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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 a los organismos nutrientes que pueden metabolizarse para crear energía y estructuras químicas. La falta de obtención de la cantidad necesaria de nutrientes provoca desnutrición . La ciencia nutricional es el estudio de la nutrición, aunque normalmente hace hincapié en 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 al consumir 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 varias otras moléculas . Los animales requieren nutrientes complejos como carbohidratos , lípidos y proteínas , que obtienen al consumir otros organismos. Los humanos han desarrollado la agricultura y la cocina para reemplazar la búsqueda de alimentos y avanzar en la nutrición humana. Las plantas adquieren nutrientes a través del suelo y la atmósfera. Los hongos absorben los nutrientes que los rodean descomponiéndolos y absorbiéndolos a través del micelio .
El análisis científico de los alimentos y los nutrientes comenzó durante la revolución química a finales del siglo XVIII. Los químicos de los siglos XVIII y XIX experimentaron con diferentes elementos y fuentes de alimentos para desarrollar teorías de la nutrición. [1] La ciencia de la nutrición moderna comenzó en la década de 1910, cuando se empezaron a identificar micronutrientes individuales. La primera vitamina que se identificó químicamente fue la tiamina en 1926, y la vitamina C se identificó como una 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 para abordar los temores de enfermedades causadas por deficiencias alimentarias durante la Gran Depresión y la Segunda Guerra Mundial. [3] Debido a su importancia en la salud humana, el estudio de la nutrición ha hecho mucho hincapié en la nutrición humana y la agricultura, mientras que la ecología es una preocupación secundaria. [4]
Los nutrientes son sustancias que proporcionan energía y componentes físicos al organismo, permitiéndole sobrevivir, crecer y reproducirse. Los nutrientes pueden ser elementos básicos o macromoléculas complejas . Aproximadamente 30 elementos se encuentran en la materia orgánica , siendo el nitrógeno , el carbono y el fósforo los más importantes. [5] Los macronutrientes son las sustancias primarias requeridas por un organismo, y los micronutrientes son sustancias requeridas por un organismo en cantidades traza. 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 abastecimiento de combustible que crean metabolitos precursores y energía, reacciones biosintéticas que convierten los metabolitos precursores en moléculas fundamentales, polimerizaciones que combinan estas moléculas en polímeros macromoléculas y reacciones de ensamblaje que utilizan estos polímeros para construir estructuras celulares. [5]
Los organismos pueden clasificarse según la forma en que 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, incluidos algunos plancton y plantas carnívoras . Los fotótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimiótrofos obtienen energía consumiendo energía química de la materia. Los organótrofos consumen otros organismos para obtener electrones, mientras que los litótrofos obtienen electrones de sustancias inorgánicas, como agua , sulfuro de hidrógeno , dihidrógeno , hierro (II) , azufre o amonio . [7] Los protótrofos 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 para garantizar la calidad de vida , la salud y la longevidad del organismo. [10] Algunas culturas y religiones tienen 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 de nutrientes adecuado, habría riesgo de cambios en los niveles de oxígeno, el clima y el funcionamiento del ecosistema.
La búsqueda de alimentos es el proceso de búsqueda de 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 el exterior para encontrar nutrientes. La búsqueda de alimentos 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 pueden 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 óptima de alimentos es un modelo que explica el comportamiento de búsqueda de alimentos 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 alimentos. Fue creado para analizar los hábitos de búsqueda de alimentos de los animales, pero también puede extenderse a otros organismos. [16] Algunos organismos son especialistas que están adaptados a buscar alimentos de una sola fuente, mientras que otros son generalistas que pueden consumir una variedad de fuentes de alimentos. [17]
Las deficiencias de nutrientes, conocidas como desnutrición , ocurren cuando un organismo no tiene los nutrientes que necesita. Esto puede ser causado por una pérdida repentina de nutrientes o por la incapacidad de absorber los nutrientes adecuados. La desnutrición no solo es el resultado de una falta de nutrientes necesarios, sino que también puede ser el resultado de otras enfermedades y problemas de salud. Cuando esto ocurre, un organismo se adapta reduciendo el consumo y el 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 incluye cantidades adecuadas de todos los nutrientes esenciales y no esenciales. Estas cantidades pueden variar según la edad, el peso, el sexo, los niveles de actividad física, etc. La falta de un solo nutriente esencial puede causar daño corporal, así como una sobreabundancia puede causar toxicidad. Los valores de referencia diarios evitan que la mayoría de las personas sufran deficiencias de nutrientes. Los valores de referencia diarios no son recomendaciones, sino una combinación de referencias nutricionales para educar a los profesionales y a los responsables de las políticas sobre cuáles son las ingestas máximas y mínimas de nutrientes para la persona promedio. Las etiquetas de los alimentos también utilizan los valores de referencia diarios como referencia para crear pautas nutricionales seguras para la persona promedio sana. [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. [20] 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 animales para obtener ciertas vitaminas o nutrientes que sus cuerpos no pueden sintetizar de otra manera. Los animales generalmente tienen un mayor requerimiento de energía en comparación con las plantas. [21] Los macronutrientes esenciales para la vida animal son los carbohidratos, los aminoácidos y los ácidos grasos . [6] [22]
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, normalmente llamadas calorías, donde 1 caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar 1 grado Celsius la temperatura de 1 kilogramo de agua. [23]
Los carbohidratos son moléculas que almacenan cantidades significativas de energía. Los animales digieren y metabolizan los carbohidratos para obtener esta energía. Los carbohidratos son típicamente sintetizados por las plantas durante el metabolismo, y los animales tienen que 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. [24] Los carbohidratos se descomponen para producir glucosa y ácidos grasos de cadena corta , y son los nutrientes más abundantes para los animales terrestres herbívoros. [25] Los carbohidratos contienen 4 calorías por gramo.
Los lípidos proporcionan grasas y aceites a los animales. No son solubles en agua y pueden almacenar energía durante un período prolongado de tiempo. Se pueden obtener de muchas fuentes vegetales y animales diferentes. La mayoría de los lípidos dietéticos son triglicéridos , compuestos de glicerol y ácidos grasos. Los fosfolípidos y esteroles se encuentran en cantidades más pequeñas. [26] 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. [27] Las grasas contienen 9 calorías por gramo.
Las proteínas consumidas por los animales se descomponen en aminoácidos, que luego se utilizarían para sintetizar nuevas proteínas. Las proteínas se utilizan para formar estructuras celulares, fluidos [28] 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 [29] . Las proteínas contienen 4 calorías por gramo.
Gran parte del comportamiento animal está determinado por la nutrición. Los patrones de migración y la reproducción estacional se producen en conjunción con la disponibilidad de alimentos, y las exhibiciones de cortejo se utilizan para mostrar la salud de un animal. [30] Los animales desarrollan asociaciones positivas y negativas con los alimentos que afectan su salud, y pueden evitar instintivamente los alimentos que han causado lesiones tóxicas o desequilibrios nutricionales a través de una aversión alimentaria condicionada . Algunos animales, como las ratas, no buscan nuevos tipos de alimentos a menos que tengan una deficiencia de nutrientes. [31]
La nutrición humana primitiva consistía en buscar nutrientes, como 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 en el siglo XVIII permitió a los humanos estudiar los nutrientes de los alimentos y desarrollar métodos más avanzados de preparación de alimentos . Los grandes avances en economía y tecnología durante el siglo XX permitieron la producción en masa y la fortificación de alimentos para satisfacer mejor las necesidades nutricionales de los humanos. [32] El comportamiento humano está estrechamente relacionado con la nutrición humana, lo que lo convierte en un tema de las ciencias sociales además de la biología. La nutrición en los humanos se equilibra con comer por placer, y la dieta óptima puede variar según la demografía y las preocupaciones de salud de cada persona. [33]
Los seres humanos son omnívoros y comen una variedad de alimentos. El cultivo de cereales y la producción de pan han constituido un componente clave de la nutrición humana desde el comienzo de la agricultura. Los primeros humanos cazaban animales para obtener carne y los humanos modernos domestican animales para consumir su carne y huevos. El desarrollo de la ganadería también ha permitido a los humanos de algunas culturas consumir la leche de otros animales y procesarla para obtener alimentos como el queso . Otros alimentos consumidos por los humanos incluyen nueces, semillas, frutas y verduras. El acceso a animales domésticos, así como 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 evitan la contaminación de microorganismos patógenos y simplifican la producción de alimentos. Estos incluyen el secado, la congelación, el calentamiento, la molienda, el prensado, el envasado, la refrigeración y la irradiación. La mayoría de las culturas agregan hierbas y especias a los alimentos antes de comerlos para agregar 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. [34]
Los seres humanos obtienen la mayoría de los carbohidratos en forma de almidón de los cereales, aunque el azúcar ha adquirido cada vez mayor importancia. [24] Los lípidos se pueden encontrar en la grasa animal , la grasa de la mantequilla , el aceite vegetal y las verduras de hoja , y también se utilizan para aumentar el sabor de los alimentos. [26] Las proteínas se pueden encontrar en prácticamente todos los alimentos, ya que forman parte del material celular, aunque ciertos métodos de procesamiento de alimentos pueden reducir la cantidad de proteínas en un alimento. [35] Los seres humanos también pueden obtener energía del etanol , que es a la vez un alimento y un fármaco, pero proporciona relativamente pocos nutrientes esenciales y está asociado con deficiencias nutricionales y otros riesgos para la salud. [36]
En los seres humanos, la mala nutrición puede causar enfermedades relacionadas con deficiencias, como ceguera , anemia , escorbuto , parto prematuro , muerte fetal y cretinismo , [37] o condiciones de exceso de nutrientes, como obesidad [38] y síndrome metabólico . [39] Otras condiciones posiblemente afectadas por trastornos nutricionales incluyen enfermedades cardiovasculares , [40] diabetes , [41] [42] y osteoporosis . [43] La desnutrición puede conducir al emaciamiento en casos agudos y al retraso del crecimiento del marasmo en casos crónicos de desnutrición. [37]
En los animales domésticos , como las mascotas , el ganado y los animales de trabajo , así como otros animales en cautiverio , la nutrición es gestionada por los seres humanos a través de la alimentación animal . Se proporciona forraje y forraje al ganado. Desde 1860 se fabrican alimentos especializados para mascotas , y la investigación y el desarrollo posteriores han abordado las necesidades nutricionales de las mascotas. La comida para perros y la comida para gatos en particular se estudian en profundidad y normalmente incluyen todos los nutrientes esenciales para estos animales. Los gatos son sensibles a algunos nutrientes comunes, como la taurina , y requieren 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 es más densa en energía de la que pueden absorber. [44]
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 componen 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 como gases, como dióxido de carbono, agua, gas oxígeno y dióxido de azufre . El fósforo, el boro y el silicio se utilizan para la esterificación . Se obtienen a través del suelo como fosfatos , ácido bórico y ácido silícico , respectivamente. Otros nutrientes utilizados por las plantas son potasio, sodio, calcio, magnesio, manganeso, cloro, hierro, cobre, zinc y molibdeno. [45]
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 intercambio de cationes , en el que 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 partículas del suelo con carga negativa para 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 . [46] Aunque el nitrógeno es abundante en la atmósfera de la Tierra, muy pocas plantas pueden usarlo directamente. Por lo tanto, la mayoría de las plantas requieren que los compuestos de nitrógeno estén presentes en el suelo en el que crecen. Esto es posible gracias al hecho de que el nitrógeno atmosférico, en gran parte inerte, se transforma en un proceso de fijación de nitrógeno a formas biológicamente utilizables en el suelo por las bacterias. [47]
Como estos nutrientes no aportan energía a la planta, ésta debe obtenerla por otros medios. Las plantas verdes absorben la energía de la luz solar con los cloroplastos y la convierten en energía utilizable mediante la fotosíntesis . [48]
Los hongos son quimioheterótrofos que consumen materia externa para obtener energía. La mayoría de los hongos absorben materia a través del micelio, que tiene forma de raíz y 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. [49]
Los protistas incluyen a todos los eucariotas que no son animales, plantas u hongos, lo que da como resultado una gran diversidad entre ellos. Las algas son protistas fotosintéticos que pueden producir energía a partir de la luz. Varios tipos de protistas utilizan micelios similares a los de los hongos. Los protozoos son protistas heterótrofos y diferentes protozoos buscan nutrientes de diferentes maneras. Los protozoos flagelados utilizan un flagelo para ayudar a cazar alimentos y algunos protozoos viajan a través de esporas infecciosas para actuar como parásitos. [50] Muchos protistas son mixotróficos, tienen características tanto fototróficas como heterótrofas. Los protistas mixotróficos generalmente dependerán de una fuente de nutrientes mientras utilizan la otra como fuente complementaria o una alternativa temporal cuando su fuente principal no está disponible. [51]
Los procariotas , incluidas las bacterias y las arqueas , varían mucho en la forma en que obtienen nutrientes de los grupos nutricionales. Los procariotas solo pueden transportar compuestos solubles a través de sus envolturas celulares, pero pueden descomponer los componentes químicos a su alrededor. Algunos procariotas litotróficos son extremófilos que pueden sobrevivir en entornos privados de nutrientes al descomponer la materia inorgánica. [52] 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 esteras sobre manantiales geotermales. Los procariotas fototróficos generalmente obtienen carbono asimilando dióxido de carbono a través del ciclo de Calvin . [53]
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 el organismo, lo degradan y absorben los nutrientes liberados. Las estrategias depredadoras de los procariotas incluyen adherirse a la superficie externa del organismo y degradarlo externamente, ingresar al citoplasma del organismo o ingresar al espacio periplásmico del organismo. Los grupos de procariotas depredadores pueden renunciar a la unión produciendo colectivamente enzimas hidrolíticas . [54]
