporte electrónico realizado en las mitocondrias, del de aniones, que tiene lugar a través del plasmalema y el tonoplasta.
Para Epstein64, el transporte activo consiste en que un constituyente de la membrana -‐el transportador-‐ liga selectivamente los. iones y los conduce a través de aquélla. De acuerdo con esta hipótesis, un ión penetrante (N) se combina con el transportador (T) en la superficie exterior de la membrana. Tal estado debe implicar adsorción, adsorción por intercambio, o alguna clase de reacción química. El complejo (T N) no puede salir de la membrana, pero sí moverse hasta su parte interna, donde es roto, liberando el ión a la vez que se forma un precursor del transportador (T). Este retrocede a través de la membrana y es convertido a T, el cual puede ahora aceptar otro ión en la superficie. De esta forma, un número limitado de moléculas del transportador son capaces de transportar a un número indefinido de iones. Este esquema de la unión provisional del transportador con el ión es del todo semejante a la unión enzima-‐sustrato. Es decir,
T + N ⇄ T N → T + N’ (VI)
Comparable a:
E + S ⇄ ES → E + P (VII)
ecuación de Michaelis-‐Menten65.
El principal argumento en favor de tal analogía es la concordancia entre la forma de las curvas experimentales de la absorción en función de la concentración y la de las curvas teóricas que resultan: de la aplicación de la ecuación de Michaelis-‐Menten. También explica los antagonismos de iones y su competencia para el mismo transportador, de la misma forma que un inhibidor y el sustrato en una inhibición competitiva, así como las relaciones estrechas entre absorción y síntesis de proteínas, procesos ambos sensibles al cloroanfenicol. Por último, la demostración de la existencia de permea-‐
64 EPSTEIN, E. y HAGEN, C. E. (1952). «Plant Physiol», 27, 457-‐474. 65 MICHELIS, L. y MENTEN, M. L. (1913). «Biochem.», 2, 49, 333.
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sas 66 67 , verdaderas enzimas transportadoras, viene a reforzar la hipótesis.
Sin perjuicio de los aspectos mencionados, muy favorables a los transportadores, es lo cierto que todavía existen cuestiones sin dilucidar, a saber: la analogía de las curvas de los modelos teóricos y las experimentales no es una prueba absoluta; la ecuación de Michaelis-‐Menten conduce a una relación hiperbólica entre la velocidad y la concentración exterior, pero una relación análoga se encuentra también con la ecuación de Langumir para los procesos de adsorción.
Se puede admitir que hay en las membranas transportadores enzimáticos y que el modelo es aceptable no sólo para la travesía del citoplasma, sino también para franquear una membrana como el plasmalema o el tonoplasto. Pero todavía falta por explicar con nitidez por qué hay una carga del nutriente a la entrada de la membrana y una descarga a la salida. En fin, también falta aclarar por qué el complejo T N emigra a través de la membrana, si bien Epstein68 estima se debe a la difusión, análogamente a la penetración de los iones alcalinos en las mitocondrias mediante su unión con sustancias ionóforas. como la valinomicina; pero el argumento no es válido, porque se trata de una difusión activada y no de un transporte activo como el que venimos considerando.
La velocidad de la captación iónica activa es a menudo directamente proporcional a la concentración exterior del ión para el rango más bajo de la concentración; cuando los niveles de la concentración exterior alcanzan los valores más altos, eventualmente se llega a una velocidad máxima. o de saturación, según la ecuación siguiente:
donde [N] es la concentración exterior del ión y Km análoga a la constante de Michaelis, siendo la concentración de N aquélla a la que V alcanza la mitad de la velocidad máxima. 66 KEPES, A. (1960). «Biochim. Biophysic.», Acta, 40, 70. 67 KEPES, A. (1971). «Phisyol. Veg.», 9, 11-‐23. 68 EPSTEIN, E. (1972), Cf. (20), 141.
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La ecuación (VIII) puede transformarse en:
o en:
lo que permite una comparación fácil con los resultados experimentales y la determinación de los valores de V y Km.
Ordinariamente algunas comparaciones producen dos líneas, a partir de las cuales es posible obtener dos diferentes Km, y Vmax. Este resultado ha conducido a la conclusión de que dos transportadores diferentes, o dos puntos de un mismo transportador, están implicados en el transporte de algunas especies iónicas. Uno de estos puntos, que parece ser sólo funcional a concentraciones alrededor de 1 mM, o menos, viene definido como sistema 1; el otro, que interviene a concentraciones mayores (entre 1-‐50 mM), se ha llamado sistema 2. En la actualidad hay fuerte controversia sobre la localización de ambos: mientras que algunos investigadores opinan 69 que están en serie -‐el sistema 1 en el plasmalema y el 2 en el yonoplasto-‐, otros los sitúan en paralelo y en el plasmalema70.
Recientemente 71 se ha reconocido la existencia de mecanismos multifásicos para la toma de iones por las plantas superiores. Este concepto ha resultado valioso para resolver la evidente contradicción de los modelos en serie y en paralelo. El modelo en serie ha sido sustituido por el modelo de series multifásico, que implica un simple mecanismo multifásico en el plasmalema y, probablemente, un mecanismo similar en el tonoplasto. Mientras que está establecido que las ATPasas están implicadas en el transporte iónico de tejidos animales, en lo referente a las plantas es todavía objeto de controversia72, si bien hay nueva evidencia en el sentido de qué las ATPasas estimulan la unión membrana-‐iones monovalentes.
69 LATIES, G. G. (1969). «Ann. Rev. Plant. Physiol.», 20, 89-‐119. 70 EPSTEIN, E. (1972). Cf., 135-‐141. 71 NISSEN, P. (1974). «Ann. Tev. Plant. Physiol.», 25, 53-‐79. 72 RATNER, A. y JACOBY, B. (1973). «J. Exp. Bot.», 24, 231-‐338.
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Hasta la fecha no han sido identificados en plantas transportadores de la clase postulada por la evidencia cinética. Ciertamente que inhibidores que interfieren la síntesis de proteínas también inhiben la absorción iónica; pero ello no constituye una prueba directa de que los transportadores sean proteínas. Se ha mencionado que algunos antibióticos, la valinomicina entre otros, enlazan iones, por ejemplo potasio, con un alto grado de especificidad y aceleran su movimiento a través de membranas biológicas73. Esto es, actúan como «ionóforos» o transportadores iónicos.
Aunque la naturaleza de los transportadores es todavía desconocida, son varias las sugerencias en favor de que sean proteínas o aminoácidos 74 , o ribonucleoproteínas 75 . Ahora bien, si los transportadores son de naturaleza proteínica, y dado que ellas están continuamente degradándose y sintetizándose, se explica la necesidad de ATP en la absorción iónica. También se ha sugerido 76 que la lecitina, presente en todas las células vivas, pueda ser un transportador.
Existe también evidencia de que la aptitud de una célula vegetal para acumular iones está estrechamente relacionada con su capacidad para sintetizar proteínas. La inhibición reversible de la captación iónica se ha conseguido con el empleo de algunos antibióticos que se piensa interfieren específicamente dicha síntesis. Así, en presencia de cicloheximida, la capacidad de la raíz de remolacha para absorber potasio, sodio y cloro, disminuye gradualmente, y la captación de cada ión es afectada en grados diferentes. El cloroanfenicol también reduce muy marcadamente la captación iónica77 78; en este caso, su acción puede adscribirse a la de inhibidor en la utilización de la energía respiratoria79. Estas observaciones son coherentes con el
73 PRESSMAN, B. y HAYNES, D. H. (1969). The Molecular Basis of Membrana Function. Prentice-‐Hall, Inc., Englewood Cliffs. 74 BROOKS, S. C. (1937), «Trans. Faraday Soc.», 33, 1002-‐1006. 75 TANADA, T. (1956) «Plant Physiol.», 31-‐251-‐253. 76 BENNET-‐CLARK, T. A. (1956). The Chemistry and mode of action of plant growth substances. Butterworths, Londres, 284-‐291. 77 SUTCLIFFE, J. F. (1960). «Nature», 195, 1014. 78 JACOBY, B. y SUTCLIFFE, J. F. (1962). «Nature», 195, 1014. 79 STONER, C. D., HODGES, T. K. y HANSON, J. B. (1964). «Nature», 203, 225-‐261.
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punto de vista de que el transporte iónico implica «turnover» de proteínas80.
Hay, pues, evidencia de una relación entre síntesis de proteínas y captación iónica 81 82 , pero hasta ahora no se ha establecido definitivamente si la relación entre ambos procesos es directa o indirecta.
A pesar, como acabamos de ver, de la falta de evidencia experimental completa, la acumulación activa de los iones es corrientemente descrita por la hipótesis de los transportadores. Es decir, la acumulación se inicia con la combinación del ión con un transportador, viaja a través de una etapa metabólica que requiere energía y termina cuando el ión es depositado o asociado al metabolismo interno de la planta. El esquema siguiente lo resume
Mientras que la ecuación (XI) describe la saturación parcial del punto de unión, la (XII) representa la etapa de exigencia metabólica; y, por esto, se refiere al proceso de acumulación activa, de' proporción limitada.
Puesto que la reacción hacia la izquierda de (XII) es relativamente lenta, podemos considerar irreversible a la de sentido opuesto. para condiciones ordinarias y en lo que respecta a la acumulación iónica activa. Si ambas ecuaciones representan el proceso de acumulación' iónica, puede admitirse que su expresión matemática debe describirlo-‐cuantitativamente.
De acuerdo con ello, la toma de iones ha de relacionarse necesariamente con las constantes de reacción y las concentraciones de los reaccionantes. Suponiendo que no es despreciable, o que las condiciones experimentales son tales que únicamente se registra la acu-‐
80 SUTCLIFFE, J. F. y COUNTER, E. R. (1962). «Nature», 183, 1513-‐1514. 81 BRENNER, M. L. y MAYNARD, N. (1966). «Plant Physiol.», 41, 1285-‐1288. 82 STEWARD, F. C. y STREET, H. E. (1947). «Ann. Rev. Biochem.», 16, 471-‐502.
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mulación del ión en la planta, podría considerarse la ecuación siguiente:83
Si la concentración de N en la disolución se mantiene constante y lo mismo ocurre en la raíz respecto del transportador, la comparación de N a con t dará una línea recta.
Cuando se aumenta la concentración de N, la velocidad máxima -‐de acumulación, Vmax, se dará si la concentración de T N es igual a la concentración total del transportador presente, [∑ T], es decir, cuando [T N] = [∑ T], de donde Vmax = [∑T] K2 (XIV). Además, en el estado estacionario, donde la velocidad de acumulación de N es constante, la concentración de T N será también constante y su variación cero. Por tanto,
de donde
Km es una constante que relaciona las diversas constantes de reacción y es análoga a la constante de Michaelis-‐Menten de un complejo enzima-‐sustrato, según ya dijimos.
El modelo descrito muestra que la acumulación iónica es consecuencia de un proceso de captación, que se puede caracterizar esencialmente por tres constantes -‐∑ T, K2 y Km-‐ llamadas constantes biológicas. Todos los efectos ambientales en la toma de nutrientes pueden ser descritos por su influencia sobre dichas constantes. La determinación del efecto de tratamientos específicos sobre todas y cada una de ellas puede ser utilizado para dilucidar la naturaleza y pauta del mecanismo de acumulación.
83 V= velocidad de acumulación iónica. Na= cantidad del ión acumulada en el tiempo t
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Ya hicimos notar que los iones son adsorbidos tanto por las raíces. vivas como muertas, pero que los fenómenos de adsorción son claramente diferentes. Una explicación razonable de ello puede ser que en estas últimas se producen diferencias en los puntos de adsorción, debidos a cambios químicos en el tejido radicular. Sin embargo, es mucho más difícil de explicar por qué el proceso de intercambio en raíces muertas sigue la bien conocida ley de la valencia y las series liotrópicas, mientras que las vivas muestran una especificidad marcada tanto para el proceso de adsorción como el de acumulación iónica.
La imagen general que así surge es que la captación de iones por las raíces de las plantas implica un proceso metabólico activo, absolutamente específico, el cual no aumenta por cualquier adsorción de iones no específica que pueda acontecer sobre las superficies radiculares. No obstante, la adsorción de un ión hasta el lugar del transportador es una primera etapa susceptible de ser confundida con la adsorción no específica, que ocurre generalmente en las raíces muertas o dañadas, y también, aun con extensión limitada, en las vivas. o incluso en los efectos Donnan que pueden tener lugar tanto en unas como en otras.
Aunque las ecuaciones (XI) y (XII) constituyen la más completa representación de la teoría transportador-‐captación iónica, no tienen en cuenta, sin embargo, la necesidad de que, para mantener la neutralidad eléctrica en la disolución exterior, la planta ha de tomar el mismo número de cationes que de aniones, o que, simultáneamente con la captación de un ión, debe pasar a la disolución otro con la misma carga e idéntico signo. Cualquier combinación de estos dos procesos, adecuadamente equilibrados, podrían mantener satisfactoriamente la neutralidad eléctrica.
Existe la evidencia creciente de que al menos parte de este equilibrio es mantenido por intercambio de iones hidrógeno. Ello significa, además, que el pH puede afectar la toma de cationes, lo que ha sido plenamente demostrado, así como que el potasio y sodio son adsorbidos en intercambio con hidrogeniones, independientemente de los aniones en disolución 84.
84 JACKSON, PC. C., y ADMAS, H. R. (1963).«J. GEN. PHYSIOL.», 46, 369-‐386.
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En este sentido, ha resultado sumamente convincente la teoría quimiosmótica de Mitchell85. Merced a ella, se ha podido demostrar experimentalmente que la respiración mitocondrial viene acompañada de una elevación del pH exterior. El gradiente de pH crea una diferencia de potencial a través de la membrana, que puede ocasionar una absorción de cationes. No se trata de un transporte activo en sí mismo, sino activado por el transporte activo de iones hidrógeno. Es, en definitiva, la oxirreducción original -‐generadora de la variación de pH y subsiguiente diferencia de potencial-‐ la fuente energética necesaria para el transporte. Quizás convenga señalar aquí que la permeabilidad es una propiedad de la membrana y no de las sustancias que la atraviesan86.
Como ya hemos visto, la concentración exterior tiene una influencia directa sobre la captación iónica y la isoterma de absorción es hiperbólica para la mayor parte de los iones. La absorción de un determinado nutriente puede ser influida por la presencia de otro en el medio: el ejemplo clásico lo ofrece el efecto del calcio sobre la toma de potasio y cloruro, que son promovidas por aquél hasta una cierta concentración, decreciendo cuando ésta es sobrepasada. La presencia de aniones metabólicamente importantes, tales como fosfato y nitrato, estimulan a menudo la toma de otros iones, presumiblemente a través de un efecto sobre el metabolismo.
En definitiva, las interacciones de nutrientes pueden obedecer a: una de las causas siguientes: directamente con el transportador. o el sistema que lo produce. o con el sistema de reciclaje, de tal forma que cambie la constante biológica de la etapa limitante.
Es particularmente importante la llamada inhibición competitiva. Consiste en que un ión extraño I compite reversiblemente con el ión requerido N por el mismo lugar sobre el transportador. La velocidad máxima, Vm, permanece igual: desde el punto de vista físico-‐químico, la inhibición puede ser vencida incrementando la concentración de N. Se puede expresar el proceso competitivo así:
I + T ⇄ I T (XVI)
85 MITCHELL, P. (1966). «Biol. Rev.», 41, 445-‐602. 86 KRAMER, P. (1969). Plant and Soil Water relationships. Mc Graw-‐Hill. Nueva York.
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La ecuación de conservación será:
[ ∑ T] = [T] + [ I T] + [TN] (XVII)
Relacionando las concentraciones iónicas y las constantes de disociación aparente con la cantidad de intermediarios activos, se deduce:
[ TN] = ∑ T – ( Km + Km [ I ] / Ki ) [TN] / [ N] • Ki (XVII)
es una constante, función de la asociación del ión inhibidor al transportador y análoga a Km. Sustituyendo T N y ∑ T por las respectivas relaciones obtenidas para las ecuaciones cinéticas del estado estacionario (ecuaciones XIII y XIV), resulta:
v = Vmax – (Km + Km [ I ] / Ki) v / [ N] (XIX)
Las características de la competencia son tales que ∑ T y K2 son invariables y como consecuencia Vmax también.
La aplicación de estas ecuaciones ha permitido calcular Ki (Km del ión en competencia) para iones no nutrientes, por ejemplo, cesio y rubidio con potasio87 y bario y estroncio con calcio88. Pero todavía no ha sido posible demostrar que dos iones nutrientes utilicen el mismo punto de unión de captación iónica cuando se aplica estrictamente la definición de inhibición competitiva. Y así, por ejemplo, la interacción amonio-‐potasio se ha demostrado no competitiva89.
Muchos investigadores 90 91 han determinado la capacidad de intercambio radicular bajo el supuesto de que los efectos interiónicos entre cationes pueden explicarse por la competencia para los puntos de intercambio de las raíces, análogamente a la que existe sobre la superficie de una arcilla. Se ha podido demostrar92 que existe una correlación positiva entre la capacidad de cambio catiónica de las
87 BAUGE, G. G. J., y OVERSTREET, R. (1969), «Plant Physiol.», 35, 605-‐609. 88 LEGGETT, J. E. y EPSTEIN, E. (1956). «Plant Physiol.», 31, 222-‐226. 89 TROMP, J. (1962). «Acta Botan. Neerland», 11, 147-‐192. 90 SMITH, R. L., y WALLACE, A. (1956).«Soil. Sci.» , (21), 97-‐109. 91 HEINTZE, S. G. (1961). «Plant and Soil», 13, 365-‐373. 92 CROOKE, W. y KMIGHT, A. H. (1962). «Soil Sci.», 93 (6), 365-‐373.
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raíces y los cationes totales; pero ello no significa que haya una relación directa causal. Por el contrario, hay mucha evidencia de que la capacidad de intercambio radicular no está relacionada causalmente con el mecanismo de captación iónica. La especificidad de ésta ha sido ampliamente demostrada93 94 95 , y la competencia entre iones de propiedades fisicoquímicas semejantes se reconoce reiteradamente, en contraste marcado con los efectos electrovalentes no específicos. Lo mismo puede decirse para los llamados «efectos Dorman», que presumiblemente deben ocurrir en la vecindad de una superficie cargada negativamente o en el llamado espacio libre aparente. La literatura científica está repleta de citas sobre el efecto de un ión en la captación de otro, pero sin evidencia experimental del mecanismo.
La teoría de los transportadores, tanto si se consideran móviles o fijos en las membranas -‐los llamados «enzimas vectoriales» 96 -‐, proporciona la explicación más ampliamente aceptada de la captación iónica, en razón al importante apoyo experimental obtenido. Pero hasta la fecha carecemos de evidencia absoluta, ya que no se ha conseguido aislar e identificar moléculas transportadoras, si bien se ha hecho algún progreso en el aislamiento de proteínas enlazantes de iones y procedentes de membranas de microorganismos97.
Otra posibilidad de transporte iónico a través de las membranas consiste en la pinocitosis. Se trata de que la fijación de iones en el plasmalema provoca una vesicularización, con posterior desplazamiento en el seno del citoplasma de las vesículas formadas. En realidad éstas no son más que fragmentos de plasmalema que actúan como vectores proteínicos98.
93 EPSTEIN, E. y HAGEN, C. E. (1952).«Plant Physiol.», 27. 457-‐474. 94 LATIES, S. C. (1959). «Ann. Rev. Plant Physiol.», 10, 87. 95 FRIED, M. y SHAPIRO, R. E .(1961). «Ann. Rev. Plant Physiol.», 12, 91-‐112. 96 HELLER, R. (1974). L´absortion minérale chez les végétaux. Masson et Cie., París, 97. 97 SUTCLIFFE, J. F. Cf. (5), 34. 98 BENNET, h. s. (1956). «J. Biophys. Biochem. Cytol.», 2, 99-‐103.
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IV. DISTRIBUCIÓN DE NUTRIENTES EN LA PLANTA
El movimiento y localización de nutrientes en la planta constituye uno de los problemas científicos más complejos y fascinantes que por desgracia no ha recibido la atención que merece. Las dos zonas principales de absorción y de síntesis -‐raíces y hojas, respectivamente-‐ están situadas en los extremos de un largo eje, cuya longitud puede alcanzar hasta los cien metros. Los iones deben recorrer a menudo un largo camino hasta las hojas más extremas y, a su vez, los productos en éstas sintetizados han de transportarse también a considerables distancias, hasta las ramas más bajas y las raíces. Pues bien, a pesar de la importancia que para el crecimiento y desarrollo vegetal tienen los procesos de transporte, nos falta todavía un conocimiento claro de cómo se efectúa y controla el movimiento de los nutrientes. Sabemos que el agua y las sales han de atravesar la corteza radicular, antes de penetrar en el xilema: los azúcares y otros solutos, elaborados en las células foliares. han de ser movilizados dentro de los conductos del floema: por último, como ya ha sido demostrado. puede ocurrir un transporte radial entre los tejidos del xilema y floema.
Los elementos esenciales se acumulan en los extremos de la planta igual que en las raíces. La relación entre acumulación radicular y translocación ulterior no está clara: se acepta generalmente que los iones se mueven hacia los vástagos principalmente por el xilema.
En su forma más simple. y como ya hemos visto, la captación pasiva de los iones en plantas cultivadas consiste sencillamente en una continuación de la disolución del suelo a través de la planta en el llamado espacio libre. tanto en raíces como en brotes. Tal hipótesis es atractiva. porque elimina la necesidad de explicar cómo los iones se mueven de célula a célula. puesto que la misma sugiere esencialmente que todas las células son bañadas por la disolución externa y solamente acumulan los iones que necesitan. Explica además por qué las plantas captan casi todos los iones que existen en su entorno. Sin embargo, la hipótesis del movimiento pasivo no es capaz de interpretar otros fenómenos observados, entre los que destacan los siguientes: la marcada diferencia de composición entre la planta y
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su medio, frente a las relativamente pequeñas para una misma especie desarrollada con cambios notables de la concentración del medio exterior; la especificidad o capacidad discriminante de la planta con respecto a diferentes especies iónicas; el marcado efecto de los inhibidores respiratorios y desacoplado res de la fosforilación sobre la translocación iónica; la competencia entre iones, que acontece tanto en la translocación como en la acumulación radicular; el notable efecto de la temperatura, etc.99 100 101 102 Por otra parte, aceptar que cada célula acumula individualmente iones procedentes del espacio libre, por un proceso análogo a la toma de sales por las algas unicelulares, significaría, como dice Crafts103, «visualizar la raíz como un saco de polietileno lleno de células de levadura». Además, semejante estructura es incapaz de explicar el bombeo activo de la savia del xilema.
Se acepta preferentemente, a la vista de lo expuesto, la necesidad del transporte activo a través de transportadores, como mecanismo preliminar al movimiento de los iones desde la disolución que baña las raíces hasta el resto de la planta. En este sentido, se ha sugerido104 105 que el proceso debe consistir en una secuencia de reacciones, cuyas ecuaciones pueden ser caracterizadas por las constantes biológicas que ya definimos, a saber: suma de las concentraciones del transportador ∑ T, la constante Km y la de reacción específica de la etapa limitante, K2. Se han propuesto dos esquemas, coherentes con los datos experimentales:106
99 WELTE, E. y MARCKORDT, U. (1963). «Agrochimica», 7 (2), 161-‐172. 100 BARBER, D. A. y KOONTZ, H. V. (1963). «Plant Physiol.», 38 (1), 60-‐65. 101 MARSCHENER, H. von (1964). «Landwirtsch. Forsch.», 18, 91-‐99. 102 EPSTEIN, E. (1966). «Nature», 212, 1324-‐1327. 103 CRAFTS, A. S. (1961). Translations in Plants. Holt, Rinchart y Winston, Nueva York, 152. 104 FRIED, M. Cf. (94). 105 WELTE, E. Cf. (98). 106 FRIED, M. Cf. (24), 109.
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El esquema I representa dos etapas metabólicas activas, que compiten por el mismo transportador iónico intermedio, una conducente a la acumulación en la raíz y otra en los vástagos.
Es muy interesante observar que ninguna de las dos sugerencias propone que el ión deba ser primero acumulado en la raíz antes de que pueda ser transferido al xilema, desde donde se ha de mover a los ápices de la planta, bien por flujo de masa, con la corriente de transpiración, o como un proceso de intercambio como el descrito por Bell para el calcio.107 Bien entendido que en las dos sugerencias no está excluida la posibilidad de una previa acumulación en la raíz, así como que ambas incluyen el mecanismo mediante el cual los iones allí acumulados pueden ser transferidos a los vástagos. No obstante, hay evidencia experimental de que no es necesario que el ión sea primero acumulado en la raíz antes de su transferencia al xilema; dos experiencias separadas así lo indican, una implicando un anión –sulfato108-‐ y otra un catión -‐el rubidio109.
Las descripciones I y II son, por supuesto, simplificaciones de muchas etapas intermedias relacionadas y cuyas constantes forman parte de la reacción total.
Una imagen más comprensiva relativa a las distancias físicas implicadas en el movimiento del ión, desde la disolución exterior, ha sido sugerida por Oertli, 110 y consiste en la descripción II, amplia-‐
107 BELL, C. W. y BIDDULPH, O. (1963).«Plant Physiol.», 38 (5), 610-‐614. 108 EPSTEIN, E. (1956). Conf. Radioactive Isotopes Agr. (USA-‐EC Report Nº. TID-‐7512), 297-‐301. 109 FRIED, M. H. E. OBERLÄNDER y NOGGLE, J. C. (1961). «Plant Physiol.», 36, 183-‐191. 110 OERTLI, J. J. (1963). «Plant Physiol.», 38 (5), 610.
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da al espacio libre, por el que el ión alcanza la barrera interna (tal vez la endodermis) realmente, antes de ir a su acumulación activa.
La dualidad de mecanismos para la captación iónica, según la concentración111, tiene una contrapartida análoga en la translocación112 113. Sin embargo, esta dualidad no significa necesariamente que las limitaciones de velocidad para la translocación son idénticas con las correspondientes a la acumulación en células de la raíz.
Los iones transportados a través de la membrana entran en el citoplasma, donde pueden ser rápidamente utilizados en la síntesis de constituyentes orgánicos celulares, o acumulados dentro de orgánulos citoplásmicos, como cloroplastos y mitocondrias. Los iones. todavía no retenidos, cabe que permanezcan libres en el citoplasma o vuelvan a unirse a moléculas cargadas en los puntos de intercambio aniónico o catiónico; en este último caso, pueden internarse en el simplasto o ser transferidos a las vacuolas, a través del tonoplasto, de donde serían liberados tal vez por un mecanismo inverso al operado en el plasmalema.
El simplasto de la raíz, mediante los plasmodesmos, forman un continuo o red citoplásmica tridimensional. En él, los iones acumulados se mueven radialmente, a través de la corteza y endodermis hacia el interior de la estela, mientras que los productos fotosintéticos, procedentes de las hojas, discurren en dirección opuesta, para suministrar a las células corticales el sustrato respiratorio. Se acepta generalmente que el movimiento de los iones en el simplasto es difusional, a través de la fase acuosa del citoplasma, con ciclosis o corriente citoplásmica, que favorece dicho movimiento. Alternativamente, los iones pueden ser adsorbidos sobre las proteínas. o bien ocluidos en vesículas que son transportadas por la corriente citoplásmica. La inhibición de esta ciclosis dentro de las células corticales inhibe simultáneamente el transporte iónico a través de la raíz. Durante su paso por el simplasto , algunos iones son transportados a través de los tonoplastos y depositados en las vacuolas de las células corticales y estelares. Otros son liberados de nuevo y trans-‐
111 Cf. Pág. 49. 112 TORII, K., y LATIES, G. G. (1966).«Plantv Physiol.», 41, 863-‐870. 113 EPSTEIN, E. Cf (101).
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portados a los vástagos. Finalmente, aquellos cuyo destino sea su localización a distancia mayores dentro de la planta, entran en los vasos del xilema. El mecanismo de esta liberación es todavía desconocido y hay discrepancias sobre si existe una secreción activa o una descarga dentro de la estela.
La liberación de iones del simplasto puede tener lugar predominantemente, en el apoplasto, para ser transportados desde allí, pasivamente por la corriente de transpiración, a los vasos del xilema114.
Los movimientos intracelulares en el sistema simplasto ocurren probable y principalmente a través de los plasmodesmos. Se ha demostrado115 que algunas células poseen escaso crecimiento del material de la parea, por lo que tienen protoplastos con altas relaciones superficie/volumen. La presencia de estas células «transfer» en los tejidos vasculares de las plantas superiores es de gran importancis, pues posiblemente están implicadas en la carga y descarga de sol utas en el xilema y floema y en el transporte radial entre ambos tejidos.
El movimiento de los iones a través de la corteza radicular puede ser preferentemente pasivo, a través del apoplasto, o bien por el simplasto. mediante los transportadores, lo que requiere energía. Es muy posible que participen ambos mecanismos. dependiendo su proporción relativa de un gran número de factores, entre los que figuran como más importantes el flujo de transpiración y el «status» salino de la planta. La teoría simplástica. debida esencialmente a Crafts y Boyer 116 , es la más aceptada. De acuerdo con ella, los iones son captados por las células corticales y epidérmicas en un lugar de la raíz, donde los procesos acumulativos se verifican al máximo de eficacia. Los iones son entonces movilizados a través del continuo del simplasto, bien por difusión o por la corriente citoplásmica, o por ambos, hasta que llegan al cilindro estelar y de allí a la luz de los vasos del xilema. Se ha sugerido también,117 que, a
114 MÜNCH, E. Die Stoffbewegungen in der Pflanze. Fischer, Jena. 115 GUNNING, B. E. S. y PATE, J. S. (1969). «Protoplasma», 68, 107-‐133. 116 CRAFTS, A. S. y BROYER, T. C. (1938). «Am. J. Bot.», 25, 529-‐535. 117 ARISZ, W. H. (1945).«Proc. K. Ned. Akad. Wet.» (Amsterdam), 48, 420-‐426.
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través de la corteza, el movimiento podría ser pasivo, mientras que la etapa exigente en energía tendría lugar durante el transporte de los iones desde el apoplasto de la corteza hasta el simplasto de las células estelares, y desde allí a los vasos del xilema.
Un punto de vista completamente opuesto118 119 estima que los iones son transportados pasivamente a través de la raíz en la corriente de transpiración. Desde el trabajo de Stout y Hoagland120 se acepta como evidente que los nutrientes absorbidos por las raíces son transportados hasta las hojas por la corriente de transpiración.
Lo expuesto revela claramente el cúmulo de dificultades que se presentan al investigador en este complejo asunto; de ahí, las numerosas opiniones. Sin embargo, y a pesar de que no se haya demostrado inequívocamente, se tiene una gran evidencia de que el transporte se lleva a cabo por un flujo de masa. Es todavía imposible decir qué mecanismo son los responsables de la producción de este flujo, si fuerzas electrocinéticas, procesos contráctiles o movimientos a lo largo de gradientes de presión hidrostática.
Análogamente al agua, los iones penetran en los espacios exteriores de la corteza de la raíz hasta la endodermis.
La difusión inversa en la corteza. de los iones liberados en el apoplasto dentro de la estela, es evitada por la endodermis, la cual sirve además de barrera efectiva al movimiento pasivo del agua a través del apoplasto, según se ha demostrado por autorradiografía y determinaciones del espacio libre. Los valores de éste han resultado mayores en raíces cortadas que en las intactas, lo cual demuestra que en aquéllas ha sido rota una barrera radial, haciendo así directamente accesible a la disolución exterior una mayor proporción de la raíz. Además, el valor del espacio libre para la corteza es idéntico al de la raíz intacta, lo que indica que la barrera radial está localizada en la endodermis.
Una vez que los iones han alcanzado el xilema, son transportados por la corriente de transpiración a los vástagos y ramas, para ser distribuidos por toda la planta. El movimiento ascendente inicial tiene lugar en el xilema. mientras que la redistribución se hace por
118 HYLMÖ, B. (1953). «Physiol. Plant.», 6, 335-‐405. 119 HYLMÖ, B. (1958). «Physiol. Plant.», 11, 382-‐400. 120 STOUT, P. R. y HOAGLAND, D. R. (1939). «Am. J. Bot..», 26, 320-‐324.
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el floema. Con gran frecuencia tienen lugar transferencias laterales de solutos entre floema y xilema, hasta el punto de que algunos veces acontece simultáneamente para el mismo elemento un movimiento ascendente por el xilema y descendente por el floema.
La redistribución tiene lugar en respuesta al metabolismo de áreas diferentes de la planta; los iones tienden a moverse hacia regiones metabólicamente activas, tales como meristemos apicales, hojas jóvenes y estructuras reproductivas, en respuesta quizás al incremento de producción hormonal en estas regiones, sin que todavía sea conocido el mecanismo de acción.
De los iones tomados por las plantas, unos son más fácilmente redistribuidos que otros; así, nitrógeno, fósforo y potasio se mueven más fácilmente que calcio, sobre todo el fósforo, que está circulando continuamente,121 de tal manera que un mismo átomo de fósforo puede realizar varios circuitos completos de la planta en un día. El papel vital de este elemento en la respiración, fotosíntesis, síntesis de ácidos nucleicos y proteínas, de grasas y almidón, significa que continuamente está siendo incorporado y liberado en los diversos puntos donde tienen lugar alguno de estos procesos.
En varios casos, se ha demostrado que el movimiento de nutrientes en el xilema sigue análoga pauta espiral que el de los colorantes; en árboles de transpiración rápida, se alcanzan velocidades de sesenta metros hora. en contraste con un metro, aproximadamente, de las plantas herbáceas. 122 No todo el transporte mineral en el xilema discurre como iones inorgánicos: así, la mayor parte del nitrógeno es transportado como amidas, aminoácidos y uréidos; y se han detectado también cantidades pequeñas de compuestos orgánicos de azufre y fósforo. La existencia en el xilema de tales productos significa que los iones pueden estar implicados en reacciones metabólicas tan pronto atraviesan la raíz.
Existe un movimiento lateral considerable entre xilema y floema, a través del cambium, y se ha postulado que este tejido puede regular la cantidad de iones que ascienden por la corriente de transpiración. La acumulación activa de nutrientes en las células cambiales puede
121 PEEL, A. J (1974). Transport of Nutrientes in Plants. Butterworths, Londres, 35. 122 KRAMER, P. J. (1969). Cf. (85).
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actuar de discriminante entre los diversos iones del xilema y transferirlos lateralmente al floema; y, análogamente, del floema al xilema.
Si, como está claro, hay una discriminación entre iones a nivel celular, cabe la posibilidad de que ésta sea mayor cuando se trata del transporte a grandes distancias. Parece, pues, evidente que las plantas transportan los elementos esenciales en forma altamente selectiva. Por esta razón, la disolución que alcanza los terminales del xilema en las hojas, puede ser de composición muy diferente de la que entró en el xilema de la región radicular.
A pesar de la enorme investigación realizada sobre la absorción y movimiento de las plantas de nutrientes y del agua, los mecanismos de los procesos permanecen oscuros. 123 Por ejemplo, la secreción en los vasos del xilema, si es que puede llamarse así, es uno de los menos conocidos en el campo de la translocación mineral124. No es alentador concluir que actualmente se sabe muy poco más que hace treinta años, acerca del mecanismo de transporte radial de iones en los vasos del xilema, asunto que es objeto de profundas controversias.125
Durante el desarrollo de los órganos de reserva, los iones son desviados de diversas partes de la planta hacia las regiones de crecimiento activo, con lo que los niveles foliares, y en los brotes, de nitrógeno, fósforo y potasio, entre otros, pueden realmente descender de manera importante. Puesto que en dichos órganos hay muy poca transpiración, el flujo de la savia en el xilema es lento, con lo que el grueso del movimiento de solutos debe ocurrir en el floema. 126
En el floema hay cantidades considerables de nutrientes en forma inorgánica y orgánica: las primeras se deben a lo que exportan las hojas antes de la abcisión, que son circuladas y reutilizadas por la planta. Una característica de los exudados del floema es la casi
123 CRAFTS, A. S. y BROYER, T. C. (1938). «Am. J. Bot.», 25, 529-‐535. 124 BIDULPH, S. (1951). EN Mineral Nutrition of Plants. University Wisconsin. Press, Madison. 125 YU, G. H. y KRAMER (1967). «Plant. Physiol.», 42, 985-‐990. 126 CRAFTS, A. S. y CRISP. C. E. (1971). Phloem Transport in Plants. W. H. Freeman y Company, San Francisco.
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ausencia completa de nitrógeno inorgánico: por el contrario, a través de él, se transportan grandes cantidades de aminoácidos. Se acepta completamente el movimiento bidireccional y lateral de los iones en el floema; el primero hacia y desde las hojas, y el segundo al xilema. El mecanismo por el que se mueven los iones es, presumiblemente, análogo al de los azúcares. 127
Los nutrientes minerales inicialmente adquiridos por las raíces se mueven hacia arriba por el xilema y la mayoría están sujetos a la redistribución vía floema, con algunas excepciones como la del calcio. 128 La inmovilidad de éste en el floema y también del boro, es motivada, probablemente, por la dificultad que tienen estos elementos para entrar en los tubos cribosos.
La hipótesis del flujo de presión, propuesta por Münch129 para el transporte en el floema, continúa sustancialmente vigente, a pesar de grandes controversias. De acuerdo con ella, los solutos orgánicos en la hoja, es decir, los productos de la fotosíntesis, deben ser acumulados en los tubos cribosos y, consecuentemente, el agua que rodea los tejidos entrará en ellos osmóticamente, desarrollando una «presión foliar» análoga a la «presión radicular». Cualquier mecanismo de transporte en el floema depende del metabolismo activo.130 131
La capacidad de los elementos del floema para transportar azúcares y otros metabolitos desde las hojas a las áreas del crecimiento vegetal se estima del orden de 20 gramos por tubo criboso y hora. El grosor radial del floema en un árbol es, ordinariamente. de un milímetro, o menos: a pesar de ello, los tubos cribosos, de unas veinte micras de diámetro y que juntos pueden ocupar alrededor de la mitad de este espacio, son capaces de transferir fotosintatos hasta distancia de cien metros. 132
El transporte de nutrientes es un aspecto tan esencial del creci-‐
127 RICHARDSON, M. (1969). Translocation in Plants. Edward Arnold, Londres. 128 LONERAGAN, J. F. (1968), «Nature», 220, 1307-‐1308. 129 MÜNCH, E. Cf. (112). 130 KURSANOV, A. I. (1966). «Agrochimica», 11, 1-‐52. 131 ZIMMERMAN, M. H. (1969). En The Physiology of Plant Growth and Development. Nc Graw-‐Hill, Ltd. Maidenhead, 381-‐417, 132 WARDLAW, I. F. (1974). «Ann. Rev. Plant. Physiol.», 25, 515-‐539.
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miento vegetal que su conocimiento debe, necesariamente, jugar un papel importantísimo en la manipulación de las especies económicamente interesantes, para que éstas sean capaces de proporcionar el rendimiento máximo.
Desgraciadamente, no se ha alcanzado hasta ahora un consenso acerca de los posibles mecanismos de translocación, lo que indica el escaso valor concluyente de los datos experimentales. En consecuencia, existen considerables lagunas sobre cómo los factores genéticos y ambientales limitan el crecimiento. de qué forma circulan en la planta los nutrientes y reguladores del mismo e incluso cómo pueden propagarse las enfermedades.133 Y así se desconoce todavía por qué algunos pesticidas son móviles en el floema o xilema, mientras que otros no.134
No es fácil sugerir direcciones de estudio en el complejo sistema del floema. Sin embargo, ofrece gran interés el trabajo con inhibidores metabólicos, para esclarecer si su verdadera acción consiste en inhibir el transporte, principalmente por afectar a los procesos de carga. También es oportuno penetrar en el conocimiento detallado del metabolismo del floema; por ejemplo, las funciones de multitud de enzimas y nucleótidos encontrados en los exudados de los tubos cribosos.
Es corriente hacerse la pregunta acerca de la utilidad de continuar los esfuerzos en el campo de la llamada investigación «pura».135Aparte de la respuesta general de que casi nunca es posible predecir el éxito «práctico» de la misma, es evidente que son muchas las áreas de aplicación que pueden beneficiarse. Y este es el caso de los estudios para una mayor comprensión de la fisiología del floema, que, en particular, pueden ser de gran utilidad a la Agricultura.
133 PEEL, A. J. Cf (119). 134 CRAFTS, S. A. Cf. (124). 135 CARRATO, A. (1974). Real Academia de Farmacia, discurso de ingreso, 17.
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V. LA ENERGÉTICA DE LA NUTRICIÓN
Nos resta ahora tratar lo más brevemente posible los problemas energéticos de la nutrición mineral de las plantas:
La superficie de la membrana celular o plasmalema es, como ya hemos visto, la barrera principal para la difusión de iones dentro y fuera de las células; ésta da lugar al desarrollo del llamado potencial de difusión de membrana. La relación entre la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana y la correspondiente distribución del ión que la atraviesa viene dada, en el equilibrio, por la ecuación de Nernst.
Es por ello posible, a partir del conocimiento del gradiente de concentración de un ión a través de una membrana celular, predecir el potencial eléctrico requerido en el equilibrio: y entonces, mediante la medida del potencial eléctrico actual, estimar la cantidad mínima de energía necesaria para transportar el ión a través de la membrana. Aquélla es proporcional a la diferencia entre el potencial Nernst calculado y el potencial actual medio.136
Otro tipo de diferencia de potencial eléctrico reconocido en sistemas biológicos es el asociado con cargas inmóviles o fijadas en una fase sólida adyacente a una fase acuosa y que es usualmente denominada potencial Donann. Semejante limitación de fases también ocurre en la pared celular de las células vegetales; la región conteniendo las partículas inmóviles cargadas se denomina corrientemente fase Donnan. donde se verifica el intercambio iónico. En el citoplasma hay también fases Donnan y las cargas inmóviles se deben principalmente a proteínas.
De análoga manera a lo que ocurre en el sistema suelo-‐disolución del suelo, también en este caso, cuando los iones fijados se disponen en una sola capa, los iones móviles de carga opuesta se distribuyen en una capa adyacente. de modo a constituir una doble capa eléctrica. Del conocimiento de la relación de concentraciones de cualquier ión móvil, a través de la doble capa, es posible calcular el potencial Donnan con ayuda de la ecuación de Nernst.
136 SPANSWICH, R. M. y WILLIAMS, E. J. (1964). «J. Exp. Bot.», 15, 193-‐200.
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El llamado transporte activo puede definirse, de acuerdo con lo dicho, como el movimiento de iones frente a un gradiente de potencial electroquímico. Esto significa que la energía procedente de los procesos metabólicos está implicada en mover un ión en contracorriente a través de una membrana. La única fuente energética disponible para conducir los iones a través de esta barrera es la energía metabólica celular, derivada directa o indirectamente de la fotosíntesis. Las experiencias realizadas fundamentalmente en las grandes células del alga Nitella han permitido recoger alguna evidencia de que «bombeos» de este tipo pueden ocurrir también en plantas superiores.
En tejidos no verdes, como las raíces, la energía requerida para el transporte iónico procede de la oxidación de los sustratos en el metabolismo; las condiciones anaeróbicas, venenos y otros agentes antimetabólicos, inhiben el transporte iónico. La cuestión es cómo resolver y explicar la unión entre los procesos respiratorios productores de energía y los mecanismos que transportan los iones a través de las membranas celulares, es decir, los transportadores. Por otra parte, los numerosos investigadores que se han ocupado de la conexión entre metabolismo y transporte iónico no están de acuerdo con ningún esquema.
Los espectaculares avances en fotosíntesis y respiración han dependido del aislamiento de los orgánulos celulares -‐cloroplastos y mitocondrias, respectivamente-‐, que tienen estas funciones especializadas. Pero esto no ha sido posible con los transportadores, debido a las dificultades técnicas de aislar membranas celulares funcionales de la planta, además de que los transportadores para un elemento dado sólo representan una subunidad de la membrana. lo que hace que, como dice Epstein,137 buscar una aguja en un pajar sea un juego de niños comparada a la intrínseca complejidad de este problema.
Pero la investigación se complica aún más, porque no afecta sólo a una entidad subcelular dada, sino a la conexión entre dos no muy bien conocidas; a saber, los transportadores de membranas y los
137 EPSTEIN, E. (1972). Mineral Nutrition of Plants. John Wiley, Ind. Nueva York. 233.
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procesos productores de energía en mitocondrias u otros orgánulos; Romper la célula -‐la tradicional aproximación del bioquímico-‐, destruye las rutas normales de las conexiones metabólicas intracelulares y además, lo que es más importante, ello devasta la topología del transporte-‐membrana. Tales dificultades no son irremontables, pero hasta ahora no han sido vencidas.
El experimento que a continuación describimos ilustra sobre las relaciones respiración-‐transporte iónico ; cuando un tejido, que ha sido lavado por algún tiempo en agua destilada, se transfiere a una disolución salina diluida, la velocidad de respiración del tejido crece. Esta respiración incrementada ha sido llamada «respiración aniónica»138 y «respiración salina»139. Probablemente, el tejido respira más, al objeto de obtener energía extra para la acumulación iónica, en respuesta a un incremento del nivel de adenosina difosfato (ADP)en el tejido. La observación de que tanto la respiración salina como la absorción iónica son sensibles a la inhibición por cianuro y monóxido de carbono, sugiere que la citocromo oxidasa está implicada de alguna forma en ambos procesos. Existe controversia sobre sí el transporte iónico es energizado directamente por ATP o si el proceso está acoplado más directamente a la transferencia electrónica durante la respiración.
Pero el transporte en las membranas celulares y especialmente en el plasmalema, no es corrientemente tenido en cuenta sobre la base de la asociación de la cadena respiratoria con los mitocondrias. Además, las oxidaciones biológicas de los sustratos, que conducen el transporte electrónico en la cadena respiratoria, son dehidrogenaciones; por cada electrón que pasa a través de la cadena, se libera un protón en la disolución, manteniéndose la neutralidad eléctrica sin contra flujo de aniones.
Robertson cree que la separación de protones y electrones en una membrana debe conducir los movimientos iónicos, por ejemplo, intercambio de iones hidrógeno con potasio y de oxihidriliones con cloruro: el transporte iónico resultante de esta separación de cargas puede ser una alternativa a la formación de ATP por el mismo pro-‐
138 LUDENGÄRD, H. (1955). «Ann. Rev. Plant. Physiol.», 6, 1-‐24. 139 ROBERTSON, R. N. (1968). Protons, Electrons, Phosphorilation and Active Transports. University Press., Cambridge.
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ceso visualizado por Mitchell.140 Se ha postulado también141 que, en células de plantas superiores, el «bombeo» aniónico está ligado a la transferencia electrónica, por analogía con las células gigantes de algas, mientras que cualquier «bombeo» catiónico está energizado directamente por ATP.
A pesar de que todavía no ha habido éxito en aislar los intermediarios fosforilados de alta energía que han sido postulados, hay gran evidencia de que un intermediario de alta energía puede funcionar en el transporte iónico.142 En experimentos bajo condiciones anaeróbicas, los electrones fueron expulsados de la cadena cito crómica. posibilitando fuertemente el transporte de ión cloruro, lo que evidencia que la fosforilación oxidativa es la principalmente responsable del transporte iónico. La dehidrogenasa y no el citocromo C, parece ser la implicada en la absorción de cloruro. El ATP es la fuente de energía para la toma de fósforo en el plasmalema.143 Sutcliffe y Hackett 144 indicaron que el mecanismo de la fosforilación proporciona un concepto aplicable al transporte iónico tanto en sistemas anaeróbicos como aeróbicos: además, semejante mecanismo ofrece un esquema básicamente uniforme tanto para el transporte de moléculas neutras como de iones. Esto es importante. ya que existen cada vez más argumentos en favor de que las pautas cinéticas y metabólicas del transporte de moléculas orgánicas neutras se parecen al correspondiente de iones inorgánicos. 145 146
Los fenómenos de transferencia electrónica, o el ATP, pueden representar las formas de energía utilizadas en la captación iónica.147 Los movimientos iónicos ligados a energía en cloroplastos, particularmente la toma de protones, relacionan claramente la captación iónica a la fotosíntesis, transferencia de electrones y fotofosforilación. Mientras que la hipótesis «química» invoca el enlace fos-‐
140 MICHEL, P. (1966). «Biol. Rev.», 41, 445-‐602. 141 DAINTY, J. (1969). En Physilology of Plant Growth and Development. Mc Graw-‐Hill, Londres. 142 BUDD, K. y LATIES, G. G. (1964). «Plant Physiol.», 39, 648-‐654. 143 BLEDSOE, C., COLE. C. V. y ROSS, C. «Plant Physiol.», 44, 1040-‐1044. 144 STUTCLIFFE, J. F. y HACKETT, D. P. (1957). «Nature», 180, 95-‐96. 145 BIELESKI, R. L. (1962). «J. Biol. Sci.», 15, 429-‐444. 146 NISSEN, P. y BENSON, A. A. (1964). «Plant Physiol.», 39, 586-‐589. 147 ROBERTSON, R. N. (1960). «Biol. Rew.», 35, 231-‐261.
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fato rico en energía, la «quimio-‐osmótica» sostiene que la toma de iones hidrógeno por cloroplastos iluminados produce un potencial de membrana que puede dar lugar a la formación de ATP, a partir de ADP, propiciando así la captación iónica. Hasta el momento no se conoce claramente el mecanismo por el cual el ión hidrógeno es acoplado al flujo de electrones.148
Reafirma las consideraciones anteriores, el reconocimiento general de que el ATP es un metabolito de alta energía, intermediario de muchos procesos que requieren energía, por lo que también puede suministrar la necesaria para el transporte iónico.149 Si, como parece evidente, éste se realiza por la actividad de transportadores transmembrana es atrayente suponer que estos agentes, en el pro ceso del transporte, son fosforilados por el ATP, a través de una enzima transfer-‐fosfato, y subsiguientemente defosforilados. Estos procesos pueden ser acompañados por el enlace del ión, reorientación del complejo transportador-‐ion dentro de la membrana y la eventual disociación de este complejo con liberación del ión al otro lado de ella.
Bledsoe150 comparó la síntesis de ATP y la absorción de fosfato, en ausencia y presencia de oligomicina; ésta inhibe la síntesis de ATP y también interfiere la absorción de fosfato, a largos períodos. Hall151 estima que también el proceso de pinocitosis es energizado por un sistema ATP-‐ATPasa en el plasmalema.
En resumen, el problema de la relación entre metabolismo respi-‐ratorio y transporte iónico celular en tejidos no fotosintéticos no ha sido resuelto, aunque el peso de la evidencia favorece la hipótesis de la fosforilación. Ya hemos visto que tanto en algas como en tejidos verdes de las plantas superiores la captación iónica es a menudo promovida por la luz. El dinitrofenol, clásico desacoplador de la fosforilación mitocondriaI. inhibe muy severamente la velocidad de absorción del potasio en la oscuridad y mucho menos en la luz. La diclorofenil -‐1 -‐ 1 dimetilurea (DCMU), que inhibe la evolución foto-‐
148 PACER, L. y CRAFTS, A. R. (1967). En Current tropics in Bioenergetics. Academic Press. Nueva York. 149 STUCLIFFE, J. F. y HACKETT, D. P. «Nature», 1802, 95-‐96. 150 BLEDSOE, C. Cf. (141). 151 HALL, J. L. (1970) . «Nature»,, 226, 1253-‐1254.
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sintética del oxígeno sin interferencia con la fotofosforilación cíclica, no obstaculiza la absorción de potasio. Estos resultados 152 implican fuertemente al ATP procedente de la fotofosforilación, como la fuente energética para la absorción iónica celular por los tejidos verdes en la luz. En ausencia de carbónico, sólo es implicada la fosforilación cíclica; en su presencia, ambas, la fotofosforilación cíclica y no cíclica, pueden dar ATP para conducir los mecanismos de absorción iónica153. Hay evidencia de que estos son los mismos en la luz que en la oscuridad; solamente difiere el suministro de energía. Y puesto que el único meta bolito generador de energía por mitocondrias y cloroplastos es el ATP, se acepta por muchos investigadores que ambos tipos de orgánulos realizan idénticas funciones en energizar el transporte iónico a nivel celular: la función de suministrar ATP.
* * *
La imaginaria excursión a la que fueron invitados toca a su término. Pido de nuevo perdón por lo cansado del «viaje», aunque no haya carecido de sugerencias interesantes.
Cuando me planteé la posible temática de este discurso, un excelente amigo me dijo «habla de lo tuyo, de lo que sabes». Seguí el consejo, mucho más en lo primero que en lo segundo, pues reconozco haber suplido la falta de sabiduría con el esfuerzo de muchos años.
La fuente principal de alimentos para los habitantes de la tierra reside en el aprovechamiento conjunto del sistema suelo-‐planta y la energía del sol que lo vigoriza. Este aprovechamiento dista mucho todavía de ser el óptimo. En efecto, mientras que el influjo anual de la energía de la radiación fotosintéticamente activa es del orden de 250 trillones de kilocalorías, la biomasa producida por las plantas autótrofas en el mismo período retiene solamente una energía próxi-‐
152 RAINS, D. W. (1968). «Plant Physiol.», 43, 394-‐400. 153 Con la mayoría de los mecanismos propuestos, se han hecho estimaciones de transferencia de masa específica, Se admite que un suministro disponible de 0,05 gramos de glucosa, día, centímetro cúbico, en los cubos cribosos, podría permitir un flujo de cien centímetros hora con un gradiente de presión de 3,3 atmósferas centímetro.
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ma al medio trillón de kilocalorías. El coeficiente medio de utilización es, por tanto, de un 0,18 por 100.
Sobre una área de 1.500 millones de Has. la producción agrícola del mundo es alrededor de 6.000 millones de toneladas, susceptible de ser aumentada seis o siete veces; ello requiere la máxima sincronización de los factores que intervienen. Es más, yo diría que la utilización total de la energía luminosa depende esencialmente de un mejor conocimiento de todos los aspectos que se han abordado en este discurso.
Hemos visto que las plantas superiores raramente absorben los nutrientes en la proporción existente en el medio, sino que ejercen una acción selectiva. Acabamos también de estudiar que la competición por la absorción implica, entre otros, procesos de dinámica de nutrientes en el suelo y de transporte y localización. en la planta. Despejar las incógnitas señaladas, constituye un auténtico reto para edafólogos y químicos, biólogos y bioquímicos, pues la verdad es que hasta el momento no existe una hipótesis general sobre la absorción iónica que explique satisfactoria y completamente los hechos.
El espíritu crítico del científico solamente queda saciado cuando el examen de procesos y fenómenos relacionados con una cuestión importante conduce a un esquema único y coherente. Este no es el caso, por desgracia, de la compleja problemática relativa a la nutrición que simplemente acabamos de esbozar.
Pero mi conclusión al respecto es claramente optimista. Se basa en los éxitos obtenidos recientemente con la consecución de grandes rendimientos agrícolas, que invitan ciertamente a la esperanza; con técnicas muy avanzadas y medios controlados de cultivo se han conseguido cosechas hasta cincuenta veces superiores a las normales. y sin embargo, afortunadamente, no hemos llegado al límite: la realidad de las producciones unitarias alcanzadas dista bastante todavía de las potencialidades que encierran las plantas cultivadas.
Deseo terminar ahora con términos muy parecidos a los que ya expresé en ocasión semejante. 154
El desarrollo científico, claramente aplicable aquí, es fruto de la concatenación de esfuerzos, de la asociación de ramas diversas del
154 CARPENA, O. (1971). Real Academia de Medicina y Cirugía. Discurso de ingreso, 39.
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saber y, sobre todo, del contraste de puntos de vista ante el futuro -‐quehacer investigador.
Todos nosotros, trabajadores en el ámbito maravilloso de la Cienda, intuimos la eficacia de la colaboración. Nuestro progreso personal se debe muchas veces a la conexión de lo poco que sabemos con lo mucho que otros saben.
El hombre, que en gran medida ha podido dominar la naturaleza a escala universal, sigue, sin embargo, con paso vacilante en lo relativo a su propio destino. Por ello, sólo el esfuerzo aunado, del que es claro ejemplo esta Corporación al llamar a hombres de otros campos, podría lograr un dominio efectivo de los instrumentos a su alcance, garantizando así una vida más plena y feliz para toda la Humanidad.
He dicho.
Excmo. Sr. Director.
Excmos. Sres.
Académicos Sras., Sres.:
Vengo a suceder en esta ilustre Corporación al Excmo. Sr. D. José Ranedo Sánchez-‐Bravo. No tuve la suerte de conocerle personalmente; sin embargo, la obligación ineludible, y muy grata a la vez, de glosar en actos como el que hoy celebramos la vida y obra de! Académico que por ley inexorable abandonó su puesto aquí, me han instado a mostrar profundo y cariñoso interés por los aspectos principales de la personalidad de este hombre ejemplar.
El Dr. Ranedo nació en Jaén el 9 de abril de 1889. Su muerte tuvo lugar en Madrid el 10 de marzo de 1974. Son casi ochenta y cinco años en los que, salvo el último período, anulada su actividad pública por enfermedad, mantuvo una ejecutoria continuada e intensa.
En marzo de 1911, a los veintidós años, se licencia en Farmacia, después de una carrera notable, realizada en bastante menos tiempo del habitual. Inicia seguidamente su larga y eficaz colaboración con el que fue Presidente Perpetuo de esta Academia y figura impar de la Farmacia española, D. José Casares Gil. Junto a éste, se forma básicamente en lo que esencialmente constituía su vocación: la de Analista. La permanencia al lado del Maestro, sólo se interrumpió en 1919 y 1921 para trabajar en e! Instituto Pasteur con Fourneau y en la Universidad de Munich con el Profesor Willstätter.
En 1925 ingresa con el número uno en el Laboratorio Central de Aduanas, donde ha de desarrollar su vida profesional sin perder e! contacto con las tareas científicas, como lo prueba sus trabajos con el propio Casares y Medinaveitia, entre otros.
Su dedicación a la Academia también fue muy prolongada. Vicedirector durante cuatro lustros, asumió la Presidencia en 1957 por renuncia de quien lo era de modo perpetuo, su maestro y amigo.
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Estos datos son un pálido reflejo de la trayectoria científica y profesional del Dr. Ranedo, a quien rindo desde esta tribuna público homenaje, sin olvidar a su esposa y colaboradora, D.ª María Luz Navarro, por fortuna todavía con nosotros.
Pido perdón de antemano por la petulancia de atreverme a considerar ante este relevante auditorio una cuestión tan complejísima como la nutrición de las plantas cultivadas; quizás sólo pueda exhibir en mi descargo su importancia extraordinaria. Afronto este riesgo, porque aspiro ilusionadamente a llamar la atención de los científicos ilustres que me escuchan sobre los complejos fenómenos que mi discurso va simplemente a esbozar. Si este principal objetivo se cumple, estoy seguro de que mi trabajo no será baldío.
Mientras que la Agricultura es tan vieja como el hombre, la investigación científica con ella relacionada toma carta de naturaleza muy recientemente, si bien desde antiguo ha existido la preocupación por relacionar adecuadamente los factores externos, derivados del medio donde las plantas se desarrollan, con aquellos otros especialmente inherentes al vegetal. Tal vez el primer experimento de que se tiene noticia y que muestra ya la curiosidad del hombre, redoblada constantemente a través de los tiempos, es el realizado en 1450 por Nicolai de Cusa1. muy notable por el control cuidadoso de las variables experimentales, la aproximación cuantitativa y su implícita confianza .en el principio de conservación de la materia, tres conceptos básicos que todavía constituyen requisitos indispensables para investigar en .las ciencias de la naturaleza. Casi doscientos años más tarde, Jean Baptista van't Helmont llevó a cabo una experiencia muy semejante, que por su meticulosidad y perseverancia constituye un modelo imitable aún en nuestros días.
Pero el avance considerable en el conocimiento de la nutrición vegetal se inicia científicamente a mediados del siglo pasado, poco más o menos con Justus van Liebig, fundador de la Agroquímica, ha permitido, junto al esclarecimiento de no pocos procesos, la elevación de la producción mundial de alimentos a cotas verdaderamente importantes. Sin embargo, el desafío continúa, dado el impre-‐
1 CUSA. CARDINAl. P. NICOLAI: Concerning tbe Elements of Wood, Plants, Flesh. Animals and Liquids, En «Great Experiments in Biologys (1957), 4.ª ed . Prentice-‐Hall Inc. Englewood Cliffs, N. J.
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sionante crecimiento demográfico, que pone en tela de juicio a plazo corto la propia existencia de la Humanidad. No está en mi ánimo discurrir sobre este tema, tratado ya por científicos de prestigio dentro y fuera de la Academia. Mi propósito es más concreto, aunque evidentemente relacionado con aquella trascendental cuestión: se trata de examinar ante ustedes algunos aspectos físico-‐químicos, condicionantes de la dinámica en el sistema suelo-‐planta de los bioelementos esenciales.
Les invito a que en esta ocasión efectúen conmigo un periplo hipotético, mas sugestivo, teniendo de acompañantes a unos personajes curiosos y de importancia relevante: los elementos químicos esenciales a la vida vegetal, que en forma usualmente iónica y permanentemente asistidos de una molécula singular -‐el agua-‐, han de recorrer un camino maravilloso, si bien plagado de obstáculos; unos impuestos por la ruta, tortuosa y heterogénea, y otros por sus propias características excepcionales y que, como a menudo los humanos, luchan con todas las armas que poseen para cumplir su finalidad existencial.
Pero antes, permitid me deciros cuánto agradezco vuestra llamada. Hijo de farmacéutico y con la ayuda de Dios pronto padre de farmacéutico, recibo hoy un honor inmerecido del que me consideraré siempre deudor.