Profundizando en el proceso del ciclo del nitrógeno (continuación)
Fijación del nitrógeno
El gas del nitrógeno (N2) representa casi el 80% de la atmósfera de la Tierra, sin embargo, este gas es a menudo el nutriente que limita la producción primaria en muchos ecosistemas. ¿Por qué sucede esto? Ello es debido a que las plantas y animales no son capaces de utilizar el nitrógeno en esta forma.
Para que el nitrógeno esté disponible para elaborar proteínas, ADN y otros compuestos biológicos importantes, debe convertirse primero en una forma química diferente. El proceso de conversión de N2 en nitrógeno biológicamente asimilable se llama «fijación del nitrógeno».
El nitrógeno es un compuesto muy estable debido a la fuerza que presenta un triple enlace entre sus átomos, y por ello se necesita una gran cantidad de energía para romper este vínculo; todo el proceso requiere ocho electrones y por lo menos dieciséis moléculas de ATP (véase la fórmula de abajo).
Como resultado, sólo un grupo concreto de procariotas son capaces de llevar a cabo este exigente proceso energético. Aunque la mayoría de la fijación de nitrógeno es llevado a cabo por los procariotas, un pequeño porcentaje puede ser fijado de manera abiótica, es decir, por procesos no biológicos, ejemplo de rayos o determinados procedimientos industriales; en ese proceso abiótico también se incluye la combustión de combustibles fósiles.
Algunos organismos fijadores del nitrógeno viven libremente, mientras que otros son simbióticos, que requieren una estrecha relación para llevar a cabo el proceso. La mayoría de las asociaciones simbióticas son muy específicas, con complejos mecanismos que ayudan a mantener la simbiosis. Por ejemplo, exudados de las raíces de las plantas leguminosas (como los guisantes, trébol, soja…) sirven como señal para ciertas especies de Rhizobium, unas bacterias fijadoras del nitrógeno. Esta señal hace que las bacterias sean atraídas hacia las raíces, iniciándose una compleja serie de eventos que desencadenan todo el proceso de fijación del nitrógeno en los nódulos que se forman en las raíces (véanse los nódulos de nitrógeno en las raíces de la imagen inferior).
Variadas de estas bacterias fijadoras del nitrógeno son aeróbicas (viven en presencia de oxígeno), otras son anaerobias (pueden vivir en ausencia de oxígeno); también existen bacterias fotótrofas o fotoautótrofas (que procesan la energía de la radiación luminosa mediante la fotosíntesis), y también las hay quimiotróficas (que en lugar de luz utilizan productos químicos como fuente de energía).
Aunque entre los organismos que llevan a cabo la fijación de nitrógeno existe una gran diversidad fisiológica y diversidad filogenética, todos ellos tienen una enzima compleja y similar llamada nitrogenasa que cataliza la reducción de N2 a NH3 (amoníaco), y que puede ser utilizado como un marcador genético para identificar el potencial de fijación del nitrógeno.
Una de las características de la nitrogenasa es que el complejo enzimático es extremadamente sensible al oxígeno, desactivándose cuando está presente Esto presenta un dilema interesante para los fijadores de nitrógeno aeróbicos, y en particular para los fijadores de nitrógeno fotosintéticos, ya que en realidad producen oxígeno. Con el tiempo, los fijadores de nitrógeno desarrollaron diferentes maneras de proteger su nitrogenasa del oxígeno. Por ejemplo, algunas cianobacterias tienen estructuras llamadas heterocistos, que proporcionan un ambiente bajo en oxígeno para la enzima; eso significa que en los lugares donde actúan tales microorganismos, la fijación del nitrógeno se realiza casi en su totalidad. Otros fijadores de nitrógeno fotosintéticos aprovechan la noche para realizar la fijación, momento en que sus fotosistemas se encuentran en estado latente, sin producción de oxígeno al no recibir energía luminosa.
Los genes para la nitrogenasa se distribuyen mundialmente en variados ambientes, habiendo sido localizados en muchos hábitats aeróbicos como océanos, lagos, suelos…; y también en hábitats que pueden ser anaeróbico o microaerofílico, como sedimentos, lagos hipersalinos, ambientes microbianos, crustáceos planctónicos o las tripas de las termitas (descrito por el microbiólogo Jonathan Zehr en 2003). Así pues, la amplia distribución de los genes fijadores del nitrógeno sugiere que los organismos responsables muestran una muy amplia gama de condiciones ambientales, como podría esperarse de un proceso que es fundamental para la supervivencia de la vida sobre la Tierra.
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