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Apartir de los átomos formados en los primerostiempos de nuestro actual universo, hace

unos 15.000 millones de años, se constituyeronlas galaxias. Dentro de las galaxias, fueron for-mándose y desapareciendo estrellas. Y al formar-se las estrellas se originan planetas, que tambiéndesaparecerán con ellas. Así ocurrió con nuestraestrella, el Sol, y con nuestro planeta, la Tierra,que se formaron hace unos 4.550 millones deaños. A partir de los átomos del universo atrapa-dos en nuestro planeta se organizaron y evolucio-naron los sistemas vivientes, hace unos 3.850millones de años. Todos los átomos de nuestrocuerpo proceden de la Tierra y eran parte de nues-tra galaxia. Por tanto, somos de carne y hueso,pero también "polvo de estrellas".

Las diferentes especies atómicas se formarondurante períodos de expansión muy primitivos,cuando toda la materia del universo se hallabaaún comprimida, con densidades muy elevadas, ysometida a temperaturas altísimas, lo que ofrecíaunas condiciones favorables para toda clase detransformaciones nucleares. Geofísicos y astrofísi-cos han calculado la abundancia relativa de loselementos a partir del análisis químico de la cor-teza terrestre y del estudio de los meteoritos, delanálisis espectral del Sol, de las estrellas y de lamateria difusa esparcida en el abismo sideral. Elresultado de este estudio indica que la constitu-ción química del espacio interestelar es sorpren-dentemente uniforme: el 55 % de toda la materiacósmica es hidrógeno, el 44 % está constituido porhelio (parejas siamesas de hidrógeno) y sólo el res-tante 1 % corresponde a todos los demás elemen-tos. Sin embargo, la composición química de laTierra representa una notable excepción a dichauniformidad. En nuestro planeta, el helio y elhidrógeno son muy escasos. El principal depósitode hidrógeno lo constituye el agua, en forma degas, líquida o en estado sólido. Pero esta cantidades despreciable si la comparamos con las rocasgraníticas y basálticas que constituyen la cortezade la Tierra, o con el resto de la parte sólida denuestro planeta. La escasez de hidrógeno y helioes consecuencia de los procesos que ocurrierondurante el nacimiento de la Tierra. La formaciónde los planetas menores (Mercurio, Venus, laTierra o Marte) empezó por un proceso de agrega-ción de polvo del disco que dio origen al sistemasolar, que formó pequeñas partículas sólidas lla-

madas planetésimos. Sin embargo, estas agrega-ciones de planetésimos no crecieron lo suficientepara que su gravedad pudiera capturar aquellosgases. En cambio, Júpiter, Saturno y otros plane-tas mayores sí fueron capaces de rodearse depesadas atmósferas de hidrógeno y helio.

Cada elemento químico se caracteriza por pose-er un número determinado de protones, que sedenomina número atómico y se representa por laletra Z. Como los átomos son entidades eléctrica-mente neutras, el número atómico también indicael número de normal de electrones. El númeromásico (A) es la suma de protones y neutrones delnúcleo del átomo. Para representar esquemática-mente un núcleo, se escribe el símbolo del ele-mento y se añaden dos índices en el lado izquier-do, uno en la parte superior (A) y otro en la parteinferior (Z). La representación sería: A

ZX. Por ejem-

plo, 11H, 4

2He, 12

6C, 14

7N, 16

8O, 32

16S.

Fraccionamiento isotópico

Un mismo elemento (definido por su númeroatómico) puede tener diferente número de

neutrones, y por tanto diferente peso atómico. Losátomos con el mismo número atómico pero condiferente peso atómico se denominan isótopos("igual lugar"). Los átomos de carbono tienen gene-ralmente 6 protones y 6 neutrones, y por tanto unpeso atómico de 12. Pero hay átomos de carbonocon peso atómico 13, isótopo estable y pesado, ocon peso atómico 14, isótopo inestable o radiacti-vo, ya que emite radiactividad a medida que setransforma en un elemento estable. Una cosasimilar ocurre con el hidrógeno: existe el hidróge-no normal, el deuterio (pesado y estable, con unneutrón), y el tritio (radiactivo e inestable, con dosneutrones). El primer isótopo pesado observado,en 1931, fue el deuterio; su descubridor fueHarold Urey, el mismo que, muchos años después,en 1952, dirigiría los trabajos del joven StanleyMiller sobre síntesis abiótica de aminoácidos.

Las moléculas que componen las sustanciasestán compuestas por átomos. La mayor parte delas moléculas tienen átomos normales, pero algu-nas, menos frecuentes, tienen átomos pesados.Así, por ejemplo, la mayor parte de las moléculasde CO

2del aire pesan 44 (12+16+16), pero una

minoría pesan 45 (13+16+16), porque tienen car-

Isótopos estables: Fundamento y aplicacionesRicardo Guerrero y Mercedes Berlanga

Departamento de Microbiología, Universidad de Barcelona, Av. Diagonal, 645, 08028 Barcelona. E-mail: guerrero@retemail.es

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bono pesado. Los organismos fotolitotrofos y qui-miolitotrofos fijan CO

2para formar materia viva.

La materia viva tiene carbono, que en su mayorparte es 12C, pero también hay átomos 13C (y, porsupuesto, también 14C). Como el 13C es estable,esta cantidad no va disminuyendo a partir de lamuerte del organismo, como ocurre con lacantidad de 14C, que se va desintegrando.Sorprendentemente, la cantidad o proporción de13C (con respecto a la de 12C) en la materia viva esmenor que la que existe en el material de partida,en este caso el CO

2del aire. No se sabe el meca-

nismo molecular último, pero las enzimas de losseres vivos "discriminan" negativamente las molé-culas de CO

2que tienen el isótopo pesado, y "esco-

gen" preferentemente las que tienen el isótoponormal. Y lo mismo ocurre en el caso de las molé-culas con oxígeno (donde escogen el 16O, y no el18O), con nitrógeno (donde prefieren el 14N, y no el15N), o con azufre (donde eligen mayormente el 32S,y no el 34S). (A estas alturas del relato, no hacefalta aclarar que 18O, 15N, y 34S son isótopos pesa-dos de los correspondientes elementos). Nadiesabe la causa pero el efecto es que la materia viva"discrimina en contra" de las moléculas que tienenisótopos pesados.

Midiendo la cantidad de 14C de un resto orgáni-co se puede saber su "edad", es decir, el tiempoque hace que dejó de incorporar nuevo 14C; quemurió. Midiendo la cantidad de isótopos establesen una sustancia no se puede saber su edad perosí si es de origen biológico. La materia viva prefie-

re las moléculas con isótopos ligeros e incorporamenos de los pesados que están a su disposiciónen el material de partida. Y además, lo hace dife-rencialmente. Las distintas vías metabólicas (quetienen enzimas distintas) producen moléculas condiferente disminución de isótopos pesados. Viendola proporción de éstos en un producto biológicopuede deducirse las posibles vías metabólicas quelo han originado. La discriminación isotópica deun elemento se indica por la letra delta minúscu-la (δ). Para hacer comparables las frecuenciasobtenidas en distintas muestras, los resultados serefieren a un valor estándar, un material que setoma como referencia del valor del isótopo pesadocon respecto al ligero. Además, para facilitar laexpresión de los resultados, los números resul-tantes se multiplican por mil (es más fácil hablary escribir 4 ó 40 0/

00, que 0,004 ó 0,040). Así, la

discriminación de un isótopo pesado, AX, en par-tes por mil (δ 0/

00), es:

δ 0/00

AX = {[Rm - Rst] /Rst} × 1000Donde R es la cantidad de isótopo pesado divi-

dida por la cantidad del ligero, tanto en la mues-tra, "m", como en el estándar, "st". Es evidente quesi los organismos discriminan contra el isótopopesado, los valores de δ 0/

00de la materia viva

serán negativos. Los principales elementos de interés para el

fraccionamiento isotópico son el carbono, azufre,nitrógeno, oxígeno e hidrógeno. Los respectivosestándares son: para el C, el PDB; para el S, elCDM; para el N, el aire; para el O y el H, el SMOW.

Ricardo Guerrero es Doctor enCiencias por la Universidad deBarcelona. Fue investigador postdoc-toral en la University of California-Davis, bajo la dirección del Prof.John L. Ingraham. Ha sido VisitingProfessor en la University ofCalifornia-Davis, en la BostonUniversity y lo es actualmente de laUniversity of Massachusetts-Amherst. Fue catedráticode la Universidad Autónoma de Barcelona, y actual-mente lo es de Microbiología de la Universidad deBarcelona. Ha organizado diferentes congresos y reu-niones cientificas internacionales; es autor de grannúmero de artículos científicos en revistas de referen-cia y redactor de diversas obras de comunicación cien-tífica. Su investigación se centra en el estudio de lascomunidades procariotas multilaminadas semejantes alas existentes en la Tierra primitiva, la evaluación deriesgos de la liberación al ambiente de bacterias modi-ficadas genéticamente, el estudio de bacterias magne-totácticas y la producción de plásticos biodegradablespor bacterias. Su trabajo sobre interacciones poblacio-

nales procarióticas primitivas ha atraído la atención demicrobiólogos de todo el mundo hacia ese tipo decomunidades. Es de destacar su descripción del con-cepto de ecopoyesis y su aplicación al estudio de losprimeros ciclos biogeoquímicos.

Mercedes Berlanga es Doctora enBiología por la Universidad deBarcelona. Realizó la tesis doctoral enel Departamento de Microbiología yParasitología Sanitarias, Facultad deFarmacia y Unidad de Microbiologíadel Campus de Bellvitge de laUniversidad de Barcelona, bajo ladirección del Dr. Miquel Viñas. Su actividad investiga-dora se ha centrado en el estudio de los mecanismos deresistencia a los antibióticos, en concreto la resistenciaa las quinolonas en patógenos nosocomiales, así comola del género Vibrio presente en moluscos y peces de laspiscifactorías del delta del Ebro. Además de sus activi-dades científicas, posee una gran habilidad para repre-sentar humorísticamente el mundo de los microbios, ysus protagonistas, las bacterias.

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(El significado de las siglas se explica después.) Lamedición de la cantidad de los distintos isótoposse lleva a cabo mediante el espectrómetro demasas.

Algunos ejemplos de discriminación isotópica

Los valores de d 13C referidos en 0/00

(paraabreviar, δ 13C) se calculan respecto al están-

dar PDB (PeeDee Belemnite), que corresponde aun fósil marino del Cretácico (Belemnitella ameri-cana) de la formación "PeeDee" (probablemente unnombre indio) en Carolina del Sur, EE. UU. Dadoque la fijación biológica de CO

2discrimina contra

13C, los valores δ 13C del material celular biosinte-tizado son "más negativos" que el sustrato de car-bono utilizado, generalmente, CO

2atmosférico o

carbonato marino. Los principales pasos de discri-minación isotópica en la incorporación biológicadel carbono son: (i) la captación y difusión intra-celular del CO

2, y (ii) la fijación fotosintética del

CO2.

Se conocen tres vías fotosintéticas principales:el ciclo de Calvin-Benson o C3, el ciclo de Hatch-Slack, o C4, y el ciclo CAM (Crassulacean acidmetabolism). La vía C3 opera en aproximadamen-te el 85 % de las plantas y domina los ecosistemasterrestres. Las plantas C3 fijan el CO

2con la enzi-

ma rubisco (ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasaoxigenasa). Sin embargo, ésta también puedeadmitir oxígeno como sustrato alternativo del CO

2,

proceso que se denomina fotorrespiración, quedisminuye el rendimiento fotosintético. Parece serque esta "dualidad" enzimática es resultado de unartefacto evolutivo, ya que en la atmósfera nohabía apenas oxígeno y en consecuencia, la foto-síntesis de los primeros organismos no estaba dis-minuida por la fotorrespiración. Fue precisamentela acción de los organismos fotosintéticos la quedeterminó un aumento de la concentración de O

2

en la atmósfera. Pero lo que en principio no era unproblema, significó una disminución sustancial dela eficacia fotosintética. El desarrollo de las plan-tas con fotosíntesis C4, que se expandieron rápi-damente a finales del Mioceno (aproximadamenteentre 8 a 4 millones de años) les permitió ciertasventajas selectivas, al menos en zonas de elevadatemperatura y secas, e incluso a veces en ambien-tes salinos. Las C4 representan menos del 5 % delas fanerógamas. Las plantas C4 tienen un pasoinicial en la fijación donde el fosfoenol piruvato(PEP) aporta más carbono a la rubisco para la fija-ción de CO

2. La mayoría de plantas C3 tienen valo-

res de δ 13C entre −24 a −30 0/00. La PEP carboxila-

sa discrimina menos que la rubisco, de tal mane-

ra que, en plantas C4, los valores de δ 13C se sitú-an entre −10 y −16 0/

00. Estas diferencias de com-

posición isotópica sirven para saber si una plantatiene fotosíntesis C4 o C3. Y aparte del interésacadémico, dicho resultado permite distinguir, porejemplo, el azúcar de caña (planta C4) del azúcarde remolacha (planta C3), lo que puede tener valoreconómico. Finalmente, la fotosíntesis CAM domi-na en los ecosistemas desérticos, con plantas talescomo los cactos. Tienen la capacidad de cambiarde una fotosíntesis C3 durante el día a otra C4durante la noche. El fraccionamiento isotópico esintermedio entre las plantas C3 y las C4.

Las plantas y algas, cianobacterias, bacteriasrojas del azufre y bacterias rojas no del azufre (yla mayor parte de las bacterias quimiolitotrofas),fijan CO

2mediante el ciclo de Calvin-Benson. Por

el contrario, las bacterias verdes (y algunas bacte-rias quimiolitotrofas) lo hacen mediante el ciclo delácido carboxílico reductivo (ciclo de Arnon, anabó-lico), posiblemente el precursor anaeróbico delciclo de Krebs (oxidativo y catabólico). Hay quedestacar la diferencia entre el fraccionamiento iso-tópico de las cianobacterias cultivadas y las "natu-rales". Análisis detallados han mostrado quemuchos tapetes microbianos (en cuya capa supe-rior dominan las cianobacterias) actuales estánenriquecidos con carbono pesado. Este hecho, sinembargo, no se debe a una vía especial de asimi-lación fototrofa, sino al resultado de una baja con-centración de CO

2en el ambiente, característica

de los hábitats hipersalinos, ya que las cianobac-terias cultivadas, no sujetas a estas restriccionesambientales, presentan valores de δ 13C compati-bles con los obtenidos mediante la vía C3. No cabeduda de que la eliminación de la barrera de difu-sión por aumento en la presión ambiental de CO

2,

situación que pudo darse en la atmósferaPrecámbrica (estudio de los valores δ 13C de losestromatolitos), podría restablecer instantánea-mente la carboxilación enzimática de la vía foto-sintética como principal paso de discriminacióndel fraccionamiento isotópico.

El azufre tiene cuatro isótopos estables: 32S, 33S,34S, y 36S. El 35S es radiactivo y deriva del argón-40.El estándar es el azufre de un meteorito, el CDM(Canyon Diablo Meteorite Troilite, Arizona,EE.UU.). Por tanto, la proporción 34S/32S en estecaso se supone que es la existente en el espaciointerplanetario. La variación de los valores de δ34S en los seres vivos se deben a los distintos pro-cesos en los que interviene el azufre, desde lasreducciones del sulfato (asimilatoria, produciendoaminoácidos, o desasimilatoria, produciendo H

2S),

hasta las oxidaciones del H2S y el S0 en las bacte-

rias fotosintéticas y quimiolitotrofas. Las diferen-

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tes vías metabólicas producen distintas discrimi-naciones isotópicas.

El nitrógeno tiene dos isótopos estables, 14N y15N (existe también un isótopo radiactivo, pero esextremadamente raro). Debido a que la proporciónde 15N en el aire es constante (0,366 %), ésta seutiliza como estándar para la determinación de losvalores de δ 15N. El nitrógeno es un elemento esca-so en la Tierra; se encuentra solamente en laatmósfera, como gas (N

2), y en la superficie del pla-

neta, fundamentalmente formando parte de com-puestos orgánicos, amonio y nitrato. Estas diver-sas formas del nitrógeno son interconvertibles. Lamayor parte de estos cambios químicos los reali-zan organismos vivos, principalmente los microor-ganismos. Prácticamente, todas las moléculas denitrógeno gaseoso de nuestra atmósfera actualhan formado parte de algún organismo vivo. Lasreacciones biológicas (asimilación, nitrificación ydesnitrificación) controlan la dinámica de los cam-bios o ciclo del nitrógeno. Estas reacciones dancomo resultado, por lo general, un empobreci-miento en 15N del producto respecto del sustrato.

El hidrógeno tiene dos isótopos estables: protio(1H) y deuterio (2H, D), y un isótopo radiactivo, tri-tio (3H, T). Como el agua es el reservorio dominan-te del hidrógeno en la Tierra, las variaciones isotó-picas de las rocas sedimentarias, ígneas y meta-mórficas reflejan la proporción isotópica del aguacon la cual estuvieron en contacto durante su for-mación. La distribución D/H (expresado como δ D)en diversas muestras geológicas utiliza como refe-rencia el SMOW (Standard Mean Ocean Water). Enel caso del oxígeno, el estándar es también el aguade mar.

Algunas aplicaciones del fraccionamiento iso-tópico

Los isótopos se han empleado como "trazadores",que nos permite seguir la pista de los elemen-

tos C, S, N, O, H, en las plantas, suelos, agua oatmósfera. Generalmente, sus aplicaciones se hancentrado en estudios de ecología (ciclos biogeoquí-micos, cadenas tróficas, contaminantes) y paleon-tología. El estudio isotópico de restos fosilizados,en rocas sedimentarias, permite utilizarlo comoposible "biomarcador" para la detección de vidaantigua. Más recientemente, se ha utilizado comoherramienta en el diagnóstico médico, bien deenfermedades infecciosas o enfermedades meta-bólicas. Sin embargo, a pesar de ser una técnicaque no supone daño para el paciente, todavía nose emplea en la práctica diaria, y generalmenteestá en fase de experimentación. A continuación

se describen algunas de estas aplicaciones.

Estudios de contaminación. Las actividadesindustriales y agrícolas han tenido como resulta-do la dispersión de contaminantes virtualmenteen todas las partes de la atmósfera, hidrosfera,pedosfera y biosfera. El análisis de la abundanciade los isótopos estables en los materiales natura-les orgánicos e inorgánicos constituye una herra-mienta útil para la determinación del origen e his-toria de un material presente en un ambiente.Específicamente, se puede emplear en el estudiode la contaminación de nitrógeno por abonos, con-taminación fecal de las aguas subterráneas, iden-tificación de compuestos contaminantes de azufrey nitrógeno en la atmosfera, y su posterior preci-pitación en forma de lluvia a los ambientes acuá-ticos. Por último, y entre otros muchos, puede uti-lizarse para la estimación de la contaminación delos sedimentos por derivados del petróleo.

La mayor parte del nitrógeno de la biosfera yhidrosfera proviene de la fijación del nitrógenoatmosférico por microorganismos, aunque enalgunos lugares el nitrógeno es consecuencia de ladeposición antropogénica. Los abonos industrialesse producen utilizando la síntesis química deHaber, en la cual se convierte nitrógeno atmosfé-rico en amonio, por lo que esta molécula conservalas características isotópicas del nitrógeno de aire.Valores aproximados a 10 0/

00de δ 15N en los sue-

los es indicativo de la aplicación de abonos sinté-ticos.

Cambios climáticos. El registro del CO2

atmosfé-rico de hace siglos o milenios proviene de testigoso muestras de hielo recogidos de los glaciares. Elúltimo y más importante de estos estudios es elrealizado con un muestreo de 2,9 km de profundi-dad del hielo que cubre el gran lago Vostok, en laAntártida. De éste y otros estudios similares sededuce que la concentración de dióxido de carbo-no no ha sido constante a través del tiempo , inter-calándose períodos de mayor y menor concentra-ción. La concentración de CO

2ha incrementado en

un 12 % en los últimos 35 años (hasta alcanzarlas 360 ppm actuales), debido posiblemente a laactividad industrial humana. Los cambios atmos-féricos de CO

2parecen depender de su capacidad

de captación por el mar. Durante los períodoscalientes, la circulación oceánica está gobernadapor la salinidad. La superficie ecuatorial calientese mueve hacia el Atlántico norte, liberando calora la atmósfera, y posteriormente las aguas frías sehunden retornando al Pacífico. Cambios en el sis-tema de circulación durante los períodos fríospueden variar la alcalinidad del océano, aumen-

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tando la productividad en latitudes altas, incre-mentando la captación oceánica de CO2 y produ-ciendo, por tanto, una disminución de la concen-tración atmosférica de CO

2.

La historia atmosférica del metano tambiénpuede ser reconstruida por medidas del aire atra-pado en los testigos de hielo. El elevado aumentode CH

4entre la era preindustrial y la actual es

debida al aumento antropogénico de la produc-ción de metano por los rumiantes, plantaciones dearroz, procesos industriales e incendio de grandescantidades de biomasa. La reconstrucción de laabundancia histórica de los gases atmosféricos endiferentes escalas de tiempo pasado permitirá, enla mayor parte de los casos, entender las implica-ciones climáticas del reciente aumento de estosgases por la actividad de nuestra especie.

Identificación de bacterias y de su papel en elambiente. Los isótopos estables han sido utiliza-dos para identificar microorganismos que estánactivamente implicados en un proceso metabólicoespecífico, bajo condiciones similares a las queocurren en los ambientes naturales. Como ejem-plo, se estudiaron las bacterias metilotrofas, quepueden utilizar moléculas de un sólo carbono, C1(es decir, que no tienen uniones carbono-carbono)como única fuente de energía y carbono. El creci-miento de la bacteria metilotrofa Methylobacteriumextorquens con 13CH

3OH (99 % 13C-metanol),

aumenta la densidad relativa del DNA respecto aM. extorquens en presencia de 12CH

3OH, en un gra-

diente de densidad de cloruro de cesio. Resultadossimilares se han obtenido con Methylomicrobiumalbum en presencia de 12CH

4y 13CH

4. Esta caracte-

rística permite distinguir los microorganismosactivos metabólicamente en una muestra ambien-tal en función del sustrato presente en el medio.Las fracciones de 12C-DNA y 13C-DNA recogidas desuelos expuestos a metanol 12C y 13C, respectiva-mente, fueron utilizadas como moldes para laPCR. Se empleó un gen específico de la subunidadpequeña del rRNA de bacterias, arqueas y euca-rias como cebador. La amplificación del 13C-DNAdel suelo expuesto a 13CH

3OH mostró que sólo las

bacterias estaban implicadas en la asimilación delmetanol. El análisis filogenético de la secuencia16S del rRNA amplificado, puso de manifiesto doslíneas distintas de bacterias que asimilan meta-nol: el subgrupo α de las proteobacterias y la divi-sión Acidobacterium. Este resultado fue inespera-do, ya que el metanol puede ser metabolizado yasimilado por un amplio rango de microorganis-mos que incluyen Gram-negativos, Gram-positi-vos y algunas levaduras. El análisis paralelo de lasecuencia del gen mxaF, que codifica la subuni-

dad a de la metanol deshidrogenasa encontradaen las bacterias metilotrofas Gram-negativas,corroboran los datos obtenidos con 16S rRNA, loque indica que los metilotrofos Gram-negativosactivos del suelo del bosque están restringidos alsubgrupo a de las proteobacterias.

Cadenas tróficas. Los isótopos estables puedenconstituir una herramienta muy útil para el estu-dio de los flujos de energía en las cadenas alimen-ticias. La composición isotópica del carbono de losanimales depende de la ingesta. En general, exis-te un ligero incremento (0,5 a 1 0/

00) en el animal

respecto a su dieta. Algunos de los procesos quecontribuyen a este enriquecimiento son: (i) pérdi-da preferencial de 12CO

2en la respiración; (ii) cap-

tación selectiva de compuestos 13C durante ladigestión; (iii) fraccionamiento metabólico durantela formación de distintos tipos de tejidos (pelo >cerebro > músculo > hígado > adiposo). Estatransferencia conservativa de la composición iso-tópica (< 10/00) del animal respecto a la dieta, portanto, se puede emplear como trazador de la redtrófica en sistemas donde existan diferencias enlos valores de δ 13C, tales como plantas C3 o C4 osistemas marinos respecto a terrestres. Se estimaque existe un enriquecimiento de aproximada-mente el 1,1 0/

00por nivel trófico.

A diferencia del carbono, el nitrógeno ha sidomenos estudiado. Sin embargo, también se haobservado un enriquecimiento del 15N (3,2 0/

00) en

el animal respecto de su dieta. Este aumentopuede deberse a la excreción preferente de 14N. Seestima que el enriquecimiento de 15N es del 3 0/

00

por nivel trófico. En el caso del 34S no parece haberun incremento en el animal respecto a la dieta, alo largo de los distintos niveles tróficos.

Dietas fósiles. La composición de isótopos esta-bles de los alimentos y fluidos ingeridos por losanimales influyen de forma manifiesta en la com-posición isotópica de los tejidos que sintetiza. Sinembargo, la relación exacta entre la composiciónisotópica de los materiales ingeridos y un tejido ocomponente molecular del animal es bastantecomplejo, ya que depende del estado nutricional,del recambio intrínseco de un tejido o de las víasbiosintéticas implicadas. Para el estudio isotópicode la paleodieta se escogen los isótopos de carbo-no y nitrógeno de los constituyentes fosilizados delcolágeno. Para los isótopos de carbono y oxígeno,los minerales biogénicos, la hidroxiapatita de loshuesos y dientes, y el CaCO

3de la cáscara de los

huevos de aves y reptiles. La composición isotópi-ca del colágeno del hueso reflejaría la dieta mediaingerida a lo largo de la vida del animal (debido a

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la remodelación constante del tejido óseo, que pre-senta mayor intensidad durante las fases de des-arrollo del individuo). La proteína en la dentina yesmalte reflejaría únicamente la composición iso-tópica de la dieta durante la formación del diente,en una etapa temprana de la vida del individuo.Los valores de δ 13C del colágeno animal es el refle-jo de la composición isotópica de las plantas, basede la cadena alimentaria en un ecosistema. Lasplantas varían en su composición isotópica en res-puesta a factores fisiológicos y ambientales.

El interés de la investigación de la paleodieta seha centrado en la determinación en la proporciónde plantas C3 o C4 en la dieta de los homínidos yherbívoros acompañantes en diferentes períodos.Este estudio permite entender la dieta de anima-les extintos. Por ejemplo, en el Pleistoceno tardío,los mastodontes de la costa este de los EE.UU.tenían una dieta formada íntegramente por plan-tas C3, mientras que los mamuts de la mismazona ingerían una proporción considerable deplantas C4.

La proporción entre plantas C4 y C3 en unaregión es sensible a la temperatura y humedad, detal manera que el estudio de la composición isotó-pica permite estimar cuantitativamente los cam-bios paleoclimáticos. Por ejemplo, la δ 13C del colá-geno del bisonte varía desde un -7 0/

00 actual hasta

un -19 0/00

hace 10.000 años. Este resultado pare-ce estar relacionado con los cambios de la flora, declima frío y húmedo, característica del Pleistocenotardío, a condiciones más secas en el Holoceno.Las δ 13C del colágeno de un animal depredador ysu presa no varían significativamente. Se han rea-lizado estudios de δ 15N entre los animales herbí-voros y carnívoros terrestres para calibrar el gradode consumo de alimentos animales en los huma-nos. De ellos se deduce que el Neandertal era prin-cipalmente carnívoro, si se comparan los valoresde δ 15N del colágeno con herbívoros y carnívorosconocidos. Tradicionalmente, el estudio de lapaleodieta de un organismo se ha relacionado conlos dientes y, en su conjunto, el aparato mastica-dor. Con el estudio del fraccionamiento isotópicose ahonda en el conocimiento de la dieta del orga-nismo fosilizado, no solamente en si eran herbívo-ros o carnívoros, sino en qué tipo de plantas o ani-males basaban su dieta, o, incluso su "posición"en la cadena trófica.

Diagnóstico clínico. Diversas enfermedadesinfecciosas humanas, de plantas o de animales,están causadas por agentes etiológicos desconoci-dos o incultivables (o ambos). Helicobacter pylori,identificado como el agente etiológico de la gastri-tis humana, cuya persistencia puede conducir a la

ulceración y cáncer gástrico, se aisló por primeravez en 1982. Es un patógeno que infecta crónica-mente al 50 % de la población humana mundial.El adenocarcinoma gástrico ocupa el lugar 14entre las causas de muerte en el mundo y, con elaumento de la edad de la población mundial, secree que el 2.010 alcanzará el octavo. Los factoresde virulencia incluyen una citotoxina y una poten-te enzima, la ureasa. Esta última crea un micro-ambiente alcalino que permite el desarrollo delmicroorganismo a pesar de la acidez del estómago.Tradicionalmente, la detección de H. pylori se harealizado por un método invasivo, mediante unabiopsia del tejido, a partir del cual se inoculaba enplacas de medio de cultivo selectivos como el agarSkirrow o Tayer Martin, donde se realizaban laspruebas de la oxidasa, catalasa y ureasa. La ure-asa hidroliza la urea a amonio, agua y CO

2. Otros

métodos alternativos no invasivos incluyen el testde respiración de la urea-13C y test serológico conanticuerpos. El test de la urea-13C consiste enadministrar oralmente (como bebida) una soluciónde ácido cítrico 10 minutos antes de la adminis-tración de la urea-13C. La tasa 13CO

2/12CO

2se midió

en muestras de aliento cogidas a los 10, 20 30, 60min después de la administración de urea-13C.

Astrobiología e historia de la Tierra. El estudiodel meteorito marciano ALH84001, que es del tipoSNC (véase Guerrero y Berlanga, ActualidadSEM [29] pp. 14-20), contiene un tipo de carbonoorgánico asociado con los minerales de piroxenodel meteorito, que incluye hidrocarbonos policícli-cos y otras moléculas orgánicas de elevado pesomolecular (querógenos) con un valor de δ 13C de−15 0/

00. Todas estas moléculas orgánicas podrían

ser de origen biológico. Sin embargo, este valor essimilar a la materia orgánica de los meteoritoscarbonáceos, y por tanto algunos científicos inter-pretan que este material cayó previamente enMarte y no es consecuencia de un proceso biológi-co. La cantidad de materia que entra en la Tierraprocedente del espacio interplanetario es conside-rable; se calcula que cada día impactan sobrenuestro planeta un total de meteoritos cuyo pesoconjunto superaría las 20 toneladas.

Los estudios del fraccionamiento isotópico,especialmente del carbono y azufre, en relacióncon la antigüedad de la vida, son un tema recu-rrente en las revistas más destacadas.Periódicamente se publican estudios sobre la dis-criminación isotópica de la materia (supuesta-mente) pre-biológica de una de las rocas más anti-guas que se conocen: las de la formación de Issua,en Groenlandia, de hace algo menos de 3.900millones de años. Inmediatamente después de la

Actual idad 30:23

publicación, el significado de los datos expuestos,o su validez experimental, son puestos en dudapor otros investigadores. En este campo, como enel del significado de los restos que se encuentranen los meteoritos SNC, la polémica y la incerti-dumbre va a durar todavía algunos años.

Coda

Si miramos la tabla periódica de los elementos,arriba, casi a la derecha, veremos tres símbo-

los seguidos, C, N, O, e inmediatamente debajootros dos, P y S. Podríamos llamar a esta curiosaagrupación "el quinteto de la vida". Los procesosbioquímicos de los principales elementos en losque se basa la vida implican un fraccionamientoisotópico. La evidencia de este fraccionamiento loencontramos en la materia orgánica fosilizada(querógenos) presente en las rocas; el estudio delas mismas pone de manifiesto procesos biológicosesenciales como la fijación de CO

2o la reducción

de sulfato. Los isótopos estables proporcionanuna base experimental para inferir el estableci-miento de la vida sobre la Tierra, la reconstruc-ción secuencial de la invención de los diferentesprocesos metabólicos, la evolución de distintasmicrobiotas, faunas y floras. El conjunto de losciclos biogeoquímicos observados en el mundocontemporáneo es el resultado de la evolución de3.500 millones de años de historia "viva" de laTierra.

El espacio interestelar (que nos parece vacío)rebosa material orgánico e inorgánico. Se calculaque en el volumen determinado por un meroparsec (es decir, un parsec cúbico) hay sufi-ciente materia para formar 200 Tierras.Recordemos que un parsec es aproximadamente3. 000.000.000.000.000.000 cm. (Sí, el lector hacontado bien, hay 18 ceros; o sea, "solamente"unos 3 años-luz.) Con esta enorme cantidad demateria, en la aún más enorme inmensidad delespacio, pueden formarse miles de millones deestrellas y planetas. Y, efectivamente, se forman,transforman y destruyen. Desde el punto de vistacósmico, la Tierra es sólo un pequeño planeta queocupa el tercer lugar en orden de distancia de suestrella, el Sol, quien a su vez es una estrellamediana de una galaxia mediana, situada en unlugar del espacio intergaláctico. El origen y des-arrollo de la Tierra, así como la evolución de lavida sobre ella, han sido fenómenos contingentesque pudieron ocurrir o no ocurrir, y, dado queocurrieron, que pudieron haberse dado de unamanera o de otra. Una única línea de aconteci-mientos, la que efectivamente ocurrió, ha dado

origen a la Tierra, a la vida, a nuestra especie, talcomo las conocemos. A pesar de la certeza de lavida, como una continuidad necesaria de las leyesde la física, y de su muy posible ubicuidad, podrí-amos preguntarnos si en algún otro lugar del uni-verso, en esa inmensidad cósmica, hace ya muchotiempo, o ahora, o bien en el futuro, han podidodarse exactamente los mismos fenómenos vitalesque se han producido en nuestro planeta. Si esverdad que los científicos interpretan el mundo,los filósofos explican las causas últimas, pero sólolos poetas lo comprenden, tal vez podamos enten-der las palabras de Góngora que describen, conmuy contados versos, los cambios y destino de laspartes de una dama:

No sólo en plata o viola troncadase vuelva, mas tú y ello juntamente

en tierra, en humo, en polvo, en sombra, en nada.

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