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El formidable poder del nitrógeno para dar y quitar la vida

Arverja y bomba

El nitrógeno es uno de los elementos más paradójicos de la tabla periódica. En una atmósfera de puro nitrógeno, las llamas se extinguen y los animales mueren, por lo que alguna vez se le llamó "azote", de la palabra griega para "sin vida". Y sin embargo, este gas inodoro e incoloro es esencial para sostener la vida misma.

El dinitrógeno o nitrógeno molecular -que constituye hasta el 78% del aire atmosférico- es N2, una molécula que consiste en dos átomos de nitrógeno unidos por un increíblemente fuerte "enlace triple", en el que los átomos comparten tres pares de electrones.

Pero si se rompe ese enlace, la naturaleza del nitrógeno cambia dramáticamente.

"La otra cara de la increíble estabilidad del nitrógeno es el hecho de que algunos de sus compuestos terminan siendo muy, muy reactivos", le explica a la BBC el profesor Andrea Sella en su laboratorio en el University College, en Londres.

Sella levanta un palo largo de madera y lo usa para apuntar en dirección de un montoncito de un polvo púrpura grisáceo que está en una tabla sobre una de las mesas del laboratorio.

"Tápese los oídos", me advierte. Luego, le da golpes al polvo con el palo.

El que esté esperando que ocurra algo dramático, no impide que la violencia de la detonación me haga brincar. Sella se ríe.

El estallido deja mis oídos timbrando y un misterioso humo púrpura se levanta de la mancha de quemadura que quedó donde había estado el polvo.

"Ese es un compuesto muy famoso llamado triyoduro de nitrógeno", me dice sonriente.

"Como la mayoría de todos los explosivos, aprovecha la tendencia del nitrógeno a formar un triple enlace".

Nitrógeno estallando

La ruptura del enlace triple del nitrógeno es explosiva.

Además, como con la nitroglicerina y el TNT (trinitrotolueno), lo que se está haciendo es convertir un sólido en gas, así que la sustancia se expande casi mil veces, explica Sella.

"Esa combinación de expansión y calor le da un poder increíble".

Y la historia de los explosivos en la guerra y en la minería provee evidencia elocuente de ello. Pero el nitrógeno también juega un rol crucial en el mantenimiento de la vida.

Toda la vida

Nitrógeno símbolo

El nitrógeno es tan mortal como esencial.

El ADN y el ácido ribonucleico (ARN o RNA) -las moléculas que contienen las instrucciones para la vida- incluyen nitrógeno.

Lo mismo es cierto de los aminoácidos, las unidades básicas de las proteínas, que Sella describe como "las máquinas del mundo biológico".

"Proveen catalizadores, esos pequeños motores que hacen todo el trabajo duro dentro de las células", explica.

"Operan como surtidores que mueven las moléculas y los iones, transforman una molécula en otra, separan el ADN y se encargan de los detalles al copiar".

Además, como las plantas necesitan del nitrógeno para construir esas pequeñas máquinas, es un fertilizador esencial.

Pero, así como en el caso de los explosivos, las plantas sólo pueden usar nitrógeno reactivo. Los enlaces triples del N2 son como ladrillos que hay que romper, pero ¿cómo?

Ciertas bacterias, responde Sella, son capaces de realizar un extraordinario truco de magia química.

"Aprendieron a usar átomos de metal que están incrustados en una matriz para atacar al nitrógeno, bombardeándolo con una mezcla de electrones y protones al mismo tiempo", señala.

Eso convierte al N2 en amoníaco (NH3), algo que las plantas pueden usar.

"Todo el mundo vivo se basa en ese proceso de fijación de nitrógeno", declara.

Eso resultó en una de las relaciones simbióticas más ventajosas de toda la naturaleza.

Algunas plantas, especialmente leguminosas como las arvejas, frijoles y tréboles, crían la bacteria en nódulos anexados a sus raíces. Secretan azúcares para alimentarla y, a cambio de eso, la bacteria suple a las plantas con nitrógeno. Cuando las plantas mueren, cualquier resto de nitrógeno vuelve a la tierra.

Nodulos en raiz de una planta

La planta alimenta a las bacterias que viven en nódulos y éstas le dan nitrógeno.

En resumen, esas plantas son unos fertilizadores naturales excelentes. Por ello son conocidos como "abono verde".

Los agricultores notaron cuán útiles eran las leguminosas hace al menos 8.000 años. Sembrarlas en rotación con otros cultivos, como los de cereales, ayudaba a mantener los suelos con mucho nitrógeno y al mismo tiempo producían nutritivas semillas de alto valor proteínico (como la soja o los garbanzos).

Guerra por excrementos

Aunque la rotación de los cultivos se fue perfeccionando con el paso del tiempo hasta el siglo XVIII, hay un límite de cuánto nitrógeno puede extraerse del aire para usarlo en los cultivos con esta técnica.

Con las poblaciones europeas y americanas creciendo con rapidez en el siglo XIX, el mundo estaba necesitado de otro fertilizador... y en 1864 se desató la primera guerra del nitrógeno.

España y Perú usaron armas explosivas basadas en nitrógeno para asegurarse el acceso a las fuentes de ese mismo elemento de las escarpadas Islas Chincha en el Océano Pacífico.

La fuente del nitrógeno no era otra que las heces de los pájaros -el guano- depositadas por varias generaciones de aves marinas durante miles de años.

Isla de guano

Las islas de guano a menudo están cubiertas por una gruesa capa blanca.

Con la ayuda de Chile, Perú ganó la guerra. Sin embargo, una década más tarde, el guano se estaba acabando, así que la atención se desvió hacia otra fuente de nitrógeno que estaba a la mano: el salar del desierto de Atacama.

Y, naturalmente, no pasó mucho tiempo antes de que los antiguos aliados -Chile y Perú- se enfrentaran en una guerra por el Atacama.

Lo que suscita una pregunta.

La población del mundo se ha multiplicado por cinco desde la década de los 70 del siglo XIX. Esas son muchas bocas para alimentar. ¿De dónde viene el todo el nitrógeno fertilizador para hacerlo? ¿Por qué no ha habido más guerras por el nitrógeno?

Viajé a Ludwigshafen en Alemania en busca de la respuesta.

Toda una hazaña

Ludwigshafen, Alemania

Ludwigshafen pasó a la historia por crear milagros y también cruentas armas químicas.

Esa insulsa ciudad alberga uno de los inventos científicos más importantes de la historia: el proceso Haber Bosch.

Fue descrito como "milagroso", por crear "pan del aire", y en la planta química BASF fue donde se desarrolló el proceso industrial de fijación de nitrógeno del aire para hacer amoníaco.

El avance clave fue hecho en 1909 por un joven químico ambicioso llamado Fritz Haber, quien hizo un experimento para demostrar que era posible. Pero había un problema: el proceso requería de una presión de casi 200 atmósferas y temperaturas de más de 400ºC.

Los ingenieros de BASF, liderados por Carl Bosch, superaron el obstáculo en una proeza comparable a la de la misión Apollo a la Luna, según Michael Mauss, quien solía dirigir esa vasta planta de amoníaco, una de las instalaciones químicas más grandes del mundo.

"El riesgo financiero para la compañía era tremendo", le dice a la BBC. "Todo tenía que ser inventado: los compresores, los catalizadores y los reactores que pudieran soportar esas enormes temperaturas y presiones".

No obstante, ya en 1912 BASF tenía la planta funcionando.

Mauss asegura que el interés de la firma en nitrógeno respondía a la necesidad de evitar una crisis alimentaria. Sin embargo, al principio lo que la planta producía se usaba para un propósito muy distinto.

Ante la inminencia de la Primera Guerra Mundial, el amoníaco fue utilizado en la producción de municiones.

Una vez más, la naturaleza dual del nitrógeno se hizo evidente.

Nada es bueno en exceso

Minero

Los explosivos no sólo se usan mucho en la guerra, también en la minería.

Hoy en día, los explosivos son sólo una parte minúscula del mercado para las grandes cantidades de amoníaco que se producen usando el proceso Haber Bosch.

La mayoría se utiliza para fabricar fertilizadores y ese nitrógeno "sintético" ha incrementado vastamente la producción agraria en todo el mundo.

La mayoría del nitrógeno en su cuerpo probablemente vino del proceso Haber Bosch. Y sin él, más de la mitad de la población del mundo no tendría nada para comer.

Los increíbles rendimientos que los fertilizadores sintéticos explican la razón por la cual la obesidad ha remplazado al hambre como el reto nutricional más grande de los países ricos.

Y hay otras desventajas.

Todo el nitrógeno extra que la humanidad está extrayendo del aire tiene que ir a algún lado. Parte pasa por nuestro cuerpo y el de los animales, y se desecha por las cloacas.

Aún más llega a los ríos arrastrado por lluvias fuertes o se filtra a los depósitos de agua bajo la tierra.

Todo esto causa que los ecosistemas se saturen con nitrógeno, un proceso llamado "eutrofización". El resultado son grandes proliferaciones de algas, y después bacterias, que se alimentan del exceso de nitrógeno. En el proceso, se chupan todo el oxígeno del agua, matando a los peces y otros organismos.

Algas en el lago Atitlán en Guatemala

En esta imagen del lago Atitlán en Guatemala se ve la proliferación de algas.

"Para el 2050 habrá enormes cantidades (de nitrógeno reactivo) en los océanos", vaticina Giles Oldroyd, del Centro John Innes, un centenario centro de investigación agrónoma ubicado en Norwich, Inglaterra. "Tiene el potencial de provocar un colapso masivo de los sistemas oceánicos, y de todos los peces de los que dependemos para alimentarnos".

Oldroyd está tratando de encontrar la manera de transferir el complejo conjunto de genes responsable de crear esos nódulos en las leguminosas a los cereales que más se cultivan, como el arroz y el trigo.

"Espero poder lograrlo en lo que me queda de mi carrera... tengo 30 años antes de retirarme", dice en conversación con la BBC.

Si Oldroyd y su equipo tienen éxito se reduciría muchísimo la dependencia del mundo en el proceso Haber Bosch y eso, a su vez, no sólo disminuiría la eutrofización sino también las emisiones de gas invernadero: se estima que Haber Bosch usa el 1% del suministro de energía del mundo, lo que refleja cuán difícil es separar esos enlaces triples.

¿Y Haber?

Pero, ¿qué fue de ese entusiasta joven químico, Fritz Haber, cuyo experimento resolvió la crisis de nitrógeno del mundo?

Como era un ferviente nacionalista alemán, no sólo ayudó a suplir a Alemania con explosivos durante la Primera Guerra Mundial sino que pasó a desarrollar armas químicas.

Eso fue demasiado para su esposa, Clara, quien también era química. Poco después de que sus nuevos gases tóxicos fueron usados en las trincheras, ella cogió el revolver de su marido y se pegó un tiro. A la mañana siguiente, Fritz se fue a supervisar el uso del gas en el Frente Oriental.

Los jueces del Premio Nobel no fueron tan críticos de su labor durante la guerra como su esposa. En 1918 lo galardonaron con el Nobel de Química por su trabajo con nitrógeno. Y después de la guerra, aprovechó sus conocimientos para desarrollar pesticidas, incluyendo ese notorio grupo de toxinas a base de nitrógeno, el cianuro.

Fritz Haber (izq), Albert Einstein (der)

Haber (izq) recibió el Premio Nobel en 1918, Albert Einstein (der) en 1921.

Su trabajo llegó a un abrupto final en 1933.

A pesar de haberse convertido al luteranismo, Fritz Haber había nacido judío y para los nazis no había lugar para él en el nuevo Reich. Huyó a Inglaterra donde sus colegas químicos lo rechazaron por su historial de guerra.

Un año más tarde, partió con destino a lo que luego sería Israel, pero murió de un ataque al corazón en el camino.

Y quizás fue lo mejor.

De haber vivido, Fritz Haber habría sabido que toda su extensa familia fue aniquilada con Zyklon B, un pesticida a base de cianuro que los nazis utilizaron para eliminar a millones de personas. Haber había supervisado su desarrollo y la producción del venenoso gas dependía del proceso de fijación de nitrógeno del que él fue pionero.

Contexto

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