Los cimientos microscópicos del suelo (3): la arcilla y los X-Men

Como hemos visto, las arcillas son partículas muy pequeñas (menos de 2 μm de diámetro) formadas por láminas de filosilicatos. Por esto mismo, no se trata de partículas más o menos esféricas, sino de láminas que, a su vez, se "pegan" unas a otras. Los X-Men y las arcillas tienen más en común de lo que parece: ambos deben su diversidad a mutaciones estructurales. En los cómics, los mutantes poseen alteraciones en su gen X, mientras que las arcillas presentan sustituciones isomórficas que generan cargas eléctricas permanentes. Estas cargas determinan su capacidad de intercambio catiónico, afectando la fertilidad del suelo. Además, los bordes de las láminas pueden ganar o perder protones, generando cargas variables dependientes del pH. En definitiva, tanto los mutantes como las arcillas revelan su poder interior gracias a pequeñas imperfecciones.

---

◼ Antonio Jordán López

Los X-Men y las arcillas tienen mucho en común

Como aquí todos saben que soy un repugnante friqui de los cómics (por cosas como esto, esto o esto), hoy vamos a empezar hablando de los X-Men. Es una breve perorata introductoria, te la puedes saltar.

Los X-Men, creados por Marvel Comics en 1963, son un grupo de superhumanos cuya existencia se debe a mutaciones genéticas en su ADN. A diferencia de otros personajes del universo Marvel (de los cómics) o del UCM (el del cine), que obtienen sus poderes por accidentes científicos o mediante tratamientos con tecnología avanzada, como Bruce Banner (Hulk), Steve Rogers (Capitán América), Peter Parker (Spider-Man), Bob Reynolds (Sentry) o Ben Grimm (La Cosa), los X-Men nacen con una mutación en el gen X, una variación comiquera en su código genético que les otorga habilidades extraordinarias, mutaciones ocurridas desde la antigüedad en estos universos ficticios (como en el caso de Apocalipsis, nacido hace unos cinco mil años en el Valle de los Reyes de Egipto). Sin embargo, siguen compartiendo el mismo código genético base que los humanos normales, diferenciándose solo por estas mutaciones. 

Tye Sheridan (Cíclope), Alexandra Shipp (Tormenta), Kodi Smit-McPhee (Nightcrawler), Nicholas Hoult (Bestia), Evan Peters (Quicksilver) y James McAvoy (Profesor X) realizan un breve cameo como miembros del equipo X-Men junto a Wade Wilson (Ryan Reynolds) en Deadpool 2 (David Leitch, 2018).

Algunos mutantes, como Charles Xavier (Profesor X) o Erik Lehnsherr (Magneto), manifestaron sus habilidades de forma natural durante la adolescencia, un periodo en el que las mutaciones suelen activarse. Otros, en cambio, necesitaron un estímulo externo para desencadenar la expresión fenotípica de sus mutaciones. Por ejemplo, James Howlett-Logan (Lobezno) sufrió modificaciones en su esqueleto, sustituido por el metal ficticio adamantium, que potenciaron su factor de curación y mejoraron sus garras retráctiles; Wade Wilson (Deadpool) fue sometido a un experimento que activó su capacidad regenerativa; y Wanda (Bruja Escarlata) y Pietro Maximoff (Quicksilver) vieron sus habilidades amplificadas por la intervención de un artefacto cósmico (la Gema de la Mente). 

De izquierda a derecha: Bestia, Rogue, Morph, Cíclope, Lobezno, Gambito y Bishop en un fotograma del primer episodio de X-Men'97 (Jake Castorena/Beau DeMayo, 2024).

Bueno, no perdamos el hilo. ¿Qué tiene esto que ver con las arcillas?

¿Por qué hay diferentes tipos de arcilla?

Al igual que los X-Men, las arcillas nacen con un potencial oculto. Algunas, como la caolinita, manifiestan su estructura 1:1 desde pequeñas, sin necesidad de intervención externa. Son las Charles Xavier del mundo mineral. Otras, como la esmectita, necesitan un empujoncito, como Lobezno, quien, digamos, también sufrió una sustitución isomórfica (y esto es un chiste para suelólogos friquis de los cómics). La imagen siguiente muestra la configuración de los tipos principales de arcilla que podemos encontrar en el suelo:

Estructura de los tipos principales de arcilla.

Las arcillas tienen carga permanente...

Las sustituciones isomórficas son una especie de “trueque” que ocurre dentro de la estructura de las arcillas. En los minerales arcillosos, los átomos suelen estar muy bien colocados en capas, como las hojas de un libro. Pero a veces, uno de esos átomos es reemplazado por otro que tiene un tamaño parecido, aunque no exactamente la misma carga eléctrica. Por ejemplo, un átomo de aluminio (Al³⁺) puede ocupar el lugar de un silicio (Si⁴⁺), o un magnesio (Mg²⁺) puede sustituir a un aluminio. Este “cambio de cromos” deja una pequeña deuda de carga: un hueco de electricidad negativa que no se compensa dentro del cristal.

Jesús Notario, que además de buen amigo es excelente profesor, investigador y fotógrafo, nos explica qué es eso de una sustitución isomórfica:

Como su nombre sugiere, una sustitución isomórfica implica que el sitio que normalmente ocupa un catión formador de red cristalina (Si⁴⁺, Al³⁺, Mg²⁺, etc.) es ocupado por otro catión, asimismo formador de red, y con tamaño similar. Esto ocurre en la propia red, ya sea durante el crecimiento cristalino, o durante su alteración química. En cualquier caso, se trata de un proceso lento o muy lento, ya que afecta a la química interna del mineral.

Lo verdaderamente importante de este proceso es que puede generar cargas eléctricas. En la inmensa mayoría de los casos (por ejemplo, cuando un átomo de aluminio ocupa el lugar que correspondería a un silicio en una capa tetraédrica) esta carga es negativa, ya que la sustitución produce un déficit de carga positiva. A veces, puede suceder que una sustitución origine carga positiva (por ejemplo, cuando un Mg²⁺ es sustituido por un Fe³⁺  o un Fe⁺² se oxida a Fe³⁺), e incluso no modificar la carga eléctrica (sustitución de Fe²⁺ por Mg²⁺ y viceversa), pero la norma general es que la carga neta generada por el conjunto total de sustituciones es negativa.

Jesús Notario. Edafología: Preguntas más frecuentes. ¿Qué es una sustitución isomórfica? Universidad de La Laguna.

Mecanismo de la sustitución isomórfica. A la derecha, cada uno de los cuatro oxígenos (O²⁻) en el vértice del tetraedro comparte un electrón con el silicio central (Si⁴⁺) y deja otro electrón libre, que puede asociarse a protones (H⁺) o cationes (como el Ca²⁺, por ejemplo). A la izquierda, si el Si⁴⁺ es sustituido por un Al³⁺ (con una carga positiva menos), el tetraedro, que está asociado a otros dentro de su capa no se distorsiona, sino que se mantiene la estructura general. Sin embargo, la carga global varía, puesto que ahora "sobra" un electrón.

Esa carga negativa generada en las capas de tetraedros de silicio y octaedros de aluminio atrae iones positivos del entorno (como Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺,  o NH₄⁺) que se adhieren (se adsorben) a la superficie de las láminas o se alojan entre ellas. Así es como las arcillas se convierten en verdaderas esponjas de nutrientes, capaces de retenerlos y liberarlos poco a poco para las plantas.

En cuanto al espacio interlaminar, las sustituciones isomórficas también influyen en su comportamiento. Las arcillas con más carga negativa (como las esmectitas) suelen permitir que entre más agua e iones entre las láminas, de modo que su espacio interlaminar se expande y contrae según la humedad. En cambio, otras con menos sustituciones, como la illita, las láminas son menos expansibles.

...y carga variable

De la misma forma que las sustituciones isomórficas generan carga en el interior de la estructura, las roturas o bordes de las láminas de arcilla también pueden ser fuente de carga eléctrica… pero por un motivo muy distinto.

Imagina que las láminas de arcilla son hojas de papel finísimas. En el interior de cada “hoja”, los átomos están perfectamente ordenados, pero en los bordes las uniones químicas quedan “a medias”, como si una página del libro se hubiera rasgado por el borde. Esos átomos expuestos, normalmente oxígenos e hidroxilos (OH⁻), no están completamente satisfechos con su entorno químico, así que pueden ganar o perder protones (H⁺, con carga positiva) dependiendo del pH del suelo.

En un suelo ácido, cargas positivas (protones) pueden asociarse a las cargas negativas descompensadas que existen en las zonas de rotura de las láminas de arcilla, reduciendo su carga negativa. En un suelo básico, la carga negativa se mantiene, por lo que la carga variable también se denomina "carga dependiente del pH".

Si el medio es ácido (sobran protones), los bordes tienden a captar protones, adquiriendo carga positiva (en realidad, reduciendo su carga negativa). En cambio, en un ambiente más básico (hay pocos protones), los pierden y aumentan su carga negativa. Por eso se dice que estas cargas son dependientes del pH, a diferencia de las cargas permanentes que se generan por sustitución isomórfica.

Diferencia entre la variación de la carga en función del pH en un suelo rico en illita y otro rico en caolinita (Tran et al, 2022; DOI: 10.1111/ejss.13246).

Aunque se encuentran limitadas por encontrarse fundamentalmente en las zonas de rotura, estas cargas son las únicas que existen si el mineral de arcilla tiene pocas sustituciones isomórficas (como ocurre con la caolinita y otras arcillas), y también cuentan a la hora de retener o liberar iones del suelo, influyen en la fertilidad y en la capacidad de intercambio catiónico.

Resumen

1. Las arcillas, como los X-Men, deben sus propiedades a mutaciones estructurales.
2. En los mutantes, el gen X define habilidades extraordinarias.
3. En las arcillas, las sustituciones isomórficas alteran la carga eléctrica.
4. Estas cargas permanentes atraen nutrientes esenciales como Ca²⁺ o K⁺.
5. Las esmectitas tienen más carga y se expanden con el agua.
6. Las illitas o caolinitas presentan menos carga y menor expansión.
7. En los bordes de las láminas se generan cargas dependientes del pH.
8. En suelos ácidos, los bordes se protonan y pierden carga negativa.
9. En suelos básicos, se desprotonan y ganan carga negativa.
10. Las mutaciones, tanto en mutantes como en minerales, liberan su potencial oculto.

Preguntas para pensar un poco

Venga, la primera viene sola: ¿qué quiere decir el autor con eso de la "sustitución isomórfica" del mutante Lobezno?

¿Qué tienen en común un mutante y una partícula de arcilla?

¿Por qué las sustituciones isomórficas se parecen a mutaciones genéticas?

¿Qué efecto tiene un Al³⁺ ocupando el lugar de un Si⁴⁺?

¿Qué significa que una arcilla tenga carga permanente?

¿Cómo influye el pH del suelo en la carga de los bordes de las arcillas?

¿Por qué las esmectitas se expanden más que las illitas?

¿Qué papel tienen los cationes intercambiables en la fertilidad del suelo?

¿Qué semejanzas hay entre el gen X y la estructura 2:1 de una arcilla?

¿Qué ocurriría si no existieran sustituciones isomórficas en los minerales del suelo?

¿Podría una caolinita tener su propio “origen mutante”?