El nitrogen: element imprescindible per als éssers vius

Ahir dimecres 16 d’octubre, al segon Cafè Científic de tardor a la Casa Orlandai, van venir dues joves investigadores, que van coincidir al CREAF amb una beca Marie Sklodowska Curie, Sara Marañón i Rossella Guerreri -aquesta darrera ha guanyat una plaça a la Università di Bologna. En el trimestre dedicat a la commemoració de la taula periòdica van venir a parlar-nos sobre el nitrogen, l’element més abundant a l’atmosfera, imprescindible per a molts dels processos orgànics que es donen en els éssers vius. No només forma part dels enzims que catalitzen els processos, sinó també de les proteïnes que formen els músculs o d’estructures com els àcids nucleics. El nitrogen a les plantes Les plantes necessiten nitrogen de la mateixa manera que requereixen carboni per a construir la glucosa, que formarà els seus teixits i el material de reserva i també proporcionarà energia quan calgui. El nitrogen és present en un enzim (RuBisCO) imprescindible per a que tingui lloc la fotosíntesi, que es realitza a les fulles. Amb els compostos generats a les fulles, a partir del carboni assimilat i per la disponibilitat de nitrogen, les plantes formaran les seves estructures, més fulles, fusta… el que requereixen per a viure. Sara diu que les plantes necessiten carboni i nitrogen per a créixer, com nosaltres podríem necessitar un entrepà de pernil. En la metàfora, el pa aporta el carboni en forma de carbohidrats, mentre que el pernil aporta el nitrogen, en forma de proteïnes. I de la mateixa manera que hi ha una relació entre el carboni i el nitrogen que obtenim de l’entrepà, hi ha una relació entre la quantitat de carboni i nitrogen òptima, que necessiten les plantes, una relació que se’n diu estequiomètrica. És cert que també necessiten una quantitat d’altres elements, com ara fòsfor, potassi, magnesi… Sara i Rossella van coincidir en un estudi que posa de manifest que cada vegada hi haurà menys nitrogen disponible per a les plantes. Elles ho van trobar buscant la relació entre dues formes isotòpiques del nitrogen: el N14 i el N15, més pesat perquè té un neutró més. En la disminució del nitrogen disponible per les plantes n’influeixen dos factors; d’una banda, que el CO2 que augmenta té un efecte fertilitzador, és a dir, afavoreix la fotosíntesi i en conseqüència la quantitat de carboni assimilat, cosa que provoca una “dilució” del nitrogen a les fulles. D’una altra banda, com s’ha allargat el període de creixement de les plantes -la primavera s’ha avançat setmanes i la tardor se n’ha endarrerit- la demanda de nitrogen és més gran. L’estudi conclou que el nitrogen dels ecosistemes terrestres ha disminuït un 9% en els darrers quaranta anys. L’estudi s’ha realitzat en ecosistemes naturals, lluny de la fertilització artificial dels camps. Els cultius són dependents de les aportacions humanes de nitrogen, ja que es retira matèria orgànica (la collita). Als boscos en condicions naturals, on no es retira la matèria, no cal adobar per a què els vegetals hi creixin bé. Però, les comunitats vegetals naturals poden absorbir una quantitat determinada de nutrients; si se’n llancen més, no se n’absorbeixen més. L’excés del nitrogen i els altres components de l’adob es perden per lixiviació, rentat. Aquest lixiviat acaba dipositant en llacs o rius, on provoca un creixement “explosiu” d’algues -en un procés d’eutrofització– que gasta l’oxigen i esdevé el factor limitant, de manera que no permet el creixement d’altres organismes. Per això cada cop més es fertilitza les plantes per degoteig amb quantitats controlades de fertilitzants. Com obtenen el nitrogen les plantes? Les plantes obtenen el carboni del CO2 de l’atmosfera, que hi és present en baixa quantitat. Ara bé, per més que el nitrogen sigui l’element més abundant a l’atmosfera, pràcticament el 80%, no està en forma disponible per als éssers vius. Sara ho compara amb el grafit que tot i ser carboni no és assimilable per nosaltres. Per a obtenir el nitrogen necessiten de la presència de bacteris fixadors de nitrogen, que s’associen fàcilment amb les lleguminoses. [Per això es recomana alternar els conreus amb lleguminoses i altres vegetals]. Rossella ens fa un esquema del cicle del nitrogen a la pissarra [com el que enllacem de la viquipèdia]. Sara el complementa comparant les bactèries del sòl, que són a les plantes com la nostra flora intestinal: imprescindibles per a la vida. Així, les plantes obtenen el nitrogen que necessiten del sòl, del reciclatge de la matèria orgànica en descomposició. És a dir, quan les fulles i la matèria orgànica cauen al sòl són descomposades per microorganismes del sòl. D’aquesta manera el nitrogen que contenen les fulles és alliberat de nou i posat a disposició de ser reabsorbit per les plantes. Rossella també ens explica que les plantes s’ajuden entre elles, es connecten per les arrels; si a una li manca un element (carboni o nitrogen, posem per cas), una altra, per via subterrània, li’n subministra. Per això desenvolupen llargues arrels a les quals se’ls associen fongs que les ajuden a buscar nutrients. Els fongs (micorizes) proporcionen nutrients -com ara nitrogen- a les plantes i les plantes, a canvi, subministren a les micorizes exsudats amb els compostos producte de la fotosíntesi. S’ha trobat que les plantes a les quals se’ls afegeixen adobs, les micorizes creixen poc perquè a les plantes no els cal anar a buscar els nutrients. També Rossella ens explica que els gasos emesos pels humans, bàsicament, òxids de nitrogen, són transportats per vents i poden arribar als vegetals. En principi podria ser una forma també d’absorció del nitrogen; però no és una bona solució, ja que aquesta acció humana també puja el diòxid de carboni, que augmenta l’efecte hivernacle. Quins efectes tindrà la pèrdua de nitrogen disponible per les plantes? Atès que el nitrogen és bàsic per a realitzar la fotosíntesi, la seva disminució podria provocar que les plantes minvin la seva capacitat de segrestar carboni de l’atmosfera; efecte que no ajudarà a mitigar l’augment global de temperatura. Ens expliquen també que el nitrogen és el factor limitant en els boscos de la nostra latitud; en els boscos tropicals el factor limitant és el fòsfor. A les latituds pròximes a l’equador, on la temperatura és elevada, les reaccions tenen lloc a una velocitat elevada, de manera que els bacteris de seguida descomponen la matèria orgànica morta alliberant nitrogen al sòl, que és absorbit de nou per les plantes. La major part dels nutrients dels sòls tropicals es troben en la matèria orgànica en descomposició, per la qual cosa els sòls de les selves són en realitat molt pobres, però molt eficients. Per contra, en els boscos de regions més septentrionals les reaccions són més lentes per la baixa temperatura. Els bacteris i altres organismes descomponedors triguen més a fer la feina, per la qual cosa hi ha un gruix de sòl fèrtil, d’humus (de la que deriva la paraula humà). Hi ha, però, diferències entre els boscos caducifolis i els perennifolis. Les fulles dels arbres dels boscos caducifolis són més riques de nitrogen, per això el sòl està més fertilitzat i hi ha més plantes al sotabosc. Les fulles dels arbres perennifolis, com les coníferes, s’anomenen recalcitrants perquè són pobres de nitrogen i riques de carboni, la qual cosa fa que costi molt que es degradin. Per això el sotabosc és pobre, com succeeix també en els boscos d’eucaliptus; ja que coníferes i eucaliptus fan que el pH del sòl sigui més àcid. Algú del públic pregunta per les plantes del desert. Rossella i Sara ens expliquen que són plantes molt estalviadores, ja que el factor limitant és l’aigua en aquest cas. De manera que han trobat una situació de compromís per alimentar-se i no deshidratar-se. No perden fulles, perquè pràcticament no en fan, les han transformades en espines. Les arrels són molt superficials per aprofitar la poca aigua que pot deixar la rosada. La tija pot fer la fotosíntesi. I la fotosíntesi la fan de nit! Obren els estomes per a prendre el CO2 en el moment més fresc per no perdre vapor d’aigua i deshidratar-se. Són plantes de metabolisme CAM. Ens mostren una part del material que feien servir en el seu estudi: les fulles moltes, ben moltes, i la càpsula on posaven la mostra per dur a calcular la concentració de nitrogen de les fulles. Com heu arribat fins aquí? Sara Marañón ens explica que va llicenciar-se en Ciències Ambientals i va fer la tesi a la Universitat de Granada, sobre la gestió forestal més adequada a una zona de la Sierra Nevada pròxima a Lanjarón que va patir un incendi. Va trobar que, com més assequible es deixés la fusta al bosc, millor es recuperava el bosc: en els troncs cremats tallats mantinguts en el bosc, els descomponedors actuaven millor i la matèria orgànica retornava als òl amb més facilitat; i a més les restes de fusta cremada ajudaven a mantenir la humitat del sòl i suavitzar-ne la temperatura. Després va fer post-docs a Alemanya i Bèlgica, recerca a Islàndia i altre cop a Granada. La beca Marie Curie que va guanyar per estudiar el material de la seva tesi (buscant nitrogen en aquest cas i no carboni) es va acabar l’agost de 2019. Ara fa la suplència d’una professora de la UAB, a mitja jornada. Rossella Guerreri va estudiar enginyeria forestal a Itàlia. Després va fer estades de recerca al Regne Unit, Estats Units, al CREAF i ara ha tornat a Itàlia. Va estudiar l’efecte de la contaminació en la fisiologia dels arbres prenent com a mostra testimonis dels anells dels arbres per mesurar els isòtops de carboni, nitrogen i oxigen. Com responien en l’equilibri entre la fotosíntesi i la transpiració? Doncs va trobar que els arbres també incorporen nitrogen per les fulles. Nota: Una menció a la història del nitrogen la va fer Aureli Caamaño en el Cafè Científic sobre la història del descobriment de l’oxigen. Opinió de les ponents al blog del CREAF. Muchas gracias!! Imatges: wikimedia commons o CREAF