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La nutrición es el proceso bioquímico y fisiológico mediante el cual un organismo utiliza los alimentos para sustentar su vida . Proporciona nutrientes a los organismos , que pueden metabolizarse para crear energía y estructuras químicas. La falta de obtención de nutrientes suficientes provoca desnutrición . La ciencia nutricional es el estudio de la nutrición, aunque normalmente enfatiza la nutrición humana .
El tipo de organismo determina qué nutrientes necesita y cómo los obtiene. Los organismos obtienen nutrientes consumiendo materia orgánica , consumiendo materia inorgánica, absorbiendo luz o alguna combinación de estos. Algunos pueden producir nutrientes internamente consumiendo elementos básicos, mientras que otros deben consumir otros organismos para obtener nutrientes preexistentes. Todas las formas de vida requieren carbono , energía y agua , así como otras moléculas. Los animales requieren nutrientes complejos como carbohidratos , lípidos y proteínas , obteniéndolos mediante el consumo de otros organismos. Los humanos han desarrollado la agricultura y la cocina para reemplazar la búsqueda de alimento y mejorar la nutrición humana. Las plantas adquieren nutrientes a través del suelo y la atmósfera. Los hongos absorben los nutrientes a su alrededor descomponiéndolos y absorbiéndolos a través del micelio .
El análisis científico de los alimentos y los nutrientes comenzó durante la revolución química de finales del siglo XVIII. Los químicos de los siglos XVIII y XIX experimentaron con diferentes elementos y fuentes de alimentos para desarrollar teorías de nutrición. [1] La ciencia de la nutrición moderna comenzó en la década de 1910 cuando comenzaron a identificarse los micronutrientes individuales. La primera vitamina identificada químicamente fue la tiamina en 1926, y la vitamina C fue la primera en encontrarse como protección contra el escorbuto en 1932. [2] El papel de las vitaminas en la nutrición se estudió en las décadas siguientes. Las primeras cantidades dietéticas recomendadas para los seres humanos se desarrollaron por temor a las enfermedades causadas por deficiencias alimentarias en la época de la Gran Depresión y la Segunda Guerra Mundial. [3] Debido a su importancia en la salud humana, el estudio de la nutrición ha enfatizado mucho la nutrición humana y la agricultura, mientras que la ecología es una preocupación secundaria. [4]
Los nutrientes son sustancias que aportan energía y componentes físicos al organismo, permitiéndole sobrevivir, crecer y reproducirse. Los nutrientes pueden ser elementos básicos o macromoléculas complejas . En la materia orgánica se encuentran aproximadamente 30 elementos , siendo los más importantes el nitrógeno , el carbono y el fósforo . [5] Los macronutrientes son las sustancias primarias que necesita un organismo, y los micronutrientes son sustancias que necesita un organismo en pequeñas cantidades. Los micronutrientes orgánicos se clasifican como vitaminas y los micronutrientes inorgánicos se clasifican como minerales . [6]
Los nutrientes son absorbidos por las células y utilizados en reacciones bioquímicas metabólicas. Estas incluyen reacciones de alimentación que crean metabolitos precursores y energía, reacciones biosintéticas que convierten los metabolitos precursores en moléculas básicas, polimerizaciones que combinan estas moléculas en polímeros de macromoléculas y reacciones de ensamblaje que utilizan estos polímeros para construir estructuras celulares. [5]
Los organismos se pueden clasificar según cómo obtienen carbono y energía. Los heterótrofos son organismos que obtienen nutrientes al consumir 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, incluidos algunos plancton y plantas carnívoras . Los fotótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimiotrofos obtienen energía consumiendo energía química de la materia. Los organótrofos consumen otros organismos para obtener electrones, mientras que los litotrofos obtienen electrones de sustancias inorgánicas, como agua , sulfuro de hidrógeno , dihidrógeno , hierro (II) , azufre o amonio . [7] Los prototrofos pueden crear nutrientes esenciales a partir de otros compuestos, mientras que los auxótrofos deben consumir nutrientes preexistentes. [8]
En nutrición, la dieta de un organismo es la suma de los alimentos que ingiere. [9] 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 importante a la hora de garantizar la calidad de vida , la salud y la longevidad del organismo. [10] Algunas culturas y religiones pueden tener restricciones sobre lo que es aceptable para su dieta. [11]
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 intercambian en materia orgánica. [12] 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 en una nutrición ecológica productiva . [12]
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 . [13] Los ciclos de nutrientes permiten que estos elementos esenciales regresen al medio ambiente después de ser absorbidos o consumidos. Sin un ciclo adecuado de nutrientes, habría riesgo de cambios en los niveles de oxígeno, el clima y la función de los ecosistemas.
La búsqueda de alimento es el proceso de buscar nutrientes en el medio ambiente. También puede definirse para incluir el uso posterior de los recursos. Algunos organismos, como los animales y las bacterias, pueden navegar para encontrar nutrientes, mientras que otros, como las plantas y los hongos, se extienden hacia afuera para encontrar nutrientes. La búsqueda de alimento puede ser aleatoria, en la que el organismo busca nutrientes sin método, o puede ser sistemática, en la que el organismo puede ir directamente a una fuente de alimento. [14] 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. [15] La teoría de la búsqueda de alimento óptima es un modelo que explica el comportamiento de búsqueda de alimento como un análisis de costo-beneficio en el que un animal debe maximizar la ganancia de nutrientes mientras minimiza la cantidad de tiempo y energía gastada en la búsqueda de alimento. Fue creado para analizar los hábitos de alimentación de los animales, pero también puede extenderse a otros organismos. [16] Algunos organismos son especialistas que están adaptados a buscar una sola fuente de alimento, mientras que otros son generalistas y pueden consumir una variedad de fuentes de alimento. [17]
Las deficiencias de nutrientes, conocidas como desnutrición , se producen cuando un organismo no dispone de los nutrientes que necesita. Esto puede deberse a la pérdida repentina de nutrientes o a la incapacidad de absorber los nutrientes adecuados. La desnutrición no sólo es el resultado de la falta de nutrientes necesarios, sino que también puede ser el resultado de otras enfermedades y condiciones de salud subyacentes. Cuando esto ocurre, un organismo se adaptará reduciendo el consumo y gasto de energía para prolongar el uso de los nutrientes almacenados. Utilizará las reservas de energía almacenadas hasta que se agoten y luego descompondrá su propia masa corporal para obtener energía adicional. [18]
Una dieta equilibrada implica la cantidad adecuada de todos los nutrientes esenciales y no esenciales. Sin embargo, puede ser diferente según la edad, el peso, el sexo, los niveles de actividad física y más. La falta de un solo nutriente esencial puede provocar daños corporales, del mismo modo que una sobreabundancia puede provocar toxicidad. Los valores de referencia diarios evitan que la mayoría de las personas sufran deficiencias de nutrientes. Los DRV no son recomendaciones, sino una combinación de referencias de nutrientes para educar a los profesionales y formuladores de políticas sobre cuál es la ingesta máxima y mínima de nutrientes para una persona promedio. Las etiquetas de los alimentos también utilizan los DRV como referencia para crear pautas nutricionales seguras para la persona sana promedio.
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. [19] Muchos herbívoros dependen de la fermentación bacteriana para crear nutrientes digeribles a partir de celulosa vegetal no digerible, mientras que los carnívoros obligados deben comer carnes de animales para obtener ciertas vitaminas o nutrientes que sus cuerpos no pueden sintetizar de otra manera. Los animales generalmente tienen mayores necesidades de energía en comparación con las plantas. [20] Los macronutrientes esenciales para la vida animal son los carbohidratos, los aminoácidos y los ácidos grasos . [6] [21]
El cuerpo necesita todos los macronutrientes, excepto el agua, para obtener energía; sin embargo, esta no es su única función fisiológica. La energía proporcionada por los macronutrientes en los alimentos se mide en kilocalorías, normalmente llamadas Calorías, donde 1 Caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar 1 kilogramo de agua en 1 grado Celsius. [22]
Los carbohidratos son moléculas que almacenan cantidades importantes 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 tienen que obtener la mayoría de los carbohidratos de la naturaleza, ya que tienen sólo una capacidad limitada para generarlos. Incluyen azúcares , oligosacáridos y polisacáridos . La glucosa es la forma más simple de carbohidrato. [23] Los carbohidratos se descomponen para producir glucosa y ácidos grasos de cadena corta , y son los nutrientes más abundantes para los animales terrestres herbívoros. [24]
Los lípidos proporcionan a los animales grasas y aceites. No son solubles en agua y pueden almacenar energía durante un período prolongado de tiempo. Se pueden obtener de muchas fuentes diferentes de plantas y animales. La mayoría de los lípidos de la dieta son triglicéridos , compuestos de glicerol y ácidos grasos. Los fosfolípidos y esteroles se encuentran en cantidades más pequeñas. [25] El cuerpo de un animal reducirá 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. [26]
La proteína consumida por los animales se descompone en aminoácidos, que luego se utilizarían para sintetizar nuevas proteínas. La proteína se utiliza para formar estructuras celulares, fluidos [27] 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 . [28]
Gran parte del comportamiento animal se rige por la nutrición. Los patrones de migración y la reproducción estacional tienen lugar junto con la disponibilidad de alimentos, y las exhibiciones de cortejo se utilizan para mostrar la salud de un animal. [29] Los animales desarrollan asociaciones positivas y negativas con alimentos que afectan su salud, y pueden evitar instintivamente alimentos que han causado daños tóxicos o desequilibrios nutricionales a través de 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. [30]
La nutrición humana temprana consistía en buscar nutrientes similares a los de otros animales, pero divergió a principios del Holoceno con la Revolución Neolítica , en la que los humanos desarrollaron la agricultura para producir alimentos. La Revolución Química del siglo XVIII permitió a los humanos estudiar los nutrientes de los alimentos y desarrollar métodos más avanzados de preparación de alimentos . Los importantes avances en economía y tecnología durante el siglo XX permitieron la producción en masa y el enriquecimiento de alimentos para satisfacer mejor las necesidades nutricionales de los seres humanos. [31] El comportamiento humano está estrechamente relacionado con la nutrición humana, por lo que es un tema de ciencias sociales además de la biología. La nutrición en los seres humanos se equilibra con comer por placer, y la dieta óptima puede variar según la demografía y los problemas de salud de cada persona. [32]
Los humanos son omnívoros que comen una variedad de alimentos. El cultivo de cereales y la producción de pan han constituido un componente clave de la nutrición humana desde los inicios de la agricultura. Los primeros humanos cazaban animales para obtener carne, y los humanos modernos domestican animales para consumir su carne y sus huevos. El desarrollo de la ganadería también ha permitido a los humanos en algunas culturas consumir la leche de otros animales y producir con ella alimentos como el queso . Otros alimentos que consumen los humanos incluyen nueces, semillas, frutas y verduras. El acceso a animales domesticados y a aceites vegetales ha provocado un aumento significativo en la ingesta humana de grasas y aceites. Los seres humanos han desarrollado métodos avanzados de procesamiento de alimentos que previenen la contaminación de microorganismos patógenos y simplifican la producción de alimentos. Estos incluyen secado, congelación, calentamiento, molienda, prensado, envasado, refrigeración e irradiación. La mayoría de las culturas agregan hierbas y especias a los alimentos antes de comerlos para darles sabor, aunque la mayoría no afecta significativamente la nutrición. También se utilizan otros aditivos para mejorar la seguridad, la calidad, el sabor y el contenido nutricional de los alimentos. [33]
Los seres humanos obtienen la mayoría de los carbohidratos en forma de almidón de los cereales, aunque el azúcar ha ganado importancia. [23] Los lípidos se pueden encontrar en la grasa animal , la grasa butírica , el aceite vegetal y las verduras de hoja , y también se utilizan para aumentar el sabor de los alimentos. [25] La proteína se puede encontrar en prácticamente todos los alimentos, ya que constituye el material celular, aunque ciertos métodos de procesamiento de alimentos pueden reducir la cantidad de proteína en un alimento. [34] Los seres humanos también pueden obtener energía del etanol , que es a la vez un alimento y un medicamento, pero proporciona relativamente pocos nutrientes esenciales y está asociado con deficiencias nutricionales y otros riesgos para la salud. [35]
En los seres humanos, la mala nutrición puede causar enfermedades relacionadas con deficiencias, como ceguera , anemia , escorbuto , parto prematuro , muerte fetal y cretinismo , [36] o afecciones por exceso de nutrientes, como obesidad [37] y síndrome metabólico . [38] Otras afecciones posiblemente afectadas por trastornos nutricionales incluyen enfermedades cardiovasculares , [39] diabetes , [40] [41] y osteoporosis . [42] La desnutrición puede provocar emaciación en casos agudos y retraso del crecimiento del marasmo en casos crónicos de desnutrición. [36]
En los animales domesticados , como las mascotas , el ganado y los animales de trabajo , así como en otros animales en cautiverio , la nutrición la gestionan los humanos a través de la alimentación animal . Se proporciona forraje y forraje al ganado. Se fabrican alimentos especializados para mascotas desde 1860, y la investigación y el desarrollo posteriores han abordado las necesidades nutricionales de las mascotas. La comida para perros y gatos en particular está muy estudiada y normalmente incluye todos los nutrientes esenciales para estos animales. Los gatos son sensibles a algunos nutrientes comunes, como la taurina , y necesitan nutrientes adicionales derivados de la carne. Los cachorros de razas grandes son susceptibles a la sobrenutrición, ya que la comida para perros de razas pequeñas tiene más energía de la que pueden absorber. [43]
La mayoría de las plantas obtienen nutrientes a través de sustancias inorgánicas absorbidas del suelo o de la atmósfera. El carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el azufre son nutrientes esenciales que forman la materia orgánica de una planta y permiten procesos enzimáticos. Estos son iones absorbidos en el suelo, como bicarbonato , nitrato , amonio y sulfato , o se absorben en forma de gases, como dióxido de carbono, agua, oxígeno gaseoso y dióxido de azufre . Para la esterificación se utilizan fósforo, boro y silicio . Se obtienen a través del suelo en forma de fosfatos , ácido bórico y ácido silícico , respectivamente. Otros nutrientes utilizados por las plantas son el potasio, sodio, calcio, magnesio, manganeso, cloro, hierro, cobre, zinc y molibdeno. [44]
Las plantas absorben elementos esenciales del suelo a través de sus raíces y del aire (que consiste principalmente en nitrógeno y oxígeno) a través de sus hojas . La absorción de nutrientes en el suelo se logra mediante el intercambio catiónico , en el que los pelos de las raíces bombean iones de hidrógeno (H + ) al suelo a través de bombas de protones . Estos iones de hidrógeno desplazan los cationes adheridos a partículas del suelo cargadas negativamente para que los cationes estén disponibles para ser absorbidos por la raíz. En las hojas, los estomas se abren para absorber dióxido de carbono y expulsar oxígeno . [45] Aunque el nitrógeno es abundante en la atmósfera de la Tierra, muy pocas plantas pueden utilizarlo directamente. Por lo tanto, la mayoría de las plantas requieren que haya compuestos de nitrógeno presentes en el suelo en el que crecen. Esto es posible porque el nitrógeno atmosférico, en gran parte inerte, se transforma mediante bacterias en el suelo mediante un proceso de fijación de nitrógeno a formas biológicamente utilizables. [46]
Como estos nutrientes no aportan energía a la planta, ésta debe obtenerla por otros medios. Las plantas verdes absorben energía de la luz solar con cloroplastos y la convierten en energía utilizable mediante la fotosíntesis . [47]
Los hongos son quimioheterótrofos que consumen materia externa para obtener energía. La mayoría de los hongos absorben materia a través del micelio en forma de raíz, 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, saprofitos o simbióticos. Los hongos parásitos se adhieren y se alimentan de huéspedes vivos, como animales, plantas u otros hongos. Los hongos saprofitos se alimentan de organismos muertos y en descomposición. Los hongos simbióticos crecen alrededor de otros organismos e intercambian nutrientes con ellos. [48]
Los protistas incluyen a todos los eucariotas que no son animales, plantas u 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 diferentes protozoos buscan nutrientes de diferentes maneras. Los protozoos flagelados utilizan un flagelo para ayudar en la búsqueda de alimento, y algunos protozoos viajan a través de esporas infecciosas para actuar como parásitos. [49] Muchos protistas son mixotróficos y tienen características tanto fototróficas como heterótrofas. Los protistas mixotróficos normalmente dependerán de una fuente de nutrientes mientras utilizan la otra como fuente suplementaria o alternativa temporal cuando su fuente principal no está disponible. [50]
Los procariotas , incluidas las bacterias y las arqueas , varían mucho en la forma en que obtienen nutrientes entre los grupos nutricionales. Los procariotas sólo pueden transportar compuestos solubles a través de sus envolturas celulares, pero pueden descomponer los componentes químicos que los rodean. Algunos procariotas litotróficos son extremófilos que pueden sobrevivir en ambientes privados de nutrientes descomponiendo la materia inorgánica. [51] Los procariotas fototróficos, como las cianobacterias y la cloroflexia , pueden realizar la fotosíntesis para obtener energía de la luz solar. Esto es común entre las bacterias que se forman en las esteras sobre los manantiales geotérmicos. Los procariotas fototróficos normalmente obtienen carbono al asimilar dióxido de carbono a través del ciclo de Calvin . [52]
Algunos procariotas, como Bdellovibrio y Ensifer , son depredadores y se alimentan de otros organismos unicelulares. Los procariotas depredadores buscan otros organismos mediante quimiotaxis o colisiones aleatorias, se fusionan con el organismo, lo degradan y absorben los nutrientes liberados. Las estrategias depredadoras de los procariotas incluyen unirse a la superficie exterior del organismo y degradarla externamente, ingresar al citoplasma del organismo o ingresar al espacio periplásmico del organismo. Los grupos de procariotas depredadores pueden renunciar al apego produciendo colectivamente enzimas hidrolíticas . [53]
