Nutrición

Los organismos se pueden clasificar según cómo obtienen carbono y energía. Los heterótrofos son organismos que obtienen nutrientes consumiendo el carbono de otros organismos, mientras que los autótrofos son organismos que producen sus propios nutrientes a partir del carbono de sustancias inorgánicas como el dióxido de carbono . Los mixótrofos son organismos que pueden ser heterótrofos y autótrofos, incluyendo algunos organismos del plancton y plantas carnívoras . Los fotótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimiótrofos la obtienen consumiendo energía química de la materia. Los organótrofos consumen otros organismos para obtener electrones, mientras que los litótrofos los obtienen de sustancias inorgánicas, como agua , sulfuro de hidrógeno , dihidrógeno , hierro(II) , azufre o amonio . ^{[ 8 ]} Los protótrofos pueden crear nutrientes esenciales a partir de otros compuestos, mientras que los auxótrofos deben consumir nutrientes preexistentes. ^{[ 9 ]}

En nutrición, la dieta de un organismo es la suma de los alimentos que ingiere. ^{[ 10 ]} Una dieta saludable mejora la salud física y mental de un organismo. Esto requiere la ingestión y absorción de vitaminas , minerales , aminoácidos esenciales de las proteínas y ácidos grasos esenciales de los alimentos que contienen grasas. Los carbohidratos , las proteínas y las grasas desempeñan un papel fundamental para garantizar la calidad de vida , la salud y la longevidad del organismo. ^{[ 11 ]} Algunas culturas y religiones tienen restricciones sobre lo que es aceptable para su dieta. ^{[ 12 ]}

Un ciclo de nutrientes es un ciclo biogeoquímico que implica el movimiento de materia inorgánica a través de una combinación de suelo, organismos, aire o agua, donde se intercambia por materia orgánica. ^{[ 13 ]} El flujo de energía es una vía unidireccional y no cíclica, mientras que el movimiento de nutrientes minerales es cíclico. Los ciclos minerales incluyen el ciclo del carbono , el ciclo del azufre , el ciclo del nitrógeno , el ciclo del agua , el ciclo del fósforo y el ciclo del oxígeno , entre otros, que se reciclan continuamente junto con otros nutrientes minerales para formar una nutrición ecológica productiva . ^{[ 13 ]}

Los ciclos biogeoquímicos que realizan los organismos vivos y los procesos naturales son los ciclos del agua , el carbono , el nitrógeno , el fósforo y el azufre . ^{[ 14 ]} Los ciclos de nutrientes permiten que estos elementos esenciales regresen al medio ambiente después de ser absorbidos o consumidos. ^{[ 15 ]} Sin un ciclo adecuado de nutrientes, existiría el riesgo de cambios en los niveles de oxígeno, el clima y el funcionamiento del ecosistema.

El forrajeo es el proceso de buscar nutrientes en el ambiente. También puede definirse para incluir el uso posterior de los recursos. Algunos organismos, como los animales y las bacterias, pueden orientarse para encontrar nutrientes, mientras que otros, como las plantas y los hongos, se extienden para encontrarlos. El forrajeo puede ser aleatorio, en el que el organismo busca nutrientes sin un método específico, o puede ser sistemático, en el que el organismo puede ir directamente a una fuente de alimento. ^{[ 16 ]} Los organismos son capaces de detectar nutrientes a través del gusto u otras formas de detección de nutrientes , lo que les permite regular la ingesta de nutrientes. ^{[ 17 ]} La teoría del forrajeo óptimo es un modelo que explica el comportamiento de forrajeo como un análisis de costo-beneficio en el que un animal debe maximizar la obtención de nutrientes minimizando la cantidad de tiempo y energía invertidos en el forrajeo. Fue creada para analizar los hábitos de forrajeo de los animales, pero también puede extenderse a otros organismos. ^{[ 18 ]} Algunos organismos son especialistas que están adaptados para forrajear una sola fuente de alimento, mientras que otros son generalistas que pueden consumir una variedad de fuentes de alimento. ^{[ 19 ]}

Los animales son heterótrofos que consumen otros organismos para obtener nutrientes. Los herbívoros son animales que comen plantas, los carnívoros son animales que comen otros animales y los omnívoros son animales que comen tanto plantas como otros animales. ^{[ 26 ]} Muchos herbívoros dependen de la fermentación bacteriana para crear nutrientes digeribles a partir de la celulosa vegetal indigerible, mientras que los carnívoros obligados deben comer carne animal para obtener ciertas vitaminas o nutrientes que sus cuerpos no pueden sintetizar de otra manera. Los animales generalmente tienen un requerimiento energético mayor en comparación con las plantas. ^{[ 27 ]} Los macronutrientes esenciales para la vida animal son los carbohidratos, los aminoácidos y los ácidos grasos . ^{[ 7 ] [ 28 ]}

Todos los macronutrientes, excepto el agua, son necesarios para que el cuerpo obtenga energía; sin embargo, esta no es su única función fisiológica. La energía que aportan los macronutrientes de los alimentos se mide en kilocalorías, generalmente llamadas calorías, donde 1 caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua en 1 grado Celsius. ^{[ 29 ]}

Los carbohidratos son moléculas que almacenan cantidades significativas de energía. Los animales digieren y metabolizan los carbohidratos para obtener esta energía. Los carbohidratos suelen ser sintetizados por las plantas durante el metabolismo, y los animales deben obtener la mayoría de los carbohidratos de la naturaleza, ya que tienen una capacidad limitada para generarlos. Incluyen azúcares , oligosacáridos y polisacáridos . La glucosa es la forma más simple de carbohidrato. ^{[ 30 ]} Los carbohidratos se descomponen para producir glucosa y ácidos grasos de cadena corta , y son los nutrientes más abundantes para los animales terrestres herbívoros. ^{[ 31 ]} Los carbohidratos contienen 4 calorías por gramo.

Los lípidos proporcionan a los animales grasas y aceites. No son solubles en agua y pueden almacenar energía durante un período prolongado. Se pueden obtener de diversas fuentes vegetales y animales. La mayoría de los lípidos dietéticos son triglicéridos , compuestos de glicerol y ácidos grasos. Los fosfolípidos y esteroles se encuentran en menor cantidad. ^{[ 32 ]} El cuerpo de un animal reduce la cantidad de ácidos grasos que produce a medida que aumenta la ingesta de grasas en la dieta, mientras que aumenta la cantidad de ácidos grasos que produce a medida que aumenta la ingesta de carbohidratos. ^{[ 33 ]} Las grasas contienen 9 calorías por gramo.

La proteína consumida por los animales se descompone en aminoácidos, que posteriormente se utilizan para sintetizar nuevas proteínas. La proteína se utiliza para formar estructuras celulares, fluidos ^{[ 34 ]} y enzimas ( catalizadores biológicos ). Las enzimas son esenciales para la mayoría de los procesos metabólicos , así como para la replicación , reparación y transcripción del ADN ^{[ 35 ]} . La proteína contiene 4 calorías por gramo.

Gran parte del comportamiento animal está regido por la nutrición. Los patrones migratorios y la reproducción estacional se producen en función de la disponibilidad de alimento, y las exhibiciones de cortejo se utilizan para mostrar la salud del animal. ^{[ 36 ]} Los animales desarrollan asociaciones positivas y negativas con los alimentos que afectan su salud, y pueden evitar instintivamente los alimentos que les han causado daño tóxico o desequilibrios nutricionales mediante una aversión condicionada a los alimentos . Algunos animales, como las ratas, no buscan nuevos tipos de alimentos a menos que tengan una deficiencia de nutrientes. ^{[ 37 ]}

La mayoría de las plantas obtienen nutrientes a través de sustancias inorgánicas absorbidas del suelo o la atmósfera. El carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el azufre son nutrientes esenciales que componen la materia orgánica de la planta y permiten los procesos enzimáticos. Estos se absorben como iones en el suelo, como el bicarbonato , el nitrato , el amonio y el sulfato , o como gases, como el dióxido de carbono, el agua, el oxígeno y el dióxido de azufre . El fósforo, el boro y el silicio se utilizan para la esterificación . Se obtienen del suelo como fosfatos , ácido bórico y ácido silícico , respectivamente. Otros nutrientes utilizados por las plantas son el potasio, el sodio, el calcio, el magnesio, el manganeso, el cloro, el hierro, el cobre, el zinc y el molibdeno. ^{[ 52 ]}

Las plantas absorben elementos esenciales del suelo a través de sus raíces y del aire (compuesto principalmente de nitrógeno y oxígeno) a través de sus hojas . La absorción de nutrientes en el suelo se logra mediante el intercambio catiónico , en el cual los pelos radiculares bombean iones de hidrógeno (H ⁺ ) al suelo a través de bombas de protones . Estos iones de hidrógeno desplazan los cationes unidos a las partículas de suelo con carga negativa, de modo que los cationes estén disponibles para su absorción por la raíz. En las hojas, los estomas se abren para absorber dióxido de carbono y expulsar oxígeno . ^{[ 53 ]} Aunque el nitrógeno es abundante en la atmósfera terrestre, muy pocas plantas pueden utilizarlo directamente. Por lo tanto, la mayoría de las plantas requieren que los compuestos nitrogenados estén presentes en el suelo en el que crecen. Esto es posible gracias a que el nitrógeno atmosférico, en gran parte inerte, se transforma en formas biológicamente utilizables en el suelo mediante un proceso de fijación de nitrógeno llevado a cabo por bacterias. ^{[ 54 ]}

Como estos nutrientes no proporcionan energía a la planta, esta debe obtenerla por otros medios. Las plantas verdes absorben la energía de la luz solar mediante los cloroplastos y la convierten en energía utilizable a través de la fotosíntesis . ^{[ 55 ]}

Los hongos son quimioheterótrofos que consumen materia externa para obtener energía. La mayoría absorben la materia a través del micelio, que crece a través de la fuente de nutrientes del organismo y puede extenderse indefinidamente. El hongo excreta enzimas extracelulares para descomponer la materia circundante y luego absorbe los nutrientes a través de la pared celular. Los hongos pueden ser parásitos, saprófitos o simbióticos. Los hongos parásitos se adhieren y se alimentan de huéspedes vivos, como animales, plantas u otros hongos. Los hongos saprófitos se alimentan de organismos muertos y en descomposición. Los hongos simbióticos crecen alrededor de otros organismos e intercambian nutrientes con ellos. ^{[ 56 ]}

Los protistas incluyen a todos los eucariotas que no son animales, plantas ni hongos, lo que resulta en una gran diversidad entre ellos. Las algas son protistas fotosintéticos que pueden producir energía a partir de la luz. Varios tipos de protistas utilizan micelio, similar al de los hongos. Los protozoos son protistas heterótrofos, y los distintos protozoos buscan nutrientes de diferentes maneras. Los protozoos flagelados utilizan un flagelo para facilitar la búsqueda de alimento, y algunos protozoos se desplazan mediante esporas infecciosas para actuar como parásitos. ^{[ 57 ]} Muchos protistas son mixótrofos, es decir, poseen características tanto fototróficas como heterótrofas. Los protistas mixótrofos suelen depender de una fuente de nutrientes, utilizando la otra como fuente suplementaria o alternativa temporal cuando su fuente principal no está disponible. ^{[ 58 ]}

Los procariotas , incluyendo bacterias y arqueas , varían enormemente en la forma en que obtienen nutrientes entre los distintos grupos nutricionales. Los procariotas solo pueden transportar compuestos solubles a través de sus envolturas celulares, pero pueden descomponer componentes químicos a su alrededor. Algunos procariotas litotróficos son extremófilos que pueden sobrevivir en ambientes con escasez de nutrientes descomponiendo materia inorgánica. ^{[ 59 ]} Los procariotas fototróficos, como las cianobacterias y Chloroflexia , pueden realizar la fotosíntesis para obtener energía de la luz solar. Esto es común entre las bacterias que se forman en tapetes sobre manantiales geotérmicos. Los procariotas fototróficos suelen obtener carbono asimilando dióxido de carbono a través del ciclo de Calvin . ^{[ 60 ]}

Algunos procariotas, como Bdellovibrio y Ensifer , son depredadores y se alimentan de otros organismos unicelulares. Los procariotas depredadores buscan otros organismos mediante quimiotaxis o colisión aleatoria, se fusionan con ellos, los degradan y absorben los nutrientes liberados. Las estrategias depredadoras de los procariotas incluyen adherirse a la superficie externa del organismo y degradarlo externamente, entrar en el citoplasma del organismo o acceder al espacio periplásmico . Grupos de procariotas depredadores pueden prescindir de la adhesión produciendo colectivamente enzimas hidrolíticas . ^{[ 61 ]}