El olor a bebé como droga de abuso

¿Por qué tenemos hijos? Es una pregunta muy simple y a la que se podrá dar muchas respuestas, pero sólo una es la correcta: tenemos hijos porque estamos genéticamente determinados para ello. No hay más. Después le podemos buscar la justificación que queramos, pero el hecho cierto es ese. De hecho, un análisis puramente racional puede llegar a la conclusión que es económicamente más eficiente, fisiológicamente menos estresante y emocionalmente igual de gratificante cultivar amistades adecuadas y, quizás, tener una mascota. Así, por ejemplo, personas, que por motivos religiosos (cristianos, budistas, etc.) en muchos casos, viven en comunidad y sin hijos están perfectamente realizadas, tienen apoyo en su vejez y son felices, que es de lo que se trata en definitiva.

Los beneficios que puede aportar un hijo en la especie humana son sólo perceptibles a largo plazo. Entonces, ¿qué clase de compensación a corto pueden aportar, sobre todo a la madre que invierte su cuerpo, sus horas de sueño y el desarrollo futuro de su vida? Usando un símil un poco grosero pero comprensible, si un fumador es incapaz de renunciar a un cigarrillo (“beneficio” a corto) en aras de su salud futura (beneficio a largo), ¿cómo es posible renunciar a muchas cosas a corto y medio plazo a favor de un posible beneficio futuro (mantenimiento en la vejez/perpetuación de los genes) invirtiendo en un hijo? La respuesta no puede ser otra que existen mecanismos de compensación a corto de los que las madres no son siquiera conscientes.

Efectivamente, decidimos tener hijos y cuidarlos con desprendimiento y sacrificio, cuando en realidad estamos respondiendo a un automatismo. Y parte de ese automatismo pasa por cómo cambia el encéfalo de las madres (y también el de los padres, pero este es un mecanismo diferente). Sí, has leído bien, la mujer que hoy se queda embarazada tiene un encéfalo que funciona de forma diferente a como lo hará nueve meses después, aunque ella pueda creer que sigue siendo el mismo (lo que es equivalente a decir “que ella cree que es la misma”). Sobre esto se ha escrito mucho pero un reciente estudio publicado en Frontiers of Psychology por un equipo internacional encabezado por Johan Lundström, del Instituto Karolisnska (Suecia), nos da un ejemplo magnífico de lo que estamos intentando contar.

Todo el que haya cogido un bebé en brazos ha notado que este desprende un olor distintivo y agradable. Pues bien, Lundström et al. lo que han hecho ha sido comprobar empleando resonancia magnética funcional (fMRI) que los encéfalos de las madres recientes responden significativamente más a este olor que los de las mujeres que no son madres. Además esta respuesta se produce en los centros relacionados con la recompensa y la motivación: el olor del bebé está compensando neuroquímicamente los desvelos y sacrificios de la madre.

Los investigadores estudiaron a dos grupos de mujeres. El primero estaba constituido por aquellas que habían sido madres entre tres y seis semanas antes del comienzo del experimento. El otro por mujeres de similares características que nunca habían sido madres. Para evitar el efecto de la presencia de bebés, los investigadores emplearon la ropa de algodón que había estado en contacto directamente con los cuerpos de bebés de una guardería de Dresde (Alemania) y, por tanto, sin absolutamente ninguna relación con las participantes en el estudio. Haciendo pasar aire limpio por esta ropa se hacía llegar a la nariz de las voluntarias el olor y su respuesta se midió con fRMI. Independientemente de lo anterior, las mujeres respondieron a un cuestionario sobre el olor percibido: familiaridad, agrado e intensidad.

Si bien las evaluaciones cualitativas dadas por el cuestionario resultaron similares en ambos grupos, los resultados del fMRI no lo fueron tanto. Ambos grupos de mujeres activaban las mismas regiones encefálicas al percibir el olor: el putamen, y los núcleos caudados dorsal y medial. Pero en los encéfalos de las madres recientes la actividad neuronal era sensiblemente mayor. Esta modificación en la respuesta del encéfalo podría ser la expresión de una adaptación que asegura que una madre cuide de su hijo.

En otras palabras, ya que el recién nacido no puede comunicarse verbalmente más allá del llanto indiscriminado, ni por medios visuales (gestos) aparte de los básicos, el principal vínculo que se produce entre madre y bebé es puramente químico. De tal manera que se atendería al bebé por el placer que conlleva estar junto a un bebé que huela a bebé sano y limpio (que, de paso, no llora). El mismo mecanismo que lleva a un adicto a consumir la droga que ha cambiado su encéfalo.

Referencia:

Lundström J.N., Mathe A., Schaal B., Frasnelli J., Nitzsche K., Gerber J. & Hummel T. (2013). Maternal status regulates cortical responses to the body odor of newborns., Frontiers in psychology, PMID: 24046759

Los monos mecanógrafos contra la evolución

La extrapolación de conceptos matemáticos (o físicos) a la biología es una ocupación favorita de los grupos que niegan la evolución, eso sí, tomando algunos aspectos y desechando otros de lo que la biología tiene que decir. Una de esas extrapolaciones tiene que ver con el uso de monos mecanógrafos para demostrar que la evolución es falsa. En lo que sigue expondremos este argumento y veremos que los que lo emplean pasan por alto que los monos usan en realidad procesadores de texto, a nivel avanzado además.

Continúa leyendo en el Cuaderno de Cultura Científica

Son lo que comen: la dieta de las abejas comerciales como causa última de su desaparición.

Estos días ha sido noticia en Europa la prohibición de tres pesticidas neonicotinoides por sus presuntos efectos perniciosos sobre la población de abejas melíferas. Todo ello alimentando la quimiofobia general. Y, sin embargo, existe la posibilidad de que lo que estemos es ante una caso manifiesto de falacia cum hoc ergo procter hoc, más conocida quizás en su forma “correlación no implica causalidad”. Pero fundamentemos esta afirmación.

Un equipo de entomólogos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.), encabezados por Wenfu Mao, ha encontrado una posible conexión entre la práctica de alimentar a las abejas con productos sustitutivos de néctar, como los jarabes de alto contenido en fructosa (hasta del 92% se comercializa en España, por ejemplo), y la disminución de las colonias de abejas. Estos alimentos sustitutivos no contienen compuestos esenciales para la regulación de los procesos inmunes y desintoxicantes de la Apis mellifera, lo que las haría vulnerables a pesticidas que no tendrían por qué afectarles. Los resultados se publican en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

Los sustitutivos del néctar comenzaron a usarse en los años 70 del siglo pasado. Desde entonces se han desarrollado y comenzado a usarse nuevos pesticidas, pero parece ser que la respuesta inmune de las abejas no ha podido adaptarse a estos cambios en su ambiente.

Los investigadores determinaron que compuestos que se encuentran en la miel, incluyendo el ácido p-cumárico, la pinocembrina y la pinobanksina 5-metil éter, inducen específicamente la acción de los genes de proteínas desintoxicantes. Estos compuestos no se encuentran en el néctar (que es a lo que sustituyen realmente los jarabes) sino en el polen y el propóleo.

En concreto encontraron que el ácido p-cumárico regula toda clase de genes desintoxicantes, así como determinados genes antimicrobianos (aunque algo de esto ya sabíamos). Esta regulación tiene importancia funcional, como los investigadores demostraron añadiendo p-cumárico a una dieta de sacarosa, lo que incrementaba el metabolismo de un ectoparasiticida organofosforado (Cumafós), también usado como acaricida en el interior de las colmenas, en un 60%.

Vemos así que el uso extensivo de los sustitutivos alimenticios por parte de los apicultores industriales, que retiran toda la miel impidiendo a las abejas alimentarse en invierno de sus reservas que contienen todos los micronutrientes necesarios, podrían estar privando a éstas de su mecanismo natural de defensa.

Si esto se confirmase (de hecho cualquier apicultor que leyese esto podría hacer un experimento fácilmente), aparte de ser una bonita ilustración de una falacia lógica, las soluciones no serían demasiado difíciles. Eso sí, serían económicas y de cadena de suministro.

Referencia:

Mao W., Schuler M.A. & Berenbaum M.R. Honey constituents up-regulate detoxification and immunity genes in the western honey bee Apis mellifera, Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.1303884110

L-carnitina, microbioma y cardiopatías

Los bacteroides predominan en los microbiomas digestivos de personas con dietas ricas en grasas y proteínas animales. | Fuente: Wu et al (2011) "Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes" Science doi:10.1126/science.1208344 | Imagen: Bacteroides biacutis (Wikimedia Commons) 

En lo que sigue vamos a hablar de la relación que parece existir entre una molécula y la arterioesclerosis. Pero antes de entrar en materia me gustaría dejar clara una cosa que solemos olvidar en nuestro afán por reducir las informaciones a titulares, si no a eslóganes: Las personas consumimos alimentos, no nutrientes, y los ingerimos dentro de un patrón dietético, en el marco de un estilo de vida y unos condicionantes genéticos. Centrarse sólo en un nutriente aislado no dice nada sobre el riesgo que una persona en concreto pueda tener de sufrir una enfermedad cardiovascular.

Un equipo de investigadores encabezado por Robert Koeth, de la Clínica Cleveland (EE.UU.), ha encontrado que la L-carnitina favorecería la aparición de arterioesclerosis (el endurecimiento y la obstrucción de las arterias). La L-carnitina es un compuesto abundante en las carnes rojas y que se sintetiza en el hígado, riñones y encéfalo, además de ingerirse como suplemento alimenticio y aparecer en la composición de algunas populares “bebidas energéticas”. El metabolismo de la L-carnitina que provocaría el problema tiene lugar por parte de la flora bacteriana característica del individuo. Los resultados se publican [1] en Nature Medicine.

Las bacterias que viven en el el tracto digestivo humano metabolizarían la L-carnitina convirtiéndola en N-óxido de trimetilamina (TMAO, por sus siglas en inglés), un metabolito que estos mismos investigadores ya describieron en 2011 [2] como ligado al desarrollo de arteriosclerosis en humanos. No sólo eso, sino que la ingesta de L-carnitina en grandes cantidades podría estar poniendo en marcha un círculo vicioso promoviendo la proliferación de las bacterias que metabolizan la L-carnitina, lo que conlleva una mayor producción de TMAO.

Los investigadores examinaron los efectos cardíacos de una dieta rica en L-carnitina en ratones normales comparándolos con ratones con la flora intestinal suprimida. De estos ensayos se extrajo la conclusión de que TMAO altera el metabolismo del colesterol a múltiples niveles, lo que explicaría cómo favorece la arteriosclerosis.

Durante la investigación se comprobaron los niveles de L-carnitina y TMAO en personas omnívoras (comen de todo), vegetarianos (se abstienen de comer carne pero admiten leche y derivados, huevos o miel) y veganos (o vegetarianos estrictos, que no ingieren nada de origen animal) y se examinaron los datos clínicos de 2595 pacientes sometidos a exámenes cardíacos.

Del análisis de estos datos los investigadores encontraron que los niveles altos de L-carnitina en los pacientes predecían los riesgos de enfermedad cardiovascular y episodios cardíacos graves (ataque al corazón, etc.) pero sólo en aquellos sujetos que a la vez tenían altos niveles de TMAO.

Además pudieron determinar que tipos de microbios digestivos concretos (determinados por análisis taxonómicos de muestras de heces) estaban asociados tanto a los niveles de TMAO en plasma como a los patrones dietéticos, y que los niveles base de TMAO eran significativamente menores entre veganos y vegetarianos que en omnívoros. Un dato adicional tremendamente significativo es que los veganos y vegetarianos tras consumir grandes cantidades de L-carnitina no produjeron cantidades significativas del metabolito microbiológico TMAO, mientras que los omnívoros que consumieron la misma cantidad sí lo hicieron.

Las bacterias que viven en nuestro sistema digestivo dependen de qué comemos, las que mejor alimentemos más proliferarán. Una dieta rica en L-carnitina cambia nuestro microbioma digestivo de manera que las bacterias que usan L-carnitina son más abundantes. De aquí se deduce que las personas que suelen comer carnes rojas, suplementos de L-carnitina o bebidas energéticas enriquecidas en este compuesto, son más susceptibles de estar produciendo TMAO y, por consiguiente, de estar favoreciendo la aparición de la arterioesclerosis y cardiopatías asociadas. Por otra parte las personas que no consumen esos productos en general, veganos y vegetarianos en particular, habrían reducido la capacidad de su microbioma de sintetizar TMAO a partir de L-carnitina, lo que podría estar en el origen de los beneficios cardiovasculares de estas dietas (y no en la ausencia de grasas saturadas y colesterol como suele creerse).

Finalmente una nota al consumidor de suplementos alimenticios de y bebidas energéticas enriquecida en L-carnitina: La L-carnitina no es un nutriente esencial. Esto quiere decir que no nos hace falta ingerirlo. Nuestro cuerpo sintetiza todo el que nos hace falta. Con ello en mente y teniendo en cuenta lo que hemos visto más arriba, y aún a sabiendas que hace falta más investigación para confirmar la salubridad del consumo crónico de suplementos de L-carnitina, ¿aún te quedan ganas de tentar la suerte?

Nota: Jorge Ruiz, de la Universidad de Extremadura, pone en nuestro conocimiento este texto de Chris Masterjohn: Does carnitine from read meat contribute to heart disease through intestinal bacterial metabolism to TMAO? En él se critica la metodología empleada en los estudios aquí expuestos, centrándose especialmente en la singularización (injustificada) de la carne roja como fuente de L-carnitina. Si bien nosotros hemos intentado centrarnos en el proceso metabólico, obviando en lo posible el tema de las fuentes de L-carnitina, dejamos constancia de este texto para los interesados en profundizar en el tema.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en el XXIII Carnaval de Biología, edición especial micro-BioCarnaval que patrocina la SEM (categoría d), que organiza Micro Gaia; y en la III Edición del Carnaval de la Nutrición que organiza Scientia.

Referencias:

[1] Koeth R.A., Wang Z., Levison B.S., Buffa J.A., Org E., Sheehy B.T., Britt E.B., Fu X., Wu Y. & Li L. & (2013). Intestinal microbiota metabolism of l-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis, Nature Medicine, DOI: 10.1038/nm.3145

[2] Wang Z., Klipfell E., Bennett B.J., Koeth R., Levison B.S., DuGar B., Feldstein A.E., Britt E.B., Fu X. & Chung Y.M. & (2011). Gut flora metabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease, Nature, 472 (7341) 57-63. DOI: 10.1038/nature09922

Frans de Waals: El comportamiento moral de los animales

El pasado viernes Antonio Osuna (BioTay) publicaba en el Cuaderno de Cultura Científica de la UPV/EHU un magnífico artículo titulado El origen natural del bien. En él explicaba cómo el altruismo es algo no exclusivo de los humanos encontrándose ejemplos en el comportamiento de muchos animales. En el vídeo que presentamos a continuación Frans de Waals abunda en esta idea y la amplía al comportamiento moral en animales en sentido amplio.

El vídeo es muy intructivo, divertido e invita a la reflexión y complementa, creemos, perfectamente el texto de BioTay. Está subtitulado en español. ¡Que lo disfrutes!

Es hielo abrasador, es fuego helado

Es hielo abrasador, es fuego helado,
es herida, que duele y no se siente,
es un soñado bien, un mal presente,
es un breve descanso muy cansado.

Es un descuido, que nos da cuidado,
un cobarde, con nombre de valiente,
un andar solitario entre la gente,
un amar solamente ser amado.

Es una libertad encarcelada,
que dura hasta el postrero paroxismo,
enfermedad que crece si es curada.

Éste es el niño Amor, éste es tu abismo:
mirad cuál amistad tendrá con nada,
el que en todo es contrario de sí mismo.

Este texto es un soneto de Francisco de Quevedo. En lo que solemos llamar “cultura” un comentario del mismo podría ser algo tal que así. Habrá quien, leyendo esto, alabe la capacidad analítica del comentarista y su conocimiento de la teoría literaria. Sin embargo, la cultura científica aporta otra dimensión al poema que no le resta un ápice de su belleza formal y sí pone en valor la agudeza de su autor. Algo que hoy día lamentablemente sólo es valorado por unos pocos. En lo que sigue vamos a intentar explicar en qué consiste esa otra dimensión.

Explicando el enamoramiento

Cupido, el niño arquero y enredante al que el poema se refiere como niño Amor, se supone que dispara flechas que hacen que la gente se enamore; pero hay poca evidencia científica de que esto sea así. Platón, en su línea, proponía una explicación muy bonita sobre la pérdida de la “otra mitad” que todavía atormenta a muchos adolescentes, y a otros que no lo son tanto, en forma de media naranja ideal; pero este argumento no pasa la revisión por pares. Otra posibilidad es recurrir a pociones al estilo de Tristán e Isolda, pero que nadie espere más resultados de este remedio que de los adivinos de la tele. Hasta aquí, las letras.

El hecho cierto es que el enamoramiento y sus síntomas, que Quevedo describe magistralmente, existen. Los antropólogos han llegado a la conclusión de que es una constante universal (o casi, siempre hay algo por comprobar): no existe cultura humana conocida en el planeta que no sepa de primera mano lo que es el enamoramiento.

Entonces, si es universal, debe existir una base biológica para él. En otras palabras, no puede ser simplemente una tradición cultural como el fútbol o los tatuajes. Habrá que echar un vistazo pues, sin ánimo de ser exhaustivos, a la acción de genes, neuronas y hormonas si queremos empezar a comprender el síndrome de enajenación mental transitoria al que se refiere Quevedo y que llamamos enamoramiento.

Casanovas y Marcillas

En este punto, y antes de seguir adelante, conviene dejar claro un aspecto importante. En lo que sigue se habla de apareamiento y de enamoramiento indistintamente, porque el enamoramiento no es más que la vestidura con la disfrazamos el apareamiento. Como apuntábamos más arriba, el enamoramiento es una alteración mental (una enajenación) que dura un tiempo (transitoria) que idealiza al otro, rebaja el riesgo percibido y favorece, en última instancia, la procreación.

Todos conocemos especies en las que las parejas se forman para toda la vida de los individuos y otras en las que la promiscuidad es la regla. Los humanos oscilamos entre el “amor cortés” (platónico) de Dante por Beatriz (en la imagen) y todo lo contrario. Esta “elección”, ¿es algo espiritual, platónico, trascendente o es biológico, genético?

Naturalmente, si hay un fenómeno biológico que se encuentra entre la inmensa mayoría de los individuos de una especie lo que cabe pensar es que esté predeterminado de una forma o de otra en los genes. El problema con el enamoramiento es que es un fenómeno complejo, muy probablemente controlado por interacciones entre muchos productos genéticos distintos. Esto dificulta mucho su estudio como ocurre con el alzhéimer o las dolencias cardíacas. Si, además, por razones éticas muy comprensibles, no se pueden hacer experimentos con humanos, la cosa se complica.

Gracias a la teoría de la evolución, sabemos que estamos relacionados genéticamente con muchas especies, con la que compartimos mucho más que un antepasado común. Esto permite que los estudios genéticos en animales, si bien no pueden responder a cuestiones humanas complicadas, sí den respuesta a preguntas más simples.

Así, por ejemplo, existen dos especies relacionadas de ratones de campo que viven en Norteamérica: una es monógama y vive en la pradera (Microtus ochrogaster) y la otra es promiscua y vive en los montes (Microtus montanus). Un estudio descubrió un gen en los de la pradera que estaba sospechosamente ausente entre los montaraces. Los investigadores insertaron el gen en cuestión en los machos de las especie de montaña y esta simple manipulación convirtió a los que tenían que haber sido Giacomo Casanova en DiegoMarcilla. Un indicio de que lo que pensamos que es elección propia de esa persona ideal(izada), esto es, la monogamia total o la poligamia como monogamia en serie, no sería más que predisposición genética.

Loco de amor

Pero si el enamoramiento es, como decimos, una enajenación mental transitoria, toda la influencia genética tendrá su correlato en el encéfalo. Veamos qué encontramos.

Un grupo de investigadores se dispuso a descubrir cuáles eran las manifestaciones neurológicas de los primeros estadios del amor romántico. Básicamente, lo que querían descubrir era si el enamoramiento es una emoción fundamental como el miedo o si está producida por bucles de retroalimentación del sistema de recompensa del encéfalo de la misma forma que funciona la adicción a la cocaína.

Su conclusión es que hay una serie de regiones encefálicas que parecen estar involucradas en los sentimientos románticos. Específicamente registraron la activación del mesencéfalo ventral derecho, alrededor del llamado área tegmental ventral y el cuerpo dorsal y la cola del núcleo caudado. Todas estas regiones no están relacionadas con instintos y emociones primitivos como el miedo, sino que están ligadas al sistema de recompensa que hace que nos volvamos adictos a las drogas.

Cuando ponemos estos resultados en contexto se llega a la conclusión de que el enamoramiento es fundamentalmente un sistema de recompensa, que conduce a varias emociones, más que una emoción específica. Es muy característico que no se pueda ligar una expresión facial de forma inequívoca a estar enamorado. Además las primeras etapas del enamoramiento, cuando éste es más intenso, difieren tanto de la atracción sexual como del desarrollo del afecto característicos de las fases posteriores de la relación, que activan áreas diferentes del encéfalo.

¿Y qué pasa si la cosa sale mal?¿Y si no eres correspondido o te abandonan?

Cuando se mira una foto de alguien que te acaba de abandonar suceden muchas cosas en el encéfalo, incluyendo la activación de regiones habitualmente asociadas al dolor físico, a comportamientos compulsivos-obsesivos, al control de la ira y áreas que se activan cuando elucubramos sobre lo que otro está pensando. No sólo eso, en vez de desactivarse las acciones del amor romántico, parece como si se activaran aún más: el enamoramiento se exacerba por el rechazo.

Moléculas enamoradas

Muchas veces se suele hablar de que el enamoramiento es química. Efectivamente, muchas de los circuitos involucrados en el amor romántico incluyen a una hormona que también es un neurotransmisor, la dopamina. Pero este no es el único compuesto involucrado en el enamoramiento.

Al igual que los pacientes con comportamientos obsesivos-compulsivos los enamorados presentan unos niveles anormalmente bajos de serotonina en sangre, lo que se correlaciona bastante bien con la obsesión con el objeto del enamoramiento.

También se han detectado cambios en los niveles de cortisol, hormona estimulante del folículo y testosterona. Algunos de estos cambios dependen del sexo del sujeto. Por ejemplo, la testosterona aumenta en las mujeres enamoradas y disminuye en los varones. Pero lo mejor viene cuando los enamorados que se han jurado amor eterno vuelven a medir sus niveles hormonales 12 meses después, aunque la relación se mantenga: las diferencias hormonales han desparecido completamente. Esto es, desde el punto de vista endocrino, una pareja que sobrevive a la fase de enamoramiento (recordemos que es una enajenación mental transitoria) lo hace en base a fundamentos bioquímicos diferentes: después de doce meses la química desaparece, sólo para ser sustituida por otra, en la que por ejemplo, interviene la oxitocina.

Quevedo etólogo

Vemos pues que el elegir a un sólo objeto de nuestra obsesión amorosa tiene una base genética, neurológica y fundamentalmente química y que todo ello se manifiesta en un comportamiento similar al del adicto a una droga.

Prueba ahora a leer el soneto del inicio pensando que está dedicado a la heroína. Apreciarás mucho mejor el genio de Quevedo y verás, quizás, que un comentario literario estándar puede quedarse muy corto.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en el III Carnaval de Humanidades que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate y en la XXI Edición del carnaval de Química que acoge Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión

El comunismo libertario de los pingüinos.

Los comportamientos espaciales de grupos grandes de animales pueden modelarse de forma matemática habitualmente siguiendo unas reglas de comportamiento individual muy simples, aunque las matemáticas implicadas sean muy complejas. Esas reglas suelen implicar unas normas de interacción locales para el individuo que después se traducen en lo que parece un movimiento ordenado de la manada, bandada o banco. El egoísmo, la propia supervivencia, está en la raíz misma de esas normas individuales. Un nuevo ejemplo nos lo dan Aaron Waters, de la Universidad de California en Merced (EE.UU.), y sus colaboradores en un artículo que publican en PloS ONE sobre los corros de pingüinos que se forman durante las ventiscas antárticas. Una vez más, el comportamiento egoísta del pingüino individual redunda en el bien del grupo, que comparte el calor del conjunto de manera equitativa.

El funcionamiento del modelo es relativamente simple:

• Los corros son tan compactos que sólo los pingüinos exteriores pueden moverse
• Cada pingüino es una fuente de calor y el viento se lleva ese calor.
• En función del número de pingüinos en el corro y la fuerza y turbulencia del viento, el modelo calcula cuál es el pingüino más frío en el perímetro del corro.
• El pingüino más frío se mueve al lugar exterior más protegido del viento, lo que se traduce en un movimiento desde una posición cara al viento a otra resguardada de él.
• Con cada movimiento de pingüino se itera el proceso

Las iteraciones repetidas muestran que el corro se va alargando y moviéndose poco a poco a favor del viento.

Sin embargo, los corros que se ven de pingüinos no son tan alargados como señala este modelo, de hecho, tienden más a la circunferencia si no hay obstáculos como montañas cerca. Por otra parte, el modelo asume vientos constantes en velocidad y dirección y pingüinos perfectamente idénticos. Cuando los investigadores introdujeron estas variables en forma de incertidumbre, esto es, remolinos de viento y diferencias de tamaño y tolerancia al frío de los pingüinos dentro de un rango natural, el modelo pasó a reproducir muy bien las observaciones.

Una de las conclusiones del modelo es muy llamativa. Cuando los científicos calcularon cómo se repartían el calor los pingüinos se encontraron con que lo compartían casi igualitariamente. Es decir, a pesar de que el comportamiento de los pingüinos individuales es sólo egoísta, tratando exclusivamente de encontrar el mejor lugar para ellos mismos, el tiempo que cada pingüino pasa expuesto al viento es prácticamente igual. Usando un símil político-económico, del laissez-faire (dejad hacer) de d'Argenson que popularizó de Gournay nace el Jeder nach seinen Fähigkeiten, jedem nach seinen Bedürfnissen! (de cada uno según sus capacidades, a cada uno según sus necesidades) de Blanc que popularizó Marx.

Pero cuidado aquí con las extrapolaciones demasiado rápidas. No en todos los casos el comportamiento individual egoísta resulta en reparto justo. Un corro de pingüinos es un sistema autosuficiente en el que los componentes individuales dependen sólo del grupo como fuente de refugio. Las perturbaciones sencillas del sistema, como la existencia de un obstáculo (una roca grande, una montaña) al que no todos tienen acceso, rompe la equidad del reparto.

Este resultado, aparte de los beneficios que puedan extraer los biólogos especializados en pingüinos, también puede resultar interesante en el estudio de colonias bacterianas en presencia de toxinas. O, ya puestos, para diseñar pautas de comportamiento de los enjambres de robots en condiciones climáticas adversas.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición 3,14159265 del Carnaval de Matemáticas que organiza Pi medios

Referencia:

Waters A, Blanchette F, & Kim AD (2012). Modeling huddling penguins. PloS one, 7 (11) PMID: 23166841

La geometría del hombre gordo.

Robert se sobresaltó con el timbre del teléfono a pesar de llevar esperando casi media hora desde que solicitase la conferencia.

• Profesor, el profesor...eerr...Johnny, al habla

Robert pasó por alto la falta de protocolo de su secretaria. Nadie se sentía a gusto con el apellido de Johnny.

• Johnny, aquí Robert...Sí,sí, todos bien. John, deja lo que estés haciendo y vente para aquí. Te necesitamos....Sí...Sí...Si no fuese urgente y de extrema importancia no te lo pediría de esta manera....Eso no puedo prometértelo...Sabes que no puedo darte más información por teléfono...De acuerdo, será solo una consulta para resolver este problema concreto. Estate tranquilo, sé como trabajas. Tendrás lo que necesites....Sí, ¡ja, ja! Tendrás un documento con el problema planteado y todos los condicionantes esperándote....Bien, sí, ¡ja,ja! Te veo dentro de tres días...Ah, y Johnny, ¡köszönöm!

El buen humor de la conversación se disipó pronto. Robert estaba en un callejón sin salida y recurrir a Johnny era su as en la manga. Su único as. Si Johnny no encontraba una solución, y pronto, todo el trabajo que estaban haciendo sería un auténtico desperdicio de talento, dinero y tiempo. Sobre todo de precioso tiempo.

Sabía que Johnny estaba al tanto del Proyecto en líneas muy generales, pero no de los últimos desarrollos ni de los condicionantes no puramente técnicos, así que se dispuso a prepararle un pequeño informe, suficientemente exhaustivo, para que se ubicase rápidamente tanto él dentro del Proyecto, como el problema en el contexto del desarrollo.

Informe de situación

ALTO SECRETO

Nos falta uranio apropiado 

Tenemos localizados cuatro depósitos importantes de mineral de uranio: Colorado, norte de Canadá, Joachimstahl y el Congo Belga. Todos menos Joachimstahl están en manos aliadas. Un estudio que realizamos en 1942 afirmaba que había suficientes cantidades de uranio para satisfacer las necesidades del proyecto. Pero esto no es así por motivos técnicos. Paso a ponerte en antecedentes. 

A comienzos del siglo pasado el mineral de uranio se recuperaba como subproducto en minas de Sajonia, Bohemia y Cornualles. La primera extracción específica de menas radioactivas tuvo lugar en Jáchymov, que los nazis llaman por su nombre alemán, Joachimthal, un lugar conocido por su minería de la plata. Curie usó pecblenda de Jáchymov para aislar el radio que, como ahora sabemos, es un producto de la desintegración del uranio. 

La extracción se produce en estos lugares por el contenido en radio. Como seguramente sabes el radio contenido en las menas de uranio se usa para hacer pintura luminosa para los diales de los relojes y otros instrumentos. El uranio es un subproducto que se viene usando como pigmento amarillo. 

En los Estados Unidos la primera mena de radio/uranio fue descubierta en 1871 en una mina de oro cerca de Central City, en Colorado. Sin embargo la mayor parte se produce en la meseta del Colorado, entre Utah y Colorado, asociada a la extracción de vanadio. Aquí compramos oficialmente vanadio, pero pedimos que no lo purifiquen. Nosotros separamos después el mineral de uranio. No es un sistema muy rentable. Las concentraciones de uranio son bajas. 

Otra fuente de suministro es Port Radium, cerca del lago Gran Oso, en Canadá, donde Eldorado Mining and Refining Limited tiene grandes cantidades de residuos como consecuencia de su extracción de radio. 

Estos minerales de uranio se encuentran en rocas sedimentarias, por lo que no tienen mucho rendimiento para nosotros. 

Desde el punto de vista del rendimiento es mucho más interesante un depósito precámbrico que hay en Katanga, en el Congo Belga, descubierto en 1913, que explota la Union Minière du Haut Katanga. Nuestros amigos ingleses nos han tenido que echar una mano para conseguir que reabrieran la mina, que estaba inundada, y comenzasen a suministrarnos. 

Pero si obtener uranio nos está costando trabajo, obtener el que nos interesa mucho más. El uranio consiste en un 99,3% de uranio-238 y un 0,7% de uranio-235, pero sólo este es fisible. Ambos isótopos son químicamente idénticos y tenemos que separar el U-235 del U-238. En Oak Ridge y aquí nos hemos devanado los sesos ideando métodos de separación. 

El método más obvio, la centrifugadora, falló desde el primer momento. Ahora estamos usando separación electromagnética, difusión gaseosa y difusión térmica. A Groves se le ocurrió la idea de que el producto de una planta fuese la materia prima de otra, por lo que te puedes hacer una idea de la productividad. Tras todos estos años y esfuerzos no tenemos ni 50 kg. Con estas limitaciones no podemos ni plantearnos hacer pruebas.

La alternativa

Nos planteamos entonces aprovechar la disponibilidad de U-238 para obtener plutonio-239 que también es fisible. En un reactor nuclear bombardeamos uranio natural con neutrones. El U-238 se transmuta en U-239, que se desintegra rápidamente, primero en Np-239 y después a Pu-239. De supervisar todo esto se están encargando Fermi y Compton en un juguetito que se han construido en Oak Ridge al que llaman reactor de grafito X-10.

El problema es que sólo se transforma una pequeña cantidad de U-238, por lo que tenemos que separar el Pu-239 químicamente del uranio que no ha reaccionado, de las impurezas iniciales y de otros productos de fisión. De esto se han encargado Seaborg y Thomson con un proceso que llaman del fosfato de bismuto (otro dolor de cabeza que no viene al caso que te cuente ahora). Lo que hacen es jugar con los estados de oxidación del plutonio +4 y +6 en disoluciones de fosfato de bismuto. En las condiciones en las que el estado es +4 el plutonio precipita; en las que es +6 se queda en disolución y todo lo demás precipita. Ya te haces una composición de lugar.

Todo este trabajo con el plutonio se basaba en las propiedades que habíamos estudiado con plutonio-239 fabricado en un ciclotrón. Este Pu-239 era extremadamente puro y sólo lo pudimos crear en cantidades muy pequeñas. Cuando recibimos el primer envío desde Oak Ridge Segrè se dio cuenta de que allí había más Pu-240 del deseable, con lo que teníamos un 500% más de riesgo de fisión espontánea que con el Pu-239 puro del ciclotrón. Cuando se lo comento a Seaborg, va y me recuerda un informe que hizo hace más de un año en el que predecía que el Pu-239 puede absorber un neutrón y convertirse en Pu-240. Que él, desde el punto de vista químico, se lava las manos: si separar U-235 del U-238 era dificilísimo, separar Pu-239 del Pu-240 es prácticamente imposible.

En el dispositivo que tenemos diseñado para el U-235, que es una especie de tubo de cañón, tenemos separadas masas de material fisible que en el momento de activación son empujadas la una contra la otra por explosivos convencionales. Pero esto no lo podemos hacer con el plutonio, porque en cada trozo se podría perder suficiente energía como para dispersar la masa crítica con sólo que se desintegrase un poco de plutonio.

El problema

Necesitábamos un diseño alternativo. Neddermeyer propuso el de la implosión que, después de estudiarlo concienzudamente, nos parece viable y, a decir verdad, nuestra única esperanza de ser capaces de producir más de un dispositivo. En este método usamos explosivos para compactar una estructura subcrítica de material fisible en una forma más pequeña y densa. Cuando los átomos fisibles están empaquetados más densamente el ratio de captura neutrónica aumenta y la masa pasa a ser masa crítica. Como, en el caso que nos plantemos, el Pu-239 tiene que desplazarse un trayecto muy corto dentro del dispositivo y se mantiene a baja densidad, disminuimos la probabilidad de que se produzcan las pérdidas fatales que origina el otro método.

Las investigaciones de Neddermeyer apuntan a que vamos en la buena dirección. Pero las dificultades teóricas e ingenieriles son mucho más complejas de lo que anticipamos. Estamos colapsados. Adjuntos encontrarás los informes de Neddermeyer y los datos que puedas necesitar.

Post scriptum:

Prefiero ponerte aquí por su importancia una pequeña nota sobre normas que sí debes memorizar y cumplir a rajatabla. Las otras te las adjunto y son las habituales de seguridad en instalaciones militares de alto secreto que ya conoces.

Higiene en las instalaciones

Debes evitar todo contacto con el material fisible o sus contenedores. Debes usar bata, guantes y mascarilla si entras en el laboratorio. Se ha detectado en trabajadoras de empresas de relojería que pintan con radio muchos casos de cáncer. Muller publicó en 1927 que la radiación produce mutaciones genéticas. Además puede quemar la piel con facilidad. Las dosis altas de radiación son incompatibles con la vida.

• Estás seguro, Robert, ¿un matemático?
• Seguro, Groves. Si Johnny no lo resuelve, no lo resuelve nadie.

Hacía sólo dos horas de esa conversación y Robert la rememoraba, nervioso, mientras esperaba en la estación. Nunca antes había dependido tanto su carrera de otra persona.

Johnny bajó del tren con su traje de tres piezas impecable más propio para uno de los típicos tés de Princeton, a pesar de venir al desierto de Nuevo México. Tras los saludos habituales fueron directamente al grano. Johnny leyó el informe en el coche y ojeó los documentos adjuntos durante media hora. Después se quedó mirando el paisaje en silencio. Silencio que Robert respetaba; sabía que Johnny estaba pensando. Cuando ya divisaban las cercas del complejo Johnny habló:

• Necesitaré un sitio tranquilo en el que trabajar. Donde nada ni nadie me moleste. Y necesitaré a las dos mejores computadoras, y por mejores entiendo que hagan sus cálculos bien a la primera, con rapidez y pulcritud.
• Del lugar no te preocupes. Te he reservado un pequeño bungalow en el extremo de la base donde no te molestará nadie, yo me encargo de eso. Respecto a las computadoras le pediré a Feynman que las seleccione.
• ¿El chico de Bethe? Bien.
• Oye, Johnny, ¿por qué dos?
• Porque existe la posibilidad de que genere ecuaciones al doble de velocidad de lo que una computadora competente pueda calcular. Y no pienso pasar mi tiempo aquí esperando a que alguien termine de sumar.
• Ya veo. ¿Cuando quieres empezar?
• Ya he empezado. Estoy convencido de que el problema es básicamente geométrico.

La noticia de que Johnny estaba en las instalaciones corrió como la pólvora. Robert tuvo que dar órdenes estrictas para que nadie se acercarse a saludarle, por muy amigo, compatriota o colega que fuese.

La luz en el bungalow de Johnny no se apagó esa primera noche hasta bien entrada la madrugada. Había mandado recado de que no necesitaría a las computadoras hasta las 7 de la mañana. A las 12 del día siguiente pidieron unos sándwiches de la cantina. A las 9 de la noche las computadoras, visiblemente agotadas, regresaron a sus habitaciones del pabellón de mujeres. Johnny seguía despierto a las 2 de la madrugada. Los guardas lo veían pasear arriba y abajo en el saloncito del bungalow estudiando lo que parecían ser los mismos papeles una y otra vez.

• Profesor, eeer...Johnny está aquí.
• Gracias, Anne. Pasa, pasa, Johnny. ¿Necesitas alguna cosa? Siéntate.
• Sí, un coche que me lleve a la estación. Tal y como te dije es un problema puramente geométrico. Aquí tienes el resultado.
• Pero...
• Está más que comprobado. Funcionará. Sólo tienes que encontrar los explosivos de velocidades adecuadas. Kistiakowski es mejor que yo en eso. Dale este papel, él sabrá lo que tiene que hacer. Aquí tienes los cálculos y aquí mis conclusiones. Tu tubo de cañón se ha convertido en un hombre gordo, me temo. Léelas que me voy a casa, no aguanto el desierto.

El documento no podía ser más breve.

Conclusiones

No sólo estoy de acuerdo con que la implosión reduce el riesgo de predetonación, sino que además considero que hará un mejor uso del material fisible disponible.

Muchos de los problemas que Neddermeyer se ha encontrado surgen de usar una configuración cilíndrica. En documentos adjuntos encontrarás la demostración de que la geometría esférica es la óptima.

Recomiendo el uso de lentes explosivas para configurar una onda de choque implosiva que garantice una geometría esférica. Estas lentes explosivas están constituidas por explosivos de distinta velocidad, rápidos y lentos, cuya onda expansiva se combina hacia dentro para obtener la geometría buscada. Los parámetros a buscar experimentalmente están dentro de los rangos que te especifico en el documento adjunto.

Es muy probable que la configuración óptima, dependiendo de los explosivos disponibles y sus características, esté constituida por 20 hexágonos y 12 pentágonos alrededor del núcleo esférico de material fisible, según este esquema:

                                           

• ¿Están claras?
• Diáfanas.
• Pues me voy. ¿Está el coche?
• No vas a ver a los muchachos. Están deseando saludarte.
• No, son demasiados. Ya he charlado un rato esta mañana con Ulam y Feynman y ya es suficiente para mí. Hasta nos han hecho una foto. Sólo diles que von Neumann estuvo aquí. Ellos entenderán.

                                                                       

Pasados los años Robert conservaba una copia de aquella foto. Representaba para él el momento cumbre del proyecto antes de la prueba, cuando supo que lo lograrían: en la foto aparecían sus muchachos agotados después de meses dando lo mejor de sí mismos y un genio venido de otro mundo que solucionaba con matemáticas lo que aquellos físicos y químicos brillantes metidos a ingenieros no alcanzaban.

Esta entrada es la modesta respuesta de Experientia docet al reto de redactar un texto con la capacidad de participar en 7 carnavales (matemáticas, física, química, biología, geología, tecnología y humanidades).

A efectos prácticos esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVIII Edición del Carnaval de Química (en XdCiencia), en la XXXV Edición del Carnaval de la Física (en Últimas noticias del cosmos) y en la 3,1415926 del Carnaval de Matemáticas (en Series divergentes).

¿Y si la evolución no fuese oportunista?

En un artículo publicado en Science Stuart Newman, del New York Medical College (EE.UU.) propone un modelo alternativo a uno de los mecanismos de la evolución, en concreto a que una mutación aleatoria y fortuita se conserva si  las ventajas funcionales del cambio aumentan las probabilidades de supervivencia/reproducción. Newman propone que el origen de los motivos estructurales de las morfologías animales era predecible, y sólo relativamente repentino, siendo el periodo primitivo de la evolución el que habría favorecido esas transformaciones morfológicas.

Cuando pensamos en la evolución damos por sentado que actúa de forma oportunista, a pequeños pasos, con cada cambio persistiendo sólo si aporta ventajas funcionales. La hipótesis que elabora Newman elimina este oportunismo y para crearla se basa en descubrimientos genéticos recientes sobre los ancestros unicelulares de los animales y, lo que puede resultar llamativo, en la física a mesoescala de algunos materiales  (quédate con esta expresión aparentemente extraña, en un momento descubriremos de qué se trata).

Los cuerpos de los animales y los embriones que los generan exhiben una serie de “motivos morfológicos” recurrentes que, a la vista de las pruebas del registro fósil, aparecieron por primera vez hace más de quinientos millones de años. Durante el desarrollo embrionario de los animales actuales, las células se disponen en tejidos que tienen capas que no se mezclan y cavidades interiores. Los embriones contienen disposiciones de tipos celulares que forman patrones con los que terminan formando segmentos, exoesqueletos o vasos sanguíneos. El desarrollo de los cuerpos continúa doblando, alargando y extendiendo apéndices y, en algunas especies, generando endoesqueletos con elementos repetitivos (como por ejemplo la mano humana).

Según Newman estas pautas del desarrollo son sorprendentemente similares a las formas que toman unas sustancias condensadas, químicamente activas, y claramente inertes, llamadas materiales viscoelásticos (pueden sonarte por su uso en colchones) cuando se someten a determinadas condiciones físicas, si bien los mecanismos que generan los motivos estructurales en los embriones serían mucho más complejos. Estos materiales viscoelásticos presentan estas características a escalas que son mayores que las de una sola célula, por tanto, según Newman, los ancestros de los animales actuales habrían adquirido sus formas cuando organismos unicelulares vinieron a residir en agrupaciones pluricelulares en las que los procesos físicos que afectan a la materia en general a esta nueva escala entraron en acción.

Los progenitores unicelulares habrían contenido los genes para el desarrollo genético con el que los animales actuales organizan el desarrollo embrionario, pero los habrían usado para funciones unicelulares. Cuando se formaron las agrupaciones pluricelulares estos genes precisamente habrían sido los que habrían generado los productos que habrían afrontado los efectos físicos a mesoescala que en última instancia habrían producido los motivos característicos. Y dado que no todas las agrupaciones ancestrales contenían los mismos genes, habrían aparecido distintas morfologías en paralelo, dando lugar a los distintos filos (phyla) animales.

Según Newman esta nueva perspectiva aportaría interpretaciones sencillas y “naturales” a aspectos chocantes de la evolución primitiva de los animales, incluyendo el aumento “explosivo” de formas corporales complejas hace entre 540 y 640 millones de años y la incapacidad de añadir nuevos motivos desde entonces. El modelo también justificaría el uso conservado del mismo conjunto de genes para orquestar el desarrollo en todos los filos morfológicamente diversos y el “reloj de arena” embriológico de la biología del desarrollo comparada: la observación de que las especies de un filo pueden tener trayectorias drásticamente diferentes durante la embriogénesis temprana (p. ej. ranas y ratones), pero terminan tendiendo “distribuciones generales del cuerpo” muy similares.

Referencia:

Newman, S. (2012). Physico-Genetic Determinants in the Evolution of Development Science, 338 (6104), 217-219 DOI: 10.1126/science.1222003

Explorando los mecanismos del dolor: la rata topo desnuda y su tolerancia a los vapores ácidos.

Hay animales que parecen de otro mundo, por lo diferente de sus adaptaciones al medio. En la rata topo desnuda (Heterocephalus glaber) confluyen multitud de características que la hacen única: su aspecto, su extrema longevidad, su alta resistencia al cáncer o su capacidad de vivir en hipoxia, son algunos. Las ratas topo desnudas son capaces de sobrevivir, además, en entornos que otros mamíferos, incluidos los humanos, encontrarían intolerables. Pamela LaVinka y Thomas Park, de la Universidad de Illinois (EE.UU.), publican en PloS ONE los resultados de un estudio en el que se explora el mecanismo por el que las ratas son capaces de soportar la exposición a vapores ácidos sin experimentar dolor. Una adaptación tan peculiar permitirá comprender mejor los mecanismos del dolor en general.

Las H. glaber viven en colonias subterráneas de entre 30 y 200 individuos muy organizadas (véase el vídeo abajo) en el este de África. En estas colonias los niveles de dióxido de carbono aumentan hasta niveles que serían tóxicos para otros mamíferos, y la combinación con la humedad convierte el aire en una mezcla ácida. Buena parte del dolor persistente de una herida, por ejemplo, está causado por la acidificación del tejido dañado. El estudio de un animal que no siente dolor en un entorno ácido, y que incluso prolifera en él, podría llevar al descubrimiento de nuevos tratamientos para el alivio del dolor.

En las narices y hocicos de los mamíferos existen fibras nerviosas especializadas que se activan por la exposición a vapores ácidos y que, en última instancia activa el núcleo trigémino en el encéfalo lo que, a su vez, provoca respuestas fisiológicas y de conducta para proteger al animal: segregación de moco, frotarse la nariz y retirarse para evitar los vapores ácidos, son las más comunes.

LaVinka y Park colocaron ejemplares de H. glaber en un sistema de jaulas en el que había vapores ácidos (de ácido acético) en algunas zonas. A los animales se les permitía moverse libremente por el sistema y se medía el tiempo que pasaban en cada zona. Su comportamiento se comparó con el de otra especie de rata topo (Fumokys damarensis), ratas de laboratorio (Sprague-Dawley y Long-Evans) y ratones (C57BL/6).

Las H. glaber pasaron tanto tiempo en las zonas con vapores ácidos como en las demás mientras la concentración de vapores no superó el 20%; evitaron las zonas ácidas en concentraciones del 50%. Todas las especies control evitaron las zonas ácidas.

La cuestión era, ¿llegaba la señal de acidez al encéfalo en H. glaber? Para determinarlo los investigadores estimularon a las ratas con vapores ácidos al 20% y después midieron la expresión de una proteína, c-Fos, que es un indicador indirecto de la actividad a la que está sometido un nervio. En H. glaber no se encontró actividad en el núcleo trigémino, mientras que en los animales de control esta parte del encéfalo estaba muy estimulada. Análisis posteriores determinaron que ni siquiera la exposición al 50% estimulaba esta vía en H. glaber, y que en su comportamiento de evitar zonas con ese nivel de acidez influyese el olfato.

Por tanto, las ratas topo desnudas tienen alteraciones genéticas que modifican lo que en otras especies es la percepción del dolor vía el nervio trigémino, lo que es consistente con su adaptación a vivir en entornos permanentemente ácidos. Un resultado muy interesante, de un animal sorprendente, y que abre líneas de investigación muy prometedoras.

Información relacionada: El secreto de las ratas topo desnudas




Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVI Edición del Carnaval de Biología que acoge El blog falsable.


Referencia:

LaVinka PC, Park TJ (2012) Blunted Behavioral and C Fos Responses to Acidic Fumes in the African Naked Mole-Rat. PLoS ONE 7(9): e45060. doi:10.1371/journal.pone.0045060

Al menos un 4% adicional del genoma tiene selección estabilizadora en humanos.

¿Qué nos diferencia a los humanos modernos de otras especies? Parece una pregunta un poco estúpida, por lo evidente que puede parecer la respuesta. Sin embargo, si preguntamos ¿qué parte del genoma humano es exclusiva y característicamente humana? La respuesta ya no es tan obvia. El 5% del genoma humano se conserva entre especies; un 4% adicional, al menos, estaría sometido a una selección específica de la especie. 

Al resultado anterior es al que han llegado Lucas Ward y Manolis Kellis, ambos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EE.UU.), en un artículo aparecido en Science. Los dos investigadores usaron datos de ENCODE para identificar partes del genoma que realmente hace cosas y datos del Proyecto 1000 Genomas, que ha estudiado variaciones en el genoma humano en cientos de personas, para descubrir cuantos de estos elementos funcionales varían de persona a persona. En concreto se fijaron en señales que indiquen que la selección natural está manteniendo un elemento. La lógica es simple: si algo es evolutivamente importante entonces las variaciones aleatorias en su secuencia de ADN serán eliminadas lentamente de la población, manteniéndolo funcional en un proceso conocido como selección estabilizadora.

Los investigadores encontraron que, además del 5% de ADN humano que se conserva entre especies de mamíferos, existe otra porción substancialmente mayor que es bioquímicamente activa. Sin embargo, al menos un 4% adicional del ADN humano parece que es característicamente humano en el sentido de que está sujeto a selección estabilizadora en humanos pero no en otros mamíferos. Mucho de este ADN característico está implicado en regular la actividad de los genes, por ejemplo, controlando cuánto se produce de una proteína en vez de alterar la naturaleza de la proteína misma.

Este hallazgo está en sintonía con la hipótesis más aceptada actualmente de que el cambio evolutivo está más relacionado con los elementos reguladores más que con la estructura de proteínas. Los investigadores también encontraron que segmentos largos no codificantes que no se conservan en otros mamíferos están de hecho muy constreñidos en su evolución, lo que sugiere que tendrían funciones específicamente humanas.

Algunas de las áreas identificadas como concretamente humanas son la regulación de los conos de la retina (que nos permiten ver en color) y la regulación del crecimiento de las células nerviosas. Estos procesos evolucionaron rápidamente en los ancestros primates del Homo sapiens pero ahora están sometidos a una fuerte selección estabilizadora para mantener sus funciones beneficiosas.

Independientemente de estos primeros resultados, los autores han creado un poderosa herramienta para investigar en detalle los que nos hace humanos a los humanos.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVI Edición del Carnaval de Biología que alberga El blog falsable.

Referencia:

Ward LD, & Kellis M (2012). Evidence of Abundant Purifying Selection in Humans for Recently Acquired Regulatory Functions. Science (New York, N.Y.) PMID: 22956687

SAM y los percloratos: las dificultades en el análisis de compuestos orgánicos en Marte

El pasado 6 de agosto el Mars Science Laboratory “Curiosity” se posaba suavemente sobre la superficie de Marte portando diez instrumentos científicos con capacidades nunca vistas en la exploración planetaria. Siendo todos importantes, el equipo estrella es el Sample Analysis at Mars (SAM), una combinación de cromatógrafo de gases, espectrómetro de masas y espectroscopio láser ajustable combinados con un sistema completo de preparación de muestras y sistemas de calibración. El SAM es el encargado de detectar componentes orgánicos en la superficie marciana. Para ello vaporizará muestras de polvo y roca a temperaturas de 1000 ºC y analizará los volátiles resultantes. Sin embargo, un descubrimiento realizado en 2008 puede que haga que los resultados obtenidos por SAM no sean todo lo significativos que nos gustaría. Y es que en la superficie de Marte existen percloratos.

Percloratos de Marte

En junio de 2008 el Wet Chemistry Laboratory a bordo de la sonda Phoenix realizó el primer análisis húmedo del suelo marciano [1] . Los análisis, efectuados en tres muestras, dos de la superficie y otra tomada a 5 cm de profundidad, pusieron de manifiesto que el suelo era ligeramente básico y que contenía bajos niveles de sales típicas de la Tierra. La sorpresa fue encontrar aproximadamente un 0,6% en peso de perclorato (ClO₄^-) lo más probable en forma de Mg(ClO₄)₂.

La posibilidad de que el perclorato fuese un contaminante traído desde la Tierra fue descartada. Los retrocohetes de la Phoenix usaron hidrazina ultrapura (al igual que los de la etapa de descenso de Curiosity) y propelentes de lanzamiento a base de perclorato de amonio. Ninguno de los sistemas de la Phoenix encontró resto ninguno de amonio, por lo que el perclorato encontrado era marciano.

Anteriormente a este resultado, en 2006, se propuso un mecanismo para la formación de percloratos en suelos ricos en sales en los que los cloruros se convertían en percloratos por la acción de la radiación ultravioleta (que se piensa que es particularmente importante en la superficie marciana, algo que comprobará REMS, otro equipo a bordo de Curiosity). En 2010 se encontraron percloratos en una amplia zona de la Antártida a nivel de ppm (partes por millón); las circunstancias del descubrimiento implicarían que los percloratos se forman naturalmente y de forma global en la Tierra y, probablemente, en Marte.

Resultados contradictorios de las Viking

Ya hemos explicado en otra parte que Curiosity, a diferencia de las sondas Viking, no tiene como misión encontrar vida. Efectivamente, Curiosity no tiene ningún experimento que pueda detectarla. No así las Viking: en 1976 mezclaron suelo marciano con una disolución nutritiva radioactiva y, posteriormente, detectaron la emisión de gas radioactivo, lo que sugería la presencia de actividad microbiana. Sin embargo, otro experimento de las mismas sondas no encontró compuestos orgánicos, de lo que se concluía que, por extensión, no había microbios.

Estos datos contradictorios llevaron a la mayoría de los científicos a dar el primer resultado como erróneo. Pero no es tan sencillo: aún cuando no existiese vida en Marte el planeta tendría que estar repleto (entiéndase en términos químico-analíticos) de compuestos orgánicos; se estima que cada año marciano llegan al planeta 240 toneladas de ellos a bordo de meteoritos.

Una posible solución al enigma estaría en que la superficie marciana contiene óxidos metálicos que tienen propiedades fotocatalíticas; conforme la radiación ultravioleta choca con estas partículas genera especies que reaccionan y destruyen los compuestos orgánicos. Esta hipótesis tiene sus limitaciones, sobre todo para las muestras tomadas a 5 cm de profundidad. Una más reciente, y mucho más relevante para los análisis que efectuará el SAM, es que los compuestos orgánicos se oxidaron accidentalmente durante el procesado de la muestra a resultas de la presencia de percloratos.

SAM y los percloratos

Existen estudios experimentales que apoyan la hipótesis de los percloratos. Quizás el más significativo fue el llevado a cabo en 2010 [2]. A una muestra de suelo del desierto de Atacama se le añadió una pequeña cantidad de perclorato. Tras calentar la muestra a 500ºC (misma temperatura que el horno de las Viking) los investigadores encontraron que los compuestos orgánicos presentes habían sido destruidos por oxidación. No sólo eso, la destrucción llevaba a la emisión de clorometano y, en menor medida, diclorometano, que fueron detectados por las sondas Viking y que, tradicionalmente, se han venido atribuyendo a contaminación por productos de limpieza antes del despegue.

La idea de que los percloratos son los responsables del resultado contradictorio de las Viking es muy sugerente. Apoya la idea, que algunos mantienen desde 1976, de que las Viking efectivamente encontraron vida microbiana (después de ellas ninguna sonda ha llevado un experimento similar para confirmarlo o desmentirlo). Por otra parte, sugiere que Curiosity va a tener los mismos resultados anómalos porque también usará calentamiento como forma de extracción de volátiles de las muestras, cuyos componentes orgánicos estarán sujetos a la acción de los percloratos.

¿Y ahora qué?

La presencia de percloratos puede afectar de forma significativa a los resultados de los análisis. Sin embargo, la capacidad analítica combinada de SAM es enorme, por lo que debería de ser capaz de discriminar si se está produciendo una interferencia por la presencia de percloratos. En caso de que sea así, lamentablemente, sólo quedará especular con mecanismos de reacción que den los productos detectados para poder deducir con un margen de error no despreciable, en vez de medir, qué compuestos orgánicos hay presentes, de haberlos.

Por otra parte, la capacidad de excavación de Curiosity podrá acceder a muestras menos sometidas a radiación y, por tanto, menos afectadas por la presencia de percloratos, y comparar sus resultados con los de las muestras de superficie.

Una consideración final: aún cuando Curiosity encuentre compuestos orgánicos no podrá establecer si tienen un origen biológico. Lo que sea vida en la Tierra puede que no lo sea en Marte, después de todo.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVII Edición del Carnaval de Química que acoge Un geólogo en apuros.

Referencias:

[1] Hecht MH, Kounaves SP, Quinn RC, West SJ, Young SM, Ming DW, Catling DC, Clark BC, Boynton WV, Hoffman J, Deflores LP, Gospodinova K, Kapit J, & Smith PH (2009). Detection of perchlorate and the soluble chemistry of martian soil at the Phoenix lander site. Science (New York, N.Y.), 325 (5936), 64-7 PMID: 19574385

[2] Rafael Navarro-González, Edgar Vargas, José de la Rosa, Alejandro C. Raga, & Christopher P. McKay (2010). Reanalysis of the Viking results suggests perchlorate and organics at midlatitudes on Mars JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 115 DOI: 10.1029/2010JE003599

Nanobiomática, la revolución que marcará el siglo XXI

El 15 de abril de 2010 volvía a casa después de asistir a una demostración de un nuevo equipo industrial en una ciudad del centro de Suecia. Cuando llegamos mi compañero y yo al aeropuerto de Estocolmo nos encontramos con el caos. Al parecer un volcán en Islandia, el Eyjafjallajökull, había entrado en erupción y las cenizas que arrojaba a a la atmósfera obligaban a cerrar el espacio aéreo por tiempo indefinido. Nuestro vuelo a Madrid aún no estaba cancelado aunque sí muchos otros. Yo, siguiendo un instinto de supervivencia peculiar, entré en la bien surtida librería a comprarme un par de libros.

Nuestro vuelo fue el último en despegar de Estocolmo antes del cierre del espacio aéreo sueco y nuestro piloto nos llevó a España dando un rodeo por Polonia. En ese tiempo comencé a leer uno de los libros que más me ha hecho pensar en los dos últimos años: The Black Swan, The Impact of the Highly Improbable, de Nassim Nicholas Taleb.

Un cisne negro, citando a Taleb, es un acontecimiento que reúne tres características. Primero, es completamente inesperado, ya que nada en el pasado puede apuntar de forma convincente a esa posibilidad. Segundo, tiene un impacto enorme. Tercero, a pesar de ser inesperado, nuestra capacidad humana para la racionalización a posteriori hace que lo veamos como algo explicable y predecible.

Los cisnes negros son el tipo de acontecimientos que marcan las revoluciones científico-técnicas; pensemos en el descubrimiento de los rayos X o en la penicilina o, y perdonad que aquí cite una afición, los cuasicristales. En las próximas décadas serán los cisnes negros los que marquen la evolución de la ciencia y la técnica concretas. Por definición no podemos saber cuáles serán. Nosotros, en lo que sigue, no vamos a intentar predecir qué desarrollos concretos habrá en la ciencia y la técnica en lo que queda de siglo, ya dejamos a otros que se equivoquen en eso, sino que vamos a explorar brevemente, y sin ánimo de ser exhaustivos, las áreas en las que podrían producirse esos avances. Puede que te sorprendan.

La instrumentalización de la química y el recorrido limitado de la física.

La química, como ciencia que permite conocer el universo, está agotada. No habrá sorpresas químicas relevantes, si bien cabe esperar de ella una enorme variedad de contribuciones prácticas. La química es como una lengua que cuesta dominar: a lo largo de los siglos hemos ido aprendiendo su gramática, su vocabulario, sus modismos, cada uno de estos descubrimientos permitiéndonos conocer más el universo y a nosotros. Pero un idioma, una vez dominado, sirve para expresar ideas. Este es el futuro papel de la química, un instrumento sofisticado que facilitará mucho de lo que sigue.

La física sólo es un poco más estimulante desde esta perspectiva que hablamos. Aunque aún haya mucho que aprender acerca de la estructura fundamental del universo, las máquinas necesarias para realizar esta exploración son cada vez más grandes y caras. Existe un concepto económico crítico para estas situaciones, el de rendimientos decrecientes y, aunque el descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs pueda estimular durante un tiempo breve el imaginario colectivo de los que administran el dinero, no cabe esperar muchas inversiones en algo que tiene de entrada pocas aplicaciones prácticas desde su punto de vista.

En las próximas décadas, salvo hallazgos no previstos en el modelo estándar que nos depare el LHC (más improbables si la partícula descubierta se confirma que, efectivamente, es el bosón de Higgs del modelo estándar), la física fundamental estará centrada en comprender la materia oscura (partículas fundamentales que interactúan con la de materia ordinaria aparentemente sólo a través de la gravedad) y en encontrar ondas gravitacionales (lo que permitiría unir la gravedad, explicada actualmente por la torre de marfil que es la teoría general de la relatividad, con la física cuántica que explica el resto de la física). Para conseguir ambos fines bastarían en principio instrumentos relativamente baratos comparados con un megaacelerador de partículas lineal, por ejemplo.

La otra gran incógnita de la física es la energía oscura, eso que hace que el universo se expanda aceleradamente. A diferencia de las dos anteriores, su resolución requiere de una revolución teórica previa más que de nuevos datos. Y esto entra de lleno en el dominio de los cisnes negros. Puede que ahora, mientras lees esto, un parado esté garabateando, en un parque de Málaga, la que podría ser la solución a este problema.

La revolución nanobiomática.

Para el año 2050, parece bastante probable que sepamos, más allá de la certeza estadística, que la vida es abundante en el universo. El estudio de los planetas extrasolares con nuevos telescopios espaciales parece que es algo que tiene la financiación poco menos que garantizada: la pregunta de si estamos solos en el universo es fácilmente entendible por los administradores y también interesante para ellos.

Un aspecto relacionado es el origen de la vida en la Tierra. La respuesta puede que venga del mejor conocimiento del funcionamiento celular y la identificación de sus partes más primitivas, y de la experimentación, es decir, de la creación de organismos vivos en el laboratorio a partir de moléculas químicas sencillas.

Pero los descubrimientos en biología están entrando en una fase exponencial que nosotros atribuimos a cuatro motivos principales:

1. La capacidad desarrollada recientemente de secuenciar el ADN rápidamente y en cantidades enormes.
2. Las mejoras en microscopia, en el sentido más amplio, desde sistemas de tinción a fotografías a nivel atómico, que permiten una mejor comprensión de los procesos celulares.
3. Las técnicas para el estudio específico del encéfalo y su funcionamiento, probablemente el objeto de estudio científico más interesante del universo.
4. La asunción generalizada de que la investigación biológica tiene que tener una perspectiva evolutiva.

Cabe esperar que en próximo par de décadas la caracterización genética de todas las especies esté completa. Alrededor del año 2030, dependiendo de la financiación, la mayor parte de la vida conocida habrá sido caracterizada, incluyendo la microbiológica marina o la subterránea profunda (de existir). En el proceso es posible que nos encontremos grandes sorpresas (asumimos que con más fundamento que la vida basada en arsénico).

Lo anterior, completar el álbum de cromos de la vida terrestre, es fascinante e intelectualmente atractivo. Pero esta base de datos genéticos gigantesca y el conocimiento biológico derivado de ella, abriría la puerta a la explotación industrial, lo mismo que ocurrió con la química en el XIX. En esto trabajan ya activamente personas como Craig Venter, ya sea por la vía de crear de vida sintética de diseño, ya por la creación de nuevos organismos transgénicos o directamente por el uso de nuevas especies.

Pero, sin duda, el punto de inflexión lo marcará la combinación de la biología con la nanociencia y la informática: la nanobiomática.

Digámoslo claramente, y citando a un sabio malagueño: la nanotecnología ha tenido un arranque de caballo andaluz y un parón de burro manchego. Durante los últimos veinte años se ha hablado mucho de nanotecnología pero, a fin de cuentas, salvo algunas estructuras que quedan muy espectaculares en fotografía y la alteración de las propiedades de algunos materiales, ya sea por la incorporación de otros o por técnicas de encapsulación, poco más se ha conseguido. Estamos a años-luz de esos ejércitos colaborativos de micromáquinas que prometían los visionarios de los años noventa. Pero esto cambiará cuando se conozca mejor el comportamiento de las células.

Las proteínas, el ARN o el ADN son moléculas grandes y tienen exactamente el tamaño típico de los objetos con los que opera la nanociencia: mayor que el de la química tradicional, pero aún suficientemente pequeños como para que la influencia de las interacciones supramoleculares electrostáticas sea crítica impidiendo que la ingeniería mecánica clásica pueda lidiar con ellas. De hecho, fueron estas interacciones las que arruinaron las predicciones de los visionarios: los engranajes y levas de las micromáquinas se veían alterados por las fuerzas de van der Waals y otros efectos mal comprendidos.

Pero, hete aquí que los sistemas vivos, obviamente, funcionan. Una vez que se analicen apropiadamente aparecerá todo un abanico de aplicaciones tecnológicas: ya sean organismos altamente modificados, o sistemas completamente artificiales que simplemente toman sus fundamentos de la biología, como los robots de Karel Capek, el inventor del término en 1921.

Pero unos robots así requerirían también la intersección de la biología, además de con la nanotecnología, con la informática y la inteligencia artificial, lo que hemos dado en llamar nanobiomática. La unión de una mejor compresión del funcionamiento del cerebro con una capacidad de computación artificial mucho más sofisticada. Las nuevas técnicas para el estudio del cerebro pondrán de manifiesto cómo se organiza el cerebro a nivel celular (conectoma). Los ordenadores, más rápidos y potentes, permitirán modelar como software esa nueva información. Así sabremos cómo funciona el cerebro de verdad, lo que permitirá la construcción de cerebros artificiales que trabajarán con los mismos principios, pero mucho más potentes y sin errores. Cerebros artificiales nanobiomáticos que puede que funcionen conscientemente.

Curiosamente, según la teoría de Taleb, nadie podrá hacer una fortuna apostando a nada de lo anterior: lo previsible no es novedoso realmente. Y es que el futuro lo conformarán los cisnes negros.