Energía en los seres vivos, parte 1, tipos de energía y cómo los seres vivos la pueden aprovechar.

1. Energía
en los
Seres Vivos
1. La energía fluye desde el
Sol a través de toda la vida
sobre la Tierra

2. ¿Automóviles que funcionan con aceite de cocina?
Los organismos y las máquinas necesitan energía para funcionar
magínate que te encuentras realizando un largo viaje por la carretera. De repente, el
conductor se da cuenta que el indicador de combustible del automóvil está a punto de
marcar vacío. Necesitamos salir de la ruta para llenar el tanque. Pero, en vez de ingresar a
una estación de servicio, nos dirigimos a la parte trasera de un restaurante de comida
rápida y llenamos el depósito de combustible con aceite de cocina usado. Volvemos a la
carretera, listos para conducir varios cientos de kilómetros más antes de necesitar otra
“estación de comida rápida”.
¿Leíste bien?, ¿comida rápida para tu
vehículo? ¡Sí! La idea no es tan
descabellada como parece. De hecho,
hoy en día en las carreteras de varios
países muchos vehículos funcionan con
biocombustibles, combustibles produci-
dos a partir de plantas y productos de
origen animal (Figura 1 -1).
Sin embargo, la mayoría de los
automóviles y camiones, todavía
funcionan con combustibles fósiles, tales
como la nafta, el gas o el gas-oil. Estos
combustibles (que también incluyen
petróleo, gas natural y carbón) se
producen a partir de los restos en
descomposición de plantas y animales
modificados durante millones de años
por el calor, la presión y las bacterias.
Resulta que los biocombustibles, los combustibles fósiles y los alimentos que suministran
energía para la mayoría de los organismos vivos son químicamente parecidos. Este hecho no
es sorprendente, ya todos estos compuestos químicos almacenan energía en los enlaces
químicos entre sus átomos. Vamos a investigar de qué manera los combustibles proporcionan
energía, y de dónde proviene esa energía.
Cuando quemamos nafta, largas cadenas de átomos de carbono e hidrógeno se separan,
liberando dióxido de carbono (CO2), agua (H2O), y una gran cantidad de energía que estaba
almacenaba en las uniones entre los átomos que forman cada molécula de nafta (Un hecho
interesante: la energía liberada en la combustión de 3,8 litros de nafta –un galón en el sistema
de medidas norteamericano- es equivalente al contenido calórico de 15 pizzas grandes de
muzzarella.). En el motor de un automóvil, parte de esta energía liberada se aprovecha para
producir el movimiento del vehículo.
Las grasas animales y los aceites de muchas plantas, tales como los que se utilizan para
cocinar papas fritas, comparten una importante característica química con la nafta. Tanto la
nafta, las grasas y los aceites contienen cadenas de átomos de carbono e hidrógeno unidos
entre sí. De forma similar a lo que ocurre cuando quemamos nafta, al romper los enlaces entre
los átomos de los aceites y grasas se liberan grandes cantidades de energía (junto con agua y
CO2). Si esta energía liberada se pudiera capturar de manera eficiente, también, por qué no,
podría ser utilizada para empujar los pistones y girar las ruedas de un coche.
Los vehículos que funcionan con biocombustibles son algo más que un truco tecnológico. La
producción de biocombustibles requiere únicamente una fuente vegetal o animal, la luz del sol,
aire, agua, y un tiempo relativamente corto, entre unos pocos meses o años, dependiendo de la
fuente. Por otro lado, la producción de combustibles fósiles tales como el carbón o el petróleo
crudo requiere restos de plantas y animales en grandes cantidades, mucho calor y presión a
I

3. grandes profundidades en la tierra y unos cuantos millones de años. Esta diferencia le da a los
biocombustibles una ventaja importante sobre los combustibles fósiles: son un recurso
renovable. Por esta razón, los biocombustibles señalan el camino hacia un futuro con una
menor dependencia de los combustibles fósiles, suministros que son cada vez más escasos y
cuya combustión generan muchas consecuencias dañinas, como el aumento del calentamiento
global y la liberación de partículas causantes de cáncer en la atmósfera.
Sin embargo, ¿estamos preparados,
para que todos nuestros vehículos
pueden funcionar con estos
biocombustibles? No del todo: hay
muchos problemas graves que
ocasionaría el aumento del uso de
los biocombustibles. El principal y
más grave de ellos: la destrucción de
los bosques, humedales y otros
hábitats de importancia ecológica por
culpa del aumento del uso de la tierra
para cultivar estas fuentes de
biocombustibles. Esta es la razón
principal por la que se siguen
buscando fuentes de energía
mejores.
En estas páginas exploraremos cómo
las plantas, los animales, y en
realidad, todos los seres vivos
funcionan con la energía almacenada
en los enlaces químicos. Al igual que
el movimiento hacia adelante de un
automóvil es producido al romperse
los enlaces químicos de la nafta y
aprovechar de la energía liberada,
las actividades de los organismos
vivos se realizan cuando se rompen
los enlaces químicos presentes en
las moléculas de los alimentos y se
utiliza la energía que estaba
almacenada en esos enlaces.
Toda la vida depende de la captura de la energía del sol y de su conversión en otra forma de
energía que puedan usar los seres vivos. Esta captura y conversión se produce en dos
procesos importantes que se reflejan entre sí: (1) la fotosíntesis, el proceso por el cual las
plantas capturan la energía del sol y la almacenan en los enlaces químicos de las moléculas de
los alimentos que fabrican, y (2) la respiración celular, proceso por el cual todos los
organismos vivos liberan la energía almacenada en las moléculas de esos alimentos y la
utilizan para realizar todas las funciones vitales (Figura 1 - 2). En cierta forma, ¡estamos a solo
dos pasos del Sol!
En pocas palabras: 1
El sol es la fuente de la energía que sostiene a todos los organismos vivos. La energía de la
luz solar se almacena en los enlaces químicos de las moléculas. Cuando estos enlaces se
rompen, se libera energía independientemente de si el enlace está en una molécula de
alimentos, un combustible fósil o un biocombustible como el aceite con el que se cocinan las
papas fritas

4. La energía tiene dos formas: cinética y potencial.
"Las pilas no están incluidas." Para un niño (y para muchos de nosotros también), esas son
palabras bastante deprimentes. Sabemos que muchos de los juguetes y aparatos electrónicos
que hacen que nuestras vidas sean divertidas o útiles (o ambas) necesitan energía,
generalmente en forma de baterías. La generación de tonos de llamada, las luces, y el
movimiento requiere energía.
Lo mismo vale para los seres humanos, las plantas y todos los demás organismos vivos:
necesitan energía para sus actividades, moverse, reproducirse, pensar, etcétera.
La energía es la capacidad para hacer un trabajo. Y el trabajo es todo lo que implica materia en
movimiento contra una fuerza opuesta. La energía encontrada al estudiar los seres vivos es de
dos tipos: cinética y potencial. La energía cinética es la energía de los objetos en movimiento.
Las piernas empujando los pedales de la bicicleta y el aleteo de las alas de las aves son
ejemplos del uso de energía cinética (Figura 1 -3). El calor, que se produce al moverse
rápidamente una gran cantidad de moléculas, es otra forma de energía cinética. Debido a que
la luz implica el movimiento de partículas de alta energía, es también una forma de energía,
probablemente la forma de energía cinética más importante en la tierra. (Cuando veamos más
adelante la fotosíntesis, exploraremos cómo se aprovecha la luz solar para la producción de
moléculas de los alimentos.)
Un objeto no necesita estar en movimiento para tener la capacidad de realizar un trabajo; ya
que puede tener energía potencial, un tipo de energía que se almacena en la materia y está
relacionada con la ubicación o la posición de un objeto. El agua en una represa, por ejemplo,
tiene energía potencial. Si se abren las compuertas del dique, el agua pasa mucha velocidad a
través de ellas, y hace girar una turbina para producir electricidad. La energía potencial del
agua en la represa se convierte en energía cinética al moverse cuesta abajo y esa energía se
aprovecha para mover la turbina, que a su vez, transforma el movimiento en energía eléctrica.

5. Pero también tiene energía potencial un gradiente de concentración, como el que se puede
encontrar dentro de los diferentes compartimentos de las células potencial: si las moléculas en
un área de alta concentración se desplazan hacia un área de menor concentración, la energía
potencial de la pendiente (de mayor a menor concentración) se convierte en energía cinética en
forma de movimiento molecular y esta energía cinética puede hacer un trabajo.
La energía química, que es el almacenamiento de energía en los enlaces químicos, es también
un tipo de energía potencial.
Dado que la energía potencial no
implica movimiento, es una forma
menos obvia de energía que la
energía cinética. Cuando comemos
una manzana, ésta tiene energía
potencial, al igual que cualquier otro
tipo de alimento (Figura 1-4).
¿Por qué? debido a durante la
respiración celular, la energía química
almacenada en los enlaces químicos
que componen el alimento presente
en la manzana puede romperse y
liberarse, lo que nos permite correr,
jugar y trabajar. Exploraremos más
adelante la respiración celular, que no
es otra cosa que la ruptura de las
moléculas de alimento para que se
libere energía. Pero primero
necesitamos saber más acerca de la
naturaleza de la energía.
Como la energía es capturada y convertida, la cantidad de energía
disponible para hacer el trabajo disminuye
Cada minuto de cada día, incluso en los días nublados, el sol brilla, liberando enormes
cantidades de energía. Los organismos de la Tierra no pueden capturar toda la energía
liberada por el sol; de hecho, la mayoría de las plantas capturan sólo una pequeña fracción de
la energía disponible. ¿Qué pasa con el resto? Esta energía no utilizada no desaparece. Los
contadores amarían controlar el flujo de energía, ya que, como en un buen libro de
contabilidad, todos los números de la energía se suman a la perfección. Podemos calcular toda
la energía del sol que recibimos: una porción de ésta (probablemente menos del 1%) es
capturada y transformada en energía química utilizable por los organismos a través de la
fotosíntesis (Figura 1-5). El resto de la energía del sol se refleja de vuelta al espacio
(probablemente alrededor del 30%) o es absorbida por la tierra, los océanos y la atmósfera
(aproximadamente 70%) y, sobre todo transformada en calor. Sin embargo, el calor no se
puede aprovechar fácilmente para hacer un trabajo, y por lo tanto es una forma mucho menos
útil de energía que la energía transformada en energía química en las plantas (y almacenada
en forma de hidratos de carbono o azúcares).
En pocas palabras: 2
La energía, que es la capacidad para hacer un trabajo, se presenta en dos formas. La energía cinética es
la energía de los objetos en movimiento, mientras que la energía potencial, como la energía química, es
la energía almacenada o la capacidad para hacer un trabajo que resulta de la posición o ubicación de un
objeto.

6. Podemos estimar una pérdida de energía similar a nivel biológico: Si tú comes un plato de
arroz, una parte pequeña de la energía química almacenada en el almidón presente en los
granos de arroz se transforma en energía utilizable; ésta puede alimentar las actividades de tus
células. Todo el resto de la energía almacenada se transforma en calor y se perdió en última
instancia hacia la atmósfera.
El hecho de que la energía puede cambiar de forma, pero nunca desaparecer es una de sus
características más importantes, y se cumple en todo el Universo conocido: no importa si
estamos hablando del Sol, de la Tierra, o de un ser humano con su plato de arroz. Del mismo
modo que la energía nunca puede desaparecer -ni puede ser destruida-, la energía nunca
puede ser creada. Toda la energía que está presente en el Universo ha estado aquí desde que
éste comenzó, y todo lo que ha ocurrido desde entonces se ha producido por la transformación
de una forma de energía en otra. En toda nuestra alimentación y durante nuestro crecimiento,
al conducir una bicicleta o al dormir, simplemente estamos transformando la energía.
El estudio de la transformación de la energía de un tipo a otro, como por ejemplo de energía
potencial a energía cinética, se llama termodinámica, y la primera ley de la termodinámica
establece que la energía no se crea ni se destruye. Sólo puede cambiar de una forma a otra.
La segunda ley de la termodinámica establece que toda conversión de energía no es
perfectamente eficiente e invariablemente incluye la transformación de un poco de energía en
calor, que se pierde en el ambiente. Aunque el calor es sin duda una forma de energía, los
organismos vivos no puedan usarlo como fuente de energía para alimentar su actividad celular,
ya que no es aprovechada fácilmente para hacer un trabajo. Dicho de otra manera, la segunda
ley de la termodinámica nos dice que, si bien la cantidad de energía en el universo no está
cambiando, su calidad sí lo está haciendo. Poco a poco, disminuye la cantidad de energía
disponible para hacer trabajo.
Dado que las plantas capturan menos del 1% de la energía del sol, podría parecer que son
particularmente ineficientes. Pero nosotros, los humanos también somos bastante ineficientes
en la extracción de la energía química de las plantas cuando nos las comemos. Estas
ineficiencias se producen debido a que cada vez que la energía se convierte de una forma a
otra, parte de la energía se convierte en calor. Cuando un humano convierte la energía química
de un plato de fideos en la energía cinética corriendo una maratón, o cuando un coche
transforma la energía química de la nafta en la energía cinética del movimiento hacia adelante,
parte de la energía se convierte en calor, la forma menos utilizable de energía cinética.

7. En los automóviles, por
ejemplo, alrededor de las
tres cuartas partes de la
energía que tiene la nafta
se pierde en forma de calor
(Figura 1 - 6). Por lo tanto,
por cada $ 17 pesos
gastados en cargar nafta,
¡aproximadamente $ 4,25
son los que realmente
hacen mover el automóvil!
Ahora que entendemos
que los seres vivos no
pueden capturar toda la
energía liberada por el sol
y que son ineficientes para
utilizarla, vamos a echar un
vistazo a la “moneda de
energía” que usan las
células: el ATP.
Las moléculas de ATP son como las baterías recargables que flotan
libremente en todas las células vivas.
Gran parte del trabajo que hacen las células requiere energía. Sin embargo, a pesar de que la
luz y las moléculas de azúcar, grasas y proteínas contienen energía, no se pueden utilizar
directamente para alimentar las reacciones químicas de las células.
Para poder usarse, la energía debe ser “atrapada” en los enlaces químicos de una molécula
llamada Adenosín trifosfato (ATP). El ATP es una molécula que se encuentra en las células de
todos los seres vivos, flotando libremente en el citoplasma y que actúa como una batería
recargable. El ATP almacena temporalmente la energía que luego será usada por las células
para realizar las funciones vitales. El ATP resuelve el problema de disponibilidad de energía
que tienen las células.
El ATP es una molécula simple con tres componentes (ver Figura 1-7) . En el centro de la
molécula de ATP hay dos de estos componentes: una molécula de azúcar pequeña unida a
una molécula llamada adenina.
Pero el tercer componente (y el más pequeño de los tres) es el que hace al ATP tan eficaz para
almacenar y liberar la energía durante un período breve de tiempo: unida al azúcar y a la
adenina hay una cadena de tres grupos fosfato cargados negativamente (de ahí el "tri" en
"trifosfato"). Debido a que estos tres grupos fosfato se encuentran unidos entre sí, pero los tres
poseen cargas eléctricas negativas, estos grupos se repelen entre sí. Por lo tanto, los enlaces
que unen a estos grupos fosfato contienen una gran cantidad de energía y son inestables. La
inestabilidad de estos enlaces de alta energía hace que los tres grupos fosfato se parezcan a
un resorte comprimido o a una rama que se dobla casi hasta el punto de ruptura. Con la más
mínima presión, uno de los grupos fosfato se desprenderá, y su lugar será ocupado por una
molécula de agua. En ese proceso, una cantidad importante de energía se libera, y puede ser
usada por la célula.
En pocas palabras: 3
La energía ni se crea ni se destruye, pero puede cambiar de forma. Cada conversión de energía es
ineficiente, y parte de la energía utilizable se convierte en energía de calor menos útil.

8. Es precisamente debido a que cada molécula de ATP está siempre al borde de expulsar uno
de sus grupos fosfato lo que la hace una fuente de energía efectiva dentro de la célula.
Mientras haya muchas moléculas de ATP alrededor, habrá energía disponible para que se
lleven adelante las reacciones químicas que hacen posible la vida de la célula, tales como la
contracción de músculo, la reparación de heridas, o el crecimiento de las raíces. Cada vez que
una célula gasta una de sus moléculas de ATP, un grupo fosfato se rompe y se libera energía.
Lo que queda es una molécula con dos grupos fosfato, el ADP (adenosina difosfato), y un
grupo fosfato por separado (con la etiqueta Pi).
Un ser vivo puede también utilizar ADP para regenerar el ATP: hace falta ADP, más un grupo
fosfato que se encuentre libre en el citoplasma de la célula, y un aporte de energía cinética.
(Figura 1 - 8). La energía cinética se convierte en energía potencial cuando el grupo fosfato
libre se une a la molécula de ADP para formar ATP. Podemos ver cómo el ATP funciona como
una batería recargable.
Pero, ¿de dónde viene el aporte de energía necesaria para la recarga de ATP? Cuando
hablemos de la fotosíntesis, veremos que las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan

9. directamente la energía luminosa del sol para producir ATP a partir de ADP y grupos fosfato
presentes en el interior de la célula vegetal.
Los animales usan la energía contenida en las moléculas de los alimentos. En cualquier caso,
la energía se utiliza para volver a crear una unión inestable de la cadena de tres fosfatos en el
ATP.
Cuando se necesita energía, el organismo puede volver a descomponer el ATP, liberando un
grupo fosfato. Nuestros cuerpos reciclan así moléculas de ATP decenas de miles de veces al
día.
En síntesis, esta es la historia del ATP. Descomponer por ejemplo, una molécula de azúcar de
un vaso de jugo de naranja, lleva a una explosión de energía en miniatura en tu cuerpo. La
energía de esa mini-explosión se utiliza para la construcción de los enlaces de alta energía
inestables que unen grupos fosfato a las moléculas de ADP, para crear nuevas moléculas de
ATP. Más tarde - tal vez sólo una fracción de segundo más tarde -cuando se necesita una
reacción que consume mucha energía, las células pueden liberar la energía almacenada en las
nuevas moléculas de ATP.
En pocas palabras: 4
Las células almacenan temporalmente energía en los enlaces de las moléculas de ATP. Esta energía
potencial puede ser convertida en energía cinética y se utiliza para alimentar las reacciones químicas
que mantienen la vida. El ATP puede usarse muchísimas veces.