Después de haber escrito un post sobre la producción de bacterias fotosintéticas (no será el último) creo viene a cuento hablar de los cultivos en medios nutritivos líquidos. Veamos que nos dice la Historia.

El interés sobre la aplicación práctica de los “cultivos en nutrientes” no llegó hasta cerca de 1925, cuando la industria de los invernaderos demostró su utilidad, debido a la necesidad de cambiar de tierra con frecuencia para evitar los problemas de estructura, fertilidad y enfermedades.

Como resultado, los investigadores comenzaron a valorar el uso potencial del “cultivo en nutrientes” para reemplazar los métodos de cultivo en los suelos convencionales.  Coincide que entre 1925 y 1935 tuvo lugar un desarrollo extensivo, al trasladarse las técnicas en laboratorio para el cultivo en nutrientes a la producción en gran escala.

A comienzos de los años 30, en la Universidad de California, Gericke puso los ensayos de laboratorio de nutrición vegetal a escala comercial, denominando a este sistema de cultivo en nutrientes “hydroponics”  (palabra derivada del griego hydro, agua y ponos, labor, trabajo).

Desde entonces, la Hidroponía se viene definiendo como la ciencia del crecimiento de las plantas sin utilizar suelo, aunque usando un soporte o “medio inerte”, tal como grava, arena, turba, vermiculita, piedra pómez o serrín, a los cuales se añade una solución de nutrientes que contiene todos los elementos esenciales necesitados por la planta para su normal crecimiento y desarrollo. Estos soportes se están ampliando constantemente como bien nos indica el profesor Carlos Cadahía (ya jubilado) y el equipo que le continúa, en la Universidad Autónoma de Madrid, y en otras Universidades de España. Curiosamente, las “buenas propiedades” de estos soportes, se contraponen a las “buenas propiedades del suelo”, lo cual supuso en otra época el establecimiento de “distancias” entre los Químicos Agrícolas y los Edafólogos, posiblemente por la idiosincrasia de ambos grupos.

Gericke cultivó vegetales tales como rábanos, zanahorias, remolacha y patata, así como cereales, frutales y plantas ornamentales Utilizando el cultivo en agua en grandes tanques, obtuvo plantas de tomate de una altura tal que fue necesario utilizar una escalera para cosecharlos.

Su utilidad fue puesta en práctica durante la guerra del Pacífico en islas incultivables, para alimentación de las tropas con verduras frescas. A partir de los años cincuenta, los cultivos hidropónicos se desarrollaron comercialmente en España, Italia, Francia, Inglaterra, Alemania Suecia e Israel.  Ahora, el cultivador es un empresario en el sentido más clásico absolutamente distinto al agricultor clásico que trabaja la tierra.

La aparición de plásticos como el vinilo, el desarrollo de equipos de riego, la automatización de los sistemas de control de tiempo, de los componentes químicos de las soluciones nutritivas, el desarrollo de sistemas que permiten el control y ahorro de agua, la inclusión de las técnicas informáticas y los sistemas de control “on line”, han permitido el espléndido desarrollo presente en Almería y en Huelva como exponentes de esta realidad productiva.

Pero este desarrollo no hubiera tenido lugar sin la base científica establecida por Schwann y Schleiden en 1838, cuando lanzan la "teoría de la Totipotencia", la cual establece que “las células son autosuficientes y en principio son capaces de regenerar una planta completa ”, punto de partida del que nació el cultivo de células y tejidos. Sin los intentos fallidos de Haberlandt (1902), pero formulador de los problemas y estrategias que posteriormente se habían de seguir, no hubiera podido Knudson (1922) germinar, de manera asimbiótica, “in vitro” semillas de orquídea, ni Robbins (1922) cultivar "in vitro" ápices de raíz.  En todo caso, inspiraron los trabajos de Harrison, Nurrows y Carriel (1907-1909), por los que consiguieron multiplicar tejidos animales.

Gautheret  (1934) intenta cultivar in vitro  el tejido cambial de algunos árboles y arbustos, pero no prospera por carecer de auxinas. White (1934) cultiva con éxito raíces de tomate, pero son estos dos investigadores, junto con Nobécourt, los que impulsan de manera definitiva este tipo de trabajos, cuando en 1939 consiguen con éxito el crecimiento continuo de callo vegetal, en el que estaban presentes células capaces de generar auxinas.

Desde esta concepción, Gautheret (1940) reintenta  con éxito el cultivar in vitro  el tejido cambial para la formación de vástagos adventicios, y Van Overbeek (1941), emplea leche de coco (que contiene un factor de la división celular) para el cultivo de embriones de Datura spp..

Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo en este campo ha sido especialmente rápido y se han publicado numerosos resultados importantes para la agricultura, silvicultura y horticultura (Pierik, 1979; Bhojwani et al. 1986). Ball (1946) consigue las primeras plantas completas de Lupinus spp. y Tropaelum spp. a partir de ápices del vástago y en 1959, obtiene la regeneración de órganos a partir de callo de Sequoia sempervirens. 

El cultivo de los tejidos vegetales sólo se desarrolló tras el descubrimiento de las hormonas y los reguladores vegetales, o el uso implícito de las mismas, lo que permite a Skoog y Tsui (1948) la formación de raíces y vástagos adventicios, determinados por la relación de auxina/adenina y a Morel y Martin (1952) la obtención de dalias libres de virus, por cultivo de meristemos.  Estos dos investigadores consiguen la primera aplicación del microinjerto, Tulecke (1951) la obtención de un callo haploide de Ginko biloba a partir de polen y Muir et al. (1954) el desarrollo de una planta completa a partir de una célula aislada.

Tras el descubrimiento por Miller (1955) de la quinetina, una citoquinina que actuaba como reguladora del desarrollo celular, los científicos se dieron cuenta de las implicaciones prácticas que estas herramientas de trabajo convenientemente manejadas, tenían para agrónomos, mejoradores genéticos, botánicos, biólogos moleculares, bioquímicos, fitopatólogos moleculares, entre otros.

Tulecke y Nickell (1956) desarrollan por primera vez los cultivos en suspensión, en recipientes de gran capacidad, para la obtención de productos secundarios (¿les recuerda esto algo a la producción de microalgas, para producir biopetróleo?).  Skoog y Miller (1957) descubren la regulación de la formación de órganos (raíces y vástagos) variando las proporciones de citoquinina/auxina y años después, Murashige y Skoog (1962) desarrollan su medio que tan buenos resultados ha dado para la multiplicación de tejidos. 

Si en 1960, Cocking consigue la degradación enzimática de las paredes celulares para la obtención de grandes cantidades de protoplastos, diez años después Power consigue su fusión y Tabeke (1961) y sus colaboradores consiguen regenerar las primeras plantas a partir de aquellos.

Desde entonces, los desarrollos se han ido acelerando de forma espectacular, de la mano de la Bioquímica y la Biología Molecular, siendo Holanda el país donde por primera vez se cultivan “in vitro” plantas superiores y su industria, la que tomó el relevo a las Universidades. Los grandes campos de trabajo industrial se centran en el cultivo de embriones, semillas de orquídea, cultivos de meristemos, protoplastos, microsporas, cultivos de células aisladas, callos, explantos y ápices de vástago y todo ello, con el manejo adecuado de las formulaciones de medios de cultivo, soluciones nutritivas minerales, manejo de hormonas y factores de crecimiento, vitaminas y ayudado actualmente con tecnologías de transferencia genética etc.  En 1986, Jones estima que la producción americana de plantas en los EE.UU. alcanzaba los 55-65 millones de unidades y sólo Francia producía 71 millones de unidades.

Si los cultivos en medio líquido son una faceta importante de la Química Agrícola, el conocimiento de los soportes que se están utilizando y las técnicas de desarrollo de los mismos, no deja de tener su importancia. Y comprender porqué trabajan con estrategias diferentes, todavía más.

Su aceptación por parte de los Edafólogos tendrá una gran repercusión, pues desde esta óptica, quizás podamos comprender mejor los procesos que ocurren en el suelo, y abrir nuevos campos de trabajo a los efectos de fomentar la biodiversidad.

Como además soy padre, este fin de semana se lo dedico a mis hijos. Sus actividades también tienen importancia.  Buen fin de semana. 

Saludos cordiales,

El nacimiento de una Ciencia, inicialmente exige que, desde las otras ciencias reconocidas en ese momento, se aporte el conocimiento que cada una es capaz de desarrollar de forma específica.  Esto ocurre porque existen una serie de científicos que aman trabajar en áreas frontera de su propia investigación, quizás con el ánimo de ampliar el campo de actuación de su propia ciencia, y que en principio no suelen estar bien vistos por los colegas que definen la pureza de cada ciencia. Estos científicos, no bien reconocidos, pero con una visión aventurera, son los que posiblemente hacen evolucionar mas radicalmente el conocimiento. Posteriormente, en el seno de la “nueva Ciencia”, en este caso la Ciencia del Suelo, se generará un intenso proceso de discusión e integración de los conocimientos, que permitirá dotarla de una personalidad propia, hasta un asentamiento definitivo. 

Este proceso ha ocurrido con Ciencias como la Química Orgánica o la Inorgánica y está ocurriendo con la Bioquímica que está abriendo el camino a nuevas ramas como es la genética molecular, la ingeniería genética, la biónica, proteómica o genómica, por poner dos ejemplos, uno antiguo y otro actual. En mi opinión, nosotros, los de las Ciencias del Suelo, estamos todavía en este periodo, en ramas tan concretas como la integración de los procesos de degradación de la materia orgánica, y la participación del conjunto de los seres vivos en la formación de la materia orgánica del suelo y de sus estructuras asociadas.

Como es de bien nacidos ser agradecidos, también obliga, por parte de los “nuevos científicos” de la Ciencia del suelo, reconocer sus orígenes, de la misma forma que se pide respeto a los integrantes de las ciencias “donantes” para que este nacimiento sea fructífero.  Y esa es mi intención al desgranar esta Historia de la Ciencia del Suelo, en su época mas moderna y actual o al desarrollar los post sobre los conocimientos que voy organizando lentamente en el “Curso sobre Bioquímica del suelo”, al recoger la información de otras ciencias, e intentar que se integren, de forma correcta en nuestro acervo de conocimiento.

Empezando por la FÍSICA del suelo, Briggs (1874-1963), estudioso del movimiento del agua y la retención de la humedad por el suelo, distinguió tres tipos de agua, definió los conceptos de humedad equivalente y coeficiente de marchitamiento y propuso métodos de medida para estos parámetros. Schofield (1901-1960) introdujo en 1935 el concepto de pF y Richards (1904-1965) desarrolló métodos de medida para el estudio de las relaciones suelo-agua.

A partir de 1945 y sobre la base de los trabajos de Richards, aplicados de acuerdo con la ley de Darcy, se comienzan a desarrollar las bases teóricas de la dinámica del agua en el suelo en condiciones de saturación. Gadner (1956) y Philips (1957) las estudian en condiciones de no-saturación y Klute (1952) proporciona las bases de la difusión del vapor. Los avances en el estudio del agua adsorbida en la interfase sólido-líquido, su peculiar estructura y su reactividad fueron facilitadas por el avance de la microscopía, que permitió esclarecer no solo las características mineralógicas o determinados rasgos de los horizontes "diagnóstico", sino también los movimientos del agua, solutos y elementos en suspensión en el suelo, las modificaciones de la estructura inducidas por procesos de naturaleza diversa y las alteraciones de minerales que acaban afectando a las propiedades anteriormente citadas.

La termodinámica de las relaciones agua-suelo proporcionó los fundamentos para una terminología uniforme de las relaciones del agua tanto en el suelo como en la planta (Taylor y Slatyn, 1960).  El empleo de células de yeso y nylon, tensiómetros y el uso de métodos de radiación, facilitaron la medida “in situ” del contenido en agua y de la densidad aparente del suelo.  Thornwaite y Penman (1948 y 1956 respectivamente) proporcionaron la medida de la evaporación y transpiración del agua contenida en el suelo, siendo de extraordinaria utilidad la noción de evapotranspiración potencial introducida por el primero.

Respecto a la estructura del suelo hay que destacar de Sajarov (1927) las aportaciones sistemáticas a la macroestructura y de Kubiena (1936) a la microestructura. El conocimiento de los factores que influyen en la dinámica de la estructura alcanzó un grado de desarrollo elevado a partir de los trabajos de Tiulin (1932), Bane (1934) y  Russell (1934), con mención especial a los referentes a la estabilidad de los agregados frente al agua realizados por Yoder (1936) y Demolon & Henin (1938).  Todos estos avances cristalizan en el modelo de los dominios de Emerson (1960), que tiene en cuenta las diferentes sustancias cementantes (arcilla, materia orgánica y otros), los posibles enlaces existentes entre las partículas gruesas y los coloidales y la participación de los metales como elementos puente y en ello estoy personalmente comprometido.

La mecánica de suelos fue desarrollada por Proctor (1930) y Cassagrande (1933).  Las aportaciones de Smith (1932, 1938) sobre la temperatura del suelo, se verán acrecentadas en la misma medida en que se extiende el uso de termistores, permitiendo conocer las características del régimen térmico del suelo y de su dinámica (Chang, 1957) y que, acompañado de la medida de la conductividad calorífica (de Vries, 1958) y con la aplicación de la teoría de difusión, plantean el problema dentro del contexto más general del balance de energía del suelo y sus relaciones con la atmósfera (Glier, 1964). El color del suelo se medirá, de forma universal, con ayuda de la clave de Munsell a partir de 1954 y creo que se automatizará para los suelos, como ya se ha hecho en otros campos, como el de las pinturas (abandonando el concepto de apreciación visual con el tiempo).

Hoy, los estudios de Física del suelo están incorporando los procedimientos de análisis por computación, especialmente útiles para resolver problemas de dinámica de calor y agua en el suelo.  Las aproximaciones teóricas y experimentales al estudio, en la interfase suelo/atmósfera a escala real, de flujos de vapor de agua en condiciones no isotérmicas, la aplicación de las redes neuronales a la modelización de los procesos de transferencia de materia y energía a través de la porosidad en suelos naturales y antrópicos, la estimación “in situ” de sus características hidrodinámicas y los esfuerzos para determinar con métodos de campo en contenido en agua y la capacidad hídrica del suelo, son campos en los que se trabaja activamente.  También tienen gran interés los estudios sobre el comportamiento mecánico del suelo, especialmente los fenómenos de expansión y retracción.

La aparición de la sonda de neutrones facilitó las medidas “in situ”, respetando las condiciones naturales y la variabilidad espacial, escasamente factible en condiciones de laboratorio.  La investigación sobre el transporte de materia en solución ha permitido desarrollar modelos teóricos de predicción utilizando la técnica de reflectometría temporal (TDR), cuyo campo de aplicación se extiende hasta el transporte de contaminantes (Clothier y Voltz, 1998). La puesta a punto de técnicas para la medida de la porosidad del suelo y parámetros asociados (superficie específica, distribución de volúmenes porales, etc.)  el uso de la microscopía de barrido y análisis de imagen, junto como la aplicación de modelos matemáticos como la geometría de fractales, permiten actualmente avanzar en el conocimiento de la estructura funcional del suelo. (Kutilek y Rieu, 1998).

Quizás falta ampliar esta historia por la dinámica de los gases, seguro que alguien me puede ayudar, integrando algún post.  Os lo agradecería mucho.

Saludos cordiales,

Salvador González Carcedo