No title

-

DIMORFISMO SEXUAL CEREBRAL

o

AGUJEROS NEGROS CUANTICOS

JULIO 2005 6,00EUROS

Ed ición española de

SCIENTIFIC

AMERICAN

PROLlFERACION DE LAS CLAMIDIAS: UN PROBLEMA DE SALUD PUBLICA COMPUESTOS HALOGENADOS EN LA NATURALEZA COLISIONES DE ASTEROIDES EN EL SISTEMA SOLAR CICLO CELULAR EL RAYO

/

1I

111

9 77 021 0 136 0 04

00 3 4 6

1I

6

INVESTIGACION

Dimorfismo sexual

CIENCIA

cerebral larry Cahil/

Ed ición e spañolo d e

SCIENTIFIC AMERICAN

El cerebro del varón difiere del cerebro de la mujer en organización y actividad. La investigación de las variaciones observadas podría llevar a un tratamiento de patologías mentales específico para cada sexo.

Julio de 2005 Número 346

3

Agujeros negros cuánticos

HACE.•.

50, 100 Y 150 años.

Bernard J. Carr y Steven B. Giddings Quizá se creen pronto agujeros negros en el laboratorio.

4 ApUNTES

Telecomunicaciones...

Evolución...

Ciencia nuclear...

Etica científica...

Física.

24 Retinas artificiales

32

Kwabena Boahen

CIENCIA y SOCIEDAD Ecología vegetal... Microestriación dentaria y dieta... Ordenadores y algoritmos de visión... CONSTANS, el gen de la floración.

Mediante microcircuitos compactos que remedan la estructura neuronal del cerebro '-.,, ' . podrían fabricarse retinas de silicio que restituyan la visión, ojos robotizados y otros sensores inteligentes.

40 Citoquinesis en células eucariotas Mercedes Pardo En la citoquinesis, etapa final del ciclo celular, se forma una barrera que separará el material genético recién dividido en dos células hijas.

38 DE CERCA

El lago Tanganica.

50 El rayo Joseph R. Owyer Nuevas investigaciones subrayan la sorprendente complejidad de las tormentas eléctricas. El rayo sigue planteando problemas desconcertantes.

85 TAllER Y lABORATORIO Péndulo gravimétrico, por Marc Boada

88 JUEGOS MATEMÁTICOS ¿Amigos para siempre?, por Juan M.R. Parrondo

58

¿Se puede detener a las c1amidias? David M. Ojcius, Tani Darville y Patrik M. Bavail Las clamidias producen una enfermedad de transmisión sexual muy extendida, son la principal causa de ceguera evitable y quizás intervengan en las enfermedades cardiacas. Los descubrimientos recientes sugieren nuevas vías para frenar su proliferación.

90 IDEAS APLICADAS Auriculares anuladores del ruido, por Mark Fischetti

Minería de textos científicos Gary Stix Del mismo modo en que los motores de búsqueda localizan la información en la Red, una nueva herramienta lógica explora la bibliografía científica en busca de nuevas rutas moleculares.

92

78 Halogenuros orgánicos Gordon W. Gribble Aunque suelen asociarse a la industria química, los compuestos halogenados abundan, también, en nuestro entorno natural.

LIBROS Realidad última ¿accesible? Heliosismología.

•

COLA BORADORES DE ESTE NUMERO Asesoramiento y traducción:

IENeIA

Luis Bou: Dimorfismo sexual cerebral; Ramón Pascual: Agujeros negros cuánticos; Manuel Puigcerver: El rayo; M." José Báguena: ¿Se pu ede detener a las clamidias ?; M." Rosa Zapatero Osorio: ¿Qué calent á los asteroides ?; Juan Manuel González Mañas: Minería de textos cientificos; Stephan Pohl: Halogenuros orgánicos; J. Vilardell: Hace.... Apuntes e Ideas aplicadas; Ramón Muñoz Tapia: Taller y laboratorio

Jo sé M." Valderas Gall ardo Pilar Bro nch al Ga rfella EDICIONES Ju an Pedro Ca m pos Góm ez La ia Torres Ca sas PRODUCCIÓN M. " Cruz Iglesi as Ca pó n A lbe rt M arín Garau SECRETARÍA Pu ri ficación M ayoral M artí nez ADMINISTRACIÓ N Victo ria Andrés Laiglesia SUSCRIPCIONES Co nce pc ió n Or enes Delgado OIga Bl anco Rom ero EDITA Pr en sa Científica , S .A . Munt aner, 339 pral. La 08021 Ba rce lo na (Es pa ña) Teléfon o 934 143 344 Tel efax 934 145 41 3 www.inve stigac io nyc ie nc ia .es DIRECTOR GENERAL

DIRECTORA FINANCIERA

SCIENTlFIC AMERICAN John Renn ie Mariette Di Ch ristin a MANAGING EDITOR Ri cki L. Ru sti ng NEWS EDITOR Ph ilip M . Yam SPECIAL PROJECTS EDITOR Gary Sti x SENIOR EDITOR Mic he lle Press SENIOR WR ITER W. Wayt Gibb s EDITORS Mark Alpert, Steve n Ashl ey, Graham P. Collins, Steve Mirsky, Ge orge M usse r y Christine Soares PRODUCT ION EDITOR Rich ard Hunt GENERAL MA NAGER Mic hae l Flor ek EDITOR IN CHIEF

EXECUTI VE EDITOR

Portada: Ston e (ojo) . Kareem Zaghl oul (retina), Jen Christiansen (fotocomposic ion¡

VICE PRESIDE NT AND MANAGlNG DIRECTOR, INTERNATIONAL

De an Sand erson PRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER

SUSCRIP CIONES

Gretche n G. Teich graeber John Sargent

Prensa Científica S. A .

M u ntaner, 339 pra l. L a

0802 1 Barcelona (E spaña)

Te léfono 934 143 344

Fax 934 145 413

CHAIRMAN

DISTRIBUCION

PUBLICIDAD

para España :

Ma d rid:

LOGISTA, S. A. PoI. Ind . Pol vor anca Trigo, 39, EdiL 2

289 14 Legan és (Madrid)

Te léfono 9 14 8 19 800

Manuel M artín M art ín Teléfon o 670 236 7 15 e- ma il: publicid ad -ic @hotmail.com

para los restantes países: Prensa Científica, S. A. M untaner, 339 pral. La 08021 Barcelo na

Cataluña :

QU ERALTO COMUNIC AC IO N Ju lián Qu er alt ó San t Anto ni M." Claret , 281 4 .0 3.a 08041 Barc elo na Tel. y fax 933 524 532 M óvil 629 555 703

Precios de suscripción: Dos años

España

Un año 65 ,00 euro

120 ,00 e uro

Rest o de l mundo

90,00 e uro

170,00 euro

Ejemplares sueltos: El precio de los ejemplares atrasados es el mismo que el de los actuales.

Copyright ID 2005 Scientific American Inc.. 415 Madison Av.. New York N. Y. 10017. Copyright ID 2005 Prensa Científica S.A. Muntaner, 339 pral. l. a 08021 Barcelona (España) Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción en todo o en parte por ningún medio mecánico. fotográfico O electrónico.

así como cualquier clase de copia. reproducción, registro o transmisión para uso público o privado, sin la previa autorización

escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SC IENTIF IC AMERICAN, así como el logotipo correspondiente,

son propiedad exclusiva de Scientific American. Inc., con cuya licencia se utilizan aquí.

ISSN 0210 136X

•

'J

Difusión . . . . controlada

Dep. legal : B. 38.999 - 76

Imprime Rot oc ayfo -Quebecor, S .A. C tra , de Caldes , km 3 - 0 8 130 San ta Perpetua de Mo g oda (B arcelona )

Príntcd in Spain • Impreso en Españ a

ACE

...cincuenta años NUEVO ELEMENTO. «Durante algunos días a principios de este año hubo algo nuevo bajo la luz del sol, aunque no en demasiada cantidad . Químicos de la Universidad de California consiguieron crear 17 átomos del elemento 101. La sustancia, bautizada mendelevio (símbolo Mv; ahora Md) en honor del padre de la tabla periódica, se formó bombardeando el elemento 99 con partículas alfa procedentes de un ciclotrón. El isótopo así obtenido, cuyo peso atómico es 256, se desintegra por fisión espontánea con un semiperíodo comprendido entre treinta minutos y varias horas. »

«El análisis del carbón a partir de sus consti­ tuyentes elementales nada nos dice acerca de él como sustancia. Para ello, necesitamos conocer su estructura química, es decir, de qué modo se enlazan sus átomos para formar moléculas. El es­ fuerzo vale la pena, pues cuan­ to más se sepa sobre cómo se conforma, con más precisión podrá descomponerse para obtener sustancias químicas de interés. Ya se ha perfeccio­ nado un proceso que permite descomponerlo en más de 200 compuestos, algunos completa­ mente nuevos o en cantidades nunca conseguidas. Es este he­ cho el que llevó a químicos y conservacionistas a concluir que lo más despilfarrador que puede hacerse con el carbón es quernarlo.» C ARBÓN.

...cien años EL CANAL DE PANAMÁ. «El pre­ sidente Roosevelt ha compa­ rado los desertores que han vuelto a casa desde Panamá, con la boca llena de críticas y quejas, a los pocos soldados medrosos y gárrulos que se echan atrás en el fragor de la batalla. Nadie supone que el istmo de Panamá sea precisamente ahora un balneario, un sanatorio ni un lugar de vacaciones; al propio tiempo, sí comienza a parecer que hubiésemos acometido los trabajos de construcción sin abordar los preparativos especiales para la recepción, alojamiento y alimentación de la fuerza laboral, que las muy penosas condiciones en el istmo hacen necesarias. Sea como sea, que el ejército se encargue del trabajo. Sería tentar al desastre encargar de los cuidados y la alimentación a los responsables de las casas de hu éspedes.»

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

julio, 2005

DIAMANTES ARTIFICIALES. «Ya en posesión del horno eléctrico, el profesor Henri Moissan , eminente químico francés, intentó reproducir el proceso que se supone sigue la naturaleza para formar diamantes. La opera­ ción esencial consiste en disolver el carbono en hierro mantenido en fusión a 2760 oC. El siguiente paso, enfriar bruscamente la masa para que forme una costra sólida. Luego, cuando el interior se enfría, trata de dilatarse; pero está aprisionado por la capa externa. Por efecto de la enorme presión resultante, el carbono se separa del hierro en forma de finos granos de diamantes negros y transparentes. » H OMBRE y CABALLO. «Nuestra fotografía representa un grupo bellamente compuesto por el esqueleto de un caballo y el esqueleto de un hombre, recientemente expuestos en el Museo Americano de Historia Natural. La imagen muestra que los huesos de un hombre y un caballo son rigurosamente comparables, si bien el primero conserva más de las caracte­ rísticas primitivas comunes a todos los mamíferos, mostran­ do el caballo mayor especiali­ zación en la estructura de sus extremidades y su dentadura trituradora. »

...ciento cincuenta años A NCLAR LA ARENA. «Proceden­ tes de Holanda, se han recibi­ do en la Oficina de Patentes las semillas de junco marino (Arundo arenaría) y de hierba europea de las dunas (Elymus arenaríus) , que hace tiempo se emplean en aquel país para do­ meñar los cúmulos de arena en las costas marinas. Se han importado esas semillas para experimentarlas a lo largo de toda la costa atlántica, desde Maine hasta Florida. Los nu­ trientes que aportan esas hierbas no bastan para que valga la pena cultivarlas, pero la combinación de ambas resulta de gran utilidad, pues traban las arenas sueltas de la costa marina, alzando con ello una barrera perdurable frente a la invasión del océano sobre las costas. De hecho, Holanda debe su propia existencia, en medida conside­ rable, a la acción preservadora de las rn isrnas. » MADERA PARA LA A RMADA. «¿Cuántos árboles forman un buque? Se necesitan 2000 árboles adultos, o la cosecha madura de 18 hectáreas de bosque, para suministrar el maderaje de un solo buque de 74 cañones. .

3

! PUNTES

TELECOMUNICACIONES

Fibra en casa

N

o está siendo fácil cubrir también con fibra óptica, en vez de con cobre, esa "última milla" que separa los hogares de las líneas ópticas que forman las redes de telecomunicaciones. La capacidad de transmisión de la fibra es muchísimo mayor que la del cobre: en el laborato­ rio ya canaliza diez terabits (diez billones de bit) por segundo, y podría llegar hasta los cien terabits, mientras que una conexión de ADSL que utiliza el hilo de cobre telefónico sólo alcan­ za unos millones de bits por segundo. El inconveniente hasta ahora había sido el coste. Sin embargo, el precio de cablear con fibra una casa en las nuevas urbanizaciones ha disminuido hasta igualarse al de la instalación del hilo de cobre. Verizon Communications planea ofrecer acceso a Internet por fibra en Estados Unidos al menos a tres millones de hogares para fina­ les de 2005. Divide la señal de una línea de fibra de 620 megabits por segundo en 32 líneas de abonados, cada una de 19,38 megabits, si bien se puede elegir la recepción de un sexto de la señal, unos cien megabits por segundo. En Japón, el servicio B Flet de NTI ofrece a los domicilios conexiones por fibra de hasta 100 megabits. Sólo esta última prestación supera la de las mejores conexiones de ADSL, que descargan 25 megabits en hogares que se encuentren a menos de kilómetro y medio de un nodo de la red, e incluso 100, pero sólo cuando esa distancia no pasa de los 150 metros (en Japón se ofrecen 50 megabits por unos 30 euros al mes, con la advertencia de que esa velocidad máxima se degrada con la distancia al nodo). Los 25 megabits dan de sí para un solo canal de televisión de alta definición, varios canales ordinarios y servicios de datos y telefonía, con compresión en el caso del ADSL y sin ella en las conexiones de fibra (la televisión va por la misma fibra, pero a otra frecuencia). Sin embar­ go, más tarde o más temprano, la fibra desplazará al cobre también en las viviendas. Los cien megabits de las mejores conexiones ópticas domésticas sólo realizan una millonésima de la capacidad teórica de la fibra. -Lamont Wood

En España, en 2004, sólo un

0,8 por ciento de los accesos

de banda ancha a Internet se

realizaba mediante conexiones

de fibra óptica. Pero en algunas

partes del mundo éstas empiezan

a llegar incluso a los hogares.

EVOLUCION

Especiación en el desierto

C

uando unos organismos quedan apartados de su población original, su evolución divergirá de la que ésta pueda seguir. Esta es una de las premisas de la biogeografía. No sólo la geología crea ese tipo de aislamientos. También el clima puede ser una barrera eficaz. Lo ha demostrado el descubrimiento de dos especies de anfibios, Nigerpeton ricqlesi y Saharstega moradiensis, hasta ahora desconocida. Vivieron hace unos 250 millones de años en el norte de Níger. Guardan alguna semejanza con las sala­ mandras, aunque fueron mucho mayores, como un cocodrilo. Pero han sorprendido no por eso, sino por sus hondas diferencias con respecto a otros seres de aquellos tiempos. La unión de casi todas las ma­ sas terrestres en el supercontinente Pangea permitió a los tetrápodos difundirse por todas partes. El clima de ese período cambió: de unas condiciones en que el hielo llegaba hasta Sudáfrica se pasó a otras mu­ cho más cálidas. El centro de Pangea, donde hasta ahora se había excavado mucho menos, se volvió El Sahara tenía enterrados fósiles de un anfibio gigante, el Saharastega sequísimo. Grupos de tetrápodos quedaron aislados (recuadro), que vivió en los oasis de un desierto parecido hace 250 millones en zonas a las que ahora rodeaban desiertos. Esa de años. puede ser la razón del gran primitivismo de las dos especies recién descubiertas. Las especies más afines vivieron en Norteamérica y Europa entre 40 y 90 millones antes. Nigerpeton y Saharastega serían, pues, relictos de una radiación de la que se creía que había desaparecido mucho antes. El mismo aislamien­ to explicaría además la ausencia en los sitios de los hallazgos de los dicinodontes, reptiles con rasgos de mamífero que dominan los yacimientos fosilíferos de la época. -Kate Wong

4

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

CIENCIA NUCLEAR

Una fusión realmente fría

N

ormalmente, la fusión nuclear requiere un calor de muchos millones de grados. Existe, sin embargo, un dispositivo del tamaño de un balde que funde nú­ cleos a temperaturas inferiores a la de congelación del agua. El elemento central de la máquina en cuestión es un cristal de tantalato de litio, que genera un campo eléctrico cuando se calienta. Una aguja de tungsteno, que se conecta a la sustancia piroeléctrica enfriada por medio de nitrógeno líquido, enfoca ese campo de tal modo que cuando el cristal se calienta hasta unos -3 grados, los iones de deuterio que rodean a la aguja salen impulsados a velocidad suficiente para que se fusionen en un blanco cargado también con deuterio. Los generadores de energía por fusión piroeléctrica son una quimera: un solo ciclo de la máquina produce alrededor de 10 nanojoule, energía que apenas basta para calentar unas pocas millonésimas de grado el agua contenida en un dedal. Aun así, el proceso podría llevarnos hasta ge­ neradores de neutrones de tamaño de bolsillo, mucho más simples que los actuales, que valdrían como propulsores en astronaves de miniatura o para terapias médicas de vanguardia. -Charles Q. Choi

Luz de fusión. Un blanco de plástico de 2,5 centímetros de ancho cargado con deuterio brilla en la oscuridad cuando sobre él inciden iones de deuterio.

ETICA CIENTIFICA

Insospechada magnitud de las irregularidades científicas

E

n 2000, un organismo del gobierno estadounidense consi­ deraba actos de mala conducta científica "amañar, inven­ tar o plagiar". Las investigaciones, bastante limitadas, que se han realizado con la intención de averiguar el alcance de estos fraudes arrojan una incidencia del uno o dos por ciento. En 2002, instancias de la administración propusieron, también en Estados Unidos, un estudio más amplio que tuviese en cuenta otros tipos de prácticas reprobables, pero las instituciones cole­ giales de las áreas biológicas y médicas se negaron a llevarlo a cabo. Ahora, en junio, tres investigadores han publicado en Nature los resultados de unas encuestas anónimas remitidas a 3600 científicos que recibieron por primera vez fondos para un proyecto de investigación entre 1999 y 2001 (edad media, 44 años) y a 4160 científicos que siguieron alguna formación posdoctoral en 2000 y 2001 (edad media, 35); los casi diez mil eran perceptores de fondos de los Institutos Nacionales de la Salud, el conglomerado de centros de investigación biomédica del gobierno de Estados Unidos. Aproximadamente la mitad de la muestra aportó respuestas útiles. Sólo un 0,3 por ciento admitió

haber falsificado o plagiado, pero el 6 por ciento confesó que no había presentado datos que contradecían sus investigaciones anteriores, el 15,5 que había cambiado el diseño o los resulta­ dos de un experimento por presiones de un patrocinador y el 12,5 que había hecho la vista gorda al uso por otros de datos defectuosos. En total, la tercera parte - 38 por ciento del primer grupo, 25 del segundo- admitía haber cometido al menos una de diez irregularidades que, de ser descubiertas, seguramente le supondrían una sanción al responsable; pero además un 13,5 por ciento dice haber recurrido a diseños experimentales deficientes y un 15,3 que ha suprimido datos por una sensación "visceral". Los autores del trabajo manifiestan cuánto les han impresionado los resultados de la encuesta. El director del Centro de Bioética de la Universidad de Pennsylvania, en cambio, declara a Nature que no deben hacer pensar que la ciencia esta "corroída". Sin embargo, ¿cuál es la "robustez", como dicen los estadísticos, de la validez de un resultado científico ante las conductas dudosas que puedan intervenir en su obtención? ¿Cuántos resultados publicados y admitidos no son de verdad fiables?

FISICA

Congelación granular uando la materia, en la mayoría de sus formas, se calienta, se vuelve más fluida. Pero las masas granulosas parecen una excepción. Bob Behringer y Karen Daniels, de la Universidad Duke, llenaron de canicas de plástico una tolva cilíndrica y cerrada. En reposo, parecían un sólido cristalino, como el hielo. Cuando se las cizallaba girando la parte superior del recipiente, la energía que se les cedía así "fundía" el cristal hasta un estado más amorfo y fluido, como era de esperar. Pero al inyectar más energía mediante vibraciones de la tolva, ocurría algo extraño: se "recongelaban". Un golpeteo intenso torna las canicas momentáneamen­ te ingrávidas, lo que les permite apretarse más unas a otras, según la hipótesis con que ambos investigadores quieren explicar el fenómeno. El resultado contradice la razón por la que se usan alimentadores vibratorios en el procesamiento de polvos y granulados, a saber, que la agitación favorece la fluidez de los granos. - J. R. Minkel

C

f:s

u

::>

Q z a: z z

-c -c

Las canicas sometidas a vibración muestran un comportamiento a primera vista paradójico.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

5

-c ¡¡; al

DIMORFISMO SEXUAL

El cerebro del varón difiere del cerebro de la mujer en organización y actividad. La investigación de las variaciones observadas podría llevar a un tratamiento de patologías mentales específico para cada sexo 6

E

n un día gris, a medi ado s de en ero, Lawrence Summers , rector de la Univers idad de Harvard, dej ó caer que entre las cau sas de la escasez de muj ere s dedi cad as a las ciencias podrían co ntarse unas difer encias innata s en la co nstitución de los cerebros masculino y femenino. Esas declaraciones atizaron el fuego de un debate que lleva hum eando desde hace un sig lo, desde que algunos medidores del cer ebr o humano se valiero n de uno de los resultados qu e habían obtenido, que el tam año medio del cerebro de las mujeres es me­ nor que el de los hombres, para ratificar la superioridad intelectual de éstos . Nadie, hasta la fecha, ha descubiert o pru eba alguna de que la muj er, por sus peculiaridade s anatómicas, sea incapaz de alca nzar la excelencia en mat emáticas, física

INVESTIGACi ÓN y CIENCI A, julio. 2005

LOS AGUJEROS NEGROS ASTROFISICOS son, se cree, los cadáveres de estrellas de masa elevada que se derrumbaron bajo su propio peso. A medida que otra materia cae en ellos, liberan energía potencial gravitatoria, como si fuesen plantas hidroeléctricas cósmicas. Se trata de la única fuente de ener­ gía que explica los intensos rayos X y chorros gaseosos que surgen de distintas estructuras celestes, por ejemplo el sistema este lar binario de rayos X represen tado aquí.

co lapso porque las fuerzas repulsivas cuá nticas entre las p artículas suba­ tómic as lo es ta bilizarían. Las estre­ llas m ás ligeras qu e podrían llegar a convertirse en ag ujero negro cue nta n co n un as se is masas so lares . Si n e mbargo, el cola pso estelar no es la única man era e n qu e se crean ag ujeros. A principios de los años se te nt a, S tephen W. Hawking, de la U n ivers idad de Cambr idge, y un o de los autores (Carr) investigaron un

LAS MASAS DE LOS AGUJEROS NEGROS MICROSCO­ PICOS llegan hasta la de un asteroide. Quizá los colapsos gravitatorios de la materia produjeron al principio de la gran explosión objetos de ese tipo. Si el espacio tiene dimensio­ nes extra no observadas , podrían crearse también en las colisiones de partículas energéticas del universo actual. En vez de engullir materia, emitirían radiación y se desintegra­ rían enseguida.

mecanismo para ge nerar ag ujeros e n el universo primitivo, ag ujeros ne­ gros "primordiales". A m edid a qu e el espacio se expande, la de nsi dad medi a de materia dis mi nuye . Fue, pues, mu ch o m ás alta en e l pasado, hasta el p un to de qu e excedió de los nivel es nu cl eares du ran te e l pr imer mi crosegundo tras la gran explosión (big bang) . Las leyes co nocidas de la fís ica per mi ten un a de nsidad de m ateri a de h asta 10 97 kilogramos po r

• Los agujeros negros no tienen por qué ser monstruos enormes, vora­ ces. De las teo ría s fís icas fundamentales se sigue que los hay de los tamaños más diversos, incluso menores que las partículas subatómicas. Los efectos cuánticos destruirían enseguida los agujeros minúscu los; los más pequeños estallarían e n cuanto se formaran . • Podría habe r agujeros negros pequeños, residuos de las primeras eta­ pas de la gran explosión , cuyo estallido ocurrir ía en el universo actual. Los instrumentos astronómicos lo observar ían en algún caso. • Los teó ricos han propuesto recientemente qu e cie rtas co lisiones ge ­ nerarían en el universo actual agu jeros negros pequeños, incluso e n la Tierra. Se creía que las energías indispensables e ran demasiado altas, pero si el espacio tiene dimensiones extra con las características adecuadas, el umbral de energía para la producción de agu jeros ne­ gros será mucho más bajo de lo que se suponía. En tal caso, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN generará aguj e ros negros como los que ya se habrían estado creando en las colisiones de los rayos cósmicos e n la alta atmósfera. Los aguje ros perm itirían estud iar las dimensiones adicionales del espacio.

18

m e tro cúbico, o de nsidad de Planc k, la densidad a la c ual la fuerza de la gravedad llegaría a ser tan int ensa, que las fluc tuacio nes mecán ico-cu án­ ticas ro mperían el tejido del es pacio ­ tiempo y c rearía n ag ujeros negr os de só lo 10-35 m etros (o lon gi tud de Pla nck) co n un a m asa de 10- 8 kil o­ gramos (o m asa de Planck) . No pu ede hab er un ag ujero negro más ligero q ue ése, según las for­ mu laciones o rdi narias de la grave­ dad . Pesa mu ch ísimo m ás que un a pa rtícula ele me ntal, co n un ta maño muc hís imo men or. A medida qu e iba dis mi nuyendo la densidad cósm ica se irían for ma ndo ag ujeros negros primordiales cada vez m ás pesados. C ualq uiera más ligero q ue 10 12 kilo­ gramos todavía sería men or qu e un protó n, pero m ás allá de esa masa los ag ujeros ten drían ta maños prop ios de los objetos que nos so n fa m iliares . Los que se formaron durante la época en que la de nsi da d cósm ica co inc id ía co n la de ns idad nuclear tendrían un a masa comparable co n la del Sol y serían, por lo tanto, m acr oscó picos. Las altas de ns idades del uni verso prim itivo eran necesari as pa ra la fo r­ m ació n de ag ujeros negro s pr imor­ di ales, pero no suficientes . Pa ra que un a reg ió n dej ara de expand irse y se

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

convirtiese en un agujero negro tenía que ser más densa que el promedio; es decir, se requerían también fluc­ tuaciones de densidad. Se sabe que tales fluctua ciones existiero n, por lo menos a esca las gra ndes, pues de lo contra rio nunca se habr ían en­ samblado las galaxias y los cúmulos de galaxias . Para que se formara n aguje ros negros primordiales, estas fluctuaciones tuvieron que ser más intensas a las escalas pequ eñas que a las grandes, lo que es posible pero no inevitable. Incluso sin fluctuacio­ nes podrían haberse crea do agujeros espontáneamente, en varias transi­ ciones de fase cos mológ icas; por eje mplo, cuando el universo termin ó su período primitivo de expansión acelerada, o inflación, o en la épo­ ca de densidad nuclear, cuando se condensaron los protones en la sopa de sus quarks constituyentes. Por lo que se refiere a todas estas posibles vías de construcción de agujeros, una condición rigurosa han de cumplir los modelos del universo primiti vo: al fin y al cabo, no fue tanta la cantidad de materia que terminó dent ro de agujeros negros primordiales.

más y más deprisa . Cuando llega a una masa de unos 106 kilogramos, el juego se ha aca bado: al cabo de un segundo, estalla con la energía de una bomba nuclear de un millón de megatones. El tiempo total para que un agujero negro se evapore es pro­ porcional al cubo de su masa inicial. Para un agujero de masa solar, ese tiempo de vida es de 1064 años, una inmensidad inobservable. Para uno de 10 12 kilogramos, es de 10 10 años, aproximadamente la actual edad del universo. Por lo tanto, cualquier agu­ jero negro primordial de dicha masa estaría terminando su evaporación y estallando ahora. Cualesquiera más pequeños, se habrían evaporado en una época cosmológica anterior. El tra bajo de Hawki ng sup uso un enorme avance concep tual por­ que relacionó tres áreas de la física hasta entonces dispares: la relativi­

ASI PUEDE CREARSE UN MINIAGUJERO NEGRO

FLUCTUACIONES PRIMORDIA· LES DE DENSIDAD Al comienzo de la historia de nuestro universo, el espacio estaba lleno de un plasma caliente y denso. La densidad variaba de un lugar a otro; donde la densidad relativa era suficientemente alta, el plasma pudo transformarse, tras su colapso gravitatorio, en un agujero negro.

La evaporación El haber comprendid o que los agu­ jeros podían ser pequeños alentó a Hawking a considerar qué efec tos cuánticos les afectarían. En 1974 lle­ gó a su famosa conclusión de que los agujero s negros no sólo tragan partículas, sino que tambi én las es­ cupen hacia el exterior [v éase "La mecánica cuánti ca de los agujeros negros", por S. W. Hawking; INVES­ TIGACIÓN Y CIENCIA, marzo, 1977]. Hawking predijo que un agujero radia térmicam ente como un carbón calien­ te, con una temperatura inversamente proporcional a su masa. Para un agu­ jero de masa solar, esa temperatura es de alrededor de una millonésima de kelvin, totalmente insignificante en el universo de hoy. Mas para un agujero negro de 10 12 kilogramos, la masa de una montaña, es de 10 12 kelvin, que le permiti ría emitir partículas sin masa (fotones) y partículas con masa (electrones y positrones). Como la emisión se lleva energía, la masa del agujero tiende a dismi­ nuir ; de ahí la inestabilid ad de un agujero negro. Mientras se contrae, se va calentando, emite partículas cada vez más e nergé ticas y se contrae

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

dad general, la teoría cuántica y la termodinámica. Fue tam bién un paso hacia una teoría cuántica comp leta de la gravedad. Quizá nunca hubo agujeros negros primordiales; sin em­ bargo, reflexionar sobre ellos condujo a notables resultados físicos . Incluso estudiar algo que quizá ni siquiera existe puede resultar provec hoso. En particular, el desc ubri miento planteó una profunda paradoja, que apunta a la razó n funda mental de que cueste tanto reconciliar la relati­ vidad general y la mecá nica cuántica. Segú n la teoría de la relatividad, la información sobre lo que cae en un agujero negro se pierde para siempre. Pero si el agujero se evapora, ¿qué sucede con la información que contie­ ne en su interior? Hawki ng pensaba que los agujeros negros se evapo ran totalmente y destruyen la informa­ ción, en contradicción con los prin-

COLISIONES DE RAYOS

COSMICOS

Los rayos cósmicos -partículas muy energéticas provenientes de fuentes celestes- formarían agujeros negros en la atmós­ fera terrestre que, al explotar, emitirían un chorro de radiación y de partículas secundarias detectable en tierra.

,

....._-_....

.

' Detector

Detector

ACELERADOR DE PARTICULAS Un acelerador de gran energía, el LHC en concreto, estrellaría una partícula contra otra a una energía tal, que experimentarían un colapso gravitatorio y crearían un agujero negro. Los detec­ tores detectarían su inmediata desintegración.

19

cipios de la mecamc a cuántica. La destrucción de la inform ación choca con la ley de la conservación de la energía, de ahí que este panorama resulte difícil de aceptar. Una alternativa, que los agujeros negros dejen remanentes, repele igual­ ment e. Para que es tos remanentes codificasen toda la información que hubiese podido entrar en el agujero negro , tendrían que aparecer en una variedad infinita de tipos. Las leyes de la física predicen que el ritmo de produ cción de una part ícul a es proporcional al número de tipos de dicha partícula . Por lo tanto, los re­ manentes de los agujeros negros se produci rían a un ritmo infinito; in­ cluso procesos físicos diarios, como encender un horno de micr oondas, los generarían. La naturaleza sufri­ ría una inestabilidad catastrófica. Hay una tercera posibilid ad: que falle el principi o de localidad , según el cual los acontecimientos que ocurren en puntos espacialmente separados se influyen entre sí sólo después de que la luz haya tenido tiempo para viajar entre ellos. Los teóricos siguen sin en­

20

contrar la respuesta [v éase "Compu­ tación en agujeros negros", por Seth Lloyd e Y. Jack Ng; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, enero de 2005].

La búsqueda El progreso de la física requiere por lo genera l una cierta guía experi­ mental. Las pregunta s que plant ean los agujeros negros micro scópic os motivan su busca empírica. Cabría la posibilidad de que los astrónomos lograran det ectar agujeros negros primordiales, dotados de una masa inici al de 10 12 kilogramos estallaran en el universo actual. La mayor par­ te de la masa de estos aguje ros se convertiría en rayos gamma. En 1976 Hawking y Don Page, por entonces en el Instituto de Tecnología de Ca­ lifornia, argumentaron que las obser­ vaciones del fondo de rayos gamma ponen límites superiores rigurosos al número de tales agujeros. No cons­ tituir ían una proporción significativa de la materi a oscura del universo y sus explosiones rara vez sucedería n tan cerca como para que pudiésemos detectarlas. Sin embargo, a mitad de

los años noventa David Cline, de la Universidad de California en Los An­ geles, y sus colabora dores sugiriero n que las erupciones de rayos gamma más cortas que se detectan en los cie­ los podrían atribuirse al estallido de agujeros negros primordiales. Aun­ que se piensa que las erupciones más largas está n asociadas a explosiones o fusio nes de estrellas, los sucesos cortos podrían tener otra explicación. Las obse rvac iones futu ras deberán resolver la cuestión. Sin embargo, la posibilid ad de que las observaciones astronómicas capte n las etapas finales de la evapor ación de los agujeros negros resulta atrac tiva. La producción de agujeros negros por los aceleradores de partículas es una posibilid ad aún más apas io­ nante. Cuando se trata de producir altas densidades, ningún dispositivo aventaja a los mayores aceleradores, el LHC y el Tevatrón del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, cerca de Chicago . Estas máquinas aceleran partículas subatómicas, como los pro­ tones, a velocidades muy cerca nas a la de la luz. Las partículas adquieren INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

energías cinéticas enormes . El LHC impartirá a los protones energías de alrededo r de sie te terae lectro nvolt (TeY). Seg ún la famosa ecuación de Einstein E = meé, esta energía equi­ vale a una masa de 10- 23 kilogra mos, unas 7000 veces la masa en reposo del protón . Cuando dos partículas chocan en esas condiciones frontal­ mente, su energía se concentra en una región minú scula del espacio. Cabe imaginar que, de vez en cuando, las partículas que choquen se acercarán tanto que formen un agujero negro. Así expues to, el argumento adole­ ce del siguiente problema: una masa de 10- 23 kil ogramos cae lej os del valor de Planck de 10- 8 kilogra mos que, según la teoría ordinaria de la gravedad, carac ter iza al agujero más ligero posibl e. Este límite inferi or surge del principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Debido a que las partíc ulas también se com­ portan como ondas , se difuminan a lo largo de una distancia que disminuye con el aum ento de la energía: a las energías del LHC, unos 10- 19 metros, la región más pequeña, pues, en que INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

julio, 2005

se puede empaquetar la energía de una partícula. Corres ponde a una den­ sidad de 10 34 kilogramos por metro cúbico, alta aunqu e insuficiente para crea r un agujero . Para que una partí­ cula resultase a la vez tan energética y tan compacta como para crear un ag uje ro negro, debería tener la masa de Planck, 1015 veces más allá de la ene rgía del LHC. Los aceleradores pod rían quizá producir obje tos ma­ temátic amente relacionados con los ag ujeros negros (y, seg ún algunos teóricos, ya lo han hecho), pero los verdaderos agujeros quedarían fuera de su alcance.

Las otras dimensiones No obstante, a lo largo de los últi­ mos años se ha ido viendo que el valor que se le atribuye a la densidad planckiana quizá peque de excesi­ vo. La teoría de cuerdas, una de las principales competidoras en la pugna por obtener una teoría cuántica de la graveda d, predice que el espacio tiene más dimensiones que las tres usu ales. La gravedad, al co ntrario que otras fuerzas, se propagaría por

estas dim ensiones y, en consecuen­ cia, aumentaría inesperadamente de intensidad a distancia s cortas. En tres dimensiones, la fuerza de la gravedad se cuadruplica cuando se divide por dos la distanci a entre un par de ob­ jetos; en nueve, se multiplicaría por 256. Este efec to adquiriría relevancia especial si las dimensiones extra del espacio fuesen grandes. Se ha investi­ gado a fondo esta posibil idad en años recientes [ véase "N uevas dimensio­ nes para otros universos", por Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali; INVESTIGACIÓN y CIEN­ CIA, octubre 2000]. Hay también otras configuracio nes de las dimensiones adicionales, las "co mpactaciones cur­ vadas" , que, con el mismo efec to de magnificar la gravedad, parecen aún más probables, al menos si la teoría de cuerdas es correcta. Este vigoroso cre cimiento de la fuerza de la gravedad significa que la verdadera escala de energía en la que las leyes de la gravedad y la me­ cánica cuántica chocan -y se forman agujeros negros- quedaría muy por debajo de su valor tradicional. Aun­

21

ES DIFICIL FABRICAR AGUJEROS

¿Cuánto hay que comprimir un pedazo de materia para que se convierta en un agujero negro? A mayor ligereza del cuerpo, mayor compresión se requerirá para que su gravedad alcance una intensidad tal, que lo convierta en un agujero. Los planetas o un cuerpo humano están más lejos del límite de compresión que las estrellas (gráfico). La naturaleza ondulator ia de la materia resiste la compresión; las partículas no se pueden comprimir en una región menor que su longitud de onda característica (diagrama); ningún agujero podría pesar menos de 10- 8 ki­ logramos. Pero si el espacio tiene dimensiones adicionales, la gravedad sería intrínsecamente más intensa a distancias cortas y no tendría que comprimirse tanto el objeto. Esta posibilidad mantiene vivas las esperanzas de fabricar aguje­ ros negros en un futuro próximo.

Agujero negros u maSiVO yer Sol

Protón Cuerpo Ti~ra •

Agujero negro humano Agujero negro

de un acelerador • estelar Agujero negro primordial eo,-q en evaporación . ~~ eo, u'eros negros e~ unespaCIO 00, e~i,'o~ Ag I de9 dimenslon~ _ - e~.§:'e~ --------

Agujero neQ'0 dePlanck Prohibido estandar por la mecánica cuántica

&~ ~

~~~ l:;e~

~<8

Prohibido por la teoría de la relatividad

10-35,-L-----.--.--------"l~~~~-___.-----__.-___,-_____7 10- 2710- 23

10- 8

10 12

Masa (kilogramos)

que ningún indicio experimental apo­ ya esta posibilidad por el momento, la idea aporta luz sobre numerosos enigmas teóricos. Y si fuera verdad, la densidad requerida para crear agu­ jeros negros se hallaría al alcance del LHC. El estudio teórico de la producción de agujeros negros en colisiones de alta energía se remonta a los trabajos de Roger Penrose, de la Universidad de Oxford, a mitad de los añosa seten­ ta, y de Peter D'Eath y Philip Norbert Payne, ambos entonces en Cambrid­ ge, a principios de los noventa. La

22

ulterior hipótesis de las dimensiones adicionales grandes dio nueva vida a estas investigaciones y movió a Tom Banks, de la Universidad de Califor­ nia en Santa Cruz y de la Universidad Rutgers, y a Willy Fischler, de la Uni­ versidad de Texas, a efect uar un aná­ lisis prelimin ar en 1999. En un se minario del año 200 1, uno de nosotros (Giddings) y Scott Thomas, de la Universidad de Stan­ ford, por una parte, y por otra Savas Di mopoulos, de Stanfo rd, y Greg Landsberg, de la Universidad Brown, describieron qué se observaría en un

colisionador de partícula s del esti­ lo del LHC. Tras algunos cálculos,

quedamos asombrados. A grandes rasgos, en las circunstancias más optimistas, corres pondientes al va­ lor admisible de la esca la de Planck que la aleja menos de la nuestra, los aguje ros negros se produ cirían a un ritmo de uno por segundo. Cuando un ace lera dor ge nera partícula s a este ritmo se le llama "fábrica" ; el LHC sería una fábrica de agujeros negros. La evaporación de esos aguje ros dejaría en los detectores señales muy reconocibles. Las colisiones típic as producen una cantidad discreta de part ículas de alta energía, mientr as que un aguje ro negro que se desin­ tegrase radiaría un gran número de partículas en todas direcciones con energías muy alta s, según se des­ prende de los cálcul os de Hawking. Los productos de la desintegración incluirían todas las especies de par­ tículas de la natural eza. Varios gru­ pos han reali zad o investi gacione s porm enori zadas de las señales que los aguje ros negros dejarán en los detectores del LHC.

Lluvia de agujeros negros La perspectiva de crear agujeros ne­ gros en la Tierra parecerá a algunos una locura. ¿Có mo sabemos que en vez de desintegrarse, como Hawking predijo, no seguirían creciendo, hasta consumir el planeta entero? A prime­ ra vista, hay razones para preocupar­ se, sobre todo si se tiene en cuenta que algunos detall es del argumento original de Hawking quizá sean in­ correctos, en especial la afirmación de que la inform ación se destru ye en los agujeros negros. Pero el ra­ zonamiento cuántico general implica que los agujeros negros micro scópi ­ cos no sería n estables ; resultarí an, pues, seguros. Las concentraciones de masa y energía, así una partícul a elemental, son es tables sólo si una ley de conservación prohíbe su de­ sintegración; entre esas leyes figuran la de la conservación de la carga eléctrica y la del número bariónic o (que, a menos que se viole de una u otra manera, aseg ura la estabili­ dad de los protones). No hay una ley de conservac ión que estabilice un aguj ero negro pequ eño. En la teoría cuántica, todo lo que no se prohíbe expresa mente es obligatorio.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

el

z Z z w a:

"' -c Z

~

Z

ox

e z

oo

Universo paralelo

Por tanto, lo s aguje ros negr os peque­ ños se de sintegrarían rápidament e, de acuerd o con la seg unda ley de la termodinámic a. Un argumento empírico corrobora que las fábricas de agujeros negros no plantearían ningún peli gro. Coli­ siones de alta energía como las del LHC ya han ocurrido: en el universo primitivo e, inclu so, ahora , cuando inciden en la atmósfera rayo s cósmi ­ cos de energía suficientemente alta. De manera que si las co lisiones a las energías del LHC pueden crear agujeros negros, la naturaleza ya los habrá estad o produci endo inofensiva­ mente ju sto sobre nuestra s cab eza s. Según las primeras estimaciones de Giddings y Thomas, los rayos cós­ mico s más energétic os - protones, o núcleos atómicos más pesad os, con energías de hasta 109 TeV- gene­ rarían hasta cien aguj eros negro s en la atmós fera al año. Además, Giddin s y Thomas - jun­ to con Dav id Dorfan, de la Univer­ sidad de Cali forni a en Santa Cruz, y Tom Rizzo, del Acelerador Lineal de Stanford , y, por otra parte, 10­ nathan L. Feng, de la Universidad de California en Irvine, y Alfred D. Shap ere, de la Universidad de Ken­ tuck y- han descubi erto qu e las co­ lisione s de neutrinos cósmicos qui zá produ zcan aún más agujeros. Si es así, el nuevo observatorio de rayos cós micos A uger, en Argentina, con­ sagrado a la recogida de dato s, y el reno vado observatori o Fly 's Eye, en Utah, captarían hasta varios agujeros al año. Estas observac iones, sin em­ bargo, no evitarían la necesidad de exp eriment os en acel eradores, qu e generarían agujeros de man era más fiable, en mayor número y bajo cir­ cunstancias más contro ladas. La producción de aguje ros negros abriría toda una nueva front era de la física. Su mera presenci a ofrecería una prueba positiva de las dimensio­ nes ocultas del espacio; observando

INVESTIGACiÓNy CIENCIA, julio, 2005

AGUJEROS NEGROS DE DIVERSOS TAMAÑOS son­ dearían dimensiones adicionales; sin ese medio, nos resultarían inaccesibles. Como la gravedad se extiende en esas dimensiones, también lo hacen los agujeros negros. Cabría variar su tamaño ajustando los acelera­ dores de partículas a diversas energías. Si un agujero intersecciona un universo paralelo, se desintegrará antes y parecerá que libera menos energía (porque parte de la energía la absorberá ese otro universo).

las propi edades de los aguje ros, se explorarían las características geográ­ ficas de las dimen siones. A medid a qu e los aceleradores fabricaran agu­ jero s negros de masa crec iente, éstos explorarían más allá en las dimen­ siones extra y llegarían a tamaños comparables a los de una o más de ellas; ello conduciría a un cambio di stin tivo en la dependencia de la temp eratura del ag ujero con la masa. Asimismo, si un aguje ro negro crec ie­ se tanto que entra ra en intersección co n un universo tridimensional para­ lelo en las dimen siones adicional es, sus carac terís ticas de desint egraci ón cambiarían repentinam ente. La produ cción de agujeros negros en aceleradores repr esentaría ta m­ bién el final de uno de los empeños histórico s de la humanidad: llegar a con ocer la materia a esca las cada vez más finas. A lo largo de los últimos cien años, la frontera de lo más pe­

queño se ha desplazado de las motas de polvo a los átomos, de éstos a los protones y a los neutrones y, por úl­ tim o a los quarks. Si se crease n agu ­ jeros negro s en los ace leradores, se habría alc anzado la escala de Planck, la longitud significativa más corta, la dista ncia limitado ra por debaj o de la cual las nociones de espacio y longi tud dejan de tener se ntido. Cualquier tentativa de investigar la posibl e existencia de distanci as me­ nores mediante co lisio nes de alt a energía dar ía lugar, sin remedio , a más aguje ros negro s. Las colisiones de alta energía, en vez de romp er la materia en peda zos más finos, sólo generar ían aguje ros negros mayores. La generació n de agujeros negros , por lo tant o, cerraría una frontera de la cien cia . Aparece ría, eso sí, una nueva fro ntera, la de la explorac ión de la geografía de las dimen siones extra de l espacio.

Los autores Bernard J. Carr y Steven B. Giddings se conocieron en el congreso Que, en 2002, celebraba el sexagésimo aniversario de Stephen W. Hawking. Carr enseña en el Cole­ gio Queen Mary de la Universidad de landres. Giddings es profesor de la Universidad de California en Santa Bárbara .

Bibliografía complementaria BlACK HOlES ANO TIME WARPS: EINSTEIN'S OUTRAGEOUS l EG ACY. Kip S. Thorne. W. W. Nor­ ton, 1995. HIGH ENERGY COlLlDERS AS BlACK HOlE FACTORIES: THE ENO OF SHORT OISTANCE PHYSICS. Steven B. Giddings y Scott Thomas en PhysicalReview D, vol. 65, trabajo N.O056010; 2002. Disponible en arxiv.orglabs/hep·ph/0106219 BlACK HOlES AT THE lHC. Savas Oimopoulos y Greg landsberg en Physical Review Let­ ters, vol. 87, trabajo N.O 161602; 2001 . hep·ph/0106295 BlACK HOlES FROM COSMICRAYS: PROBES OF EXTRA OIMENSIONS AN ONEWlI MITS ON TEV-SCAlE GRAVITY. luis A. Anchcrdoqui. Jonathan lo Feng, Haim Goldberg y Alfred O. Shapere en Physical Review D, vol. 65, trabajo N.O 124027; 2002. hep-ph10112247 Bl ACK HOlES AT ACCElER ATORS. Steve Giddings en The Future of Theoretical Physics and Cosmology. Dirig ido por G. W. Gibbons, E.P.S. Shellard y S. J. Rankin. Cambridge University Press, 2003. hep-th/0205027 PRI MORDIAL Bl ACK HOlES. Bernard Carro Ibid. Trabajo parec ido disponible en astro-phI 0310838

23

es

24

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Mediante microcircuitos compactos que remedan la estructura neuronal del cerebro podrían fabricarse retinas de silicio que restituyan la visión, ojos robotizados y otros sensores inteligentes Kwabena Boahen

uando el superordenador Deep Blue de IBM derrotó al campeó n mundial de aje drez Gary Kasparov en una célebre partida disp utada en 1997, lo hizo por pur a superiori ­ dad física: la máquina evaluaba en un segundo unos 200 millones de jugadas posibles, mientras que su contrincante - de carne y hueso- analiza ba tres, cuando más. Pese a esa victoria, los ordenadores no pueden competir con el cerebro humano en visión, audición, reconocimiento de patrones y aprendizaje. Por eje mplo, un orde nador no es capaz, como nosotros, de reconocer un amigo a lo lejos sólo por su forma de andar. Y en cuanto a eficacia operativa, no existe comparac ión posible: un superordenador estándar (de los que ocu­ pan una sala entera) pesa 1000 veces más, ocupa un espacio 10.000 veces mayor y consume un millón de veces más energía que la masa de tejido nervioso, del tamaño de un melón francés, que constituye el cerebro humano. ¿Cómo se las arreg la el cerebro, que transmite señales químicas entre neuronas con relativa lentitud (en milésimas de segundo), para desempeñar algunas tareas con mayor rapidez y eficacia que los procesadores digitales más potentes? La clave se encuentra en la forma que tiene el propio cerebro de organizar sus componentes eléctricos de actuac ión lenta. El cerebro no ejecuta instrucciones codificadas, sino que activa conexiones, o sinaps is, entre neuronas. Cada una de estas activacio nes equivale a la ejecución de una instrucción digital: se puede entonces compara r el número de conexio nes que el cerebro activa en un segundo con el de instrucciones procesadas por un ordenador en ese mismo tiempo. Para igualar la asombrosa actividad sináptica (10 16 conexiones neuronales por segundo), se necesitaría un millón de ordenadores con procesador Pentium de Intel - y centenares de megawatt para alimentarlos . Se están logrando progresos notables en la copia de la organizació n y función de las neuronas. Se ha reproducido en silicio la "morfoestructura" de las conexiones neur onales, crea ndo así micro­ circuitos (chips) neuromórficos. En un futuro, podrían fabricarse retinas de silicio para invidentes y procesadores de sonido para sordos, capaces de durar treinta años con una sola batería de nueve volt, así como chips de alta eficacia y bajo coste para el reconocimiento visual, acústico u olfativo para robots y otras máquin as inteligentes. En nuestro equipo de la Universidad de Pennsylvania, empezamos por construir una réplica en silicio de la retina, esa lámina de tejido de medio milím etro de espeso r que tapiza el fondo del ojo . Con sus cinco capas espec ializadas de neuro nas, la retina "preprocesa" las imágenes visuales recibidas para extraer información útil sin exigir un gran esfuerzo al cere bro. Elegimos la retina por tratarse de un sistema sensorial harto conocido, sobre todo su anatomía. El siguiente paso consistió en reproducir el meca nismo que configura el desarrollo de esos circuito s biológicos; a ese proceso le llamamos metamórfico.

Neuromorfismo de la retina Las células ganglionares de la retina -cercanas al millón- comparan las señales visuales recibidas de fotorreceptores, reunidos en grupos que van desde la media doce na hasta varios cientos: cada grupo interpreta lo que sucede en una pequeña porció n del campo visual. A medida que en un sector deter minado camb ia la intensidad luminosa u otra carac terística de la imagen, cada célula ganglionar transmite impul sos eléctr icos ("espigas") al cere bro a través del nervio óptico. La exci­ tación es proporcional al cambio relativo de la intensidad luminosa en el espacio o en el tiempo, no al nivel absoluto de intensidad que recibe. Así, la sensibilidad de la neurona mengua según crece la intensidad de la luz, a fin de acomodarse, por ejemplo, a una luminosidad que desde el alba hasta el mediodía aumenta en cinco órdenes de magnitud. Misha Mahowa ld, biólogo, y Carver Mead, experto en microelectrónica, dieron en el Instituto de Tecnología de California (Caltec h) los primeros pasos para repro ducir la retina en soporte de 1. UNA RETINA IMPLANTABLE DE SILICIO (idealizada aqu í por el artista) podría emular la función natural del ojo, restituyendo la visión a pacientes que sufran ciertos tipos de ceguera .

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

25

2. LA RETINA DE SILICIO detecta los movimientos de cabeza laterales del investigador. Los cuatro tipos de células ganglio· nares de silicio del chip Visio1 emulan la capacidad de las células retinianas reales para preprocesar la información visual sin exigir prolijas computaciones. Una clase de células respon­ de a las zonas oscuras (rojo), mientras que otras reaccionan a las luminosas (verde) . Un conjunto distinto de células sigue los bordes anteriores de los objetos (amarillol y los posteriores lazuf). Las imágenes en escala de grises, generadas por decodificación de estos mensajes, muestran lo que vería una persona ciega con implante de ret ina neuromórfica.

silicio . El resultado de este trabajo pionero: una réplica electró nica de las tres primeras capas de la retina [ véase "La reti na de silicio", por Misha A. Madowald y Carve r Mead; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, julio de 1991]. Otros investigadores -algunos de los cuales, como el propio autor, pasaron por el laboratorio de Mead en el Cal­ tech- han reprod ucido las siguientes etapas del sistema visual, así como del sistema auditivo. En 2001, cuando

• Los ordenadores realizan miles de millones de operaciones por segundo. Pero no pueden compe­ tir con las personas en reconocimiento de figuras o procesamiento visual. El cerebro humano es millones de veces superior también en rendimiento energético y mucho más compacto que un ordena­ dor personal. • Los microcircuitos neuromórficos, inspirados en la estructura neuronal , ofrecen un notable ahorro energético. Su eficiencia podría permitir el desarro­ llo de retinas artificiales aptas para implantarse en personas que sufren ciertos tipos de ceguera, así como sensores electrónicos de mejor calidad. • Los chips neuromórficos podrían llegar algún día a remedar los mecanismos de crecimiento autorre­ guiado que el cerebro utiliza para desarrollar su asombrosa gama de funciones.

26

realizaba el docto rado en mi laboratorio, Kareem Zag h­ loul construyó réplicas de las cinco cap as de la retina ; ello perm itió emular los mensajes visua les que envían al cerebro las células ganglionares, las neuronas de salida de la retin a. Su retina de silicio, el chip Visio 1, reproduce las respuestas de los cuatro tipos principales de células ganglionares, que forman el nervio óptico y en conj unto constituyen el 90 por ciento del mismo. Zaghloul representó la actividad eléctrica de cada neu­ rona en los circuitos oculares mediante un voltaje de salida individual. Dicho voltaje contro la la corriente con­ ducida por los transistores que conectan un determinado punto del circuito con los demás puntos, mimetizando la forma en que el cuerpo modula las respuestas de las sinapsis nerviosas. La luz detectada por los fotosensores electrónicos afecta al voltaje en ese punto del circuito de forma análoga al influjo ejercido sobre una célula corres­ pondiente de la retina real. Embaldosa ndo su chip con copias de este circuito básico, Zaghloul logró reproducir la actividad de las cinco capas celulares de la retina. El chip emula el modo en que los canales iónicos , activados por voltajes, provocan en las células ganglio­ nares -yen las neur onas del resto del cerebro- la descarga de espigas . Para conseguirlo, Zaghloul instaló transistores que realim entan corriente al mismo punt o del circuito. Al recib irse esta corriente realiment ada, el voltaje vuelve a crecer, lo que a su vez atrae más corr iente y aumenta la amplificació n. Una vez alcanzado cier to nivel inicial, se acelera el efec to regenerador; éste eleva el voltaje hasta su nivel máximo, provoca ndo la descarga de una espiga. A 60 miliwatt, el chip neuromórfico de Zaghloul con­ sume 1000 veces menos energía que un ordenador perso­ nal. Dado su bajo consumo, esta retina de silicio podría servir de base a una pró tesis enteramen te intraocular, con cámara, procesador y es timulador implantados dentro del ojo de un invidente afectado por retiniti s pigmentosa o degeneración macular, afecc iones ambas que dañan los fotorreceptores, pero respetan las células ganglionares. Las prótesis retini anas en desarrollo (en la Universidad de California del Sur, por ejemplo) proporcionan el tipo de sensac ión visual llamada fosfe no: la realidad se per­ cibe como una retíc ula de puntos lumi nosos, evocada al estim ular las células ganglionares con microelectrodos implantados en el interior del ojo. Requieren llevar encima un ordena dor para procesar las imáge nes captadas por una videocá mara suje ta a las gafas del paciente. Dada la pequ eñez de la red de microelect rodos (menos de 10 por 10 píxeles), el paciente experi menta una visión túnel que le obliga a mover la cabeza para explorar la esce na. Ese problema desaparecería si se utili zara el propio ojo como cámara; además, las salidas de las 3600 células gangliona res de nuestro chip deberían proporcionar una visión cuasinormal. Habrá, sin embargo, que refinar los materiales de encapsulado biocompatibles y las interfa­ ces de simulación para conseguir una prótesis de alta fidelidad, tal vez hacia el 20 10. Asimismo, será preciso lograr una mayor comprensión de có mo los diversos tipos de células retinia nas responden a los estímulos y la manera de contribuir éstas a la percepción. Entre tanto, los chips neuromórficos hallarían aplicació n como

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

EXPERTOS EN ElECTRONICA NEUROMORFICA Mediante microchips que remedan la estructura del cerebro, se pretende cerrar la brecha que separa los sensores e lectrónicos de las redes neuronales humanas . Estos t ra baj o s se centran en sistemas de pequeños sen sores su sceptibles de implantarse en el cuerpo o ins ta la rs e en robots.

INSTITUCION

INVESTIGADORES

PROYECTOS

Universidad Johns Hopkins

Andreas Andreou, Gert Cauwenbergh s, Ralph Etienne-Cummings

Recono cedor de voz alimentado por batería, generador de cadencia para locomoción y cámara que extrae las particularidades de un objeto

ETH Zúrich (Universidad de Zúrich)

Tobi Delbruck, Shi-Chii Liu, Giacomo Indiveri

Retina de silicio y chip de atención que selecciona automáticamente las regiones dominantes de una escena visual

Universidad de Edimburgo

Alan Murray, Alister Hamilton

Nariz artificial y reconocimiento automático de olores basado en la distribución temporal de los impulsos eléctricos (espigas) de señalización

Instituto de Tecnología de Georgia

Steve DeWeerth, Paul Hasler

Generadores de cadencia acoplados que coordinan un robot multisegmentado

HKUST, Hong Kong

Bertram Shi

Procesador binocular para percepción de profundidad y seguimiento visual

Instituto de Tecnología de Massachusetts

Rahul Sarpeshkar

Procesador de sonido para implantación coclear en pacientes sordos

Universidad de Maryland

Timothy Horiuchi

Chip de sonar inspirado en el sistema de ecolocaci ón de los murciélagos

Universidad de Ariz ona

Charles Higg ins

Chip sensor de mov imiento inspirado en la vis ión de la mos ca

sensores en automoción o seguridad, en robót ica y en automatización fabril.

Metamorfismo de las conexiones neuronales El notable ahorro energético que ofrecía la retina artificial neur omórfica me hizo reflexionar sobre el elevado rendi ­ miento operativo del cere bro. Veinte años atrás, Mead ya había predicho que, aun cuando siguiera cumpliéndose la ley de Moore (según la cual el número de transisto­ res por pulgada cuadrada en los circuitos integrados se dupli ca cada 18 meses), los ordenadores -como hoy los conoce mos- nunca llegarían a igualar la eficacia del cerebro humano. Pero, ¿có mo si no podría lograrse? Hace ocho años empecé a vislumbrar la respuesta. Compre ndí que la eficacia operativa de un sistema depende de la capac idad de adaptación del equipo físico (hardware) a la tarea que ha de realizar. Los ordenadores habituales no admiten tales ajustes; lo que varía según las necesidad es es el soporte lógico (software) . El ordenador emplea unas pocas herramientas genera les, aplicab les a todos los trabajos; los programas informáticos se limitan a cambiar el orden en que éstas se usan. Por el contrario, el cerebro y los chips neur omórficos sí cuentan con un soporte físico flexible: uno y otros está n programados al nivel de las conexio nes individuales. Adap tan la herra­ mienta a cada tarea concreta. Cabe entonces preguntarse cómo el cerebro se adecua a sí mismo. Si pudiéramos trasladar al silicio esos procesos meta mórficos, obten­ dríamos chips neuromórficos que se automodificarían en función de la tarea; no sería ya necesario recurrir a la ingeniería inversa para desc ubrir los circuitos cere brales. Comencé, pues, a estudiar el desarroll o neuronal, con la esperanza de averiguar de qué modo el organismo produce las herramientas precisas. La construcc ión de la red neuron al del cerebro - un billón (10 12 ) de neuronas conecta das mediante diez mil billones (10 16 ) de sinapsis- constituye una tarea sobreco­ gedora . Aunque el ADN huma no contiene el equivalente

INVESTI GACiÓN y CIENC IA, julio, 2005

a un millardo (109) de bits de infor mació n, esa cantidad no basta para espec ificar a dónde han de dirigirse tales neuronas y cómo deben conectarse. El cerebro emplea su información genética en las primeras fases del desarrollo, pero la personalización pros igue mediante interacciones neuronales e interacciones con el mundo exterior. En otras palabras, las neuronas sensoriales establecen ellas mismas sus conexiones, forman tendidos en respuesta a estímulos sensor iales. La regla general que rige este proceso sorprende por su simp licidad: las conexiones se forman entre las neuronas que se activa n a la par. Es decir, de todas las señales que recibe, una neurona acepta las que proce den de neuronas que se mantienen activas mien tras ella también lo está e ignora todas las restantes. Para conocer cómo se cablean entre sí (tendido) las capas de neuronas, se ha estudiado en las ranas la proyec ­ ción retinotec tal, que conecta la retina al tectum (región del cerebro medio que procesa las señales procede ntes de los órganos sensor iales). Se ha desc ubierto así que el cableado entre una y otra capa de neuronas se establece en dos etapas. En la primera, una neurona rec ién nacida extien de unas proyecc iones ("brazos") a la manera de un árbol ramificado. El brazo que más crece se convierte en el axón, el cab le de salida de la célula; el resto operan como dendritas , los cables de entrada . El axón continúa creciendo, arras trado por una estructura ameboi dea en su extrem idad . Dicha estructura, el cono de creci miento, es sensib le a los gradientes quím icos generados por los precursores de las señales de comunicación neuronal, que se abren paso, guiando el axón hacia una cierta "ca lle" de la "ci udad" celular del tectum pero sin precisar el "número de la casa". Afinar la puntería hasta la exacta localización en el tectum requiere una segunda etapa, de la que aún se desconocen los detalles. Es bien sabido, sin embargo, que las células ganglionares adyace ntes en la retina tienden a activarse de forma conjunta. Ello me hizo sospec har

27

que el axón podría encontrar en el tectum las células vecin as en la retin a siguiendo el rastro que marcan los agentes químicos emiti dos por las neuronas tectales ac­ tivas, puesto que serían las células vecinas el origen más probable de esa pista. Una vez que el axón toma contacto con el árbol dendríti co de la neurona tectal, se forma una sinapsis. Las neuronas que se activan a la par quedan así cableadas . En 200 1, Brian Taba, doctorando de mi laboratorio, construyó un chip inspirado en esta faceta del desarrollo cerebr al. Al no poder redirigir los conductores metáli­ cos, decid ió redirigir las espigas . Aprovec hamos que el chip Visio l de Zaghloul emite una única dirección de 13 bits cada vez que una de sus 3600 células ganglionares produ ce un impul so. Transmitir direcciones en lugar de impul sos eléctricos, o espigas, evita verse limitado por el número de terminales de entrada/sal ida del chip. El chip receptor decodi fica luego las direcciones, lo que regenera el impul so en la localización correcta dentro del mosaico neuronal de silicio. Mediante esta técnica se produc e un haz virtual de axones que une localiza­ ciones corres pondientes en los dos chips: la versión en silicio de un nervio óptico. Sustituir una dirección por otra equivale a redirigir un axón virtual de una neuro­ na (la dirección original) a otra (la nueva dirección). Estos "ca bles virtuales" (softw ires) pueden redirigirse a cualquier destino mediante el almace namiento de las sustituciones en una base de datos (tabla de consulta) y el uso de la dirección original para recuperarlas. En el chip tectal de Taba, el Neurotrope l , los cables virtuales activan circ uitos sensibles al gradiente (conos de crecimiento en silicio), así como neuronas de sili­ cio adyacentes, situadas en las celdillas de un retículo. Cuando están activadas, esas neu ronas liberan en el retículo - diseñado para conducir a la manera de un transistor- cargas eléctricas que se difunden de modo muy parecido a como lo hacen, a través del tejid o ner­ vioso, los agentes químicos liberados por las células tectales. Los conos de crecimiento detectan esta difusión de sustancias simulada y, mediante la actualización de la tabla de consulta, orientan su cableado virtual siguiendo el gradiente hacia la neurona de silicio que origi na la carga. Dado que la carga debe ser liberad a por la neu­ rona de silicio y detectada al propio tiemp o por el cono de cre cimiento, en Neurotrope l - lo mismo que en el tejido neuronal real- las conexiones se establecen entre las neuronas que se activan a la par. Partiendo de un cableado aleatorio entre el chip Visio l y el chip Neurotrope l, Taba logró emular la tendencia a la activación conj unta de las células ganglionares re­ tinianas adyacentes mediante la activación aleatoria de pequeños grupos de células ganglionares de silicio. Tras haber estimulado miles de estos grupos, observó un cambio radical en el cableado virtual que conectaba ambos chips: las células ganglionares artificiales se cableaban ahora a neuronas del tectum de silicio el doble de próximas que las iniciales. A causa del ruido y la variabilidad, sin embargo, el cableado no llegaba a ser perfecto: los terminales de células adyacentes en la retina de silicio no acababan en posiciones contiguas en el tectum de silicio. Queríamos conocer, pues, cuál es la génesis de los patrones de ca­ bleado que sustentan las funciones biológicas corticales.

28

NEURONA

Los sistemas sensoriales biológicos proporcionan modelos compactos y de buen rendimiento energético para el de­ sarrollo de sensores electrónicos neuromórficos. La cons- . trucción de una réplica de la retina en silicio se enfrenta a un duro SECCION TRANSVERSAL desafío: la retina sólo tiene medio DEL OJO milímetro de grosor, pesa medio gramo y consume el equivalente a un décimo de watt. En la Universidad de Pennsyl­ vania se ha logrado fabricar una retina artificial rudi­ mentaria . Nervio óptico SECCIO N TRANSVERSAL DE LA RETINA

Fotorreceptores (bastones y conos)

L~~~~~~~:::9f\l\~JJ:J:-l7--cél ula horizontal I'"""....,.~+-:::If-- Célula amacrina - - Célulabipolar

Una vez más, buscábamos en la naturaleza inspiración para refinar nuestros sistemas artificiales.

Mapas corticales Para ello tuvimos que ahondar en el co nocimiento actual sobre las conexiones en la corteza cerebral (córtex), la zona respo nsable del proceso cognitivo. Como si de una obra de papiroflexia se tratara, la super ficie del córtex, de 40 ce ntímetros de diámetro, se pliega para aj ustarse al interior del cráneo. Sobre este lienzo, se trazan durante la infancia "mapas" del mundo exterior. El eje mplo mejor estudiado es la región V I (el córtex visual primario), por donde entran al córtex los mensajes visuales procedentes del nervio óptico. En la V I no sólo se cartografían la anchura y la longitud de una imagen , sino también la orientación de los bordes de los objetos que en ella apa­ recen. De ahí que las neuronas de esta región respondan mejor a bordes orientados a deter minados ángulos: líneas vertica les, horizontales, etcétera. Las mismas preferenci as de orientación se repiten más o menos a cada milímetro, lo que permite detectar la orientació n de los bordes en distintos sectores de la esce na visual. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

RETINIANAS YCHIPS DE VISION NEUROMORFICOS

RETINA BIOLOGICA Las células retinianas, que están interconectadas, extraen información del campo visual enrolándose en una complicada maraña de señales excitadoras (flechas de sentido único), inhibidoras (palos rematados en círculo) y conductoras o bidi­ reccionales (flechas de doble sentido). Esta circuitería genera las respuestas selectivas de los cuatro tipos de células gano glionares (abajo) que constituyen el 90 por ciento de las fibras del nervio óptico que transmiten información visual al cerebro. Las células ganglionares On (de "encendido", verde) y Off (de "apagado", rojo) elevan su ritmo de impulsos de activación cuando la intensidad de la luz local es mayor o menor que la circundante. Las células ganglionares Aum ( azu~ y Dism (amaríllo) emiten un impulso cuando dicha intensidad aumenta o disminuye, respectivamente.

Interacción excitadora

DETALLE DEL CHIP DE SILICIO

Bipolar __~="",,-;!=-~~J,,:;;;;;:;:;;;;;:;;:;;:;;;~=......~

1liR1- -

-

-

---:7="'r--

-

- Amacrina --+.;='-"'----'~"""~¡¡,'_----..;,;_i--:=

......- . _.. _ ._ - )0 ~

~ ~ ON

RETINA DE SILICIO Los circuitos neuromórficos emulan las complejas interac­ ciones que se establecen entre los diversos tipos de célu­ las retinianas, sustituyendo por conductores metálicos los axones y dendritas (vías de señalización) de cada célula, y por un transistor cada sinapsis. Las permutaciones de esta disposición producen interacciones excitadoras e inhi­ bidoras que mimetizan las comunicaciones entre neuronas. Sobre los chips de silicio se disponen los transistores y los conductores que los interconectan. Diversas regiones de la superficie del chip realizan las funciones de las diferentes capas celulares. Los cuadrados verdes grandes representan fototransistores, que transforman luz en electricidad.

L

,,';;,----

Interacción

inhibidora .

AUM

DISM

OFF

David H ubel y Torsten N. Wiesel, neurobi ólogos ga lar­ donados co n el premi o No bel por su descubrimi ento del mapa de la reg ión V I en los años sesenta, propu sieron un diagrama de cableado -a nuestro parecer, sobreco ­ gedor - para const ruir un córtex visua l. En su mod elo, ca da célul a co rtical es tá co nectada a dos gru pos de cé lulas del tá la mo qu e ope ra n co mo re tra ns m iso ras de las señales retinianas dirigidas al córtex. Un grupo de cé lulas del tá la mo de berá resp onder a la de tecció n de zonas de so mbra (emuladas en Visiol por las células Off, de "ap agado"), mien tras que el otro (emulado por las célul as 0 11, de "e nce ndido") reaccion ará a la detec­ ció n de luz. Pa ra hac er qu e una célul a cortica l prefiera los bord es vertica les, por eje mplo, ambos grupos de célul as habrán de di spon er se en co lum nas vertica les pero ligeram ent e despl azada s entre sí, co n las células Off ju sto a la izqui erda de las 011. De ese modo, el bord e vertical de un objeto del campo visual activará toda s las cé lulas Off y todas las cé lulas 011 cuando se hall e en la posici ón correcta. Un bord e hori zontal, en cambio, ac tivará sólo la mit ad de las cé lulas en cada grupo . Ante la presen cia de un borde ver tica l, pues, la

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

célula co rtical recibirá una seña l de intensidad doble y, por tanto, respond erá co n ma yor vigor. Al prin cipio, el detalle exigido por esos patrones de cableado nos impresionó: debíam os conectar cada célula según su preferencia de orienta ción y cambiar después estos patron es de forma sistemática, de tal modo qu e las prefe­ rencias de orientación variase n paulatinament e al propi o tiempo que las células adyace ntes tuviesen preferencias similares. Lo mismo que en el córtex, las misma s orien­ taciones debían repetir se a cada milímetro; además, estas células de silicio debían conec tarse a las cé lulas vecinas en la retin a. Pero los conos de crecimi ento de Taba no admitían tal co mplejidad. A finales de 2002, buscam os el modo de desterrar esa pesadilla: fuimos a hall ar respuesta en un experime nto de cincuenta años atrás. En los años cincue nta, Alan M. Turing dem ostró qu e del ruid o alea torio surg ían de forma es pontá nea patrones ordenados, co mo las manch as del pelaje de un leop ard o o de una vaca. Co nfiábamos en que un mecani sm o parecid o sirvie ra para cre ar en nuestro chip region es adyacentes con patrones de orientación similares . Seg ún la idea de Turing - que él mismo probó en simulaciones ejecutadas

29

en uno de los primero s computadores electrónicos en la Universidad de Manchester- las células epiteliales del

mostraron, mediante simulaciones por ordenador, que un proceso similar generaría mapas de tipo cortical. Paul

modelo segregarían indiscriminadamente tinte "oscuro" o

Merolla, otro doctorando de mi laboratorio, asumió el

"claro". Introduciendo variaciones entre las mismas , de modo que produjeran tinte oscuro y claro en cantidades ligeramente diferentes, Turin g generó mot as, manch as y hasta rayas como las de la cebra. Estas pequeñas diferen­ cias iniciales se agrandaban, aclarando u oscur eciend o, para crear patron es del tipo " todo o nada". Decidimos averiguar si ese principio era aplicable tambi én a los mapa s corticales. Hace cuatro años, Misha Tsodyks y sus compañeros del Instituto Weizmann de la Ciencia en Rehovot, de­

reto de aplicar este algoritmo autoorganizativo al silicio. Sabíamos que las impurezas químicas (dop aje) introdu­ cida s dur ante la fabricación de los microcircuitos caían al azar, ocasionando variaciones entre transistores que de otro modo serían idénticos. Confiamos en que ese fenómeno capt aría el carácter aleatorio de la expresión génica en la natural eza; se supone que a ello se debe que la distribución de las manchas varíe de un leopardo a otro y que los patrones de los mapa s de orientación varíen de una persona a otra. Aunque las células que

ASI SE FORMAN LAS CONEXIONES (BIOLOGICAS OSllICEAS) En las primeras fases del desarrollo ocu­ lar, las células ganglionares de la retina proyectan axones hacia un centro senso­ rial del cerebro medio: el tectum. Estos axones se guían por el rastro de agentes químicos liberados por células tectales ve­ cinas también activas, de manera que las neuronas que se conectan son las que se activan a la par. Por fin se forma en el mesencéfalo un mapa de la organización espacial de los sensores retinianos. Los expertos en neuromorfismo de la

Universidad de Pennsylvania han logrado

emular este proceso mediante "cables

virtuales" (softwires) que autoorganizan

conexiones entre las células de su chip

Células ganglionares de retina en silicio, Vislot (arriba), y las

I f-- - Axones - - - - -11 del chip de tectum artificial , Neurotrope1

MEMORIA DE ACCESO

(abajo). Los impulsos eléctricos produci­ ALEATORIO (RAM)

dos, o espigas, cursan desde las células

~.I---- Posición original

ganglionares a las células tectales, valién­ del impulso dose de un chip de memoria de acceso Posición del impulso aleatorio (RAM) (centro). El chip retiniano regenerado

suministra la dirección de la neurona de

silicio emisora del impulso; el chip tectal

regenera ese impulso en la localización

correspondiente. En el ejemplo, el tectum

artificial ordena a la RAM que permute

las direcciones de entrada 1 y 2: el ter­

minal del axón de la célula ganglionar 2

se traslada entonces a la célula tectal 1,

desplazando de esa posición el axón de

la célula ganglionar 3. Los axones "perci­

ben" el gradiente de carga eléctrica que

libera una célula tectal de silicio activada;

ello ayuda a guiar las conexiones.

Tras activar repetidamente grupos de

neuronas vecinas en la retina artificial de

silicio (triángulos resaltados, arriba a la iz­

quierda), las terminaciones de los axones

de las células tectales -al principio muy

dispersas (triángulos resaltados, abajo a

la izquierda)- se aproximan, lo que pro­

duce franjas más uniformes en un mapa

Antesde autoorganizarse Después de autoorganizarse cromático (abajo a la derecha).

30

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

En el córtex visual de un hurón y en un chip neuromórfico del córtex, se ha cartografiado la posición de las células que res­ ponden preferentemente a ciertas orientaciones de los bordes de objetos (clave, abajo) . En uno y otro mapa las células adyacentes tienden a mostrar preferencias de orientación similares, demostrando así que el córtex artificial emula el sistema biológico.

"~ / I \ "

I

crea n tales patrones en la naturaleza ex prese n genes idénticos, producen cantidades distintas del corres pon­ diente colora nte o de las proteínas que conforman los canales iónicos. Insp irado en esa analogía, Merolla di señó una neu­ rona de silicio; luego uni ó varias copias de la misma para crear un mosaico co n conexiones exci tadoras e inh ibid oras de tipo neuronal entre células adyacentes, que se enca rga ban de "osc urecer" o "a cla rar". Cuando activamos los nuevos chips en 2003, ap arecieron pa­ trones de actividad que record aban las manchas de un leopardo. Se observó la act ivación de distint os grupos de células al presentarles bordes con diversas orientacio­ nes. Marca ndo con diferentes colores las localizaciones de estos grupos, obtuvimos mapas de preferencias de orie ntac ión similares a los for mados en la zona V I de las crías de hur ón.

"Cerebros" de silicio Tras obtener la versión en silicio de las cinco capas de la retina, nos prop usimos hacer lo mismo con las seis capas que componen el córtex visual. Por ahora ya hemos dado un primer paso: hemos cre ado un modelo de la capa IV, la entrada al córtex visual, a fin de ob­ tener un mapa de preferencias de orientación en forma inmadura. El espeso r del córtex, sin embargo, es cinco veces mayor que el de la retina; por tanto, reprodu cir sus seis capas requiere circuitos integrados con bastantes más transistores por unid ad de superficie . En la actualidad, es posible integrar un millón de tran­ sistores y 10 metro s de cable en un milímetro cuadrado de silicio . A finales de es te decenio, la densidad de un chip será sólo diez veces menor que la densidad del tejido cortical (el córtex tiene cien millones de sinapsis y tres kilómetros de axones por milím etro cúbico). Aunque se logre igualar el microcircuito al córtex en cuanto al número total de dispositivos integrados, habrá que ver cómo se manejan mil millones de transistores en un centímetro cuadrado de silicio. Para obtener estos nanochips de densidad elevada por los métodos estándar, deberán ampliarse los recursos humanos dedicados a tal empresa. Hasta la fecha, la multipli cación por 10.000 INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

del número de transistores integrados en los microproce­ sadores de Intel ha venido acompañada por un aumento en cien veces más del número de ingenieros dedicados al diseño. En comparació n, la simple duplicación del número de genes al pasar de la mosca al ser humano ha permitido que la evolución construyera cerebros con un número de neuronas diez millones de veces superior. Un mayor refinamiento en los procesos de desarrollo posibilitó un aumento de la complejidad a partir de una receta relativamente sencilla. Del mismo modo, emular el desar rollo neuronal en vez de limitarse a remedar los circuitos neuronales ofrece mayores espe ranzas de domeñar la complejidad en los sistemas nanoe lectrónicos del futuro.

El autor Kwabena Boahen enseña bioingenieria en la Universidad de Pennsylvania. Natural de Ghana, en 1985 inició sus estudios de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Johns Hopkins. Poco después comenzó a interesarse por las redes neurona les . Trata de aplicar el refinamiento de los sistemas neuronales a los diseños en silicio.

Bibliografía complementaria ANALOG VLSI ANO NEURAL SYSTEMS. Carve r Mead. Addison Wes· ley, 1989. TOPOGRAPHIC MAP FORMATION BY SllICON GRO WTH CONES. Brian Taba y Kwabena Boahen en Advances in Neural Information Processing Systems, vol. 15. Prepa rado por Suzanna Becker, Sebastian Thrun y Klaus Obermayer. MIT Press, 2003. OPTIC NERVE SIGNALS IN A NEUROMORPHIC CHIP. Kareem A. Zagh· loul y Kwabena Boahen en IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 51. n.o 4, págs . 657-675; 2004. A RECURRENT MO DEL OF ORIENTATl ON MAPS WITH SIMPLE ANO COMPLEX CELLS. Paul Merolla y Kwabena Boahen en Advances in Neural Information Processing Systems, vol. 16. Preparado por Sebastian Thrun, Larry Saul y Bernhard Sholkopf. MIT Press, 2004.

31

IENCIA y SOCIEDAD

Ecología vegetal Distribución de las especies perennes en elHúizsche umerosos estudios han puesto de manifiesto el efecto del medio en la estructura de las comunidades vegetal es. Los patrones de distribu­ ción de las especies no obedecen a un solo factor, sino a la combinación de muchos (orografía, clima , suelo, etcé­ tera). El Huizache, emplazado en el noreste del estado de San Luis Potosí, constitu ye una zona prioritaria para la conservación en Méx ico . Se trata de un enclave de sumo interés para el desierto Chihuahuense, pues fun­ ge como un corredor biológico entre varios de sus sectores. Se considera centro de origen y diversificación de la familia Cactaceae, que presenta un elevado endemismo. Muchas de estas

N

especies se han visto expuestas a una sobreexplotación con fines comercia­ les o de ornato. Además, el cambio en el uso del suelo ha causado la pérdida de hábitat y la disminución de los tamaños poblacionales de al­ gunas plant as, que ahora se hallan en peligro de extinción. En el Huizache encontramos cua­ tro tipos de vegetación: el matorral desértico micrófilo (MDM), que in­ clu ye 72 especies; el matorral de­ sértico crasica ule (MDC), con 63; el matorral submontano (MS), con 42 especies; y el pastizal gipsófilo (PO), con 12. Pese a la biodiversidad de estos ecosistemas, el número de espec ies amenazadas o en peligro

de extinción resulta notable: del or­ den de siete (9,72 %) en el MDM, nueve (14,28 %) en el MDC, siete (16,66 %) en el MS y dos (16,66 % ) en el PO. Debid o a la heterogeneidad am­ bient al, la comp osición de especies cambia de un tipo de vegetación a otro . Denominamos diversidad beta a la medida de esta diferencia de com­ posición entre dos o más poblaciones locales de especies o entre poblacio­ nes locales y regionales. A medida que aumenta la betadiversidad, ma­ yor es el reemplazo de especies de un ecos istema a otro. El reemplazo de especies entre los cuatro tipos de vegetación presentes en el Huizache es del orden del 54,5 por ciento. El mayor reempl azo se produ ce entre el MDC y el PO (8 1 %); el mínim o entre el MDM y el MDC (20 %). Matorral desértico crasicaule (MDe)

Matorral submontano (MS)

En el Huizache (desierto Chihuahuense, San Luis Potosí) se en­ cuentran cuatro tipos de vegetación: el MOM, propio del fondo de

32

los valles; el MOC, que se distribuye en las laderas de los cerros; el MS; y el PG, que prevalece en afloramientos de yeso .

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

¿A qué se deben tales reemplazos? La distrib ució n de cada especie, así como la de los grupos de vege ta­ ción, depende de la combinación de numero sas variables : clima, latitud, longitud, elevación, exposición e in­ clin ación de las laderas, pedr egosi­ dad, profundidad del suelo y tipo de sustrato geo lóg ico, entre otros . En su ma yorí a, las es pecies que aquí nos ocupan se hallan restringi­ das a entornos muy locales. Tal es el caso de las especies del matorr al desértico micr ófilo: Ag ave sca bra, Op untia kl ein eae, Ham atocactu s crass ihama tus y Larrea tridentata, que se distribuyen en enclaves con suelos profund os de orige n aluvial , con altos contenid os de pota sio y es­ casa pedr egosidad . Lo mismo sucede a Agave striata y Karwinskia humbol­ dtiana, que medr an en el matorral de­ sértico crasicaule, donde predomin an las pend ien tes pronunciadas orienta­ das al noroeste, los suelos someros y los sustratos sedimentarios. Por su parte, Helietta parvifolia y Neoprin­ glea integrifolia crecen en el matorral submo ntano, que present a pend ientes pronunciad as orientadas al noreste, sustratos sedimentarios y suelos so­ meros; en este tipo de vege tación, la distribución de las especies está condicionada en gran medida por el gradiente térmi co. La distribu ción de la s es pec ies perenn es en la zona depend e de la combinación de varios facto res, abió­ ticos y bióticos. De hecho, existen int eracci on es positi vas (nodrizaje,

asoc iac iones mi corr ícicas) y nega­ tivas (competencia, alel opatía) entre las especies que, combinadas con las características del medio , parecen ser respon sables del mantenimi ento de la diversidad biológica. La geo logía ejerce un influjo de­ terminante en la distribu ción y abun­ dan cia de las espec ies . Los refugios geo lógicos no sólo ofrecen protección a ciertos indi vidu os (constituye n una limitación física para los herbívoro s) sino que tambi én influyen sobre otra s variables. Asimismo, la pro fundidad del suelo, la hum edad debida a la escorrentía y la temp eratura, entre otros factores, depend en de la pe­ dregosidad . Las altas concentraciones de calcio y pH elevados en el suelo sugieren qu e existe tambi én un control edáfico sobre la distribu ción de las especies, qu e promu eve la espec ialización de hábitats para algunas de ellas. Tal es el cas o de las que se distrib uyen en el pasti zal gipsó filo, en dond e abunda el sulfato de calcio (yeso, CaSO4' 2H 20). FRANC ISCO M . H UERTA MARTÍNEZ

y A. MuÑoz URIAS Ce ntro Univers itario de Ciencias Biológicas y Agropec uar ias . Universidad de Gu adalajara. Jal isco E. GA RCÍA M OYA

Institut o de Recur sos Na turales .

Programa de Bot áni ca.

Co leg io de Pos tgra d uados Méx ico

arenisc as y sedimentos res ultantes de la descomp osición de las rocas. Estos abrasivos se pued en incorporar al alime nto durante su preparación, como cuando se seca el pescado y la carne al aire o al tritur ar semillas con mortero s de piedr a. Así, la capacid ad abra siva del alimento depende tanto de la cantidad de recursos vegetales ingerid os como de las técnicas uti­ lizadas en su prepa ración, cocinado, trituración o limpi eza. Esta asoc iación entre dieta y par­ tícu las abras ivas permite analizar el efecto qu e la masticación produ ce sobre el esma lte. Se trat a de un mé­ todo directo que mide la den sidad de estrías producida por el alimento con­ sumido. Con la masticaci ón repetida del bolo alimenticio las estrías, que son microscópicas, se acumulan so­ bre la superficie del dient e y pueden ser contadas merced a la observación al microscopi o electrónico (véase la fig ura 1) . La densidad de estrías por milímetro cuadrado será mayor en po­ blaciones vegetarianas, es pecialmente las agríco las, que en los cazadores carnívoros . Si el hábitat, el clima o la cultura de cada gr upo humano condicio nan el consumo de alimento,

Microestriación dentaria y dieta Evolución dela alimentación enlas poblaciones humanas prehistóricas o conocemos la dieta de nuestros antep asados humanos, aunque sabemos qu e sus técnicas de obten­ ción y preparación del aliment o fue­ ron distintas de las nuestr as y que explotaron recursos cárnicos de forma eficiente. El es tudio de la alim ent a­ ción de estas pobl aciones se basa en el análisis de variables que dependen directament e de los recursos ingeri­ dos, cuya disponibilidad depende a su vez de factores ambientales . La dieta reflej a, por tanto, las condicio­ nes del ecosistema en cada momento. El estudio de la dieta de pob laciones prehistóricas mediante el análisis del

N

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

patrón de microe striación dentaria se basa en la gran dureza del esma lte, qu e sólo puede ser rayado por par­ tícul as abrasivas de sílice present es en los vege tales co mo ele me ntos estruc turales, o fito litos, que se en­ cuentran en grandes cantidad es en las hojas y en los tallo s, especialm ente de gramíneas . Los fitolitos son resis­ tentes a la coc ció n y se incorporan a la dieta con el consumo de mate­ ria vegetal. Cuanto más abunde este co mpo nente en la dieta , mayor será la capa cid ad abras iva del aliment o durante la masticación. También se encuentran partículas silíceas en las

1. Patrón de microestriación dentaria de la superficie de esmalte estudiada en un individuo de Atapuerca (AT-588) de la especie Hamo heide/bergensis. El área estudiada incluye 0,56 mm 2 y la irna­ gen se ha obtenido con un microscopio elect rónico de barrido a 100 aumentos. La línea de escala en la pa rte superior mide 0,5 mm.

33

S r-- - - - - - - -,- - - - - - - - -,

6 4 y

d10

3

5

2

4

o

3

-1

-2

2

r I

-3 ~

1 -4

60

80

100 120 140 160 180

-5

-S

-4

-3

-2

-1

O

2

3

4

2. Comparación de los patrones de microestriación observados en publa­ ciones humanas prehistóricas con los de pob laciones cazadoras-recnlac­ toras modernas. Cada círculo representa una población. Las poblaciones modernas, que se encuentran a la izquierda del gráfico, tienen una menor densidad de estrías que las más antiguas, a la derecha. Entre éstas, los neandertales (M en azul y Ha en celeste) y los modernos (U en verde) son los más parecidos a los cazadores -recolectores actua­ les (carnívoros en color rosa a la ízquierda y de diete mixta en color más e/aro en el centro) . Las que mayor densidad de estrías tienen son las poblaciones más antiguas, como las de Arago (en naranja) y Atapuerca (en amadllo pálido).

el patrón de microestri ación dentaria reflejará dichas fluctuaciones. El prin­ cipal interés de este método consis­ te en que por primera vez podemos contrastar hipótesis sobre la dieta de los distintos represent antes de género Hamo y sobre sus adaptaciones a condiciones cambiantes del medio. Los estudios realizados hasta ahora en poblaciones humanas de diversas épocas prehistóricas demuestran que en los últimos 500 .000 años de evolu­ ción la dieta ha variado enormemen­ te. Los patrones de microestriación de Hamo heid elb ergensis (450 .000 años), Hamo nea nderthalensis (180­ 35.000 años) y Hamo sap iens (35­ 10.000 años) muestran que las pobla­ ciones más antiguas, del Pleistoceno Medio, poseedoras de industrias líti­ cas poco elaboradas denominad as de tipo 2 o Achelense, son las que tenían una dieta más abrasiva, mientras que las poblaciones del Pleistoceno Tar­ dío, las más recientes, representadas por los neandertales, con industria de

34

-o- NT

5

-o- XT

3. Fluctuaciones de la densidad de estrías (NT) y su longi­ tud media (XT) en diversos períodos isotópicos del oxígeno - OIS 1, 3 Y 5 cálidos- 2, 4 Y 6 fríos. Los neandertales, que vivieron durante los períodos 2, 3 Y 4, presentan menor densidad de estrías en períodos cálidos, probable­ mente por el consumo de vegetales y frutos más tiernos y carnosos, que los consumidos en períodos fríos.

tipo 3 o Musteriense, y los humanos modernos, con industria de tipo 4 o Auriñac iense, presentaban una menor densidad de estrías (véase la fig u­ ra 2) . El salto técnico entre la indus­ tria de tipo 2 y las de tipo 3 y 4 es muy significativo; habría permitido un mejor aprovechamiento y prepara­ ción de los recursos por parte de las poblaciones modernas, que habrían evitado así los agentes abras ivos. Po­ dría explicar el éxito evolutivo de H. neandertha lens is respec to a su antecesor H. heide lbergens is. Además, las fluctu aciones que se observan en el patrón de microes­ triación de los neandertales en los distintos períodos climáticos en que viviero n sugieren que sus poblacio­ nes tenían una gran capaci dad de adaptación eco lógica. Los períodos climáticos se definen a partir de la variac ión en la proporción de isóto­ pos estables del oxíge no (el oxígeno 16 y el 18), que depend e de la al­ ternancia entre períodos geo lógicos

cá lidos y fríos. El análisis de la den sidad y longitu d de las estrías dentarias de las poblaciones huma­ nas que vivieron entre los períodos isotópicos del oxígeno deno mina­ dos 01S -2 y 01S-5 muestra claras fluctuaciones en la abrasiv idad de la dieta en cada período. Las poblaciones de H. sapie ns del perío do frío OIS -2 (12-24.000 años) muestran un promedi o de 115 estrías por milímetro cuadrado, mientras que los neandertales que vivieron en los períodos cálido OIS-3 (24-59. 000 años), frío OIS -4 (59 -74 .000 años) y cálido OIS-5 (74- 130.000 años) tienen respectivament e 100, 12 1 Y 95 estrías por milím etro cuadrado. Estas fluctuaciones indican que las poblaciones que viviero n en períodos fríos se alimentaro n con productos vegetales muy abrasivos, probable­ mente plantas adaptadas a ambientes fríos, mientras que las poblaciones qu e viviero n en períodos cálidos habrían comido plantas con brotes tiern os asocia das a cursos de agua y frutos carnosos, además de carne . Aunque es necesario analiza r co n mayor detalle es ta asoc iac ión, los da tos obtenidos sugiere n que los INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

neandertales habrían sido capaces de adaptarse eficazmente a las condi­ ciones cambiantes del medio, lo que contradice cualquier hipótesis sobre la incapacidad de adaptación bioló­ gica o cultural de los neandertales por ser poblaciones supuestamente muy especializadas, adaptadas al frío de forma irreversible. Sin embargo, los neandert ales se extinguieron hace

30.000 años, probab lemente debido a una mayor eficacia demográfica y cultural de las poblaciones hum anas modernas, con las que los neanderta­ les no habrían podido competir. ALEJANDRO PÉREZ PÉREZ

Sección de Antropo logía del Departamento de Biología Animal Universidad de Barce lona

Ordenadores y algoritmos de visión Un cibergeólogo para la exploración de Marte ue podamos encontrar vida en Marte dependerá de la evolu­ ción experimentada por este planeta a lo largo de los miles de millones de años de historia del sistema so­ lar. Por eso, uno de los principales objetivos de las misiones consiste en determin ar esa evolución. Mientras no se disponga de un modelo evo­ lutivo, no sabremos si se dieron las condicio nes adecuadas para que se desarrollara la vida y se conservara n indicios de ella. El primer paso a dar es la explora­ ción geológica de Marte . Necesitamos conocer la super ficie y el subsuelo, cuándo, cómo y por qué se originaron las formas del relieve, y, sobre todo, qué cambios climáticos hubo en el transcurso del tiempo y si permitieron la existencia de vida. Multitud de pre­ guntas cuya respuesta sólo depe nde de nuestra capacidad para extraer la inform ación necesaria y esta blecer una hipótesis fiable. Toda la información sobre la evolu­ ción geológica de Marte se encuentra registrada en sus rocas y sedimentos. Para leer ese registro pétreo creado por los procesos geo lógicos, basta aplicar las mismas técnicas que se emplean en la Tierr a. El inconve­ niente estriba en llevar a Marte al geólogo con su instrument al. En la Tierra, ante un afloramiento, el experto tarda escasos minut os en hacerse una idea del tipo de roca o sedimento, de las estructuras geo­ lógicas presentes (estratos, fallas o pliegues) y de su prelación histórica o cronología . Acotará en seguida las zonas donde extraerá muestras para su investigación posterior en el la­ boratorio, de acuerdo con el interés que le guíe y el modelo o hipótesis de partida en que se base.

Q

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

En la actualida d, los robo ts son incapaces de repro ducir el proceso interpretativo de un geólogo . Llevan cá maras para captar y transmiti r a la Tierra las imáge nes de lo que les rodea, y sensores y apa ratos para analizar su entorno y remitirnos los

datos obte nidos. A su vez, se ha­ llan a la espera de que se reciba la señal en la Tierra, sea analizada y se les expidan órde nes sobre el paso sig uiente a emprende r. Resulta evidente que un sistema con cierto grado de autonomía en el análisis e interpretación del entorno ahorraría mucho tiempo y dinero. Unos investigadores del Ce ntr o de Astr obiología y el Instituto Geo­ lógico y Minero de España nos he­ mos propuesto desarro llar un sistema de orde nador personal portátil que reali ce autó no ma me nte part e del proceso de aná lisis e interpretación geo lógica de imágenes . Para ello estamos elabora ndo un sistema de algor itmos de visión com puter izad a (AVC), que permitirá analiza r las imáge nes de un afloramiento roco­ so como lo haría un geó logo . Estos AVC se han escrito en un lenguaje

El geólogo lleva puesta la parte portátil o "vestible" del sistema de cibergeólogo, mien­ tras que el especialista en robótica supervisa el funcionamiento del sistema. Durante este ensayo (reali zado el 3 de marzo de 20041, la parte robótica del cibergeólogo traba­ jó de forma autónoma, adquiriendo y procesando las imágenes de un mosaico vertical de la pared del escarpe, cerca de la laguna de El Campillo, en el Parque Regional del Sures­ te de Madrid. Obsérvese la ausencia de manchas oscuras cerca de la base de la pared. Aparecieron más tarde, después de las lluvias primaverales. El sistema del cibergeólogo las identificó como puntos interesantes durante el segundo ensayo .

35

-o ::;

..

a:

o

w

a:

:;

'3 ::; ¡;:[ z

~

-c

::; N

o"'" o

de programaci ón gráfica (NEO, de la Unive rs idad de Biel efeld ). Se persigue llegar a incorporarlos en robots para la futura exploración de la superficie de Marte. Nues tro cibergeó logo consta de una cá mar a de vídeo roboti zada co nec tada a un "orden ador ves ti­ ble", es decir, un ordenador cuyos componentes se llevan incorp orado s en la vestimenta. La cámara reali ­ za el barrid o de imágenes para su posteri or análisis automático por el or de nador, guiado por el geó­ logo. Ya hemos efec tuado algunos ensayos de campo, con result ados satisfac torios. En 200 4 instalamos el sistema frente a un escarpe con capa s de yeso y arcilla próxim o a la Lag una del Ca mpillo, cerca de Rivas Vaciamadrid. Mediante la reali zación de sucesi­ vos ensayos, correcc iones y mejoras, nos proponemos preparar al sistema del cib ergeólogo para que desarroll e de forma autónoma algunas toma s de decision es. Has ta el moment o, ya se ha utilizado el sistema para desarrolla r y comprobar el funci o­ namient o de algoritmos destinados a la adqui sición roboti zada de mosai­ cos de imágenes, segmentación de imágenes en tiempo real y determi­ nación , en tiempo real tambi én, de punt os de interés en los mosaicos de imágenes. Comprobada la validez y funcion amiento general, debemos ir mejorand o la capacidad de discernir sombras y microtexturas, así como el cont rol , que ha de ser más inte­ ligente, de la lente de zoo m de la cámara . Algo hemos avanza do. En el se­ gundo ensayo de camp o, el sistema del cibergeó logo identifi có dos pe­ queñas zonas de color más oscuro en

el afloramiento y procedió a estudiar­ las. Posteriormente, al aprox imarnos al afloramiento (ya sólo co mo geó­ logos, sin el ordenador), co mproba­ mos que se trataba de dos zonas con mayor humed ad por emanación de agua subterrá nea. Lo que encierra un interés notabl e. Si el sistema es capaz de loc alizar de forma autó­ noma la presencia de agua en sus primeros ensayos , su potencial para la exploración de Marte no hace más que multiplicarse. Los prim ero s resultados de esta investigación ya fueron publicados en 2004 en la revista Int ern ati ona! Journal 01 As trobio!ogy . En el curso de este año, el sistema se utili zará en el análisis del interior de un sondeo en los depósito s biogéni cos del río Tint o. Al mi smo tiemp o, es tamos trabaj ando en los diagramas de flujo que definen el proceso lógico que subyace al análi sis geo lógico bási­ co de un aflo ramiento; qu erem os convertirlos en algoritmos AVC que pueda utili zar el ciberge ólogo. Si nuestros trabajos de investi gación llegan a cumplir las expec tativas y obje tivos qu e nos hemos propu esto, los futur os exploradores robóticos tendrán una capacidad de toma de decisiones cada vez más par ecid a a la de un humano. ENR IQUE D ÍAZ MARTÍNEZ

Dirección de Geología y Geofís ica Instituto Geológico y Minero de España, Madrid P ATRICK

C. MCGUIRE

y J ENS O. ORMÓ

Laboratori o de Geología Planetaria. Centro de Astrobiología (lNTA/CS IC), Madrid

CONSTANS Elgen de la floración legir el mejor momento del año par a florecer es una deci sión E que reviste importancia decisiva para el éxito re producto r de la planta. Debe tom arla teni end o en cuenta estímulos externos e internos de di­ versa índole. El interés por este proceso se pier­ de en la noche de los tiempos. Desde

36

que el hombr e comenzó a recolectar primero, y cultiv ar luego, los vegeta­ les de los que se alimentaba, supo qué plant as florecían en cada momento. Incluso las alteró en su propi o bene­ ficio. La variedad de arroz cultivada en el sur de España fue "iberizada" en los último s dos siglos: una especie surasi ática que florecía en días cortos,

es decir, en otoño-invierno, pasó a florecer en primavera- verano, cuando los días se alargan en la península. Entre los estímulos externos que determ inan la floración, desempeña un papel destacado la temperatura. Sobre todo, en relaci ón a la vernaliza­ ción , que designa la necesidad de que la planta sufra un períod o largo de tiemp o de bajas temperaturas como requ isito indispensable para florecer en la estación siguiente. Lo observa­ mos en numerosas especies de árbo­ les; otro eje mplo son las variedades bianu ales de la remolacha, que flore­ cen en la primavera del año siguiente al período de vernalización. La investigaci ón reciente señala que la respuesta más extendida en­ tre las especies, la más persistente también, a la floración viene inducid a por la cantidad y calidad de la luz recibida en cada momento. Este pa­ rámetro guarda estrec ha relación con el ciclo circadiano, un reloj interno que poseen casi todos los organi s­ mos, desde las cian obacteria s hasta el hombre; consiste en un sistema interno de medida del tiempo con un período que ronda las 24 horas. De la famil ia de la co lza y la mostaza, A rabidops is thaliana es una herbácea de ciclo anual, que florece preferentemente en días largos. Mer­ ced a su fác il manipulación , ciclo de vida bastante corto y, sobre todo, secuenciación de su genoma, se ha convertido en el modelo experimen­ tal habitual de la investigación del desarrollo vegetal. Los estudios de genética clásica habían mostrado que los mutantes de la floración de Ara bidops is remit ían a numerosos genes . Cabía, pues, la existencia de diferentes vías de ac­ tivación o represión de la floración . A uno de tales mutantes se le deno­ min ó constans ; la planta portad or a del mismo parecía haber perdid o la capacidad de detectar la longitud del día (fotoperíodo) y florecía de manera constante y retrasada, lo mismo en días largos que en días en cortos. Cuando se clon ó el gen CONS­ TANS (Ca), cuya mutación causaba el retraso floral, se descubrió qu e cod ificaba una prot eína de caracte­ rísticas espec iales y exclusiva de las plan tas. La investi gación posterior dem ostr ó que la proteín a CON S­ TANS constituía un activador de la transcripci ón de genes integradores, INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, julio, 2005

MA ÑANA

Degradación de laproterna ca porelproteasoma

ca

Florecer o no florecer. Los niveles de ARNm de (línea magenta discontinua) se regulan por el reloj circadiano, influenciado (flecha verdel por los fotorreceptores. La cantidad de proteína (número de círculos erutes) se debe a los niveles de ARNm y a la estabilidad de la proteína determinada por el proteasoma (amarillol. PhyB promueve la degradación de mientras que phyA y Cry favorecen su estabilidad. Durante la noche, aunque el ARNm está a niveles máximos, la cantidad de es baja debido a su degradación por el proteasoma. En días largos, phyA y Cry ayudan a mantener altos los niveles de ello provoca la floración. (Las flechas indican una acción estimuladora; las líneas terminadas en barra representan una acción inhibid ora).

ca

ca,

ca

ca;

como F T o SaCJ, cuya presenci a en cualquier momento del desarroll o provocaba el paso irreversibl e del es tado vege tativo al re product ivo (floración). Por otro lado, si se indu cía, a tra­ vés de un proceso de manipulaci ón genética, la expresión del gen ca en Ara bidopsis, la planta se tornaba de nuevo insensible al fotoperíodo, con respuesta inversa a la del mutante: florecía mucho más tempran o que la silvestre, tanto en días largos como cortos. El control de la vía de floración del fotoperíodo parecía tener en ca un regulad or esencial, papel que afian­ zamos al descubri r que su expresión dependía del reloj circadiano; éste regulaba la presencia del ARN men­ sajero (ARNm) de ca en razón de la longitud del día (véase la fig ura) . De esta manera, la coincidencia del ritmo de la expresión del ARN men­ sajero de ca con la luz vespertina de un día largo inducía la presenci a de la proteína y, con ello, la acti­ vación de los genes que dispara ban la floración. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

En una investigación reciente he­ mos demostrado que no sólo el ritmo circadiano encauza la transcrip ción del gen, sino que existe, además, una regulación posterior mediada por los fotorreceptores vege tales; esta regu­ lación, si cabe más fina y precisa, determin a la presencia y actividad de la proteína CO. Los fo to rreceptores de plantas so n proteínas que captan la se ñal lumin osa (fotones) gracias a ciertos pigmentos y, mediante la activación de diversas cascadas de señales, mo­ dulan la respuesta de la planta a la luz. Las plant as, organismos sés iles, no pueden esc apar de la situac ión adversa que detectan (por eje mplo, la sombra de una hoja superior) y se ven obligadas a modificar su ex­ presión génica para alterar su estado (en este caso alarga r el tallo para alcanzar lugares más soleados) . Los fitocro mos y los criptocro mos, prot eínas fotorreceptoras, reaccio­ nan a luz de diferentes longitudes de onda, desde ultravioleta hasta in­ frarrojo y así modul an la respuesta a la calidad de luz incidente. Este es el

caso de la regulación de la proteína CO: la luz roja excita al fitocromo B, lo que provoca la degradaci ón de CO a través del proteasoma. (Llá mase proteosoma a un complejo multipro­ teico que actúa como un tritur ador molecular de residuo s celulares, al reciclar las proteín as inservibles o que molestan una vez cumplida la misión para la que fu eron sinteti­ zadas .) Por su part e, las luces infrarroja y azul detectadas por el fitocromo A, ayudad o ahora por los criptocromos 1 y 2, causan la acumulació n nu­ clear de proteína CO, mientra s que la osc uridad determina de nuevo su degradación mediada por el protea­ soma. Lo que permit e a CO activar los genes de floración es la coinci­ dencia de una señal fotoperiódica modul ada por el ritmo circadiano, de acuerdo con la conce ntración de ARN, y supeditada a una fina mo­ dulaci6n de la proteína. Este sistema capacita a la plant a para conocer en qué estac i6n del año se encuentra y si las con diciones de luz son ade­ cuadas par a florecer, garantiza ndo así que su descendencia germine en el momento 6ptimo que asegure su supervive ncia. Nuestro estudio aporta, pues, una soluci6n a cues tiones clás icas del desarroll o vege tal, co mo el efec to que los distint os fotor rece ptores y, con ello, las di ferentes calidades de luz, eje rce n sobre la floraci6n e identi fican a CONSTANS como un punto de inflexió n para decidir el moment o exacto de la floración. A través de la prot eína CO, la plant a no sólo detecta la longitud del día, sino que descubre tambi én la calidad de la luz a través de un ju ego fino de control de los fotorre­ ceptores que regul an la estabilidad de CO y aseg uran que sólo se active la floración en el mom ento apro­ piad o del año. La mo dulac i6n de estos factores puede tener imp or­ tantes efec tos biotecnol6gicos. Sólo hay que imaginar la repercusi6n de la modula ci6n de la floración sobre cultivos tan importantes para nuestro país, y tan parsim oniosos, como el olivo. FEDERICO V ALVERDE Instituto de Bioqu ímica Vegetal y Fotosí ntes is CSIC - Univers idad de Sevilla

37

Fernando Unrein y Hugo Sarmento

El lago Tanganica

a palabra Tanganica deriva del verbo ku tangan­ ya, que en swahili significa mezclar. Este "mar de agua dulce" de 650 km de longitud y una an­ chura media de 50 km tiene una profundidad máxima de 1470 metros, lo que lo convierte en el segundo lago más hondo del mundo. Constituye una de las ma­ yores reservas de agua: contiene el 18 por ciento del agua dulce superficial del planeta, si dejamos aparte los casquetes polares. La fauna ictícola incluye numerosas especies endé­ micas de cíclidos, muy apreciados por los acuaristas europeos. Desde el punto de vista alimentario, se con­ sidera uno de los lagos más productivos del mundo. Del mismo dependen, directa o indirectamente, unos 10 millones de habitantes. Se trata de un lago oligotrófico, pobre en nutrientes. La concentración de fósforo, esencial para la vida, es muy baja. ¿Cómo se explica entonces su elevada

L

38

productividad? La respuesta parece encontrarse en las bacterias y las cianobacterias picoplanctónicas (inferio­ res a dos micras, mil veces menores que un milíme­ tro) que dominan el plancton autotrófico del lago, así como en los pequeños protistas que se alimentan de aquéllas. Los microorganismos aprovechan los afloramientos de nutrientes, de periodicidad anual. Durante la época seca, de mayo a septiembre, cuando soplan fuertes vientos del sudeste, la masa superficial de agua, o epilimnion, es empujada hacia el norte y provoca el afloramiento en el extremo meridional: el agua más fría y rica en nutrientes del fondo asciende y fertiliza las capas superficiales -este fenómeno se observa tam­ bién en numerosas regiones oceánicas-o Combinado con la disponibilidad de luz, el afloramiento favorece el desarrollo de las microalgas, de las bacterias y, por tanto, de todo la trama trófica, incluidos los peces.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

2. Lates stsppersi, o mgebuka, cnns­ tituye el principal recurso pesquero . Junto con otros peces, cubre entre el 25 y el 40 por ciento de la demanda de proteína animal de la población de los cuatro países beneficiarios: Tanza­ nia, Zambia, Congo y Burundi.

3. Los ciliados constituyen unos de los principales depredado ­ res del picoplancton. En estas dos microscopías de epifluores­ cencia se muestra un ejemplar de Strombidium: la iluminación con luz ultravioleta lal permite observar el núcleo y el contar­ no de la célula; la luz verde (b) destaca las cianobacterias que consumió (aparecen en rojo debido a las propiedades íluores ­ centes de la clorofila que contienen).

4. Para estudiar cómo se alimentan los protistas, se tiñen bacterias picoplanctónicas con un colorante fluorescente. Este dinoflagelado ha ingerido una bacteria (verde) y dos pequeñas cianobacterias (rojo).

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

•

•

Citoq umasis en células eucariotas En la citoquinesis, etapa final del ciclo celular, se forma una barrera que separará el material genético recién dividido en dos células hijas Mercedes Pardo

esde el descubrimiento de la división celular, proceso por el que de una célula proge ­ nitora se forman dos células, con el que nació la teoría celula r en el siglo XIX, la fascinaci ón por este proceso no ha decaído. La citoquin esis constituye la etapa final del ciclo celular. Tras hacerlo el material genético, se divide el citoplasma y orgánulo s de la célula, que así da origen a dos. La natura­ leza ha diseñado una sorprendente nanomaquinaria para llevar a cabo un proceso que va desde el reparto del material genético hasta la sepa­ ración física de una célul a en dos, en sutil coordinación para asegurar que cada célula hija recib e un con­ junto completo de cromosoma s y orgánulos celulares. Los primeros estudios sobre ci­ toquinesis se reali zaron con em­ briones de erizos de mar, de fácil man ejo. Predominaba el enfo que morfológico. Así se identi ficaron las estructuras implicadas en la di­

D

40

visión celular. Con el avance de la genética, los modelo s experimenta­ les se ampliaron y permiti eron es ­ clarecer los procesos y mecani smo s mol eculares involucrados. Lo s experimentos reali zado s en levaduras, la mosca del vin agre (Drosophila melan ogastery, el gu­ sano Caenorhabditis elegans y cé­ lulas de mamíferos en cultivo han aumentado nuestro conocimiento de la citoquinesis. Se ha llegado al des­ cubrimi ento de un modelo común, si bien se admite que cada tipo celu­ lar posee sus particularidades. Aquí nos ceñiremos a la citoquinesis en células eucariotas; los procariotas emplean un sistema difer ente. La citoquinesis ocurre inmedi a­ tam ent e despu és de la mito sis o segregación del material genético . Proced e a través de la sucesión or­ denada de varias etapas: elección del plan o de división, ensamblaje de la maquinari a de división, invaginación de la membrana plasmática y sepa­ raci ón celul ar. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

l

En células animales, protozoos y hongos unicelulares el componente fundamental de la maquin aria de di­ visión es un anillo contrác til forma­ do por actina y miosina. Las plantas carecen de este anillo y utilizan el fragmoplas to; además, no invaginan la memb rana plasmática, sino que construye n la pared de separac ión entre las células hijas de for ma cen­ trífuga, desde el centro celul ar hacia el exterior. Los hongos, aislados del medio exterior por una pared celular rígida que los rodea, sinte tizan un septo de sepa ración entre las dos cé­ lulas hijas, pero lo hacen de forma centrípeta y simultánea con la invagi­ nación de la membrana plasmática.

Elección del plano de división

g ~

:zf¡J ~ ~

La coordinación espacial de la ci­ toquinesis con la mitosis es crucial para el mantenim iento de la estabili­ dad genética, es decir, para que cada célula recib a el conjunto exacto de cromoso mas que le corres ponde. La inestabilid ad genómica puede provo­ car la muerte celular, está asociada con patologías del desarrollo y cons­ tituye una de las notas carac terísti­ cas de la mayoría de los cánceres humanos. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

1. PRINCIPALES ETAPAS DE LA CITOQUINESIS. Antes o durante la mitosis, se seleccio­ na el plano de división (a). Allí se ensambla la maquinaria de división, que en la mayoría de los eucariotas, vegetales excluidos, es un anillo contráctil formado por las proteínas actina y miosina (b). El anillo se contrae y provoca la invaginación de la membrana plas­ mática, a la vez que se produce la inserción de nueva membrana (rosa) para aumentar la superficie celular (e). Por último se produce la separación celular, que requiere de la inserción de nueva membrana (d). El material genético se muestra en azul, el anillo contráctil en rojo y los microtúbulos en verde.

Para que cada célula hij a reciba una copia completa del material ge­ néti co, el plano de división ha de ser perpendicular al eje de la segregac ión de los cromosomas. Durante la mi­ tosis, corresponde al huso mitótico la segregación del material genético. Sépase, además, que el mecani smo ut ilizado para determ inar el plano de división es el apartado de la ci­ toquin esis que ha experimentado más cambios en el curso evolutivo de los eucariotas. Las células animales re­ curren a un mecani smo basado en la pos ición del huso mitótico, mientr as que las plantas y las levaduras - hon­ gos unicelulares- lo hacen de forma independiente del huso. La levadura de la cerveza (Sac­ charomyces ce rev is iae) se divid e por gemació n, es decir, mediante la for mación de una yema que brota de

la célula madre. El plano de división es el cuello entre las célul as madre e hija; depende, por tanto, del lugar donde emerge la yema . El sitio de gemació n se seleccio na en estadios tempr anos del ciclo celular, antes de que se forme el huso mitótico; guarda relación con el sitio por donde se dividió la célula progenit ora en el ciclo celular anterior. Según la cepa de levadura, la nue­ va yema aparece adyacente al sitio de la gemac ión anterior o en el polo opuesto. La determin ación del sitio de gemac ión precisa una ser ie de proteínas que constituyen "puntos de referencia". La localización de éstas depende del anillo de septinas. Las septi nas son proteínas con domini o GTPasa que se asoc ian en filamen­ tos; se ensamblan, en una estruc tura anular, en la cara intern a de la su­ 41

S. cerevisiae

@@

Q

S.pombe

~(

)(

)(

~

)G ~O)

Plantas

Célulaanimal

2. MECANISMOS DE POSICION del plano de división en orqanis­ mos eucariotas. En la levadura S. cerevisiae, la nueva yema surge al lado de la cicatriz de la anterior. La maquinaria de división se ensambla en este lugar, predeterminado por marcas o señales (naranja ) depositadas en las primeras fases del ciclo celular. En la levadura de fisión (S. pombe) y en células vegetales la posición del núcleo antes de la mitosis determina el plano de división. En S. pombe la proteína Midl (naranjal transmite la posición del núcleo a la envoltura celular pa ra el posterior ensamblaje del

perficie ce lular. Este anillo marca el sitio de la futura gemación en la fase G 1 del ciclo, antes de la mito­ sis; luego, permanecerá en el cuello entre madre e hija dur ante la mayor parte del ciclo celular. Al final del cicl o, el anillo de sep tinas organiza a las pro teínas de refe rencia. Estas atraen y organiza n la maqui nari a necesaria para el crec imiento de la nueva yema. Ade más de actuar en la selecció n del sitio de gemació n, las septinas partici pan de manera directa en la citoquinesis: inter vienen en el en­ samblaje del anillo contráctil y en la formación del septo. Las septinas se identi ficaron en S. cerevisiae mediant e el análisis de mutantes que se caracterizan por present ar defectos en la sep tación

42

anillo de actomiosina. En las plantas, los microtúbulos forman una banda que deja marcada la envoltura celular en el plano de división. El tabique de división se erige mediante la fusión de ve­ sícu las membranosas (puntos rosesi; crece hasta contactar con la superficie celular. En células animales los microtúbu los del huso mitótico determinan la posición del plano de división mediante interacciones con la superficie celular. Se ha representad o el ADN en azul, el anillo contráctil de actomiosina en rojo y los mlcrntú­ bulos en verde.

(de ahí su nomb re). Posteriormente, se desc ubrieron en la mayoría de los gru pos eucario tas , excepto en plan tas. En cé lulas anima les, las septinas se coloca n en el surco de división y se sos pec ha que tambi én desempeñan alguna función en la citoquinesis. La levadura de fisión (Schizosac­ charomyc es pombe) se divide por fi­ sión binaria; de ahí su nombre. Para elegir el plano de división, emplea un mecanismo distint o, que no está basado en marcas de referencia pre­ vias. Con forma de bastón alargado, S. pomb e presenta el plan o de di­ visió n determinado por la posición del núcleo ju sto antes de la mitosis, situado en el centro de la célula. Ahora bien, ¿cómo seña la el nú­ cleo dó nde ha de co loca rse la ma­

quin aria de división ? El mecanismo molecul ar respon sabl e se desci fr ó mediante mut an tes inc apaces de colocar la maquinaria de divisi ón en el centro de la célula; las leva­ dur as mostr aban así una septación despl azada. A la proteín a Mid 1, que es defectu osa en uno de estos mu­ tantes, le corresponde señalar el sitio de división. Cuando la célula no está dividién­ dose, Mid I se hall a en el núcl eo; for ma también una banda en la su­ perficie ce lular en torno al núcl eo. Pero al comienzo de la mitosis, se produce la fosfor ilación de Mid l por la quin asa Polo, un importante reg ulado r del ciclo celular que se activa ju sto antes de la mitosis. La fosforilación provoca que la banda se condense y forme un anillo fino en

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

o o te


iil o te

W

'"

torno al núcleo. Sobre este anillo de Mid1 se ensambla entonces el anillo contrác til de actina y miosina. Midl permanece en el anillo contráctil has­ ta que comienza la septación. En célul as que carecen de Mid 1, el anillo co ntráctil se ensa mbla, pero lo hace en lugares erróneos, dando lugar en ocasiones a células binuclea­ das y a células pequeñas carentes de material genético.

Células animales y vegetales Existe una proteína semejante a Mid1 en células animales, la anillina, que también form a parte del anill o con­ tráctil. Mas , a diferenci a de Mid1, la anillina es indispensable para la citoquines is . Se une a filamentos de actina y los agrupa en haces. La anillina podría funcionar como un adaptador entre los haces y las sep­ tinas, pues se une tambi én a estas últimas, acopl ando el anillo contráctil a la membrana plasmática. En la célula vegetal el núcleo in­ terfásico señala el plano de división. El prim er paso en la elecc ión del sitio de división es la formac ión del fragmosom a, un conjunto de micro­ túbulo s que se acumulan transver­ salmente en el citoplas ma en las zonas de menor distancia entre el núcleo y la superficie celul ar. (Los microtúbul os, polímeros de tubulin a, forman parte del citoesqueleto celu­ lar.) Adyace nte a la memb rana, la acumul ación de microtúbulos junto con actina crea un anillo llamado "banda de pre-profase", que deter­ mina dónd e se establecerá la pared de separación entre las células hijas. La banda de pre-profase desaparece antes de iniciarse la metafase, o fase de alin eación de los cro moso mas, no sin dej ar marc ada la envoltura celular. Esta señal guía la fusión de la nueva pared de separación con la membrana plasmática.

del sitio de división a los microt ú­ bulos astra les o a los microtúbulos de la zona central del huso, respec­ tivamen te. Denom ínanse astrales los microtúbulos no co mprendidos en el huso. De acuerdo co n el primer model o, basado en em brio nes de invertebrados marinos, los microt ú­ bulos astrales de ambos polos, en estadios tempranos de la anafase, o fase de separación de los cromoso­ mas, interaccionan con la envoltura ce lular y determinan la posició n del plan o de división. En embrio nes de invertebrados co n dos husos mit óti­ cos, la prese ncia de dos conj untos de microtúbulos astra les de hu sos puede inducir la formació n del sur­ co de división entre ellos . Además, aunque mediara un obstác ulo entre huso y envoltura, no se impedi ría la for mació n del surco. El segundo modelo se apoya en resultados obtenidos en cultivos celu­ lares. En las células sólo se desarro lla un surco de división donde hay huso mitótico o un haz de microtúbulos; si se int erpone un obs táculo entre el huso y la superficie celular, no se produce la división. Por eso se propuso que la zona central del hu so mitótico era la responsable de la se­ lección del sitio de división.

---

..

La investigación reciente apunta hacia una co nciliación de ambos mode los. En experime ntos de mi­ cromanipulación con espermatocitos de saltamontes se ha comprobado que los microtúbulos astrales induce n la formació n del surco de división. Paradój ica mente, un huso mitótico al cual se eliminan los micr ot úbu­ los astra les posee tamb ién idéntica capac idad. Ahora bien, cuando los microtúbulos astrales promueven la invaginación de la memb rana, sufren reorganizaciones y se agru pan en ha­ ces compactos, similares a la zona central del huso mitótico. Con otras palabras, los haces de microtúbul os podrían ser, en general, los compo­ nentes del huso mitótico necesarios para inducir la for mación del surco de divis ión. De ello no habría que deducir que sean los microtúbulos los responsa­ bles directos. Para el desarrollo co­ rrecto de la citoquinesis se requiere la prese ncia de numerosas proteínas motoras y factores reguladores aloja­ dos en ellos . Canman y sus colabo­ radores han descrito la existencia, en células de mamífero, de una subpo­ blación de microtúbul os del huso mitótico que se hallan asociados a cromosomas y esta blece n interaccio­

- ....

....

1

Dos modelos en células animales

oo

c:


u

ffi

es

Seg ún dem ostró Ra ppa por t, el plano de división de la cé lula ani­ mal queda determinado por el huso mitótico. Se desconocen el mecanis­ mo molecul ar y los componentes del huso responsables de la ubicación de la maquin ari a de división , aunque parece que cada sistema posee su mecanismo peculiar. Los dos modelos clásicos atribu­ yen el papel principal en la selección INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

3. DESLIZAMIENTO DE FILAMENTOS de actina y miosina, similar al que ocurre en un músculo. Resulta determinante para la contracción del anillo citoquinético . Las moléculas de miosina (azul) son proteínas motoras que "caminan " sobre los filamentos de actina (rojo), a la ve z que tiran de ellos, consiguiendo así la contracción de los filamentos.

43

nes esta bles con la superficie en el ecuador celular; podrían estimular la

contractilidad de esta zona. De acuerdo con el modelo de Can­ man, los cromosomas desempeñarían una función directa en la ubicación del plano de división a través de los mi crot úbulo s; contribuirían a su es­ tabilización mediante el tran sporte de factores estabilizadores desde los centró meros.

Ensamblaje de la maquinaria

y división La estructura encarga da de llevar a cabo la partición del citoplas ma en animales y hongos es un anillo contráct il que se ensambla en la cara intern a de la superficie celular, unido a la membrana plasmática. A través de su movimiento co ntráctil, dirige la invaginación de la membrana plas­ mátic a. Pese a que los hongos poseen una pared celular ríg ida que ciñe a la membrana plasmá tica, se sirven también de un anillo contráctil para llevar a cabo la citoquinesis. Los comp onent es ese nciales del anillo son filamentos de actina y miosin a. Las molécul as de actina se ensamblan en un polím ero, o fi­ lament o. La miosina , prot eína con actividad motora, "ca mina" sobre los filamentos de actina aprovechando la energía producida por su actividad ATPasa. Se atribuye a la miosina la fuerza de contracc ión del anillo . Si se inhib e la actividad ATPasa de la miosina durante la división celul ar, el anillo no se contrae. Pero no acaba de comprenderse el mecanismo de contracción; se requiere, cierto, el deslizamiento de los filamentos de miosin a y actina. Sin embargo, en varios tipos de células los filamentos de actina y miosina no se hallan lon­ gitudinalmente alineados en el ani­ llo contrác til; es decir, no podemos simplemente asimila r el proceso a una contracc ión muscula r. Ade más de ac ti na y miosin a, el anillo contráctil contie ne otros comp onentes nece sari os par a su forma ción y mantenimiento. Tales compo nentes han perdurado a lo largo de la filogenia . La ausenci a de cualquiera de ellos provoca defecto s en la orga nización del anillo y el fracaso de la citoquinesis; aparecen entonces células binucl eada s. Varios componentes del anillo son proteínas estruc tura les, que, a la manera de

44

un andamio, permiten el ancl aje de otras moléculas.

anillo co ntráctil, aun que sí interven­ gan, cabe presumir, en la separación

El anillo contráctil, una estructu­

celular. En células de mamífero, los

ra dinámica, se halla en perman en­ te renovación. Enco ntram os, pues, entre sus comp onent es, proteína s impli cada s en la polimerización o despolimerización de filamentos de la actina; por eje mplo, las formin as. Estas proteínas poseen domini os FH l y FH2, medi ante los que se unen a profilina -otro comp onente del anillo contráctil que se une a mo­ nómeros de actina y los coloca en el extremo en crecimiento del fila­ mento- y participan en la forma­ ción de filamentos de actina. Para la renovación de éstos, y reforzar el dinamismo del anillo, se requiere la intervención de cofilina. Corresponde a la famili a de pro­ teínas PCH, al menos en la levadu­ ra S. pombe, la presumibl e función de iniciar la construcción del anillo contráctil, pues resulta impresci ndi­ ble para asocia r a éste una formina y el complejo Arp2/3, ambos res­ ponsables de la polim eri zación de filamentos de actina. Otros componentes participan en la regulación de la formación y función del anillo. La proteína IQGAP posee domini os de unión directa a actina, calm odulina y GTPasas pequeñas; podría, quizás, establecer la conexión entre la polim erización de actina y las rutas de señalizac ión reg uladoras del ensamblaje del anillo. La GTPasa Rho cumple, en el anillo, una fun­ ción moduladora de proteínas que afectan a la dinámica de la actina (como cofilina, profilina y formina) y modul adora también de otras com­ prometida s con la regulación de la actividad de la miosina. Hemos hablado antes de las sep­ tinas, que han persistido a lo lar­ go de la evolución. En la levadura S. cerevis iae, además de marcar el sitio de división , eje rce n una ac­ tividad dir ecta en la citoquinesis, dond e parecen operar como anda­ mios para el anclaje de proteín as necesari as para el ensa mblaje del anill o (como la miosina) y para la síntesis de quitin a, parte del material que cons tituye el septo. Se sospecha que impid en la contracc ión del ani­ llo hasta el momento adecuado. Sin embargo, en la levadura de fisión las septinas no parecen necesari as para el ensamblaje o localización del

filamentos de septinas se asocian co n los de actina. Algunas septinas de mam íferos aparecen fusionadas a un prot ooncogén en casos de leucemi a mieloid e, lo que sugiere una posi­ ble implicación en la tumorigénesis, mientras que otra septina es un su­ presor de tumores.

Variación del ensamblaje La secuencia temporal del ensambla­ je del anillo contráctil varía según los organismos . Si en célul as animales el anill o se forma al final de la ana­ fase, en S. cerevisiae, en cambio, se genera de un modo más escalonado, que se prolonga a lo largo del cicl o celular. Merced a esa peculi aridad , esta levadura se ha convertido en modelo ideal para el estudio de la secuencia temporal del ensamblaje y para determin ar la interdependenci a entre componentes . En la levadura de la cerveza, el proceso comienza con el ensamblaje del anillo de septinas en la superficie celul ar, antes de la emergencia de la yema. Luego, la miosina se ins­ tala sobre el anillo; a continuación, en anafase, la act ina se incorpora al anillo antes de la contracción. El pro ceso difiere algo en S. pombe, levadura en la que el anillo de actina y miosina se forma al principio de la mitosis; la contracción acontece al final de la anafase. No se conoce bien el mecanismo del ensamblaje del anillo. En S. pombe se produce, primero, una acumulación de cables de actina y miosina y de otros componentes del anillo en el ecuador celular; poco a poco, estos componentes se condensan y crean un anillo definido. En células de mamí­ fero la acumulación de actina en el ecuador celular podría deberse a un flujo cortical de actina polimerizada desde otras zonas de la célula. En la célula anima l la forma­ ción del anill o contráctil procede casi simultánea co n la elecc ión del plano de división . Cuando el anill o se contrae tirand o de la membrana plasmátic a hacia el centro celular, se enc uentra co n la zona ce ntra l del huso mitótic o; esta es tructura microtubul ar se ha constituido por la agrupación en haces de los mi­ cro túbulos que no están unidos a

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, julio, 2005

cromo somas. En los últimos esta­ dios de la citoquinesis, tales haces de microtúbul os se compac tan para dar origen al cuerpo medi o. La zona central del huso y el cuer­ po medio resultan decisivos para que la citoquines is se lleve a término. Varias proteínas aloja das en los mi­ crotúbulos de la zona central del huso mitótico dirigen la formación del sur­ co de división y son necesar ias para la culminación de la citoquinesis; su ausencia o mutación provoca fallos en el proceso. Podemos agrupar di­ chas proteínas en dos categorías: "pa­ sajeros cro mosó micos" y proteínas motoras de microtúbulos.

Pasajeros cromosámicos

o

"a:~ ~

"uw

ffi

'"

Integran el primer grupo un comple­ jo proteico constituid o por las pro­ teínas INCENP, sur vivina, Auro­ ra B y CSC - I. Recientemente se ha identificado al factor de intercambio RCC I como otro pasajero cromosó­ mico, aunque no se ha determin ado si for ma parte del complejo anterior y si interviene también en la cito­ quin esis. La expresión "pasaje ros cromosó­ micos" evoca su distribución celular: INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

4. SECUENCIA DE VIDEOMICROSCOPIA de fluorescencia de la citoquinesis en la levadu­ ra S. pombe. Estas células llevan insertada en su genoma una copia de la miosina unida a proteína verde fluorescente; ello nos permite visualizar el anillo contráctil. Nótese la contracción del anillo y la división final de la célula en dos. Se indica el tiempo transo currido entre cada imagen en minutos. Las formas en blanco definen el perímetro de las células.

se trata de proteínas asoc iadas a los cro moso mas al principio de la mi­ tosis, concentrándose en los centró­ meros en metafase. En anafase avan­ zan desde los centrómeros hasta los microtúbul os de la zona media del huso mitótico; luego se trasladan a la superficie ecuatoria l de la célula. La prese ncia ecuatorial de los pasajeros cromosó micos resulta obligada para la citoquinesis. Según parece, el compo nente acti ­ vo del complejo proteico es la quin a­ sa Aurora B. Las proteínas INCENP y survivina son necesaria s para lo­ calizar correctamente dicha enzi ma, amén de contribuir a su activación. De hecho, INCENP es uno de los componentes más precoces del pia­ no de división; aparece incluso antes que la miosina. Se exige la actividad quinasa de Aurora B para la organi­ zación del cuerpo medio.

Cuando falta o está defectuoso al­ guno de los componentes del comple­ jo, las células comienzan a invaginar el surco de división; después, éste retrocede, dando lugar a células mul­ tinucleadas. La regresión del surco de división se debe a un fallo en la organización de los microtúbulos de la zona media del huso. Los pasajeros cro mosó micos par­ ticipan, además, en la condensació n del ADN y la segregac ión de los cro­ mosomas; podr ían, pues, constituir el nexo de unión en la regulación coordinada de mitosis y citoquine­ sis o El aco plar la seg regació n de los cromoso mas a la formación de la zona media del hu so gara ntiza que la ci toquinesis esté coordinada con el reparto del material genético. Muchas líneas ce lulares tumorales contienen niveles de Auro ra B más elevados de lo normal, indicio de su 45

posibl e intervenci ón en procesos de tumorigénesis.

que se encarg uen del transporte de componentes necesario s para el en­

sec reción. La estruc tura respon sable de la división celular en los vegetales

Proteínas motoras

samblaje dcl anillo hasta el plano

se denomina fragmoplasto.

ecuatorial de la célula.

A parece al final de la anafase . Consta de microtúbulos y filamen ­ tos de actin a. Los microtúbulos del fragm oplasto transportan ves ículas derivadas del aparato de Golgi, que conti enen los material es para la cons­ trucción de la placa de separación (constituida por nueva membrana y pared celular) entre las futura s célu­ las hija s. El ensamblaje de la placa de separació n se produce median­ te la fusión de vesículas entre sí y co n la placa en crecimiento, desde el centro celular hacia el exterior, hasta conta ctar con la pared de la célula parental. Sin embargo, ciertos descubrimien­ tos recientes en células animales y levaduras apuntan a que el mecani s­ mo utili zado por los vegetales quiz á no resulte, a la postre , tan diferente . La fusión de vesícul as para la adición de membrana se co nsidera ahora un elemento común de la citoquinesis en todos los eucar iotas. Esta hipótesis viene avalada por la observaci ón de que se exige la intervención de varias proteínas impli cadas en la secreción, lo mism o en vegetales que en célu las animales, para la citoquinesis. Ade ­ más, el tran sporte de estas vesículas se perfila como la función universal de los microtúbul os de la zona centra l del huso mitótico .

E l grupo de las proteínas motoras lo integran dos familias de quin esi­ nas: MKLP I y KLP3A . Ambas se alojan en la zona central del huso mitótico. Su presencia resulta im­ prescindible para la co nstitució n de la zona central y la terminación de la citoquinesis. La famili a MKLP 1 se une a una GAP (proteína activadora de GTPasa) de la familia Rho (HsCYK-4) . El compl ejo result ante, la centralspind­ lina , que ha perdurado en la esca la evolutiva, promueve la agrupació n de microtúbulos en haces in vitro , Si falt a o ha sufrido una mutación cualquiera de los dos componentes, se desorgani za la zona central del huso mitótico. Existe una relación funcional en­ tre el complejo centralspindlin a y el complejo Aurora B-s urvivina-IN­ CENP. La ausencia de Aurora B o de INCEN P provoca un defecto en la locali zación de MKLP l. Además, se ha observado que en células human as Aurora B fosforila a CYK -4 y mo­ dula su especificidad, haciéndola ac­ tuar sobre RhoA. La proteína RhoA podría ser inactivada en los estadios finales de la citoquinesis, para dar término a este proceso. Hemo s dich o que la quina sa Polo, presente en los microtúbulos de la zona central del huso, desempeña un papel crucial en la citoquinesis. Polo fosforila a la quinesin a MKLP I, y asegura su corr ecta localiz ación. En resum en, dos quina sas, Auro­ ra B y Polo, son ese nciales para ase­ gurar la correcta organización de los microtúbulos de la zona media del huso mitótico y la culminació n de la citoquinesis. Se trata de quinasas ca­ pacitadas, quizá, para fosforil ar subs­ trato s y así promo ver el ensa mblaje de la zona media del huso mediante union es entre microtúbul os o el trans­ porte de factores estabilizadores de los mismos. Podrían también originar señales en la red ecuatorial de acto­ miosina o controlar la dinámi ca de las membr anas, con el fin de asegurar que esta fase de la citoquinesis llega a buen puerto . Entra dent ro de lo po­ sible que las quin esinas se requi eran para estabiliza r los microtúbulos de la zona central del huso o inclu so

46

Interdependencias En los últim os años se han aportado pruebas de la relació n de interdep en­ denci a, en la célula animal, entre los microtúbul os de la zona media del huso mitótic o y el anillo co ntráctil. Cuando una de estas estruc turas su­ fre una alteración, por mut ación o agres ión química, se resient e tam­ bién la otra, con la desorgani zación co ns iguiente de la maquinari a de división y fracaso de la citoquin e­ siso Este fen ómeno se ha observado principalmente en Drosophila y en células de mamífero en cultivo. Las mutaciones en componentes del anillo contráctil que prov oc an la desorgani zación del mi smo oca­ sionan tambi én defectos en la zona central del huso. Si se despolim eri­ zan quími camente los microtúbulos dur ante estas fases, o se altera la estructura mediante mutaciones en las quin esina s antes mencionadas, se desorganizan los filamentos de actina del anill o, llegánd ose inclu so a la regresión del surco de división. Así pues, parece que los micr o­ túbul os de la zona central del huso mitótico desempeñan una función en la estabilizac ión del anillo contrác­ til dur ante la anafase y la telofase. Aco ntece, asimismo, el proc eso in­ verso. En la levadura de fisión, hemos observado una interdependencia si­ milar de las estructuras equivalentes. El anillo de actina se requi ere para que, al final de la mitosis, se form en estructuras micr otubulares necesarias para la citoqu inesis. Y si se eliminan estas estruc turas mediante tratami en­ to co n agentes despolimeri zantes de microtúbulos se despla za el anillo contráctil haci a uno de los extremos celul ares, fenómeno que desemboca en inestabilidad genética cuando se divide la célula.

Fragmoplasto Las plantas poseen un mecanismo diferente para llevar a cabo la cito­ quin esis. No utili zan el anill o con­ tráctil. Para construir el tabique de separac ión entre las dos células hijas, desde el centro de la célula hacia el exterior, se sirven de los microtúbu­ los y de la fusión de vesículas de

Membranas y sintaxina Para aumentar la superficie membra­ nosa durante la cit oq uinesis, debe llegar nueva membrana al plano de divi sión, aportada, según diver sos indicios, por vesículas proc edentes del aparato de G olgi , y que aca­ barían por fusiona rse con la mem ­ brana plasm ática en el surco de división . Los receptores SNA RE son un conj unto de proteína s persistentes en el curso evolutivo que median la fusión de membranas en varias rutas de tráfico intr acelu lar. Existen dos tipo s de SNARE : l y V . Las l-SNA­ RE se locali zan en la membrana dia­ na (t, de "target"), o receptora, y las v-SNARE en la membrana de las vesícul as (v, de "ves icle") , La unión de l-SNARE y v-SNARE media la fusión de las vesículas a la membrana receptora. Se cree que la fusión en cada paso de la ruta secretora viene

INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, julio, 2005

posibilitada por una pareja específica de SNA REs . La sintaxina es una t-SNARE. El descubrimiento de que la mutaci ón de la sintax ina KNOLLE en planta s provoca un fallo en la citoquinesis fue la prim era prueba del nexo entre la fusión de membranas y la citoqui­ nesis. Posteriormente, se observó que la fusión de vesículas con la membr a­ na plasmática mediad a por sintaxina resultaba, asimismo, crítica para la citoquines is en células anim ales. Todos los euca riotas poseen va­ rias sintax inas, aunque sólo alguna de ellas funciona especí ficamente en citoquines is. En el gusano la caren­ cia de sintaxi na 1 da lugar a células multinucleada s, con defectos en la invaginación del surco de división, mien tras que el hom ólogo en la mosca es necesario para la celulari­ zación, una forma especializada de la división celul ar. La sintax ina 1 se aloja en el surco de división; las mutaciones en la misma provocan un fallo en la fusión de vesículas, sin repercu sión, no obstante, en el trans­ porte de las mismas. Así se asegur a que no se produzca la división celular hasta que no se hayan separado los cromoso mas. En células de mamífero , la sin­ taxina 2 se encue ntra en el cuerpo medio. Se la requi ere para la absc i­ sión o sep aración final de las células hijas, pero no para la invagin ación del surco de divi sión . Queda así patent e que estos dos procesos de la citoquines is utili zan mecani smos de fusión de membranas, aun que di­ ferentes. Otro grupo de pro teínas de la ruta secre tora tiene una función en la ci­ toquin esis. Se trata del complejo exo­ cítico, integrado por siete unid ades y requerido para el fun cionamiento cor recto de la rut a de secre ció n. Se cree que el complejo exocítico dirige las vesículas hasta sitios específicos de la membrana plasmática. Varios miembro s del complejo interaccionan con las sep tinas, vinculadas a su vez con las sintaxinas.

Regulación espacial g ~

lfl ¡¡J

~ ~

La regulación espacial de la citoqui­ nesis podría transcurri r a través de la regulación de los sitios disponibl es para la inserción de nu eva mem­ brana. Es posible que el complejo exocítico dir ija las vesículas hacia

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

I

...

5. LOS "PASAJEROS CROMOSOMICOS" son un grupo de proteínas esenciales para la citoquinesis. Al principio de la mitosis o división nuclear, se alojan en los centrómeros, la zona de los cromosomas por donde éstos interaccionan con los microtúbulos del huso mitótico (a). Cuando los cromosomas comienzan a separarse, los pasajeros cromosómicos se redistribuyen por los microtúbulos de la zona central del huso lb}. Algo más tarde, aparecen en la superficie ecuatorial. por donde se va a dividir la célula (e). Cuando el anillo se contrae y se invagina la membrana, quedan en el cuerpo medio, una estructura microtubular que une ambas células hijas, para desaparecer tras la separación celular (d). Los pasajeros cromosómicos contribuyen a la estabilidad de la zona central del huso y el cuerpo medio, que son esenciales para la citoquinesis.

el lugar donde han de fusionarse con la membrana plasmática. Las septi nas pod ría n funcio nar como nexo entre los componentes citoes queléticos y los componentes memb ranosos; o, quizá, tener un pa­ pel regulador de la delimitación del área de inserción de nueva mem bra­ na en el sitio correcto. Esta seg unda hip ótesis result a bastante atrac tiva, sobre todo porque las septinas funcio­ nan a modo de barrera limítrofe entre las células madre e hija durante la división en la levadur a S. cerev isiae, impidiendo la difusió n de factores de creci miento desde la célula hija a la célula madre. Una vez que las vesí­ culas llegan al lugar de constricción, su fusión con la membr ana plasmá­ tica está regulada por las sintaxi nas presentes en ese punto. En embrio nes de ver tebrados e invertebrados marin os se ha descu­ bierto un co njunto de microtúbul os tangentes al surco de división . La despolimerización de estos microtú ­ bulos bloquea la inserción de mem­ brana e insta la regres ión del surco

de división , co n el fracaso co nsi­ guiente de la citoquines is. De ello se des prende la imp ort anci a, para la división celul ar, del transporte de co mpone ntes membran osos por los microtúbul os. Aunque estas estructu­ ras no se han obser vado en células somát icas, los microtúbulos de la zona ce ntral de l huso y el cuerpo medio podrían qui zá desempeñar un papel se meja nte en el caso de las células de mamí fero.

Regulación temporal Para que la división celular culmine con éxi to, resulta imprescindible no sólo la coordinación espacial, sino tambié n la coo rdi nac ión temp oral de los distintos episodios del ciclo ce lular. La citoquinesis no debe ocurrir an­ tes de la formación del huso mitótico y la segregac ión de los cro moso mas . Si se desarrollara antes de la mitosis, se produ cirían cambios en el número de cromosomas y, por tanto, en la dotación genética de las células. La citoq uines is constit uye un proceso

47

los microtúbul os del cuerpo medio necesari as para el mant enimiento

CDK

estructural de los mismos. Lo que

Cps1

..........

nos mueve a pensar que el papel de Polo en la citoquinesis atañe a la fosforilació n y activ ación de varias de estas proteínas. En levaduras se ha identi ficado un segundo mecanismo para coordinar la citoquinesis con la segregación de los crom osomas. Se trata de una casca da de transducción de señales ubicada en el cuerpo polar del huso (CPH), que se activa durante la mitosis.

La ruta SIN

6. COORDlNACION DE LA CITOQUINESIS con el final de la mitosis. La ruta SIN, responsable de ese acompasamiento, se organiza y activa en el cuerpo polar del huso (CPH). Las proteínas Sid4 y Cdcll persisten en el CPH a lo largo de todo el ciclo celular; constituyen el anclaje para las demás proteínas de esta ruta de señalización. Durante la interfase, la GTPasa Spgl y su GAP, el complejo Cdc16-Byr4, se alojan en el CPH . La inhibición de Spgl por Cdc16-Byr4 hace que se mantenga unido a GDP. Cuando la célula entra en mitosis, Cdc 16·Byr4 desaparece del CPH, Spg 1 se une a GTP, se activa y recluta a la quinasa Cdc7 . Al comenzar la anafase, Cdc16-Byr4 vuel­ ve a uno de los CPH y provoca la pérdida de Cdc7 del mismo. Además, al disminuir la actividad de COK, la quinasa Sidl junto con Cdc14 es reclutada al CPH donde queda Cdc 7. Aquí activan al complejo formado por la quinasa Sid2 y Mob 1; instan su trasla­ do hasta el anillo de actina-rniosina. La ruta SIN se encarga de ubicar, en la membrana plasmática adyacente al anillo, la enzima responsable de la síntesis del tabique de división, desencadenando la contracción del anillo y la septación. Otro de los efectores de la ruta es la fosfatasa Flp 1, que actúa en la salida de mitosis y podría intervenir también en la citoquinesis.

aco mpasada mente coordinado con otros eventos del ciclo . Las células poseen varios meca­ nismos para prohibir la citoquinesis hasta que termin e la segregac ión de cromosomas. El primer mecanismo pone en juego a las principales qui­ nasas reguladoras del ciclo celular, CDK (o quin asa dependi ente de ci­ c1inas) y la quinasa Polo. La citoquin esis depende de la en­ trada de la célula en mitosis, regu­ lada por la Cdk I y la ciclina B. La inhibición de la actividad quin asa por destrucción de la ciclina inicia la anafase, o separación de los cromoso­ mas. Ahora bien, si se expresa en las células una ciclina que no puede ser degradad a por el compl ejo promotor

48

de la anafase (APC), se bloquea el ciclo celular en anafase; no se pasa a la citoquinesis. La quina sa Polo, al igual que la CDK , desempeña varias funciones en mitosis. Ade más, parece cumplir una misión más directa en la citoquinesis. En S. pomb e, la proteína homóloga a Polo indu ce la septación en célu­ las en G2, indicio claro de que se trata de un regul ador prin cip al de la citoquinesis. En las levadur as, la quinasa Polo se aloja en el anillo contráctil. En células animales, Polo, que se encuentra en la zona central del huso y en el cuerpo medio, es decisiva para la citoquines is. Esta quin asa, además, form a complejos proteicos con varias pro teínas de

En S. pombe la función de señaliza­ ción del CPH coordina directamente el final de la mitosis con la cito­ quin esis; la ruta de señalización se denomin a SIN. Aunque las células mutantes en esta vía puedan origi­ nar el anillo contrác til, éste no es estable, ni se con trae, sino que se deses tructura al final de la mitosis. Pero el ciclo nuclear prog resa sin co ntra tiempo y da lugar a células multinu cleadas. El regulador pri ncipal de la ruta SIN es la proteína Spg l , una GTPa ­ sao La ac tivac ión de esta enzima medi ante su conversión a la forma unida a GTP dese nca dena la cascada durante la mitosis. En interfase, Spg l se manti ene inact iva por su GAP o inhibidor, un complejo formado por las proteínas Cdc l6 y Byr4. Al prin cipio de la mitosis se activa Spg 1 y se produ ce el reclutamiento y la activación secuencial de las quinasas Cdc7, Sid 1 y Sid2. La prese ncia de Sid l en el cuerpo polar del huso y su activación de­ penden de la inactivación de CDK. Se asegura con ello que la citoqui­ nesis se demore hasta la segrega ­ ción cromosó mica , coor dinando la cito quinesis con la separac ión de los cro moso mas. La activación de Sid2 provoca su traslado al anillo contráctil, dond e insta probablement e la contracc ión del mismo y la citoquines is . La contracción del anillo en S. pomb e está ligada a la formació n del septo o pared de separac ión entre las dos células hijas; uno de los efectores de esta ruta es una enzima responsable de la síntes is del mismo. Es decir, en esta levadura la inhibición de la citoquinesis por la CDK tiene lugar a través de la ruta SIN, impidi endo INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

o

o a:


w Ü

s

"

la localización y activación de la quinasa Sid l.

La ruta MEN En la levadura S. cerevisiae se des­ cubre una cascada equivalente, deno­ minada MEN, cuya función principal es, sin embargo, la de promover la salida de mitosis. La ruta MEN re­ trasa la salida de mitosis hasta que el huso mitótico ha pasado por el cuello y se encuentra entre las células madre e hija. En la regulación de la salida de mitosis, el elemento clave es la fos ­ fatasa Cdcl4; corresponde aMEN mantenerla activada. No obstante, la investigación reciente sugiere que esta ruta de señalización podría in­ tervenir en la propia regulación de la citoquinesis. Algunos componentes de la misma se alojan en el cuello en­ tre madre e hija; la ruta es necesaria para la contracción del anillo, aun­ que el mecanismo no está tan claro como en el caso de la ruta SIN. La pérdida de Flp 1, proteína homóloga a Cdcl4 en S. pombe, provoca fallos en la citoquinesis; con otras palabras, Cdcl4 también podría intervenir en la citoquinesis . Se ignora si las células de ma­ mífero poseen una ruta de señali­ zación equivalente a SIN o MEN. Algunos de los componentes de esta ruta han persistido a lo largo de la evolución; se han encontrado homó ­ logos de la quinasa Sid2/Dbf2, de la GAP Cdcl6/Bub2, de Mobl y de la fosfatasa Cdc14. Pese a que ese dato no supone una prueba definiti­ va, permite sospechar la existencia de una cascada similar o que hayan persistido, en eucariotas superiores, algunos aspectos de su función al final de la mitosis. A ese respecto, se ha identificado en células de mamífero la centriolina, una proteína que posee una zona se­ mejante a CdclllNudl, las proteínas responsables del anclaje de las ru­ tas SINIMEN en el cuerpo polar del huso . La centriolina interviene en los episodios finales de la citoquinesis, en la separación celular en concreto, amén de requerírsela para la progre­ sión hacia la siguiente fase S, otro apoyo más para esta hipótesis. El cuerpo polar del huso se per­ fila así como regulador principal de la citoquinesis en levaduras, en un proceso coordinado con la división

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

nuclear. El centrosama, la estructu­ ra equivalente en células animales, muestra, a su vez , su relevancia en la terminación de la citoquinesis. En células humanas, el equipo dirigido por Piel ha observado que, en los últimos estadios de la citoquinesis, el centriolo madre se mueve hacia el puente de unión entre las dos células hijas. Hasta que no ha regresado a su posición inicial, no se completa la citoquinesis y tiene lugar la se­ paración de las dos células. Abona esa observación la hipótesis de que el centrosoma ejerza alguna función de control espacial sobre la citoqui­ nesis , semejante al papel del cuerpo polar del huso en levaduras. Añádase que la falta de centrosamas provoca fallos en la citoquinesis.

Citoquinesis, desarrollo y enfermedad No todas las células se dividen por el ecuador celular para originar dos células hijas del mismo tamaño. La primera división del embrión de C. elegans o la división de neuro­ blastos de Drosophila, por ejemplo, se desarrollan de forma asimétrica, con el resultado de dos células de distinto tamaño y contenido. Esta di­ visión asimétrica es parte del meca­ nismo para determinar el destino de las células hijas durante el desarrollo del organismo. La investigación de ese aspecto de la citoquinesis ha llevado a la identi­ ficación de los factores determinantes de la asimetría de la división . En ausencia de los mismos, las células se dividen por el ecuador y se ori­ ginan dos células hijas iguales. El modelo más extendido supone que la reorientación del huso mitótico hacia un extremo de la célula se debe al distinto dinamismo de los microtúbu­ los en ambos polos celulares, causado por diferencias en las interacciones entre microtúbulos y superficie celu­ lar; de ello resultan distintas fuerzas ejercidas en los polos del huso y el desplazamiento de éste hacia uno de los extremos celulares. Otra de las formas especializadas de citoquinesis es la citoquinesis incompleta. Se observa durante el desarrollo del oocito de Drosophila o en la espermatogénesis en mamí­ feros . En este tipo de división, el surco de división se invagina, pero no llega a cerrarse ni, por ende, se­

parar las células hijas. No se sabe muy bien si en estos tipos celulares existen factores que impiden que se complete la citoquinesis o si carecen de los factores necesarios para cul­ minarla. Estos dos sistemas resultan muy útiles para la investigación del mecanismo de la citoquinesis. El cáncer se caracteriza por una proliferación incontrolada de células que no responden a las señales del desarrollo normal. La inhibición o el mal funcionamiento de la citoquine­ sis puede contribuir a que una célula gane o pierda genes, promoviendo su transformación en célula cancerosa. Pero, por otra parte, los procesos ne­ cesarios para la proliferación celular constituyen dianas habituales en la terapia antitumoral. La citoquinesis no parece estar sometida a puntos de control que impiden que la célula continúe el ciclo celular en caso de algún fallo; pudiera, pues, ser una eficiente diana para nuevas drogas antitumorales. De momento sólo se ha identificado un punto de control de este tipo en levaduras. La citoquinesis es un ejemplo extraordinario de mecánica celular. Pese a los avances en el esclareci­ miento de cómo funciona y está re­ gulada la bioquímica responsable de la citoquinesis, aún quedan muchos misterios por descubrir.

la autora Mercedes Pardo, doctorada en Farma­ cia por la Universidad Complutense de Madrid, trabaja en el Laboratorio de Ciclo Celular de Cancer Research UK en Londres.

Bibliografía complementaria ANIMAL ctu CnOKINESIS. M. Glotzer, en Annual Reviews in Cell and Deve­ lopmental Biology, vo1.17, págs . 351­ 386; 2001. CnOKINES IS IN PROKARYOTES ANO EUKARYO­ TES: COMMON PRINCIPlES ANO OIFFERENT SOlUTIONS. N. Nanninga, en Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 65, págs . 319·333; 2001. CnOKINESIS IN EUKARYOTES. O. A. Guertin, S. Trautmann y O. McCollum, en Micro·

biologyandMolecular Biology Reviews, vol. 66, págs. 155·178; 2002.

49

Nuevas investigaciones subrayan la sorprendente complejidad de las tormentas eléctricas. El rayo sigue planteando problemas desconcertantes Joseph R. Dwyer

confusión. Para resolver el misteri o, estamos construye ndo un conjun to de detectores de rayos X en un lugar de Flo rida.

No son meras chispas En algunos aspectos , el rayo se pa­ rece a una gran chispa. Pensemos en una chispa corriente, como la que se produce cuando se toca el pom o de una puerta tras haber andado por una alfombra. Los zapatos despr end en electro nes, de modo que acumula­ mos carga eléctrica . Nos rod ea así un campo eléctrico. Cuando el campo es débil , el aire constituye un buen aislante: los electrones se unen a los áto mos de oxígeno a mayor veloci­ dad qu e se desprend en por acción de los choques ; la corriente eléctrica no circula en cuantía apreciable. Pero cuando los dedos se acercan al pomo, el campo eléctrico se refu erza local­ mente. Si alcanza un valor crítico de unos tres millones de volts por metro (campo de ruptur a), el aire se vuelve conduc tor y se produ ce la descarga: una corriente salva el hiato entre la mano y el pomo. La electrizac ión de las torment as comp arte algunas semejanzas con el ejemplo de la alfombra. En el inte­ rior de la nube torment osa, el papel de los zapa tos sobre la alfombra le corresponde, co n toda probabilidad, al gra nizo bland o - formado por gránulos de nieve- que cae entre los cristales de hielo y las gotíc ulas de agua. (Todavía se debate acerca de los detalles del proceso.) Cua n­ do estas partícul as choca n entre sí, pueden arra ncar electrones y adquirir carga eléctrica. Las cargas pos itivas y las negativas se separan desp ués por la acción de las corrientes asce n­ dent es y la gravedad, con lo que se genera una diferencia de potencial. Pero si tratamos de llevar más allá

la ana logía del pom o, tro pezamos con un serio probl ema: las decenas de medid as rea lizadas med iant e glo­ bos, aviones y cohetes direct amente en el interior de las nubes rara vez han encontrado campos de intensidad superior a 200.000 volts por metro. Tamaña inten sidad basta para causar en el aire una ruptura, como ocurre cuando tocamos el pomo. Has ta hace poco, dos era n las explicac iones preferid as. Seg ún la prim era, ca bría la existe ncia de cam­ pos eléctricos más int en sos en el interi or de las torm ent as, per o só lo en volúmenes más pequ eñ os, por lo qu e costaría med irlos. Aunque la obse rvación no ha podid o descartar tal hipótesis, no resulta satisfac toria, pues co n ella sólo ree mplazamos un probl ema por otro : ¿có mo se produ ­ ce n ca mpos eléc tricos tan int en sos en volúmenes de nube tan pequ eños? La seg unda ex plicación proviene de los experime ntos que muestran que el ca mpo eléc trico necesari o para produ ci r un a descarga dis minuye aprec iableme nte cuando hay gotas de agua o part ícul as de hiel o en el aire, co mo oc urre en el interi or de las tor me ntas. Por desgraci a, aña­ dir llu via o hielo sólo alivia parte de la discrep ancia; el ca mpo en las torm entas tod avía parece dem asia­ do déb il par a genera r una descarga co mú n. Tampoco se está muy seguro acer­ ca de cómo atraviesa el rayo varios kilóm etros de aire. El proceso co­ mienza con la formación de una guía, un canal caliente que ioni za el aire y tra nsporta cargas a lo largo de gran­ des distancias (véase el recuadro "La breve vida del rayo"). La guía no se prop aga hasta el suelo sin solución de continuidad ; lo hace a través de una serie de pasos discretos. No se sabe con exac titud de qué manera.

00 • Los rayos de las tormentas desconciertan a los físicos. Los campos eléctricos del interior de las tormentas no parecen tener la intensidad suficiente para generar una descarga eléctrica ordinaria. • El reciente descubrimiento de emisiones de radiación X en los rayos de las tormentas apoya la hipótesis de que éstos, de una manera aún desconocida, aceleran los electrones hasta casi la velocidad de la luz; a este fenómeno se le llama "ruptura desbocada". • Se está instalando en Florida un conjunto de detectores de rayos X para estud iar los procesos que inician los relámpagos y permiten su propagación .

52

Estas dificultades han conducido a much os, entre los que me cuento, a preguntarse si no se nos habr á es­ capado algo impo rta nte. Tal vez no deba considera rse al rayo una descar­ ga corriente, análoga a una chispa en el pom o de una puerta. Existe otra clase de descarga , menos habitual: la "ruptura desbocada ". En una descar ga co rrie nte, los electrones se mueven despacio por­ que sufre n co nsta ntes choques co n las mo léc ulas del a ire. Los choques cre an una fuerza de arras tre efectiva, se mejante a la que se siente cua ndo se saca la mano por la venta na de un coc he : cua nto mayor es la ve­ locidad , más aume nta la fuerza de roza miento, y cuando el coc he frena, disminu ye. Pero si las veloc idades de los elec tro nes adquiere n cier to valor -al men os se is mill on es de metros por seg undo, que viene a se r un dos por ciento de la veloc ida d de la luz- la fuerza de arras tre de­ crece tanto más cua nto más dep risa se mueven los elec tro nes (véase la f ig ura 2) . Si un campo eléctr ico inten so ace lera un elec trón de alta veloc idad, la fuerza de rozami ento disminuye; ento nces, el elec trón se mueve a mayor vel ocidad todavía, co n lo qu e se redu ce aún más la fuerz a de roz amiento, y así sucesi­ vame nte. En es as condi ciones, los elec tro nes pued en ace lerarse has­ ta casi la velocidad de la luz; es dec ir, adquirir eno rmes cantidades de energí a y produ cir la "descarga desbo cada " . Es te proceso requiere una pobla ­ ción inicial de elec trones con altas energías . En 1925, C. T. R. Wilso n pl anteó qu e la de sintegración de isótop os radiactivos o los choques de las partícul as de los rayos cós mi­ cos con las molécul as del aire qui zá gener ase n electro nes de alta energía que se desbocarían en los campos eléctricos del interi or de la nube de tor menta. Por desgracia, el model o de Wilson predecía un número de elec tro nes desbocados produ cidos por la desintegración radiac tiva y los choques de rayos cós micos demas ia­ do esc aso para genera r rayos. En 1961, Alex ander V. Gurev ich, del Instituto Lebedev de Física de Moscú, propuso otro mecani sm o de producción de elec trones desboca­ dos. Mos tró qu e se los podía crear en cuantía notabl e dent ro de cam-

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

julio, 2005

Electrón desbocado ~

+++++++++ Región de carga positiva

Una vez se inicia el rayo, los elec­ trones excavan un canal ionizado, o "guía escalonada". En cada paso, los electrones se acumulan en el extremo de la guía, donde crean un campo intenso y local que acelera nuevos electrones desbocados. Las partículas, al chocar con las moléculas del aire, emiten brotes de rayos X. El proceso se repite hasta que la guía escalonada, que puede ramificarse, llega al suelo

., \ \ \ __ RayOS \\\ gamma

Las partículas de la lluvia, entre las que hay elec­ trones de alta energía, chocan contra las moléculas del aire en el interior de una nube de tormenta y liberan otros electrones de alta energía. Aceleradas por el cam­ po eléctrico que se extiende entre las regiones de carga negativa y positiva, las partículas inician una avalancha de electrones desbocados, que generan rayos gamma en su avance a través de la nube. Esta "ruptura des­ bocada" puede servir de catalizador para el rayo Nubede tormenta

Corriente

Una vez que la guía escalonada llega al suelo, circula un fuerte impulso de corriente por el canal, el rayo de retorno. La corriente calienta el aire hasta los 30.000 grados; se produce enton­ ces el destello de radiación visible, el relámpago

~ de electrones

a través del canal ionizado I I

-

\ /

I

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Radiación visible

I

53

pos eléctricos muy inten sos si se los ace leraba directamente a par tir de la ubicua població n de electrones libres de baj a energía. Desaparecía así el probl ema co n que tro pezó Wilso n: la escasez de elec tro nes de alta energía . Para gene rar tales electrones desbocados, Gurevich re­ curría a la fuerza brut a, con ca mpos eléctricos tan intensos, que algunos de los electrones de baj a energía se ace leraban rápidamente hasta alca n­ zar y superar el umbral de energía más allá del cual pued en des bocar­ se. El prob lema de este mecanismo es que requiere un ca mpo eléc trico unas diez veces mayor que el campo de ruptur a ordinario, mucho mayor, a su vez, que los cam pos obse rvados en las tormentas. En pocas palabras: los físicos parecían estar encam inán­ dose en una dirección erró nea . Fina lmente, en 1992 surgió una idea qu e pro me tía llegar a exp li­ car lo que sucede en el interior de las tor mentas y cómo se prod uce el rayo . Gurev ich, junto con Gen­ nady M. Milikh, de la Universidad de Maryland, y Ro bert Ro usse l-D u­ pré, del Laboratorio Nacional de Los Alamas , propusieron el mode lo de la Avalancha Relativista de Elec­ trones Desbocados. De acuerdo con este modelo, los pro pios electrones desbocados genera n, al chocar brus­ camente con las moléculas del aire y arra nca r otros elec trones de alta energía, más electrones de alta ener­ gía que servirán de nuevas sem illas para el proceso. Estos electrones arr anc ados se desbocan y chocan co n otras mol écul as del aire, se produ cen entonces más electrones semilla, y así sucesiva mente. Se crea . una gra n avalancha de elec trones de alta energía que crece exponencial­ ment e con el tiempo y la distancia. Puesto que este proceso lo puede ini­ ciar un solo electrón de alta energía que haga de semilla, basta el fo ndo continuo de choques de rayos cós­

54

micos y des integraciones radiactivas para dese ncadenar una avalancha de electro nes desbocados . Y mien tras la avalancha no salga de una región de intenso campo eléctr ico, seguirá cre­ ciendo indefinidamente. El res ultado será una rup tur a desbocada. Además, a difere ncia de la antigua hipótesis de Gurevich, este nuevo mo­ delo de la ruptura desbocada requiere un campo eléctrico de una intensidad de sólo una décima parte de la re­ querida para una ruptura normal en aire seco. A la altura de las nubes tormentosas, donde la densidad del aire es menor que al nivel del mar, el campo eléctrico necesario para esta clase de ruptura desbocada es de unos 150.000 volts por metro, dentro del margen de los valores que se miden en las torme ntas . No debe de ser una coincidencia que vengan casi a coincidir el máximo campo eléctrico observado en el interior de las nubes de tormenta y el requer ido para una ruptu ra desboca da; mis cálcu los han mostrado que la ruptura desbocada no tardaría en desca rgar el campo eléctrico si aquélla fuera mucho más intensa. En una descarga norm al, los elec­ trones tienen bajas energías y viaja n bas tante despacio, de modo que la radiación electromag nética que se emite se extie nde sólo hasta los ul­ travioletas. Por el contrario, en una ruptura des bocada los elec tro nes, que se mueven a gra n veloci dad, ionizan gran número de molécul as del aire y producen rayos X de alta energía y rayos gamma . (El fenó­ meno se conoce con la expresión alemana bremsstrahlung ; que signi­ fica radiación de frenado.) Por con­ sig uiente, una manera de comprobar si hay ruptura desbocada es buscar rayos X.

Relámpagos de rayos X Desde los años treinta, con el acicate primero de las hipótesis de Wilson y luego del trabaj o de Gurevich, se viene intentado observar la forma­ ción de rayos X en las torme ntas eléctricas. Cuesta tanto, que hasta hace muy poco sólo se han tenido re­ sultados ambiguos. Una de las difi­ cultades reside en que los rayos X no se propagan largas dista ncias en el interior de la atmósfera: son absorb i­ dos a unos pocos cientos de metros de la fue nte. Otro problema es que

las tormentas constituyen ambientes electromag néticamente ruidosos. Los rayos , en particular, emiten grandes cantidades de ruido en radi ofrecuen­ cias, que causan a muchos kilómetros de distancia los conocidos chirridos de las radios de onda media. Para detectar los rayos X hay que regis­ trar señales eléctricas muy débiles. Tratar de realizar una medición así en la vecindad de las tormentas es como intentar oír una conversac ión en un lugar muy ruid oso. Co mo puede resultar difícil distinguir las señales eléctricas reales producidas por los rayos X de las señales es­ purias debidas a las emisiones de radiofrecuencia, muchos de los pri­ meros resultados se recibieron con escepticis mo. La situación mejoró en el decenio de 1980, cuando Geo rge K. Parks, Michae l P. McCarthy y sus colabora­ dores de la Universidad de Washing­ ton reali zaron observaciones desde aviones en el interior de tormentas. Más tarde, Kenneth B. Eack, actual­ mente en el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México (NMT), y sus colaboradores acometieron una serie de sondeos medi ante globos en el interior de nubes tormentosas. Es­ tas observaciones proporcionaron va­ liosos indicios de que las tormentas producen a veces grandes brotes de rayos X. No se pudo determinar la fuente, pero la radiación parecía guar­ dar relación con ca mpos eléctricos reforzados prese ntes en el interior de las nubes. En ocas iones, la emisión de rayos X comenzaba ju sto antes de que se observaran los relámpagos y cesa ba una vez se habían producido, quizá porqu e los rayos cortocircuita­ ban el camp o eléctrico que requiere la ruptura desbocad a. No se conoce mecanismo alguno, apar te de la ruptura desbocada, capaz de producir tamañas cantidades de rayos X en nuestr a atmósfera. No hay otros fenómenos asociados con las descargas de las tormentas eléc ­ tricas a los que se puedan atribuir las emisiones : aunque calientan el aire hasta los 30.000 grados -cinco veces la temperatur a de la superfi­ cie del Sol-, apenas se producen rayos X a esta temperatura. Por fin, en 200 1 se halló una co­ nexión direc ta entre los rayos X y las chispas: Charles B. Moore y sus colaboradores del NMT observaron

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,julio, 2005

Molécula del aire

Gran parte de la energfa

se invierte en expulsar

otro electrón

- Fuerza eléctrica - - - - - -­ - -- - -- - - - - - -- - - - - - -- El electrón se acelera ~

Se invierte menos energfa en expulsar otro electrón

103+===r~=...,..~-..L---r_ _-r-r-t 10 4 105 10 1

. -_ _. -_

_

-r-t-_ _--.----':¿

10 6

Energfa del electrón (electronvolt)

2. LO S ELEC TR ONES "DESBO CA DOS " abren el camino de los rayos. Los electrones de baja energía, que se mueven despacio, pierden más energía po r los cho qu es con las moléculas de aire de la que ganan por efecto del campo eléctrico; van, pues, perdi en do cada vez má s veloci dad. Pero como los electrones de alta energía pierden así menos energía, el cam po eléctri co pued e acelerarlos hasta casi la velocidad de la luz.

radiación de alta energía, presumi ­ blemente radiación X, procedente de descargas de rayos sobre la cima de una alta montaña. A diferencia de las anter iores observaciones con aviones y globos, esta radiación de alta energía parecía producida por el propio rayo y no por los campos eléctr icos a gran escala del interior de la nube tormentosa. Además, las emisiones ocurrían durante la prime­ ra fase del rayo; el movimiento de la guía desde la nube hasta el suelo . Esta observación constituía toda una novedad. Mi contribución empezó en ese punto . Como físico, siempre me ha interesado la manera en que se pro­ ducen los rayos X y gamma. Aunque estas radiaciones son corrientes en el espac io, donde el vacío permite a las partículas de alta energía viajar sin impedimento, resultan mucho más raras en la Tierra. De ahí que me fascinara el modelo de ruptura des­ bocada de Gurevich, Milikh y Rous­ sel-Dupré, según el cual la misma clase de rayos X que se genera en las fulguraciones solares se produ­ ce en tormentas y relámpagos. Para comprobar si existían eso s rayos X, INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

aproveché las diarias tormentas de verano de la Florida central. El año 2002, con apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia, mi grupo del Instituto de Tecnolo ­ gía de Florida, en colaboración con Martin A. Uman y su grupo de la Universidad de Florida, inició una campaña sistemática de búsqueda de radiación X emitida por los ra­ yos de las tormentas. Para reducir el problema de las señales espurias, colocamos detectores sensibles de ra­ yos X en el interior de pesadas cajas de aluminio que impedían la entrada de la humedad, la luz y el ruido de radiofrecuencia. Instalamos nuestros instrumentos en el Centro Interna­ cional de Investigación y Prueba de Relámpagos (ICLRT) de Camp Blan­ ding . El ICLRT está equipado para medir, entre otras cosas, los campos eléctricos y magnéticos y las emi­ siones ópticas asociadas a los rayos. Además, la instalación está preparada para desencadenar artificialmente ra­ yos en tormentas naturales por medio de pequeños cohetes. Cuando sobre el ICLRT estalla una tormenta y el campo eléctrico alcanza en el suelo varios miles de volts por

metro, se lanza un cohete de un metro de largo desde una torre de madera. El cohete desenrolla un carrete de alambre de cobre recubierto de kev­ lar, un extremo del cual queda uni­ do al suelo. Al subir el cohete hasta una altura de 700 metros, el alambre vertical anclado en el suelo refuerza el campo eléctrico en la punta del cohete; se tiene así una guía que se propaga vertica lmente y va introdu ­ ciéndose en la nube tormentosa. La corriente eléctrica que asciende desde el suelo hasta la guía vaporiza rápi­ damente el alambre . Alrededor de la mitad de los lanzamientos provocan rayos en las nubes situadas encima; por lo general caen sobre el lanzador de cohetes. Tanto los rayos natura les como los artificiales se componen generalmen­ te de varias descargas . En los rayos provocados, cada descarga se inicia con una columna de carga que se propaga hacia abajo, el "dardo guía"; en la cercanía del suelo sigue más o menos el camino abierto por el cohete y el alamb re. Aporta carga negativa desde la nube e ioniza el canal en su movimiento de avance. Una vez ha conectado con el suelo, se crea un cortocircuito y a través del canal fluye un gran impulso de corriente, el "rayo de retorno", que cal ienta rápidamente el canal y prod uce el relámpago, la emisión óptica que ve­ mos; la rápida dilatación subsiguiente del aire caliente crea el trueno. Tras el rayo de retorno puede venir otro rayo conductor, con lo que se re­ pite el proceso . La rápida sucesión de descargas induce el parpadeo del canal guía . En los rayos natura les, desempeña el papel del cohete una guía esca­ lonada que abre el cam ino ioniza­ do, extendiéndose mediante tramos irregulares desde la nube hasta el suelo. Las descargas subsiguientes de los rayos naturales, sin embargo, se inician median te un dardo guía . Se asemejan, pues, a las descargas de los rayos provocados. La ventaja de estudiar estos últimos es que se puede controlar el momento exacto y el lugar del rayo . Y mejor aún, podemos repetir una y otra vez el ex­ perimento. Cada verano, se provocan docenas de rayos en el ICLRT. A decir verdad, dada la larga his­ toria de resultados negat ivos y am­ biguos con rayo s X, no esperaba,

55

radiografía de tórax. Esa emisió n de rayos X no se produ ce continuamen­

te, sino en rápidos estallidos separa­

3. SE PROVOCA UN RAYO en el Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Rayos (ICLRT) de Florida mediante el lanzamiento de un pequeño cohete desde una torre de madera (recuadro) durante una tormenta . El cohete, al desenrollar un alambre que lleva corriente desde el suelo, crea un camino para el rayo . Instrumentos situados en la vecindad miden la energía y la intensidad de los rayos X emitidos.

cuando instal amos nuestros instru­ mento s en el ICL RT, que llegáse­ mos a captarlos. Por eso, tras haber acometido las primeras mediciones de relámpagos provocados, dejé en el cajó n de la mesa los resultados. Transcurrida una semana larga, re­ presenté gráficamente con mi alumno Maher Al-Daye h los datos de los de­ tectores de rayos X. Para mi sorpresa -y la de casi todos los demás-, descub rimos que los rayos provoca­ dos producían grandes cantidades de

56

rayos X casi en cada ocasión. Era n tan intensos, que nuestros instrumen­ tos quedaban temporalmente cegados por la radiación. Los experime ntos que efec tuamos al año siguiente mostraron que los dardos guía de los rayos producen la emisión de rayos X, posiblemente con alguna contribución del comien­ zo de las descargas de retorno . Las energías de los rayos X alca nzan unos 250.000 electronvolt, el doble más o meno s de la energía de una

dos por una millonésima de segundo. Si tuviéramos visión de rayos X, los rayos nos parecerían muy diferen­ tes. A medida que el rayo guía se propaga hacia abajo, veríamos una rápida serie de brill antes destello s descendiendo desde las nubes. Los destellos se irían intensificando al acercarse al suelo, con un estallido final muy intenso en el instante de iniciarse el rayo de retorno. Aunque el subsiguiente impul so de corr iente brilla ría en luz visi ble, aparece ría negro en rayos X. La emisión de rayos X por los rayos de una torm ent a indica que alguna forma de rup tura debe in­ tervenir para que los electrones se aceleren hasta el pun to de despren­ der una radiación de bremss trahlung : Pero res ulta que nuestras medida s no encaja n bien con el modelo de Gurev ich, Milikh y Roussel-Dupré. Los rayos X que observa mos te­ nían energías mucho más bajas que las predichas por ese modelo de la avalancha; la propia intensidad de los brotes fue mucho más alta de lo esperado. Los result ados apuntan a que los campos eléctricos producidos por las descargas guía son muchísimo mayores de lo que antes se había creído posible. Tiene su ironía que nuestros experimentos indiqu en por ahora que el meca nismo que opera en las descargas guía se parece más al antiguo modelo de ruptura des­ bocada de Gurevich: aquel que en 1961 requería un campo eléctrico tan intenso que se descartó. Sigue siendo un misterio la manera en que los relámpagos generan campos eléctri­ cos tan intensos, pero las venideras obse rvac iones de rayos X deberán orientarnos al respec to. Desde el descubrimient o inicia l de la radiación X proce dente de los rayos provocados, hemos observado también en el ICLRT varias descar­ gas eléct ricas naturales. Los datos corres pondientes mostraron buenas emisiones de rayos X procedentes de la fase de la guía reforzada, una confirmación de las anteriores medi­ das del NMT. Además, los rayos X llegaban en rápidos brotes ju sto en los insta ntes en que la guía iniciaba el camino hacia abajo . Este resultado demuestra que la ruptura desbocada

INVESTIGACiÓNy CIENCIA, julio, 2005

U)

-c -c

..,-c o o

s

m m N

.J

O

> ui

o

iií

G U) z

w

.J

-c

t;; e;

w

>­ ;: O

a:

~

U)

~

w O

z O ¡:¡

-c

N

ii'

~

::>

-c z

O

o

;¿ O

ii'

~

w O O

-c O ¡;;

::¡ >

Z

::>

parti cipa en el guiado es calonado: determina dónd e irá el rayo y có mo se bifurcará. Un mecanismo similar entra tambi én en funcionami ent o du­ rante las fases de dardo guía de las descargas subsiguientes. Las emisiones de rayo s X de la s descargas naturales se parecen mu­ cho, pues, a las que se detectan en las pro vocadas. Está cad a vez más claro qu e la ruptura desbocada es un fenóm eno co mún de nuestra at­ mósfera. Pese a que las moléculas del aire dificult an la aceleración de los elec tron es veloces, obse rvamos indicios de rupturas desb ocada s in­ clu so cerc a del suelo, dond e el aire es más denso. (La mayor ía de los rayos X qu e observa mos pro venían de los 100 metros inferiores, más o menos, del canal del ray o eléc trico .) Por lo tant o, la ruptura desbocada debería oc urrir co n mayor frecuencia a la altura de las tormentas.

Otra vez en la tormenta Volvamos a la ini ciación del rayo dentro de la torm enta. En los últi­ mos años, se han construid o modelos prom etedores en los que la acción co mbinada de las lluvia s de partí­ culas crea das por el impa cto de la radiación cós mica y la ruptura des­ bocada ge nera los rayos . Co mo basta un elec tró n semilla de alta energía par a desen cadenar una gran avalan­ cha de e lec tro nes desb ocad os, la descarga generada por una inten sa lluvi a de ra yos cós micos - millo nes de partícul as semilla de alta energía que lleguen simultáneame nte- debe de ser enor me . Una descarga de esa magnitud aportará un reforzamient o local del ca mpo eléc trico en el fre nte de la avalancha; por una razón: el gran aum ento de la carga eléc trica en dich o frent e. Este refuerzo equi­ valdría a la cerca nía de un dedo y el pomo de una puert a; el ca mpo eléc trico se intensificaría brevemente hasta el punto de que se ge nerase una ruptura eléc trica ordinaria. Nues tro s ex pe ri me ntos en e l ICLRT del vera no de 2004 aportaro n un extrao rdinario eleme nto de juicio a favor de la existe ncia de rupturas desbocadas en las nub es. Dura nte el lan zamien to del último cohete de la ca mpaña, captamos un enor me esta­ llido de radiación de muy alta energía - rayos gamma, no rayos X- co n tres detectores coloca dos a 650 me-

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio,

2005

tras del ca na l del re lámpago. Las energías de los fotones de esos rayos ga mma super aban los 10 millon es de elec tro nvolt; eran 40 veces mayores que las energías de la radi ación X que habíamos obse rvado previamente en las guías de rayos . Basándonos en nuestras medi cio­ nes de la co rrie nte del ca na l del re lámpago , los ca mpos eléc tricos y las propi eda des de los rayos gam­ ma, hemos dedu cid o que la fu ente de la emisión se hallaba a mu chos kilóm etros de altura, en el int erior de la nube torm ent osa. No esperá­ bamos ver rayos gamma proc edent es de es ta altitud porque la atmósfe­ ra abso rbe dich a radia ción , pero al parecer la int en sid ad de la fue nte era tan gra nde, que algunos foto nes co nsiguieron llegar hasta el suelo. Es te descubrimiento da a entende r que debieron de producirse poderosas rupturas desbocadas en la nube en un proc eso relacionado co n la iniciac ión del rayo pro vocado. Nues tras obser­ vaciones demu estran que es po sibl e observar el fenómeno desde el suelo, lo que resulta mu cho más senc illo qu e subir los detectores a bord o de aviones o globos . Ade más, se ha sabi­ do hace poco que el Creador de Imá­ ge nes Espec troscópicas So lares de Alta Energía Reuven Ramary (RHE­ SSI) detectó brotes de rayos gamma asociados a tormentas parecidos al nuestro desde su órbita a 600 kiló­ metros de altura . Co n un a nu eva subve nc ió n de la Fundación Nacional de Cie ncia de los EE .UU. , estamos ahora in­ cre me ntando el núm ero de in stru -

menta s de rayos X en el ICLRT de cinco a más de 36; cubri rán un kilómetro cuadrado de la instalación de Ca mp Blanding. Es te incremento debería mejorar nuestra capacidad de estudiar los relámp ago s naturales y provocad os; esperamos que aumen­ te la pro babilidad de detectar brotes de rayos gamma pro ceden tes de las nub es tormentosas. Las emisiones de rayos X y ga mma servirá n de sonda de los campos eléctricos en regiones difíciles de medir por otros medi os. Co n esos datos deberíamos entende r mejor los procesos de ro­ tura qu e inician el rayo y fac ilitan su prop agación. El recurso a la radi ación X para es tudia r los rayos se enc ue ntra dand o los prim eros pasos . Por eso, cada vez que llevam os a ca bo un ex perime nto hall amos algo que no co nocíamos antes. Ya hem os descu ­ biert o qu e el rayo no es un a chispa ordinaria de la mism a clase que las qu e se produce n cua ndo se toca el pom o de un a puert a. Se trata de un tipo de descarga mucho más ext raño, qu e produce elec tro nes desbocad os y rayos X.

El autor Joseph R. Dwyer es profesor de física y ciencias del espacio en el Instituto de Tecnología de Florida. Tras doctorarse por la Universidad de Chicago en 1994, investigó en las de Columbia y Maryland. El autor agradece las aportaciones a esta investigación de H. Rassoul, V. Rakov, M. Al -Daved. J. Jerauld, L. Caraway, B. Wright, K. Rambo y D. Jordan.

Bibliografía complementaria THE ELEC TRICAL NATURE OF STORMS . Donald R. McGorman y W. David Rust. Dxford University Press, 1998. THE lIGHTNING DISCHARGE. Martin A. Uman . Dover Publica tions, 2001. ENERGETIC RAOIATlON PROOUCEO OURING ROCKET-TRIGGEREO LIGH TNING . Joseph R. Dwyer et al. en Science, vol. 299, págs. 694·697; 31 de enero, 2003. lIGHTNING PH YSICS ANO EFFECTS. Vladimir A. Rakov y Martin A. Uman. Cambridge llni­ versity Press, 2DD3.

57

¿Se puede detener a las clamidias? Las c1amidias producen una enfermedad de transmisión sexual muy extendida, son la principal causa de ceguera evitable y quizás intervengan en las enfermedades cardiacas. Los descubrimientos recientes sugieren nuevas vías para frenar su proliferación David M. Ojcius, Toni Darville y Patrik M. Bavoil

a palabra clamidia evoca, de inmediato, una en­ fermedad de transmisión sexual muy extendida. Pero, en puridad, es el nombre de un género de bacterias responsables de un extenso repertorio de enfermedades graves. En Africa, una madre pobre quizá nos cuente que las moscas que transmiten la clamidia son las responsables de que sus hijos sufran conjuntivitis, una dolorosa alte­ ración ocular. Esta enfermedad, causada por una cepa de Chlamydia trachomatis (la misma especie que origina la enfermedad de transmisión sexual aludida), deriva en tracoma, una afección que en ocasiones termina en ceguera. En los países industrializados, una especie aérea, C. pneumoniae, provoca resfriados, bronquitis y alrededor del diez por ciento de las neumonías adquiridas fuera de los hospitales. Se ha sugerido incluso una relación entre C. pneumoniae y la aterosclerosis, el estrecha­ miento arterial que desemboca en infartos de miocardio y accidentes cerebrovasculares. Al tratarse de bacterias, las clamidias responden a los antibióticos. Sin embargo, la enfermedad a menudo pasa inadvertida. Por varias razones. Las infecciones genitales, por ejemplo, no suelen producir síntomas al principio. Por lo que respecta al tracoma, auténtico azote de países en vías de desarrollo, la población apenas tiene acceso a un tratamiento y a una higiene adecuados. Si no se toman medidas, buena parte de los 600 millones de personas infectadas con una o más cepas de Chla­ mydia seguirán viviendo sin atención médica hasta que las consecuencias sean irreversibles. Pecaríamos de ingenuos si confiáramos en la posi ­ bilidad de detectar absolutamente todos los casos de enfermedad de transmisión sexual o esperáramos que una mejora de las medidas higiénicas erradicaría en poco tiempo el tracoma en el Tercer Mundo . Las mayores esperanzas para frenar la proliferación de las clamidias están puestas en las vacunas y otros tratamientos preven­

58

tivos. Para hallar agentes que eviten la infección, necesi ­ tamos ahondar en la biología de estos microorganismos: su multiplicación, proceso de infección y mecanismos moleculares de actuación. No es fácil recabar toda esa información. Disponen de un sinfín de estrategias para eludir el sistema inmuni­ tario del huésped. Además, su estudio en el laboratorio entraña notables dificultades técnicas. Pese a todo , desde hace cinco años, han venido sumándose nuevos descu­ brimientos -entre ellos la secuenciación completa del genoma de varias cepas de Chlamydia-, que permiten empezar a sortear los obstáculos y pensar en desarrollar estrategias de prevención inéditas.

Lesiones silenciosas Una de las principales barreras que se alzan contra la pro­ ducción de una vacuna se esconde en el carácter insidioso de la bacteria. Los microorganismos agentes del tétanos o el cólera empapan los tejidos con toxinas que dañan o matan células vulnerables. Las clamidias, en cambio, no induce ningún daño directo en los tejidos . Opta por desencadenar una intensa respuesta inflamatoria que se prolonga mientras queden bacterias en el organismo. Paradójicamente, semejante forma de luchar contra la infección se vuelve contra el propio huésped: a largo plazo, produce lesiones irreversibles. Las vacunas pre­ vienen la enfermedad enseñando al sistema inmunitario a reaccionar con fuerza ante agentes patógenos específicos; en el caso de las clamidias, sin embargo, el componente inflamatorio asociado a tal respuesta comportaría más perjuicio que beneficio. Lo mismo en el tracto genital, en los párpados o en cualquier otro tejido, la respuesta inflamatoria comienza cuando determinadas células del sistema inmunitario del huésped secretan citoquinas, pequeñas proteínas de señalización que atraen células de defensa adicionales al lugar de la infección. Células atraídas y citoquinas se

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

aprestan a amurallar la zona para im­ pedir la proliferación de las bacterias. En la piel, este proceso origina los síntomas de la inflamación (rubor, tu­ mefacción y calor). Al propio tiempo, las citoquina s inflamatorias estimulan la fibrosis, respuesta reparadora que conduce a la cicatrizac ión. En el tracto genital, la inflamaci ón inicial pasa inadvertida. Entre el 85 y el 90 por ciento de los tres millo­ nes y medio de estadounidenses que las clamidias infectan cada año por transmisión sexual no presenta sínto­ mas. En los varones, la inflamación afecta al pene; podrí an, pues, notar una pequeña molestia en la micción. Las mujeres no suelen apreciar nin­ guna alteraci ón mientras las bacterias asciend en por el tract o genital hasta las trompas de Falopio. Al carec er de una consciencia del problema , los portadore s se convierten, sin saberlo, en transmisores de las bacterias. Pue­ de inclu so que una mujer no sepa que está infectada hasta que, al intentar quedarse embaraza da y no lograrlo , le diagnostiquen esterilidad. En otros casos, la persistenci a de la inflama­ ción y la cicatri zación de las trom­ pas de Falopio causan dolor pélvic o crónico o aumentan la posibilidad de embarazos ectópicos o tubáricos, la principal causa de muerte en el primer trimestre de embarazo en los Estados Unidos . La inflama ción de los párpad os, en cambio , se percibe enseguida. Se calcula que afecta a unos 150 mi­ llones de personas en los países en vías de desarrollo de clima cálido. En una pobl ación carent e de me­ dios eficaces de tratamiento y falta de agu a para la higiene de manos y cara, las moscas y el jejé n transmiten sin obstáculo las bacteria s. (El tra­

coma no se da en los EE.UU. ni en Europa occidental, que disfrutan de sistemas de salud pública.) Cuando las infecciones producen cicatrices en el párpado superior repetid as veces durante varios años, el párpado puede evertirse, de forma que las pestaña s lesionen la córnea. Si no se detecta a tiempo, la alteración cornea l causa ceguera, decenio s después de con­ traer la infección. Si la mayoría de los efectos pro­ ducidos por las clamidias respond en a la inflamación, las futuras vacu­ nas deberán cumplir un requi sito: no inducir una reacción inflamat oria exces iva, sino regularla finament e, provocarla sólo en la medid a en que ayude a los otro s sistemas de defensa a eliminar la bacteria . Al ocuparse de las infeccion es cau­ sadas por clamidias y otros patóge­ nos, muchos estudios se centran en los factores desencadenantes de la se­ creción de citoquinas inflamatorias o en los factores que frenan la respuesta inflamatori a una vez la infección ha desaparecido. En los último s años, se han descubi erto micromol éculas que, en condiciones normal es, esti­ mulan o inhiben estas respuestas. El próximo paso consistirá en desarrollar compuestos capaces de regular la ac­ tividad de dichas moléculas; podrían utilizarse para una inhibición artificial de la inflamac ión, tras la adminis­ traci ón de un antibi ótico contra el microorganismo.

Enfermedad latente Además de causar inflamaci ón, las clamidi as encierra n otras prop ieda­ des que impiden el desarrollo de una vacuna. Quien ha pasado las paperas o el sarampión, o se ha vacunado contra estas enferm edades, queda in­

• Las clamidias atacan de múltiples formas. Las infecciones no tratadas han causado ceguera a más de seis millones de personas en todo el mundo, dejan estériles a más de 10.000 mujeres cada año en los EE.UU. y son las responsables del 10 por ciento de los casos de neu­ monía en los países industrializados. • La mayoría de las personas afectadas por clamidias no reciben trata­ miento con antibióticos hasta que el daño es irreversible, bien porque no se les detecta la enfermedad a tiempo, bien porque no tienen acce­ so a una higiene o a una atención sanitaria adecuadas. • Las campañas de educación sexual o las mejoras higiénicas ayudarán a reducir la proliferación de la bacteria. Para erradicar la epidemia . habría que disponer de vacunas y otras medidas preventivas.

60

muni zado de por vida. No así con la clamidia. El organismo no elimina la bacteria co n facilidad; la inmunid ad natural que sigue al ataque de los mi­ croorga nismos se manti ene sólo du­ rant e unos seis meses. Una infección en aparie ncia curada puede rebrotar unos meses o años más tarde, cuan­ do apenas queda protección frente a nuevos brotes. Por tanto , una vacuna que remedara la respuesta natural del organi smo contra la infección tampo­ co resultaría eficaz: no conferiría pro­ tección a largo plazo. En esencia, la vacun a debería aumentar la potencia del sistema defensivo, sin provocar una inflamaci ón exces iva. Una de las forma s en que las vacu­ nas o el sistema inmunitario protegen frente a futuras infecciones consiste en inducir la producción de linfocitos B de memoria, específicos del invasor en cuestión. Estas células inmunita­ rias realizan una tarea de vigilancia dur ante toda la vida del organismo, prestas a secretar anticuerpos que se adhieren a cualquier nuevo eje mplar del invasor y lo marcan para que sea destruido antes de que infecte células sanas . Los anticuerpos resultan efi­ caces contra varios agentes patóge­ nos, sobre todo co ntra las bacteri as extracelulares. Las atacan antes de que entren en la célula o cuando las copias recién ensambladas viaja n de una célula a otra. Cuando se enfrenta a las clam idias, en cambio, el siste­ ma de linfocitos B pierde eficacia; las bacteria s medran en el interior celular y aquí no pueden alcan zarlas los anticuerpos circulantes. Para evitar que las clamidi as per­ manezcan latentes en las célula s y luego vuelvan a proliferar, la futura vacuna debería activar el brazo ce lu­ lar del sistema inmunitario, amén de provocar el ataque con anticu erp os. Este brazo, indispensable para erradi­ car los virus - que viven también en el interior de las célula s- , se sirve de células T asesinas y coadyuvan­ tes, así como de células carroñ eras o macrófagos, para eliminar a los invasores . Pero, por desgracia, se­ mejant e trío de células inmunitarias tamp oco acaba con las clamidia s, lo que permite que las células infectadas sobrevivan y se conviertan en fábri ­ cas produ ctoras de bacterias. Desarrollar una vacuna que des­ pierte una respuesta celular superior en eficacia a la que organiza el propio

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

ESPECIE

ENFERMEDAD

DISTRIBUCION

FORMA DETRANSMISION

NUMERO DEAFECTADOS

C. pneumoniae

Neumonía, posiblemente aterosclerosis

Mundial

Inhalación de la bacteria mediante los aerosoles que una personainfectada produceal estornudar

Causaalrededor del 1Opor ciento de los casosde neumonía en los paísesdesarrollados

C. psittaci

Psitacosis, infección pulmonarsemejante a la gripe que causa inflamación del hígado, del corazóny del cerebro

Mundial

Inhalación de la bacteria mediante aerosoles o el polvo; picadura o contacto con el plumaje o los tejidos de un ave infectada

Comúnen aves salvajes y domésticas; rara pero potencialmente letal cuando se transmiteal hombre

C. trachomatis

Tracoma, dolorosa infección ocular que empieza como una conjuntivitis y produce cicatrices corneales y, posiblemente, ceguera

Sudeste asiático, América del Sur, India, Oriente Medio, Africa

Contactodirectocon secrecionescorporales de personas infectadas o contacto con moscasvectores o ropascontaminadascon dichas secreciones

Más de 500 millonesde personas en todo el mundopadecentracoma; entre siete y nuevemillonesse han quedado ciegas a consecuencia de esta enfermedad. Muy rara en zonas con una higiene adecuada

C. trachomatis

Enfermedad de transmisión sexual (ETS) del tracto genital adulto; produce conjuntivitis y neumonía en los recién nacidos

Mundial

Contactosexual; los recién nacidos adquieren la bacteriade su madre infectadacuando, al nacer, atraviesan el canal del parto

Entre50 y 100millonesde nuevas infeccionesde ETSse producen cada año en el mundo

C. trachom atis

Lymphogranulom a venereum, una ETS

Asia, Africa, América del Sur, América Central

Contacto sexual

La incidencia global se desconoce

(Cepas distintas producen alteraciones diferentes)

de los ganglios linfáticos de la zona genital

organismo constituye casi una utopía. Las vacunas existentes sue len provo­ car una resp uesta humoral específica (anticuerpos); de ahí a activar una in­ munidad celular contra enfermedades infecc iosas media un largo trec ho. Además, ello entraña especial dificul­ tad en el caso de las clarnidias, que sabe n cómo eludir el brazo celular del sistema inmunitario.

Evasión y camuflaje Las c1amidias comparten con deter ­ minadas bacterias patógenas la fun­ ción siguie nte: promueven que las células epite liales -en su caso, las que tapizan el tracto genital, párpa ­ dos o pulmones- las absor ban en el interior de una vesícula o vacuola de membra na. En condiciones nor­ males, la célula sana dest ruye los patóge nos interiorizados fusionando las vacuolas con lisosoma s, estruc­ turas celulares que contie nen enzi­ mas que digieren proteínas, lípidos y ADN . L uego presenta los frag­ mentos troceados en la superfic ie, en las proteínas del com plejo mayor de histocompatibilidad (CMH) . Las células T ases inas y coady uvantes, que circulan continuame nte por todo

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

el cuerpo, se unen entonces a las moléculas del CMH que present an frag mentos de proteínas extrañas. Si una célula T recibe a la vez otras seña les de alterac ión, deducirá que la célula prese ntadora de antíge no está infecta da y dirigirá un ataq ue contra ella. Pero las c1amidias consiguen que las vacuolas en las que se han ins­ talado eludan los lisosomas; ello les permite proliferar libremente, aisla­ das del resto de la célula infectada. Si los lisosomas no consiguen hacerse con fragme ntos de la bacte ria para prese ntarlos en el CMH, las patrullas de células T no reco nocerá n a la cé­ lula infectada. El compre nder cómo las bacterias logran desarro llarse y escapar a los lisosomas podría sugerir nuevas formas de impedir o detener la infección. La sec uenciación del genoma de Chlamydia y otros ha­ llazgos recie ntes permiten encarrilar las investigaciones. El geno ma codifica las proteínas que un organismo sintetiza; éstas, a su vez, se encarga n, en buena me­ dida, de las funciones celulares . Por tanto, la secuencia de un gen cons­ tituye un buen indicador de cómo

opera un organismo. A partir de las similitudes génicas hall adas entre Chlamydia y Salmo ne lla typ himu­ rium - bacteria de mayor tamaño tristemen te famosa por causar intoxi­ cac iones alimentarias-, Ru-c hing Hsia y uno de nosotros (Bavo il), de la Universidad de Mary land, en colaboración con otros expertos han descubi erto un elemento de la mayor importanc ia: las c1amidias cuentan con todo lo necesario para forma r un apara to secre tor de tipo 111, una proyección versátil en forma de aguja que atrav iesa la membrana de la va­ cuola de interna lizació n; opera como un conducto entre la c1amidia y el citoplasma de la célula huésped. Merced a esa conexió n, las c1ami­ dias pueden inyectar en la membr ana externa de la vacuola proteínas que bloquean la actividad de los lisoso­ mas. Además, se ha obse rvado que las c1amidias sustraen lípidos (seña ­ lados con marcadores fluoresce ntes en los experimentos) del aparato de Golgi y otros org ánulos celulares para recom poner la membrana de la vacuola. En general, la membrana de una vacuola de internalización consta de

61

EL ATAQUE SIGILOSO DE LAS CLAMIDIAS

Las clamidias transmitidas por contacto sexual pasan inadver­ tidas para la mayoría de sus víctimas hasta que el daño es irreversible. En el peor de los casos, la infección de las trompas de Falopio produce tejido cicatricial que impide al óvulo fecunda-

1

do llegar al útero (figura principa~ , dando lugar a un embarazo tubárico (ectópico) de pronóstico grave. Nuevos hallazgos sobre los mecanismos de supervivencia de las bacterias (insertos ) quizá permitan evitar su ataque insidioso.

LAS BACTERIAS INVADEN LAS CELULAS

Formas esporuladas de clamidias, o cuerpos elementales, invaden las células que tapizan el tracto genital; forman una invaginación en la su".,•• perficie celular (abajo). Encerrados en el inte- ,••;\\.,., . rior de un pliegue de la membrana celular ~;; . externa (vacuola de internalización), los cuerpos elementales comien­ zan a diferenciarse en cuerpos reticulados no infecciosos. Para su mantenimiento, la bac­ teria sustrae nutrientes del citoplasma de la célula huésped.

f? . ;/

3

COMIENZA LA INFLAMACI

El organismo libera enzimas que dilatan los vasos sanguíneos y aumentan la permeabilidad de las paredes vasculares, de forma que las células inmunitarias que elimi­ nan las clamidias y otras moléculas migran hacia el tejido infectado. En -, este proceso, se destruye parte del " _" tejido sano.

l o'

2 . .Y ELUDEN LAS DEFENSAS DEL HUESPED

Las clamidias eluden el sistema defensivo del huésped frustrando la acción de los lisosomas: estructuras celulares que se fusionan con las vacuolas de internalización para digerir los cuerpos extraños que éstas albergan (derecha). Mediante un conducto en forma de jeringuilla, el aparato de secreción de tipo 11 1, la bacteria inyecta proteínas en la membrana externa de la vacuola que bloquean el ataque de los lisosomas.

molécu las fabricadas por el patógeno que alberga en su interior; estas mo­ léculas extrañas delatan la presenc ia del intru so, que la célul a marca de inmediato para que los Iisosoma s lo destru yan. Las c1amidias, en cambio, recomponen la membrana de su va­ cuola de internalización con lípid os de la célul a huésped : ello convier­

62

te a las vacuolas en indi sting uible s del resto de orgánu los celulares y resultan , por tanto, invisibles para los lisosomas. Si se identificaran las proteínas sec retadas por las bacter ias par a camufla r las vacuolas, podrían de­ sarrollarse dos tipo s de tratamientos preventivos. Uno se basaría en un

fármaco que obstaculizara la acti ­ vidad de dichas prot eínas de sue rte tal, que la vacuola se viera forzad a a fusionarse con los lisosoma s; así se activaría un ataque inmunitario justo después de que las c1amidias invadieran la célula . Otro fármac o podría inutilizar el mecanismo em­ pleado por la bacteria para sustraer

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

LAS BACTERIAS PASAN INADVERTIDAS...

Las c1amidias también se esconden de los Iisosomas.

Para ello recomponen su vacuola de internalización mediante

moléculas que sustraen del centro de distribución de Iípidos

de la célula huésped, el aparato de Golgi (izquierda). Estos

lípidos robados convierten a la vacuola en virtualmente indis­

tinguible de los orgánulos unidos a la membrana de la propia

célula.

4

5 ..

Y LANZAN UN NUEVO ATAQUE 72 horas después de la invasión inicial, nuevos corpúsculos elemen­ tales escapan de la célula huésped, posiblemente tras inducir su suicidio, o apoptosis (derecha). Mientras aqué­ lla se degrada, algunos corpúsculos elementales infectan nuevas células; otros quedan encerrados dentro de los cuerpos apoptóticos, que son fagocita­ . dos por c ~ul as sanas. Ovulo bloqueado

LA CICATRIZACION OBSTRUYE LAS TROMPAS. Cuando la alteración tisular es tan grave que las células normales ya no pueden retomar su desarrollo tras remitir la inflamación, unas células especializadas, los fibroblastos, se dirigen a la zona para reparar la lesión mediante la formación de tejido cicatricial. Este puede llegar a obstruir el paso de los óvulos proce­ dentes del ovario.

6

Ovario

lípidos de la célula huésped, anulan­ do su capac idad para camuflarse. Los medicamentos en cuest ión podrían incorporarse en microb icidas de uso tópico para combatir las clamidias de transmisión sexual. Algunas de las proteínas menciona­ das y otras exclusivas de las bacterias (no sintetizadas por las células huma-

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

nas) quizá resulten ingredientes útiles para la fabricación de vacunas. Las recientes secuenciaciones genómicas de berían facilitar la identificación de buenos candidatos.

Tendencias suicidas Nuevos hallazgos acerca de la fun ­ ción de las células T parecen abrir

nuevos caminos terapéuticos . Las cé­ lulas T ases inas destruyen las células infectadas por la vía regular de la inducc ión de la apoptosis. Durante ese suicidio cel ular, la célula recurre a sus propias enzimas para lisar pro­ teínas y ADN de sí misma. Se sabe también que las células inmun itarias - incluidas las células T y los ma­

63

crófago s- es ti mulan la pr oducción de citoquinas qu e ayudan a det ener las bacteri as y di sparan la respuesta inflamatoria qu e impide su pr olife­ raci ón . Una de la s citoquinas q ue reali za am bas fun ci ones es el fac tor de necrosi s tumoral alfa (FNT-alfa) . Se ha demostrado, sin em bargo, que algunas células infect adas so bre vive n a pesar de se r tr atadas con FNT-alfa y otras cito quinas inductoras de la apoptosi s, lo qu e llev a a infec ci on es per sistentes. Pero el o rganismo no se rinde con fac ilida d . Las citoq uinas continúan estimul an do una inflama­ ció n c ró nica en un es fue rzo por re­ fr enar la infecci ón , aun cuando no lo gr en acaba r con e ll a del todo . A hora bi en , ni siq uiera las cé lulas infec tadas vi ven e terna me nte . Parec e qu e la s cl am idias han desarrollado su propia es trateg ia para pro vocar la mu erte de la cé lula hu ésp ed y asegu ­ rarse así su propia lo ngevidad . (La célula hu ésp ed deb e perecer antes

de qu e la bacteria infecte a otras cé ­ lulas.) Y, según descubrió Jean-Luc Perfettini mi entras realizaba el docto­

rado con un o de no sotros (Oj cius) en el In stituto Pasteur de París, las cla­ midias matan y abandonan la s cé lulas infectadas de sue rte ta l, que recortan la capacidad del sistema inmunitario del huésped para det ectar cualquier peli gro ; co n ello, la infección puede propagar se s in ser descubierta. Ente nde r es ta última fase del ci­ clo biológi co de la bacteria requerirá ulteriores in vesti gaciones so bre las proteínas implicadas en la inducción de la apoptosi s y e n la protección continuada de las célul as infectad as a nte las seña les suicidas. Parece qu e es ta última vía podría fru ct ificar e n el desarrollo de una vac una. Si la s células infectadas adquirieran ma ­ yor se ns ibilidad a la ap optosi s, se ­ ría po sible e limina r la s bact eri as qu e permanecen lat entes durante larg os períodos de tiempo, así como di s-

m inuir lo s efect os duraderos de la

infección crónica.

Múltiples vías de ataque

A pesar de los descubrimientos antes

men ci on ad os, no será fáci l o bte ne r

una vacuna óptima co ntra la clamid ia .

Deberá activar el brazo humoral (a n­

ticuerpos) y el bra zo celular (células

T) del sistem a inmunitario con mayor

eficacia qu e el propio orga nismo, a la

vez qu e limitar la inflamació n. En el

caso de las e nferme dades de transmi­

sió n sex ual orig inadas por clamidias,

la vac una deb erá asegurar la perma­

nencia e n el tracto ge nital de linfo­

ci tos de memoria, prestos a combatir

la infec ción e n c ualquie r momento.

Estas cé lu las de m emori a, qu e no se producen in situ, tienden a desa lojar la zo na, dejando al individuo a mer­ ce d de una nu eva infección , tra s un br ev e períod o de inmunidad . Las muj er es padecen los efectos más duraderos de la infec ci ón ge n i­

las c1amidias y las enfermedades cardiovasculares obstruidas. Desde entonces, el Instituto Nacional de la Salud,

Resfriados, bronquitis y neumonías quizá no sean las la Asociación Norteamericana del Corazón y otras organiza­

únicas enfermedades que pueda contraer quien haya inha­ ciones estadounidenses han invertido millones de dólares en

lado una especie aérea de Chlamydia. Ha llazgos recientes estudiar la relación entre C. pneumoniae y esta enfermedad

sugieren que las infecciones por C. pneumoniae interven­ drían también en trastornos cardiovasculares. De se r así, cardiovascular.

La investigación realizada con animales de ex­

los antibióticos podrían indica rse para combatir perimentación a lo la rgo del último quinquenio ha

la infección y la cardiopatía. aportado pruebas de dicha conexión. As í se ha

La aterosc lerosis, el estrec hamiento arterial demostrado en ratones que las c1amidias viajan

que desemboca en infartos de miocardio y acci­ de los pulmones a otras partes del organismo en

dentes cerebrovasculares, causa alrededor de el interior de los leucocitos, las células blancas

la mitad de todas las muertes en los adultos de la sangre responsables de la inflamación.

del mundo occidental. Sin embargo, los factores Otros trabajos han demostrado que las infeccio­ de riesgo tradicionales - hipercolesterolemia nes por C. pneumoniae adelanta n la aterosc lero­ y tabaq uismo- están prese ntes sólo en la mitad sis en ratones y en conejos, ace leración que se de los casos. En cuanto a las causas del cin­ C. PNEUMONIAE soslaya con la administración de antibióticos. cuenta por ciento restante , los expertos empie­ (flecha) identifica­ Estos resultados experimentales, si bien provi­ zan a pensar en las infecciones, puesto que se sionales, fueron suficientes para justifica r el inicio ha comprobado que la infl amación -respuesta da en las arterias de una serie de ensayos clínicos en humanos. inmunita ria gene ralizada contra cualquier elemen­ caronarias ateroscla­ Cinco de ellos concluyeron que un tratamiento to percibido como invasor- subyace también en rásicas del 54 por con antibióticos que durara entre uno y tres la formació n y la rotura de los depós itos lipídicos ciento de los 272 meses lograría frenar el avance de la ate roscle­ que constriñen las arterias coronarias [véase pacientes examina­ rosis; en cambio, no confirmaron la capac idad de "Una nueva teoría sobre la ateroscle rosis", por dos en un estudio los antibióticos para prevenir alte raciones cardia­ Peter Libby; INVESTIGACIÉN y CIE NCIA, julio, 2002]. publicado en 2000. cas graves. Otros dos ensayos, completados en Tras descubrirse que se trataba de una espe­ 2004, evaluaron la eficacia de los tratamientos cie independiente de clamidia en 1983, C. pneua largo plazo; cada uno de ellos contó con la participación moniae se convirtió en la primera sospechosa en razón de 4000 voluntarios, que recibieron antibióticos durante de su ubicuidad: más del 60 por ciento de los adultos de un período de entre uno y dos años . Los resultados, sin

todo el mundo presenta n anticuerpos contra ella (señal de embargo, fueron negativos.

haber contraído la infección). La hipótesis fue avalada en ¿ Existe realmente una conexión clara entre la infección

1988 cuando un grupo de médicos fi nlandeses hallaron una por C. pneumoniae y la aterosc lerosis? Ca recemos de una

correlación positiva entre la presencia de estos anticuer­ respuesta sólida. En la enfermedad ca rdiaca intervienen

pos y el riesgo de desarrollar aterosc lerosis. Cinco años múltiples factores.

después, la bacteria se identificaba en arterias humanas

64

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

<J)

o

:I:

oW

~ o <J)

s <J)

oo o... <J)

oo

~

cr: w w

<J)

a: ;:; ::>

::j <ñ

-c ü

15

¡¡ w

o

DEIENEB ALAS CLAMIDIAS La educación sexual y las mejoras higiénicas no pueden, por sí solas, erradicar las infecciones por clamidias. Para detener la prolife­ ración de la bacteria se ha depositado la mayor esperanza en las vacunas y otros tratam ientos preventivos. Ciertos descubrimientos recientes apuntan hacia nuevas vías para vencer a las clamidias o limitar el daño ocasionado por la excesiva respuesta inmunitaria que éstas provocan. Algunas de ellas se señalan a continuación.

Matar la bacteria en cuanto penetre en el organismo.

Promover la destrucción intracelular de la bacteria.

Desarrollar un microbicida de uso tópico (un gel, una crema o una espuma) que pueda aplicarse por vía vaginal o rectal. Este tipo de productos se están ensayando en humanos para el trata­ miento del sida, que infecta los mismos tejidos que las c1amidias.

Inutilizar el aparato de secreción de tipo 111de la bacteria. De él se sirve para liberar proteínas que bloquean la actividad de los Iisosomas de la célula huésped, agentes encargados de trocear los cuerpos extraños. En los ensayos, bacterias con aparatos de secreción práctica­ mente idénticos, en las que se habían silenciado los genes que codifican para dicho aparato, no causaron síntomas de infección. A tenor de estos resultados, fármacos que bloqueen las proteí­ nas codificadas por estos genes en Chlamydia podrían resultar eficaces.

Desarmar la capacidad invasora celular de la bacte­ ria. Desarrollar una vacuna que aumente la respuesta de los anticuerpos del huésped. La administración de antiinflamatorios tras una vacuna o un tratamiento con antibióticos disminuiría el daño tisular. Todavía no se ha logrado con éxito en ensayos con animales. Inhibir el crecimiento bacteriano en las células infec­ tadas. Entorpecer la actividad de las proteínas que la bacteria utiliza para sustraer los Iípidos y otros nutrientes de la célula huésped. Una vez conocidas tales proteínas - todavía no se han identificado-, se inmovilizarían mediante una vacuna especial­ mente diseñada para ello.

tal. La vacuna quizá debería proteger­ las de la enfer meda d más que de la infección pe r se. Para ello deberían vacunarse varones y mujeres. En este esce nario, la vacuna prod ucirí a tan sólo los antic uerpos necesarios para reducir -no eliminar- la cantidad de bacterias tra nsportadas por el varó n. De este modo, si una mu­ jer se expusiera a ser infectada por un varó n a través de una relación sexual, las células de memoria indu­ cidas por su inmunización viajarían por el trac to genital en la cantidad adec uada para matar a un pequeño número de microorgani sm os antes que se dise minaran por las trompas de Falopio . En espera de la ansiada vacuna, podrían emp lea rse anticonceptivos portadores de fármacos antic1amí­ dicos. Esos agentes servirían para bloquear las proteínas que las c1a­ midias usan para unirse a las células del tracto ge nital o para degradar las proteínas bacterianas que pro mueven la superv ivencia del microorganismo en el interior celular. En el caso de las infecciones oculares, sólo sería útil una vac una que prev iniera la infección. Mientras llegan med idas de pre ­ vención eficaces co ntra las c1ami­ dias, im po rta resalt ar los buenos result ados de los tratamie ntos tra­ dicio nales con antibióticos, siemp re

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Dejar en suspenso la capacidad proliferativa de la bacteria. Provocar el "suicidio" de las células infectadas antes que la bacteria tenga oportunidad de convertirse en una forma invasora de células sanas. Compuestos que inducen la muer­ te celular prematura en tumores se encuentran en fase de desarrollo; en teoría, los mismos fármacos actuarían contra las clamidias.

que se dispo nga de acceso a los mis­ mos. y los últimos descubrimientos gé nicos apuntan que su eficacia pro­ seguirá. En comparación con pató­ ge nos bacterianos de vida libre, que intercambian genes con faci lidad, el genoma de Chlamydia ha permane­ cido prác ticame nte inalterado en el transc urso de millones de años. Se­ mejante estab ilidad génica imp lica que las clam idias no se prestan a adq uirir genes de otras bacterias, ni siq uiera los que co nfieren resistencia a los antibióticos . No podemos olv idar que los an­ tibióticos no reparan el daño tisu lar

causado por la inflamación. Además, para obtener buenos resultados, de­ ben administrarse lo antes posible. Por ello, es necesario amp liar la exploración de indiv iduos con alto riesgo de contraer la infección . Se ha compro bado ya la fiabilidad de exploraciones urinarias no invasi­ vas en varones y mujeres jóvenes sexualmente act ivos, sobre todo en instit utos , centros de instrucción mi­ litar y correccionales de meno res. Los respo nsables de la salud pública deberían aplicar estas medidas al pro­ pio tiempo que prosig ue la búsqueda de vacunas eficaces .

Los autores David M. Ojcius estudió durante doce años en Francia los aspectos celulares e inmunitarios de la infección; en 2004 se incorporó al claustro de la Universidad de California en Merced. Toni Darville es especialista en enfermedades infecciosas pediátricas en la Universidad de Medicina de Arkansas; desde 1994 trabaj a en los aspectos inmunitarios de la infección por clamidi as en ratones y cob ayas. Patrik M. Bavoil enseña en la Universidad de Maryland en Baltimore; investiga las bases

bioquímicas de la enfermedad.

Bibliografía complementaria CHl AMYOIA PNEUMONIAE. AN INFECTIOUS RISK FACTOR FOR ATHEROSCl EROSIS? Lee Ann Camp o

bell y Cho·cho Kuo en Nature Reviews Microbi%gy, vol. 2, n.? 1, páginas 23·32; enero 2004. CHlAMYOI A ANO ApOPTOSIS: lI FE ANO DEATH DECISI ONS OF AN INTRACEllUlAR PATHOGEN. Gerald 1. Byrne y David M. Ojcius en Nature Reviews Microbi% gy, vol. 2, n." 10, páginas 802·808; octubre 2004.

65

os obje tos de gra n tama ­ ño retienen el calor mejor

cálculos confirman que la desinte­ grac ión radiactiva no pud o fundir

absorben y reflejan la luz en longi­ tudes de onda diferentes. El basalto

que los pequeños. La mayor

Vesta, ni ningún otro asteroide. Ha

absorbe mucho la luz justo más allá

part e del calor interno de la Tierra procede de cuatro ra­ dioisótopos de vida media larga - potasio 40, torio 232, uranio 235 y urani o 238- , que generan energí a durante mil es de millones de años al desint egr arse en isóto­ pos más estables . Grac ias a su gran tamaño , unos 12.740 kilómetros de diámetro , la Tierra pierde calor con ciert a lentitud , de ahí que presente todavía un núcleo fundido y erupcio­ nes volcánicas en la superficie. Los cuerpos menores, sin embargo, con una razón mayor entre superficie y volume n, se enfría n más depri sa al radi ar calor al espac io. El tamaño de la Luna no es más que una cuarta part e del terrestre, por lo que pierde calor más depri sa . Como resulta­ do, las grandes eru pciones lunares de basalt o, la roca volcá nica más común, cesaron hace cas i tres mil mill ones de años. La pérdid a de calor es aún más rápid a en los pequ eños asteroides rocosos del interior del sistema so­ lar, sobre todo entre las órbitas de Marte y Júpiter. Vesta, el tercero en tamañ o de los astero ides, tiene un diámetro de 5 16 kilómetros; en él, la razón entre superficie y volumen multipli ca por 25 la de la Tierra. Pero nos presenta una paradoja: a pesar de su reducido tamaño, muestra signos de una actividad geo lógica pasada. Las observaciones espect roscópicas de la superficie de Vesta indican que tiene una capa de basalto volcánico; la conclusión es que el interior de este astero ide se fundió en alguna ocasión. El calentamiento no se debe a los radi oisótopos de vida medi a larga; a partir de las concentraciones primordi ales isotópicas y del ritmo esperado de pérdida de calor, los

de haber otra fuente; pero, ¿cuál? Esta pregunt a ha perseguid o a los planetólogos durante décadas. En los últim os años, han ofrecido una posible respuesta las observacio­ nes espaciales, muy en particular las de la misión astronáutica NEAR (del inglés "Near Earth Asteroid Ren­ dezvous", encuentro con los asteroi­ des próxim os a la Tierra) . Cuando NEAR se ace rcó al asteroide Matil­ de en 1997, las medida s del empuje gravitatorio que expe rimentó la nave evidenciaro n la inesperada pequeñez de la masa del asteroide. De esa baja densidad se concluyó que Matilde consiste en una pila muy porosa de escombros , con brechas y huecos en su es truc tura . Este hall azgo puso en entredicho nuestras ideas acerca de la dinámica de los astero ides y apunta a la posibilidad de que las colisiones entre los cuerpos rocosos generen grandes cantidades de calor (aunque parece probabl e que Matilde no se haya fundido nunca). Aunque se trata de una hipótesis co ntroverti­ da, cuenta a su favor con los nuevos estudios de meteoritos, los fragmen­ tos de astero ide que llegan hasta la Tierra. Si se demuestra su validez , la teoría del calentamiento por co­ lisión habría a la vez resuelto uno de los misterios astronómicos más persistentes y transform ado nuestra visión de la historia primi genia del sistema solar.

del borde rojo del espectro visible. Se ha rec urrido a la es pec trosco­ pía par a cla sificar los asteroid es. La región interna del cinturón de asteroides está poblada por asteroi­ des de la clase S, un grupo mixt o que contiene al parec er cuerpos que se fundi eron alguna vez y cuerpos que nunc a se han fundid o. En las regiones más externas del cinturón - a distancias superiores a los 450 mill ones de kilómetr os del Sol-, abundan sobre todo los asteroides de las clases C, P y D; todos parecen ser obje tos primitivos que nunca se han fundid o. Uno de los inconve­ niente s de la espec troscopía remota es que sólo examina la superficie de los cuerpos . En algunos casos, la capa polvorienta más externa de un asteroide no representa el materi al que hay bajo la cort eza. Otr a herramienta es el análisis de los meteoritos procedentes del cintu ­ rón de asteroides. Estas rocas, arran­ cadas de los asteroid es por impactos, emigran hacia órbitas que se cruza n con la de la Tierra , cuya gravedad los captura. (La inmensa mayoría de las decenas de miles de meteorit os catalogados en colecciones institucio­ nales proceden del cinturón de as­ teroides; sólo 60 o 70 especímenes podrían haber sido expulsados de la Luna o de Marte) . Los meteoritos más comunes son las condril as, que conti enen muchas esferas pequeña s: los cóndrul os, que constan de mi­ nerale s silicatados, sobre todo. Los có ndrulos mid en un milímetr o de diám etro o menos. Se formaron hace casi 4600 millones de años en la ne­ bulosa solar - la nube de gas y polvo de la que surgió el sistema solar- y se convirtieron en los componentes principales de los asteroid es cuando estos cuerpos rocosos empezaron a ensamblarse. Se sabe que las condritas nunc a se han fundido tras la formación de sus asteroides porque la fusión habría destruido los cóndrulos. No obstante, much as condrita s presentan indicios de haberse calentado hasta tempera­ turas por debajo del punto de fusió n de los cóndrul os. En razón del grado de metamorfismo térmico o de alte­ ración acuosa -cambios mineraló­ gicos causados por el calor o por el

68

Meteoritos tostados Una de las herramient as clave para la investigación de los as teroides es la espec troscopía: se co mpara el espectro de la luz reflejada por los cuerpos rocosos con los espectros de la luz reflejada por rocas examina­ das en el laboratorio. Los min erales

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

agua- al que han estado sometidas desde su creación, las condritas se dividen en seis categorías. Las condri­ tas de tipo 3 son las más primitivas; sus granos de mineral nunca se han recristalizado tras un calentamiento. Estas rocas presentan, además, pro­ porciones elevadas de sustancias volá­ tiles (gases nobles, agua) y numerosos granos presolares (partículas de polvo que se for maron hace mucho tiempo en las atmósferas externas de otras es­ trellas y han permanecido inalteradas a lo largo de la historia del sistema solar). Estas propiedades nos indican que las condritas de tipo 3 nunca se han calentado por encima de los 400 o 600 grados . Aunque las condritas de tip o 3 no han sufr ido altas temp eraturas, muchas han pasado por alterac iones acuosas en sus asteroides de origen. El agua pudo provenir de cristales de hielo fundidos al calentarse las rocas por encima de O grados, o de la deshidrat ación de min erales si­ licatados que contenía n agua y la perdieron a unos pocos cientos de grados . Las condritas de los tipos 1 y 2 difieren de las de la clase 3 sobre todo por haber expe rimenta­ do alteraciones ac uosas mayores; el agua ha oxida do buena parte el hierro y el níquel de esas rocas . La cantidad de agua (en peso) de los meteoritos ronda el once por ciento en las condritas de tipo 1, el nueve en las de tipo 2 y el dos por ciento, o menos, en las de tipo 3. Las condri tas de los tipos 4 a 6 prese ntan niveles crec ientes de me­ tamorfismo térmi co. La rec ristaliza­ ción genera lizada ha hecho que los cóndrulos y los granos de minerales próximos en la matri z -el mate­ rial en que se inclu yen los cóndru­ los- se mezclen unos con otros. Es más, el calent amiento ha destruido la mayoría de los granos presolares y mermado la cantidad de gases nobles y de ag ua. Est as condr itas alcan­ zaron tempera turas de entre 600 y 950 grados. Otros tipos de meteoritos presen­ tan signos de fusión. Si un asteroide co ndrí tico se funde por comp leto, los metales y los silica tos for man líqui dos inmiscibl es, que se separa n de acuerdo con su densidad, como el agua y el aceite. El líquido denso de hierro y níquel se hunde en el interior del asteroide y cristaliza lent amente

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

julio, 2005

69

a medida que va e nfr iá ndose. Por encima del núcl eo, los silica tos se endurecen en un mant o pedr egoso ; la fus ión parcial del manto produce basalt os que asciende n hacia la su­ perficie para for mar una corteza . E l produ cto final co nstituye un "o bje­ to diferenciado" . Muc hos meteoritos parecen proceder de astero ides co mo éstos . La mayoría de los meteorit os de hierro - los mayores frag me ntos ex tra terres tres hall ad os en nuestro planeta- son pedazo s de los núcl eos de asteroid es fundidos. Se piensa que much os de los meteoritos de hierro y pie dra proceden de la frontera en­ tre el núcl eo y el manto ; se admite que otro gru po de meteoritos, los eucritos, salió, prob abl em ent e, de la corteza. Más del 90 por ciento de los meteo­ ritos que viene n de asteroides y cuya caída a nuestro planeta se ha detecta ­ do antes de que se los recogiese del suelo presen tan indicios de fusión o de grandes metam orfismos; ejemplos de lo prim ero serían los meteoritos de hierro, los de hierro y piedra y los e ucritos, en tanto que reflejarían metamor fismo las co ndritas de tipos 4, 5 y 6. Es obvio que los asteroi­ des sufriero n altas temperaturas en alguna ocas ión. Pero, ¿qué aume ntó su temperatur a hasta tal punt o, si son dem asiad o pequ eños para retener el ca lor procedent e de los radioisótopos de vida medi a larga?

el espacio. Pero este calentamiento no es duradero ; en unos pocos mi­ llones de añ os cas i tod o e l 26Al se ha co nvertido en 26Mg. Se cree qu e el 26Al present e en nuestro sistema solar se fabri có en las reacciones nucleares de otra es­ trell a y lo di sper só una ex plos ión de supernova, qu e inyectó el isóto­ po en la nebu losa sola r hace unos 4600 millones de año s. En el mismo planteami ent o teórico se admite tam­ bién que la onda de choque de esa supe rnova desen cad en ó el co lapso gravitatorio de una nub e de gas que daría luga r al Sol y los planeta s. Un fen óm en o de esa índ ole pudo ha­ ber distribuido el 26Al por igual por tod a la nebulosa, co nvirtié ndose en la fue nte de calor de cuerp os roco­ sos que se en samblaron a diferent es distancias del Sol. (O bien , algo de 26Al pud o hab erse formado al irra­ diar el So l primitivo las partícul as más cercanas a sí y desperdigarlas más tarde con vientos turbulent os.) Co n una cantidad suficie nte de 26Al, algunos asteroides se habrían fundido poco después de su formación. En los meteoritos ensa mblados despu és y,

por tant o, co n men ores ca ntida des de 26A l, el cale ntamiento habría crea do una es truc tura de ce bo lla; el int e­ rior del as teroide se habría enfria do más despacio qu e el exterior y las rocas del núcleo sufri ría n un meta­ morfi smo más intenso (po r eje mp lo, las co ndritas 6). Las rocas cada vez men os metamórficas (las condritas de tip os 5, 4 y 3) residirían en ca pas co ncé ntricas próxim as a la supe rficie del astero ide . Para probar est a hip ótesis, se han bu scad o en los meteori tos prop or­ ciones anorma lme nte altas de 26Mg, produ cto de la desintegra ción radi ac­ tiva del 26Al. En particular, se ras­ trean los excesos de 26Mg en los min erales meteoríti cos que conti en en mucho aluminio y poco magnesio. En estudios recient es, se han anali zad o minerales ricos en aluminio, co mo la anortita y la hib onita, co n micro­ sondas de iones. Es tos instrument os bo mbardea n las muestr as con haces iónicos enfo cados sobre la super ficie a fin de arrancarle iones sec undarios, que se diri gen hacia un es pec tr óme ­ tro de masas donde se establece su co mpos ició n.

Calentamiento por aluminio Hace 50 años, Haro ld Urey propu so una respuesta: la desint egración ra­ diacti va del isó topo de vida media cor ta de aluminio 26 (26Al) podr ía hab er ca le ntado los astero ides. Al co ntra rio que el aluminio co mún, el aluminio 27 (27Al), que tien e un neutrón más, el 26Al es inestable; se desin tegra en el isótopo magnesio 26 (26Mg) liberand o ene rgía en el pro­ ceso . El 26AI tiene una sem ivida (el tiempo en que se des integra la mit ad de una mu estr a) de 73 0.000 años, miles de veces más cor ta qu e las sem ividas de los radioisótopos de lar­ ga durac ión. Pues to qu e el 26Al se desint egr a tan pront o, cantidades reduci­ das de este isótop o aum en­ tan notabl ement e la temperatu­ ra, incluso de los cue rpos pequeños, antes de que el ca lor se pierd a en

70

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Esas investigaci ones han revelad o la existencia de 26Al en las inclusio­ nes refractari as: pequeños ensambla­ jes de minerales, ricos en calcio y aluminio, sumergidos en los meteori­ tos condríticos junto a los cóndrulos. Los minerales de estos ensa mblajes se forman a altas temperaturas, no menos de 1800 grados Celsius, por lo que las inclu siones refractari as deben de datar de los primerísim os tiem­ pos del sis tema solar, antes de que se enfriara la nebulosa solar. En la mayoría de las inclusiones analizadas, se ha determin ado que la proporción de 26Al en el momento de la for­ mación -cantidad expresada por la razón entre el 26Al Y el isótopo más abundante, 27Al - era 4,5 x 10- 5 . A ese valor se le denomin a "razón ca­ nónica". Con tamaña concentrac ión de 26Al pudo haberse dado un calentamiento considerable. La razó n canónica es la misma en las inclu siones halla­ das en toda las clases de condritas. (Amén de clasificarse seg ún el tipo metamórfico, las condritas se dividen en tres grandes tipos de acuerdo con su comp osición química : com unes,

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio. 2005

carbonáceas y enstatitas.) A pesar de ello, las inclusiones apenas re­ prese ntan una pequeña frac ción del aluminio existente en las condritas; hay más aluminio en los cóndrulos, que llegan a sumar del 30 al 90 por ciento del aluminio de la mayoría de las condritas. Por tanto, los c óndru­ los deberían haber partic ipado mucho más en el calentamiento radioisot ópi­ co que las inclusiones refractarias. En el año 2000, Noriko Kita , del Servicio de Inspecc ión Geo lógica de Japón, y sus colaboradores examina­ ron los cóndrulos de las condritas cor rientes - una clase formada por los tres grupos más com unes de con­ dri tas, llamados H, L Y LL- Y en­ contraron que la razón isotópica entre el 26Al Y el 27Al en el momento de la formación de los cóndrulos era sólo de un 7,4 x 10- 6, es decir, una sexta parte de la razó n canó nica. Conocido el ritmo de desin tegraci ón del 26Al, esta razó n isotópica inicial apunta a que los cón drulos se forma ron entre uno y dos millones de años después de las inclu siones refra ctari as (su­ poniendo que el radio isótopo estab a . homogéneamente distribuido por el siste ma solar primigenio). Ya que los asteroides condríticos son posteriores a los cóndrulos, la razón isotópica inicial de los cóndrulos impone un lím ite superior a la cant idad de 26Al disponibl e para ca lentar los cuerpos rocosos . No parece probable que esta can­ tidad bastase para ca usar todo el ca lentamiento observado en los me­ teoritos. Los modelos térmicos mues­ tran que aun cuando los asteroides se hubiesen formado inmediatamente después de la creac ión de los cóndru­ los, el calentamien to debido al 26Al habría aumentado la temperatura del interior de los asteroides de las con­ dritas comu nes hasta los 1100 grados, como mucho ; a esa temp eratura se derriten los meta les y los sulfuros , pero resulta insuficiente para fundir los silicatos y diferenciar un aster oi­ de . La eficiencia del calentamiento rad ioisotópico es menor en los aste­ roides proge nitores de las condritas carbo náceas; en el aná lisis de los cóndrulos de uno de estos meteoritos (rea lizado por Takuya Kunihiro y sus colaboradores de la Universidad de Ca liforn ia en Los Angeles, entr e los que me cuento), encontramos una razón inicial promedio de 26Al Y

27Al de 3,8 x 10- 6, alrededor de la mitad de la vista en los cóndrulos de las co ndritas com unes. Aun con varias supos iciones generosas, deter­ minamos que la temperat ura máxima alcanzada en asteroi des de condritas carbonáceas con diámetros de 80 ki­ lómetros o mayores no habría pasado de 670 grados , muy pequ eña para fundir algo . Para orillar ese problema, los de­ fensores del calentamiento por 26Al pres uponen que algunos có ndrulos se formaro n antes en la historia del sistema solar, quizás en un tiempo más cercano al momento en que los minerales de las inclusiones refrac­ tarias se condensaro n en la nebulo­ sa solar y, por lo tanto, presentaban razones isotópicas mayo res . Según esta hipótesis, nunca se encontrarán datos de tales cóndrulos tempranos porque los destruyó la fusión de los asteroides condríticos a los que se incorporaron. Aunque no pueda re­ futarse tal hipótesis, no parece muy probab le. Si esos cóndrulos ricos en 26Al existieron alguna vez, debieron también de for marse algo después cóndru los intermedios, con una razón isotópica más moderada , no tan alta como para destruir los cóndrul os, si bien mayor que las razones observa­ das hasta ahora. Aunque estos hipo­ tético s cóndrulos deberían aún estar presentes en nuestro sistema solar, no se ha hallado ninguno todavía. (No obstante, la búsqueda acaba de empezar.)

Algunas alternativas Ya que el grado de ca lentamie nto del 26Al podría no haber llegado a fundir los asteroides , es prudente pensar en otras fuentes posibles de calor. Una alterna tiva considerada con frecuencia es el radioisótopo hierro 60 (GOFe), con una corta semivida de millón y medio de años. Alexander Shukolyukov y Gunter Lugmair de la Universidad de California en San Diego han encontrado su producto de desi ntegración, el níquel 60 (6oNi), en algunos eucritos; en unas pocas condr itas lo hallaron también Shogo Tachibana y Gary Huss, ento nces en la Universidad Estata l de Arizo na. Con todo , se deduce de los datos que la proporción relativa inicial de 60Fe fue pequeña, del orden de 3 x 10- 7. Kunihiro y sus co labora dores esti­ maron que la desintegración del 60Fe

71

vien tos tan intensos. Es más, las es­ trella s nacientes co n vientos tienden a eyec tarlos hacia los polos, lejos de donde residen los asteroi des, los discos ecuatoriales de acreción que rod ean a la estrella .

Calentamiento por colisiones

Cráter verdadero

'---­-

Rocas terrestres fracturadas

-

-

- Material fundido

Rocas golpeadas

CRATERTERRESTRE

Cráteraparente

Cráter verdadero

Depósito de escombros

Material muyporoso

Material calentado y comprimido - -­

#1--­

Material fundido

-

CRATER EN UN ASTEROIDE POROSO

incrementó la temperatura de los as­ teroides en apenas 180 grados. Con­ cluyero n que el calor generado por la des integrac ión conj unta del 26Al Y del GOFe no constituía la fuente de la fusión de los astero ides . Otro mecanismo de calenta miento posible es la inducción electro magné­ tica . El Sol joven pudo haber produ­ cido un intenso viento solar ionizado,

72

con un campo magnético asoc iado, que se desplazase hacia el exterior a cientos de kilómetros por segundo . De haberse topado este viento con as­ tero ides eléctricamente co nductores, habría provocado en ellos corrientes generadoras de calor. Esta idea, sin embargo, cuenta con pocos defenso­ res debido a sus incertidumbres. No está claro que el Sol joven emi tiese

La única alternativa viable que qued a es el calor producido en la colis ión de dos astero ides, una hipótesis no exenta de probl ema s. El grupo de Klaus Keil, direc tor del Instituto de Geofísica y Planetología de la Uni ­ vers idad de Hawai en Manoa, ha pla nteado varias objecio nes. En pri­ mer lugar, un impac to sólo aumenta la temperatura global de un objeto de l tamaño de un astero ide en unos grados . En seg undo lugar, la alta rel ación entre la superficie y el vo­ lumen de estos cuerpos favorece la pérdida de calor; de un impa cto a otro se habrían enfriado enseg uida. En tercer lugar, un impacto típic o gene ra cantidades pequeñas de roca fundida, en comparac ión con el gran volumen de esco mbros producidos. y finalmente, las bajas velocida des de esca pe de los astero ides permiten la dispersión de la mayor parte del material más calentado. A pesar de que estas objeciones parecen sólidas, podrían carece r de importancia porque presuponen que el obje to del imp acto es un cuerpo cohes io nado, co n poca porosidad, co mo la Tierra o la Luna. Pero, se­ gún se avanzó, el descubrimiento de que muchos asteroi des presentan una baj a densidad (só lo 1,2 gramos por ce ntímetro cúbico) apunta a que son pil as de esco mbros muy porosas. La porosidad que se le esti ma a Mati lde llega al 50 por cie nto: la mitad de este asteroide es espacio vacfo , Aún más, la porosidad de los astero ides quizá fuera todavía mayor nada más haberse constituido a partir de los res iduos del sistema solar joven. La acrec ión no ocurre demasiado deprisa y construye estruct uras esponjosas; se necesitan imp actos muy enérgicos para comprimir el material poroso y crear cuerpos cohes ionados . Cuando un meteorito grande im­ pacta en la superficie de la Tierra se crea un cráte r somero; en un astero i­ de de baja densidad, un impacto si­ milar abriría en el cuerpo poroso una depresión profund a, casi cilíndrica. La energía de choque se atenúa con

INVESTIGAC iÓN

y CIENCIA, julio, 2005

rapidez en los materiales porosos; por ello, el imp acto calienta eficazmente las rocas que bordean el profund o cráter. Comparado con una colisión entre objetos comp actos, se consume más energía en calentar las rocas den­ tro del asteroide y menos en expeler desechos. Lo s esco mbros tienden a depositarse en la depresión ; cubren, pues, el cráter inicial y actúan como una alfombra que retra sase la pérdi ­ da de calor. Aunque la temp eratur a global de un asteroide no aumentaría demasiad o, cierta s zonas sí se calen­ tarían quizá much o; algunas rocas se fundirían inclu so. Los impactos suces ivos darían lug ar a múltiples regiones metam órficas alrededor de los cráteres. Los estudios sobre meteoritos es­ tán recogiendo pruebas que apoyan la hip ótesis del cal entamiento por coli siones . Desde siempre, los in­ vestigadores venían determinando si un meteorito había experimentado un efecto de choque mediante el examen de la estructura de los granos de sili­ catos. Los efectos de choque intensos deforman las estructuras cri stalinas y crean mosaicos reconocibles al mi­ croscopio. (La colisión que separó el meteorito de su asteroide progenitor no suele ser la causa del efecto de choque; los residuos se expulsan sin que sus con stitu yentes sufran altera­ ciones consid erables.) Hace poco he examinado más de 200 condritas comunes metam órfi­ ca s que estaban clasificadas entre los objetos sin efec to de choque o con efectos de choque débil es, al no parecer que los gra nos de silicato se hubiesen deform ado. He encontrado sin embargo que todas y cada una de estas rocas portaban otras huellas de choque, así la presencia de vetas de metales. (Puesto que los metales alcanzan punt os de fusión más bajos que los silicatos, con frec uencia se licuan y forman vetas tras un im­ pacto .) Mi conclusión es que todas las condritas comunes metamórficas han sufrido efectos de choque y se han calentado, alguna s en mú ltiples ocasiones. Esos efectos de choque se pierden co n facilidad: el calor los borr a al templ ar los granos deforma ­ dos de los silicatos. El gru po diri gid o por Eleanor Dixon reali zam os la data ción iso­ tópica de una condrita común con rasgos de choque y calentamiento;

INVESTIG ACi ÓN y CIENCIA, julio, 2005

demostramos que la roca sufrió, hace 4270 de millones de años, un proceso así. Los radioisótopos de vida medi a corta no pudieron ser la fuente del calentamiento, porqu e éste ocurrió 300 millones de años -o unas 400 vidas medias del 26Al_ después de la form ación de los asteroides. Si los impa ctos generaro n calor tan tard e en la historia del sistema solar, de­ bieron de ser también muy efectivos calentando asteroi des en épocas an­ teriores, cuando abund aban más las colisiones. He identificado condritas comunes metamórficas compatibles con esta hip ótesis; datan de hace 4450 millones de años y muestr an efectos de choqu e: ensamblajes de metal fundido y sulfuros contiguos a silicatos que parecen templados. Una correlación positiva entre el grado metamórfico de las condritas y la magnitud de los efectos de choque experimentados respaldaría la hipó­ tesis de que los imp actos fueron la causa principal del calentamiento de los astero ides. Las rocas que reci­ bier on un imp act o más fuerte de­ ben , seg ún la hipótesis, presentar un mayor calentamiento. Los datos de más de 1650 condritas comunes que recogí del Catálogo de Me teor itos demuestran que tal correlación existe. Los modelos del calentamiento por colisión predicen, además, que los grupos de condritas con las mayores pro porciones de miembr os metamór­ ficos deberían presenta r las mayores proporciones de miembros que han sufrido efec tos de choque. Y tal ocurre con las condritas comunes y las carbonáceas. En res umen, una valoración ju sta de las pruebas indica que tanto las colisiones como la desintegración ra­ diactiva del 26Al calentaron los aste­ roides. En mi opinión, la fuente de calor principal fueron las colisio nes, pero la mayoría de los cosmoquími­ cos continúan apostand o sólo por el 26Al. Si prevaleció el calentami ent o por impacto, la historia térmi ca de los asteroides diferirá de las pred i­ chas por los modelos ordinarios, que atribuyen una disposición en capas de cebolla al interior de los astero ides. Por eje mplo, los tiempos de enfria­ mient o de las rocas enterradas bajo los cráteres son bas tante más cor­ tos que los millones de años que les habría llevado enfriarse a las rocas interiores calentadas por la desint e­

gració n radiactiva del 26Al. En fecha reciente, Ed Scott, de la Universidad de Hawai en Manoa, comprobó que los datos sobre los tiemp os de enfria­ miento de un conjunto de condritas comunes contradicen la estructura en capas predicha por el cal entam iento por 26Al. Los asteroid es, los plan etas y los cometas comparten un origen común. Los mismos impactos que formaron y acribillaro n los asteroides dieron nacimiento a la Tierra; los cuerpos del cinturón de asteroides se habrían aglomerado para formar un planeta , si no hubi era sido por la influen ­ cia gravitatoria de Júpiter. Por este motivo, los asteroides nos ofrecen un vislumbre del estado evo lutivo de nuestro propi o planeta hace 4500 millon es de años. Las ancestrales su­ perficies golpeadas de esos cuerpos roc osos se ñalan que los imp actos violentos fueron frecuentes durante cientos de millones de años. El re­ conocimiento actual de que las co­ lisiones entre asteroides debieron de contribuir al calentamiento de dichos cuerp os prueba, una vez más, que los efectos de los impactos no son sólo superficiales.

El autor Alan E. Rubin es geoqulmlco de la Universidad de California en los Angeles. Se doctoró en geología por la Universidad de Nuevo México en 1982. En el año 2002, el asteroide 6227 recibió el nombre de "Alanrubin" en reconocimiento a su contribución al campo .

Bibliografía complementaria METEORITES AND THEIR PARENT PLAN ETS. Segunda edición. Harry Y. McSeen, Jr. Cambridge University Press, 1999. ASTERDIDS 111. Dirigido por W. F. Bottke, A. Cellino, P. Paolicchi y R. P. Binzel. University of Arizona Press, 2002. TREATlSEDN GEDCHEMISTRY, Vol. 1: "METED· RITES, CDMETS, AND PLANETS". Dirigido por Andrew M. Davis . Elsevier, 2003. ASTERDID HEATING: A SHDCKING VIEW. G. Jeffrey Taylor. Disponible en la red en www.psrd.hawaii.edu/ApriI04/as te· roidHeating.html

73

s

a I

n

74

t

P

h

r

Del mismo modo en que los motores de búsqueda localizan la información en la Red, una nueva herramienta lógica explora la bibliografía científica en busca de nuevas rutas moleculares Gary Stix

l primer proyect o en que parti cip ó Andrey Rzhetsky cuando, en 1996, llegó a la Uni­ versidad de Columbia en calidad de científico investigador implica ba una búsqueda bibliográ­ fica que debía arrojar luz sobre por qué los linfoc itos (cél ulas blancas de la sangre) no muere n afec tados por la leucemia Iinfocítica crón ica. Rzhetsky enco ntró varios centenares de artículos sobre apoptosis (muerte celular programada) y cá ncer. Aunque hubiese dedicado todo su tiempo en el empeño, le hubiese res ultado imp osible realizar una explorac ión exhaustiva de todo cuanto se hab ía publica do en las revistas espe­ cializadas. Y lo que era peor, aquello correspondía sólo a la punta del iceberg. La expe riencia le llevó a concebir una herramient a que le allanaría el cami no: un motor de búsqueda automa­ tizada que enco ntrara y leyera toda la bibli ografía. No sólo le ahorraría una mareante tarea, sino que, además, le permitirí a dej ar que una máquina "inves tigara" por su cuenta, reconociendo relaciones subyace ntes entre los datos, de la misma forma en que lo haría un human o. (Esta idea había sido bosquejada por Masatoshi Nei, tutor de Rz hetsky dur ante su esta ncia posdoctoral en la Universidad estatal de Pe nnsy lva nia; estancia que comenzó en 1991 , después de trabajar en el Instituto de Citología y Ge nética, un centro de matemáticas aplicadas a la biología ubicado en Novosibirsk, Siberia.) Además de embe berle de lleno en las búsquedas biblio­ gráficas, el proyecto de la leucemi a le hizo darse cuenta de que las rutas moleculares (patrones de interconexión) de genes y proteínas, estaba n poco explora das. En 1997, el Centro de Tecnología Avanzada de la universidad otor­ gó a Rzhets ky una subvención de 100.000 dólares para aco meter el desarroll o de su herramienta de búsqueda automatizada . Algunos exper tos en lenguaje natural -do­ minio de la inteligencia artificial que estudia los lenguajes

E

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

julio, 2005

utili zados por hum anos, no por computadores- esta ban desarrollando herramientas para la búsqueda y extracc ión de datos biológicos, pero fundamentalmente a partir de resúmenes, no de artículos completos. Rzhetsky emprendió el dise ño de un sistema que, además de buscar en los artíc ulos enteros, identificase conexio nes entre genes y pro teínas que hubi esen pasado inadvertid as (en síntesis, que generase conoc imie nto y nuevas hipótesis a parti r del análisis de un gra n volumen de infor mac ión almacenada). Confiaba en el poder de la minerí a de textos para vislumbrar nuevas rutas mo­ lecul ares, que, pos teriormente, se compro baría n en el laboratorio. Así nació el siste ma GeneWays . Para llegar a ser algo más que una si mple versión esp lendorosa de Google, GeneWays debía incorporar var ios módulos de instru cci on es lógi cas (softwa re) . Cada módul o as umiría una tarea: por ejemplo, trans­ fe rir ar tíc ulos desde la Red, ded uc ir las di versas rutas mo lec ulares y generar gráficos que representasen cada gen o pro teí na y sus intercon exion es. Tras descargar un artíc ulo y despojarlo de su codificación para co nvert irlo en un texto sin formato - eliminar las ins truccio nes en HTML, por ejemplo, plan tea por sí mi smo todo un reto - , el programa deb ía "comprender" los tér ­ min os emp leado s po r el autor. El vocablo "p53", por ejemp lo, puede referirse a un gen, a una proteí na o a un ARN me nsajero, según el co ntexto. Ade más, en el caso de alg unos ge nes -eternamente j oven C'fore­ ver young" o f ey) en Arabidopsis thaliana o madres contra los decapentapl éjicos ("mothers aga inst deca ­ pentalegic" o mad) en Drosophila melanogaster- su funció n queda enmascarada por el cap richo de quie nes los ba utizaron. Para resolver este pro blema se utilizaron las mejores herramientas de estadística y de inteli gencia artificial. De todos los elementos que part icip an en es ta fase de

75

MINERIA DE TEXTOS: EXTRACCION DE CONOCIMIENTO NUEVO A PARTIR DE INFO

El programa GeneWays "lee" decenas de miles de artículos científicos y clasifica la información que éstos contienen de forma automática en una base de datos. Cuando se le pide información acerca de una molécula de­ terminada o de una ruta metabólica, la base de datos define las relaciones de esa molécula con otras. Así se descubren nuevas rutas moleculares. La minería de textos permite realizar una búsqueda bibliográfica de mayor alcance que la que podría llevar a cabo una persona utilizando métodos manuales. El texto completo de los

artículos científicos se

transfiere desde los servidores en línea hasta un ordenador

1

El texto se somete a otras etapas de procesamiento. Por ejemplo, se determina si un término técnico corresponde a un gen, a una proteína, a una molécula pequeña o a una especie

3

Un programa despoja el texto de formatos como el código HTML

2

identificación y desambiguación, el más compre nsible es el que marca las distint as partes del discurso para que otros módulos puedan reconoce r sintagmas nomi­ nales del tipo "el supreso r de tumores p53" . El resto de esta picadora de información co nstituye una maraña que combina las matemáticas con la informática: en ella intervienen máquinas de soporte vectorial, modelos de Markov ocultos, clasificadores de Naive Bayes y algo­ ritmos de árboles de decisión. Una vez que un objeto ha sido identificado como un gen, una proteína, un ARN o una molécula de pequeño tamaño, GeneWays procede a orde nar la información medi ante GENIES , un módulo de análisis sintáct ico. Así es como el orde nador "lee" cada una de las frases de un artículo. Rz hetsky y su grupo sacaro n un gran provecho del trabajo de los expertos en lenguaje natur al. En 1995, Carol Friedman había dirigi do en Columbia un equipo que desarrolló un sistema de lenguaje natural, el MedLEE. Permitía extraer la información textual de los registros médicos de radiografías torácicas de lo que ahora es el Hospital Presbiteriano de Nueva York (y posteriormente de otros regis tros) para ser utili zada en diversos sistemas de información hospit alaria automatizados . Friedman y Rzhetsky utilizaron algunas partes de MedLEE como punt o de partida para el desarrollo de una gramática especializada en biología molecular, que especifica re­ laciones entre diversas entidades moleculares. GENIES empieza el proceso entresaca ndo de un ar­ tículo sobre biología molecular la siguiente frase: Estudios recientes señalan que mdm2 promueve la rápida degradación de p53 a través de la ruta proteo­ lítica de la ubiquitina.

76

Una vez filtrado el texto, GENIES, un módulo de análisis sintáctico, lo traduce a un formato que pueda ser interpretado por un computador para establecer luego rela­ ciones entre entidades moleculares

4

De ahí extrae que una proteína, mdm2, degrada a otra, p53, a través de una ruta enzimática en la que interviene una proteí na, la ubiqui tina, y lo transforma en: [acción promover, [genoproteína mdm2], [acción degrada r, [proceso ruta proteolítica ubiquitina], [genoproteína p53]]] A co ntinuació n, una base de datos (la Base de Inte­ racción del Conocimiento) almace na, para luego recu­ perarlo , este árbol semántico. Sus más de dos millones de enunciados distintos, del tipo "mdm2 promueve la degradació n de p53", se utilizan para enco ntrar relacio­ nes entre moléculas o construir nuevas redes de inte­ racc iones moleculares. Estos enu nciados se extraen del texto completo de unos 250 .000 artíc ulos publicados en 80 revistas de biología molecular. Otros módulos de GeneWays determ inan la fiabilidad de un enunciado concreto, buscan relaciones adicio nales o elabora n una representación gráfica de las rutas . La idea de modelar inter acciones molec ulares a parti r de la bibliografía existente tardó en ser aceptada por el grueso de la co munidad cie ntífica. Dura nte años , el estado unidense Instituto Nacio nal de la Salud (NIH) y la Fundación Nac ional para la Ciencia rechazaron las solicitudes de subve nción de Rzhetsky. Aducía n que Ge neWays o bien res ultaría irreal izable o bie n sólo redesc ubriría lo obvio, reve lando rutas ya co nocidas por los expe rtos. Hace un lustro, sin motivo aparente, se reanu daron las subve nciones; para ento nces, el ca m­ po de la bioin formática ya había adq uirido iden tidad propia.

INVESTIG ACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

GEN IES 1 acti vada (r: ia '. como. un . (oPre gul ador,

negarid~ '1:~

t er . y: c iÓn ,de . tr an: ~ r ~~ d i a da . i l por' . e d2S.

\

6

A continuación, una consulta a la base de datos especifica las relaciones que una molécula deter­ minada (IL-2) establece con otras proteínas (por ejemplo, Rap1)

La información se almacena en una base de datos

5

7

Estas interacciones se exhiben gráficamente (se representan las rela­ ciones de una molécula con otras, como se indica aquí, o bien rutas molecu­ lares complejas).

En 200 1, Rzhetsky inició una colaboración con Ke­ vin White, de la Universidad de Yale. White ayudó a ampliar el ámbito de la Base de Interacción del Cono­ cimiento, incor porando datos genómicos y proteómicos no procesados de D. melan ogaster . Las repr esentaci ones gráficas obtenidas a partir de textos así como de datos experimentales identificaron nuevas rutas posibles que afectaban a genes implicados en el desarroll o tempr ano de dicho organismo, genes que podían estudiarse luego en el laboratorio. La nueva herramienta permitía explorar sistemáticamente y de forma simultánea varios conjuntos de datos de gran tamaño. En otro proyec to, Rzhetsky colaboró con investigadores de la Universidad de Columbia para identificar nuevos genes relacionados con la enfer medad de Alzheimer. GeneWays partió de un núcleo de cuatro genes cuya in­ tervención en el desarrollo del Alzheimer estaba probada; a continuación, basándose en un anális is bibliográfico, creó un modelo de genes y proteínas que interacciona­ ban con esos cuatro genes. Se suponía que los mejores cand idatos, los genes con mayor probabilidad de estar relacionados con el Alzheimer, serían los conectados a los genes iniciales mediante el mínimo número de eslabones. Los genes así identi ficados coincidieron estrechamente con los que un experto había hall ado sirvié ndose de métodos manu ales. La precisión de la minería de textos automatizada no es equiparable - y probablemente nunca lo será- al trabajo del documentalista que escudriña los documentos uno por uno. Pero, cuando no se dispone de recursos humanos suficientes para exp lorar toda la bibli ografí a de interés, GeneWays resulta de la mayor utilidad. Rzhetsky se propone seguir desarrollando GeneWays hasta que su base de conoci miento abarque toda la bio­

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

logía y la quumca. Por ahora, Rzhetsky, White y sus colaboradores están trabajando para ampliar las aplica­ ciones de GeneWays: utilizan el análisis bibli ográfico para mostrar cómo se llega al consenso entre biólogos. A tenor de sus halla zgos, al nivel más fundamental, el instinto gregario prevalece. Un enunciado sencillo -"La proteína A activa el gen B", por ejemplo- a menudo se toma como una verdad indiscutible, un pequeño dogma que dificulta la aceptación de las hipótesis que contradi­ gan el pensamiento vigente, inclu so ante la emergencia de nuevos indici os que las respalden . La aportaci ón de prueba s documental es al proceso de razonamiento colectiv o pone de manifiesto la capacidad de GeneWays para ahondar en la bibliografía . Muestra también el potencial de la minería de textos para am­ pliar los análi sis bibliográficos y unificar así el espectro compl eto del conocimiento human o.

Bibliografía complementaria MINING THE BIOMEDlCAL LITERATU RE INTHE GENOMIC ERA: AN OVERVIEW. H. Shatkay y R. Feldman en Joumal of Computational Biology, vol. 10, n.O 6, páginas 821·855; diciembre de 2003. GEN EWAVS: A SVSTEM FOR EXTRACTING, ANALVZING, VISUAlIZING, ANO INTEGRATING MOLECULAR PATHWAV OATA. Andrey Rzhetsky y col. en Joumal of Biomedical Informatics, vol. 37, n.? 1. páginas 43·53; febrero de 2004. MOLECULAR TRIANGULATION: BRIOGING LINKAGE ANO MOLECULAR·NETWORK INFORMATrON FOR IOENTIFVING CANOIOATE GENES IN ALZHEIMER'S OrSEASE. Michael Krauthammer, Charles A. Kaufmann, T. Conrad Gilliam y Andrey Rzhetsky en Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol. 101, n." 42, páginas 15.148· 15.153; 19 de octubre de 2004.

77

Halogenuros orgánicos

Aunque suelen asociarse a la industria química, los compuestos halogenados abundan, también, en nuestro entorno natural Gordon W. Gribble

l DDT (diclorodifeniltricloroetano), las dioxinas, los PCB (bifenilos po­ liclorados), los CFC (cloro fluorocarburos) y otros co mpuestos clorados (que contienen cloro) sintéticos pertenecen al grupo de los conta minan­ tes persiste ntes. Menos conocido es que la naturaleza produce una gra n cantidad de sustanc ias haloge nadas simi lares, o incluso idénticas, a las sintéticas. Algunas de ellas precedieron el inic io de la vida en la Tierra . Desde el simp le y omnipresente cloruro de metilo hasta la compleja vancom i­ ci na (antibiótico c1orado), la naturaleza es capaz de crear halocarburos con una variedad y comp lejidad estructural que los químicos de carne y hueso no logran reproducir en sus laboratorios. Lo s compuestos orgánicos halogenados origi nados exclusivame nte en la natura leza se cuentan por millares: hasta la fecha, se han identificado 2350 cloruros, 2050 bromuros, 115 yoduros y 34 fluoruros. Las bac ­ terias, los hongos , las plantas y los animales - humanos inclu idos- prod ucen, todos ellos, halocarburos. Tales halocarbur os se generan también, de forma abiótica, en incendios fores ­ tales, erupciones volcá nicas y otros fenómenos geotérmicos . En algunos casos , los comp uesto s naturales coinciden con los que se sintetizan para uso industrial. Aun así, la elevada toxic idad -y exte ndida publicidad- de los plaguicidas c10­ rados y otros prod uctos industriales de este tipo generan tales preju icios entre la pob lación genera l, que muy pocos imaginan que las moléculas halogenadas se prod ucen tambié n en plena naturaleza . La bioprospección, la exp lorac ión del mundo vivo en búsqueda de sustancias orgá nicas de interés, ha llevado a cientos de compuestos naturales que contie nen átomos de cloro y de bromo. Esta búsqueda debe gran parte de sus logros a la técnica SCUBA (de "Se lf-Co ntained Underwater Breat hing Apparatus", apara to independiente para resp irar bajo el agua), que ha ampliado los horizontes de la investigación mar ina. Los orga nismos marinos constituyen la principal fuente de halocarburos, lo que no debe sorprendernos si recordamos los altos contenidos en cloro y bromo del agua del mar. El "olor a mar" emerge, en parte, de organohaloge nados volát iles que desprenden las algas marinas. El brom uro de metilo, el yoduro de metilo, el bromoformo y otros comp uestos de este tipo son utilizados también por la industria química como plaguicidas o como prec ursores en la síntesis de otros pro­ ductos. No obstante, la mayoría de los halogenuros orgá nicos son nuevos para la cie ncia; nunca han sido sintetizados en un laboratorio. En los orga nismos que los prod ucen, desarrollan múltiples funcio nes : operan como repelentes e inhibidores del apeti to, agentes antibacteria les y anti incrustantes, feromo nas y hormonas.

E

78

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Halógenos elementales Un halógen o -etimológicamente, "formador de sal"- es un elemen­ to dotado de siete electrones en su capa de valencia (la más externa), uno menos que los necesarios para completarla y conferir estabilidad al átomo. El notable beneficio que com­ porta la adquisición de este octavo electrón -relajac ión en un estado de energía inferior- hace que los halógenos reaccionen de for ma agre­ siva para obtenerlo. En razó n de tan elevada afinidad electrónica negativa, los halógenos se combinan fácilmen­ te con otros elementos. Su configuración heptaelectrónica común se refleja en la tabla perió­ dica: todos los halógenos se hallan agr upados en la misma co lumna . De los cinco elementos de l grupo (de nominado grupo VII), el flúor (F), el cloro (Cl), el bromo (Br) y el yodo (1) se hallan en molécul as biológicas. El último y mayor de los halógenos elementales, el astato (At), es radiactivo y no se encuentra en la naturaleza. En es tado puro, los halógen os forman molécul as diatómicas: por eje mplo, el F 2 (diflúor) o el Cl2 (di­ cloro), ambos gases altamente reac­ tivos. Cuando se combinan, tienden a form ar co mpuestos iónicos con metales (el cloruro de sodio, o sal común, por eje mplo) y compuestos covalentes con no metales (moléculas orgánicas halogenadas u organo ha­ logenados).

Compuesto

Fórmula

Halógeno

Industria

Naturaleza

flúor (gas)

F2

F

si

sí

ácido fluoroacético

C2H30 2F

F

sí

sí sí

fluoruro de hidrógeno

HF

F

sí

tetrafluoroetileno

C2F4

F

sí

sí

CFC-11

CCbF

F,CI

sí

sí

sí

sí

2 ,4-diclorofenol

C6H40CI 2

CI

2 ,6-diclorofenol

C6H40CI2

CI

tetracloruro de carbono

CCI4

CI

sí

sí

cloro (gas)

CI2

CI

sí

sí

ácido cloroacético

C2H30 2CI

CI

sí

sí

cloroformo

CHCb

CI

sí

sí

clorotenol

C6HsOCI

CI

sí

sí

criptoficina 1

C3sH43N20sCI

CI

DDT (1,1,1-tricloro-2 ,2-bis­

C14HgCIs

CI

sí

sí sí

(p-c1orofenil)etano) diclorometano

CH2CI2

CI

sí

sí

dioxi na (p.ej. 1,3,6,8­

C12H40 2CI2

CI

sí

sí

tetraclorodibenzo-p-dioxina) epibatidina

Cl l H13N2CI

CI

cloruro de hidrógeno

HCI

CI

sí

sí

ácido hipoc loroso

HCIO

CI

sí

sí

Marinos

lindano

C6H6CI6

CI

sí

Las esponjas , los corales y la mayoría de las algas marinas, confinados en los arrecifes, comparten una incapa­ cidad para evadirse de predadores y parásitos. A falta de otros medios de defensa, estos organismos se apoyan

maracen A

1. LOS ELEMENTOS HALOGENOS cuentan con siete electrones en su capa de valen­ cia, la más externa. Esta propiedad común se refleja en la tabla periódica: todos los halógenos se hallan agrupados en la misma columna (arribal. El flúor, el clo ro, el bromo y el yodo se encuentran en la naturaleza. Un gran número de sustancias organohalogenadas son sintetizadas por organismos y por la industria química. Se presenta aquí una lista (parcial) de los compuestos mencionados en el artículo.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

sí

CI

sí

cloruro de metilo (o c1orom etano)

CH3CI

CI

sí

PCB (bifen ilos policlorados,

C12H4CI6

CI

sí

punaglandina 1

C27H37010CI

CI

sí

Q1

CgH3N2CI7

CI

sí

espo ngistatina 9

C61Hgl 02 0CI

CI

sí

vancomicina

C66H7SNg0 24CI2 CI

sí

sí

p. ej. 2,2',4,4',5,5'- hexaclorobifenilo)

kalih inol (previene el crecimiento de cirrípedos) C22H33N20 2CI

CI

sí

telfairina

ClOH14CI3Br

CI, Br

sí

dioxinas broma das (p. ej. 1-hidroxi­

C12H40 3Br4

Br

sí

bromoformo

CHBr3

Br

sí

bromu ro de metilo

CH3Br

Br

sí

panaceno

Cl sH1S0 2Br

Br

C32H470 1OBr CH31

Br

yoduro de meti lo tiroxina

Cl sHl 1N0 414

I

3,4,6,8-tetrabrom odibenzo-p-dioxina) sí sí sí

aplisiatoxina (causa picor en los nadadores)

I

sí sí

sí sí

79

2. LAS ESPECIES MARINAS constituyen la principal fuente de halogenuros orgánicos. El alga azulverdosa Lyngbya (arriba izquierda) sintetiza ap lisiatoxina, compuesto bromado que causa erupciones cutáneas a los bañistas. La esponja Dysidea dendyi produce varias dioxinas bromadas; en la imagen se muestra su pariente cercano Dysidea granulosa (arriba derecha). El vistoso nudibranquio Chromodoris hamiltoni (abajo) sintetiza también sus propios metabolitos clorados .

CI'(f0~ sry:o* : : ,. . ° ° OH

:7

I

I ~ ~

Sr

CI

Sr

espongiadioxina A

r

: : ,. . I

CIYy0yYCI

I~

CI 1,3,6,8-TCDD

CI

CI~O~CI 2,3,7,8-TCDD

3. LAS DIOXINAS SON TOXICAS, pero no todas provienen de la industria química. Estos tres ejemplos ilustran la variedad de fuentes posibles . De izquierda a derecha: la espongiadioxina A, sintetizada por Dysidea dendyi; 1,3,6,8·tetraclorodibenzo-p·dioxina (1 ,3,6,8-TCDDl. producto de la descomposición de la masa vegetal en las turberas de New Brunswick; y 2,3),8·tetraclorodibenzo·p·dioxina (2,3,7,8-TCDD), un compuesto de síntesis industrial.

80

en armas químicas de fabricación pro­ pia: son unos productores prodigiosos de halocarburos. Entre las armas de las esponjas se encuentran dioxinas bromadas (análogas a las dioxina s industriales de triste fama) y nume­ rosos metabolitos que previenen el sobrecrecimiento de cirrípedos; con ello, resuelven un problema que afec­ ta a barcos, muelles y casi todas las con strucciones humana s que ocupan el medio marino. En Hawai, un com­ puesto bromado de origen algal cau­ sa erupciones cutáneas (dermatitis) a los bañistas; en la limu kohu - el alga comestible favorita de los nati­ vos- se han hallado por lo menos 100 organohalogenados, de estructura química antaño desconocida. Los nudib ranqui os y las liebres de mar, dos variedades de babosas mari­ nas sin caparazón, se sirven tambi én de arma s quími ca s para sobrevivir en un mundo de predadores. Cierta especie de liebre de mar secreta un metabolito bromado de sabor amargo, el panaceno , para disuadir a los tibu­ rones y a otros posibles comen sales. Algunos nudibranquios carecen de la ca pacidad para sintetizar su arsenal quími co: lo adqui eren por medio de una dieta basada en esponjas y al­ gas. En este caso, la bioacumu lación de compu estos nocivos en la cade na trófica tiene un prop ósito específico y, para las babosas, deseable. Los compu estos organohalogena­ dos natural es se bioacumulan tam­ bién en predadores de nivel supe­ rio r. Los prim ero s en descubrirse fu eron los bipirroles halogenados de aves marinas (gaviotas, albatro s, frailecillo s, águilas), probablemente producidos por una bacteria mari­ na. Un compues to relacionado, el Q1, se ha hallad o en una miríada de consumidores marin os (focas y delfines, entre otros) y en la leche de las mujere s de las isla s Feroe, que comen grasa de ballena. Estas sustan­ cias naturales guardan semeja nza con los PCB antropogénicos - una vez usados en transform adores y conden­ sadores eléctricos- en cuanto a la estructura química y a la propensión a concentrase en la cima de la caden a trófica. Los efectos nocivos de los PCB sintéticos son harto conocid os; en cambio , están por discernir los efectos de Q I Y otro s halocarburos natu rales en la salud de los consu­ midores de orden superior. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

><

j w

eo a:

'"

U>

ii: J:

o

z -c

'"ea:

::>

.... ....

¡¡;

::¡

e -c J: o

::> U>

u.

....

O

a:

CI

CI

CI

CIJcfN~CI

CH

3

)=\

el

CI Q1

1

C I-9--9-C CI

CI

CI

CI

PCS

4. NU ME ROSOS CONSU MIDORES MARI · NOS de orden superior, entre ellos el del­ fín mular (Tursiops truncetus, izquierdal, los pingüinos, las focas y los humanos, muestran bioacumulación de Q1. Este organoclorado natural es retenido en el tejido adiposo de forma similar a los PCB (bif enilos policloradosl industriales.

Continentales

..

~

w

eo

oc

'" VJ

a::I: o


o Z

Aunque menos prolífico s que sus pa­ riente s acuáticos, las plantas y hon­ gos terrestre s producen un extenso repertorio de sustancias cloradas, bro­ madas y, en menor cantidad, fluora­ das. El compuesto orgánico de bromo más simple, el bromuro de metilo (o bromometano), es un fumigante y plaguicida comercial. Reci entemente fue prohibido en California en razón de su poderosa actividad destructora de la capa de ozono . Pero lo sinteti­ zan tambi én alguna s especi es de la familia de las Brassicac eae: la col, el bréco l, el nabo y la semilla de colza (cano la). La producción glob al de bromuro de meti lo por parte de las planta s de colza se sitúa alrede­ dor de 6600 tone ladas anu ales, de carácter antropogénico un 15 por ciento del total. Los árboles de hoja peren ne, las patata s y otra s especies de plantas que nos result an familiares, producen cloruro de metilo . Su síntesis está tan extendida, que constituye el com­ puesto clorado más abunda nte - con independencia de la fuente- en la atm ósfera. Ex iste n, adem ás, otros cloruros orgáni cos de reseñabl e in­ terés: las hormonas del crecimi en­ to presentes en las judías y en los guisantes, un cóctel de siete fungi­ cidas producido por el lirio japonés (co mes tible) y el 2,4-dicl orofenol,

INVESTIG ACi ÓN y CIENCIA, julio, 2005

hormona de crec rrmento del moh o Peni cillium . Esta última sustancia se utili za en la síntesis de numero­ sos compuestos ; por eje mplo, en el herbi cida "2,4-D", uno de los dos ingr edient es principale s del "agente naranja", el defoliante químic o usado en la guerra de Vietnam . No abundan fluorocarburos natur a­ les, dada la escasa biodi sponibilidad del flúor. El de mayor relevan cia es el ácido fluoroac ético, presente en plantas endé micas de Au str alia y Africa del Sur. Un comp uesto ex­ trem adamente venen oso es culpable de la muerte de miles de cabezas de ganado. Antaño inclu so en el oes te nort eamericano se utilizó (en forma del plaguicid a "1080") para acabar con coyotes y roedores. La toxicidad del 1080 proviene de su interferen­ cia en el ciclo bioquímico de Krebs, que causa una acumulación fatal de ácido cítrico .

Halocarburos en animales superiores Aunque sin la profu sión en que plan­ tas y animales marin os lo hacen, los artrópodos y los vertebrados sinte­ tizan tambi én sustancias organoha­ logenadas. Las hembras de más de una docena de especies de garrapatas produc en 2,6-diclo rofenol, una fero ­ mona sexual. La cucaracha alemana sintetiza otro par de ferom onas clo ­

rada s para inducir la agregac ión. El cloroform o, empleado en anestesia a medi ados del siglo XIX y convertido ahora en disolvente indu strial, tiene varias fuentes naturales: entre ellas destacan las termitas, que emiten un 15 por ciento del cloroformo atmos­ féri co global, tal vez un produ cto residual de los compuestos clorad os presentes en la madera. Ep ipedo bates tricolor, rana vene­ nosa de Ecuador, segrega una sustan­ cia clorada de gran interés farmaco ­ lógico, la epibatidina, de estructura singular. Su efecto calmante es 500 veces más potente que el de la mor­ fina. Ello ha motivado la síntesis in­ dustrial de compu estos análogos, en busca de nuevos analgés icos . Quizás el propósito original de esta molécula sea disuadir a posibles predad ores. Nuestro propio organismo produce tiroxin a, una hormona que contiene yodo y regul a el met abolismo ba­ sal. Durante una centuria se pensó que era el único organohaloge nado fabricad o por el cuerpo human o, hi­ pótesis desmentid a por la investiga­ ción reciente. Sintetizamos tambi én cloro gaseoso y ácido hipocloroso. Los leucocitos se sirven del cloro y de la enzima mieloperoxidasa para acabar co n microo rganismos patóge­ nos y posiblemente células tumora­ les. Este proc eso de cloración -en el que se liberan proteínas y ácidos nucleicos clorados- resulta ese ncial para nuestro sistema inmunitario: los individuos con deficiencia de mielo­ pero xidasa quedan exp ues tos a las infecciones bacterianas, en particu ­ lar a las neumonías. De los escasos bromu ros orgánicos sintetizados por las células hum anas, el primero en descubri rse fue un éster brom ado del líquid o cefa lorraquídeo que indu ce el sueño REM (movimiento rápido del ojo).

Rocas y fuego Los organismos utili zan de un modo preeminente cloru ros y bromuros orgánicos, si lo comparamos con el uso de otros halocarbu ros. Sin embargo, el halógeno más abundante en la cor teza terr estre es el flúor . Los volc anes emiten II mill ones de toneladas de flu oru ro de hidr ó­ ge no y 3 mill ones de toneladas de cloru ro de hidrógeno anuales. No result a sorpre nde nte, pues, que a las altas temp eraturas y presiones que 81

5. LOS GASES VOLCAN ICOS, como los que emite el cono Pu'u'Il'n del volcán hawaiano Kilauea (izquierda). contienen numerosos compuestos organohalo gena· dos: por ejemplo el CFC·11, qu e fuera utilizado como refrigerante antes que se relaci onara con la destrucción del ozono estratosférico .

se dan en las profundidades de la Tierra, la turba y otros materi ales orgá nicos se combinen co n mine­ rales que contienen cloro y flúo r para formar halo gen ocarbur os. Los volca nes de al menos cuatro co nti­ nent es (Asia, Europa, Nor teamérica y Suda mérica) emite n estos gases orga noclora dos y organofl uorados natur ales. Algunos de ellos son idén­ ticos a los CFC antropogé nicos qu e cataliza n la degradación del ozo no estra tosfé rico . En la litosfera, los halogenuros or­ gánicos aparece n en forma de bolsas de gas o integrados en ciertos mine­ rales. Algunas rocas liberan clorur o de metilo, dicloro metano, clorofor­ mo,' tetracloruro de carbono y otros compuestos clorados durante la etapa de tritu ración en el proceso de ex­ tracción minera. Sólo la extracció n de la sal de potasio libera miles de tonel adas an ua les de cloroform o. Algunos minerales de fluorita con­ tienen tetraftuoroetileno, el precursor del teftón. Un inconfundibl e olor a flúor emana de una fluorit a violeta oscura de Baviera cuando se tritu­ ra; los mineros locales la denominan "stinkspat" (espato apestoso) . Pero los halógenos no están confinados a la química de nuestro planeta. Hay, en e l espacio interestelar, cloruro de hidr ógeno y fluoruro de hidrógeno; en cuatro meteoritos al menos se han detectado compuestos clorados.

82

Una notable proporción de organo­ halogenado s no biogénicos proviene de la combustión de biomasa que se produce en los incendios fores tales y agrícolas. Sólo el 10 por ciento de estos incend ios se deben a rayos u otras ca usas naturales; la mayoría son provocados por el hombre. En ellos se liberan grandes cantidades de cloruro de metilo (900.000 tone­ ladas anuales) y cantidades menores de bromuro de metilo (de 10.000 a 50.000 toneladas anuales) . La apor­ tación global de cloruro de metilo atmosférico se estima en 4 millones de toneladas anuales, cifras que supe­ ran con creces las 10.000 toneladas provinentes de la industria.

Síntesis y degradación ¿Cómo procede la naturaleza en la produ cción de estos compues tos? ¿Cómo se desarroll an los cicl os de los hal ógenos biogéni cos? Los haluros (sa les), precur sores de los corresp ondientes halógen os, es tán present es en ca ntidades ingen tes. En los océanos hay disueltos unos 27.000 billones de toneladas de clo­ ruros y 89 billones de toneladas de bromu ros; la corteza terrestre contie­ ne 45.000 billones de toneladas de cloruros y 190 billones de toneladas de bromur os. Las bromoperoxid asas (BPO) y las cloro perox idasas (CPO), enzimas comunes, desempeñan una función

ese ncial en el ciclo de su respecti ­ vo halógeno. En combinación con el peróxido de hidr ógeno , oxidan el bromuro y el cloru ro para formar hip obromit o e hip oclorito (que en una solución acuosa da lugar a ácido hipocloroso, o lejía) respectivamente. De 94 especies de algas rojas, 7 l muestran actividad de las BPO, enzi­ mas presentes también en numero sas diat omeas marinas. Otra fuente de cloro libre es la oxidación, por medio del ozono, del aero sol marino que cubre la superficie de los océanos. Determinadas reacciones subsecuen­ tes con sustancias orgánicas producen compu estos organoc lorados . La biocloración constituye una eta­ pa clave en el reciclaj e de la materia orgánica vegetal. Se estima que, cada año, 63.000 millones de toneladas de masa vegetal se degradan para conver­ tirse en ácido húmic o, que las cloro­ peroxidasas transforman, en presencia de cloruro sódico, en ácido húmico clorado. Esta compl eja sustancia po­ limérica sufre una profunda degrada­ ción: primero en clorofenoles y luego en ácidos cloroacético s y cloroformo. Los clorofenoles se dimerizan para formar dioxinas en un proceso que ocurre de forma natural en el suelo de las turberas de New Brunswick, en los bosques de abetos Douglas en Suecia y también en medios más prosaicos como el abono orgánico, los sedimentos de las aguas residuales y los excrementos de vacuno. Esta secuencia de reacciones quí ­ micas se ha repr oducido artificial­ mente en el laboratorio. Se han ais­ lado ácidos húmi cos clorados de un reservorio de agua de 5200 años de antigüedad y de materi a orgá nica de 35.000 años de antigüedad. Se han identi ficado tambi én compuestos organoclo rados en lignit o de hace 15 millones de años (Terciario) y en muestras de car bón vege tal de hace 300 millones de años. Las cia­ nobacteria s, productoras de un gran

INVEST IGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

~

~ w

eo

a:

'" Ul

ir

:J:

U

Ul

'" Ul

::J U. U.

:::;

o:J: '" o a: -c

:J: U

ir

6. LAS HEMBRAS de 14 especies de garrapatas, entre ellas la garrapata del perro americano Dermacentor variabilis, producen 2,6·diclorofenol, una feromona . El isómero 2,4·diclorofenol corresponde a un herbicida de amplio espectro (uno de los dos ingredientes principales del "agente naranja", el defoliante utilizado en la guerra de Vietnam).

número de sustancias organocloradas, existen desde hace miles de millones de años . Por consiguiente, los orga­ nohalogenados han estado presentes desde la apari ción de la vida en la Tierra ; sin duda, precedieron la lle­ gada de nuestra especie .

Aplicaciones terapéuticas Los humanos vienen extrayendo y usando compuestos organohaloge na­ dos desde hace milenios. El púrpura de Tiro , un colorante brom ado aná­ logo al azul índigo, se obtenía del Murex, un molusco del Mediterráneo. Aparece n refere ncias de su produ c­ ción en la ciudad fenicia de Tiro en textos que dat an aprox imadamente del 1600 a.C. ("Fe nicia" viene del griego "púrpura") . Este raro coloran­ te de color brillante se convirtió en uno de los primeros y principal es pro­ ductos básicos del emporio comercial fenicio; más tarde fue adoptado como símbolo de realeza entre los romanos, los egipcios y los persas. Los organohaloge nados natur ales encierran un enorme potencial tera­ péutico para la humanidad. Los efec­ tos antibióticos de la vancomicina, por eje mplo, pueden salvar vidas : a menud o constituye el últim o recur­ so para defend erse contra bacterias que han desarrollado resis tencia a diversos fármacos. La telfairina, un metabolit o clorado producido por al­ gas marin as, es un insecticida contra los mosquit os tan potente como el lind ano (hex aclo ruro de benceno ), un compues to criticado por su su­ puesta toxicid ad para los hum anos. El marac én, un metabolito fúngico clorado con propiedades antibióticas, se muestra activo contra las mico­ bacterias, age ntes de la tuberculosis. La punaglandina, tambi én clorada y proveniente de un cora l bland o del Pacífico Sur, ofrece una poderosa actividad antitumoral; quizá pronto encuentre una aplicación cl ínica.

INVESTIGACi ÓN y CIENCIA, julio, 2005

La criptoficina, un compuesto orga­ noclorad o derivado del alga Nostoc , una cian ofícea, ofrece mayor eficacia que los anticancerígenos comercial es Taxol o la vinblastina en sus primeras prueba s. Se están llevando a ca bo ensayos clínicos de por lo meno s un compu esto sintético análogo. La presencia de cloro resulta crítica para las propi edad es farmaco lóg icas de esta molécul a - la sustrac ción del hal ógeno reduce de forma notable su actividad-o La espongistatina 9, un metab olit o espongiario clorad o, ha result ado uno de los compues­ tos más potentes de los hasta ahora anali zados entre 60 líneas de célu­ las tumorales en el estadounidense Instituto Nacional del Cáncer. Otros organohalogenados inhiben virus, en­ tre ellos el VIH . En su búsqueda de fármacos po­ ten ciales, los expertos en quím ica de product os naturales descubren entre 100 y 200 nuevos co mpues­ tos orgá nicos halogen ados cada año, principalment e de fuent es marinas. Pero de las 500.000 especies de ani­ mal es, plant as y bacteria s marin as es timadas, só lo se ha exa mina do un pequeño por centaj e; mil es de co mp ues tos naturales organo ha lo­ ge nados esperan ser desc ubiertos. En el caso de los primitivos bri o­ zoos , por ejemplo, se han de tec ta­ do distint os co mpues tos orgánicos hal ogen ad os en la mayoría de las varias decen as de es pecies que se han anal izado; qued an toda vía otras 3900 por exa mina r.

OH

CI~CI

U

OH

Qr

CI

1"= ~

CI 2,6 diclorofenol

2,4 diclorofenol

Riesgo ambiental El carbono, el hidrógeno, el oxígeno, cl nitrógeno y otros elementos de la vida forman parte de nuestro entorno natural. También los haló genos. Lo mismo que mucha s otras sustancias co nstituye ntes de los se res vivos, los co mpues tos oga nohaloge nados bio g énico s desemp eñan funci ones ese nciales para la supervivencia de los organismos. Junto con otras bio­ molécul as, las hormonas halogena­ das y las sustancias de defensa han evolucionado bajo la presión de la selecc ió n natural para desarrollar funciones específicas. Con todo, la abundancia de orga­ nohalogen ados natur ales no impli­ ca que sus análogos sintéticos sean siempre benignos, como si "natural" fuera sinónimo de "inofensivo". En realidad, los compuestos que contie­ nen halógenos son a menud o bioló­ gica mente activos, según corro boran distint os eje mplos aludidos en el ar­ tícul o. Harto conocido es el daño ambiental que causan los CFC, los halones, los diso lventes clorados, el DDT, los PCB, las dioxinas y otros halocarburos.

83

N

CI

JYO

epibatidina

2

H) 3 '-:'" NH

OH O ""Q',A

""OH

J-.~~O H a CI

CI

O

O

"= o

I ~

H

O O

H

"=

I ~

OH

H

O O

1"=

o

.¿

NH2

+

H

OH OH

vancomicina HO

7. VARIOS FARMACOS DE INTERES corresponden a compuestos organohalogenados naturales. La rana venenosa Epipedobates tricolor secreta epibatidina, un analgésico 500 veces más potente que la morfina (arriba). La vancomicina, un antibiótico, se extrae

de Streptomyces orientalis (ahora Amycolatopsis orientalis), un pariente del Streptomyces coelicolor (abajo) . La complejidad de los metabolitos tiene poco que ver con la de las especies que los sintetizan.

~

E

~

w

oo

a: al (J)

;;r :I:

U

La existencia de versiones naturales de algunos halocarburos antropogé ni­ cos hace necesaria una revisión de los riesgos ambientales, una evaluació n más amplia, que no dependa del ori­ gen de las sustancias. Cuando la suma de los organohaloge nados naturales y antropogénicos constituya un riesgo inaceptable, la contribución humana deberá reducirse. Ello requiere cono­ cer cuál es la propor ción industrial y cuál la de la naturaleza, una labor que demanda una mayor comprensión de las fuentes y sumideros biogeológicos de estos compuestos.

84

El autor Gordon W. Gri bble es profesor de química orgánica y ambiental en el Instituto Dart· mouth. Su investigación se cen tra en la síntesis orgánica y los productos naturales. Desde 1990 se dedica al estudio de los organohalogenados naturales .

a: w w

(J)

;;:

(J)

-c

©American Scientist Magazin e.

¡¡¡

g

Bibliografía complementaria THE DIVERSITY OF NATU RALLY PRODUCED ORGANOHALOGENS. G. w. Gribble en Natural Prodac­ tion of Organohalogen Compounds. Dirigido por G. W. Gribble. Sprinqar-uerlaq: Nueva York, 2003. THE DIVERSITY OF NATURALLY OCCURRING ORG ANOHALDGEN COMPOU NDS. G. W. Gribble en Chemosphere, vol. 52, págs. 289·297; 2003.

w

o -c

a: '" w >

z

'!i

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

ALLER Y LABORATORIO

Marc Boada

Péndulo gravimétrico

S

egún el relato apócrifo, des­ cansando en el campo Isaac Newton (1642-1727) tuvo la genial idea de relacionar la caída de una manzana con el comportamiento de la Luna, aparentemente inmóvil en el horizonte. ¿Por qué la manza­ na cae y la Luna no? ¿Por qué un cuerpo cae sobre otro? Hoy podemos responder a estas cuestiones dicien­ do que todo cuerpo genera un campo gravitatorio cuya intensidad es pro­ porcional a su masa multiplicada por la constante de la gravitación univer­ sal G (6,6742 x 10- 11 m3kg - 1s­ 2 ) . El campo gravitatorio que crea la Tierra (g) varía de un punto a otro de su superficie (debido a que el planeta no es esférico y a otros factores geofísi­ cos) y también con el tiempo (debido a factores astronómicos). En gravimetría suele utilizarse una unidad tradicional , el gal , llamada así en honor de Galileo , que vale 1 cm/s'', El valor aproximado de g, en la superficie de nuestro planeta , es de 980 gal. Distintos instrumentos permiten medir g: péndulos , balanzas de tor­ sión (como la utilizada en 1798 por Henry Cavendish , en un experimento que determinó G con notable exac­ titud) , gravímetros de muelle (donde se controla el alargamiento de éste), reflectores en alto vacío (capaces de detectar en su caída las deforma­ ciones, por fuerzas de marea, de la corteza del planeta) o aparatos que miden las fluctuaciones de un campo magnético. Para el constructor aficionado , se recomienda recurrir al péndulo. Determina r el valor de 9 con preci­ sión requiere el empleo de gravíme­ tros absolutos. Estos dispositivos ex­ perimentales se sirven de un método que guarda una estrecha semejanza

con la caída de la manzana: mediante un interferómetro láser miden la ace­ leración que experimenta un cilindro de cuarzo cuando cae en el vacío. En razón de tan depurados requerimien­ tos instrumentales, el valor absoluto de 9 se conoce sólo en determinados

puntos geográficos, que configuran las redes gravimétricas absolutas : la española RGFE73 y la internacional IGSN71 (Ulnternational Gravity Stan­ dard Net"), por ejemplo. Un péndulo , por sí solo , no permi­ te determ inar 9 con tanta precisión .

Péndulo gravimétrico de 450 milímetros de altura y 5 kilogramos de peso. El período de una oscilación completa es de un segundo.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

85

ta del valor calculado únicamente a partir de la latitud geográfica y

la altura.

~. ~ :'l / Varilla rectangularde INVAR % (entre 0,25 y 1 metro de longitud)

:% ~.

::­

Cable disparador de fotografía para el lanzamiento del péndUlo? \Si

Tope micrométrico para el ajuste de la amplitud de oscilación

J

/ . . h

. :?:­

Posicionamiento longitudinal de la barrera óptiCa? .----1._ _

> ../ ,;/ / . ;:/;0; n

Hilo de acero ilJ =0,4 mm Barrera óptica

fZ¡

La medición de la gravedad con un péndulo se basa en una razón: el cuadrado de su período (p) es in­ versamente proporcional a g. Para obtener 9 a partir de p, sólo hay que conocer el valor de esa constante de proporcionalidad (e). La deducción teórica del valor de e resulta harto compleja, dado que el movimiento del péndulo depende de numero­ sos factores (véase el recuadro "La ecuación del péndulo"). Por ello se recurre a una determinación expe­ rimental: para conocer e con preci­ sión, se efectúa una medición de 9 en un punto de gravedad ya sabida. Si conocemos 9 en ese punto y el

86

período del péndulo, la obtención de la constante de proporcionalidad es directa. Así , la utilización del péndulo gravimétrico requerirá siempre una calibración previa del mismo en una estación de la red local gravimétri­ ca. (Para conocer la localización de estas estaciones, consúltese el Ins­ tituto Geográfico Nacional.) Una vez calibrado, podremos utilizarlo para observar fluctuaciones de 9 en fun­ ción de la posición del Sol y de la Luna respecto de la Tierra, verificar la disminución de 9 con la altitud o comprobar que en determinados territorios la gravedad real se apar­

Antaño, el funcionamiento del gravímetro pendular exigía ajustar la longitud (L) de un péndulo hasta que éste batía segundos (es decir, hasta que realizaba una oscilación en un segundo). Una vez ajustada, esto es, conocida L, la determinación de 9 se infería de la ecuación que describe el movimiento del péndulo simple ideal, donde la constante e es simplemente L. Así se obtuvieron los primeros valores de la aceleración de la gravedad, los que sugirieron que la Tierra no era esférica y que su forma real se acercaba a la de un geoide. Con el advenimiento de la electrónica, resulta más fácil operar a través del proceso inverso: se construye un pén­ dulo de longitud constante y se mide su período mediante un oscilador de cuarzo. Con el nuevo dispositivo se aprecian fluctuaciones inferiores a la diezmilésima de segundo. Cuando se plantea la construcción de un péndulo gravimétrico, deben considerarse las posibles perturbacio­ nes que le acechan. Para minimizar los efectos térmicos, fabricaremos una cabina o armario termostatizado que proteja el aparato, o bien utilizaremos en su construcción materiales con coeficientes de dilatación mínimos o compensados entre sí. Una buena opción para la gravimetría expedita, donde el transporte impide o dificulta el control térmico, consiste en cons­ truir la varilla del péndulo con INVAR, una aleación de hierro con un 36 por ciento de níquel y un bajo coeficiente de dilatación. La fricción , aerodinámica e interna (entre la cuchilla y su soporte), es responsable del rápido amortigua­ miento de las oscilaciones. Debe, pues, anularse en lo posible. Ello se consigue construyendo la masa del péndulo con algún material de densidad elevada, superior a 8 o 9 gramos por centímetro cúbico, siendo quizás el tungsteno el más adecuado. (Yo utilizo un disco de este metal de 70 milímetros de diámetro y 2 milíme­ tros de espesor, recortado mediante electroerosión de hilo, con un peso de unos 150 gramos.) Luego se me­ caniza la masa para darle una forma aerodinámica : una esfera o mejor un disco lenticular que pueda disponerse horizontal.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

Para la construcción de la cuchilla y su apoyo se requiere un gran do­ minio de las técnicas del lapidario. Si bien el ágata u otras piedras duras resultan apropiadas , el acero ofre­ ce mayor comodidad. A partir de un acero de cementación (se recomienda el material número 1.7131 y código DIN16MnCr5, que combina cromo y manganeso), se obtiene una prefor­ ma mediante fresado endurecido por cementación y rectificado; luego, se pule frotando sobre un grueso cris­ tal en el que habremos espolvoreado pulimento para metales. El resultado final debe ser un filo recto y agudo con un radio de curvatura mínimo, sin mellas ni rozaduras. Para verificar la rectitud de la arista se recomienda producir tres unidades y compararlas dos a dos, filo contra filo, observando a través de las mismas una fuente luminosa extensa. Permutando las cu­ chillas podremos escoger la mejor de las tres. El apoyo lo realizaremos mediante dos rectángulos de cristal grueso, perfectamente planos. Respecto a la longitud del pén­ dulo, en una primera aproximación se observa que cuanto mayor es su valor, menor es el efecto de las per­ turbaciones. Tradicionalmente se han usado péndulos que efectuaban una semioscilación en un segundo, pero su construcción es delicada; presenta problemas de flexión y torsión, entre otros. Personalmente, opté por per­ feccionar en sucesivos prototipos un péndulo de un cuarto de metro de longitud, con un período de oscilación de un segundo. El péndu lo debe rá osc ilar con amplitudes inferiores al grado sexa­ gesimal. Para sustentarlo, construire­ mos un soporte que ofrezca rigidez al sistema. (En modelos refinados pueden hacerse oscilar dos péndu­ los en oposición, compensando cada uno el arrastre del soporte por parte del otro; pero en aparatos de menor tamaño, la mejor opción consiste en rigidizar la columna.) Si queremos construir un dispositivo transportable , deberemos limitar el peso. Lo mismo sirve para la base del artefacto, que, además, deberá permitir una perfec­ ta nivelación, para conseguir la total horizontalidad . Veamos los componentes del siste­ ma de medición. En la parte inferior del péndulo, un fino hilo de acero atraviesa una barrera óptica que de-

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

LA ECUACION DEL PENDULO

En un péndulo simple ideal, la masa puntual suspendida de un hilo rígido y sin peso oscila libremente en el vacío y sin rozamiento; desarrolla un movimiento armónico simple. El período (p) de este péndulo ideal depende sólo de la aceleración de la gravedad (g) y de la longitud (L) del mismo: p

= 21t( Ug)1/2.

Si queremos aproximarnos a la realidad, debemos añadir varias correcciones. Describimos aquí algunas de las más significativas:

ie ámico. de la forma del péndulo y del cociente entre la densidad de la masa que oscila y la densidad del aire.

tecta su paso. En paralelo, un cristal de cuarzo termostatizado (que oscila a 16 megahertz, con errores de sólo partes por millón) emite impulsos que un contador digital compara con las señales de la barrera óptica. Esta incluye un emisor y un receptor de infrarrojo . Los modelos más comu­ nes de barre ras ópticas permiten discriminar perfectamente el tiempo de paso del hilo; captan incluso la difracción producida por éste, que aparece en forma de pico secundario a un lado y otro de la señal principal. Para eliminar este ruido, un circuito integrado programable se encarga de filtrar la señal: sólo admite los picos cuya intensidad es igual o superior a un umbral determinado . El mismo circuito contabiliza los pulsos del os­ cilador de cuarzo entre paso y paso del péndulo. La precisión del péndulo está li­ mitada por dos factores intrínsecos: la barrera óptica y el hilo de acero. La barrera ofrece tiempos de detec­

ción más lentos que el oscilador de cuarzo; el hilo de acero no puede adelgazarse indefinidamente ya que se flexiona por fricción aerodinámica, que varía en función de la presión atmosférica . Por fin, se programa el circuito para mostrar en una pantalla el período del péndulo por oscilación o por paquetes de oscilaciones (10, 100 o 1000 oscilaciones) . Ello per­ mite caracterizar el amortiguamiento característico del aparato. Para acciona r el disposi tivo nos serviremos de un tornillo micromé­ trico . Utilizaremos también un cable disparado r de fotografía para apartar la masa de la vertical hasta que al­ cance el tornillo micrométrico , mo­ mento en que la liberaremos . Con la adición de un nivel de burbuja, un microscopio con retículo para esti­ mar la amplitud de la oscilación y un termómetro digital para extrapolar las perturbac iones térmicas irreduc­ tibles , tendremos el instrumento listo para su ensayo.

87

UEGOS MATEMÁTICOS

Juan M.R. Parranda

¿Amigos para siempre?

D

esde que John van Neumann y Oskar Morgensten crearan la teoría de juegos en los años cuarenta, se intenta utilizar las matemáticas para estudiar un asunto tan sinuoso e impreciso como las relaciones humanas. Se crean modelos que simplifican los conflictos reales, pero aún retienen sus aspectos esenciales. Uno de los ejemplos clásicos es el dilema del prisionero, que probablemente sea conocido por muchos lectores de Investigación y Ciencia. Recordemos la formulación original del dilema . La policía arresta a dos sospechosos de un robo. No hay pruebas suficientes para condenarlos por ese delito, sino sólo por uno menor, como la posesión ilegal de armas. Ante esta situación, el juez ofrece a cada uno de los dos sospechosos, y por separado, el siguiente trato: "Si tú confiesas y tu cómplice no lo hace, él será condenado a 10 años de cárcel por el robo mientras que a ti te perdonaremos y saldrás libre mañana. Si él confiesa y tú callas, tú pasarás los 10 años en la cárcel y él quedará libre. Si ninguno de los dos confiesa, os encerraremos por posesión de armas 1 año. Finalmente, si ambos confesáis, seréis condenados a 6 años de cárcel". Cada uno de los prisioneros se enfrenta a un peliagudo dilema: "Si callo, puede que me caigan 1 o 1O años, mientras que si confieso puedo salir libre o pasar 6 años en la cárcel. Mi compañero estará pensando lo mismo y lo más probable es que me delate. Por lo tanto, voy a confesar." Razonando de esta forma, ambos prisioneros confiesan y obtienen una pena considerable: 6 años. Si confiaran en la lealtad del compañero, callarían ambos y saldrían bastante bien parados, con sólo 1 año de condena. Pero esta confianza debe ser muy sólida. Si yo supongo que mi compañero me va a ser fiel, ¿por qué no delatarle y salir libre? O peor aún: ¿no caerá él en esta misma tentación y me delatará? Si lo hace pasaré 10 años entre rejas. Luego, lo mejor es prevenir esta situación y confesar. Parece que delatar es la estrategia más segura y, sin embargo, no es la óptima para el conjunto de los dos sospechosos. Si pudieran negociar entre ellos y dar de forma simultánea su respuesta ante el juez, lo más probable es que acordaran callar. El dilema del prisionero es un ejemplo muy simplificado de una situación común entre personas y organizaciones. Por ejemplo, si falseo mi declaración de la renta para pagar menos impuestos y el resto de los ciudadanos es honrado, está claro que obtengo un cierto beneficio económico, siempre que no me descubran. Pero si todos los contribuyentes defraudasen, los ingresos del estado se reducirían de modo que todos saldríamos perjudicados. Este caso es más complejo que el dilema del prisionero, porque involucra muchas personas en lugar de sólo dos, pero se observa el mismo fenómeno : el defraudador gana solamente si es el único insolidario. El dilema ha dado lugar a un gran número de trabajos de investigación e incluso se han celebrado torneos en

donde compiten programas de ordenador. En el primero de estos torneos resultó ganadora una estrategia de la mayor simplicidad: hacer exactamente lo que ha hecho el contrario en el turno anterior. A pesar de que venciera esta estrategia tan ecuánime, un análisis matemático del dilema del prisionero jugado un gran número de turnos muestra que los jugadores "racionales", es decir, juga­ dores que tratan de minimizar sus pérdidas, tenderían a defraudar constantemente. En los años noventa, Martin A. Nowak y Robert M. May colocaron a un gran número de estos jugadores racionales en las casillas de un tablero, de modo que cada uno de ellos jugara con sus cuatro vecinos y cambiara de estrategia imitando al vecino más exitoso. Descubrieron que en este caso sí pueden existir de forma estable regiones en donde todos los jugadores cooperan. En 1995, Nowak, May y Sigmund publicaron en nuestra revista un análisis detallado de este modelo. Más recientemente, los físicos del Instituto Mediterrá­ neo de Estudios Avanzados (IMEDEA) Víctor M. Eguiluz, Martín G. Zimmermann y Maxi San Miguel, junto con el filósofo de la Universidad de las Islas Baleares Camilo J. Cela-Conde, han utilizado el dilema del prisionero para crear un modelo simple de organización social en el que la cooperación es también estable. Para analizarlo, es más conveniente formular el dilema como un juego en el que cada uno de los dos jugadores gana puntos en lugar de años de cárcel. En la tabla siguiente se muestra la puntuación del jugador 1 en cada una de las cuatro posibles situaciones (la puntuación del jugador 2 es la misma sin más que cambiar filas por columnas): ESTRATEGIA DEL JUGADOR 2

ESTRATEGIA DEL JUGADOR 1

COOPERAR

DEFRAUDAR

COOPERAR

4

DEFRAUDAR

7

o o

En el modelo del grupo deIIMEDEA, un gran número de individuos juegan por parejas que se deciden inicialmente al azar. Cada jugador tiene una estrategia: o bien coopera o bien defrauda, que también se elige inicialmente al azar. Como en el sistema de Nowak y May, los jugadores "ven" lo que ha ganado cada uno de sus vecinos y copian la estrategia del que tiene mayor puntuación (los empates se deshacen eligiendo la estrategia al azar). En la figura 1, se puede ver cómo cambian las estrategias en el primer turno (dibujo del centro). El lector puede comprobar que, si sólo se aplicaran estas reglas de imitación, la red de la figura 1 acabaría alternando entre dos configuraciones de estrategias en las que conviven jugadores que cooperan y jugadores que defraudan. Pero el modelo es más interesante si permitimos tam­ bién a cada jugador escoger "sus amigos", es decir, a aquellos individuos con los que juega. Está claro que

88

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

-

-

--

-

-

-

7O/tSZ /N 4 ~ 2

:.:

4

:'

4

4

.•••••

14

i.:

i

4

•••• '''14

7

: ••, 7

~

O

j

1. Una posible configuración de 6 jugadores que cooperan (círculos verdes) o defraudan (círculos rajosi ; En el dibujo de la izquierda se muestra la configuración inicial y las puntuaciones obtenidas en el primer turno. El dibujo central muestra las nuevas estrategias y se han punteado los enlaces "no deseados". En el dibujo de la derecha observamos que dos de estos enlaces han cambiado mientras que uno permanece.

o ~

i e

.~ E

-c z w ...J

O

o

>­ N

dos jugadores que cooperan estarán satisfechos de estar emparejados. Por otro lado, cualquier jugador querrá "romper relaciones" con otro que defrauda. El modelo admite esta posibilidad de la siguiente forma. Si el más exitoso de los vecinos de un jugador A es un defraudador B, entonces el jugador A rompe su relación con B con una probabilidad p y establece una nueva relación con otro individuo de la sociedad elegido al azar. Observemos que A será siempre un defraudador, porque si no lo era antes de ese turno, en el proceso de copia de estrategias exitosas habrá imitado el comportamiento defraudador de B. Con esta regla la red de conexiones cambia en cada turno, como lo hace en la vida real nuestra red de amistades o colaboraciones, una propiedad de las redes sociales que se denomina plasticidad social y que en el modelo puede regularse variando la probabilidad p de ruptura de relaciones. La plasticidad social diseñada por el grupo del IME­ DEA hace que los defraudadores se queden más y más solos, pero a la vez los defraudadores que aparecen por imitación pueden dar con nuevas "víctimas" y aumentar sus ganancias. En la figura 1 podemos ver que el jugador que en el primer turno tenía 14 puntos ha sido imitado por dos cooperadores que han roto sus relaciones con él, bajando hasta O su puntuación en el segundo turno. Pero también un jugador que inicialmente cooperaba se ha vuelto defraudador aumentando su puntuación de 4 hasta 14 puntos. El modelo tiene un comportamiento bastante complica­ do, pero se pueden deducir algunas de sus propiedades. Por ejemplo, una situación en donde todos cooperan o defraudan es estable porque no hay nadie diferente a quien imitar. No obstante, en el caso en que todos defraudan, las estrategias no cambian, pero sí lo hará constantemente la red, puesto que se estarán rompiendo y creando relaciones sin cesar. ¿Existen configuraciones estables en donde convivan jugadores que cooperan y defraudan? Sí, pero para ello son necesarias ciertas condiciones. La primera es que no puede haber enlaces entre defraudadores, porque acabarían rompiéndose en algún momento. La segunda es que, si un jugador C que coopera está jugando con un defraudador D, entonces la puntuación de C debe ser menor que la de D (si no fuera así D imitaría a C) y, además, C debe tener como vecino a otro jugador L que coopera y que tiene mayor puntuación que D (si no fuera así, C imitaría a D). Es decir, los defraudadores son estables si "explotan" a jugadores que cooperan y

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio. 2005

'3

:;

8 w O

s :::> <.>

¡:: a: -c

..... w <>

O

,.

<> -c

~

2. Estructura social estacionaria de "cooperantes".

tienen una puntuación baja pero que tienen como vecinos a "cooperantes exitosos". Las conf iguraciones estacionarias están entonces formadas por 3 tipos de jugadores: los líde res, que son jugadores que cooperan, tienen un gran número de conexiones con otros cooperantes y por ello alcan­ zan la máxima puntuación entre todos sus vecinos ; los conformistas, que cooperan , tienen una puntuación menor que alguno de sus vecinos cooperantes , pero no cambian de estrategia ; y los explotadores, que son defraudadores que juegan con uno o más conformis­ tas que no rompen relaciones con ellos porque tienen también como vecino a un cooperante más exitoso que el propio explotador. En la figura 2 se puede ver la red social que se alcanza cuando se simula en el ordena­ dor el modelo con 10.000 jugadores y una plasticidad p =0,1. En la figura sólo se muestran los cooperantes más exitosos. Vemos que aparecen tres líderes, Lo, L1 y L2 , siendo el primero de ellos el que obtiene mayor puntuación . Según nos alejamos del centro del círculo , los cooperantes tienen menos conexiones y su puntuación es más baja. Como ya hemos dicho, los explotadores , que no se muestran en la figura 2, "cuelgan" de algunos cooperantes que no son líderes y tienen puntuaciones intermedias . El trabajo del grupo dellMEDEA profundiza mucho más en este modelo. Por ejemplo, muestra cómo la fracción de explotadores aumenta cuando se reduce la plasticidad social. El mismo grupo de investigación ha estudiado la influencia de la plasticidad social en otro modelo que intenta reproducir la difusión de rasgos culturales entre la población, el llamado modelo de Axelrod; se demuestra con ello que la plasticidad puede estabilizar un cierto grado de diversidad cultural. Los lectores interesados en este y otros problemas de matemática social pueden visitar la página web del grupo: http://www.imedea.uib. es/physdept/eng/lines/social .html

89

DEAS APLICADAS

Mark Fischetti

AURICULARES ANULADORES DEl RUIDO

Reducir el estruendo bordo de un reactor comercial, los motores aturden a los pasajeros con un zumbido de 75 a 80 decibelios. En metros, trenes y co­ ches acelerados nos acosan fragores implacables. Ponerse unos auriculares y subir el volumen de un reproductor de CD al objeto de ahogar el es­ truendo sólo sirve para aumentar el castigo sobre nuestros oídos. Los tapones hondos y las orejeras de los traba­ jadores industriales reducen por lo general el ruido entre 15 y 25 decibelios, pero son incómodos y no permiten escuchar a bordo de un avión una película, un canal musical o el reproductor de música propio. Mejor van los auriculares reductores de ruido. Los modelos más avanzados están hechos de materiales estructurales que bloquean pasivamente el ruido de alta frecuencia (por encima de unos 200 hertz). La anulación de los ruidos de baja frecuencia, difíciles de detener de otro modo, es activa, mediante un circuito electrónico y un altavoz. Dentro de cada auricular , un micrófono capta las ondas sónicas que atraviesan el casco externo y un altavoz crea ondas de presión que las contrarrestan. Puede en­ tonces introducirse a voluntad música a un volumen confortable. Los mejores modelos reducen pasivamente el ruido entre 15 y 25 decibelios; encendiendo el cir­ cuito activo, se recortan otros 10 o 15 decibelios de tonos de baja frecuencia. El micrófono, el circuito y el altavoz internos -que constituyen un sistema retroalimentado- deben crear unas ondas antago­ nistas lo bastante intensas y con rapidez suficiente para casi igualar al sonido en tiempo real. Un re­ traso de menos de 25 grados respecto al necesario desfase de 180 grados puede recortar el ruido en 20 decibelios. Unos auriculares de reacción más lenta son menos efectivos. La electrónica puede también atacar algunos de los sonidos infiltrados de frecuenc ia media, con lo que los cascos pueden ser más ligeros o me­ nos ajustados y, por tanto, más cómodos. Pero la atenuación de frecuencias super iores, entre 500 y 1000 hertz, sigue siendo difícil porque la parte mecánica dispone cada vez de menos tiempo para generar las ondas antagonistas. (Como referencia, el habla femenina media ronda los 225 hertz.) Se dispone de sistemas "sin retroalimentac ión" que captan el ruido fuera del auricular e introducen la señal antagonista, pero requieren una electrónica más compleja.

A

90

1. LA ONDA DE PRESION debida al ruido es anulada por interferencia destructiva; el altavoz crea una onda de amplitud similar pero desfasa­ da 180 grados. El ruido está compuesto de un gran número de frecuencias.

ONDA DE RUIDO (CABINA DE HELlCOPTERO)

Tiempo -

-

­

ONDA OPUESTA DEL ALTAVOZ

RUIDO RESIDUAL

Filtro

INVESTIGACiÓN y CIEN CIA,

julio, 2005

. UN VIAJERO AGOTADO: En 1978, Amar Bose, fundador de Bose Corporation, sintió el primer impulso de fabricar auriculares supresores de ruido durante un molesto vuelo a baja altura desde Europa. Ya en la década de 1950, la Fuer­ za Aérea de EE.UU. había experimentado con auriculares de supresión activa, pero la invención en los años setenta del minúsculo micrófono de electretes abrió paso a dispositivos mucho más ligeros. Bose trabajó con clientes de las fuerzas aéreas y en 1989 empezó a vender unidades comerciales. . SORDERA: Según el Instituto Nacional de Higiene y Seguridad en el Trabajo una exposición prolongada a un sonido superior a los 85 decibelios puede dañar la audición. La investigación ha demostrado que un estruendo persistente aumenta la fatiga, eleva la tensión nerviosa e incluso alarga los efectos del desfase horario. La escala de decibelios es

logarítmica: 50 decibelios es 10 veces más potente que 40 decibelios y suenan el doble de fuerte. Algunas muestras de nivel de decibelios: conversación, de 50 a 60; interior de un automóvil de cuatro cilindros en autopista, de 70 a 75; avión de pasajeros, clase turista, de 75 a 80; segadora de césped, 95; sierra de mesa, 105; concierto de rock, en los momentos de mayor intensidad, 110 a 120. . CABINAS SILENCIOSAS: Los ingenieros han intentado anular el ruido en todos los puntos de las cabinas de los aviones militares instalando micrófonos y altavoces en cada palmo del interior. Lograrlo requiere un gran número de alta­ voces, a menudo grandes, que ocupan espacio y consumen potencia; además, hay que contrarrestar la reverberación y las ondas estacionarias. En la práctica se han conseguido zonas silentes, pero no un silencio uniforme.

2. EN CADA AURICULAR, el casco y la almohadilla de gomaespuma atenúan el sonido de alta frecuencia. Las bajas frecuencias penetran y crean ondas de presión den­ tro de la cavidad frontal. Un micrófono percibe esas ondas y la electrónica hace que un altavoz emita ondas de signo contrario, de modo que se anule la variación de presión antes de que llegue al tímpano. Cierre de gomaespuma

a----­

-fr-- Electrónica

I

Ondas de alta frecuencia Altavoz -,\-;f-+-++----¡i¡J---Micrófono Respiradero

(í I

Electrónica

Ondas de baja frecuencia

3. LOS RESPIRADEROS aumentan la eficacia del altavoz

- + ----i'--- Respiradero

al evacuar el aire atrapado tras él. Para anular un ruido de 90 decibelios, el altavoz debe ser lo bastante potente para crear una onda de presión opuesta de intensidad compara­ ble, una función de gran consumo, para la que es clave el rendimiento.

4. LA ELECTRONICA incorporada al casco recibe la señal de audio procedente de un CD, un reproductor MP3 o el brazo de un asiento de avión y ordena al altavoz no anular las frecuencias del ruido que coincidan con las frecuencias de audio sí deseadas.

91

IBROS

Realidad última ¿ accesible? THE ROAO TO REALITY. A COMPLETE GUlDE TO THE Lxws OF THE UNI­ VERSE, por Roger Pe nrose , Jonatahn Cape; Londres , 2004. SCIENCE ANO ULTIMATE REALITY: QUANTUM THEORY, COSMOLOGY ANO COMPLEXITY. Dirigido por John D. Barrow, Pau l C. Davies y Charles L. Harper, Jr. Ca mbridge Universi ty Press; Cambridge, 2004 . THE PARTlCLE OOYSSEY. A JOURNEY TO THE HEART OF MATTER, por Fra nk Close, Michael Marten y C hris tine Sutton. Ox ford University Press, Oxfo rd 2004 . FACTS ANO MYSTERIES IN ELEMENTARY PARTICLE PHYS ICS, por Ma rtinus G. Veltman . World Sc ientific; Singa pore, 2003 .

la fís ica podem os aprox imarnos desde una dobl e óptica. O bi en cons iderándo la una disciplina cientí­ fica autó no ma, co n sus conten idos y métodos, o bien identificándola co n la ex plicac ión última de la realidad. Con ese seg undo enfo que han venido apareciendo libros imp ortantes de fir­ mas señeras (Brian Gree ne, Stephe n Hawking y much os más) . Pres tigian esa tradi ción las recient es The Road to Realíty, de Pe nrose , y el hom e­ naje a John W hee ler present ado en Science and Ultima te Realíty. Mas para ace rcarse a la naturaleza última de cua nto ex iste, necesit amos, com o pas o previo, co nocer sus co mpone n­ tes indi visibl es, cristaliname nte des­ critos en The Particle Odyssey y en Facts and Mys teries in Elementary Particle Physics. So bre qué sea la realid ad fís ica y cuáles sus leyes regul adoras han venido reflexio nando filósofos y cie n­ tíficos de todos los tiempos. Desde Galil eo la respuesta se ha expresado en térm inos dinámi cos, es decir, en la es pecificación del desarrollo seguido por un siste ma físico en el transcur­ so del tiemp o, a partir de un punt o de partid a prefijado. Esa trayectoria particular viene determinada por ecua­ ciones diferenciales. Obje tos, sistemas y procesos de l mun do se describ en mediante modelos matem áticos. Toda la materi a co ns ta de mo­ lécul as. Las molécul as son estados

A

92

ligad os de átomos, de los qu e se han obse rvado 92 tip os di fe rent es. (E l ele mento 43, el tecnecio , no se da en la naturaleza .) En torn o al núcleo de los áto mos giran en órbitas los electro nes, partícul as descubi ertas en 1897 por Joseph John Tho mso n. El tam año de los átomos (el tamaño de la órbita externa de los elec tro nes) es del orde n de l/l 00.0 00.000 cm; unas 100.000 veces menor, el núcleo. Eso significa qu e el átomo es tá, en buena part e, vacío, seg ún descubriera en 1911 Ernest Rutherfo rd al disparar co ntra el núcl eo par tículas alfa. Seis años antes, en 1905, Einstein propuso que la radi ación electromag nética se hall aba cua ntizada y apa recía só lo en paquetes de energía definidos, los fotones . La energía de los foto nes depende del tipo de radia ción electro­ magnéti ca ; los fotones de las ondas de radi o portan una ene rgía menor que los de luz visi ble; los foto nes de luz roja, menor que los de luz azu l; los fotones de rayos X, menor que los de rayos gamma . En 191 3 Niels Bo hr realizó una descripción pormen ori zad a de los electro nes en los átomos que daba fe liz cue nta de los espectros de luz emitidos por ciertos áto mos , el de hidrógen o en parti cul ar. El modelo de Bo hr iniciaba una revolución en fís ica de cuyas reper cu sion es nos ben eficiam os tod avía, la mecáni ca cu ánti ca. La fís ica del siglo vei nte

se co nstruyó so bre dos pil ares: la teor ía ge neral de la rela tividad de E instein, verificada co n preci sión , y la mecán ica c uántica. La primera descr ibe el uni verso m acro scópico del espaciotiempo y la grave dad , en tant o que la seg unda es una teor ía de la materi a y la radi ación en el domi ­ nio ató mico y subatómico . Aunque el rango de fenó me nos co ntemplados por la mecán ica cuántica es inm en­ sa me nte mayor qu e el abarca do por la teo ría ge nera l de la relativid ad , no alcanza tod avía la cohere ncia intern a necesa ria para repu tarl a una teor ía co mpleta. Debería incluir la teoría de Einste in como caso límit e para masas y distancias grandes . Todav ía en 1928, c ua ndo Paul Dirac propu so la ecuac ión sobre el elec tró n, qu e supuso un ca mbio de inflexión en la mecáni ca cuá ntica, recién sis tema tizada por Werner He i­ se nberg y Erwin Schrodinger, las úni­ cas part ícul as co nocidas eran elec tro ­ nes, proton es y fotones. Apuntalada la descripción del fotón en el mar­ co de las ec uaciones de Maxwell, e l for malis mo de Di rac pe rmi tía ahora extender lo prop io al protón y al electrón. Co n la idea de aforo recibía, ade más, un funda me nto la interacción electro mag nética, vehic u­ lad a por el fotón. Se co ntaba, pues, co n las her rami ent as básicas pa ra la descrip ción de tod as las part ícul as co nocidas de la naturaleza, junto co n sus interacc iones más manifi esta s. Pero si los prot on es y elec tro nes de Dirac, que só lo interaccion aban electromagné ticame nte, co ns tituye­ ran los único s co mponentes de los áto mos, entonces tod os los núcl eos (sa lvo el prot ón solitar io del núcleo de hid rógeno) se desintegrarían ins­ ta ntánea mente, en virtud de la repul ­ sión electrostática del predom ini o de ca rgas positivas. Algo más ten ía que haber en el núcl eo que ejerciera una influ encia determinante. En 1932, Ja­ mes Chadw ick descub rió el neutrón. El modelo protón/electr ón , vigente hasta entonces, se sustituyó por un m odel o de proton es y neutrones, dond e una interacción protón-n eutrón manten ía unid o el núcleo (la fue rza

INVESTIGACi ÓN y CIENCIA, julio, 2005

fuerte). En otr o orden, la radi activi­ dad del urani o, conocid a desde las observaciones de Henri Bec querel en 1896, dem ostró ser resultado de la fuerza débil , distint a de la fuerte y de la elec tro magnética. De acuerd o con el mod el o están­ dar, los nucleones se hallan, a su vez, constituidos por quarks. El protón co nsta de tres quarks: dos quarks arriba y un quark abajo, ca da uno de un color distint o. El neutrón se co mpone de un quark arriba y dos quarks abajo , co n sendos colores di­ ferentes. En efec to, hay quarks arriba (" up", u) y qu arks abajo ("down" , d); cada uno de ellos se presenta en una tripl e variedad de color: roj o, verde y azul (una denominación arbitraria sin nada que ver co n el color real). Ex iste, por tanto, un qua rk arriba rojo, un quark arriba verde y un quark arriba azul. Dígase lo propi o del quark abajo. Con los diagramas de Feyn man las partículas co menzaron a representar­ se por líneas y, las interacciones, por puntos (vé rtices), donde esas líneas se juntan . A cada diagrama podemos agregar una especificación precisa del estado inicial y final del sistema. Los estados inici ales suelen ser part ículas que proceden de los acelerado res ; los estados finales, partículas reg istradas en los detectores. Para co nocer la posibl e estruc tura de los qu arks se provocan colisiones entre prot ones y antipro tones con una energía de 1,96 teraelectronvolt en el ace lerador de part ículas más potente del mundo, el Tevatró n. De moment o, los quarks se co nsidera n pun tiform es, pri vados de estructura interna , lo mism o que el elec trón. ¿Por qué los físicos de partículas necesitan ace lerar las partí cul as has­ ta altas energías? En algunos casos, la energ ía pu ede facilitar la mat e­ riali zación de nuevas part ícul as, de acuerdo co n la famosa equivalencia de Einstein entre masa y energía : E = mc 2 . Un ejemplo ex tre mo es cuando la materi a y la antimater ia se aniquilan mutu ament e en energ ía pur a, que puede remateri alizarse de nuevo en diferentes partículas. De ese modo, los físicos de partículas están 1. Así podría ser el bosón de Higgs, partícula decisiva para comprender el origen de la masa.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

capacitados para crear partícul as y formas de materia qu e no oc urre n en la Tierra en condicione s naturales, pero que bien pueden darse en rinco­ nes más viol entos del universo. Cre ar las co ndic iones ex tre mas, más calientes que las de cualquier estre lla, próxim as a las del univers o primitivo, co nstituye sólo part e del reto. No serviría de nada si no pu ­ diéramos ver qué sucede y registr ar los result ados. Las partículas creadas en las actuales colisiones de altas energías pueden tener un diámetro inferi or a 10- 16 cm, más pequ eñas co n resp ecto a un grano de are na que un grano de arena respect o a la distancia que nos separa del Sol. Y no só lo son pequ eñísim as esas par ­ tículas, sino que ade más viven só lo una cienmillonési ma de segundo o men os. Corresponde a los detecto­ res registrar esas pieza s efím era s de materia. Los detectores modernos son ingenios híbridos con stituidos por numerosos subde tec tores - conta­ dores de centelleo, cá maras de de ­ riva, contadores de Cerenkov, tira s de silicio- cuya tarea consiste en

medir las trayectori as, los ángulos, las curvaturas , las velocidades y las energías de las partículas creadas en las co lisiones . Se ignora el origen de la masa de las partícul as, velo que se espera ras­ gar con la obse rvación del bosón de Higgs, si no en el Teva tr ón, en el LHC (gran coli sion ador de hadro­ nes) del CE RN, que tom ará de aquí a pocos años su relevo . A prop ósito de la masa, el modelo es tándar es­ tablece un a simetría entre materi a y antim ateria que no se manifiesta en nuestro uni verso, dominado por ma­ teri a. A cada partí cula le corre spond e una antipartícula, que posee la misma masa y cuyas demás propi edades se definen ex actamente con respecto a las propi edades de la part ícul a. Por eje mplo, la carga eléctrica tiene signo opuesto. Se admite el caso especial en que la ant ipartíc ula correspon ­ diente a una partícul a sea la propi a partícula, 10 que exige qu e la carga de la partícul a sea necesari amen ­ te ce ro . El fo tón es es a partícula; co nstituye su propia antipartícula. La operac ión que sustituye ca da part ícu­

la por su antipartícula se denomina C (de conj ugac ión de carga) . Una

al curso central de la investigación física, lo que condujo al explosivo

interacción fís ica que sea invariante

desarrollo de la astrofísica y la cos­

bajo la sustitución de partículas por sus antipartículas (y a la inversa) será invariante en e. La operac ión de re­ flexión espacial se conoce por P (de parid ad). Las interaccio nes débiles no son invariantes ni en P ni en C por separado, pero sí lo son en la operación combinada Pe. Del ostracismo en que parecía ha­ ber quedado la teoría general de la rel atividad la sacó John Archibald Wheeler, discípul o de Bohr, en su afá n por tender puentes para alla ­ nar la incompatibilidad aparente en­ tre aquélla y la mecánica cuántica, con su extensión a la teoría cuántica de campos . Propuso que, llegados a cierto nivel, los efectos cuánticos repercutirían de una forma signifi­ cativa en la física de la gravitación. y puesto que la teoría de Einstei n anud a fís ica grav itato ria con geo ­ metría, el resultado neto debería ser una suerte de dinámica cuántica del espac iotiempo. En ella, la geometría del espaciotiempo se halla sometida a reglas cuánticas, incluid o el principio de incertidumbre de Heisenberg. Gra­ cias a Wheeler, la gravitación tornó

mología de nuestros días. A este res­ pecto, suyas son las expres iones de "ag ujero negro", agujero de gusano, espuma de espaciotiempo y otras de semejante tenor. Aunque el conce pto de agujero negro se encontraba implícit o en la teoría general de la relatividad, no se reparó en sus extrao rdinarias propiedades físicas hasta la segun­ da mitad de los años sese nta, a raíz de los tra bajos de Whee ler, Roger Penrose, Stephen Hawking, Robert Geroch, Brandon Carter y otros. Des­ de el comienzo se advirtió que una ley básica de la física - la segunda ley de la termodinámica- quedaba en entredicho con la existencia de tales obje tos, pues menguaban la en­ tropía del universo. A la inversa, si un agujero negro era perfectamente negro, su propia entropía parecería ser infinita. Whee ler pensó que la mecánica cuántica aportaría una for­ ma de obviar esa aporía y salvar la seg unda ley de la term odin ámi ca. Con su discípul o Jaco b Beke nstei n barrunt ó que el área del horizonte de sucesos del agujero negro cons­

tituía una forma nueva de entropía, de suerte que, cuando un aguje ro negro abso rba calor, aumentará de tamaño, y su entropía crece rá en la proporció n al menos de la pérdid a de entropía térmi ca. En septiembre de 1939, el mismo día en que empezó la segunda guerra mundi al, aparec ió en la revista Phy ­ sical Review un artículo que llevaba por título "The mechanism of nuclear fission", escrito por Bohr y Wheeler. Se trata de una pieza maestra sobre el núcleo de uranio 236. Se forma cuando un neutrón es capturado por un núcleo de uranio 235 . El núcleo de uranio bascul a en la frontera entre la física clás ica y la física cuántica . Visto desde un punto de vista clási­ co, constituye una gota de un fluido dotado de carga positiva. La fuerza electrostática que tie nde a partirlo queda equilibrada por la tensión su­ perficial nuclear que lo mantiene en su integrida d. La energía aportada por el neutrón capturado provoca la oscilación de la gota en diversos mo­ dos normales que pueden calcularse clásicamente. Considerado desde una óptica cuántica , el núcleo constitu­ ye una superpos ición de diversos estados cuánticos, que conduce n a

Heliosismología SUNQUAKES, PROBING THE INTERIOR OF THE SUN,

por Jack B. Zirker. Johns Hopkins University Press; Baltimore, 2003.

uando recibí el encargo de escribir una reseña sobre este libro lo tomé con mucha precaución. Es un tema que conozco lo suficiente como para saber que su divulgación entraña gran dificultad. Por otro lado, es el segundo sobre física solar escrito por el autor, cuyo primer libro encontré muy interesante. El libro trata de heliosismología; es decir, se ocupa de las técnicas de sismología aplicadas al Sol que permiten, con observaciones muy precisas de las deformaciones de su superficie debido a las ondas acústicas (al igual que sucede con la Tierra), obtener información sobre su estructura interna. Este tipo de técnicas ha extendido su empleo a la ingeniería y otras disciplinas. En medicina, por ejemplo, la ecografía ha significado un extraordinario avance de diagnóstico no invasivo del estado del interior del cuerpo humano. Mas, a diferencia del cuerpo humano, de un puente y de la Tierra, con el Sol no es posible generar, ni, por tanto, controlar, las ondas acústicas que después de viajar por el interior del objeto de estudio vuelven a la superficie y son detectadas, estudiadas y los resultados interpretados en términos de la estructura de las capas que han ido atravesando. A lo largo de los treinta años de aplicación solar hemos asistido a los rápidos progresos de las técnicas en cuestión: desde los experimentos pioneros desarrollados en diferentes observatorios hasta el lanzamiento de los experimentos GOLF, VIRGO Y MDI en la misión espacial conjunta ESA-NASA, pasando por el establecimiento de redes heliosísmicas mundia­ les que requieren la colaboración internacional. Ello ha supuesto un avance sustancial de nuestro conocimiento sobre la estructura interna del Sol, la estrella originaria del sistema planetario solar y de la vida. El libro constituye una crónica de lo acontecido en estos años. El autor explica qué, quién, dónde y cómo se han ido desarrollando los experimentos, los hitos y la sistematización del cuerpo doctrinal de la disciplina. Se advierte, no obstante, cierta falta de documentación para escoger los hitos más relevan­ tes; con otras palabras, presenta un claro sesgo pro-estadounidense, amén de caer en algunos errores de importancia. Para su comprensión, además, requiere una formación cercana a la especialización; el lenguaje y las técnicas matemáticas reque­ ridas para la interpretación de los resultados que se presentan en el libro están muy poco desarrollados. El libro abunda en resultados experimentales, gráficos e imágenes, que no siempre logran aclarar los avances que se relatan.

C

- TEODORO ROCA CORTÉS

94

INVESTIGACiÓN y CI ENCIA, julio, 2005

2. Arbol de electrones en un fragmento de plástico.

resultados finales dispares. Un re­ sultado final puede se r un núcl eo de uranio 235 con la reemi sión de un neutr ón ; otro pued e ser un nú­ cleo de uranio 236 con emisión de rayos gamma , o puede ser tambi én núcleo s de fragmentación de emisión con uno o más neutr ones libr es. En un prodi gio de demostración de la poten cia de la mecánica clásica y de la mecánica cuántica cuando operan conjuntas, Bohr y Wheeler calcul a­ ron la sección eficaz de la fisión de uranio 235 para un neutr ón lento. Al ahondar en los pormenores de ese proceso, demostraron que las tesis de la complementariedad aport adas por las descripciones cuá nticas y clá sica s resultaban esenciales par a la comprensión de la naturaleza. Wheeler llevó la teoría de la in­ formación a los fund am entos de la física en su famo so dictum " it from bit" , dond e " i t" rem ite a un obje to (por ejemplo, un átomo) y "bit" constitu ye la información con él relacionada. Par a un teórico, un bit es una abstracción : una cantid ad de información; para un pro grama­ dor, un bit es una variable booleana; para un ingeniero, es un biestabl e, una pieza de hardware. ¿P ara un físico? Whe eler lo rela ciona con la epistemología de la mec ánica cu án­ tica , con el dilema clásico de si la funci ón de onda de Schrodinger des­ cribe una realidad física ("it") o una clase de información ("bit") . Para muchos físic os actual es, en efec to, la mecánica cuántica no aporta un cuadro de la realidad, sino que, en su entraña, debe con siderars e un for­ mali smo pur amente matemático. Tal form alismo no nos diría nada sobre una realidad cuántica existente del mundo , sino que sólo nos permitiría calcular probabilidades para realida­ des alternativas que pudi eran ocu­ rrir. En cambi o, para otro s, el vector de estado sí representa la realid ad, aunqu e niegan que se produzca una reducci ón del estado cuántico cuando se realiza una medi ción. En la apli cación de la mecánica cuánti ca al universo, quizás una ex­ trapolación sin par en la historia de la ciencia, Wheel er desemp eñó un papel deci sivo. Estableció una anaINVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005

logía entre la inestabilidad del átomo clásico, resultando en la emisión de una cantidad infinita de radiación , y la curvatura infinita espaciotempora l del colapso gravi tatorio. Conje turó que , así como la mecánic a cuántica hab ía salvado a la mecánica clás ica de la divergencia de las magnitud es y predecía un átomo finito y esta­ ble, del mismo modo la mecánica cuánti ca mej orab a la singular ida d de la gran explosió n. Pero, ¿po día

tomarse en serio la aplicac ión de la mecánica cuántica, una teoría del do­ minio subatómico, a la cos mología, el mayor sistema que ex iste? Whee­ ler creyó en ello y co n Bryce De Witt produj o una suerte de ecuación de Schrodinger para el cos mos . Así nació la cosmología cuá ntica, una nueva disc iplina. Hoy la mayoría de los cos mólogos están de acuerdo en que el universo se originó en un proceso cuántico. La

95

3. Un antiprotón (azul pálido) golpea contra un protón en un cámara de burbujas.

idea recibió un empujón a comienzos de los oche nta con la doctri na de l universo inflacionario de Alan Guth . Algunos cosmó logo s sugirieron que las fluctuaciones cuánticas de la era inflacionaria crearo n las irregularida­ des del universo prim itivo que ser­ vían de semillas para una estructura de macroescala. Si estuvi eran en lo cierto , las ligeras variaciones de tem ­ peratura detectadas en la radiación térmica del fondo de microondas serían sólo fluctuaciones cuánticas . Andrei Linde desarrolló su prop ia variante de la teoría inflacionaria, a la que denom inó inflación caótica. Una de sus principales predicciones estab lece que "el universo" bien pu­ diera ser una "burbuja de Hubble"

96

dentro de un multi verso de vastas proporciones . La teoría del multi ver so sugiere que nuestra burbuj a pudiera cons­ tituir un raro oasis de habit abilidad en un desierto hostil a la vida. En cuyo caso , muchas de las propi e­ dades felic es que observa mos, in­ cluido el hecho de que la física de "nuestro universo" pos ibilite la vida, deriven de una suerte de selección cósmica. Esta teoría se insiere en el marco genera l del principio antróp i­ co. ¿Por qué goza nuestra región de esas condicio nes privilegiadas para la vida? No sería desca bellado pen­ sar que dete rminadas propi edades de nuestro mund o no fueran realmente fundamenta les, sino resultado de ac­

cidentes congelados; por eje mplo, la intensidad relativa de las fuerzas de la naturaleza. De un modo más radi­ cal hay quienes rechazan que exis tan rea lmente leyes fundamentales de la física genuinamente fijas. Harto di­ vulgada está la polémica en torno a la cuestión de la posibilid ad de que hubiera leyes diferentes. La teoría de cuerdas, por fin, es­ pera reco nciliar la teoría de la gra­ vedad de Einstein con las reglas de la mecánica cuántica, responde r a las cuestiones centrales de física de partículas e incluso explicar por qué apareció el universo. En el contexto de la teoría, las partícula s son finas cuer das vibra tor ias y el universo co nsta de 10 dimensiones. Aunque só lo nos es dado percibir las cua­ tro familiares (tres espaciales y el tiempo). Muchos físicos, además, se es fuerza n en reco nciliar la teoría de cuerdas con el modelo está ndar. A la teoría de cuerdas se recurre para explicar la expansión acelerada del universo, descubierta en 1998 en el transcurso de un rastreo de super­ novas, explosiones estelares remotas. Las observaciones sugerían que algo produ cía el estiramiento del espa­ ciotiempo. Yeso era precisamente lo que Einstein imagin ó 80 años antes cuando pensó en una energía ampliadora del espacio, la constante cos mológica. Aunque Einstein rene­ gó luego de su "error", la constante cos mológica aparece ahora con toda su fuerza y los teóricos de cuerdas esperan calcular su valor. Las obser­ vaciones de los últimos años parecen favorece r un valor positivo. A lomos de la teoría de cuerdas, se está imponiendo la idea de que nos hallamos en las puertas de una teoría del todo. Para algunos, así Penrose, nos encontramos muy lejos de una teo­ ría final. Es cierto que determinad os avances matemáticos han procedido de la teoría de cuerdas. Pero no son más que piezas de matemática, aunque con cierta dosis de ideas físicas. La teoría de cuerdas es una teoría de la gravedad cuántica. Hallar una teoría de gravedad cuántica no es sólo una cuestión de cohere ncia matemática; existen procesos físicos que no pode­ mos describir co n las teorías dispo­ nibles. El más notable de éstos es el comienzo del universo, los momentos iniciales de la gran explosión. - L UIS ALONSO

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, julio, 2005