Las funciones de nutrición (2º A - B - D)

Los seres vivos necesitamos materia y energía para mantenernos vivos y llevar a cabo todas nuestras funciones vitales. Utilizamos la energía para realizar todas nuestras actividades, y utilizamos la materia para reparar las partes de nuestro organismo que se van deteriorando, para crecer y desarrollarnos y para obtener de ella la energía química que se encuentra almacenada en las moléculas. Tanto la materia como la energía debemos tomarla del medio que nos rodea. 

Los organismos necesitamos utilizar diferentes tipos de sustancias químicas, las mismas que forman parte de nuestra composición: materia inorgánica, como el agua, el oxígeno y las sales minerales, y materia orgánica, como los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Cuando hemos tomado esa materia del exterior, en la mayor parte de los casos podemos transformarla para elaborar las sustancias concretas que necesitamos utilizar; por ejemplo, podemos tomar un glúcido como la fructosa, que está presente en las frutas, y transformarlo en glucosa, que es el glúcido que van a utilizar nuestras células. Sin embargo, hay algunas sustancias que nosotros no podemos construir a partir de otras, y que necesitamos consumirlas directamente en nuestra dieta. Estas sustancias químicas, que pueden ser glúcidos, lípidos, aminoácidos (los elementos que forman parte de las proteínas) o nucleótidos (los elementos que constituyen los ácidos nucleicos) se llaman compuestos esenciales o vitaminas. 

Un compuesto esencial (este nombre es preferible al de vitamina) es una sustancia química que nuestro organismo necesita, pero que no puede fabricar a partir de otra sustancia, por lo que debemos consumirla en nuestra dieta. 

Las sustancias que tomamos del exterior reciben el nombre genérico de nutrientes. Una vez que los hemos conseguido los utilizamos en nuestro cuerpo para realizar varias actividades diferentes, las más importantes de las cuales son: 

• Mantener el equilibrio del organismo: nuestro cuerpo, para funcionar adecuadamente, necesita que sus características internas se mantengan más o menos constantes: cantidad de agua o de otras sustancias químicas, temperatura... De esta función se encargan fundamentalmente el agua, los minerales y las proteínas, así como casi todos los compuestos esenciales. 
• Construir estructuras corporales: a medida que vamos creciendo, pero también a medida que nuestro cuerpo se va desgastando y sus estructuras se van deteriorando, es necesario construir otras nuevas o reparar o sustituir las que se han estropeado. Esta función es desempeñada, especialmente, por los minerales, los lípidos (que forman todas las membranas que rodean las células o que constituyen sus orgánulos) y las proteínas.
• Elaborar sustancias químicas que el organismo necesita, a partir de las que ha conseguido del exterior. En esta tarea participan, sobre todo, el agua, los glúcidos, los lípidos y las proteínas. 
• Producir la energía que necesitamos para llevar a cabo nuestras actividades. Esta energía procede de los glúcidos y de los lípidos. 
• Hacer funcionar las células, llevando a cabo todas las actividades que son necesarias para mantenerlas vivas. Las principales responsables de esta función son las proteínas. 
• Dirigir el funcionamiento celular, de lo que se encargan los ácidos nucleicos. 

La energía que necesitamos 

Los seres vivos podemos utilizar dos formas diferentes de energía: la luminosa y la química: 

• Algunos organismos, especialmente las plantas, las algas y algunas bacterias, pueden captar la energía de la luz solar, y utilizarla para fabricar su propia materia orgánica. 
• Todos los organismos, incluidos los anteriores, utilizamos la energía química que se encuentra almacenada en la materia orgánica. 

Según la forma en que utilizan la materia y la energía, se distinguen dos tipos de organismos:

•  Los organismos heterótrofos toman del exterior tanto la materia inorgánica como la materia orgánica. La energía que necesitan la obtienen rompiendo las moléculas orgánicas.
• Los organismos autótrofos se caracterizan porque algunas de sus células son capaces de tomar del exterior solo materia inorgánica y de aprovechar la energía luminosa. Esas células transforman la materia inorgánica en materia orgánica, y la distribuyen por el resto del organismo. Estos procesos ocurren solo en orgánulos especializados (los cloroplastos) dentro de algunas células, mientras que todas las células del organismo, incluidas las que tienen cloroplastos, funcionan como los organismos heterótrofos: utilizan la materia orgánica producida en los cloroplastos para conseguir la energía química que necesitan.

De la nutrición del organismo a la nutrición de las células

El objetivo real de la nutrición de los organismos es permitir que todas y cada una de sus células obtengan los nutrientes que necesiten y puedan utilizarlos, y retirar los residuos que se producen en ese proceso.

En los animales, el proceso de nutrición empieza con la adquisición de nutrientes del exterior del organismo, lo que tiene lugar mediante dos aparatos: el respiratorio se ocupa de conseguir el oxígeno, mientras que el digestivo se encarga de conseguir los nutrientes procedentes de los alimentos. Una vez en el interior de estos aparatos, los nutrientes deben ser absorbidos, es decir, deben pasar al interior del organismo propiamente dicho, incorporándose al sistema circulatorio.

El sistema circulatorio se encarga de llevar los nutrientes hasta todas las células del organismo, que los absorben, los incorporan a su interior y los utilizan para reconstruir las estructuras deterioradas, crecer o producir energía. La utilización de los nutrientes por parte de las células recibe el nombre de metabolismo, y es el  paso fundamental de todas las funciones de nutrición. Dentro del metabolismo, la obtención de energía por parte de las células ocurre, fundamentalmente, en las mitocondrias, al combinar la glucosa con el oxígeno. Este proceso se denomina respiración celular, y produce como residuo dióxido de carbono.

Las células producen también otros residuos, sobre todo sustancias que contienen nitrógeno y que pueden resultar tóxicas para ellas. Tanto el dióxido de carbono como estas sustancias son eliminadas por las células, vertiéndolas al sistema circulatorio.

El sistema circulatorio se encarga ahora de retirar los residuos y transportarlos a los órganos que los van a eliminar: el dióxido de carbono al aparato respiratorio y el resto de los residuos al aparato urinario, la piel o el hígado. Por último, estos órganos se encargan de expulsar esos residuos al exterior del organismo.

En cuanto a las plantas, los nutrientes se absorben del suelo a través de las raíces (agua, sales minerales) y de la atmósfera a través de las hojas (dióxido de carbono, oxígeno).

Dado que las plantas poseen dos tipos de células, las autótrofas y las heterótrofas, el modo en que estas se nutren es diferente. Los nutrientes inorgánicos tomados del exterior son transportados hasta las células capaces de realizar la fotosíntesis, que se encuentran fundamentalmente en las hojas. Una vez allí, entran en los cloroplastos donde se producen sustancias orgánicas, como la glucosa. Estos compuestos van a ser transportados hasta todas las células de la planta, donde se utilizarán del mismo modo en que las células animales utilizan los suyos. En concreto, todas las células vegetales obtienen energía en sus mitocondrias mediante la respiración celular.

La mayoría de las plantas no tienen sistemas especializados en la eliminación de residuos, ya que las sustancias de desecho que producen, casi en todos los casos, son el dióxido de carbono (en la respiración celular), el oxígeno (en la fotosíntesis) y el agua, y las tres se eliminan a través de las hojas.

La nutrición es un proceso químico

Todas las células de cualquier organismo son "fábricas químicas" en las que ocurren un gran número de reacciones que transforman unas sustancias en otras. Algunas de esas reacciones liberan energía, que puede utilizarse en otras, mientras que otras necesitan recibir energía que la célula obtiene de las reacciones del primer tipo.

La sustancia más importante que las células utilizan para obtener energía es la glucosa, un glúcido que está prácticamente en todos los alimentos. La glucosa participa en tres importantes procesos químicos que tienen que ver con la producción y el uso de la energía por parte de los organismos:

• La fotosíntesis es el proceso mediante el cual los organismos autótrofos fabrican glucosa a partir de dióxido de carbono y agua. Gracias a este proceso, la energía de la luz se transforma en energía química que puede ser utilizada por todos los seres vivos.
• La fermentación es un proceso de utilización de la energía química almacenada en la glucosa que se produce en organismos que viven sin oxígeno (anaerobios) o cuando esta sustancia falta. En este proceso la glucosa se rompe, pero da lugar a moléculas orgánicas que aún conservan la mayor parte de la energía que contiene, como el etanol, el ácido láctico, el ácido acético... Este proceso es muy importante en la producción de algunos alimentos, como el yogur (ácido láctico), el vinagre (ácido acético) o las bebidas alcohólicas (etanol), y también se produce en nuestras células musculares cuando realizamos un esfuerzo demasiado intenso, y la sangre no consigue llevar oxígeno suficiente hasta el músculo.
• La respiración celular es el proceso más importante de obtención de energía en las células. Se produce en el interior de las mitocondrias, y para que pueda tener lugar es necesario "quemar" por completo las moléculas de glucosa, con lo que se obtiene finalmente dióxido de carbono y agua, produciendo mucha más energía que la fermentación.

La fotosíntesis es el proceso de nutrición autótrofa más importante que ocurre en la Biosfera, aunque también existen algunos organismos autótrofos que pueden obtener energía de reacciones químicas. Los organismos fotosintetizadores son las plantas, las algas (protistas) y algunas bacterias. 

La respiración celular es el proceso de nutrición heterótrofa que llevan a cabo todos los seres vivos que respiran oxígeno (aerobios), y representa para ellos la principal fuente de energía química de todas las células.

Los dos procesos están relacionados, y equilibrados entre sí: todos los seres vivos necesitamos materia orgánica para mantener nuestro funcionamiento, pero al utilizarla para producir energía la vamos transformando en materia inorgánica. La fotosíntesis permite que se regenere la materia orgánica que necesitamos todos los organismos.

Gracias a la fotosíntesis se puede mantener el equilibrio entre materia inorgánica y materia orgánica que es necesario para que se mantenga la vida en la Tierra.

Importancia de la fotosíntesis

La fotosíntesis es fundamental para la vida en nuestro planeta porque aporta varios beneficios que resultan de gran importancia para todos los organismos:

• Proporciona energía que puede ser utilizada por todos los seres vivos, al transformar la energía luminosa en energía química.
• Producen materia orgánica que es utilizable por todos los organismos a partir de la materia inorgánica.
• Libera oxígeno, que es utilizado por los organismos aerobios, para llevar a cabo la respiración celular.
• Produjo todo el oxígeno que está presente en la atmósfera, cambiando la composición de la atmósfera primitiva y haciendo posible la aparición de nuevos organismos.
• Es la fuente de alimentos para el resto de los organismos, por lo que las plantas son la base de todas las cadenas tróficas.
• Hizo posible la formación de los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural.

La nutrición en los vegetales

Las plantas absorben nutrientes desde el aire y desde el suelo a través de estructuras especializadas para ello: los nutrientes presentes en el aire son el dióxido de carbono y el oxígeno, que penetran en la planta a través de los estomas, aperturas que hay en la parte inferior de las hojas y que permiten el intercambio de gases. El agua y las sales minerales son absorbidas del suelo por medio de los pelos absorbentes de la raíz. Todos estos nutrientes tienen que ser transportados hasta las células fotosintetizadoras de las hojas. Los gases llegan hasta allí difundiéndose por los espacios que quedan en el interior de la hoja, mientras que el agua y las sales son transportados a través de un conjunto de tubos llamado xilema, formado por las paredes celulares de células muertas, en el que los nutrientes se mueven de abajo hacia arriba.

Los nutrientes elaborados en las células de las hojas son transportados a todas las células a través de los vasos del floema, que a diferencia de los del xilema están formados por células vivas. El floema transporta sustancias tanto hacia abajo como hacia arriba, ya que los nutrientes tienen que llegar a los órganos en crecimiento del extremo superior de la planta, que son incapaces de realizar la fotosíntesis.

La eliminación de residuos se produce a través de los estomas, que se abren y cierran para permitir el intercambio de gases. Cuando la planta abre los estomas se produce también la pérdida de agua, proceso que supone un problema para la planta, pero que al mismo tiempo no puede dejar de realizar, porque es necesario para que la savia bruta ascienda a lo largo del xilema.

La nutrición en los animales

Los animales también obtenemos nutrientes de dos fuentes diferentes: del aire, del que conseguimos el oxígeno, y de los alimentos. Para llegar a incorporar esos nutrientes a nuestro organismo debemos realizar diferentes procesos:

• Oxígeno:
•  Respiración: permite hacer llegar el oxígeno contenido en el aire o en el agua hasta los tejidos que pueden absorberlo.
•  Absorción: consiste en el paso del oxígeno desde el medio hasta la sangre, para que lo distribuya por todo el cuerpo.
• Nutrientes contenidos en los alimentos:

• Alimentación: consiste en tomar materiales que contienen nutrientes procedentes de otros seres vivos.
• Digestión: transformación de los alimentos para obtener de ellos los nutrientes que contienen.
•  Absorción: incorporación de los nutrientes a las células del organismo, para que puedan ser usados.

 Una vez incorporados al interior del organismo, los nutrientes deben ser distribuidos por todo el organismo para que alcancen todas las células donde serán utilizados. Como consecuencia de ese uso las células producen residuos que deben ser recogidos y eliminados. En estos procesos intervienen varios aparatos y sistemas corporales: digestivo, respiratorio, circulatorio y excretor.

Aparatos digestivos

Los aparatos digestivos se encargan de capturar, digerir y absorber los nutrientes presentes en los alimentos, y de eliminar los restos de esos alimentos que no han sido absorbidos (defecación o egestión). La egestión no puede considerarse un proceso de excreción, porque los restos eliminados no han penetrado en el organismo, no han sido absorbidos por él, por lo que no pueden ser considerados residuos del metabolismo.

Una vez conseguido el alimento, es necesario extraer de él los nutrientes, proceso que se denomina digestión y que se lleva a cabo mediante dos mecanismos: la digestión mecánica consiste en desmenuzar los alimentos físicamente, disolviéndolos en un medio acuoso (saliva), mezclándolos o cortándolos con ayuda, por ejemplo, de los dientes; la digestión química consiste en hacer reaccionar químicamente las sustancias químicas presentes en los alimentos hasta transformarlos en moléculas pequeñas, que puedan ser absorbidas: glúcidos, lípidos, aminoácidos (componentes de las proteínas) y nucleótidos (componentes de los ácidos nucleicos).

La otra función fundamental de los aparatos digestivos es la absorción de los nutrientes, tomándolos de la mezcla que ha resultado de la digestión e introduciéndolos en el interior del organismo.

Según el modo en que realizan estas funciones, se distinguen tres tipos de animales:

• Animales sin aparato digestivo, como las esponjas. En estos casos, todas las células están directamente en contacto con el medio, y pueden tomar de él los nutrientes que necesitan.
• Animales con cavidad digestiva: estos animales poseen una cavidad abierta al exterior por un solo orificio, que sirve tanto de entrada como de salida del agua. Todas las células del organismo están cerca de la cavidad, de forma que cada célula absorbe directamente los nutrientes de ella. Ejemplos de este tipo de animales son los cnidarios (medusas y corales) y los platelmintos.
• Animales con tubo digestivo: en la mayoría de los animales, el aparato digestivo está formado por un tubo, que se abre al exterior a través de dos orificios: uno de entrada, la boca, y otro de salida, el ano. Las diferentes zonas del tubo están especializadas en distintas funciones.
• La boca se encarga de la digestión mecánica, pero también realiza digestión química.
• El esófago se ocupa solo de transportar el alimento.
• El estómago realiza tanto digestión mecánica, al mezclar los alimentos entre sí y con los jugos digestivos, como digestión química.
• El duodeno, el primer tramo del intestino delgado, se ocupa de terminar la digestión química.
• El resto del intestino delgado permite que se produzca la absorción de los nutrientes.
• El intestino grueso se ocupa de absorber el agua que aún queda en el tubo digestivo.

Estos animales poseen, además, glándulas situadas junto al tubo, que vierten a él sustancias que hacen posible la digestión de los alimentos:

• Las glándulas salivares, situadas alrededor de la boca, segregan saliva, que humedece los alimentos y empieza a digerir los glúcidos.
• Las glándulas del estómago producen jugos gástricos, que digieren, sobre todo, las proteínas.
• El hígado produce sales biliares, que ayudan a digerir los lípidos.
• El páncreas produce sustancias que terminan de digerir los glúcidos, los lípidos y las proteínas.

Aparatos respiratorios

 Los aparatos respiratorios se ocupan del intercambio de gases entre el animal y el entorno que lo rodea, lo que incluye la adquisición y absorción del oxígeno necesario para llevar a cabo la respiración celular y la excreción del dióxido de carbono producido como residuo durante este proceso.

En principio, la entrada y salida de gases del organismo es relativamente fácil, porque estas sustancias pueden entrar y salir libremente de las células, atravesando sus membranas. Sin embargo, si las células están expuestas directamente al exterior también pueden perder gran cantidad de agua, por lo que los animales terrestres se recubren de estructuras impermeables, como el esqueleto externo de los insectos, las escamas de los reptiles o una capa de células muertas que protege la epidermis de los mamíferos y las aves. 

Esto hace que los animales que vivimos en un ambiente terrestre no podamos captar el oxígeno directamente a través de la superficie del cuerpo, de modo que se pueden distinguir diferentes tipos de aparatos respiratorios, dependiendo de si los organismos que los poseen viven en el medio acuático o terrestre:

• Los animales que viven en medios húmedos toman el oxígeno directamente a través de la piel, ya sea en toda la superficie del cuerpo (respiración cutánea) o en zonas especializadas y localizadas en una parte del cuerpo (branquias). En los dos casos, el intercambio de gases se produce a través de una superficie del cuerpo muy fina, por debajo de la cual pasa un gran número de capilares, vasos sanguíneos muy finos, que permiten el paso del oxígeno desde el agua que rodea al aimal hasta el sistema circulatorio y del dióxido de carbono desde la sangre hasta el exterior. La respiración cutánea es característica de los anélidos, y se da también en los anfibios, aunque en este caso solo complementa la respiración pulmonar. Las branquias son características de los moluscos acuáticos y de los peces.
• Los insectos presentan un aparato respiratorio formado por tráqueas, tubos que se abren en diferentes puntos de la superficie del cuerpo y que se van extendiendo y ramificando hacia el interior, de modo que llevan el oxígeno hasta las proximidades de todas las células del cuerpo.
• Los vertebrados terrestres (anfibios, reptiles, aves y mamíferos) y algunos moluscos, como los caracoles terrestres, poseen un aparato respiratorio formado por pulmones. El aparato respiratorio de los vertebrados tiene la siguiente estructura:
• El aire penetra a través de las fosas nasales, llegando a la cavidad nasal donde se calienta y se eliminan los cuerpos extraños que pueda tener.
• Atraviesa un tubo, la laringe, que puede utilizarse para producir sonidos.
• Al final de la laringe aparece la tráquea, que atraviesa el cuello, por lo que está protegida por un cartílago.
• La tráquea se divide en dos para formar los bronquios, que penetran en los pulmones.
• En el interior de los pulmones los bronquios se van ramificando en tubos cada vez más finos. Los últimos desembocan en unas pequeñas cavidades llamadas alveolos, rodeadas de capilares sanguíneos. En los alveolos se produce el intercambio de gases entre el aire y la sangre.

Aparatos circulatorios

 Los aparatos circulatorios se encargan de distribuir los nutrientes para hacerlos llegar a todas las células del organismo, y de retirar los residuos producidos por las células para trasladarlos hasta los órganos encargados de eliminarlos del cuerpo.

Algunos animales no necesitan ningún tipo de circulatorio, porque sus células están cerca del exterior, como sucede en las esponjas, o cerca de la cavidad digestiva, como ocurre en las medusas. Sin embargo, la mayoría de los animales necesitan algún líquido que recorra todo el cuerpo realizando estas funciones.

• Aparatos circulatorios abiertos: Los animales de pequeño tamaño, como los insectos, tienen sus órganos dentro de una cavidad del cuerpo, rellena de un líquido que los baña por completo.  Para que ese líquido tenga los nutrientes adecuados es necesario hacerlo circular, moverse por todo el cuerpo. Estos animales tienen varios corazones que empujan un líquido, la linfa, a lo largo de vasos circulatorios que se abren a la cavidad general del cuerpo. Luego, la linfa vuelve al interior de los corazones a través de orificios que existen en sus paredes.
• Aparatos circulatorios cerrados: en los animales de mayor tamaño el líquido que distribuye los nutrientes y retira los residuos (la sangre) circula siempre por el interior de conductos llamados vasos sanguíneos. Los nutrientes y los residuos son los que entran y salen de esos tubos, atravesando sus paredes en los vasos más finos, llamados capilares. Los elementos que forman parte de los sistemas circulatorios cerrados son:
• El corazón bombea la sangre, ejerciendo la fuerza suficiente para que circule a lo largo de todo el sistema, haciéndola llegar a todas las partes del cuerpo.
• Las arterias alejan la sangre del corazón, llevándolas a los diferentes órganos.
• Los capilares son unos vasos de diámetro muy pequeño y paredes muy finas por los que la sangre circula a baja velocidad. A través de sus paredes se produce el intercambio de sustancias entre la sangre y el líquido que rodea a las células: los nutrientes salen de los capilares, mientras que los residuos entran en ellos.
• Las venas devuelven la sangre hacia el corazón.

La sangre recorre un doble circuito a lo largo del cuerpo:

• La circulación menor va desde el corazón hasta los pulmones, donde deja el dióxido de carbono y se carga con oxígeno. Después vuelve al corazón por el lado contrario al que salió, para seguir el otro circuito.
• La circulación mayor va desde el corazón hacia todos los órganos del cuerpo, absorbiendo los nutrientes en el intestino, dejándolos en todos los órganos, retirando los residuos de todos los órganos y llevándolos hasta los órganos excretores.

Aparatos excretores

La excreción consiste en eliminar del organismo sustancias tóxicas o no deseables producidas por las células al utilizar los nutrientes. Como las sustancias de desecho que se producen en el metabolismo pueden ser de varios tipos, la excreción incluye diferentes órganos y aparatos corporales. Por ejemplo, en los mamíferos intervienen en esta fase de las funciones de nutrición el aparato respiratorio, que se encarga de eliminar el dióxido de carbono, el hígado, que elimina a través de la bilis algunas sustancias tóxicas, la piel, mediante el sudor y, sobre todo, el aparato urinario, que se encarga de eliminar residuos que contienen nitrógeno.

Los residuos que contienen nitrógeno son los más difíciles de eliminar por parte de los organismos, ya que suelen ser tóxicos y deben ir disueltos en agua, de forma que al expulsarlos el animal también debe perder agua, lo que suele suponer un problema. Los aparatos excretores permiten eliminar estos residuos, para lo cual, en general, realizan todos el mismo proceso:

• Filtran el líquido que contiene los residuos, ya sea el líquido que baña los órganos, y que se encuentra en la cavidad general del cuerpo, o la sangre.
• Reabsorben las sustancias útiles que puede haber en ese líquido. En general, el líquido filtrado contiene tanto residuos como nutrientes, y una de las funciones del aparato excretor es recuperar esos nutrientes.
• Tratan de recuperar la mayor cantidad de agua posible.

Existen animales que no tienen aparatos excretores especializados, y que pueden verter directamente al exterior las sustancias de desecho, pero la mayoría de los animales poseen algún tipo de órgano especializado en realizar esta función:

• Nefridios: son estructuras excretoras que se distribuyen a lo largo de todo el cuerpo, repitiéndose en sus diferentes partes. Los protonefridios, como los que poseen los platelmintos son células filtradoras, que recuperan los nutrientes y dejan salir al exterior los residuos, mientras que los metanefridios, como los de los anélidos, son auténticos órganos, formados por un tubo a lo largo del cual se produce la reabsorción de los nutrientes, que son devueltos a la sangre.
• Los tubos de Malpighi son los órganos excretores de los insectos. Se trata de un conjunto de tubos de fondo ciego que filtran el líquido de la cavidad general del cuerpo de estos animales, y que van a desembocar al intestino, de modo que los residuos se eliminan junto con las heces.
• Los riñones son el órgano de excreción de los vertebrados. En su interior se encuentran miles de unidades filtradoras llamadas nefronas, cada una de las cuales se encarga de filtrar y reabsorber las sustancias que lleva la sangre.