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ESTIGACION

El sistema inmunitario de alerta precoz

e IENCIA

luke A. J. O'Neill

edición e spañola de

SCIENTIFIC

AMERICAN

La respuesta inmunitaria innata constituye la primera línea de defensa contra microorganismos invasores.

Marzo de 2005

Número 342

3 HACE... 50, 100 Y 150 años.

16 El universo maduro Amy J. Sarger El universo ha perdido la actividad que llegó a desarrollar, pero aún forma estrellas y crea agujeros negros a buen ritmo.

4 ApUNTES Incendios forestales . Revolución científica . Zoología .. Biología . Informática.

El ojo del observador Emily Harrison Las imágenes de un concurso de microfotografía exhiben bellezas que se escapan alojo humano.

30 CIENCIA y SOCIEDAD Microbiología evolutiva... Comportamiento eléctrico anómalo del agua... El bacalao salado.

36 Gases de Fermi atrapados ópticamente John E. Thomas y Michael E. Gehm Unos pocos cientos de miles de átomos, enfriados casi al cero absoluto, simulan la física de otros sistemas singulares, como las estrellas de neutrones y los superconductores.

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44

DE CERCA

Una bomba biológica en la Antártida.

El virus de la gripe de 1918 Jeffery K. Taubenberger, Ann H. Reid y Thomas G. Fanning Se ha conseguido resucitar a la cepa más mortífera del virus de la gripe de toda la historia. ¿Puede revelar el virus de 1918 cómo mató a millones de personas y dónde pueden ocultarse otros similares?

85 TALLER Y LABORATORIO Arqueometalurgia, por Marc Boada

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neos

JUEGOS MATEMÁ La dote del sultán, por Juan M.R. Parrondo I

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Geometría no conmutativa y espaciotiempo cuántico José L. Fernández Barbón Resultados recientes de la teoría de cuerdas sugieren los primeros modelos de la estructura cuántica del espacio y el tiempo matemáticamente consistentes.

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90 IDEAS APLICADAS El yo·yo, por Mark Fischetti

70 El mito de la autoestima Hoy F. Baumeister, Jennifer D. Campbell, Joachim l. Krueger y Kathleen D. Yohs Fomentar la autoestima no mejora el rendimiento académico ni desalienta la mala conducta.

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78 la ceca de lulia Traducta Salvador Bravo Jiménez En tiempos de Octavio Augusto, la moneda constituyó un vehículo de extraordinaria fuerza propagandística al servicio del poder. Lo comprobamos en la ceca de la ciudad romana de Algeciras.

LIBROS Genética Nuevas aportaciones sobre la ilustración española Viruela.

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COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Ascsornmíento y traducción: Felipe Cortés: El sistema inmunitario de alerta precoz; M.' Rosa Zapate­ ro: El universo mad uro y Gases de Fermi atrapados ópticamente: Josep­ Maria Gili: El ojo del observado r: M.' José B águ en a: El virus de la gripe de 1918; Ramón Pascual: Criptografía cu ántica comercial; Luis Bou: El mito de la autoestima ; J. Vilardell: Hace..., Ap untes e Ideas aplicada s; Pere Molera: Taller y laboratorio

José M." Valderas Gall ard o Pil ar Bronchal Gar fell a EDICIONES Ju an Pedro Campos Gómez Laia Torr es Ca sas PRODUCCIÓN M." Cruz Iglesias Capón Albert Marín Garau SECRETARi A Purifi cación May oral Martínez ADMINISTRACIÓN Victori a Andrés Laigle sia SUSCRIPCIONES Conc ep ción Or en es Del gad o Oiga Blanco Rom ero EDITA Pren sa Cien tífica, S.A. Muntan er, 339 pr al. l. a 08021 Bar celon a (España) Telé fon o 934 143 344 Tele fax 934 145413 www.investigacionycien cia .es DIRECTOR GENERAL

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Portada: Kenn Brown

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Printed in Spain - Impreso en España

ACE

...cincuenta años

...ciento cincuenta años

MU ROS DE CIERRE. «La expresión 'muro de cierre' se emplea hoy para designar el revestimiento, forro o 'piel' de los edificios modernos. Su aspecto difiere sobremanera del de su antecesor, el antiguo muro de carga. Constituye un gran avance en la evolución de la arquitectura. La especialización estructural que separa en los edificios la piel del esqueleto se corresponde con la especialización que los tejidos biológicos han adquirido en el transcur­ so de la evolución. Sin embargo, ningún revestimiento arquitectónico moderno iguala en prestaciones a la piel biológica. El muro de cierre es un elemento pasivo, in­ capaz de ajustarse a un entorno exterior cambiante. Debería poder intervenir activamente en el esfuerzo que realiza el edificio para mantener su estabilidad interna. -James Marston Fltch»

CONFUSiÓN. «Al capitán Norton debemos varias innovacio­ nes de suma utilidad para balas y granadas. Hace más de diez años las recomendó a los responsables del ejército británico; éstos, sin embargo, hicieron caso omiso. Ahora que el peligro amenaza en Crimea, se arrepienten de no haberle prestado atención. En 1826 fue mostrada a Lord Fitzroy Somerset (hoy Lord Raglan) una de las granadas de percusión para cañón de Norton. El personaje replicó: 'Todas las invenciones para mejorar el armamento tienden a poner a los débiles a la altura de los fuertes; puesto que nosotros somos los fuertes, no apoyamos tales mejo­ ras'. No podría ofrecerse mejor prueba de la incapacidad de Lord Raglan para dirigir la guerra de Crimea que la anterior muestra de aturdimiento y cequera.»

«En 1950, en un estudio epidemio­ lógico sobre la parálisis infantil en un pueblo del norte de El Cairo , las muestras de sangre de tres niños dieron positivo respecto al virus del oeste del Nilo. El hallazgo causó conmoc ión, pues nadie había visto un caso humano de esa infección desde la origina l de 1937. Otros estudios egipcios no tardaron en mostrar que Egipto constitu ía un caldo de cultivo para la in­ fección del oeste del Nilo; cerca del 100 por ciento de los adultos muestreados resultaron portadores de anticuerpos. El virus del oeste del Nilo se ha aislado no sólo en niños egipcios sino también en mosquitos (del género Culex), cornejas cenicie nta y palomas. Una amplia variedad de huéspedes.» N ILO OCCIDENTAL.

R OCAS FLOTA NTES. «En la isla de Manhattan se contem­ plan incontables rocas sueltas de todos los tamaños, desde pequeños cantos a grandes peñascos de varias toneladas de peso. Esas rocas no se formaron donde se hallan y ninguna mano humana las llevó hasta allá. ¿De dónde vinieron? La única teoría plausible sostiene que los lugares donde ahora se hallan fueron antaño un lecho marino, sobre el que flotaban icebergs procedentes de un océano ártico, con dichas piedras adheridas a ellos; corrientes de agua cálidas los habrían derretido y así se habrían liberado sus cargas pedregosas. Sin embargo, concebir un período en que grandes icebergs flotaran sobre el lugar donde ahora se alza la ciudad de Nueva York resulta tan fantasioso como creer en la maravillosa lámpara de Aladino.»

...cien años L A MÁQUINA DE ESCRIBIR. «Un abismo separa el ambien­ te silencioso de la celda del monje escribano del vivo tableteo de la moderna máquina de escribir, que en un cuarto de siglo ha revolucionado y transformado el mundo de los negocios. Su llegada señala el comienzo de una nueva era de progreso no inferior al que acompañó la aparición del telégrafo y el tel étono. » L AS TUMBAS DE M UKDEN. «Estas tumbas de Manchu­ ria se hallan en una llanura, de forma que todos los enterramientos se pueden observar fácilmente desde una colina cercana. Los antiguos emperadores manchú­ tártaros llegaron a ofrecer sacrificios en las tumbas de sus antecesores, pero esa práctica se interrumpió hace largo tiempo. La Calzada Sagrada constituye el elemen­ to más interesante de este cementerio. Está bordeada en ambos costados por colosales estatuas monolíticas, separadas por trechos de unos 200 metros. En total se levantan treinta y seis estatuas, de las que veinticuatro representan animales (véase la ilustración) y doce, altos dignatarios. »

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

Estatua colo sal en Mukden (comienzo de la dinastía Qing). Actual Shen yang, 1905 .

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INCENDIOS FORESTALES

Los efectos del fuego

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egún Pascal, el enterado desprecia la opinión del vulgo, pero el que de verdad entiende (es decir, el propio Pas­ cal), opina como el pueblo, sólo que por otras razones. El vulgo cree que es mejor apagar siempre los incendios fo­ restales; los expertos, que muchos bos­ ques necesitan del fuego, que el fuego es parte de su ciclo de vida, hasta el punto de que conviene a veces provocar incendios controlados. Haber apagado durante docenas de años los fuegos, dicen, ha hecho de los montes una densa yesca que convierte en deflagraciones letales incendios que, en otras circunstancias, hubieran facilitado la regeneración posterior. El viejo leo­ na, en medio de oleadas de incendios, hasta publicó un anuncio cantando las excelencias científicas del fuego. Pero el fuego, natural o provocado, no siem­ pre coexiste con el bosque; más que parte de su autorregeneración, puede ser agente de su extinción. La actual deforestación del interior de Australia se atribuye ahora a las quemas que

efectuaron los primeros colonizadores, hará unos 50.000 años. De acuerdo con cierta simulación informática, el fuego natural ha limitado en los últimos seis u ocho millones de años, sin que se sepa el origen del proceso, la extensión de los bosques en muchas partes del planeta, sobre todo en Africa y Sudamerica. Sin el fuego, desaparecían en la simula­ ción grandes extensiones de prados y sabanas, sustituidos por árboles.Y la razón de la mayor o menor agresividad de los fuegos en sistemas forestales concretos podría guardar relación con los cambios climáticos. Según otro estudio, la prevalencia de los incendios de baja intensidad en equilibrio con una densidad baja de los bosques de pinos ponderosa en el oeste norteame­ ricano se correlaciona con períodos históricos más fríos, como el habido entre los siglos xv y xx. En cambio, durante períodos más cálidos, como el actual y la baja Edad Media, ocurren fuegos que acaban en un cambio del tipo de vegetación.

REVOLUCION CIENTIFICA

¿Lleno o vac ío? os filósofos de las postrimer ías del siglo XVII decían aplicarse a la "nueva filosofía", donde la novedad designaba la oposición al aristotelismo anquilosado en las aulas universitarias. Pero no había una sola filosofía nueva. Las rivalidades iban incluso por naciones. De una manera hiperbólica lo recuerda Voltaire (1694-1778) en sus Cartas filosóficas: "Un francés que amanezca en Londres caerá pronto en la cuenta de que allí rige otra filosofía también. Advierte que ha dejado un mundo pleno, para encontrar otro vacío. En París se habla de un mundo compuesto de vórtices y ma­ teria sutil. Nada de eso hay en Londres, donde la presión de la Luna es la que provoca las mareas." Voltaire contra­ pone la filosofía natural de Descartes a la de Newton. En Descartes los fenómenos de la naturaleza se explicaban mediante materia y movimien­ to; todos los cuerpos consta­ ban de partículas mínimas e invisibles, que conformaban diversas combinaciones y dis­ posiciones a través de movi­ mientos. No cabían espacios vacíos. Si algo cambiaba de lugar, otro cuerpo o partíc ula ocupaba el sitio abandonado. Newton dejaba, por contra, amplia cancha a la atracción, a la acción a distancia.

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ZOOLOGlA

Ballenas y buzos os biólogos marinos suponían que las ballenas eran inmunes a sufrir el mal de descompresión que padecen los buzos cuando ascienden demasiado deprisa desde las profundidades. Pero las ballenas expuestas a las señales de los sonares militares muestran síntomas agudos que recuerdan al mal de los buzos. En la Fundación Oceano­ gráfica de Woods Hale han descubierto en esqueletos de cachalotes adultos, reunidos desde 1870, alteraciones óseas. El deterioro, que se agrava con la edad, concuerda con el tipo de daños óseos que sufren quienes se sumergen a grandes profundidades. Si el mal de los buzos es la causa de esas degeneraciones, es probable que las ballenas hayan desarrollado conductas que lo eludan, como la emersión gradual. Perturbaciones como el sonar quizás alteren ese comportamiento de prevención adquirido y causen la patolo­ gía descubierta. -J. R. Minkel

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las ballenas no son inmunes a la enfermedad de la descompresión .

BIOLOGIA

Vida en Atacama

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o se habían encontrado microorga­ nismos en el suelo del desierto de ',' Atacama, donde llueve como mucho una vez cada diez años. Pero un equipo de la Universidad de Arizona ha desmentido " " la idea arraigada de la esterilidad de ese terreno. Han cavado cada 300 metros a lo largo de cerca de 200 kilómetros. Tras cada cota, desinfectaban la paleta utiliza­ da. Antes se había excavado sólo hasta unos 10 centímetros de profundidad; ahora llegaron hasta los 30. Al hume­ decer las muestras, tomadas en suelos carentes de vegetación desde hace al menos un millón de años, medraron bacterias. Los microorganismos habrían permanecido allí en estado de latencia. La misión Fénix de la NASA realizará en el año 2008 un experimento parecido en Marte. -Charles Q. Choi

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INFORMATICA

Banda ancha por el tendido

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l secreto del acceso universal a Internet por banda ancha quizá "penda sobre nuestras cabezas". El tendido eléctr ico puede transportar la banda ancha mediante señales eléctricas de alta frecuenc ia. Algunas compañías eléctricas europeas y estadounidenses ya lo están ensayando. El problema está en que las bifurcaciones de la red reflejan las señales de la banda ancha y degradan la transmisión. En la Universidad estatal de Pennsylvania hicieron una simulación de lo que ocurriría si las líneas se sincronizaran con los transformadores y otras cargas eléctricas, al objeto de minimizar la reflexión. Descubrieron que así se brinda­ ría a los hogares unas velocidades de transferencia de datos de cientos de megabits por segundo, decenas de veces mayores que las ofrecidas por las mejores transmis iones de ADSL o cable. Un inconveniente de la línea eléctrica de banda ancha: interferiría con señales de radio. -J. R. Minkel

En principio, las líneas eléctricas proporcionarían un acceso más rápido a Internet que el cable o el ADSl.

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El sistema inmunitario de alerta precoz La respuesta inmunitaria innata constituye la primera línea de defensa con tra microorganismos invasores. Recientes hallazgos relativos a la acción del sistema pod rían abrir nuevas vías para el tratamiento de infecciones y trastornos inmunitarios Luke A. J. Q'Neill

na mujer se encuentra a bordo de un ascenso r. Los pasaj e­ ros que la acompañan empieza n a esto rnuda r. Mientras ella se pregunta qué enfer medades podrían contag iarle, su sistema inmunit ario entra en acció n. Si el microb io que dispersan los estornudos corresponde a uno con el que la mujer ha estado ya en contacto, un batallón de células inmunitarias entrenadas - la infantería del sistema inmun itario adaptativo- lo reconocerá y, en cuestión de horas, lo eliminará. Puede incluso que j amás llegue a darse cuenta de que ha sido infectada . Pero si el virus o bacteri a correspo nde a uno contra el que nuestra des­ venturada pasaje ra nunca ha luchado, acudirá en su aux ilio otro tipo de respuesta: el sistema inmunita rio "innato". Este sistema de defensa reconoce clases genéricas de molécul as producidas por múlti ples y variados agentes patógenos. Cuando detecta alguna de estas moléculas extrañas, el sistema inmun itario dispara una respu esta inflamatoria; en ella, dete rminadas células del siste ma inmuni tario se esfuerzan por aislar al invasor con un muro y dete ner así su propagac ión. La actividad de estas células -y de los com ­ puestos que segrega n- prec ipita el enrojecimiento y la hinchazón de los puntos afectados; tambi én es responsable de la fiebre, malestar general y otros síntomas gripales que acompañan a numerosas infecci ones. El asalto inflamatorio se inicia mediante los receptores tipo TolI (TLR, de "Toll-like receptors"), una familia de proteína s ancestrales que median la inmun idad innata en una gra n varieda d de organismos, desde los cangrejos bayoneta (o herradura) hasta los humanos. Si los TLR fallan, el sistema inmunitario se desp loma, deja ndo el cuerpo totalmente expuesto a la in­ fección. Pero si se cae en el extremo opuesto de una res puesta inmunitaria exage rada, el organismo no corre mejor suerte, pues se inducen trastorn os carac terizados por inflamación crónica y lesiva: artritis, lupu s e inclu so enfe rmedades cardiovasculares . El entusias mo que ha ge nerado entre los inmun ólogos el descubrimiento de los TLR pod ría co mpara rse al que causaba antaño el descubrimiento de una tierra desconocida . Numerosos investigadores esperan hallar respu es­ tas a un sinfín de cuest iones inmun ológicas aún sin resolver. El estudio de estos receptores, así co mo de los aco nteci mie ntos molecul ares qu e 1. EL PRIMER ENCUENTRO con agentes patógenos activa el sistema inmunitario innato, que entraña mayor complejidad de lo que se pensaba .

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LAS DOS RAMAS DEL SISTEMA INMUNITARIO

El sistema inmunitario de los mamíferos se divide en dos ramas principales. La división innata (izquierda) opera cerca de los puntos de entrada en el cuerpo y está siempre Patógeno -

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alerta. Si ésta no consigue contener el patógeno, la división adaptativa (derecha) entra en juego, organizando un ataque más tardío, aunque muy selectivo.

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Moléculas antimicrobianas

Célula T reconociendo un antígeno específico

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SISTE MA INMUNITARIO INNATO

SISTEMA INMUNITARIO ADAPTATIVO

Este sistema consta de moléculas antimicrobianas y fagocitos (células que ingieren y destruyen patógenos), entre varios componentes. Lo mismo que las células dendríticas y los macrófagos, los fagocitos activan una respuesta inflamatoria, mediante la secreción de cito­ quinas: proteínas que disparan un aluvión de células defensivas procedentes de la sangre. Con las células reclutadas llegan nuevas dotaciones de fagocitos; sobre todo monocitos (que maduran y se transforman en macrófagos) y neutrófilos.

Las células B y T son las protagonistas de este sistema. Las células B activadas secretan moléculas de anticuerpos que se unen a los antígenos (componentes específicos y exclusivos de un invasor concreto) y destruyen el invasor o lo marcan para que sea atacado por otros. Las células T reconocen los antíge­ nos presentados por otras células. Algunas de ellas ayudan a activar las células B y a otras células T (no se muestran); otras atacan directamente a las células infectadas. Las células T y B engendran células "de memoria" que eliminan rápidamente a los invasores reincidentes.

desencaden an cuando detectan un agente patógeno, ya está empeza n­ do a dar frutos : se han identificado posibles dianas para fárm acos que podrían potenciar la activ idad pro­ tectora del cuerpo, reforzar el efecto de las vacunas y tra tar una amplia gama de enfermedades devas tador as y potenc ialmente mortales .

La cenicienta de la inmunología Un lustro atrás, el interés de los in­ munólogos se centraba, casi exclusi­ vamente, en el sistema inmuni tario adaptativo. Los libros de texto llena­ ban sus páginas con detalles sobre las células B (y cómo éstas fabrican los anticuerpos que se unen a proteínas específicas, o antígenos, en la super-

Inmunidad innata • La inmunidad innata constituye un sistema de alerta precoz pa ra detec­ tar y combatir infecciones de cualquier tipo. Está mediada por recepto­ res tipo Toll (TLR), producidos por numerosas células de defensa. • Cuando los TLR detectan un agente invasor, promueven la producción de una batería de prote ínas de señalización que inducen la inflamación y organizan una respuesta inmunitaria completa. • La hipoactividad de los TLR inut iliza el sistema inmunitario; la hipe­ ractividad de los mismos induce la aparición de artritis reumatoide, enfermedades cardiovasculares y otros trastornos. El control de los TLR o de las proteínas con las que éstos interactúan ofrecería nuevas vías para el tratamiento de enfermedades infecciosas e inflamatorias.

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ficie de un patógeno invasor) y las células T (que presentan receptores capaces de reconoce r fragmentos de proteínas de patógenos). Se denomi­ naba adaptativa la respuesta porqu e, dur ante el curso de una infección, se ajustaba -en función del tipo de agente invasor- para optimizar la acción defensiva. La inmunid ad adaptativa destaca­ ba también por otra particularidad: dota de memoria al sistema inmu­ nitario. Una vez eliminada la infec­ ción, siguen presentes las células B y T especialmente entrenadas para prevenir ataques posteriores. En esta capacidad de recordar infecciones pa­ sadas basan su efec tividad las va­ cunas: expone n el cuerpo a formas desactivadas de un patógeno (o partes inofensivas del mismo) para que el sistema inmunitario reaccione como si se tratase de un ataque verdadero, generando células de memoria protec-

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toras. Así nos resguardan de enferme­ dades víricas o bacterianas. Una vez que el organismo se ha enfrentado con un patógeno y ha sobrevivido, las células T y B se encargan de que el mismo microbio no nos vuelva a sorprender desprevenidos. En comparación con el adaptativo, el sistema inmunitario innato parecía bastante primitivo. Por un lado, se pensaba que sus componentes - in­ cluyendo las enzimas antibacterianas de la saliva y un grupo de proteínas interrelacionadas (co nocidas en su conjunt o como el complemento) que matan las bacterias en el torrente san­ guíneo- era n más simples que los anticuerpos dirigidos contra blancos específicos y las células T asesi nas. Por otro, su respuesta no muestr a capacidad de ajuste.

Sin embargo, al despreciar así la respuesta inn ata, los inmunólogos eludían un fenómeno de suma impor­ tancia, a saber, que este sistema in­ nato, de presumida tosquedad, cons­ tituía un elemento esencial para la operatividad del sistema adaptativo . Así es: sin respuesta innata, no hay respuesta adaptativa. El sistema inna­ to produce citoquinas, unas proteínas de señalización que no sólo induc en la inflamació n, sino que también ac­ tivan las células B y T protagoni stas de la respuesta adaptativa. A finales de los años noventa del siglo pasado, el sistema inmunit ario adaptativo se conocía con profundi­ dad. Poco se sabía, en cambio, sobre la inmunidad innata. ¿Cómo activa­ ban los microbio s la respuesta inna­ ta? ¿Cómo dirigía ésta la respuesta

adaptativa de las células T y B? Poco después, se desc ubriría que los TLR - producidos por distin tas células in­ munit ari as- encierran la clave de estas cuestiones. Pero el camino no fue fácil. Para llegar a dic has proteí­ nas, los expertos debieron recorrer un tortuoso y serpenteado viaje a través de estudios del desarrollo de la mosca del vinagre, la búsqueda de drogas para tratar la artritis y el amanecer de la era genómica.

T011, una proteína misteriosa La historia de este hallazgo nos re­ trotrae a los primeros años ochenta, cuando los inmunólogos empezaron a estudiar la actividad molecu lar de las citoq uinas. Estos mensajeros pro­ teicos son prod ucidos por diferentes células inmunitarias : macrófagos y

TLR AL MANDO

Los receptores tipo TolI (TLR, de "TolI-like receptor"), produ­ cidos por muchas células del sistema inmunitario innato, or­ questan la respuesta inmunitaria innata, al propio tiempo que desempeñan una función crítica en la respuesta adaptativa. El TLR4, por ejemplo, activa las defensas ante la invasión de una bacteria gram-negativa. Detecta las incursiones por medio de su unión a un Iipopolisacárido (LPS), un tipo de azúcar

Bacteria gram-negativa

exclusivo de las bacterias gram-negativas. Una vez reconoci­ dos LPS, una pareja de TLR4 envía la señal a cuatro molé­ culas que se encuentran en el interior de la célula: (MyD88, Mal, Tram y Trif); éstas, a su vez, desencadenan una cascada de interacciones moleculares que terminan por activar un . regulador principal de la inflamación (NF-KB). Este regulador acciona entonces la expresión de genes que codifican activadores inmunitarios. Entre ellos se cuentan las citoquinas (derecha), inductoras de la inflamación y activadoras de las células T y B de la división inmunitaria adaptativa. líiI ~ ~ • ~ 4rIL-1 YTNF-alfa: 4r • 4r líiI~ 4r potencian la respuesta ~ líiI inflamatoria •

líiI ~~ líiI~

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IL-S: atrae los neutrófilos

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células dendríticas entre otras . Los macrófagos patrull an po r los tej i­ do s del cuerpo en busca de señales de infección. Cuando detectan una proteína extraña, inician la respuesta inflam atoria. Eng ulle n y destruyen el invasor port ado r de esa prot eína y sec retan varias citoquinas; algu­ nas de éstas disparan entonc es una alarma que recluta otr as cé lulas al sitio infectado y pon e todo el siste­ ma inmunitario en alerta total . Las cé lulas dendríticas ingieren los mi­ crobios invasores y se dirigen a los nódulos linfáticos, donde pre sent an fragm ent os de las prot eínas del pató­ geno a multitud de cé lulas T y liberan citoquinas: una sec uencia de opera­ cion es que co ntribuye a la puesta en marcha de la respuesta inmunitaria adap tativa. Para estudiar la funció n de las di­ ferentes citoquinas, lo s expertos nece­ sitaban hallar una vía indu ctora de su producción. Observaron que el modo más eficaz para conseg uir qu e los macr ófagos y las cé lulas dendríticas produj eran citoquinas en el laborato­ rio era exponerlas a bacterias o, lo que revestía mayor interés, a co m­ ponentes bact eri anos específicos. El lipopolisacárido (LPS), por eje mplo, una molécula que fabrican numero sas bacterias, desenc adena una poten te respu esta inmunitaria. En hum anos, la expo sición a LPS causa fiebre y puede provocar un shock séptico, una disfun ción vascular mortal debid a a una respu esta exce siva y destru ctiva de las célula s inmunitarias. Los LPS desenc adenan esa respuesta inflama­ toria al incit ar a los ma cr ófagos y a las célu las dendríticas a libe rar ci­ toquinas: en concreto, el factor de necrosis tum or al- alfa (TNF-alfa) y la interleucina-I (IL- I). Se demo stró que estas dos citoqui­ nas gobernaban la respuesta inflama­ tori a mediante la ac tivación de las células inmunitari as. Si se descon­ trolan, precipitan la aparición, entre otros, de la artritis reum atoide, una enfe rmedad autoinmune en la qu e una inflamación excesiva de las arti­ cul aci ones co nduce a la destru cción de las mismas. Los expert os dedu­ jeron entonces que si limitaban los efecto s del TNF-alfa y la IL-I po­ drían demorar el avance de la enfer­ medad y aliviar así el sufrimiento de los pacientes artríticos. Pero toda vía no es taban en co ndiciones de diseñar

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2. UNA MOSCA DEL VINAGRE que carecía de la prote ína TolI muere víctima de una infección por hongos generalizada; las esporas cubren el cuerpo como un abrigo de pieles. (La cabeza se halla abajo a la derecha.) El estudio en cuestión, publica­ do en 1996, aportó uno de los primeros datos sobre la función protectora que las proteínas TolI desarrollan en la mosca del vinagre.

dicha terapi a; necesitab an co nocer mejor el mecan ism o de operació n de es tas molécul as. Para empezar, debían identifi car las proteínas con las que interactuaban. En 1988, John E. Sims y su equipo de Immunex , en Sea ttle, desc ubrie ­ ro n un a prot eína rece ptora que re­ conoce la IL-I . Este receptor reside en las memb ranas de cé lulas muy di spares, in clu idos los ma cr ófago s y las célu las dendríticas. La frac­ ción de recept or que sobresale de la cé lula se une a la IL-I , mientras que el seg me nto que permanece en el interior transmite el men saj e de qu e IL -l ha sido det ect ada. Sims exa minó co n detalle la parte intern a del receptor de la IL-I , co n la es ­ peranza de hallar alguna pista sobre dicha transm isión: por eje mp lo, qué mol écul as de señ alización activa la proteín a en el interior de las células . Pero se llevó una buen a sorpresa: el dominio int ern o del receptor de la IL-l hum ana no guardaba semeja nza co n nada que hub iese visto antes. En 1991, Nick 1. Gay, de la Univer­ sidad de Ca mbridge, hizo un ex tra­ ño descubrimi ento mientras buscaba proteínas similares a Toll, una pro­ teína de la mosca del vinag re. Toll había sido ide ntificada por Christiane Nuss lein-Volhard en Tubinga, qui en bautizó así a la proteín a porque las moscas que carece n de ella mues­ tran un aspec to extraño (Tol! significa

"extraño" en alemá n). La prot eín a ayud a al embrió n en desarroll o de Drosop hila a distin guir entre la par­ te dorsal y la ventral; por ello las mo scas que carece n de Toll parecen en total co nfusión, como si hubi esen per dido la lateralidad. Gay consultó la base de dato s que conte nía toda s las sec uencias génicas co noci das entonces, en su búsqu eda de genes cuyas secuencias mostra sen máxim a coincide ncia co n la de Toll, supo niendo que és tos podrían codifi­ car proteínas similares a aquélla. Des­ cubrió que part e de la prot eína Toll guarda una sor pren de nte semeja nza con el domini o intern o del recept or humano para la IL-I , preci samente el mi smo seg mento que tanto había desconc ert ado a Sims . Aque llos resultados parecían ca­ recer de se ntido. ¿Por qué una pr o­ teín a implicada en la infl amación en hum anos se parecería a una prot eín a qu e les dice a los embriones de la mo sca cu ál es la part e de arriba ? El misterio permaneció sin reso l­ ver hast a qu e, en 1996, Jul es A . Hoffmann y sus col aboradores del CNRS en Es tras burgo dem ostraron que las mo scas se servían de Toll par a defend erse de infecc iones fún ­ gicas . En Drosophila , pues, Toll es multifuncional: participa en el de­ sarro llo embrionario y en la inmu­ nidad del adulto.

Receptores tipo T011 El receptor par a la IL-I y la proteí­ na Toll guarda n semej anza só lo en los segmentos que se ocultan en el interior de la célula; los que están expuestos al exterior parecen bastant e diferentes. Esta observación llevó a los expertos a buscar proteínas hu­ man as idénti cas a Tol!. Despu és de todo, la evo luc ión suele conservar los diseños eficaces ; si Toll mediaba la inmunidad en las moscas, qui zá proteínas similares estaban haciend o lo propi o en humanos. Siguiendo el con sejo de Hoffmann , en 1997, Ruslan Me dzhitov y el desa­ parec ido Charles A. Jan eway, Jr., de la Univers idad de Yale, hall aron la primera de estas prot eínas, a la qu e llam aron Toll humana. En uno s seis meses, Ferna ndo Bazán y sus compa­ ñeros de DNAX, en Palo Alto, habían ide ntificado cinco Toll humanas: se de no minar ía n receptor es tipo Toll (TLR) . Uno de ellos, el TLR4, coi n-

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cidí a con la Toll humana descrita por Medzhitov y Janeway. Llegado s a este punto , todavía no se sabía co n exactitud cómo podrían contribuir los TLR a la inmunid ad hu­ mana. Janeway habí a obse rvado que llenar las membranas de las células dendríti cas con TLR4 incitaba la pro­ ducción de citoquinas. Sin embargo, no logró explicar cómo se activaba el TLR4 en una infecci ón. La respuesta llegó en 1998, cuando Bruce Beutl er y su equipo del Insti­ tuto Scripps en La Jolla descubri eron raton es mutantes incapaces de res­ ponder a los LPS: portaban una ver­ sión defectuo sa de TLR4. Mientras que los raton es norm ales morían de sepsis dentro de la hora posterior a ser inyectados con LPS, los mutan tes sobreviví an y se comportaban como si no hubieran estado expuestos a la molécul a. Es decir, la mut ación en el gen del TLR 4 insensibili zaba a los ratone s frent e a los LPS. Aquellos result ados indi caban que el TLR4 se activa cuando interac­ túa con un LPS. De hech o, ahora

sabe mos que su función co nsiste en detectar los LP S. El hallazgo arrojó luz sobre la co mprensión de la sepsis, pues reveló el mecani s­ mo molecular que subyace tras la inflamación y suministró un posi­ ble blanc o para su tratamient o. En dos años, los exper tos determinaron que la mayorí a de los TLR - una decena de los cuales se ha iden ti­ fic ado ya en hum anos- reco noce n molécul as básicas para la supervi­ vencia de bacteri as, virus, hongos y parásit os. El TLR 2 se une al ácido lip oteicoico, un componente de la par ed bacteriana; el TLR 3 reconoce el material ge nétic o de los virus; el TLR 5 reco noce la flagelina , una proteín a que form a el flag elo que las bacterias usan para despl azarse; y el TLR9 reco noce una sec uencia génica distin tiva llamada CpG, que se encue ntra en bacteri as y virus en un a forma cuya estructura química difiere de las sec uencias CpG en mam íferos. Resul ta evidente, pues, que los TLR evolucionaron para reconocer

y responder ante componentes mole­ culares básicos de los patógenos. Ello impide que un agente infeccioso elu­ da los TLR mediante la eliminación o alteració n química de cualquiera de estos co mponentes, para pasar inad­ vertido; al ser fundamentales, termi­ naría por inutili zarse. Además, dado que much os elementos de éstos se comparten entre diversos organismos, bastan sólo unos la TLR para pro­ tegern os virtualmente de cualquier patógeno conocido. La inmunidad innata no es exclu­ siva de los humanos. De hecho, se trata de un sistema ances tral. Dispo­ nen de respues ta inmu nit aria inna ­ ta las moscas, las estrellas de mar, las pulgas de agua y casi todos los organismos estudiados hasta ahora. Muchos usan los TLR co mo de­ sencade nantes. Los nemátodo s, por ejemplo , se sirven de un TLR para detectar las bacterias infecciosas y esca par de ellas nadando. Los TLR abundan también en las plantas: el tabaco requi ere la prot eín a N para combatir el virus del mosaico del

FUNCIONES DE LOS RECEPTORES TIPO TOLL

I

Cada receptor tipo Toll detecta algún componente esencial de una amplia gama de patógenos; en su conjunto, los TLR reconocen casi todos los invasores que podrían causar enfermedad. Cada tipo de célula encierra una combinación diferente de estos recepto­ res, que operan por pares. Se han iden­ tificado diez TLR humanos y un gran número de las moléculas que éstos reconocen (abajo) . Se desco­ nocen aún las funciones de TLR10 así como la parej de TLR3, TLR5, TLR7, TLR8 Y TLR9.

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tabaco . Arabidopsis thaliana cuenta con más de 200. La primera proteína tipo Toll de­ bió surgir en un orga nismo unice­ lular, antepasado comú n de plantas y animales . Puede inclu so que estas moléculas facilitara n nuestra evolu­ ción. Sin un sistema de defensa eficaz contra la infección, quizá los orga­ nismos multicelulares j amás hubieran sobrevivido.

Asalto al castillo El sistema inmunitario innato se com­ paraba antaño, debido a su supuesta simplicidad, con la muralla de un casti llo. Se pensaba que la acció n defens iva tenía lugar una vez que en la muralla se abría una brecha y las tropas que estaban dentro - las células T y B- entraban en bata lla. Ahora sabemos que en la muralla del castillo se aposentan centinelas (TLR) que identifican al invasor y tocan a rebato para movilizar a las tropas y preparar las defensas contra el atacante. En otras palabras, los TLR disparan am bos sistemas: el innato y el adaptativo . La esce na podría describirse como sigue . Cuando un patóge no entra por primera vez en el cuerpo, uno o varios TLR (como los que se en­ cuentra n en la superficie de los ma­ crófagos y cé lulas dendríticas que patru llan sin cesar) se une n a las moléculas extrañas; por ejemp lo, los

LPS de las bacterias gram- negativas. A continuació n, los TLR incitan a las células a liberar varias ci toquinas. Estos mensaje ros proteicos reclutan entonces macrófagos ad ic iona les , cél ulas dendríticas y otras cél ulas inmunitari as para aislar y atacar (sin espec ificidad) el microorganis­ mo intruso. Al propio tiem po, las citoquinas liberadas por esas células causa n fiebre, dolor corporal y otros síntomas de tipo gripal. Los macrófagos y las células den­ dríticas que han troceado e l agente invasor muest ran fragmentos del mis­ mo en su superficie, junto con otras moléculas para avisar de la presen­ cia del patógen o. Esta ex hibició n, en combinació n con las citoquinas liberadas en resp uesta a los TLR, activa por fin las células B y T, que identifican dichos frag mentos . Ello provoca -en el curso de var ios días- que esas célu las proliferen y dirijan un ataque violento y polari­ zado contra el invasor. Sin el efecto cebador de los TLR, las células B y T no se activarían y el organis­ mo no sería capaz de organ izar una resp ues ta inmunitaria completa ni recordar infecciones previa s. Tras la infección inici al, se rese rva una cantidad suficiente de células T y B de memoria para que el cuerpo pueda enfre ntarse al invaso r con ma­ yor eficacia en el caso de que éste regrese . En ocas iones, este ejérci to

LAS PULGAS DE MECHNIKOV El descubrimiento de las proteínas TolI y los receptores tipo TolI retoma una línea de investigación iniciada hace más de un siglo por Ilya Mechnikov, descubridor de los fundamentos de la inmunidad innata. A principios de los años ochenta del siglo XIX, Mechnikov arrancó algunas espinas de un manda­ rina y las clavó en una larva de estre­ lla de mar. A la mañana siguiente, las espinas estaban rodeadas por células móviles; supuso que éstas trataban de engullir las bacterias que, junto con otros cuerpos extraños, habían sido introducidas allí por las espinas. Observó entonces que pulgas de agua (Daphnia) expuestas a esporas de hongos organizaban una respuesta similar. Descubrió así la fagocitosis, la piedra angular de la inmunidad innata. El hallazgo le valió a Mechnikov un premio Nobel en 1908.

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MECHNIKOV era todo un personaje. Refi­ riéndose a los tiempos en que trabajaba en el Instituto Pasteur, se cuenta de él que calzaba botas de goma en cualquier época del año. llevaba un paraguas y los bolsillos llenos a reventar de publicaciones científicas. Lucía siempre el mismo somo brero; a menudo, cuando estaba exaltado, se sentaba en él.

de células de memoria opera con tal pro ntitud que no llega a producirse ninguna inflamación. Ello hace que la víct ima no se encue ntre tan mal; puede incluso que ni siquiera note la reinfección. La inmunidad innata y la adapta­ tiva for man parte del mismo sistema de reco nocimiento y eliminación de patógenos. La interacción entre es­ tos dos mecan ismos de defensa es lo que confiere robustez al sistema inmunitario en su conjunto.

Respuesta "personalizada" Para lograr un conocimiento más plen o del contro l operado por los TL R sobre la actividad inmuni taria, se prec isa identificar las molécul as que transmite n señales desde los TLR activados en la superfic ie celular has­ ta el núcleo, induciendo la expresión de genes que codifican citoquinas y otros activadores inmunitarios. Ob­ jeto de intensa investigación , han co menzado a aflorar los prime ros hallazgos. Sabemos ahora que los TLR, lo mismo que un gran número de re­ cep tores que residen en la superficie celular, reclu tan una larga cadena de pro teínas de seña lizac ión que llevan su mensaje al núcl eo; a la manera de una brigada que transpo rta cubos de agua hasta un ince ndio. Salvo el TL R3, todos los TLR transfieren su seña l a MyD88, una proteína adap ­ tadora. Qué otras proteínas partici­ pen en la transmisión de la señal depe nderá del TLR . En mi labora­ torio estudiamos Ma l, una proteín a que ayuda a portar señales generadas por TLR4 y TLR2. El TLR4 también requiere de otras dos proteínas (Tram y Trif), para enviar la seña l, mientras que el TLR3 sólo necesi ta de Trif. Shizuo Akira, de la Universidad de Osaka, ha demostrado que ratones tra nsgé nicos que no sintetizan algu­ nas de estas proteínas de señalizació n intermediarias tampoco respo nden a los productos microbianos; ello su­ giere que las pro teínas asocia das a los TLR podrían constituir las dianas para nuevos fár maco s antiinflamato­ ríos o antimicrob ianos . La interacción con diferentes gru­ pos de proteínas de señalización per­ mite a los TLR activar varios grupos de genes que afinan la resp uesta de la célu la en función del tipo de pa­ tógeno. Por ejemplo, TLR3 y TLR7

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detectan la presencia de virus; acto seguido, desencadenan una cascada de interacciones moleculares que in­ ducen la prod ucción y liberación de interferón, la más importante citoqui­ na antiviral. El TLR2, que detecta bacterias, estimula la liberación de una mezcla de citoq uinas que, si bien no inclu ye el interferón, resulta más apropiada para combatir un ataque bacteriano. El descubrimiento de la espec ifici­ dad de los TLR -capaces de detectar diferentes productos microbianos y ayudar a confecc ionar la respuesta inmunitari a más adec uada- mina la hipótesis, largo tiempo admitida, según la cual la inmun idad innata co nstituiría una barr era estática e incapaz de discriminar. La verdad es que nos hallamos ante un siste­ ma dinámico que gobierna casi todos los aspectos de la inflamac ión y la inmunidad.

Oe la legionella al lupus Tras reconocer el papel ce ntra l que desempeñan los TLR en la activación de la respu esta inmunitaria, se em­ pezó a sos pechar que las versiones deficientes y las hiperactivas de estos receptores podr ían acarrea r trastor­ no s en el sis tema de defensa. Se andaba en lo cierto. Ciertos defectos en la inmunidad innata co nducen a una mayor suscep tibilidad a los virus y a las bacteri as. En las personas con una form a de TLR4 hipoactiva, la probabilidad de sufrir infecc iones bacterian as severas, en el transc urso de un período de cinco años, quin­ tupli ca la probabilidad de padecerlas quienes portan un TLR4 normal. Las personas que mueren de legionelosis presentan a menud o una mutación en TLR5 que incapacita la proteí­ na, comprometiendo así la respuesta inmunitari a inn ata y dej ándolos a merced de la bacteria Legionella . Una respuesta inmunitaria exagera­ da puede resultar igualmente destruc­ tiva. Sólo en los EE.UU. y Europa, más de 400.000 persona s mueren cada año de sepsis, provocada por una respuesta inmunitaria hiperactiva capi taneada por la TLR4. Otros estudios señalan la participa­ ción de los TLR en el lupus eritema­ toso sistémico, la artritis reumatoide y otras enfermedades autoinmunes. En estos casos, podría ser que los TLR respondieran a productos procedentes

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Sustancias que activaran los TLR y, por tanto, potenciaran la respuesta inmunitaria mejorarían la eficacia de vacunas y protegerían contra la infección. Podrían incluso orientar el sistema inmunitario hacia la destrucción de tumores. En cambio, los fármacos que bloquearan la actividad de los TLR, resultarían útiles para tratar tras­ tornos inflamatorios. Se está investigando en ambos tipos de medicación (abajo).

TIPO DE FARMACO

EJEMPLOS

Activador de TLR4

MPL: tratamiento de la alergia y coadyuvante (activador del sis­ tema inmune) para vacunas de Corixa (Seallle). Se ha sometido a ensayos clínicos a gran escala

Activador de TLR7

ANA245 (isatoribina): agente antiviral de Anadys (San Diego). Han empezado las primeras fases de su ensayo en humanos para hepatitis C

Activador de TLR7

Imiquimod: tratamiento para verrugas genitales, carcinoma de células basales y queratosis actínica, de 3M (SI. Paul, Minneso­ ta). Se encuentra ya en el mercado

y TLR8

Activador de TLR9

ProMune: coadyuvante para vacunas y tratamiento para el me­ lanoma y el Iinfoma no de Hodgkin, de Coley (Wellesley, Massa­ chusetts). Se ha sometido a ensayos clínicos a gran escala

Inhibidor de TLR4

E5564: antiséptico de Eisai (Teaneck, Nueva Jersey). Han empe­ zado las primeras fases de su ensayo en humanos

Inhibidor general de TLR

RDP58: medicamento para la colitis ulcerosa y la enfermedad de Crohn , de Genzyme (Cambridge, Massachusells). Se ha someti­ do a ensayos clínicos a gran escala

Inhibidor general de TLR

OPN201: medicina para trastornos autoinmunes, de Opsona Therapeutics (Dublín). Se está ensayando en modelos animales de inflamación

de células dañadas, propagando una respuesta inflamatoria inapropia da y pro mov iendo una reacc ión erró nea del siste ma inmunit ario adaptativo. En el ejemplo del lupus, se ha ob­ servado que el TL R9 reacc iona ante el ADN del propio organismo. La inmunid ad innata y los TLR po­ drían estar relacionados también en la enfermedad cardíaca. Las personas co n una mutació n en TLR4 parecen ser menos propensas a desarroll ar trastornos car diovasculares. Pues to que la inflamación contribuye a la formac ión de las placas que atasca n las arterias coro nar ias, una forma de proteger el corazó n consistiría en aca­ llar el TLR4. La manipul ación del TL R4, pues, podrí a abrir una nueva vía para prevenir o limit ar esta en­ fer medad.

Equilibrio de fuerzas Los laboratorios farmacé uticos es­ tán interesados en los TL R y sus proteínas de seña lizació n asoc iadas ; podrían operar como dianas farma­

cológicas en el tratamiento de in­ feccio nes y trastornos inmunitarios. Con la expansión de la resistencia a los antibió ticos, la emerge ncia de virus nuevos y más virule ntos y la crec iente amenaza bioterrorista, la necesid ad de desarrollar nuevos tratamien tos que ayude n a nuestro organismo a luchar contra la infec­ ció n se está haciendo cada vez más perentori a. El estudio de los TLR guiaría, por eje mplo, el desa rro llo de vac unas que ofrecier an mayor seg urida d y eficacia . En su mayoría, las vacu­ nas dependen de la incl usión de un coady uvante, una sustancia que inicia la respu esta inflamatoria, que a su vez impulsa la capac idad del sistema adaptativo para generar células de memori a. En la actualidad, las va­ cunas suelen utilizar un coadyuvante que, si bien no provoca una respuesta adaptativa comp leta, pri ma las célu­ las B sobre las T. Para potenciar esta resp uesta, varias compañías se han fija do en compuestos que activan el

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ha publicado sobre el tema, entre otros, los siguientes artículos:

Bases moleculares de la esqui zofre nia, de Daniel C.Javitty Joseph T. Coyle Marzo 2004 El cerebro adicto, de Eric J. Nestler y Robert C. Malenka Mayo 2004

El sho ck y sus causas, de Donald W. andry y Juan A. Oliver Junio 2004

Lipotoxicidad y diabetes, de Gema Medina-Gómez, Chris Lelliot y Antonio Vidal Puig Septiembre 2004

Det ección de la enfermedad de las vacas locas, de Stanley B. Prusiner Septiembre 2004

TL R9, un receptor que reconoce un repe rtorio muy amplio de bacterias y virus, y, por tanto, co nduce al des­ pliegue de una respuesta inmunitari a más enérgica. Conocer la actividad de los TLR nos permi te afrontar mejor la amena­ za bioterrori sta. El virus de la virue ­ la, que aca lla los TL R evitando así su detección y eliminac ión, co nsti tu­ ye una arma biológica poten cial. En colaboración co n Geoffrey L. Smit h, del Co legio Imperial de Londres , en mi laboratorio desc ubrimos que eli­ minando la proteína vírica que inuti­ liza los TLR, se generaba un virus debilitado a partir de l cual podría ob tenerse un a vac una inocu a. Armados co n una mayor compren­ sión de los TLR y la inmunidad in­ nata, los médicos pod rían predecir qué pacien tes to lerarían peor una infección y aplicarle s tra tam ientos más agresivos. Si alguie n llegara al hospit al con una infecc ión bacteriana y resultase tener, por ejemp lo, un TLR4 mutante, se le podría n sumi­ nistrar ant ib iót icos o age ntes que reforzaran su respuesta inmunitaria para preve nir que la infección causara mayor daño. El objetivo es estimular una res ­ puesta inmunitaria equilibrada : su­ ficiente para eliminar un patógeno, sin que precipite una reacción in­ flamato ria que aporte más daño que beneficio. En ese sentido , cualquier tratamiento médico que pretenda ali­ viar la inflamación mediante la repre­ sión de la ac tividad de los TLR y la liberación de citoquinas no debe, al

propi o tiemp o, socavar las defe nsas co ntra la infección . Los fárm acos ant iinf1ama torios que se in terpon en a la acc ió n de TNF-alfa, un a de las cito qui nas que se pr odu cen como resultado de la activación de TLR4, ofrec en un eje mplo de la fragilidad de es te equi librio. Los TNF-alfa sintetizados dura nte la infección e inflamación se ac um ula n en la s artic ulac iones de pacientes co n artritis reumatoid e. Lo s antiinfl ama torios , pues, alivia n la artritis. Sin embargo , algunos de los pacien tes que los toman termi­ nan co n tube rc ulosis . Ocurre que al de te ner la respu est a inflam atoria se amo rtiguan también las respu esta s patógeno-es pecíficas, dejand o vía li­ bre a la bac teri a qu e, probablem ent e, se h alla ba en es ta do latent e. E n resumen, los T LR vendrían a opera r co mo el ma ndo qu e co ntro la el vo lume n de un aparato es tére o, es tablecie ndo un equilibrio e ntre la inmunid ad adaptativa y la infla ­ maci ón . Se buscan aho ra mét od os para ma ni pula r es te co ntro l, de forma que se pu ed a redu ci r la in ­ fl am aci ón sin perjudicar el sis tema inmunitari o. Teniendo en cuenta que los TLR se descubrieron hace sólo siete años, son notables los progresos que se han llevado a ca bo en la co mprensión del papel central que estas proteínas desarr oll an en la primera línea de defe nsa del organismo. La inmunidad inn ata, cubierta largo tiemp o por el velo del olvido, se ha convertido de pronto en el ce ntro de atención.

El cristali no, de Ralf Dahm Diciembre 2004

Inje rt os para el corazón, de Smader Cohen y Jonathan Leor Enero 2005

Endocannabinoides cerebra les, de Roger A. Nicoll y Bradley E. Alger Febrero 2005

El autor Luke A. J. Q'Neill obtuvo el doctorado en farmacología por la Universidad de Londres en 1985 con una tesis sobre la cito quina proinflamatoria intarleucina-l . Desarrolla su labor investigadora en la Fundación irlandesa para la Ciencia y dirige el departamento de bioquimica del Trinity College en Dublín. Fundó la compañia farmacéutica dublinesa Dpsona Therapeutics.

Bibliografía complementaria INNATEIMMUNIl Y. Ruslan Medzhi tov y Charles Janeway en Ne w England Journal of Medicine, vol. 343, n.o 5, págs. 338·344; 3 de agosto, 2000 . INFERENCES, QUESTIONS ANO POSSIBILlTlES IN TOll 'L1 KE RECEPTOR SIGNALlNG. Bruce Beutler en Nature, vol. 430, págs. 257·263; 8 de julio, 2004.

Prensa Científica, S.A.

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TOll 'L1KE RECEPTOR CONTROL OF THE AOAPTlVE IMMUNE RESPONSES. Akiko Iwasaki y Ruslan Medzhitov en Nature Immunology, vol. 5, n." 10, págs. 987·995; octubre 2004. TLRs: PROFESSOR MECHNIKOV, Sil ON YOUR HAT. L. A. J. O'Neill en Trends in Immunology, vol. 25, n.O 12, págs. 687·693; diciembre, 2004.

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CP

Prensa Científica) S.A.

MENTE y CEREBRO REVISTA BIMESTRAL

N° 11

YA A LA V .

asta hace poco, la ma­ yoría de los astrónomos pensaba que el universo había entrado en una ma­ du rez abur rida. Fuegos cós micos ag ita ron sus primeros seis mil mill ones de años : las galaxias choca ban entre sí y se fundía n en otras mayores, poderosos aguje ros negros succionaban giga n­ tescas espirales de gas y las estrellas se formab an con una profusión monu­ mental. Duran te los siguientes ocho mil millon es de años, en cambio, ha­ bía habido cada vez menos colisiones galácticas, los descomun ales agujeros negros se habían calmado y la forma­ ción estelar se había reducido a casi nada. A pocos les quedab a alguna duda de que estábamos presenciando el final de la historia cósmica y de que el futuro no conoce ría sino la incesante expansión de un universo apacible y envejec ido. Sin embargo, las obse rvaciones de los últimos años demuestran con clarid ad que se había exage rado la senectud del universo. Grac ias a los observatorios espaciales y la instala­ ción de instrum entos de nuevo cuño en los telescopios terrestres, se ha descub ierto que en el pasado reciente sí ha habid o procesos enérgicos en las ga laxias cercanas. (La luz de las galaxias lejanas necesita más tiem­ po par a alcanzarnos; las observamos, pues, en un estadio más temprano de su evolución.) El análisis de los rayos X emitidos por los núcleos de galaxias no muy lejanas ha descu­ bierto agujeros negros de masa muy grande que siguen absorbiendo el gas y el polvo de sus alrededo res. Y un estudio profund o de la luz emitida por galaxias de edades variadas ha

descubierto que el ritmo de forma­ ción estelar no ha declin ado tanto como se pensaba. Hoy se tiende a cree r que en los pri meros mill ares de mill on es de años la actividad se concentraba en un pequeño número de galaxias gi­ gantes, dond e ocurrían pro digiosos brotes de formación estelar y que contaban con agujeros negros colo­ sales en su cent ro. Ahora la activi­ dad se dispersa más; la creac ión de estrellas y la agregació n de material en los aguje ros negros se reparte por un gran núm ero de galaxias de ta­ maño mediano o pequ eño. Esta mos en medio de un cambio de escala de la actividad cósmica.

Imágenes de campo profundo Antes de co mpilar una historia del cos mos , prim ero hay que entender la sorprende nte di ver sid ad de los obje tos que encont ramos en él. Las imágenes ópticas más sensibles pro­ ceden del Telesco pio Espacial Hub­ ble. Gracias a sus estudios "de campo profundo" -exposiciones a lo largo de diez días de dos regio nes dimi nu­ tas de l cie lo observadas a través de cuatros filtros de sendas longitud es de onda-, se han hallado miles de galaxias lej anas, la más antigua sólo mil millones de años posterior a la gran explosió n. Un estudio muy re­ ciente, de "c ampo ultraprofund o", ha mostrado ga laxias aún más jóvenes - jóve nes cuando la luz que ahora les vemos salió de ellas-o No obstante, la obtención de estas imáge nes de campo profundo es sólo el prin cipio. Se quiere saber cómo evolucio naro n los objetos cercanos en el tiempo a la gran explosión hasta convertirse en las galaxias que conoce mos actual­

• Los primeros miles de millones de años del universo conociero n cho­ ques de galax ias, gigantescos brotes de formación estelar y agujeros negros con la masa de miles de millones de soles. El declive de la actividad cósmica desde entonces ha llevado a pensa r que los días gloriosos del universo pasaron hace ya mucho. • Recientemente, sin embargo, se han hallado potentes agujeros negros que devoran el gas de muchas gala xias cercanas. Las nuevas ob­ servaciones indican tamb ién que el ritmo de formación estelar no ha declinado tanto como se creía. • Los resultados apuntan a una reducción de escala de la actividad cós­ mica: dominaban el universo temprano galaxias gigantes, en un número no muy grande; ahora , la actividad se ha repartido entre un número extenso de galaxias menores .

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mente. Ligar presen te y pasado es uno de los asuntos principales para la astro nomía actual. Un paso imp ort an te haci a ese objetivo: determinar la estratigrafía cósmica de los miles de galaxias que llenan una image n de cam po profun­ do; es decir, establecer qué objetos es tá n por delant e en la imagen y cuáles dista n más de nosotros. Para ello se mide el corrimiento al rojo del espec tro de esas galaxias. La ex­ pansión del universo dilata la luz de las fue ntes más lejanas; su longitud de onda se ha despl azado hacia la co la roja del espec tro. Cuanto más desplazada esté al rojo la luz, más remoto será el momento en que se emitió y más lejana la fuente. Co n un corrimiento al rojo igual a uno, la longitu d de onda se dilata un cien por cien (se dupli ca); una luz que presente ese desplaza miento se hab rá emitido unos seis mil millones de años tras la gran explosión, menos de la mitad de la edad actual del univer­ so. Los astrónomos suelen referirse más a los desplazamientos al rojo que a las edades, porque el corrimiento es lo que miden directamente. Los desp laza mie ntos al rojo en­ cie rran en sí la reconstrucción de la his toria cós mica, pero result a casi imposible medírsel os a todas las ga­ laxias presentes en lo más profundo de un campo . Una de las razones es lo abultado de su número. Pero el prob lema funda mental reside en la debilidad intr ínseca de alg unas galaxias. La luz de los obje tos más débil es llega con suma parsimoni a, a un ritmo de tan sólo un fotón por minut o y por centí metro cuadrado . y c uando se toma su espectro, la red de difracción del espec trógrafo dispersa la luz sobre un área grande, deb ilitando aún más la seña l en cada longitud de onda. A finales de la década de 1980 , un equ ipo dirigido por Lennox L. Cowie, del Instituto de Astrono mía de la Univers idad de Hawai, y por Si mon J. Lilly, aho ra en el Institu­ to Federa l Tecnológ ico de Zúrich, desarroll ó un método novedoso que evi taba las labori osas observac iones del corrimie nto al rojo. Tomaro n datos de varias regiones del cielo co n unos filtros que selecc iona ba n ban das es pectrales estrec has, ce n­ tradas en longitudes de onda ultra­ vio letas, verdes y rojas, y midieron

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el brillo de las ga lax ias en cada una de esas band as (véase el recuadro "As í se descubren galaxias prim iti­ vas"). Una galaxia cerca na dond e se es tén formando estrellas presentará el mism o brill o e n los tres filtros . La luz intrínseca de una ga lax ia co n formación es telar ex hibe un co rte abrupto j us to despu és de la banda ultr avioleta , a la longitud de onda de 9 12 ang strom . (Ese co rte se debe a que el hidrógeno neutro gaseoso ex istente dentro y alrede do r de la galax ia abs orbe la radia ción a lon ­ gitudes de onda men ores.) Co mo la luz de las galax ias lej anas está des­ plazad a al rojo, el cort e tamb ién se mueve haci a ma yores lon gitudes de onda; si el desp lazami ento es gra n­ de, no aparece rá luz de la galax ia en el filt ro ultraviolet a, y si es aún mayor, tampoco se percibirá en el filtro verde .

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De esta forma, Cow ie y Lill y ag ru­ paron las ga laxias dond e se origi­ nab an es tre llas en diversos anchos interva los de co rrimiento al roj o. Proporcionaron así una idea general de las edades . En 1996 Charles C. Steidel, del Institut o Tecnológico de Ca lifo rn ia, y sus colabora do res apli­ ca ron este método a cie ntos de ga­ laxias rem otas en las que se producía for mac ión este lar (su desplazami ent o al rojo era de alrededo r de tres; su luz nos las mostra ba co mo fueron unos dos mil millones de años des ­ pués de la gra n explos ión). Muchos desplazami ent os al rojo dedu cidos fotométricamente se confirmaro n me­ dia nte los correspondientes espec tros de las galaxias, tomados co n el po­ deroso telescopio Keck de 10 metro s, instalado en Ma una Kea, Hawa i. Una vez co noc idos los desplaza­ mient os al rojo de las galax ias, se

puede empre nder la reco nstrucc ió n de la histori a de la for mac ión estelar. Grac ias a la obse rvac ión de galax ias cercanas sabemos que, a la vez, se crea un núm ero pequeño de estre­ llas de gran masa y num erosísima s estre llas de masa pequ eña. Por cada 20 estre llas de tipo so lar, nace sólo una estrella cuya masa decuplique la solar. Las es trellas de masa grande emite n luz ultravioleta y azu l, mien­ tras que las pequeñas des piden sobre todo luz amari lla y roj a. En cuanto se conoce el co rrimiento al rojo de una galaxia dista nte, se sabe tam bién cuál es su espectro intrínseco, su es­ pectr o en el sistema de referencia en que se encue ntra en reposo. Y conociendo la ca ntidad total de luz ultravio leta ta l y como se med iría en ese sistema en reposo, se puede calc ular la ca ntidad de estrellas de gra n masa en aquella galaxia.

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tre cuatro mil y seis mil mill ones de años . Este result ado llevó a muchos a pensar qu e los mej ores días del universo habí an quedado atrás hacía ya mucho.

SCUBA y Chandra

2. SE HAN DESCUBI ERTO galaxias ultraiu­ minosas en los primeros tiempos del univer­ so temprano gracias al "bolómetro de uso común para el submilimétrico", o SCUBA, aparato instalado en el telescopio James Clerk Maxwell de Mauna Kea, en Hawai. Se sospecha que la mancha brillante de la izquierda es una galaxia primitiva cubierta de polvo, engend radora de estrellas a un ritmo trepidante, equivalente a más de mil soles por año .

Las estrellas de masa enorme viven apenas unas dece nas de millones de años; un período muy corto según una vara de medi r ga láctica . Su nú­ mero refleja, pues, las variaciones del ritmo globa l de formación estelar en la galax ia de que se trate. Cuando se reduce el ritmo a que se crean nuevas estrellas, el núm ero de estrellas gran­ des disminu ye enseg uida porqu e su vida es corta. El núm ero de estrellas de masa grande que se ha observado en la Vía Láctea - bas tante parecida a las galaxias espirales de gran enver­ gadura que tiene cerca- indic a que en ella se está n formando estrellas a un ritm o de unas pocas masas solares por año . En 1996 Piero Madau, ahora en la Universidad de Californ ia en Sa nta Cruz, ap licó idéntic o méto­ do a los datos del Ca mpo Profund o Norte del Hubbl e, ideales para este tipo de estudi o porqu e inc luyen me­ dici on es pre cisas de intensid ad en cuatro filtros de longitud es de onda . Madau combinó sus res ultados con los disponibl es a partir de observa­ ciones ópticas de un corrimi ento al rojo menor. Pretendía afinar la his­ tori a de la formación estelar en el universo. Co ncluyó qu e el ritm o de la generac ión de estrellas llegó a un máxim o cuando el universo tení a en­

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El análisis de Mada u de có mo ha ido evolucio nando la for mación de estrellas fue un hito importante, pero sólo abord ó una pequeña pa rte del problema. Las búsqueda s de galaxias con telescopi os ópticos no detectan todas las fuentes del universo tem­ prano. Cuanto más alej ada es té una galaxia, may or desplazamiento cos ­ mológico al rojo sufrirá, y cuando el desplazam iento es muy elevado, la radi ación óptica y ultr avioleta en el sistema en repo so aparece rá en nuestro s instrumentos cor rida hacia la parte infrarroja del espect ro. Es más, las estrellas suelen hallarse en entornos que las explosiones de su­ pern ovas y otros procesos vue lven muy polvori entos. La luz es telar ca­ lienta los gra nos de polvo, que radian después su energía en el in frarrojo lejano. En fuentes muy lejanas, la ex­ pansión del universo despla za, hacia longitud es de onda subrnilimétricas (es decir, la convierte en ondas de radio cuya longitud no llega al milí­ metro), la luz absorbida por el polvo y reemitida en el infrarr ojo lejano. Por tant o, una fuente que percib i­ mos brill ante en luz submilim étrica esconde con frecuencia una intensa form ación es telar. Hasta hace poco tiemp o, no re­ sulta ba fácil tom ar ob ser vaci ones submilimétricas con los telescopios terr estres, en gra n part e porque el vapor de agua de la atmósfera absorbe la señal en esas longitud es de onda. Pero las dificultades mermaron gra­ cias al "bolóme tro de uso común en el submilimétrico" , SCU BA, una cáma­ ra instalada en 1997 en el telesco pio James Clerk Maxwe ll de Ma una Kea. (Este observatorio, a una altura de cuatro kilóm etros sobre el nivel del mar, se halla más arrib a que el 97 % del vapor de agua de la atmósfera.) Varios grupos, uno de ellos dirigido por el auto r, exploraron gracias a SCU BA diversas regiones del cielo con una sensibilidad y una profundi ­ dad que permitieron descubri r fuen­ tes, aunque excepcionalmente lumino­ sas , oscurec idas por polvo. Debido a la pobre reso lución del instrumento,

esas fuentes aparece n como manchas (véase la fig ura 2). Son bastante es­ casas : incluso tras muchas hora s de expos ición, apenas si se impres io­ nan unas pocas en cada imagen de SCUBA; no obstante, se encuentran entre las galaxias más luminosas del universo. Que hasta la insta lación de SCU BA no supiéramos siquiera que existían estos sistemas tan lejanos y vigorosos, nos reco mienda humildad. Sus ritmos de form ación de estrellas son cie ntos de veces mayores qu e los de las galaxias actuales, un in­ dicio más de los mayores bríos del universo antiguo. .El descubrimiento de tod a es ta inten sa formación de estrellas antes oculta fue revolucionari o. Pero, ¿no podría esta r el universo tapando otros procesos violentos? Por eje mplo, el gas y el polvo que rodean las ga­ laxias podrían osc urecer la radiación procedente de los discos de materia l que circundan a los aguje ros negros supermasivos (aque llos cuya masa es miles de millones de veces la solar). Se cree que estos discos constituye n las fuentes de energía no sólo de los cuás ares, obje tos de inmensa lumi­ nos idad con desplazamientos al rojo elevados, sino también de los núcleos activos en el ce ntro de muchas ga­ laxias próxim as. Los es tudios ópti­ cos realizados en los años ochenta daban a entender que los cuása res abundaban más, varios miles de mi­ llon es de años después de la gran explos ión, que los núcleos activos de galaxias hoy en día. Los agujeros negros supe rrnasivos que generaban la energía de los cuása res lejano s no se pueden haber destruido; por lo tant o, se presum ía qu e much as galax ias cercanas contenían cuása­ res extintos, aguje ros negros que han ago tado sus reservas. Y, en efecto, se han descubi ert o estos aguje ros negros supermasivos latent es grac ias a su influencia grav i­ tatori a. Las estrellas y el gas sig uen orbitando a su alrededor aunqu e sólo un poco de materi a ca iga todavía en ellos . En el ce ntro de la propi a Vía Láctea reside un aguje ro negro ape nas ac tivo. La co mbinac ión de estos result ado s llevó a suponer qu e la mayoría de los agujeros negros supermasivos for mados durante la era de los cuása res agot aron, con su voraz creci miento, el material qu e los rodeaba y desap arecieron de las

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observaciones ópticas una vez con­ sumido e l co mbusti ble . En pocas palabr as: se creía que la actividad ligada a los cuásares fue, al igual que la for mación este lar, bastant e más vigorosa en un pasado lejano. Era la tercera señal de que vivíamos en tiempos más aburrido s. Pero el cuadro no estaba comple­ to. A partir de las observaciones en rayos X y en luz visible, se está re­ visando ahora la conclusión a que se habí a llegado: que la gra n mayoría de los cuása res murió hace mucho tiemp o. La importancia de los rayo s X estriba en que, al contrario que la luz visible, pueden atravesar el gas y el polvo que ocultan a los agujeros negros. Co mo la atmósfera terrestre bloqu ea los rayos X, se requi eren telesco pios espaciales - Chandra y el Obse rva torio de rayos X XMM/ Newton- para detectar la actividad que un agujero negro genera a su al­ rededor [véase "Inventario cósmico", por Günther Hasinger y Roberto Gil­ li; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, mayo de 2002]. En el año 2000, Cow ie, Richard F. Mushotzky, de l Centro

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Goddard de Vuelos Espac iales de la NASA, Eric A. Richards, entonces en la Universida d es tatal de Arizona, y yo nos valimos del telescopio Subaru de Ma una Kea para iden tificar los obje tos visibles en las longitudes de onda ópt icas correspondie ntes a las 20 fuentes de rayo s X halladas por Chandra en un ca mpo de observación determinado. De spués, tomamos los espectros de esos objetos con el te­ lescopio Keck de 10 metros. Obtuvimos un resultado inespera­ do: muchos de los agujeros negros supermasivos activos detectados por Chandra residen en galaxias hasta cierto punto luminosas y cerca nas. Lo s constructores de modelos del fon do cósmico de rayos X hab ían predicho la existencia de una nume­ rosa població n de aguje ros negros su­ permasivos oscurecidos, pero nunca hubieran imagin ado que est uviera n tan cerca . Es más, los espectros óp­ ticos de muchas de estas galaxias no muestran ningún indicio de actividad ligada a los agujeros negros; sin las observaciones en rayos X, jamás se hubiera descubie rto la presenc ia de

tales agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Este trabajo de investigac ión indi­ ca que no todos los agujeros negros supermasivos se formaro n durante la era de los cuásares, sino que se han venido creando des de los tiempos más primitivos hasta el prese nte. No obstante, los que siguen activos no exhiben los mismos patrones de com­ portamiento que los antiguos cuásares. Los cuásares, voraces consumidores, engullen toda la materia que los rodea a ritmos altísimos. Por el contrario, la mayo ría de las fue ntes cercana s desc ubiertas por Chan dra absorben materia con mayor moderación y, por lo tanto, brillan con menor intensi­ dad . Se desconoce todavía el porqué de comportamientos tan diferentes. Una posi bilidad es que los agujeros negros de hoy día cuenten con me­ nos gas que puedan co nsumir. Las galaxias cerca nas, más evolucio na­ das, padecen menos colisiones que las más primitivas y distantes, colisiones que conducirían el mate rial hacia los agujeros negros supermasivos de los centros galác ticos.

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3. LAS OBSERVAC IONES EN RAYOS X sirven para detectar agujeros negros ocultos. El obse rvatorio de rayos X Chandra ha descubierto muchos en su exploración de la región Campo Norte Profundo (izquierda) . Algunos son cuásares primitivos, muy brillantes, que florecieron unos pocos miles de millones de años después de la gran explosión (arriba derecha) . Otros se hallan en el centro de galaxias no muy lejanas; están produciendo rayos X en la época actual (abaj o derecha).

Chand ra reveló otro secreto: a pe­ sar de que las fuentes moderadas de rayos X son mucho menos luminosas que los cuásares --generan apenas un uno por ciento de la radiación emitida por ésto s--, al sumar la luz producida por toda s las fuentes mo­ deradas en los tiempos act uales se encue ntra que es una décima parte de la orig inada por los cuásares en los tiempos remotos. La única forma de que este resultado tenga sentido es que existan hoy muchos más agujeros negros moderados y activos que cuá­ sares activos en el pasado. En otras palabras, el contenido del universo ha evo lucionado : de un número pe­ queño de objetos muy brill antes a un número grande de objetos débiles. Los agujeros negros supermasivo s si­ guen formándose, pero son menores y consumen menos materia; a pesar de ello, su efecto comb inado sigue siendo significativo. Las ga laxias don de se produ ce form ación estelar tam bié n han ex­ perim entad o una reducción cós mica. Cierto es que algunas galaxias cerca­ nas generan estrellas con la profusión típica de las galaxias ultralumin osas, oscurecidas por el polvo, que descu­ brió SCDBA . Pero la densidad de ga­ laxias muy lumin osas en el universo present e es más de 400 veces menor

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que en el uni verso de antaño . De nue­ vo compensa n las galaxias pequeñas esa diferencia. Un equipo integrado por Cow ie, Gilli an Wilson, ahora en el Centro de Análisis y Procesado de Datos Infrarrojos de la NASA, Doug J. Burke, hoy en el Centro Smithso­ niano de Ast rofís ica de Harvard, y el autor ha refinado las estimac iones de la densidad luminosa del universo. Estudiamos imágenes de muy buena calidad, tomadas con un ampli o rango de filtros; rea lizamos a continuación su análisis espec troscó pico. Encontra­ mos que la densidad luminosa en luz óptica y ultr avioleta no ha cambiado tanto con el paso cós mico del tiem­ po. A pesar de que el ritm o global de formación estelar ha caído en la segunda mitad de la vida del univer­ so porqu e las ga laxias gigantesc as y polvorientas de antes ya no están creando estrellas, es tal la abundancia de galaxias pequeñas y cercanas con formac ión estelar, que la densidad de luz óptica y ultravioleta decae sólo poco a poco. Este resultado nos ofre­ ce un pronóstico más optimista de la salud del universo.

Actividad madura Esa persistencia de la vitalidad en­ caja bien co n la teoría cosmo lóg ica . Segú n las recientes simulaciones por

orde nador, el paso de la hegemonía de unas pocas galax ias vastas y vi­ gorosas al imper io de muchas ga­ laxias más pequeñas y mansas es una consec uencia directa de la expansión cós mica. A medida que el universo se expande, las galax ias se separan, las colisiones entre ellas escasean y el gas que las rodea, al enrarecerse, se ca lienta con mayor facilidad. Puesto que el gas caliente es más energético que el gas frío, no caerá tan fácilmen­ te en el pozo de potencial gravitatorio de la galaxia. Fabrizio Nicastro, del Centro Smithsoniano de Astrofísica de Harvard, y sus co laboradores han hall ado hace poco una neblin a in­ tergaláctica caliente ; la descubrieron porqu e absorbía la luz ultr avioleta y los rayos X procedentes de cuásares y núcl eos de galax ias act ivas más lejanos. Esa neblina caliente rodea a nuestra galaxia por todas partes; per­ tenece al Grupo Local galáctico, que inclu ye la Vía Láctea, Andrómeda y otras 30 galaxias de menor tamañ o. Parece muy posible que este material gaseoso sea un residuo del proceso de creació n de galaxias, pero ahora está ya demasiado caliente para engendrar nuevas generaciones galácticas . Las galax ias pequ eñas qui zá resi­ dan en entornos más fríos: no habrán caldea do tant o el gas de sus alre­ dedo res, con la energía desprendida por superno vas y cuás ares, como las gra ndes ga lax ias . Ade más, la s ga lax ias pe queñas deben de haber con sumido menos materia l, lo qu e les habría permitido continuar con su modesto estilo de vida hasta el pre sent e. Por el co ntrario, las ga­ laxias mayores, más dispend iosas, han secado sus fuentes, y ya no les es posible capt urar nueva materia de sus alrededores. Los est udios en marcha sobre las propiedad es gaseosas de las galax ias pequeñas y ce rcanas revela ­ rán la interacción entre esos sistemas es te lares y sus entornos ; prop orcio­ nar án así claves para comprender la evolución galáctica. No obstante, qu eda por resolv er un a parte cruc ia l del probl ema: ¿có mo pudo el universo crear cuá­ sares descomunales tan pront o? El Estudio Digital Sloa n de los Cie los, gra n proyecto astronómico que car­ togra fía un cuarto del cielo y mide las distanci as a más de un mill ón de objetos rem oto s, ha descubi er­ to cuása res de cuando la edad del

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universo era sólo un dieciseisavo de la actual; es decir, existían ya 800 millones de años después de la gran explosión. En el año 2003, Fabian Walter, entonces en el Observatorio Radi oastr onómi co Nac ional, y sus colaborad ores observaron la señal del monóxid o de carbono en la emisión de uno de estos cuása res . Puesto que el carbono y el oxígeno sólo se origi­ nan en las reacciones termonuclea res de las es trellas, su presencia indi ca la importancia de la form ación este­ lar ya duran te los primeros cientos de millones de años del universo. Los últim os resultados de la Sond a Wilkinson para la Anisotropía en Mi­ croondas, un satélite que estudia la radiación del fondo cósmico, apuntan tambi én a que empezó a haber es­ trellas 200 millones de años después de la gran explosión. Las simulaciones por co mputadora muestran que las prim era s estre llas fu er on , co n mu ch a pr ob abi lid ad , cientos de veces más pesad as que el Sol. Esas estre llas brillaban tan­ to, que ago taban su combustible en apenas unas decenas de mill ones de años; se derrumb aban entonces sobre sí mismas, hasta crea r unos aguje ros negros que quizá fuesen las semillas de los aguje ros negros supermas ivos que ence nderían los primeros cuása ­ res. Puede que el estudio de las erup­ ciones de rayos gamma, originadas seg uramente dur ante la co nversión de una es trella de masa muy gra nde en un ag ujero negro, respalde esa explicac ión de la precocidad de los primeros cuásares. Las erupcio nes de rayos gamma son las de tonaciones más potent es que el universo ha co­

nocid o tras la gran exp losión; se las detecta a distancias muy largas. En noviembre de 2004, la NASA lanzó la misión Swift. Este satélite, que ha cos tado 250 mill ones de dól ares, lleva tres telesco pios diseñados para observar estallidos en rayos gam­ ma, rayos X, luz ultravioleta y luz visible . Las medid as que haga de los espec tros de las er upcio nes y de su brill o remanente deberían me­ jo rar nuestro co noc imiento de los colapsos gravitatorios de las estrellas y del crec imiento de los ag uje ros negros supermas ivos en el universo temprano. La visión en rayos X que prop or­ cion an los satélites Chandra y XMM/ Newton nos ha abierto las regiones más polvorient as del universo. Las galax ias gigantes co n intensa for­ mación estelar y los agujeros negros más voraces del pasado del univer­ so están ahora moribundos. En los próximos miles de millones de años, las galaxias pequeñas que hoy siguen activas habrán agotado la mayor parte de su combustible; la cantidad total de radiación cós mica menguar á nota­ blemente. Nuestra propia Vía Láctea sufrirá ese mismo destino. Mientras continúe la reducción de escala de la ac tividad cós mica, las galax ias enanas - que contienen apenas unos pocos millon es de estrellas cada una, pero abundan más que los dem ás ti­ pos de galaxias- se convertirán en las principales sedes de la formac ión de estrellas. Al final, sin embargo, el universo se osc urecerá. Sólo queda­ rán los fósi les de las galaxias de un glorioso pasado . Las viejas galax ias no mueren; sólo se apagan.

ha publicado sobre el tema, entre otros, los siguientes artículos:

Procesos de formación en la Vía Láctea actual, de Bart P. W akker y Philipp Richter j ulio 2004

El universo antes de la gran explosión, de Gabriele Veneziano jul io 2004

El interior de los planetas, de Sandro Scandolo y Raymond j eanloz Sept iembre 2004

Cassini-Huygens en Saturno, de Jonat han 1. Lunine Septiembre 2004

La muerte de las estrellas comunes, de Bruce Balick y Adam Frank Octubre 2004

Un universo de discos,

La autora Amy J . Barger es profesora asociada de astronomía en la Universidad de Wisconsin· Madison. También enseña en la Universidad de Hawai en Manoa. Se doctoró en astro­ nomía en 1997 en la Universidad de Cambridge y rea lizó investigaciones posdoctorales en el Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai.

Bibliografía complementaria STAR FORMATION HISTORY SINCE Z - 1 AS INFERREO FROM REST·FRAME Ul TRAVIOl ET LUMINOSITY DENSITY EVOl UTlON. Gillian Wilson et al. en Astronomical Journal, vol. 124, págs. 1258­ 1265; septiembre 2002 . Disponible en www.arxiv.org/abs/astro-ph/02031 68. THE COSMIC EVOl UTION OF HARO X·RAY SEl ECTEO ACTIVE GAl ACTIC NucLEI. Amy J. Barger et al. Astronomical Journal, en prensa. Disponible en www.arxív.org/abs/astro- ph/0410527. SUPERMASSIVE BlACK HOlES IN THE DISTANT UNIVERSE. Dirigido por Amy J. Barger. Astrophy ­ sics and Space Science Library, vol. 308, Springer, 2004.

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de O mer Blaes Diciembre 2004

Orión, de César Briceño Avila Diciembre 2004

La red cósmica, de Robert A. Simcoe Enero 2005

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Prensa Científica, S.A.

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IENCIA y SOCIEDAD

Microbiología evolutiva Los estromatolitos de Cuatro Ciénegas uatro Cié negas co nsti tuye un sistema compl ejo de manant ia­ les fríos y calientes, marismas, ríos y lagun as de desecac ión con agua muy pob re en fósforo y rica en sales. Present a una diversidad de micro or­ ganis mos es pec tacular. Medr an en sus múltiples pozas y forman con­ sorcios microbianos. Este "acuario en el desierto", así se le ha denomin ado al ecosiste ma, se halla en peli gro de extinción por el desvío incesante de recursos hídric os a los cultivos de alfalfa. Situado en el estado de Coa hui­ la, en Méx ico septentrional, Cuatro Cié neg as oc upa una exte nsió n de 150.000 km'. Se encuentra a 735 me­ tros so bre el nivel del mar. Tiene forma de marip osa, rod eada por tres serranías: la Purísima, la Fragua y la

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1. Estromatolitos de Cuatro Ciénegas. Se observan las diversas capas del tapiz microbiano: en la superficie, gran diversidad de diatomeas y filamentos de la cianobacteria Calothríx sp. entre otras (a); la segunda capa presenta una mayor abundancia de filamentos de otras ciano ­ bacterias, además de Calothrix sp., como

Halomieronema excentticum, Pleetonema cf. battersii, Dscillatoría negleeta y iepto­ Iyngbya sp . (b); en la tercera predominan las bacterias heterótrofas (e).

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Madera. Con un suelo de roca caliza, que emergió, por acción tec tónica, de los fondos marin os, hay en las serranías picos de hasta 3000 metros de altur a. Las "a las de la marip osa" se parten por la sie rra de San Marcos y la falla inversa de San Marcos , quebrada que presenta surge ncias de basalto. Algu­ nos de los mananti ales son term ales (30-35 oC), lo que nos habla de un magma profundo en la falla. En el camino superficial del agua de esos manantiales, su temp eratura dismi­ nuye corriente abajo, por disipación , o por mezcl a con la procedente de otras fuentes qu e tejen el sistema hidrológico. La falta de fósforo en el agua con­ vierte a Cuatro Ciénegas en un sis­ tema oligotrófico; las algas alcanzan un crecimiento limitado. La cadena trófica recuerda allí la que se supone característica del Cámbrico tempran o, hace unos 540 millones de años. En esa época, las bacterias fotótrofas, qui­ mioautótro fas y heterótrofas de los consorcios microbianos constituían la fuente de alimento de los metazoos: camarones, ca racoles y peces . Sue le trat ar se de ag uas duras. Co ntiene n gra n ca ntidad de sa les de calcio, magnesio, sodio, potasio, sulfatos, carbonatos y cloruros. La dureza aumenta con su curso desde los manan tial es hasta los ríos y las laguna s de desecación ; en éstas la salinidad alcanza el nivel de satura­ ción. El pH cambia de forma para­ lela y varía de neutr o (7,0-7,2) en los manantiales a básico (8, 0-9,7) en los lagos terminales en fase de desecación. En razón de su extraordinaria ri­ queza de es pecies, muchas de ellas endémicas, Cuatro Ciénegas fue de­ clarada Reser va de la Biosfera en 1994. Apenas si se ha explorado la razón de tam aña biodiversid ad, aun­ que se ha suge rido que el valle sirvió de refu gio a los peces y la fauna terrestre del Pleistoceno. La historia

geo lógica del valle podría dar cuenta tambi én de esa variedad de especie s; formó parte de la reg ión cos tera del prot o-Golfo de Méx ico, hace al me­ nos 206 millones de años, en cuyo mom ento se desarroll aron las comu­ nidad es de tapices microbi anos y es­ trom atolit os co n s us invert ebr ado s asoc iados (caracoles y crustáceos) . Este relicto del mar del Jur ásico que­ dó aislado de la cos ta hace unos 150 mill ones de años , cuando se produj o la elevac ión de la región oriental del continente norteamericano. Los tapices microb ianos y los es­ trom atol itos son es truc turas forma­ das por conso rcios de procariotas, que se distinguen por una notable complej idad taxonóm ica y un des ­ tacad o dinamismo metabólico. Estos consorcios revisten suma importancia evolutiva. Sabido es que los estroma­ tolitos constituye n los fósiles conoc i­ dos más antiguos de nuestro plan eta; dom inan el registro fósil dur ante los miles de millones de años de vida que precedieron al Cá mbrico. Merced a su elevado co mponente miner al , los estromatolitos opo nen resisten ­ cia a los procesos de transformación geo lógica, por cuya razó n han persis­ tido fósi les . En la act ualidad crec en adosa dos a talud es o en el fondo de aguas someras, for mando arrec ifes en mini atur a, o sueltos a la manera de esférulas deform adas sobre los sedime ntos (oncolitos) . En general, los es tromatolitos me­ dran sólo en ambientes muy particu­ lares: zonas de intermareas marin as, de elevada salinidad, y enclaves de agua dulc e, rica en calcio ; estos h á­ bitats suelen ser pobres en espec ies aje nas a los estromatolitos. Cuatro Ciénegas constituye el lugar del pla­ neta que alberga mayor diversidad de est romatolitos y tapices microbi ano s vivos . Nuestros est udios indican que dichos conso rcios microbi anos po­ drían enco ntrarse en la base de la cade na trófica de este sistema. Desde otro punt o de vista, los ta­ pices microbi anos y est romatolitos representan un modelo exce lente para el est udio de la eco logía microbi ana y la biogeoqu ímica. Observamos allí

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2. Poza Azul. Cuatro Ciénegas, Coahuila. Bajo el agua se observan arrecifes de estromatolitos.

gradientes fisicoqu ímicos del medi o a los que se han adaptado los diferentes componentes del consorci o. Des tacan los consorc ios por su eficaz fij ación de carbono , nitrógeno y azu fre, con su consig uiente repercu sión en los ciclos biogeoquímicos. Ahora bien, si estas maravillas mi­ crobianas resultan tan eficaces, ¿por qué no las vemos repartid as por todo tipo de ambientes? Demuestra el regis­ tro fósil que se produj o una caída de la abundancia de estromatolitos hacia el Cámbrico temprano; merm a que se atribuye a su tasa de cre cimiento, muy lent a, y a la acción directa de los herbí voros primitiv os. Tales consor­ cios quedaron confinados a ambientes extremos de escasez nutrientes y alta salinidad, que impedían el desarrollo de muchos metazoos diversos. Este es el ambiente que encuentran hoy en Cuatro Ciénegas. Los diferentes grupos bacte rianos que integran estos consorcios se orga­ nizan en láminas horizont ales, en una disposición que depende de las carac­ terístic as biogeoquímicas requerid as por cada grupo metabólico. En los estromatolitos de Cuatro Cié negas se observa una capa superficia l de color verde claro, que alberga una gran di­ versidad de diatomeas y filamentos de Calothrix sp., cianobacteria portadora de scitonemina, un pigment o que, al proteger de la radiación ultr avioleta, facilita el crecimiento celular. En la segunda capa, de color verde osc uro, se aprecia una mayor abundancia de

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filam entos de Calothrix sp. y de otras cianobacterias como Halomicronema excentricum, Plectonema cf. batte rsii, Oscillatoria neglecta y Leptolyngbya sp.; se estima que la actividad de fija ­ ción de C y de N z es máxima en esta capa. En la tercera, de color café, se reduc e la presencia de filamentos de cianobacterias y abundan las bacterias heterótrofas, ya que ahí es donde se acumula may or cantidad de materia orgánica. Si por sí solos los microorganism os hacen ya de Cuatro Ciénegas un atrac­ tivo laborat orio vivo, la coexistencia de las comunidades estromatolít icas co n peces, car acoles, crus táceos y otros anim ales com plejos, convierten a estos manantiales y pozas en un ecosistema único en el mund o mo­ dern o. Ade más , este valle permit e es tudiar la evoluci ón tempran a de la vida en nuest ro plan eta. La va­

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rie dad de ambientes parti culares, la abundancia de especies endémicas y la elevada biodiversida d configuran un tesoro que debe conservarse para las generaciones futuras . Sin em bargo, la labo r de conserva­ ción debe afro ntar varios obstác ulos . Por una parte, debido a las condi cio­ nes amb ient ales extrema s, se trata de un eco sistema extraordinaria mente frági l. Por otra, la activi dad agrícola provoca alteraciones del ento rno con efec tos dramáticos para la diversidad: fertilizantes y pesticid as que contami­ nan los acuíferos y desvíos del agua para el riego que termin a por agotar cauces y pozas natur ales. L UISA 1. FAL CÓN, L UIS E . EGUIARTE

Y V ALERIA SOUZA Depto. de Ecología Evolutiva, Instituto de Ecología UNAM, Coyoac án (México)

Comportamiento eléctrico anómalo del agua

Películas negras de Newton

E

l agua no deja de sorprendernos . Sus propied ades han desafiado, un a vez más, nuestro con ocimi ent o científico. En fech a reciente, hemos mostrado que el agua atrapada en­ tre películas de detergente común (el surfactante Dodecil sulfato sódico, o SDS) present a un co mpor tamiento eléc trico anómalo. Estos resultados podrían arroj ar luz sobre campos tan diversos como la fisicoq uímica de los detergentes, la física de los líquid os y la biofísica de las membranas ce­ lulares. En circuns tancias ordinarias, el agua se co mporta como un medi o di eléctrico con una permi sivid ad rel ativa de 80; signi fica esto qu e atenúa los campos eléc tricos que se le aplican hasta hac er su inten sidad 80 veces más pequ eña. Las co nse ­ cuenci as químic as de este fenóme no revisten suma import ancia. Afe cta, por eje mplo, a los campos y fuerzas eléctricos que crea el SDS y otro s sur­ factantes iónicos, que intervi enen en la formación de burbujas y espuma . La s teorías físicoquímicas actuales permiten predec ir estos campos en determinadas experime ntos, pero fra ­ cas an en otros . Todavía no sabemos qué es lo que fa lla.

Para reso lver ese enigma, hemos es­ tudiado capas de agua de entre 0,75 y 5 nanómetros de ancho, recubiertas de SDS, como las que forman las paredes de las burbujas de jabón. Reciben el nombre de películas negras de Newton, en honor a Isaac Newton, el primero en estudiarlas. (Bajo una luminosidad normal muestran una coloración negra, a diferencia de las burbujas o pelícuE

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1. Campo eléctrico debido sólo a la respuesta dieléctrica del agua tlinee de ountos; Campo eléctrico total creado por los iones del surfactante (SD - y Na ' ) y las moléculas de agua (línea continua); en virtud del comportamiento eléctrico anóma lo del agua, aparece confinado en una estrecha región de contacto entre las dos sustancias.

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comp lejas. Crea as í capas de unas tres moléculas de gro sor, ligadas a las moléculas de SDS. Ello le permite contra rrestar el ca mpo eléc trico que crea el surfactante ionizado. A med i­ da que nos alej amos del surfac tante, la organización del agua decrece. Se observa, pues, un ca mpo eléctrico en­ teramente confinado en una estrecha región de contacto entre el surfacta nte y el agua, campo que se anula en el res to de la películ a acuosa . Result a sorprende nte que el agua no respond a de form a local a las va­ riaciones del ca mpo creado por el surfac tante, co mo se esperaría en un medi o dieléctrico ordinario. Se com­ porta, en ca mbio, de form a global. Si se trata de película fina de agua, el comportamiento global ofrece mayor estabilidad term odin ámi ca que el lo­ cal. Cabe pensar qu e esta respuesta anómala se mani fieste en numerosos sistemas de interés biológico donde el agua está en contacto con espec ies dotadas de carga eléctrica ; por eje m­ plo , en el caso de las interacciones entre membr anas celulares o entre cade nas de ADN . 2. Película negra de Newton: capa acuosa de un grosor -en general- entre 0,75 y 5 nanómetros de ancho recubier ta de detergente. En la imagen se distinguen los átomos de sodio (azun y las cabezas de surfactan te (roj o y amarillo) del SDS. Estructuras como ésta se encuentran en las paredes de las burbujas de jabón.

las más gruesas, que se presentan en colores.) En razón de su semejanza con las membranas celulares, resultan útiles para crear modelo s sobre las fuerzas que actúan durante la fusión de dos membra nas biológicas y otros procesos de parejo interés . Hemos realizado simulaciones por ordenador de sistemas en equilibrio termodinámico for mado s por capas delgadas de agua recubiertas de molé­ culas de SDS . Los cálc ulos se realiza­ ron en uno de los superco mputadores más pote ntes del mundo: el HPC x del Ce ntro de Supercomputación de Edimb urgo . El cam po eléctrico generado por el surfactante ionizado debería re­ ducirse en un factor de 80 deb ido al comportamiento dieléctrico de l agua . Eso afirma la teoría vigente. Sin embargo, la rea lidad observada revela otra cos a. El agua se comporta de una forma atípica: se organi za en su conjunto para for mar estructuras

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l ORD! F ARAUDO

Depto. de Física, Universidad Autónoma de Barcelona F ERNANDO BR ESME

Depto. de Química, Imperial College, Londres

El bacalao salado Su origen y preparación esde muy ant iguo, se ha con­ D sumido baca lao en los paíse s nórdicos. Se empleaba el secado al sol como medio de conservarlo . Al que para su secado se exponía en pértigas, de las que colgaban pares de eje mplares atados entre sí por la co la, se le llamaba "stockfish" , Se le distinguía del "rockfísh" , baca­ lao seco tambié n, que había sufri­ do previamen te un ligero salado. Se atribuye a los ba lleneros vasco s la aplicación del salado como método de conservac ión del bacalao . En com­ paración con los países del norte de Europ a, la sal abundaba en los paíse s mediterráneo s. El bacalao salado se convirtió pron­ to en el rey de las salazo nes. En esa situac ión de privilegio ha permanecí -

do durante siglos, aportando proteínas de elevado valor biológico a la dieta de numerosas regi ones del mund o. Una afortunada conj unció n de facto­ res, algunos concatenado s, lo posib i­ litó: abundancia, fác il capt ura, precio asequible, su naturaleza de pescado blanco (con muy bajo contenido en grasa) que permitía una prolongad a conse rvac ión, menor proclividad al enra nciamiento y desarrollo de una serie de aromas y sabores muy apre­ ciados por los consumidores. Añáda ­ se a ello, en los países católicos, la absti nencia de carne en cuaresma, los viernes de todo el año y determina­ das vigilias religiosas, que venían a supo ner unos 120 días al año, que potenció su consumo co mo fuente de proteínas.

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El baca lao salado empezó a tener

gran importancia comercial en España

en el siglo XVI.

Existe constancia de que el bacalao salado comenzó adquirir importancia comercial en España a partir del si­ glo XVI. Se introduj o en el mercado ante la esc asez de merlu za secada al aire, que era el pescado cec ial que .ocupaba antes su lugar en los hábitos de consumo de los españoles. Arraigó tanto que, cuando se emplea todavía hoy la palabra bacalao evoca mos a su forma salada. . Un produ cto hoy hart o co mún en las mesas de España entera, aunque con parti cul ar incid encia en el País Vasco y Cataluña, distin guí anse an­ taño dos ámbitos de co nsumo. De bacal ao seco se alimenta ban los es­ clavos de las planta ciones de caña de azúcar del Caribe, prácti ca que sigue siendo hoy habitu al en ambas zonas. La expres ión castellana "e l que cor ta el bacalao", para referi r­ se a la persona que mand a, parece der ivar de ese co ntexto : en los in­ genios azuc areros el que "co rtaba el bacalao" era el cap ataz. El otro ámbito de consumo corres ponde a Euro pa, cuyos con sumid ores era n mucho más exige ntes en cuanto a la calidad del produ cto salazo nado . El mercado caribeño se aprovisio­ naba del bacalao procedente de los bancos de Terranova y El Labrador. Europa termin ó abasteciéndose con las capturas en sus pro pias aguas sep tentrionales ; su mayor ca lidad respondía a un proceso más refinado de elaboración. La forma tradicional de obtención del bacalao salado ha sido el apil ado de capas suces ivas de sal .y pescado eviscerado y limpio . Los montones suelen alcan zar en torno a un metro. El tiemp o mínimo del proceso de salado o curado dur a un par de se­ manas, en el transcurso de las cuales penetra cantidad suficiente de sal en el interior del bacalao para hacerlo estable y se desarrollan el sabor y aroma característicos. Al final del pe­ ríodo de perm anencia en pila de sal, se separan las piezas y se eliminan los cristales de sal de la superficie. El bacalao así obtenido se conoce como "baca lao verde" . Pasa éste a la operación de secado, que rind e el bacalao seco-sa lado; suele clasi-

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fic ársele en función de la humedad absorbida. Además de apil arlo en sal só lida, se puede salar sumergié ndolo en sal­ muera o a través de llamado salado mixto ; en este tercer procedimient o, el bacalao empieza rodead o de sal sólida y aca ba rodeado de una sal­ muera debid o a la disolu ción de la sal en el agua que sale del int erior del bacalao dur ante el salado . Al­ gunas empres as al sa lado con sal sólida le antep onen un salado con salmuera dur an te varias horas. En otro orde n, co nvie ne di stin­ guir entre "bacalao nacion al" y de "importación" . El prim ero se ela­ bor a en bacal ader os es pañoles qu e fae na n en mar es del norte. Sa la n api ladas las pi ezas en alta mar. El bacala o de importac ión sue le pro­ ce de r de Nor ueg a, Islandia y Dina­ marca, co n ban cos en sus pr opi as ag uas . Sus bar cos salan las piezas de bacalao, frescas, re frigera das o con gelad as, en factor ías ubi c ad as ce rca de las áreas de pesc a . La investigaci ón ha dem ostrado qu e el rendimien to del sa lado del bacalao antes de qu e entre en rigor m ortis es mu ch o men or qu e cua ndo se le sa la tra s varios días de alma­ ce na mie nto.

El bacalao salado pasa actualmen­ te por una situació n contradictoria. Por un lado se ha co nvertido en un producto muy apreciado co mo in­ gredie nte de platos típi cos, pero por otro lado sufre una serie de factores adversos . Nos encontramos, además, con un os bancos esquilmados . De hecho, atraves amos un período de moratori a, que proh íbe pescar baca­ lao en Terr ano va y zonas cercanas . Aunque no de una fo rma tan drás­ tica, tambi én se aprec ia una dismi­ nución de los bancos de bac alao del nort e de Euro pa. Por otro lado, asis timos a una tendencia hacia el consumo de pro­ ductos con bajo conte nido en sodio para reducir riesgos cardiovasculares conduce a la exclusión del bacalao de muchos regímenes alim entici os. El bacalao salado, por último , ha de hacer frente a los cambios en los hábito s de vida. Las empresas comer­ cia lizado ras han intro ducido en el mercado bacalao desalado congelado, que una vez descongelado se encuen­ tra listo para ser coc inado .

rosa M ANUEL

B ARAT

Depto. Tecnol ogía de Alimentos, Universida d Politécnica Valencia

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Texto y fotografías: Ricardo Anadón

Una bomba biológica en la Antártida

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1. Durante el deshielo, en el transcurso del breve verano austral, se producen intensas floraciones de microalgas. Estas constituyen la base del transporte acelerado de materiales carbonatados hasta el sedimento. Durante las campañas oceanográficas FRUElA se utilizaron trampas de sedimentación (abaj o) para medir el efecto de la "bomba biológica " de carbono en las aguas antárticas.

L

os océanos inciden en el clima a través del intercam­ bio de dióxido de carbono con la atmósfera. Mediante la asimilación del carbono disuelto, las microalgas y todos los organismos que medran en las aguas superficia­ les facilitan el transporte de partículas orgánicas hacia el sedimento y las capas profundas. El material carbonatado depositado se entierra bajo nuevas capas de sedimento y permanece almacenado durante millones de años hasta transformarse en nueva roca sedimentaria. A este meca­ nismo de transporte acelerado de carbono se le denomina "bomba biológica" de carbono. En el transcurso del verano austral, en las aguas antárticas se producen intensas floraciones de microalgas, que aprove­ chan la elevada disponibilidad de nutrientes y el comienzo de la estratificación estival. De ellas se alimentan el krill y las salpas, entre otros organismos del zooplancton. Ambos producen paquetes fecales de gran tamaño, que se hunden a velocidades de hasta un kilómetro diario. En estas áreas oceánicas, la "bomba biológica" desempeña una importante función en el transporte vertical de carbono; el sedimento se convierte así en un sumidero de carbono atmosférico. Las campañas oceanográficas del proyecto FRUELA analizaron el funcionamiento de la bomba biológica en estas áreas productivas. Se recogieron los materiales que sedimentaban con trampas; después de filtrarlos (a través de un filtro de 0,2 micras) se observaron mediante microscopía electrónica de barrido. Entre los sedimentos antárticos destacan las cé­ lulas de fitoplancton, fracciones de las mismas, agregados de diversos materiales y paquetes fecales de gran tamaño.

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2. En las zonas de mayor prcducti­ vidad, con elevada concentración de fitoplancton, el filtro de sedimentos aparece recubierto por un material orgánico amorfo. Sobre éste se ob­ servan valvas de diatomeas aisladas o en cadena IEucampia antarctica, Coccinodiscus sp, Rhizoso/enia sp y Corethron antarctica) y un paque­ te fecal de eufausiáceo.

3. En áreas poco productivas, con escasa sedimentación, el filtro de sedimentos aparece limpio de materiales orgánicos. En su lugar se observan dia­ tomeas aisladas o en cadena IFragi/ariopsis sp), restos de valvas, espinas de otra diato­ mea (Chaetoceros) y pequeños dinoflagelados.

4. Esta imagen aumentada muestra la complejidad de los agregados recogidos en el filtro de sedimentos. Se observan restos de diatomeas, escamas de Pyramimonas y material no identificable, posiblemente orgánico.

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Gases de Fermi atrapados ópticamente Unos pocos cientos de miles de átomos, enfriados casi al cero absoluto, simulan la física de otros sistemas singulares, como las estrellas de neutrones y los superconductores John E. Thomas y Michael E. Gehm

1cuenco, que apenas mide un milímetro de largo por una décima de milím etro de ancho, tiene paredes de pura luz. Un recipi ente etéreo, como exige su contenido, un conjunto de átomos de litio enfriados a menos de una millonésim a de grado por encima del cero absoluto. Pero no debemos pensar que esa muestra atrapada en la vasija de luz es una mera nub e de litio (al igual que no pen­ samos que un diaman te sea un cúmulo de carbonos) . Su verdadero valor se encuentra, no en los átomos que la componen, sino en su singular co nfiguración: la de un gas de Fermi degenerad o. Se trata de un nuevo es­ tado de la materia; quizá, de cuantos pueda haber en una mesa de laboratori o, el estado más próximo a una estrella de neutrones y a la materia quark del universo primigenio. Aunque predicha la exis tencia de los gases de Fermi degenerados hacia los años treinta del siglo pasado, no se creó uno realment e independi ente, en el laboratorio, hasta hace algo más de un lustro. Lo más parecido que conocíamos era la nube de electrones del interior del cobre o de cualquier metal común. A pesar de la solidez del metal, los electro nes se comporta n co mo un gas: cuentan con libertad para moverse (por eso co nducen electric idad los metales), pero sus energías han de seguir un estricto orden jerárqui co, el mismo hallado en los gase s de Fermi degenerados que hemos producido. Estos gases están relacionados con otro curioso ente cuántico que aparece a temperaturas muy bajas: el co n­ densado de Base-Einstein. El equipo de Eric Cornc ll y de Carl Wiema n, de la Universidad de Colo rado, creó el primero de esos condensados en 1995 . (En el año 200 1, Corne ll y Wieman fueron galardonados por su trabajo con el Premio Nobel j unto con Wolfgang Kette rle, del Instituto Tecnológ ico de Massachuse tts, MIT). El gas atómico degenerado de Fermi resulta más difí cil de crea r porque enfrenta entre sí dos preceptos de la mecánica cuántica : el principio de indetermin ación de Heisenberg y el principi o de exclusión de Pauli. El pri­

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mero establece que la posición de una partícula se hace más ambigua cuanto mejor se conoce su velocidad. En un gas ultrafrío, la velocidad de los átomos se conoce con una gran precisión: casi cero. Por lo tanto, los átomos se expanden en manchas de diez a mil veces mayores que los átomos a temperatura ambiente. Estos borron es no representan un problema para el condensado de Bose­ Einstein, porque lo componen átomos "sociables", de la famili a de los bosones, que gustan de solaparse. Pero el gas de Fermi dege nerado está formado por átomos aislados, del tipo de los fer miones (co mo el litio de nuestra trampa), los cuales, de acuerdo con el principi o de exclusión de Pauli, no pueden compartir el espacio con sus vecinos. Fabrica r uno de estos gases viene a ser como querer guardar globos en un armario. Recientemente, nuestro grupo ha podid o examinar la natur aleza cuántica de los globos expandiendo su ta­ maño por medio de una estratage ma cuántica: recurrir a las interacciones fuertes, que ligan átomos entre sí a distancias mucho mayor es que las ordinarias. Existen algunos indicios interesantes, todavía no prob ados, de que las interacciones fuertes hacen que los átomos se agrupen en "pares de Coo per". La presencia de pares de Cooper exp lica la superconductividad y algunos ti­ pos de la superfluidez. Pero antes de que describam os las propiedades más notables del gas, tomémonos unos momentos para detallar los grandes obstáculos técnicos que hubo que superar.

Enfriamiento por láser La creación de sistemas cuánticos macroscópicos, como los gases de Fer mi degenerados y los condensados de Ba se-Einstein , ha sido posibl e gracias a los avanc es técnic os del enfria miento óptico. En la mayoría de los experimentos con gases ultrafríos, los campos magnéticos atrapan a los átomos . Lo s cuencos ópticos utili zan, en cambio, campos eléctricos, que tienen la particularidad de acorra lar cualquier cla se de átomo, mientras que las trampas magnéticas actú an sólo sobre ciertos tipos.

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En el caso más simple, un cuenco óptico co nsiste en un intenso rayo láser muy enfocado hacia una de­ terminada región donde se ha hecho un vacío casi perfecto. La luz dirige los átomos o moléculas fríos hacia el punto focal, dond e los co nfina en un entorno sin calor y sin fric­ cio nes, ideal para el estudio de los fenómenos fundamentales . ¿Por qué un haz de luz enfoc ado atrae a los átomos? La luz es una onda elec tromagnética, formada por campos magnéticos y eléc tricos os­ cilantes. El campo eléc trico de un rayo de luz ejerce una fuerza sobre las partícul as con carga, y los elec­ trones y los protones del átomo es­ tán cargadas. Un átomo, no obstante, tiene el mismo número de electro nes y protones y, por lo tan to, es eléc­ tricamente neutro. Aun así, aparece una fuerza, por una razó n un tanto sutil: el gradiente del campo. Si, por ejemplo, el campo eléctrico apunta hacia arriba y hacia el foco, el núcleo de un átomo, cargado positi­ vamente, que se encuentre debajo del haz de luz será atraído hacia arri ba, mientras que su nube electrónica, de carga negativa, sufrirá una atracc ión hacia abajo . El núcleo, al estar más cerca del foco del haz, donde el cam­ po eléctrico es mayor, experimentará una atracc ión un poco superior a la repulsión de la nube de electrones. Habrá, pues, una fuerza neta hacia arriba que actuará sobre los átomos . Si la situación fuera a la inversa, con el campo eléctrico apuntando al revés que el haz de luz, los núcleos se alejarían y la nube de electrones se acercaría. La fuerza neta seguiría estando dirigida hacia el foco . Por razo nes demas iado complejas para exp licarlas aqu í, sucede lo mismo con los átomos situados a lo largo del eje del haz de luz, aunque por delante y por detrás del foco . Por lo tanto, sin importar en qué dirección apunta el campo eléctrico, el átomo será siempre atraído suavemente ha­ cia el interi or. La palabra clave es "s uavemente" . A temperatur a ambiente, o incluso muy por debajo de ella, los movi­ mient os térmi cos alea tor ios de un átomo superan con creces el débil empuje del láser. Para encerrar los átomos en un cuenco óptico se ha de utili zar un láser de gran potencia y enfriar el entorno hasta temperaturas

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1. LOS EXPERIMENTOS CON GASES DE FERMI ULTRAFRIOS ayudan a comprender la física de sistemas extremos; entre ellos el interior de las estrellas de neutrones, como la creada tras la explosión de supernova de la Nebulosa del Cangrejo (arriba). Las estrellas de neutro­ nes no se convierten en agujeros negros; lo impide la "presión de Fermi", consecuencia ésta del principio de exclusión de Pauli.

bajísimas, de suerte que los átomos se muevan muy despacio . El láser de dióxido de car bono que empleamos en nuestros exper imentos posee una intensidad en el punto foca l de dos millones de watt por centímetro cua­ drado, más que suficiente para cortar el acero. Pese a tamaña intensidad, el cuenco óptico sólo es capaz de confinar átomos cuya temperatura ini­ cia l sea inferior a una milésim a de grado por encima del cero absoluto. (Hab lando con precisión técnica, los átomos, individu almente considera ­ dos, no posee n temperatura per se . Pero no cuesta convertir su energía cinética a un equivalente de temp e­ ratura, que nos dice la frialdad que debe tener el gas para que permanez­ ca dentro del cue nco óptico) . Puesto que los áto mos han de es­ tar muy fríos para poder apresarlos

con un rayo láser, la creacion del cuenco óptico es la seg unda par te de un procedimiento que consta de tres . Primero, enfriamos varios cientos de miles de millones de átomos de litio hasta temperaturas de 15 millonési­ mas de grado por encima del cero abso luto con una trampa magnetoóp­ tica, método hoy ya corriente. Esa trampa emplea seis rayos láser rojos, ordena dos en tres pares orto ­ gonales. Cada par de l áseres frena a los áto mos de litio en una única dirección mediante el efecto Doppler. Desde la pers pec tiva de un átomo en movimi ento, el rayo láser que se propaga en dirección opuesta parece tener una frec uencia mayor ; para el átomo es como un "vien to de cara" crecido. Al propio tiempo, el rayo láser que se prop aga en la misma dirección que el átomo tendrá, desde

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2. SE PU ED EN ATRAPAR LDS AT OM OS NE UTR OS de una nube de gas enrarecida y fría (nube naranja) con un "cuenco óptico", un láser intenso (azul) que conduce los átomos hacia su foco. El campo eléctrico oscilante del láser provoca que los núcleos atómicos con carga positiva se separen de los electrones cargados negativamente. Puesto que el campo eléctrico (flechas negrasl es mayor cerca del foco, la fuerza en el lado positivo del átomo no queda compensada del todo por la fuerza opuesta en el lado negativo. Así, debajo del haz de luz la fuerza ejercida hacia arriba sobre la parte superior del átomo supera ligera­ mente a la fuerza ejercida hacia abajo sobre su parte inferior. De igual forma, por encima del haz de luz, la fuerza hacia abajo ejercida en la parte inferior del átomo supera a la fuerza hacia arriba sobre la parte superior. Por lo tanto, en todos los casos aparece una fuerza neta (flechas de color magenta) que empuja a los átomos hacia el interior.

el punto de vista del átomo, una fre­ cuencia menor: un "v iento de cola" atenuado. Puesto que estos efectos aumentan con la velocidad del átomo, la luz del láser parecerá actuar como una fuerza viscosa. Esta es la razón por la que uno de los inventores de la trampa magnetoóptica , el premio Nobel Steven Chu, de la Universidad de Stanford , acuñó la muy apropiada expresión "melaza óptica". Sin estas "melazas" , un átomo que entrase en nuestro cuenco óptico lo atravesaría sin más, igual que una canica tirada contra una fina taza de té la aguje reará. La trampa magne­ toóptica equivale a llena r de miel la taza; la canica llegaría al fondo del cuenco frenada casi de l todo . Parecía, pues, que teníamos que poder inac­ tivar las melazas una vez cargado el cuenco óptico y retener en éste los átomos durante mucho tiempo . Al menos, en teoría. En la práctica, los cuencos ópticos no funcionaron co mo se esperaba hasta finales de los años novent a, c uando nuestr o grupo descubri ó el causante de su destrozo. Los átomos osci lan dentro de un cuenco óp tico co n una fre­ cue nc ia característica: en nuestr os ex perime ntos , oscila n 6600 vece s

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por seg undo en la di rección corta y 230 veces por segundo en la lar­ ga. (Esta seg unda frec uencia result a menor porqu e la atracción hacia el centro del cuenco óptico es más débil que en la dirección axial.) Los láseres que se utili zaban no eran es tables; presentaban fluctuaciones de inten­ sidad que dupli caban la frec uencia de los átomos en la trampa. Para hacernos una idea del probl e­ ma que ello supone, imaginemos un átomo oscilando de lado a lado en un cuenco cuyas paredes vibren hacia dentr o y hacia afuera. El movimi ento hacia dentro de un lado del cuenco empuja al átomo. Cuando alcan za el otro lado (a la mitad de su período de oscilación), se encuentra con el otro extremo de la pared, que de nuevo se mueve hacia dentro. Y el áto mo recibe un nuevo empujó n. Una y otra vez las paredes agitan al átomo hacia delante y hacia atrás, hasta echarlo del cuenco en unos segundos . Resol vim os es te pr obl em a en 1999 al construi r un láser diseñado para operar sin tales osc ilaci ones de intensidad. Logram os atrapa r los átomos dur ant e cinco minutos, un tiempo cientos de veces mayor que en cualquier cuenco óptico anterio r.

Desde entonces, hemos reemplazado este láser con una unid ad comercial suma mente esta ble y más potente; ahora podemos contener los átomos durante casi siete minut os. Tr as co nfinar los átomos en el cuenco, aún no está n lo suficiente­ mente fríos para que sucedan los fe­ nómenos cuánticos. Hay que enfriar aún más en el tercer y último paso: el enfriamiento por evaporación. No exis te nada extra ño en este proceso ; está inspirado en la manera en que se enfría una sopa . Cuando choca n dos átomos , en ocasiones consiguen unir sus energ ías y uno de ellos gana el ímpetu necesario para esca par de la tram pa o "evaporarse" . El otro se frena. Entonces co lisiona co n otros átomos de la trampa, enfriá ndolos, y el proceso continúa . Con el tiem ­ po, los átomos están tan enfriados , que incluso dos de ellos juntos no suman la energía necesaria para que uno esca pe. En este punt o finali za la evaporac ión y se estanca el en­ fria miento. Para solventar el nuevo contrati empo, disminuimos poco a poco la intensidad del rayo láser atra­ pador: bajamos los bordes del cuenco óptico . De ese modo, algunos de los átomos más calientes puedan esca­ par. Así perdemos una tercera parte de los átomos, pero los que quedan está n tan fríos, que forman el gas de Fermi degenerado.

Efectos cuánticos Según la mecánica cuántica, la mate­ ria exhibe propiedades de partícula y de onda. Cuando a una partícula, un electrón o un átomo completo, se la considera una onda, se dice que tiene asoc iada una "longitud de onda de De Broglie", que determina el "tamaño" efec tivo de la partícula. La longitud de onda de De Broglie varía con la inversa del momento. Al aumentar el momento, como ocurre en un acele­ rador de partículas, la onda se hace muy pequeña. (Por eso se necesitan aceleradores de partículas para explo­ rar los diminut os componentes de los átomos.) Con un momento muy pe­ queño -es el caso de nuestra trampa óptica-, el átomo se expande como un globo. A estas temperaturas tan bajas, el globo tiene un diámetro de casi una micra, tamaño resoluble con un buen microscopio. Si la lon gitud de onda de De Bro glie crece dem asiado, los glo-

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bos empeza rán a tocarse e intentarán solaparse . En este moment o, el gas recibe el nombre de "degenerado"; su co mportamiento no viene gobernado por las leyes de la físic a clás ica , sino por las reglas cuá nticas.

El Yin y el Yang Desde los años treint a, se sabe qu e las partícul as cuánticas se agrupa n en dos ca tego rías : bosones y fer mio­ nes. Los bosones idénti cos son partí­ cul as grega rias : prefieren oc upar los mismos es tados de energía que sus vecinos. Esa es la naturaleza de los fo tones (las part ícul as de la luz); se ve en los l áser es, dond e los fotones de una det erminad a energ ía estimu­ lan a los átomos par a qu e emita n más foton es de la mism a energía. Las partícul as de las qu e es tá compuesta la materia co mún - los protones, electro nes y neutrone s­ so n fer miones . Su compor tamie nto difiere mucho del de los bosones. Tal y como Enrico Fe rmi y P. A. M. Dira c descubri eron , estas partícul as rehú yen la compañía. Dos fer miones con el mismo "es pín" no pueden ocu­ par el mismo nivel de energía ni la misma región del espacio. (El "es pín" de una part ícula guarda relación con la orientac ión de ésta en un campo magnéti co. Hay espín hacia arr iba y espín hacia abajo .) Este compor­ tamiento present a consec uencias de peso en la vida cotidia na. Explica la tabla periódi ca de los elementos . La segunda fila de la tabla peri ódica, por eje mplo, cuenta con ocho elementos porqu e la segunda capa electrónica de los átomos tiene otros tantos hue­ cos para los electrones . Dos electro ­ nes nunca pueden ocupar el mismo hueco, porqu e son fermiones . Las partícul as co mpues tas, entre ellas los átomos y las molécul as, actúan como fermiones si están for­ madas por un número impar de fer­ miones, y como bosones si contienen un número par. Por tanto, el 6litio, con tres protones, tres neutrones y tres electrones, es un fermión compuesto, mientr as que el 7litio, que cuenta con un neutrón más, es un bosón compues­ to. A temp eraturas corrientes, los dos isótopos presentan propiedades quí­ micas similares, pero a temperaturas ultrabajas salen a luz sus diferentes personalidades cuánticas. Cuando un gas de bosones com­ puestos, así uno de 7litio, se enfría

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3. LA CREACION y ESTUDIO POSTERIOR de un gas de Fermi degenerado comienzan con una nube de átomos de litio, a los que se frena con seis rayos láser dirigidos hacia el interior de una trampa magnetoóp· tica (líneas rojas en el diagrama superior), donde se genera una "melaza óptica". (Las flechas azules en forma de anillos indican la dirección de la corriente en dos parejas de bobinas adyacentes, generadoras de un campo magnético.) Una vez que los átomos se han enfriado a 150 millonésimas de grado por encima del cero absoluto, quedan confinados en el "cuenco óptico" por un haz láser enfocado (verde). Puesto que la fuerza es mayor en la dirección perpendicu­ lar al haz que en la longitudinal, el cuenco produce una nube de átomos con forma de puro (centro). Al disminuir poco a poco la intensidad del láser, algunos de los átomos se escapan, enfriando los que quedan hasta 50 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. El gas está "degenerado" a esta temperatura: se trata de un estado muy organizado, que se comporta como un átomo supergigante. Los autores estudiaron este fenómeno apagando el láser que crea­ ba el cuenco óptico, con lo que el gas se expandía. Obtuvieron una secuencia de irná ­ genes de la evolución de la nube mediante pulsos cortos de luz de láser (amarillo en la imagen de abajo) que atraviesa el gas antes de incidir en una cámara (verde). El comportamiento de la nube durante la expansión "recuerda" su pasado de gas de Fermi degenerado.

en un cuenco óptico, ocurre una rá­ pida transición en el moment o de la degen er ación (la " temperatur a de transición"). De repente, el gas cambia de clásico, con los átomos en varios niveles de energía, a gas en el que todos los átomos tienen la misma energía, la menor perm itida por el conte nedor. Es decir, todos los átomos oscilan con la mínima energía y la mayor longitud de onda posibles. Vibran al unísono, como si fueran un átomo enor me : un co ndens ado de Ba se-Ein stein . Cuando un gas de fermiones com­ puestos, por ejemplo uno de 6litio, se enfría hasta la temper atura de transició n (llamada "temperatura de Ferrni" en el caso de los fermiones), ocurre una transformación diferente: los átomos se agrupan por sí mismos

de manera muy organiza da; dos es­ tán en el mínimo estado energé tico perm itido, otros dos en el siguiente estado de menor energía, y así suce­ sivamen te, como si fuera n electrones de un átomo regular. El resultado final es un gas de Fermi degenerado. Poco después de que Cornell y Wie­ man crearan el primer condensado de Ba se-Ein stein, se intentó producir un gas atómico degenerado de Fer mi. (Rec uérdese que los gases de Fermi degenerados de electro nes ya se cono­ cían, en cualquier metal conductor.) En 1999 Deborah Jin, de la Univer­ sidad de Colorado, lo logró con po­ tasio-40 y una versió n modificada de las trampas magnéticas de Cornell y Wieman. Por desgracia, el método de Jin no es aplicable a todos los átomos. A otros grupos de investigadores les llevó más tiemp o desarrollar técnicas

39

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4. TODOS LOS ATOMOS DE UN CONDENSADO DE BOSE·EINSTEIN se encuentran en el mismo nivel de energía, el mínimo disponible (izquierda). En un gas de Fermi degenerado, en cambio, sólo dos átomos (con espín nuclear opuesto) pueden compartir el mismo nivel de energía (derecha) . En virtud de ello, los átomos de este gas se distribuyen en una serie de niveles energéticos, hasta alcan zar el nivel correspondiente a la temperatura de Fermi. Cuanto mayor sea el nivel de energ ía del átomo, más amplio resultará el movimiento oscila­ torio dentro de la trampa.

generales. En el año 200 1, los equipos de Rand y Hulet, de la Universidad Rice, de Christophe Sa loman, de la Escuela Superior Norma l francesa, y de Ketterle, del MIT, consig uieron el objetivo enfriando los fermiones con bosones ence rrados de ntro de la misma tramp a mag nética . Hulet y Saloma n demostraron que el gas de fermiones de Iitio-6 ocupa un vo­ lumen mucho mayor que el litio-7 bosóni co. Esta diferencia procede de que los fermiones hayan de ocupar niveles distinto s de energía; algunos deben entonces moverse en órbitas de gran radi o, mientra s que los boso nes se agrupan en el es tado de menor energía y goza n de un pequeño radio de movimiento. Al mismo tiempo, nuestro equipo de la Universidad de Du ke tambi én creó gases de Fer mi degen er ados cuya temp eratura no llegaba ni a una décima de la temp eratu ra de Fermi. Utilizamos métodos de enfriamiento exclusivamente ópticos. Estos gases muy degenerados son bastante esta­ bles y exhiben propiedades es pec­ taculare s en cuanto se los somete a " interacc iones fuertes" como las que mencion amos en la introducc ión.

La magia de las interacciones fuertes En un gas común, los choques entre átomos escasea n mucho y duran muy poco, de ahí que en los átomos no influyan en gran medid a sus vecinos. Este no es el caso de los gases de

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Fermi con interacciones fuertes dege­ nerados, donde los átomos se empujan unos a otros y se encuentran casi en un estado de colisión consta nte. La palabra "co lisión" o "c hoque" es qui zás un tanto drástica para des­ cribir el co mpo rtamie nto de es tos gases . Se suele emplear el término "interacc ión", más neutro. Per o no se deben confundir estas interacciones de gran distanc ia con las fuer zas clá­ sicas . Una interacción ocurr e cuando dos partículas intent an compartir el mismo estado rea l de energía; o bien lo hacen amigableme nte (como es el caso de los bosones), o luchan por ello (el ca so de los fermiones) . La distancia a la cual las part ícula s "notan" la presencia de otras partí­ cul as se den omina longitud de dis­ persión. Se dice que una inter acción es fuerte si su longitud de dispersión es gra nde. En los últim os años, se ha demostrad o que resulta posibl e ca mbiar la lon gitud de disp ersión medi ant e la aplicación de campos magnéticos, aumentarla cuanto se ne­ ces ite e inclu so cambiar su signo, de atractiva a repulsiva. ¿Por qu é res ulta posibl e ? Par a empezar, nuestro gas de Fermi de­ generado co ntiene en realid ad dos poblaciones de fermiones , una con el espín hacia arrib a y otra con el esp ín hacia abajo. La prohibi ción de que dos fermiones ocupen el mismo es pacio no se apli ca a fermiones con espín opuesto . Por lo normal, los áto­ mos de Iitio-6 con espín opuesto no

perciben la existencia de los otros; su longitud de dispersión es cas i nula. Cuando aplicamos un ca mpo mag­ nético, cambia la energía magnética intern a del átomo, que actú a como una barr a imanad a. Si la energía total de una pareja de átomos de es pín opues to co incide co n la de una molécula diatómi ca, los áto mos interact úan fuerte me nte. En cierto sentido, el campo magnético enga ­ ña a los átomos ; les lleva a creer que se encuentran en una molécula. Este fenómeno se denomina "reso­ nanci a de Feshbac h" en honor del fís ico del MIT Herman Fes hbach, qu e lo predij o. Cua ndo el ca mpo magn ético se ajusta correctamente, los átomos sienten la presencia de otros átomos que, desde un punto de vista atómi co, se encuentra n a distan cias enormes. Mas, ¿cuán enorm e? La longitud de onda de De Broglie impone una limitación: si dos átomos están más se para dos qu e la lon gitud de D e Bro glie, no se influir án mutu amente; sería como dos globos que pasaran el uno junto al otro sin tocarse. En un gas de Fermi, la longitud de dis­ persión no puede superar la longitud de o nda de De Broglie, qu e a su vez no debe ser mayor que el espa­ cio entre partícula s (para evitar que algunos fermiones de mismo espín se solapen). Per o a te mpe raturas mu y frías, la lon gitud de onda de De Brogli e crece hasta coi ncidir con el espa­ cio entre átomos. Ade más, cuando se ajusta de manera co nveniente el campo magnético, la resonancia de Feshbach dilata la longitud de disper­ sión hasta su máxim o valor posibl e: la lon gitud de onda de De Brogli e. Por lo tan to, cuando se co mbinan las temperaturas ultrabajas co n un campo magnético bien ajustado, la longitud de dispersión, la longitud de onda de De Broglie y el espacio entre partículas valen lo mismo . Nuestro equipo fue el primero en obser var el curioso fenó meno qu e ocurre cuando se prepara un gas de estas característica s y a continuació n se elimina el contene dor apagando el cue nco óptico. Al principi o, el gas atómico atrapado presenta la misma forma que el cuenco óptico : un puro largo, estrecho y fino. Al liberarse los átomos, el gas se expande radialmen­ te (en la dirección es trec ha del puro )

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mi entras permanece casi inm óvil en la direcci ón axial (la dirección larga del puro). Es un a consec uen cia de las fuerzas de presión qu e sufre el gas : cada pequeña porci ón gaseosa es imp elid a haci a fuera por la presión del gas de atrás y hacia de ntro por la presión del gas qu e tien e delant e. Es decir, el gradiente de presiones de­ termina la fuer za hacia fuera, que es mayor en las direcci ones radi ales del puro. En un gas co mún, los átomos dejan de ej ercer una pres ió n mutua en cuanto hall an un a vía de escape . Pero en nuestro gas de Fermi co n intera cciones fuer tes, los propi os áto­ mos (en rea lidad sus "g lobos" cuán­ ticos) continúan exp andié ndose hasta med ir tan to com o el espac io qu e ha y entre ellos; el gradiente de presio­ nes per siste, pu es, duran te bastan­ te tiempo . Esta met amor fosis sigue produ ciénd ose incluso cua ndo el gas dej a de int er actuar, porqu e, mi en tras los átomos se muevan librem ent e, su veloc idad radia l será ma yor que la axial. La nub e gaseosa se expande mu cho más dep risa radi al men te que longitud in alm ent e; su fo rma cambia, de pur o a ca labaz a. Deb ido a las interaccio nes fuer­ tes, los gases de Fe rmi degenerado s ex hibe n tambié n "co mporta miento univ er sal" . Valen así de mode lo de mucho s otros sistemas físicos natu ­ rales. "U niversa l" sig nifica aquí que todos los sis temas de Fermi co n in­ teracciones fuertes (cualq uier sistema cuya lon gitud de disper sión coinc ida con la se pa ració n entre partículas) se co mporta n de form a aná loga. No imp ort a qu e los fermio nes sea n áto­ mos, elec tro nes , qu arks o cualquier otra cosa . La manera en que es tos sistemas, tom ados en su co nj un to, int eraccion an es siempre similar. Por es ta razón , el gas de Fermi degen e­ rado de nuestro laboratorio sirve de model o ex per imental par a invest iga r las últimas teor ías sobre los quarks o las estrellas de neut rones. La transfor­ mación morfológi ca qu e observamos en nu estro gas rec ue rda mu ch o al co mpo rtamiento din ámi co que se les ha predich o hace poco a los pla sm as de qu arks y gluones . He mos in ten tad o ta m bié n deter­ min ar co n expe rimentos la "en ergía net a de int er acci ón " de un gas de Fermi co n interacciones fuer tes, es decir, la energía total de atracción o repulsión de un a pa rtícula sobre

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todas las qu e es tén en su radio de alca nce . Se pued e dem ostrar qu e en un sistema uni versal esta ca ntida d es proporci onal a la energ ía cinética m edia de las pa rtícul as. De la co nstante de proporci on a­ lid ad , beta, dep end e la estabilida d mecáni ca del sis te ma. La energía c iné tic a da lu g ar a un a re pulsión entre los fermiones interac tivos , la pres ión de Ferm i, que, al tender a se pa ra rlos, libra a las estrellas de ne utro nes de l co la pso gravita to rio y da estabilidad mecán ica a nu estro gas atra pa do . Pero la energía net a

de interacci ón también es fue nte de una pr esión , que pue de emp uj ar ha­ cia den tro o hacia fu era en razó n de l signo de la co nstante de pro­ porcion alidad . Si beta fuera menor qu e - 1, la presión haci a el interi or debid a a la energía de inte racción sería ma yor que la presión de Fermi hacia fu era, y el sistema se hun diría sobre sí mism o. Los fís icos nucleares han venido batallando dur ante treinta años para calcula r bet a. La complej idad de esta tarea se debe a que requi er e calcular inte racc iones donde participan mu ­

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Campo magnético (militeslas) 5. LA RESONANCIA DE FESHBA CH altera el comportamiento de un gas de Fermi deqene­ rado . A ese fenómeno se debe que la distancia a la cual los átomos influyen unos sobre otros - la "longitud de dispersión"- aumente drásticamente cuando se aplica un campo magnético de una intensidad determinada (arriba) . (Una longitud de dispersión positiva significa repulsión; negativa significa atraccién.) En el caso de los átomos de litio -B, la resonancia de Feshbach ocurre a la intensidad de 85 militeslas. En un campo magnético menos intenso, la molécula posee una energía menor que una pareja de átomos libres. Un campo magnético más intenso favorece energéticamente a los átomos libres (abaj o). Cerca de la resona ncia, los átomos libres y los que están ligados en moléculas se comportan de forma análoga; eso explica el aumento sustancial de la longitud de dispersión, o lo que los físicos denominan "interacciones fuertes ".

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Expansión de un gascomún

Comprimido

• •••• • •••• •••• Enexpansión

Expansión de un gascon interacciones fuertes

Comprimido

Enexpansión

6. EL COMPORTAMIENTO OE LOS GASES DE FERMI con interacciones fuertes cuando se expanden difiere del comportamiento de los gases normales. En un gas común, los átomos, una vez que se han liberado de un estado de compresión, rara vez interaccionan entre sí. En un gas de Fermi, oscilan dentro de "globos cuánticos", que se expanden a la vez que la separación atómica. En consecuencia, los átomos siguen ejerciendo una mutua presión de Fermi, interacción que opera a largas distancias.

chas partícul as. La mejor estimación teórica se cifra en torn o a - 0,5. Es decir, la energía neta de interacción debería aplicar una fuerza hacia den­ tro cuya intensidad fuera la mitad de la ejercida por la fuerza expa nsiva de la presión de Fermi. Ello resulta coherente con la mani fiesta estabi­ lidad de las estrellas de neut rones. Ni que decir tiene que no se puede raspar un trozo de una estre lla de neutron es y comprobar si ese valor es exac tamente -0,5 . Pero ahora hemos medido beta en nuestro laboratorio. Rudolf Grimm, de la Univers idad de Innsbruck, y Saloman han efectuado después mediciones parecidas. Nues tros prim eros experimentos han determinado que beta vale - 0,26. Hace poco, Saloma n ha obtenido un valor de - 0,3 a una temp eratura su­ perior, y Grimm ha medido valores más próximos a - 0,5. Es demasiado

Nube atrapada

temp rano para alcanzar un veredicto final, puesto que tanto los exper i­ mentos como los cálcul os teór icos pueden adolece r de errores sistemá­ ticos. Alienta la semejanza de todas las mediciones: se parecen tanto, que experimentado res y teóricos tendrán de qué hablar dur ante los próximos años.

La búsqueda de la superfluidez Sandro Stringari, teórico de la Uni­ versidad de Trento, predijo el fenó­ meno del cambio de forma de los gases de Fermi co n interacciones fuertes degenerados; lo hizo en 2002, antes de que se hubiese producido uno. Sos tuvo, además, que esa me­ tamorfosis qu izá fuese una señal de superfluidez . Los super fluidos, descubi ertos en los años treinta, cursa n sin ningu­ na fricción, como los electro nes de

Expansión anisótropa

7. LA TEORIA PREDICE QUE LOS GASES DE FERMI con interacciones fuertes se expanden de manera anisótropa, una vez liberados de una trampa óptica. La presión disminuye más deprisa en la dirección radial hacia fuera de la nube elongada; por ello, el gas se expande a mayor velocidad en esa dirección que a lo largo del eje (flechas negrasl. En consecuen­ cia, cambia de forma con el tiempo, de puro (izquierdal a calabaza (derecha!. La presencia de esta expansión con cambio de forma revela la existencia de interacciones fuertes y, quizá, de superfluidez.

42

los materiales superco nductores, que

experimentan una resistencia nula. Los cables superconductores serían muy útiles, en espec ial para trans­ mitir electricidad a largas distancias sin perder energía. En la práctica, sin embargo, los superco nductores comunes sólo operan a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto. Inclu so los super­ conductores de "alt a temperatura" , conoc idos desde los años ochenta, han de enfriarse hasta la temperatu ra del nitrógeno líquido. La búsqueda de un superco nductor operativo a tem ­ peratur a ambiente constitu ye uno de los sueños de la física de la materia conde nsada . Lo s áto mos de un superfl uido imitan a los electro nes de un super­ co nductor; por esa razón, los gases de Fermi degenerados suponen una buena ayuda en esa búsqueda . Desde hace cincuenta años se sabe que los conductores se convierten en super­ conductores cuando los electrones de espín opuesto se empareja n y fluyen juntos a través de la red atómica. De for ma análoga , un líquido de fer­ miones, de helio-3 por eje mplo, se convierte en un superfluido cuando los áto mos fo rman parejas. Estas asociaciones débil es, no tan inten­ sas com o los enlaces moleculares, se denomin an pares de Coopero En todos los superco nductores co­ nocidos, los pares de Coo per son estab les só lo a temper aturas mu y inferi ores a la de Fermi: a temp e­ raturas de entre 10 Y 100 gra dos por encima del cero absoluto, una milésima o una centés ima de la de Fermi. (La temp er atura de Fermi de un metal -entendido como un gas de Fer mi degenerado- result a tan elevada porque contiene muchos electrones, muchos fermiones pues. Por ello, todos los niveles de energía se hallan oc upados hasta una ener­ gía muy alta . Los electro nes más energé ticos, los que se encuentran en la banda de co nducción, tienen eq uivalentes de tem peratur a de diez mil grados). Rec ien teme nte, tres grupos teó­ ricos han predi ch o que los gases de Fermi con inter acciones fuertes degenerados se co nvierten en super­ fluidos a temp eraturas de hasta la mitad de la temp eratura de Fermi. Si la teorí a anda en lo cierto, estos sis te mas produ cirían los par es de

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8. LOS DATOS DE LOS EXPERIMENTOS confirman la expansión anisótropa de la nube de gas de átomos de litio-B . La secuencia de imágenes muestra el cambio de forma y densidad de la nube de gas a medida que se calienta . El gas sigue siendo degenerado y con interacciones fuertes durante al menos 400 microsegundos tras el momento en que se lo libera (se muestra en las tres primeras

Coo per de mayor temp eratura que se conoce n en física; dond e mayor debe reputarse en cuanto fracc ió n de la temperatura de Fermi. Varios equipos, incluido el nu estr o, han creado gases degenerados a tempe­ ratura s del orden de una décim a de la temperatura de Fermi. Quizá haya­ mos conseg uido así ya superfluidos de alta temp eratura. Sin embarg o, no existen prueb as experimentales sólidas qu e lo ratifiqu en. Parecerá engañoso hablar de un superfluido de "a lta tem peratura" cuando en realidad su temperatur a es menor que una millonésima de grado por encima del cero absolu­ to. Pero no lo es. Pense mos en la siguiente analogía . Cuando se pro­ yec ta un nuevo avión, se empiez a por unos esquemas sobre el papel y unos modelos a esca la, y se llega a construir un prototi po. En nuestro caso , vale como "es quema sobre el papel" el co ncepto de siste ma univer­ sal de Ferrni. El "modelo a esca la" es el gas de Fermi con interaccio­ nes fuertes degenerado. Está a esca la tanto en la temperatur a co mo en el tamaño fís ico. El principi o universal establece que el cambio de escala no modifica las propiedades funda­ mentales de l sistema. Si el modelo a esca la no funcionara, tendríamos

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O

100

200

Coordenada axial (micras)

imágenes) . Después de esos 400 microsegundos, la alta velocidad inicial de los átomos hace que la nube siga cambiando de forma, aunque los átomos hayan dejado de interaccionar. Las mediciones cuantitativas de estas imágenes demuestran que la expansión es más rápida en el eje radial de la nube (gráfica de la izquierda) que en el longitudinal (gráfica de la derecha).

razo nes para sos pechar que los pares de Cooper no se pueden for mar a la temperatur a de Fermi. Pero si el modelo funciona -si puede haber pares de Cooper a temperaturas que sean una fracció n sustancial de la de Fer mi-, podría sucede r lo mismo con un conductor. Cabe dentro de lo verosímil que algún día se creen materiales que superco nduzca n in­ cluso a dos mil grados o más: no

ya a temp eratur a ambi ente, sino a temp eraturas mucho mayores. De cualquier modo , creer que ha­ brá superco nductores calientes en un futuro cerca no es soñar dema sia ­ do. Es pere mos , al men os, que los nuevos result ados obte nidos de los trabaj os co n gases de Fermi dege­ nerados nos lleven hasta los mate­ rial es superco nductor es de muy alta temp er atur a.

Los autores John E. Thomas, "profesor distinguido Fritz London de física" de la Universidad Duke, pertenece a la Sociedad Americana de Física. Michael E. Gehm obtuvo su doctorado en física en el año 2003 mientras trabajaba en el equipo de investigación de Thomas. Actualmente disfruta de una plaza postdoctoral en el Centro Fitzpatrick de Sistemas Fotónicos y de Comunicaciones de la Universidad Duke.

©American Scientist Magazine.

Bibliografía complementaria OPTlCAl DIPOlE TRAPS FOR NEU TRAL AroMs. R. Grimm, M. Weidemüller e Y. B. Ovchinnikov en Advances in Atomic, Molecular & Optical Physics, vol. 42, págs. 95-165; 2000. OBSERVATION OF FERMI PRESSURE IN A GAS OF TRAPPEO ATOMS. A. G. Truscott, K. E. Strecker, W. 1. McAlexander, G. B. Partridge y R. G. Hulet en Science, vol. 291 , págs. 2570-2572; 2001. All·OPTICAl PROOUCTION OF A DEGENERATE FERMI GAS. S. R. Granade, M. E. Gehm, K. M. O'Hara y J. E. Thomas en Physical Review Letters, vol. 88, pág. 120405; 2002 . OBSERVATION OF A STRO NGlY INTERACTING DEGENERATE FERMI GAS OF ATOMS. K. M. O'Hara, S. L. Hemmer, M. E. Gehm. S. R. Granade y J. E. Thomas en Science, vol. 298, págs. 2179-2182; 2002.

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El virus de la gripe ~r." r -. de 1918 Jeffery 1<' Taubenberger, Ann H. Reid y Thomas G. Fanning

Se ha conseguido resucitar a la cepa más mortífera

del virus de la gripe de toda la historia.

¿Puede revelar el virus de 1918 cómo mató a millones de personas

y dónde pueden ocultarse otros similares?

l 7 de septiembre de 19 l 8, en los momen tos más crí­ ticos de la pr imera guerra mundi al, un soldado de un campo de entrenamiento si­ tuado a las afueras de Bas­ tan cayó enfermo co n fiebre elevada. Los médi cos le diagn osticaron una meningitis, pero cambia ron de opinión al día siguiente, cuando una docena de soldados fuero n hospit alizados con síntomas respiratorios. El día 16 se declararon 36 nuevos casos de aque­ lla enfermedad desconocida. Sor pren­ dentemente, el 23 de sep tiembre se habían declarado 12.604 casos en un campame nto de 45.000 soldados . Al final del brote, una tercera parte de la pobl ación del campo había enfer­ mado de es ta grave dolencia y, de ellos, casi 800 murieron . A menud o, los soldados falleci dos presentaban una co loración azulada de la piel y, antes de morir por asfix ia, padecieron terribl es sufrimientos. Muchos falle­ cieron apenas 48 horas despu és de presentar los primeros síntomas; en la autopsia sus pulm ones aparec ieron rep letos de líquid o o sangre. El conjunto de síntomas no guarda­ ba relación co n nin gun a enfe rmedad co noc ida . Willi am Henry Welch , re­ putado patólogo de la época , supuso qu e "de be ser algun a nueva clase de infección o plaga" . La enfermedad no era una plaga ni ningún agente nuevo: se tratab a de la gr ipe. Aquella ce pa del viru s de la gripe, es pecialmente virulenta e infeccio sa, mat ó a unos 40 mill ones de persona s en todo el mund o entre 1918 y 191 9. El brote de gripe más mortífero de la historia modern a desapareció con la misma celeridad con qu e se presentó. Durant e largo tiemp o se creyó que su

2. ENFERMERAS DE LA CRUZ ROJA transportan a un enfermo de gripe en 1918 en Sto Louis. El personal sanitario, los policías y la gente de la calle, aterrorizados, llevaban mascarillas para protegerse del virus que asolaba el país. Aproximadamente la tercera parte de la población estadounidense resultó infectada durante la pandemia y murieron 675.000 personas.

agente causal se había perdid o. Nadie conservó muestras del patógeno para estudios posteri ores, pues no se supo que era un virus hasta los años treinta. Pero grac ias a la previsión del Museo Médico del Ejé rcito de los Estados Unidos, a la perseverancia del pató­ logo Johan Hultin y a los avances del análisis genético de muestras antiguas de tejid o, se consig uió recupe rar par­ tes del virus de 1918 y estudiar sus características . Ahora, después de más de 80 años de la terrible catás trofe de 19 l 8- 19l 9, las muestras de tejid o re­ cog idas de víc timas arroja n luz sobre la natur aleza de esa cepa pand émica y sobre la actividad de los viru s de la gripe en ge neral. Pero no es la mera curios idad his­ tóri ca lo que moti va la investi gación .

Los virus de la gripe evo luc ionan si n cesar. Nuevas cepas atacan una y otra vez a la poblac ión. Desde 191 8, se han desarro llado ce pas pa ndé micas del virus de la gripe en dos ocasio­ nes: en 1957 y en 1968. Asimismo, ce pas qu e acostumb ran infect ar sólo animales, han atacado de vez en cuan­ do al homb re; recu érdese el recient e brote de gripe aviar en As ia. Nos hem os prop ues to un dobl e obje tivo; primero , descubrir e n virtud de qu é el virus de 1918 adq uirió tal viru len­ cia, lo qu e nos permitiría desarroll ar tratamientos y medid as preventi vas antig ripa les; seg undo , establece r el origen de los virus pandémi cos, para identi ficar posibl es fuent es de futuras cepas pand émi cas.

La caza del virus 1918

• La pa nde mia de gripe que aso ló e l planeta entre 1918 y 1919 tuvo un ca rácte r excepc ional por el ingente número de víctimas, sobre todo jóve­ nes, que s ucumbieron ante un virus de la gripe de letalidad insólita. • Dura nte largo tiempo perma neció envuelta en el misterio la razón de tamaña virulencia. Hasta que los autores desarrol laron técnicas que pe r­ mitie ron recuperar genes del virus 1918 a pa rtir de tejidos conservados de víctimas de la pa ndemia. • El anál isis de estos genes y de las proteínas que codifican ha revelado algunas ca racterísticas de l virus que suprimirían las defensas inmunita­ rias y, a un mismo tiempo, insta rían una violenta res puesta inmunitaria en las víctimas , lo que contribuiría a su elevada mortalidad. • Seguimos s in conoce r el origen del virus pandém ico. Los autores recha­ zan que proced iera de los huéspedes aviares y ma mífe ros conocidos .

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En mu ch os aspectos, la pand emi a de gripe de 191 8 fue si milar a otras an­ teriores y posteriores a ella. Cuando aparece una cepa nueva del virus de la gripe co n la que el sis te ma inmu­ nitar io de la mayoría de la gente no ha ten ido co ntacto, lo más probable es qu e se prop ague un brote de la enfe rmedad. Sin embargo, un halo de misteri o rodeó dur ant e largo tie mpo a determinadas características de la pand emia de 1918. Res ultaro n singulares su com ienzo y su final. El brote cruzó Europa y Norteamérica y alca nzó lugares remo ­ tos (tierras vírge nes de Alaska y las

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islas del Pacífico). Cuando se exti n­ guió, una tercera parte de la población mundi al había padecido la infección. Destacó, asimi smo, la grave dad de la enfermedad, con tasas de mortalidad entre el 2,5 y el 5 por cien to, más de cincuenta veces la mortalidad produ­ cida por otras epidemias de gripe. En el otoño de 1918, Euro pa en­ tera llam aba a la enfermedad la gri­ pe "es paño la" , quizá porqu e Espa ña, neutral en el conflicto, no impu so la censura de guerra para las noticias sobre la epide mia prevalente en los países combatientes. Co n tal deno­ minación se quedó para la historia , por más que el prim er brote, la ola de prim avera de la epide mia, se or i­ gin ara , al parecer, en los cuarteles mili tares estado unidenses en marzo de 191 8. El seg undo brote, la ola prin cipal de la pand emi a global, tuvo luga r de septiembre a noviem bre de ese mism o año. Hub o, en numerosas zo nas, un a tercera ola, mu y grave, a prin cipi os de 1919. Aún no se habían descubi erto los antibióticos . En su mayorí a, la gente que murió durant e la pandemia lo hizo por neum onía causada por bacterias oportunistas que infect aron a quie­ nes la gripe había ya debilit ado. Sin embargo, una parte de los afecta dos por la epidemia murieron apenas unos días despu és de que se les manifes­ taran los síntomas de la enfermedad, víctimas de una neum onía vírica más grave, orig inada por la misma gripe, que dejó sus pulmones co mpletamen­ te encharcados de sangre o líquid o. Además, la mayoría de los fallecidos eran adultos jóvenes de entre 15 y 35 años, un grupo poblacional que rara vez muere de gripe . Llama la atención que los menores de 65 años represent aron más del 99 por ciento de todas las muertes por gripe su­ pernum erarias (las que se encuentran por encima de la tasa anual normal), entre 1918 y 1919. Los prim eros pasos para compren­ der la causa de la pandemi a de 1918 y sus características excepcionales co­ menzaron apena s llegó a su fin, pero el virus culpable perm aneció oculto durant e cas i ocho décadas. En 1951 , investigadores de la Universida d de Iowa, entre los que se enco ntraba 10­ han Hultin g, un estudiante de doctora­ do recién llegado de Suecia, viajaron a la lejan a península de Seward, en Alaska, en busca de la cepa de 1918.

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En noviembre de 1918, la epidemia se extendió dur ante cinco días por una aldea de pescadores inuit. En la localidad, co noc ida hoy por Brevig Mission, ocasionó la muerte a 72 personas, alrededor del 85 por cien­ to de la población adulta. Puesto que sus cuerpos fuero n enterrados en el perrnafrost, esperaban los expedicio­ narios de 1951 encontrar el virus de 19 18 co nservado en los pulmones de las víctimas. Mas , para su infortunio, fracasaro n todos los intentos por cul­ tivar virus de la gripe vivos a partir de las muestras recogidas. En 1995, otro grupo buscó el virus de 1918 en otra fuente de tejid os: las mues tras de auto psias archivadas que se co nser van en el Instituto de Patología del Ejército (AFIP) en Was­ hin gton D. C. Durant e varios años, habíamos adquirido experiencia en extrae r, co n fines diagnósticos, mate­ ria l ge nético vírico frág il procedent e de tejidos dañados o en esta do de putrefacción . Un año antes, en 1994, pusim os nuestra técnica noved osa al servic io de un patólogo de mamíferos marin os del AF IP, que invest igaba una mortand ad de delfines atribuida a la marea roja . Aunque las muestras disponibl es de tejido de los del fines estaban muy deteri oradas, extraj imos ARN en cuantía suficie nte para ide n­ tificar un virus inédit o, similar al que origina el moquillo del perro, y que resultó ser el verdadero culpable de la muerte de los delfines. No tard amos en plantearnos la pos ibilidad de apli­ car nuestro método a la reso lución de otros misterios médicos irresueltos. El AFIP, suceso r del Museo Méd i­ co del Ejército fundado en 1862, ha cre cido en paralelo a la especiali­ dad médica de patología. Su colec­ ción actual const a de tres millones de muest ras . Cuando co mprobamos que incluía muestras de autopsias de víctimas de la epidemia de gripe de 1918, decidimos ir tras el virus de la pandemia. En nuestro estudio inicial examinamos 78 muestras de tejid o de víctim as fallecidas en la ola del otoño de 1918; nos centramos en las que denun ciaban alteraciones pulm onares graves, característico de personas que fallec ieron al poco de contraer la en­ fer medad. Aunque el virus de la gripe desaparece de los pulmones apenas unos días despu és de la infección , tales víctimas ofrecían una posibilidad única de encontrar virus.

La prác tica habitu al en aquellos tiempos co nsistía en co nse rvar las muest ras de la auto ps ia en for mal­ dehído y, después, incluirlas en pa­ rafina. Co n las técnicas disponibl es no era fác il extraer frag mentos ge­ néticos mínimos del virus a part ir de tejidos "fija dos" hace 80 años. Tras un año duro de result ados negativos, hallamos la prim era muestra positiva del virus de la gripe en 1996, en el pulmón de un soldado muerto en sep­ tiembre de 1918 en F uerte Jackso n, Caroli na del Sur. Determ inamos la secuenc ia de nucleótid os en pequeños frag me ntos de cinco ge nes del virus proceden tes de esta muestra. Co n el fin de comprobar si la se­ cuencia pertenecía al virus letal de 191 8, buscamos más casos positi vos. Identificamos otro en 1997; se trataba de un soldado fallecido en septiem­ bre de 1918, en el ca mpa mento mili­ tar de Up ton, Nueva York. Esta segun­ da mu estra nos per mi tía co nfirmar las sec uencias gé nicas que teníamos, pero la pequeña ca ntidad de tejido disponible de estas au topsias nos ha­ cía tem er que nunca lograríamos ge­ nerar la secuencia vírica co mpleta. La so lució n de l problema nos vino en 1997, de forma ines perada . 10­ han Hultin, un patólogo retirado de 73 años de edad, había leído nues­ tros resu ltados iniciales . Se ofreció a volver a Brevig Miss ion e intent ar nuevas exhumac iones de víctimas de la gripe de 191 8 enterradas en per­ mafrost. Cuarenta y seis años después de su primer intent o, co n el permiso de las autoridades de Brevig Miss ion, obtuvo biopsias de pulmones co nge­ lados procedentes de cuatro víctimas de la gr ipe. En una de estas muestras, pertenec iente a una mujer de edad desconoc ida, encontra mos ARN del virus de la gripe, qu e propo rcio nó la clave para sec uenciar el genoma co mpleto del virus de 19 18. Más recie nteme nte, nuestro grupo, en colaboració n co n colegas brit áni­ cos, ha est udia do mues tras de tejido proce de ntes de autopsias de víctimas de la gripe de 19 18 del Hospital Real de Lond res. Tras analizar ge nes del virus de la gripe de dos de es tos casos, se comprobó que eran prác­ tica me nte idén ticos a las muestras norteamericanas, lo que co nfirmaba la ráp ida expans ión mundia l de un virus uni form e. Pero , ¿q ué puede de­ cirnos la sec uencia del mismo sobre

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REPLlCACION y EVOLUCION DEL VIRUS DE LA GRIPE En comparación con otros muchos virus, el de la gripe sobresale por su breve tamaño y sencillez: una bola Iipídica hueca, ribeteada de unas pocas proteínas y con ocho segmentos génicos (abajo) . Pero no necesita más para cumplir su misión: inducir a las células huésped a producir nuevas partículas. En la superficie del virus de la gripe hay una proteína que reviste una importancia determinan­ te. La hemaglutinina (HA), de ella se trata, opera a modo de llave que franquea la entrada del virus en el interior celular. De la forma de la proteína depende qué huéspedes se infectarán. Otra proteína, la neuraminidasa (NA), segmenta los nuevos virus salidos de una célula infectada e influye en la eficiencia de la propagación. Bastan leves cambios en esta y en otras proteínas para que el virus infecte nuevos huéspedes y soslaye el ataque inmunitario. Las alteraciones pueden deberse a errores en el proceso de replicación de los genes víricos o bien a que dos virus de la gripe diferentes infecten la misma célula y sus genes se intercambien, dando lugar a progenies de virus con genes "recombinados" (derecha). e:~

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Virus recombinados VIRUS DELA GRIPE. Las dos proteínas de superficie más importantes, la HAy la NA, sobresalen de la bicapa Iipídica. Encierraen su interior,

ocho segmentos de ARN ,

que especifican otras proteínas, determinantes

de las características

de las funciones víricas.

Bicapa Iipídica

HA

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INFECCION y REPLlCACION. La proteína HA

delvirusse une al ácido siálico de la superficie

de unacélula huésped (a). Merced a esatrabazón .-'

e se le franquea la entrada en el interior celular

(b), en donde libera su ARN (e), queentra en el

ARN núcleo celular (d). Allí, el ARN víricose replica y i' . ' '.. vírico

se "leen" sus instrucciones genéticas. Los mecanismos s:I ' .

celulares se orientarán haciala síntesis de nuevas

proteínas víricas (e). ARN y proteínas se ensamblan para

formar virus, queemergen a través de la membrana (f).

En un principio, la superficie del virus se hallarevestida

de ácido siálico. Para evitar queel viruspueda unirse

a otras hemaglutininasy a la superficie de la célula

huésped, la neuraminidasa aprehende el ácido siálico.

Liberado así el virus, se dispone a infectar otracélula.

Núcleo

la virulencia y el orige n de la cepa de 1918? La respuesta a estas cues­ tiones requiere un breve repaso del comportamiento del virus de la gripe y su acción ca usal de la enfe rmedad en huéspedes distintos.

El rostro cambiante de la gripe Cada una de las tres nuevas cepas de virus de la gripe que han origi­ nado pandernias en los últimos cien años pertenecen al tipo A. El virus de la gripe aparece bajo tres formas principales, A, B Y C. Las dos últi-

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mas infectan sólo al hombre y nunca han causado pandemias. Los virus de tipo A, sin embargo, infectan a una amplia varieda d de animales: aves, cerdos, caballos, hombres y otros ma­ míferos. Las aves acuáticas actúan como "reservorios" naturales de todos los subtipos conocidos del virus de tipo A, lo que significa que los virus infectan el aparato digestivo de las aves sin causarles síntomas. Con el tiempo, estas cepas de aves silves­ tres mutan o intercambi an material genético con otras cepas de virus de la gripe; se originan así nuevos vi-

rus que pueden extenderse entre los mam íferos y aves domésticas. El ciclo biológico y la estructura del genoma del viru s A de la gripe le permiten desarrollarse e intercam­ biar genes con facilidad. El material genético del virus consiste en ocho segmentos de ARN incluid os en una cápside de lipoproteínas. Para repro ­ ducirse, el virus se une a una célula viva, a continuación entra en ella y comienza a dirigir la maquin aria ce­ lular, induciéndola a fabricar nuevas proteínas víricas y copias adicionales del ARN vírico. Estos fragmentos se

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Núcleo

Célula huésped

Cepa1

REDISTRIBUCION . Cuando dos virus diferentes infectan a la mismacélula, aparecen nuevas cepas del virus de la gripe (arriba). Copiasde su ARN se mezclan y producen una progenie creadacon la combinación génicade ambos virus parentales. De este modo, una cepa de virus de la gripe animal o aviarpuedeganargenes que le confieran la capacidad de difundirse con mayor facilidad en el hombre.

ensa mblan para for mar nuevos vi­ rus, que salen de la célula huésped e infec tan a otras cé lulas . Ningún meca nism o de edición comprue ba la corrección de las copias de ARN, su exactitud; de ahí que abunden los errores y aparezcan nuevas mutacio­ nes. Es más, si dos cepas diferentes de virus gripal infectan una misma célula, sus segmentos de ARN pue­ den mezclarse libremente en su inte­ rior y producir progenies víricas que contienen una combinación de genes procedentes de ambos virus origina­ les. Tamaño reparto de genes víricos

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constituye un importante mecanismo de generación de cepas novedosas. Los distintos virus A de la gripe circulantes se iden tifican en fun­ ción de dos proteínas de superficie: hemaglutinina (HA) y neuraminid a­ sa (NA). La hemaglutinina tiene al menos quince varia ntes o subtipos conocidos; la neuraminid asa presenta nueve subtipos. La exposición a estas proteínas produce en el huésped dife­ rentes anticuerpos; la cepa 1918 fue la primera en denominarse "H 1N 1", en función de los anticuerpos halla­ dos en el torrente sanguíneo de los supervivientes de la pandemia. Des­ cendientes menos letales del H 1N 1 fueron los virus de la gripe que predo­ minaron hasta 1957: ese año apareció un virus H2N2 responsable de una pandemia. Desde 1968 ha prevalecido el subtipo H3N 2, que provocó una pandemia en esa fecha. Los subtipos de las proteínas HA y NA presentes en un virus de la gripe de tipo A dado son algo más que meros identificadores. Result an impresc indibles para la reproducc ión del virus y son el prim er obje tivo del sistema inmun itario de un huésped infectado. La molécula HA comienza la infección fijándose a los rece pto­ res de superficie de algunas cé lulas del huésped. Sue len ser éstas, en los mamíferos, células de revestim iento del tracto respiratorio ; en las aves, células de reves timiento del trac to intestinal. La proteína NA dej a que las nuevas réplicas del virus aban­ donen la célula huésped y pasen a infectar a otras células. Tras la primera exposición de un huésped a un subtipo HA, los anti­ cuerpos bloquearán en el futuro la unión de los rece ptores ; grac ias a ello , se evitan reinfecc iones de la misma cepa . Con regularidad perió­ dica aparece n virus de la gripe con subtipos HA nuevos para el homb re, fruto de recomb inaciones con la gran ca ntidad de vir us de la gripe que infectan a las aves silvestres . Ahora bien, los virus HA provenientes de huéspedes aviares no acostumbran for mar uniones con los receptores de superficie present es en el tracto res­ piratorio del hombre. Ello significa que deberá modificarse la afinidad de fijación de la HA vírica para que el virus consiga replicarse y difun dirse en el hombr e. Las pruebas existentes sugería n, hasta hace poco, que un

virus co mpleto de gripe aviar no po­ día infectar directamente al hombre; pero en 1997, en Hong Kong, 18 personas se infectaron con un virus H5N 1 de la gripe av iar y seis de ellas muri eron. Bro tes de una versión aún más patógena de esta cepa H5NI se ex­ tendieron entre las aves de corral en Asia en 2003 y 2004. Murieron más de 30 personas infectadas con este virus en Vietnam y Tailandia. La virulencia de un virus de la gri pe, una vez ha infec tado a un huésped , se determin a por una com­ pleja ser ie de factores; entre ellos: rapidez con que el virus penetra en los tejidos, velocidad de replicación e intensidad de la respu esta inmuni­ taria del huésped ante el intru so. El comprender, pues, con exactitud qué hizo tan infecciosa y tan virulenta a la cepa del virus de la gripe pan­ démica de 1918 puede ayudarnos a entender qué convierte a una cepa causante de esta enfermedad en una amenaza.

El rostro de un asesino Con el ARN del virus 1918 que ha­ bíamos recuperado, nos servimos de los propios genes víri cos, a modo de patrón, para fabricar sus compo­ nentes; en particular, frag mentos del virus ases ino. En nuestra búsqueda de las peculiaridades que confirieron su desorbitada virul encia a la cepa de 191 8, nos apremiaba empezar por la proteína hemaglutinina. Observamos que el fragmento de HA 1918 que se fija a la célul a hués­ ped venía a coincidir con el lugar de fijación de la HA de un virus de la gripe exclusivamente aviar. En dos de los virus 1918 aislados, ese sitio de unión del rece ptor diverge del aviar en un aminoácido. En los tres res­ tantes, se encuentra alterado, además, un segundo aminoáci do . Estas sutiles mutaciones quizá representen el cam­ bio mínimo necesario que permite a un tipo HA aviar fij arse a receptores de mamíferos. Aunque conseguir una nueva afini­ dad de unión constituye un requisito esencial para que el virus infecte a otro tipo de huésped, ello no basta para justificar la extraordinaria leta­ lidad de la cepa de 1918. Para acotar rasgos directamente vinculados con la virulencia, volvimos a las secuen­ cias gé nicas ; co nside ramos, entre

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MANIPULACION GENETICA DEL VIRUS DE LA GRIPE

El análisis de los genes del virus 1918 no aportó razones mutación, bien por adquisición de nuevos genes en un proceso suficientes que justificaran la virulencia de la cepa pandémi­ de recombinación con cepas circulantes de virus de la gripe ca. Ante esa limitación, nuestro grupo recurrió a la genética humana. Esta fatal evolución incrementaría la posibilidad de una inversa, método que parte de las proteínas para desentrañar pandemia humana. Con la esperanza de predecir y, por tanto, la función de los genes que las codifican. prevenir tal desastre, los investigadores En colaboración con investigadores de otras del CDC y de la Universidad de Erasmus ~~'-.cu" instituciones de la nación - facultad de han acordado investigar combinaciones JVVVVV Copias medicina Monte Sinaí, Centros de Control de H5N1 con cepas comunes de virus """"""-""" ~~ de los genes y Prevención de las Enfermedades (CDC), de la gripe humana para confirmar la ..... ~'"' '\...",.q"..q., departamento de agricultura, Universidad de posibilidad de que los virus recombinan­ Washington e Instituto Scripps de Investiga­ tes surjan de forma natural y determinar ción-, "construimos" virus de la gripe que su virulencia en la población. contenían uno o más genes del virus 1918; Los resultados de estos experimentos nos guiaba un interés común: conocer el y el trabajo de nuestro grupo sobre el mecanismo de actuación de esos virus re­ virus 1918 son cruciales para comprender combinantes en cultivos celulares animales cómo aparece una cepa pandémica del y humanos. virus de la gripe y por qué los genes Para fabricar tales virus, recurrimos a víricos causan la enfermedad. A propósito la genética inversa basada en plásmidos. de las objeciones planteadas por algunos Cultivo en torno a la seguridad en la experimen­ Mediante esa técnica, se copia en ADN los celular tación con cepas letales del virus de la genes del virus de la gripe, que habitual­ mente existen en su forma ARN. Cada copia gripe, hemos de aciarar que todos los del ADN del gen se inserta en un plásmido pasos de la investigación se realizan en (un anillo sutil de ADN). Se pueden inyectar laboratorios diseñados para trabajar con combinaciones diferentes de estos plásmi­ virus de la gripe muy agresivos. dos en el interior de células; la maquinaria A mayor abundamiento, la recons­ Nuevo celular ejecutará luego las instrucciones que trucción de proteínas del virus 1918 nos virus portan y fabricará virus de la gripe con la permitió comprobar que los fármacos de la gripe disponibles -la amantadine o los nuevos combinación de genes deseada. La genética inversa no sólo nos ha permi­ inhibidores de la neuraminidasa como el tido estudiar el virus 1918, sino que ha po­ oseltamivir (Tamiflu)- resultarían eficaces LA GENETlCA INVE RSA basada en sibilitado también la investigación del grado contra la cepa 1918 en el caso de una plásmidos permite crear virus de la de amenaza que representa para el hombre infección accidental. Los virus H5N1 son gripe específicos. Se insertan copias el virus H5N1 de la gripe aviar. Desde enero también sensibles a los inhibidores de la de ADN de los genes de dos cepas neuraminidasa. de 2004, esta cepa, presente en aves de 10 diferentes de virus de la gripe (azu! Un grupo mixto de investigadores, países asiáticos, ha infectado a más de 40 norteamericanos y británicos, acaba de personas, matando a una treintena de ellas. y rojo) en plásmidos. Esos anillos aplicar la genética inversa basada en Uno de los fallecidos fue una madre que, de ADN, portadores de genes, se plásmidos para crear una cepa seminal según parece, se contagió de su hija y no inyectan en un cultivo celular. Las directamente de un ave. de una vacuna humana contra la H5N1. células fabrican virus de la gripe Hicieron una versión del virus H5N1 en Este tipo de transmisión horizontal, de completos, con la combinació n de hombre a hombre, sugiere que en su caso la que se habían eliminado sus carac­ genes deseada. el virus aviar se habría adaptado para teres más dañinos. La vacuna H5N1 ha difundirse mejor entre los humanos, bien por pasado ya a la fase de ensayo elínico. ~~,-~~.oq,.

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ellos, dos mutaciones conocidas en otros virus de la gripe. Una mutación concierne al gen HA: para activarse en una célula, la proteína HA ha de partirse en dos fragmentos; la división corre a cargo de una enzima intestinal específica - una proteasa- suminis­ trada por el huésped. Algunos virus de la gripe aviar, de los subtipos H5 y H7, adqui eren una mutación génica que añade uno o más aminoác idos básicos al lugar de segmentación; ello permit e que proteasas del huésped ac­ tiven la HA. En las aves de corral, la infección por uno de estos virus afecta a un gran número de órganos, incluid o al sistema nervioso central, con tasas de mortal idad muy eleva­

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das. Esta mutación se ha observado en los virus H5N I, activos ahora en Asia. No la hemos encontrado en el virus 1918. La otra mutación con efec tos im­ portantes sobre la virulencia concierne al gen NA de dos cepas del virus de la gripe que infecta a los ratones. De nuevo, la mutación de un aminoácido permite que el virus se repliqu e en muchos tejid os diferentes del organis­ mo y estas cepas gripales son letales en ratones de laboratorio. Tampoco hemos visto esta mutación del NA que apareció en el virus 1918. Puesto que el análisis de los genes del virus 1918 no revelaba ninguna característica que diera razón de letal

virulencia, decidimos abrir otra línea de investigación. Co menzamos a co­ laborar con otras instituciones para reprodu cir fragmentos del virus y ob­ servar sus efectos en tejidos vivos. Recurrimos a una técnica recient e, la genética inversa basada en plásmi ­ dos. La aplicación de ese método nos facultaba para copiar seg mentos del virus 1918 y combinarlos co n genes de una cepa existent e de virus gripal, con lo se obtenía un virus híbr ido . A mod o de eje mplo, podemo s com­ binar una ce pa del virus de la gripe de los ratones co n genes del virus 1918. Luego, si infectamos a un ani­ mal o a un cultivo de tejido hum an o con es te virus "s inté tico" podremos

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co mprobar en qué co mponentes de la ce pa pand émi ca se escondía la clave de su patogeni cid ad . La capacidad del virus 1918 para produ cir una grave alterac ión del tracto respir atori o, superior o infe­ rior, induce a pensar que se replicaba con suma celeridad y pasaba presto de cé lula a cé lula. Se sabe que la proteína v írica NS I impid e la síntesis del interferón (IFN) tipo 1, un siste­ ma de "alerta precoz" que las células utili zan para desplegar la respuesta inmunit ari a contra la infección vírica. Cuando analizamos virus recombinan­ tes en un cultivo de células de tejido pulmonar hum ano, descubrimos que el virus portador del gen NS 1 1918 bloqu eaba co n eficacia realzad a el sistema IFN tipo 1 del huésped. Hasta la fec ha, hem os obtenido re­ co mbinac iones de virus de la gripe que co ntienen entre dos y cinco genes del virus 1918. Hallamos que todos los virus recomb inantes en posesión de los ge nes HA y NA del virus 1918 eran letales en el ratón y producían graves daños en el pulmón, semejan­ tes a los vistos en las vícti mas de la pandem ia. Cuando exa minamos estos tejid os pulm onar es, aparecieron huellas de la activación gén ica impli ­ cada en las respuestas inflamatori as norm ales. Resul tó adem ás evide nte una activac ión superior a la norm al de los ge nes asociados a las célu­ las T y los macrófagos (" peones de Adaptada al hombre

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En busca de los orígenes Para aborda r las relaciones entre los virus de la gripe, hemos de ac udir a la filogenética. La co nstrucc ión de hip otéticos dendrogramas de par en-

Adaptada a las aves

Gripe de 1918

3. LA HEMAGLUTINI NA IHA) de la cepa de la gripe 1918 se reconstruyó a partir de su secuencia genética. Se abordó entonces el examen de aquella parte de la misma que se unía al ácido siálico de la célula huésped, paso necesario para la penetración del virus. Los lugares de unión de la HA tienen configuraciones muy diferentes, lo que dificulta la infección cruzada de especies . Por ejemplo, la HA tipo H3 adaptada al hombre posee una amplia cavidad en mitad de su lugar de unión (izquierda); estrecha es, por contra, la cavi­ dad del H5 aviar (centro) . La HA tipo H1 1918 (derecha) se acerca más a la forma aviar, con unas mínimas diferencias en la secuencia de aminoácidos, sus bloques constructores. Una de estas alteraciones (arriba a la derecha) dilata ligeramente la cavidad central, lo suficiente para dejar que un virus de la gripe con este HA tipo aviar infectara a centena­ res de millones de personas entre 1918 y 1919.

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tesco se funda en un do ble criterio: la sec uencia de ge nes víricos y la tasa de mut ación gé nica. Pues to que el geno ma de un virus gripal se co m­ pone de ocho seg mentos de ARN, que en la recombinación ca mbian de lugar, los est udios evolutivos deben reali zar se de forma ind ep endi en te para cada segmento. Hemos termin ado el análisis de cin­ co de los ocho segmentos de ARN del virus 1918. Por ahora, las co m­ paracion es entre los ge nes del virus 1918 y los de un gran números de virus de la gripe hum ana , porcina y aviar incluyen siempre a aquél entre las familias humana y porcina, fuera del grupo aviar. Sin emba rgo, los ge­ nes del virus 1918 co mparten ciertos rasgos con el virus aviar; cabe, pues, sospec har que el virus surgiera en un reservori o aviar antes de 1918. En ese año, el virus se había adaptado a los mamíferos y actuó como un virus humano pandémico. Pero, ¿dónde? Cuando analizamos el gen de la he­ maglutinina 1918, encontramos que su secuencia divergía de las secuencias génicas aviares más que los subtipos H2 1957 Y H3 1968 . Por tanto, o bien el gen HA 1918 había pasado un tiemp o en un huésped intermedio en el que acumuló numerosos cambios respec to a la secuencia aviar original, o bien el gen procedía directamente de un virus aviar muy diferente de las secuencias H 1 aviares conocidas . Para resolver si los genes H I cam­ biaron de forma sustantiva en el trans­ curso de los ochenta años subsiguien­ tes a la pandemia de 1918, entramos en contacto con expe rtos del Museo de Historia Natural (Institución Smith ­ soniana) y de la Universidad de ühio. Tras exa minar un extenso número de aves de ese período, nuestro grupo aisló una cepa del virus subtipo H 1 de un ganso Bra nt caza do en 1917 y conservado en etanol en las vitrinas de aves del museo. Su estudio reveló que la secuencia H I aviar 1917 guardaba una estrecha relación con cepas H I norteamericana s aviares modernas, lo que suge ría que las sec uencias aviares habían cambiado poco en los último s ocho decenios. Un trabajo pormenori­ zado de sec uenciación de otras cepa s H 1 de aves silvestres quizá nos ayuda­ ría a identificar una cepa que revelara mayor cercanía a la HA 1918, pero entra dentro de lo posibl e que no exis­ ta ningun a cepa H I aviar semejante a

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respiratorio agudo severo (SARS) , pasó a los humanos desde un huésped animal todavía por identi ficar.

Arbol familiar de la gripe En la búsqueda de las claves del origen Yamagata 1989 de la hemaglutinina (HA) del virus 1918, Massachusetts 1990 analizamos las secuencias génicas Estocolmo 1990 del subtipo H1 de la HA de varias Fiji1988 cepas del virus de la gripe. Con esos datos, construimos su árbol filogenético. U.R.S.S. 1977 Las muestras de la cepa 1918 FortMonmouth 1947 (Carolina del Sur, Nueva York, Leningrado 1954 Brasil 1978 Brevig) se inscriben en la familia de los virus de la gripe adapPuerto Rico 1934 tados al hombre. La distancia Cambridge 1939 que media entre el gen H11918 Wilson Smith 1933 Wilson Smith N 1933 y la familia aviar conocida relleja que se originó en una CAROLINA DELSUR 1918 NUEVA YORK 1918 cepa del virus de la gripe BREVIG 1918 aviar, si bien evolur-------j lowa 1930 donó en un huésped lowa 1937 sin identificar antes IIlinois 1963 de emerger en 1918. Nebraska 1992 Respalda esta afir­ Ehime 1980 mación el hecho de San Jacinto 1991 que una cepa aviar lowa 1988 de la misma época Nueva Jersey 1976 conservada en un Hong Kong 1974 Italia 1981 ganso Brant (Alaska Alberta 1976 1917) distara, en Wisconsin 1980b términos evolutivos, Wisconsin 1980a de la cepa 1918 Tennessee 1985 y se acercara a los Minnesota 1981 virus de la gripe ALASKA 1917 aviar modernos. Hong Kong 1976 Hong Kong /8/76 Alemania 1987 Australia/749/80 Alemania 1991 Alemania 1990 Baviera 1977 Hong Kong 1976 Hong Kong 1977

la cepa 1918; por una razón poderosa: la HA no se recombinó directamente a partir de una cepa aviar. En este caso, debió haber algún huésped interm edio. Quizá fuera el cerdo, animal sensible a los virus human os y a los aviares . Hubo brotes simultáneos de gripe en humanos y en cerdos dur ante la pand emi a de 1918, pero pensamo s que la trans­ misión se produjo del hombre al cerdo. La historia nos ofrece múlti­ ples eje mplos de cepas de virus de la gripe A hum ana que han infectado cerd os desde 1918; por contra, sólo de forma esporádica se han aislado en hum anos cepas de gripe porcina. No obsta nte, con el fin de estudiar la posibilidad de que el HA 1918 hubiera empezado como una form a aviar que poco a poco se hubi era adaptado a huéspedes mamíferos a

52

Investigación abierta ~ .o

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través del cerd o, recurrimos a un prototipo moderno de desarroll o de virus aviares en cerdos. Se tratab a de un lin aje del virus de la gripe H1N1 aviar, establecido en cerdos europeos desde hace 25 años. ¿Qué descubrimos? Ni siquiera 20 años de evolución en cerd os habían produ­ cido, en las secuencias aviares, la cantidad de cambi os que presentaba la cepa pandémica 1918. Cuando aco metimos este tipo de análisis en otros cuatro ge nes del virus 1918 llegamos a idénti ca con­ clusión: el viru s que produjo la pan­ demia de 191 8 pudo muy bien haber sido una cepa aviar; ésta, aislada en el curso de la evolución, a partir del reservorio del gen de la gripe, carac ­ terístico de aves acuáticas silvestres durante un tie mpo. Ese virus, a la manera del coronavirus del síndro me

Nuest ros análisis de cinco segmentos ARN del virus 191 8 han arrojado alguna luz sobre su origen y sugieren que el virus pand émic o no procedía del cerdo, sino que era el antecesor común de los linaj es HI N I hum ano y porcino posteriores. Hasta la fe­ cha, el análisis de los genes víricos no ha dado las claves definitivas de la exce pcional letalid ad de la cepa del virus 191 8. Ello no obstante, los experimentos desarroll ados con virus creados in vitro, que portab an incorporados genes 1918, indican que algunas proteínas víricas del mismo provocaban su rápid a multipli cación y produ cían una respu esta inmunita­ ria devastad ora en el huésped. En futuros trabajos esperamos em­ plazar la cepa del virus pandémico 1918 en el contexto de los virus de la gripe que le precedieron y sucedieron. El precursor directo del virus pandé­ mico, la cepa vírica primaria (oleada de primavera), no tenía la virulencia de la oleada de otoño y parece que se diseminó con mayor lentitud. Es tamos ahora bu scand o mues­ tras de ARN gripal en víctimas de la oleada de prim avera para iden­ tificar cualquier diferencia genética entre ambas cepas que contribuya a dilucidar el porqué de la malignidad superior de la oleada de otoño. En la misma senda, el hallazgo de muestras de ARN de la gripe humana ante­ riores a 1918 ayud aría a esclarecer qué segmentos génicos del virus 1918 eran novedosos para el hombre. La inusual , por elevada, mortalidad entre los jó venes durante la pandemia de 1918 podrí a ju stifica rse si el virus compartiera rasgos con cepas que ya habían circulado, frente a las cuales la gente mayor se hallara, pues, más o menos inmunizada. Si se encontraran muestras de HI NI de los años veinte y posteriores, podríamos comprender mejor la evolución del viru s 191 8 hacia formas de menor virulencia. Importa no olvidar que nos halla­ mos lejos de conocer los mecanismos medi ante los cuales se originan las cepas de pandemias gripales. Las ce­ pas de las pandemias de 1957 y 1968 present aban proteínas HA semejantes a las aviar es; pudieron, pues, ori-

INVESTIGA CiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

La perseverancia merece la pena Johan Hultin, estudiante de medicina, se propuso pasar el verano de 1940 en Alaska. En la

capital , Fairbanks, dio con unos misioneros luteranos que le hablaron de la pandemia de gripe de

1918 sufrida por varios pueblos inuit. Uno de ellos, un pequeño asentamiento en la península

de Seward llamado Teller Mission, fue borrado del mapa en noviembre de 1918. Los misioneros

de entonces tuvieron que pedir ayuda al ejército para enterrar los cuerpos de las 72 víctimas en

una fosa común , que señalaron con dos cruces.

Cautivado por el relato, Hultin (a la derecha, situado en el centro y abajo) marchó a la

Universidad de lowa para comenzar sus estudios de doctorado en microbiología. Allí continuó

pensando en la pandemia de 1918 y se preguntó si el mortífero virus desencadenante podría re­

cuperarse de los cuerpos conservados en el permafrost de Alaska para su estudio. En el verano

de 1951 , Hulting convenció a otros dos claustrales de la Universidad de lowa, un virólogo y un

patólogo, para que visitaran el pueblo, ahora llamado Brevig Mission. Con permiso de los ancia­

nos de la tribu, excavaron la fosa y sacaron muestras de tejido pulmonar de varias víctimas.

De vuelta a lowa, el equipo intentó con ahínco el cultivo de virus a partir de las muestras, sin éxito. Visto desde hoy, quizá fuera porque no existían entonces los medios necesarios para trabajar con patógenos peligrosos. Hultin, decepcionado, dejó la tesis de doctorado para especializarse en patología. En 1997, ya retirado en San Francisco, llegó a sus manos nuestro primer artículo sobre los genes 1918, obtenidos de muestras de autopsias. La lectura de lo allí descrito le hizo recuperar la esperanza de encontrar el virus 1918 completo. Me escribió, impaciente por intentar obtener nuevas muestras de pulmón de Brevig Mission para que nosotros trabajáramos con ellas. Se ofreció para una visita inmediata a Alaska. Acepté acompañarle. Hultin localizó también a sus compañeros de la expedición de 1951 y les preguntó si habían guardado alguna de las muestras originales de Brevig. Pensábamos que estas muestras de tejido obtenidas 33 años después de la pandemia y posteriormente conservadas estarían en mejores condiciones que las muestras obtenidas después. Uno de los colegas de Hultin había guardado el material en un almacén durante años, pero finalmente pensó que no tenía ninguna utilidad y terminó por desecharlo. Dispuso de las últimas muestras hasta un año antes, en 1996. En 1997 las autoridades de Brevig Mission concedieron de nuevo permiso a Hultin para excavar la fosa de 1918. Esta vez encontró el cuerpo de una mujer joven, que había padecido obesidad. Supo de inmediato que sus muestras de tejido contendrían el virus de 1918; junto a las bajas temperaturas, la gruesa capa de grasa de la mujer había conser­ vado casi inalterados sus pulmones. No se equivocaba: las muestras nos proporcionaron el genoma completo del virus de la pandemia de 1918.

ginarse a partir de recomb inaciones directas entre cepas vírica s humanas y aviares. Pero se ignoran las circuns­ tancia s real es en las que se producen estas recombinaciones. En definitiva, nadie sabe cuánto tiemp o necesita una cepa nueva para desencad enar una pand emia en el homb re. La cepa de la pandemia de 1918 re­ viste inclu so mayor complej idad. Sus secuencias génicas no se corrcs pon-

den ni con una recombinación directa a partir de una cepa aviar, ni con una adaptación de una cepa aviar en el cerdo. Si se comprobara que el virus 1918 había obtenido nuevos genes a través de un mecanismo diferente del que emplearon las cepas de pande­ mias posteriores, ello acarrearía con­ secuencias de la mayor import ancia para la salud pública. La excepcional virulencia de la cepa de 1918 podría

tener otro origen. La secuenciación de mucho s más virus de gripe aviar y la búsqued a de huéspedes alternativos diferentes del cerdo (aves de corral, aves silvestres o caballos, entre otros) podría arrojar más luz sobre el origen de la pandemia de 1918. Hasta que comprendamos mejor cómo nacieron estas cepas, las tareas de detección y prevención vigilan el comienzo de la próxim a pandemia.

Los autores

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1

Jeffery K. Taubenberger, Ann H. Reid y Thomas G. Fanning se hallan adscritos al Instituto de Patología de las Fuerzas Armadas en Rockville. En 1993, Taubenberger, patólogo molecular, participó en la fundación de un laboratorio dedicado al diagnóstico molecular de las enfermedades. Los trabajos de Reid, bióloga de formación, permitieron al grupo desarrollar las técnicas de extracción de ADN y ARN de tejidos dañados o en putrefacción; con la aplicación de las mismas se recuperaron fragmentos de los genes del virus de la gripe 1918. Fanning, experto en la evolución de los genomas, se ocupó de desentrañar las relaciones de estos genes con otros virus animales y humanos de la gripe.

Bibliografía complementaria AMERIGA'S FORGOTTEN PANOEMIG: THE INFLUENZA OF 1918. Segunda edición. Alfred W. Crosby. Cambridge University Press; 2003. THE ORIGIN OF THE 1918 PANOEMIG INFLUENZA VIRUS: A CONTINUING ENIGMA. Ann H. Reid y Jeffery K. Taubenberger en Journa/ of Genera/ Vir%gy, vol. 84, parte 9, páginas 2285·2292; septiembre 2003. GLOBAL HOST IMMUNE RESPONSE: PATHOGENESIS ANO TRANSGRIPTIONAL PROFILlNG OF TVPE A INFLUENZA VIRUSES EXPRESSING THE HEMAGGLUTININ ANO NEURAMINIDASE GENES FROM THE 1918 PANOEMIG VIRUS. J. C. Kash, C. F. Basler, A. García·Sastre, V. Cartera, R. Billharz, D. E. Swayne, R. M. Przygodzki, J. K. Taubenberger, J. G. Katze y T. M. Tumpey en Journa/ of Vir%gy, vol. 78, n.O 17, páginas 9499·9511 ; sep­ tiembre 2004.

INVESTIGACiÓN VCIENCIA, marzo, 2005

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Criptografía cuántica comercial La criptografía cuántica no pertenece a la mera teoría. Pasó del papel a los laboratorios y, ahora, se materializa en productos tangibles, puestos a la venta Gary Stix

harles Bennett no tiene mucha experiencia en el laboratorio. De él se cuenta una de esas típicas anécdotas de físicos dis­ traídos, de teóricos que, ausentes del mundo tangible, causan pequeños desastres; quemó, dicen, una tetera hasta cambiarle el color. Y sin embargo, a él y a sus colegas John A. Smolin y Gilles Brassard se les debe un experimento fundamental, que demostró en 1989 la existencia de una nueva criptografía basada en los principios de la mecánica cuántica. En aquel experimento los fotones recorrieron un canal de 30 centímetros dentro de una cavidad impermeable a la luz a la que llaman "el ataúd de la tía Marta" . La dirección en que oscilaban los fotones, su polarización, representaba los O o los 1 de una serie de bits cuánticos, o qubits. Los qubits contenían una clave criptográfica que valía para cifrar o descifrar un mensaje. Salvábase de intromisiones la clave con el principio de in­ certidumbre de Heisenberg, uno de los fundamentos de la física cuántica: la medida de una propiedad de un estado cuántico perturbará otra. En un sistema criptográfico cuántico, cualquier intruso que quiera fisgonear en un haz de fotones los alterará. Esa perturbación no les pasará inadvertida ni al remitente ni al receptor. Se garantiza así, al menos en principio, la perfecta seguridad de las claves criptográficas . Hoy en día, la criptografía cuántica ha recorrido un largo camino desde aquella precaria exhibición. Ya hay dos pequeñas empresas que venden sistemas criptográficos cuánticos; otros productos semejantes vie­ nen de camino. Con este nuevo método de encriptación, la ciencia de la información cuántica, que combina la mecánica cuántica y la teoría de la información, llega al mercado. El dispositivo supremo que podría darnos sería una computadora cuántica tan potente, que no hubiese otra protección contra su prodigiosa capacidad de descifrar mensajes que la criptografía cuántica. La criptografía segura requiere que las claves con que se cifran y descifran los mensajes no puedan ser descubiertas por terceros. La criptografía de clave pública es una forma de proveer claves secretas de manera que la encriptación efectuada por una de las partes sólo pueda ser desencriptada por la otra y por nadie más; y ello, pese a que parte de la información pertinente sea de dominio público. La seguridad del procedimiento depende de la dificultad inherente a ciertos problemas matemáticos; en especial, INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo,

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CLAVES QUE LA MECANICA CUANTICA MANTIENE SECRETAS Alicia y Bob intentan mantener en secreto una clave de criptografía cuántica . Para ello, la transmiten en forma de fotones polari zados, proced imiento ideado por Charles Bennett , de IBM, y Gilles Bras­ sard, de la Universidad de Montreal, durante los años ochenta y ahora materializado en algunos incipientes productos comerciales .

Modo de polarización recto

1

Para crear una clave, Alicia envía un fotón a través de la rendija O o de la 1 de unos

filt ros polarizantes rectos o diagonales ; mientras,

anota las distintas orientaciones.

~

Modo de polarización diagonal

Valor establecido del bit

Para cada bit que llega , Bob elige aleator ia­

mente qué filtro utiliza para la detección y

anota tanto la polarización como el valor del bit.

2

3

3

Eva quiere espiar el tren de fotones, pero la mecánica cuántica le prohíbe usar a la vez ambos filtros para detectar la orie ntación de

cada fotón. Si elige el filtro incorrecto, modificará su polarización y creará errores.

O

Eva

Filtro de detección

2

1

Filtro de polarización Alicia

Fotón transmitido

.- ­ Filtro de detección

Láser

O

Secuencia de bitsde Alicia:

O

1

~

-,

{o

{o

O

~

{o O

{o

Mediciones de bits de 80b:

o

O

O

Secuencia de bitsconservados

(la clave):

o

O

/

Losmodos de detección de 80b:

{o

Una vez que todos los fotones han llegado a Bob, éste le dice a Alicia, por un canal público , quizá por teléfono

o con un correo electrón ico, la secuencia

de modos de medición que utilizó para

los fotones entrantes, pero no el valor

del bit de los fotones .

4

1

O

/ {o

Los filtros de Alicia:

-, {o

4

Alicia

({o x {o {o x {o {o {o {o~

5

l +'"

x v'• •

~v'+'"•

+'"• J

Bob

Alicia le dice a Bob, durante la mis­ ma conversación , en qué casos eligió correctame nte. Los correspond ientes bits formarán la clave que Alicia y Bob utilizarán para cifra r los mensajes.

5

56

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

el de factorizar un número. Es fácil calcular el producto de dos números grandes, pero dificilís imo volver lo a factoriza r en números primos . En esa asimetría se basa el algor itmo de cifrado RSA, muy usado en la crip­ tografía de clave pública . El mensaje confidencial que se trans fiere entre el remi tente y el receptor, previamen­ te convertido por un procedimiento estánda r en un número, se encripta medi ante una operació n matemáti­ ca en la que intervienen un número grande, digamos que 40850809 1 (en la práctica ser ía mucho mayor), y otro número relacionado con los fac­ tores prim os -en este caso 18.313 y 22.307- del prim ero . Quebrar un cifrado de clave públi ­ ca resulta tan difícil, que el secreto de las claves se puede mantener durante una docena de años, como poco. Pero el adve nimiento de la era de la infor­ mación cuántica, y en particular de computadores cuánticos capaces de realizar con rapidez fac torizac iones monstruosas, supondría seguramente el declive final del RSA y de otros método s criptográficos. Al contra rio que la criptografía de clave públ ica, la criptografía cuánti­ ca seguiría siendo segura, aunque se dispusiese de ordenadores cuánticos. Una forma de enviar una clave crip­ tográfica cuántica entre el remitente y el receptor consiste en que un láser transmita fotones, cada uno polarizado de una de dos maneras. En la primera, la polarización es vertical u horizontal (lo denomin aremos "modo recto"); en la segunda, se orienta 45 grados hacia la izquierda o la derec ha de la vertical ("modo diagonal" ). En cualquiera de los modos, las polarizaciones opues­ tas de los fotones representan un O o un 1 digitales. El remi tente, a quien los criptó­ grafos acos tumbra n llam ar Alic ia, envía una cadena de bits ; para cada fotón, que codificará uno de esos bits, elegirá aleatoriamente si lo envía en el modo recto o en el dia gonal. El receptor, al que se llama Bob, de­ cide al aza r qué les med irá a los bits entrantes, si el modo recto o el diagonal. El principi o de incertidum­ bre de Heisenberg dicta que podrá medir a los bits nada más que un modo. Bo b sólo obtendrá con toda certeza el valor correcto cuando le mida a un bit el mism o modo en que lo envió Alicia.

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EMPRESA

TECNICA

id auantique Ginebra

Envía por fibra óptica claves criptográficas cuánticas a distancias de decenas de kilómetros

Magia Techno logies NuevaYork

Envía por fibra óptica claves criptográficas cuánticas a cien kilómetros de distancia, como máximo; incluye componentes y programas para la integración en redes ya existentes

NEC Tokio

Venderá un producto de fibra óptica muy pronto; en 2004 transfirió en un ensayo claves a la mayor distancia conseguida por ahora, 150 kilómetros

auinetia Farnborough

Ofrece por contrato sistemas que transfieren claves a través del aire a distancias de hasta 10 kilómetros; ha proporcionado uno a SSN Technologies, de Cambridge, Massachusetls

Des pués de la transmi sión , Bob se co munica con Alicia, interc ambio que no tiene ya por qué ser secreto, para decirl e cuál de los dos modos le mid ió a cada fotón . Sin embar­ go, no revela el valor, O o 1, que obtuvo en cada caso. Alicia le dice entonces a Bob cuáles se midi eron en el modo que co rrespondía; am­ bos descartan los demás. Los modo s medid os correc tamente constituyen la cla ve qu e se int roducirá en el algoritmo empleado para encriptar o descifrar el mensaje. Si alguien - lIamémosla Eva- in­ tent a interceptar esta serie de foto­ nes, no podrá medir ambos modos, gracias a Heisenberg. Si Eva mide en el modo incorrecto, aunque re­ envíe los bits a Bob en el mismo modo en que los midió, introducirá errores. Alicia y Bob pueden detectar la presencia de la espía co mparando bits seleccionados y comprobando si hay errores. Desde 2003, dos compañías - id Q uantique, de Gine bra, y Mag iQ Technologies, de Nueva York- han presen tado prod uctos co merciales que envían una clave de criptografía cuántica a más de los 30 centíme­ tros recorridos en el experimento de Bennett. Tras exhibir una distancia de transmisión de ISO kilómetros - la mayor conseg uida-, se espera que NEC presente un producto en el mer­ cado el año que viene. IBM, Fuj itsu y Toshiba trabaja n en lo mism o. Los productos ya comercializados pueden enviar claves por un enlace de fi bra óptica a decenas de kilóme­ tros. Un sistema de MagiQ cues ta de 70.000 a 100.000 dólares. El número

de clientes es aún pequeño; el sistema no se ha imp lantado en ninguna red a gran escala. Ciertos organismos gubernamenta­ les e insti tuciones financi eras temen que un mensaje cifrado espiado hoy se guarde hasta el día en que un or­ denador cuántico pueda descifrarlo . Entre los posib les clie ntes de los sistemas de criptografía cuántica se hallan también los abas tecedores de servicios de telecomuni cacion es que prevén ofrecer a sus cliente s un ser­ vicio ultraseguro. Está n en marcha los primeros in­ tentos de dotar con criptografía cuán­ tica, no a conexiones punto a punto, sino a verdaderas redes. DARPA - la Agencia de Proyectos de Investiga­ ción Avanzados para la Defensa- , el organismo estadounidense que pa­ trocinó los inicios de lo que luego se llamarí a Int ernet, ha financiado una conexión en red de seis nodos pertenecientes a la Universidad de Harvard , la Univers idad de Boston y BBN Technologies, empresa de Cam­ bridge, Massachusetts , que también desemp eñó un pape l fundamental en aquellos orígenes de Int ern et. Las claves cifradas se envían por enlaces reservados, por Internet los mensajes cifrados con ellas. Es la primera red de criptog rafía cuántica que opera sin interrupción fuera de un laboratorio. Se ha crea do sólo para demostrar la viabilidad del procedim iento; no transmite informaciones confidencia­ les. El pasado otoñ o, id Quantique, junto co n Deckpoint, proveedor de serv icios de Int ern et , exhibió una red que un grupo de servidores de Ginebra utilizó para almacenar sus

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LA ENCRIPTACION que involucra estados cuánticos utiliza técnicas tan avanzadas que mucha parte del trabajo todavía se hace en laboratorios; así, éste de MagiO Technologies.

datos a 10 kilómet ro s de distanci a. Un enlace co n encriptación cuá ntica repartía -se trata de un a operac ió n frecuente- nuevas claves . La ac tua l criptografía cuán tica está destinada a aplicarse a redes de alca n­ ce geográfico limitado. En su mayor virtud - que al es piar un mensaj e o cl ave encriptados cuá nticame nte se ca mbie sin rem edi o- está su peor defect o: los disposit ivos qu e restau ­ ran en la red las seña les debilitad as

58

para que se las pueda transmitir hasta el re petido r siguiente no podrían eje ­ cutar esa tar ea con las se ña les que codificaría n las cl aves cu ánticas. Un amp lificado r óptic o co rro mpería los bit s cuánticos, los qubits. Par a qu e pueda hab er un a mayor distanci a entre enlaces, se per sigue que un med io di feren te de la fibra óptica distribu ya las claves cuánticas . Se ha subido a montañ as - do nde la altitud redu ce al mínimo la turbulen-

cia atmosférica- para probar la via­ bilidad de enviar los fot ones a tra vés del aire . Un ex per ime nto, reali zado en e l año 2002 e n e l Labor atori o Nac ional de Los A lamas, es tablec ió un enlace de 10 kil óm etr os. O tro ensayo , ese mism o año, de Qine tiQ, en Farn bo ro ug h, y la Uni­ vers idad Ludw ig M aximilian de M ú­ nich , cubrió 23 kiló metros entre dos cum bres de los Alpes meridionales. Optimizand o es ta técni ca -con ma ­ yo res telescopi os pa ra la dete cci ón y mejor es filtros y recubrimient os antirreflec ta ntes-, se podría co ns­ truir un sis te ma ca paz de tran smitir y rec ibir se ña les a más de 1000 ki­ lóm etros; bastaría par a llegar a los sa té lites situa dos en una órbita te ­ rrest re baj a. Una re d de saté lites de ese tip o ofrecería un a co be rtura mundi al. La Age nc ia Es pac ial Europea ha empezado a proyectar un ex perime n­ to qu e co nec taría un saté lite a tierra. (E n abril del año pasado, la U nió n Euro pea puso en mar cha tambi én pIa­ nes para desarroll ar la encriptació n cuántica en redes de co municac iones; la ha movido a ello, en parte, el deseo de preveni r el es pio naje de Eche lo n, siste ma que intercept a mensajes elec­ tró nicos para los se rvicios de inteli­ ge nc ia de los Estados Unidos, Gran Bret aña y otras naci ones.) En última instancia , los criptóg ra­ fas desean algún tip o de rep etid or cuántico, qu e vendría a ser una forma ele me nta l de co mputado r cu ánti co ca paz de superar las limitaciones de la distancia. Funcio naría gracias a las qu e Alber t Einstein llam ó sp ukhaf­ te Fernwirkungen , "fantasmagóricas acc io nes a distancia" . Un equipo del Instituto de Física Ex per ime ntal de Viena, diri gid o por Anto n Ze ilinge r, ha dad o un prim er pa so ha ci a un repetidor así : en el núm ero de Na ture del 19 de agos to de 2004 informaron de qu e hab ían tendido bajo el Danu­ bio, por un co nduc to del alcantarilla­ do, un cable de fibra óptica co n un fotó n "entrelaza do " en cada extremo. La medida del es tado de polari zación de un o de esos fo to nes es tablecía

INVESTIGACiÓNy CIENCIA, marzo, 2005

inmedi atamen te en el otro un esta do de polarización correlac ionado co n el prim ero - j usto en eso consiste el entrelaza miento . Pese a qu e el entrelaza mie nto cuántico le pareciese fantas magóri­ co a Einste in, les valió a Zei linger y su equipo para que la co nex ión por fibra óptica entre los dos foto­ nes entre laza dos "teletranspo rtase" la inform ación co ntenida en un tercer fotón al otro lado del Da nubio, a 600 metros de distancia. Se podría extende r el montaje med iante re pe­ tidores mú ltipl es, hasta que los qu­ bits de una clave se tra nsmitiese n a través de co ntinentes o de océa nos. Pero ese ca mbio de escala requ eri­ ría la creación de compo nentes muy peculi ares, mem orias cuánt icas, por eje mplo, qu e almace nase n los qubits sin co rromperlos antes de que se los reexpidi era al enlace siguiente . Falta mucho para siquiera acercarse a la fabricac ión de elementos de esa es­ pecie. [Ace rca de un ex perimento un poco anterior, en que se co mprobó qu e el entre lazamiento de foto nes tran smitidos por el aire se man ten ía entre amb as orillas del Da nubio, pero sin que se teletransportase un es tado, véase "Experi mento en el Danubi o", de Ga briel Ma lina Terriza, INVESTI­ GACIÓN Y CIENCIA, agosto de 2004, págs. 40-41 ]. Qui zá se realizaría mej or una me­ moria cuántica co n átomos que co n foton es. Un experimento, publi cado en el núm ero del 22 de octubre de 2004 de Science, ha mostrado una man er a de hacerlo. Basándose en una idea de Lu Mi ng Duan, Mik hail Lukin, Ign acio Cirac y Pe ter Zo ller, do s investi gad ores del Instituto de Tecnolo gía de Geo rgia, Alex Kuz­ mich y Dzmitry Ma tsukevich, entre­ lazaron un par de nubes de átomos de rubidio ultra enfriados para ins­ cribirles un qubi t - las nub es los almace na n mucho más tiemp o que los fo tones- y transferirl o despu és a un fotó n. Traspasaron , pues, in­ formac ión de la materia a la luz, y una memoria cuántica entregó un bit. Esperan crear medi ante ese proce­ dimi ento repetidores que transm itan qubits a largas distancias. La supuest a inviol abili dad de la cr iptog rafía cuántica se apoya sob re un co nj unto de hipótesis que qui zá no se cum plan en el mun do real. Seg ún una de ellas, cada qubit está

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

representado por un fotón y sólo uno. Para efectuar un encriptado cuántico, se dism inuye la energía de un láser que funciona a impul sos hasta que sea poco probable que más de uno de ca da diez de esos impul sos co nte nga un fotón -el resto son "oscuros"-; po r esa razó n es el ritm o de transm i­ sión de datos tan bajo . Pero só lo se trata de una prob abilidad esta dística. El pul so puede contener más de un fotón. Un espía podrí a, en teor ía, ro­ bar los fotones adicionales y descifrar co n ellos un men saje. Un algoritmo de programación - una "a mplifica­ ción de la intimidad"- prot ege de es ta posibilidad enmascarando los valores de los qubits. Los cr iptógrafos quisieran co ntar co n mejores detectores y fuen tes de fotones. El nort eamericano Instituto Nacional de Pes os y Medidas (N IST) es una de las mu chas orga nizaciones qu e invest iga n en esa línea. Tienen interés en co nstruir detect ores que distinga n entre la llegada simultá nea de uno, dos o más fotones . Allí tam­ bién intent an pal iar el probl em a de la lenta velocidad de transmi sión me­ di ante la generación de claves cuán­ ticas a un ritm o de un megabit por seg undo, cien veces más deprisa que hasta ahor a. Basta ría para distribuir cl aves en aplicacio nes de vídeo. La criptografía cuántica, co n todo, seg uiría siendo vulnera ble a c ier to tip o de ataques . Un es pía podría sa bo tea r el detector que recib e los fo to nes haciend o que los qubits que le llegan pasasen a una fibra, do n­ de se los intercept ar ía. Y co ntra la d efecci ón interna , co ntra la mera trai ci ón , no hay defen sa cuá ntica qu e valga .

Bibliografíacomplementaria CRIPTOGRAFIACUÁNTICA. Charles H. Bennett, Gilles Brassard y Artur K. Ekert en Investigación y Ciencia, págs. 14·22; diciembre, 1992. THE COOE BOOK. Simon Singh. Anchor Books, 1999. Se puede encontrar información sobre productos de criptografía cuántica en las páginas Web de id Ouantique (id· quantique.com) y MagiO Technologies (magiqtech.coml.

ha publicado sobre el tema , entre otros , los siguientes artículos :

Caos en la escala cuántica, de Masan A. Porter y Richard L. Liboff Abril 2003 La resolución del problema de los neutrinos solares, de Arthur B. McDonald, J. R. Klein y David L. Wark Abril 2003 Más allá del modelo estándar de la física, de Gordon Kane Agosto 2003 Ident idad cuántica, de Peter Pesic Septiembre 2003 Aguje ros negros en condensados de Ba se-Einstein, de Carlos Barceló y Luis J. Garay Febrero 2004 Borrado cuán tico, de S. P. Walborn, M. O.Terra S. Padua y C. H. Monken Febrero2004 Ata m os del espacio y del tiempo, de LeeSmolin Marzo 2004

CP Prensa Científica, S.A.

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Geometría no conmutativa

y espaciotiempo cuántico

Resultados recientes de la teoría de cuerdas sugieren los primeros modelos de la estructura cuántica del espacio y el tiempo matemáticamente consistentes José L. Fernández Barbón

uriosament e, la prim era teoría relativista de la historia data de 1864, cuando James Clerk Maxwe ll escr ibió sus famosas ecuaciones del electromag netis mo. En la teoría de Maxwell la luz se interpreta como una onda del campo electromag nético. Lo sorprendente es que la velocidad de propagación de estas ondas es una constante, independi ente del estado de movimiento del observador. Por supuesto, esta predicci ón se halla en contradicción directa con la mecánica newtoniana, según la cual la velocidad de cualquier cosa que reciba mos será mayor si nos acercamo s a la fuente, y menor si nos alejamos de ésta. Se comprende así por qué la paul atina verificación experimental de la teo ría de Max well acabó co nducie ndo a una profunda crisis teórica. En esencia, 10 que hizo Einstein en 1905 fue resolver el dilema a favor de Maxwe ll media nte la construcción de una mecánica que fuera compati ble con el extraño comportamiento de la luz. Queda entonces claro que la velocidad de la luz es un límite: si la velocidad de la luz, c, es siempre la misma, no parece posible "perse­ guir" un rayo de luz, y mucho meno s "adelantarlo". En realid ad, tales situaciones son impo sibles porqu e en la teoría de Einstein la inercia de un objeto (su resistencia a la ace leración) aumenta con la velocidad, haciéndose infinita cuando alcanza la velocidad .de la luz. Es decir, hace falta una energía infinit a para dar alcance a un rayo de luz. Para velocidades pequ eñas en co mparación co n la de la :luz (lo que, matemáticamente, viene a ser como tomar un valor infinit o de c) las fórmulas de Einstein se aproximan a las de la mecánica newtoniana. Sin embar­ go, a velocidades cercanas al límite se hacen evide ntes todas las predicciones sorprendentes de la relatividad especial, tales como la contracción longitudinal de los obje tos en la dirección de movimiento, la ralenti zaci ón de los relojes móviles o la famosa equivalencia entre masa y energía: E = 111 C2. Desde el punto de vista matemático el espacio y tiem­ po abso lutos de New ton quedan fusionados en una 60

nueva entidad denominad a espaciottempo, introducida por Hermann Minkowski en 1908. El espaciotiempo de Minkowski tiene cuatro dimensiones, las tres dimensiones espa ciales ordinarias más el tiempo. Aunque es geo mé­ tricamente "plano", matemáticamente result a peculi ar, puesto que el tiemp o se comporta co mo si fuese una coo rdenada espacial, pero con valores en los número s imaginarios. En cualquier caso , la relatividad especial, con el espacio de Minkowski sirviendo de "escenario" pasivo, comparte con la teoría newtoniana el carácter a priori del espaciotie mpo. Pero la relatividad especial no tiene en cuenta los efectos de la gravitación, como si la constante G de Newto n, que determina su inten­ sidad, fuese nula. La segunda parte de la revoluci ón einsteiniana consistió en combinar e y G en una teoría única, la teoría de la relatividad general de 1915. En ella, el espacio tiempo deja de ser pasivo, para adquirir carácter dinámico; el efec to de la gravitación equivale a la curvatura del espac iotiempo de Minkowski. Ya en el siglo XIX, los matemáticos se dieron cuenta de que la geo metría de los espacios con curvatura di­ fiere de la geo metría euclidiana. Un eje mplo sencillo de espacio con curvatura en dos dimensiones es la superfi­ cie de una esfera. De modo análogo, es perfectamente concebibl e que el mund o físico tridim ensional aparezca "c urvado" cuando se lo imagin a inmerso en un espacio de dimensión superior. Esta intuici ón llevó a notables matemáticos del siglo XIX, como Gauss o Riemann , a proponer que la geo metría es una propi edad física que ha de ser determinada experimentalmente. Fue Eins­ tein el que realizó esta idea de forma concreta, con la premisa de que el espaciotiempo adqui ere curvatura en presencia de masas materiales con distribu ciones dad as de energía, de acuerdo con un conjunto de ecuaciones de la forma: CURVATURA = G x DENSIDAD DE ENE RGIA Estas ecuaciones nos dicen que la constante de Newton, G, mide la " rigidez" del propio espaciotiempo, es decir, INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo, 2005

su resistencia a ser curvado por la presenci a de energía (en partic ular, materia). Cuando la densidad de ener­ gía es pequ eña, que correspo nde a campos gravitac ionales débiles o a movimientos lento s en co mparación con la velocidad de la luz, las ecua­ ciones de Einstein se aproximan a la ley de Newton, con pequ eñas des­ viaciones que constituyen los tests clás icos de la relatividad ge nera l (el desplazamiento del perihelio de Mercurio o la curva tura de la luz en torno al Sol). Las ecuaciones de Einstein predicen además fenómenos cualitativamente nuevos, tales como las ondas grav itaciona les, los agu­ jeros negros o la propi a expans ión del universo. Una de las nociones famili ares de la mecánica celeste es la de "veloci­ dad de escape" de un campo gravi­ tacional, definida como la velocidad mínim a necesaria para que un satélite no quede atrap ado en ningun a órbita cerra da. Por eje mplo, para el caso de las sondas espac iales Voyager que se alejan hasta la parte exterior del sis­ tema solar, la velocidad de esca pe es de unos II kilómetros por segundo . Pues bien , la noción de velocidad de esca pe sigue siendo válida en la teoría relativista, y su co nsec uencia más sorprendente es que una masa M comprimid a en una esfe ra de ra­ dio inferior a un cierto valor crítico, R s = 2GM/c 2 , tendría una velocidad de escape superior a la veloci dad de la luz. Esto significa que nada, ni siquiera la propia luz, podría es­ ca par del cam po grav itac ional de esta masa, ju stifi cand o el nomb re de "ag uje ro negro". El radio crítico R s ' denominado radio de Schwarzs­ child, represe nta una superficie de no retorno (llamada horizonte de suce­ sos) ya que, una vez atravesada, es imposible salir de nuevo al exte rior. Para hacernos una idea, el radio de Schwarzschild del So l tiene unos pocos kilómetros. Si toda la masa del Sol se comprimiera por debajo de este radio crítico, la curvat ura del espaciotiempo en la vecindad del Sol sería tal, que se convertiría en un agujero negro. Los aguj eros negros no son sólo soluciones exóticas de las ecuacio nes de Einstein. Su existencia como ob­ jetos astrofísicos asociados a fuentes de rayos X o a los centros de las galaxias está prácticamente aceptada INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

por la comunidad científica. Co mo vere mos, también resultan cruciales en las especulaciones teóricas sob re la teoría cuántica de la gravitación.

El espaciotiempo a través del microscopio cuántico La revolución cuántica fue conce p­ tua lme nte más radi cal. Así co mo la veloc idad de la luz controla la estructura del espacio y del tiemp o en la relatividad, otra constante uni­ versal, h, estab lece otro límite físico infranqueable y dicta el co mporta­ miento de la materia a escala ató­ mica. Representa la acció n mínima posible. La acción (una magnitud fí­ sica menos familiar que la velocidad) es el prod ucto de la energía de un cier to proceso físico por el tiempo carac terístico en el que esa energía es liberada. La constante de Planck es, inás o menos, la acción típica de un electrón en una órbita atómica. Un fe nómeno será clásico cuando su ac­ ció n resulte mucho mayor que (es decir, el límite clás ico corres ponde matemáticamente a -7 O). La naturaleza de está ligada a un carácter fundamentalmente "difuso" de las partícul as subatómicas. Re­ sulta que la idealización matemática de una partícula como un punto que sigue una trayect oria bien definid a es inadecuada cuando la acció n de esa trayec toria es del orden de Es más adecuado im aginar, siguiendo a Feynman, que las partículas cuánticas siguen todas las trayectorias posibles simultáneamente. El movimiento es, al pie de la letr a, un promedio en­ tre todas las posibilidades, cada una con un cierto peso estadístico. Esta carac terización del movimiento de las partículas cuánticas se puede elevar a la categoría de principio fundamen tal de la mecánica cuántica: cuando un proceso se puede realizar a través de varias "histor ias" alternativas, las leyes de la mecánica cuántica dete r­ minan la proba bilidad de que ocurra el proceso mediante un promedio ade­ cuado de todas las posibilidades. Una medida cuantitativa del grado de "fluctuación" de las trayectorias viene dada por la relación de indeter­ minación de Heise nberg . De acuerdo co n este resultado fundamental, el producto de las indetermi naciones en posición, M, y en impul so, !.lP, de una partíc ula ha de ser mayor que la constante de Planck. En fórmulas:

n

ñ

ñ

ñ

.

M !.lP ~ n/2, donde el impul so está

definido como el prod ucto de la masa por la velocidad, P = m X v. Para de­ finir una trayectoria con exa ctitud es necesario especificar la posición y veloc idad de la pa rtíc ula en un momento dado, pero esto es impo­ sible, ya que la precisión abso luta de la posición, M -7 O, implica una incerti dumbre total en la velocidad, !.lP -7 00, Yviceversa. Desde el punto de vista pragmático, la consecuencia más importante de las relaciones de Heisenberg es que los microscopios cuánticos cues tan mu cha energía . En efecto, para estudiar un sistema físico co n una precisió n espacial de orden M, hace falta com unicar un impul so de orde n 111M a esa región del espac io. Como el impul so cues ta energía, se explica así por qué son necesarios aceleradores cada vez más energéticos para estudiar distancias cada vez más diminutas. Las relaciones de Heisen berg son la expresión gráfica de la estruc tura matemática de la mecánica c uántica . Estas matemáticas, un tanto exó ti­ cas, se basan en que la posición y el impul so no son números ordinarios, sino objetos denominados matrices. La característica definitoria de las matr ices es que, al multiplica rlas, el orde n de los factores sí altera el producto. Es lo que se de nomina una multi plicación "no conmutativa". En símbolos: X x P no es lo mismo que P x X en el mundo cuántico, donde 7' O. Es decir, la limitación física impuesta por la existenc ia de está asoc iada a una no co nmutatividad fundame ntal entre posiciones y ve­ locidades. El inten to de aplicar las leyes de la mecánica cuántica a partículas relati­ vistas (con velocidades próximas a c) lleva directamente a la teoría cuántica de campos. La novedad principal de la teoría cuántica de cam pos es que trata de colectivos de partículas, de forma que las partícul as individu ales pueden crearse y destruirse localmen­ te. Segú n la ecuació n de Einste in, E = mc 2 , la energía "co ndensada" en forma de masa no es diferente en esencia de otras formas de energía . Así que la energía de movimiento de partícu las suficienteme nte ráp i­ das puede condensarse en forma de otras par tículas con masa, y vice­ versa; una partícula pesada puede dona r su energía de reposo desinte­ ñ

n

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Gravedad

I I

newtoniana

/ / /

-

general

I

de la relatividad

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I I I

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Mecánica 1cuántica : no relativista

/

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Teoría

-

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Teoría :

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: de la gravedad

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Mecánica newtoniana

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I I

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Mecánica cuántica no relativista

Teoría cuántica de campos

1. MAPA DE LAS TEORIAS FISICAS: según aparezcan en ellas las tres co nstantes funda ­ mentales IG, ñ, el con su valor real o con su límite nulo o infinito. La síntesis final sería una teoría de los fenómenos físicos válida para los valores finitos de e, y G sin tener que tomar límites simplificadores; es decir, una teoría cuántica de la gravitación, que racu­ peraría las demás teorías parciales como límites particulares. Esa teoría sígue represent an­ do la fron tera de la investigación.

n

grándose espontáneam ent e en otras partículas. El prin cipio funda mental de la mecánica cuánti ca nos dice que debem os prom edi ar sobre todas las alternativas posibles en la histori a de un proc eso dado . Por eje mplo, si una partíc ula A se puede desint egrar en otras part ículas B y e, que a su vez se pued en aniquilar mutuament e y crear A, este proceso A ~ B + e ~ A sucederá con una cierta prob abilidad co mo "historia interm edi a" . En un sentido operac ional, las re­ laciones de Heisenb erg siguen siendo ciertas en el caso relati vista, de forma que t0( y !:l.P todavía representan la precisión en la medida de posición y de impu lso, aunque esta medid a no involucre necesariamente una sola partí cul a. Lo que parece una trayec­ toria fluctu ante de una sola partí cula cuand o se analiza co n un "microsco­ pio" de baja reso lución espacial (es decir, co n un ace lera dor de partíc u­ las de baja energía), se vuelve una casca da recurrent e de procesos de creación y aniquilación de múltiples partí cu las al aumentar la energ ía del acelerador. Para procesos a energías muy altas, el impul so y la energía son proporcion ales. De aquí se dedu ce,

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usand o las relacion es de Hei senberg, que la máxim a precisión posible en nuestras medi cione s es inver samente proporciona l a la energía comunicada a la región del espacio, de acuerdo con la fórmula básica L "" li d E. La recu rren cia ad infi nitum en la formación de casca das de partí cul as a medid a que aumentamos la energía es una característica ese ncial de la teoría cuántica de ca mpos que, no obs tante, comp lica mu cho su es ­ tructura matemática. La elaboración del delicado formalismo matemático necesario no se alcanzó hasta 1948 para el caso de las interacciones entre electrones y fotones, con los trab ajos de Schwinge r, Tomonaga, Feynman y Dyso n. Para el resto de las partículas del modelo estándar la so lución no llegaría hasta 1971 , de la mano de los holandeses ' t Hooft y Veltma n. Las teorías de ca mpos que satisface n este rígido req uerimiento matem ático se llaman renorrnalizables en la je rga de los físicos . El actual "modelo es tán­ dar" es la teorí a renormalizable más general co mpatible con su co ntenido en part ículas y sus simetrías . El espaciotiempo de la teoría cuán­ tica de campos es minkowski ano: la

fuerza gravitac ional entre las partícu ­ las subatómicas es tan pequ eña, que los efec tos de G so n despreciab les a escala atómica (es la teoría del límit e G ~ O). Ahora bien , nuestra capac i­ dad de medir las propi edades geo mé­ trica s de l espacio de Minkowsk i que­ da co ndicio nada por las leyes de la mecá nica cuántica . Des de el punt o de vista práctico, es ta limitación se tradu ce en la regla del "microsco pio cuántico" : una preci sión hasta distan­ cias de orden L requi ere la concentra ­ ción de una cant idad de energía li d L. Ade más, la "medida" no puede rea­ lizarse analiza ndo el co mportamiento de partículas individu ales, sino que el aumento de la energía necesariamente trae co nsigo la proli feración de los procesos de creación y aniquilación de partícu las. Los grandes ace lera­ dor es de par tículas , como el LEP, del laborat orio euro peo de física de partículas (CE RN), se convierten así en los micro scopi os más potent es. Alca nzando energías de cien veces la masa en reposo del prot ón, miden la es truct ura del espac iotiempo hasta dista ncias de 10- 15 centímetros, una diez milésima del tamaño del protón. Hasta ahí, se ha comp rob ado que las miles de predicciones del modelo es ­ tánd ar, dependi entes de unos veinte parámetros numéri cos determin ados experimentalmente, represent an una descripción fiel de la física micro s­ có pic a. La próxima ge nerac ión de ace leradores , co mo el Tevatr ón de Fermilab, ya en funcionamiento en EE .UU ., y sobre todo el LHC, en co nst rucc ión en el CERN, constitui­ rán " microsc opios" al menos di ez veces más potentes.

Gravitación cuántica y distancia mínima La iden tificación einsteiniana entre la gravitac ión y la geo metría tiene una co nsec uencia inmediata: que una teo­ ría cuántica de la grav itación impli ca una estructura cuá ntic a del propio es pac iotiempo. Se plantea entonces la cues tión de qué nuevo límite de la Naturaleza será desvelado, por ana ­ logía co n los límites asoc iados a e y A un sin dispon er todavía de una teorí a precisa de la gravitac ión cuán­ tica , podemos ade lantar argumentos que sugieren el est ablecimiento de una distancia física mínima. La aplicac ión dir ecta de las reglas de la mecán ica cuántica a la teor ía ñ.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

de la gravitación de Einstein da lu­ gar a inconsistencias matem áticas. Lo más fác il es intent ar fo rmular una teoría cuántica de las ondas gravita­ cionales, "arrugas" o vibrac iones de la geo metría espac iotemporal simi­ lares a las ondas electromag néticas. Cu ánticamente, se pueden ver como conj untos coherentes de partículas, de la misma manera que una onda elec­ tromagnética es un conjunto coherente de fotones. Los análogos gravitacio­ nales de los fotones se denominan grav itones . A las energías de los laboratorios actuales, los gravitones indi vidu ales inter accion an de manera tan débil, que siempre se han esc apa do a una detección directa. Resulta, sin embar­ go, que las interacciones entre grav i­ tones produ cen casca das de creac ión y aniquilación dem asiado violentas a medid a que consideramos distancias cada vez menores (o energías cada vez mayores), de tal forma que la delicada es tructura matem ática que funcionaba para las dem ás partícu ­ las del mod elo está ndar fracasa es­ trepit osam ent e para los grav itones . En la jerga de los fís icos, la teoría cuánti ca de los grav itones no es re­ normalizable. La experie ncia con otros casos si­ milares de teorías no renormali zables sugiere una explicación posible: que el gravitón no sea una part ícula "fun­ dament al" , sino que tenga "co mpo­ nentes" a una esca la de distancias de­ termin ada por la intensidad intrínseca de la interacción gravitac ional. Si esta idea es conecta, el gravitón revelaría sus compo nentes en la vecindad de la escala de Planck: Lp = --J Ghlc í, la única magnitud con dimen siones de longitud que se puede formar con las tres constantes fundamentales de la física, e, y G. Numérica mente, vale unos 10- 33 centímetros, una distancia fantásticamente pequeña, mucho más allá de nuestra capaci dad técnica en la co nstrucc ión de ace leradores de partículas. La longitud de Planck es importan­ te por otra razón, posibleme nte más ñ

profunda. Hemos visto que necesita­ mos concentrar una energía del orden de ñcll. para alcanzar una resolu ción de distancias de orden L. Pues bien, la energía necesaria para medi r la est ructura del es paciotiernpo con una precisión del orden de la esca la de Planck es tal, qu e en esa región se for ma ría un agujero negro micros­ cópi co con un radi o de Schwarz­ schild del mismo orden de magnitu d. Esto significa que las fluctuaciones cuánticas que ca mbian la estruc tura geo métrica e inclu so topo lógica del espaciotiempo, tales como agujeros negros microscópi cos, son tan im­ portantes como los gravi tones cuan­ do alcanzamos la escala de Plan ck. Esta es la vieja idea de Wheeler, que habló de la estruc tura "es pumosa" del espaciotiempo cuántico. Por otra parte, que las fluct uaciones cuánticas puramente gravitacionales adq uieran la misma magnitud que las fluctuacio­ nes cuánticas descritas por el modelo estándar también sugiere que todas las interacciones de la Naturaleza es tán uni ficadas a distancias del orde n de la esca la de Planck . Un intento de utilizar el microsco­ pio cuántico para mejorar la precisión es pacial más allá de la longitud de Planck requeriría un aume nto de la energía disponible. Como los agu­ jeros negros crecen en tamaño al aume ntar su energía, la consec uen­ cia sería la fo rmac ión de un agu­ jero negro mayor que la long itud de Planck, con lo que no se logra mejorar la precisión. Así pues, re­ sulta que la posibilidad de prod ucir agujeros negros como fluctu aciones cuánticas pone un límite operat ivo al funcionam iento del "m icroscopio de Heisenberg": existiría una dista ncia efec tiva mínim a. Por es ta razó n, los físicos cree n en su mayoría que la construcción de una teoría cuántica de la gravitación requeri rá una revo­ lución de carac terísticas similares a las revo luciones relativista y cuá nti­ ca, en el sentido de que introducir á un nuevo límite en la Na tura leza, ahora en la esc ala de distancias.

El carácter ce ntra l de los agujeros negros cuánticos en los argume ntos anteriores plantea la cuestión de si podemos enco ntrar pistas imp ortan­ tes sobre gravitación cuántica en el estudio de los agujeros negros ma­ croscópicos (los que es tán bien des­ critos clásicamente por la relatividad genera l) . Esta estrateg ia ya funcio nó históricamente en el desc ubrimiento de la propia mecánica cuántica . En aquella ocasión, aunque se disponía de un a buena descrip ci ón clás ica de la radiación electromag nética (la teoría de Maxwell), el estudio por parte de Planck de sus prop iedades termodi nám icas condujo a los pri­ meros eje mplos de co mpo rtamie nto cuántico . La aplicación de la mecá nica cuán­ tica a un agujero negro macroscópi­ co produce resul tados sorprendentes . Deb ido al carácter unidireccional del hori zont e de sucesos (se puede entrar pero no salir) resulta que un par partí­ cula-antipartíc ula creado espontánea­ mente por una fluctu ación cuánt ica puede perder uno de los compo nentes detrás del hori zont e, alterándose el balance de las fluctuaciones cuánticas en sus prox imidades . Como demostró Stephen Hawkin g en su famoso tra­ bajo de 1974, el efec to neto de este proceso es una radiación emi tida por el agujero negro. Esta radiación e á alime ntada por la energía del ca mpo gravitacional y tie ne una temperatur a característica, llamada tem per atura de Hawking, que es inversam ent e proporcional a la masa del agujero negro.

2. EN LA TEDRIA GENERAL DE LA RELATIVIDAD, la fuerza gravitacional se reinterpreta como la curvatura del espaciotiempo en las proximidades de un objeto masivo (a). Cuando la energía está suficientemente concentrada, la deformación del espaciotiempo puede cambiar su estructura topológica, formándose un agujero negro (b). En un sistema de coor­ denadas adecuado, un agujero negro puede representarse como un "tubo infinito", en cuyo extremo se halla el horizonte de sucesos.

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Aplicando entonces argumentos generales de termodinámica, pare­ cido s a los usados por Planck hace un siglo en el caso de la radiación electro magnética, podemos deducir el número de estados microscópicos que debería albergar el aguje ro negro para poder radi ar con esa tempera­ tura. El resultado es que el agujero negro se puede describir como un sistema cuánti co con una unidad de información por cada unid ad de área del hori zonte, en unidades de la lon­ gitud de Planck. Una co nclusión que concuerda con deducciones de carác­ ter más heur ístico rea liza das unos años antes por Jacob Bekenstein, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, y corrobora la idea de que la longitud de Planck es una dist ancia mínim a en la gravitación cuántica.

Hacia un nuevo paradigma Las consideracio nes anteriores son suges tivas per o impreci sas. Para progresar se requiere una teoría de gravitación cuántica, aunque sea de

naturaleza aprox imada: por eje mplo, un modelo co ncreto de la estructura interna del gravitón a la escala de Planck. De todas las ideas propuestas hasta la fecha, la teoría de cuerdas representa el marco teórico más pro­ metedor en esa línea. Desarrollada inicialmente en torno a 1970 como una teoría imperfecta de las fuerzas nucleares, languid eció durante una década para emerger en 1984 como el marco general para construir teo­ rías de la gravitació n cuántica que incorp oren , además, la uni ficación de todas las interacciones incluidas en el modelo estándar. El punto de par tida de la teoría de cuerdas es una hipótesis aparentemen­ te modesta y un tanto arbitraria . La idea es que las partículas que denomi­ namos "e leme ntales" son en realidad obje tos extensos en una dim ensión ; cuerdas diminutas cuya dinámica está especificada por modos de vibración. Cada modo de vibración independien­ te representaría un tipo diferente de partícula del modelo estándar; todos

Procesos elementales LOS PROCESOS ELEMENTALES que contribuyen a la interacc ión entre un protón (P) y un electrón (e-) en teoría cuántica de campos revist en part icular interés (a). El protón emite un fotón (una partícula de luz, y) en un punto del espaciotiempo . El fotó n es absorb ido en otro punto del es­ pac iotiempo por el electrón , aunque exist e una ciert a probabil idad de que este fotón genere espontáneamente un par electrón-positrón de vida breve o promueva incluso procesos más comp lic ados . La posición de los "vér­ tices ", en los que hay creación o aniquil ación espon tánea de partículas, así como las trayec tor ias entre dos vért ices consecutivos , están sujetas a fluctuaciones cuánticas . Los cálculos deta llados demuestran que la suma coherente de todas estas "histori as" alternativas es la versión cuántica de la fuerza electromagnética entre el protón y el electrón . De ah i la expre­ sión "teoría cuánt ica de campos ". En (b), la trayectoria de una par tícula sufre bifurcaciones por cascadas de creación y aniquilación de partículas. Estos efectos son muy signif icativos a energías suficientemente altas .

+

b

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.-~

+ . .

sería n manifestaciones del mismo ob­ jeto básico, la cuerda fundamental. De ser cierta, esta hipótesis unifica­ ría todas las partícul as subatómicas . Por ahora se ha visto que conduce a una estructura matemática de riqueza insospechada, cuya exploración por parte de físicos y matemáticos aún pertenece en gran medid a a las ge­ nera ciones futuras. Des de el punto de vista físico, las teorías de cuerdas tienen propiedad es basta nte sorprendentes. Hay dos cIa­ ses básicas de cue rdas, según sea n cerradas sobre sí mismas, a modo de anillos, o abiertas, con dos ex­ tremos libres. Las cuerdas cerradas siempre tienen un modo de vibra­ ción que se puede identificar con el grav itón, mientras que las cuerdas abiertas siempre tienen un fotó n. El result ado es que las cuerdas "p redi­ cen" la existencia de gravitación en el sec tor cerrado, y de interacciones de tipo aforo, o gauge (como la interac­ ción electro magnética), en el sec tor abierto . Por otra parte, al ser objetos exte ndidos sobre una distancia del orde n de la longitu d de Planck, las cuerdas interaccionan con "suavidad" a distancias muy cortas. Por tanto, las cuerdas cerradas proporcionan un modelo (el único co nocido) de la es­ tructura compuesta del gravitón a la esca la de Planck, y son la versión microscópica de las "exc itaciones" del propio espacio tiempo. Ade más de la gravi tación y las inter acciones del modelo estándar, la teoría de cuerdas tiene otras pre­ dicciones "ge néricas" que añaden una gran complicación a su estudio. Una es la existe ncia de más de cuatro di­ mens iones espaciotemporales, hasta un total de once co mo máximo. Las dim ensiones extra ser ían invisibl es por estar curvadas en pequeños círcu­ los, esfe ras u otras formas geo mé­ tricas más intrincadas. La gra n va­ riedad de estructuras microscópicas que pueden adop tar las dimensiones adicionales son útiles a la hora de reproducir todas las estructuras visi­ bies en el modelo estándar, pero por otra parte dejan abiertas muchas po­ sibilidades que, st ricto se/H U, restan pred ictibilidad a la teoría. Otra predicci ón co ncreta de las teor ías de cuerdas es la aparició n de nuevas simetrías en la Naturale­ za. La más importante es la llamada supe rsimetria, que en cier to sentido

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,, important e cá lc ulo, Andrew unifica las partículas asociadas L , a las fuerzas, como el fotó n y Strominger y Cumrum Vafa, ,, el gravitón, con las partículas de la Universidad de Harvard, ,, asoc iadas a la materia, co mo demostraron que el número de el electró n, los quarks y los estados de un agujero negro neut rinos. No obstante, esta (seg ún la predi cci ón de Be­ , simetría sólo se puede reali­ kenstein y Hawking) coinci ­ ,, zar de forma aprox imada en la de, en el punto de transición , ,, Naturaleza, ya que no es una con el de un siste ma adecuado , propiedad del modelo están- L de D-branas. Hoy por hoy, el , p dar. Una de las perspectivas cálcul o sólo se pued e realizar experimentales más exci tan­ con detalle para un cierto tipo tes para la nueva generac ión de aguje ros negro s con mu­ ' " ' .. cha simetría, para los cuales de aceleradores de partículas, se conoce bien su estructura como el LHC del CERN, sito en Ginebra, es la posibilidad micro scópica en términ os de de descubrir dimensiones adi­ cuerd as y D-branas. La ge­ Ep E ner ali zaci ón del cálcul o de cionales del espaciotiempo, su­ persimetría o ambas novedades 3. SEGUN EL PRINCIPIO DE HEISENBERG, una energía E Strominger y Vafa a cualquier características de la teoría de permite alcanzar una precisión L = liclE (línea intermitente) . tipo de aguj ero negro sigue cuerdas. Si bien esto no supon­ Por el contrario, si toda la energía colapsa en un agujero siendo un probl ema abierto, dría una verificación inmediata negro, su tamaño aproximado, L=L'jE/lic, crece linealmente pero el éxito en casos particu­ de la teoría de cuerdas, se tra­ con la energía (línea de puntos). Combinando ambos efectos lares es matemáticamente tan taría de un fuerte indicio expe­ se obtiene la modificación planckiana del principio de Heisan­ intrincado y preciso, que deja pocas duda s sobre la validez rimental en esta dirección. berg, incluyendo la distancia mínima Lp =...JG1i/c3 . Uno de los descubrimien­ del modelo en los casos en tos más imp ort antes en teoría que es aplicable. de cuerdas , debid o a J ose ph Geometría no conmutativa Así pues, el espectro de obje tos Polchinski , de l Instituto de Física Teórica de California en Santa Bár­ "e lementales" en teoría de cuerdas Tenemos así una imagen globalmente bara, fue la obse rvación de que las co ntiene no sólo las cuerdas mis­ coherente en la que el modelo están­ mas (cuyas vibraciones más ligeras cuerdas mismas no son los únicos dar y los agujeros negros cuánticos darían las partícul as del modelo es­ son dos límites extremos de una es­ obje tos f unda mentales de la teo­ ría. Habíamos visto que las cuer­ tándar), sino tamb ién las impurezas tructur a microscópica más rica. In­ das aparecen en dos modalidades: en la estructura del espaciotie mpo corpora además los ingredientes ne­ las cer radas , asoc iadas a la grav i­ denomin adas D- branas. Por últim o, cesarios para la construcción de una tación, y las abiertas, asoc iadas a cuando las cuerdas o las D-bran as teoría cuántica del espaciotiempo, con las interac ciones de aforo, o gauge una distancia física mínima del orden alcanza n un alto grado de excitac ión (co mo el elec tro mag neti smo) . Los sobre su estado de mínima energ ía, de la longitud de Planck. Esta situació n nos recuerda los se convierten en agujeros negros. extremos de estas cuerdas abiertas La tran sición entre D-bra nas y result ado s de la vieja teoría cuán­ pueden propagarse libr em en te por agujeros negro s se entiende bastan­ tica de principios de los años vein­ todo el espac io, pero tambi én pueden te, basada en conceptos heurísticos te bien a nivel cuantitativo. En un estar locali zados en regiones singula­ res con dim ensiones variables. Estas regiones singula res a las cuales las cuerdas abiertas estarían "e ngancha­ das" se conocen como D-branas en la jerga técnica. Literalmente, son como "impurezas" o defectos estruct urales del espacio tiempo, cuyas propiedades dinámicas están caracterizadas por el estado de vibración de su "cabellera" de cuerdas abiertas . Las D-bra nas pueden ser obje tos puntu ales, y ha­ blamos entonces de D-partículas, o tener una dimensión extendida (D­ cuerdas), dos dimensiones extendidas (D-membranas), etc. Si las cuerdas 4. EN TEORIA CUANTICA DE CAMPOS las interacciones son "duras", en el sentido de que las part ículas se crean o aniquilan instantáneamente en un punto del espaciotiempo. Estas cerr adas repr esent an fl uctuacio nes interacciones duras son matemáticamente inconsistentes para el caso de los gravitones. En del espaciotiempo, se puede decir que las cuerdas abiertas represen tan teoría de cuerdas, por el contrario, las interacciones se distribuyen en una región finita del las fluctuaciones de las D-branas . espaciotiempo, con una extensión del orden de la longitud de Planck.

..

·

· · · · ·

.

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5. TRES EJEMPLOS DE D·BRANAS: de dimensión cero, uno y dos. Las D-branas son obje­ tos singulares en el espacio, en los cuales están confinados los extremos de las cuerdas abiertas. Todas las propiedades físicas de las D·branas se definen en términos del estado de vibración de sus cuerdas abiertas .

tales como el de la dualidad onda­ corpúscu lo. Esta dualidad, o la más general complementariedad de Bohr, adqui eren un contenido cuantitativo co n las relaci ones de indetermina­ ción de Heisenberg. Sin embargo, a un nivel más profundo sabemos que estas relaciones de indeterminación son una consec uencia de la estructura matem ática subyace nte a la mecánica cuántica. En aquella ocas ión el princi­ pio básico resultó ser la no conmutati­ vidad entre posiciones y veloc idades. Sig uiendo con nuestra analogía, sería convenie nte abstraer un formalismo más fundamental a partir de la teoría de cuerdas y branas, en el cual la distancia mínima de Planck estuviera incorpo rada de manera intrínseca. En otras palabras, buscamos un princi­ pio de no conmutat ividad puramen te espaciotemporal. Un eje mplo del tipo de estructura matem ática necesaria fue descubierto por Alain Connes en los años ochen ­ ta. Este matemático francé s invent ó una geo met ría cuántica en la cua l las coo rdenadas espac iales son ma­ trices que no conmutan entre sí, en

analogía exac ta con las posic iones y veloci dade s de un electrón. Entonces se puede copiar la de mostrac ión de los libros de texto de las relaciones de Heisenberg, y obtener un conju nto de relaciones análoga s entre las coor ­ denadas espacia les. Por ejemplo, para un plano no co nmutativo con coorde­ nada s X e Y, se verifica que las pre­ cisiones respectivas en la medida de las posiciones satisfacen t0{ AY ~ do nde repr esent a el área mínima física mente rea lizab le. En el ámbito de la física , sugerencias en es ta línea se remontan al trabajo de Snyde r en 1949, y más recientemente, en 1983, al de Antonio González Arroyo, de la Universidad Autónoma de Madrid, y Chr is Kortha ls-A ltes del CNRS en Marse lla. El princip al probl ema en la aplicació n literal de estas ideas a la teoría de cuerdas es la dificult ad de obtener efec tos gravitac ionales en el formalismo de Connes. Es decir, no parece haber una relación natural en­ tre Le y la longitud de Planck, Lp ' Las cuerdas abiertas poseen pro­ piedades matemáticas que recuerdan la geo metría de Connes, como había

L;

El espectro de estados de la teoría de cuerdas LA ESCALA DE MASAS de las partículas del modelo estándar se ex­ tiende en torno a la masa del bosón W, unas 80 veces la del protón; el espectro va desde las partículas sin masa, como el fotón y el gravitón, hasta el quark top, unas 170 veces más pesado que el protón. Todas estas partículas aparecerían como los modos más bajos de vibración de las cuerdas. A una escala intermedia, Ms ' encontramos los modos de vibración superiores de las cuerdas; más arriba, las D·branas. Por último, por encima de la masa de Planck, Mpd nc/G, las excitaciones típicas generan agujeros negros. En la mayoría de los modelos, Ms y Mp son comparables, del orden de 1019 veces la masa del protón. Sin embargo, es posible construir modelos en los que estas escalas de masa toman valores muy bajos, de sólo unas 1000 veces la masa del protón.

66

L;,

observado ya en 1986 Edwar d Wit­ ten , del Instituto de Estudios Avan­ zados de Princeto n. Con el adveni ­ mient o de las D-branas, el propi o Witte n resaltó este hecho de form a más explíc ita . La posición de una D-brana en el es pacio, como el resto de sus prop iedades físicas, depend e del estado de vibrac ión de las cuerdas abiertas atrapadas en ella . Si ten e­ mos dos D-b ranas, digamos A y B, coloc adas a una cierta distancia, sus posicion es depender án de las cuerdas abier tas enga nchadas en cada una de ellas, pero tambi én de las cuerdas abiertas que tienen un extremo en A y el otro extremo en B. En otras palabr as, la posición de una D-brana no se puede definir individualmente, sino que requiere el co noc imie nto del esta do de cualesquiera D-branas que ex istan en sus inm edi acione s. Matemáticamente, se puede demo s­ trar que estas propiedades convi erten la posición de una D-brana en una matri z, del mismo tipo que las matri­ ces inventadas por Heisenb erg en su creac ión de la mecánica cuántica. Basánd ose en es tas ideas, Tom Banks, de la Universidad de Rutgers, Willy Fischler, de la Universidad de Texas en Austin, y Stephen Shenker y Leonard Susskind, de Stanford, propu­ sieron en 1996 que las D-branas son los obje tos más fundamentales. Más exacta mente, presentaron la hipótesis de que el espaciotiempo mismo está construido como un estado colectivo de un número infinito de D-br anas. El espac iotiempo adquiere así una naturaleza "granular" a la escala de Planck; una es pec ie de "retíc ulo" de D-branas trenzadas mediante las cuerdas abiertas. Las D-brana s pasa n de ser "defectos estructurales" en el continuo espaciotemporal a represen­ tar los propios "ladrillos básicos" del espaciotiempo. En la práctica, es to

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equivale a derivar todos los obje tos de la teoría de cuerdas, incluyendo las cuerdas cerradas y los agujeros negros, a partir de las variab les ma­ triciales de las cuerdas abiertas. El estudio intens ivo de la así llamada "teoría de matrices BFSS" confirmó en parte es tas expecta tivas para el caso del espaciotiempo más simétri­ co posible: el de Minkowsk i en once dimensiones. Dadas es tas consideraciones, no result a sorprende nte que la teoría BFSS contenga la geo metría de Con­ nes como un caso particul ar; poco más tarde lo demostraría el propio Alain Connes, con la colaboración de Michael Douglas, de la Universidad de Rutgers, y Albert Schwarz, de la Universidad de California en Davis. No obstante, los principales proble­ mas de la teoría de matrices BFSS son sus lim itaciones a la hora de reprodu cir fenómenos gravitac ionales más generales. En otras palabras, no es posibl e obtener un es pacio con curva tura en el límite de grandes distancias, sino sólo varian tes del espacio tiempo de Minkows ki. Esta situación mejoró considerable­ mente a finales de 1997 con el trabajo fundam ental de Juan Maldacena, en­ tonces en Harvard y hoy en el Institu­ to de Estudios Avanzados de Prince­ ton. Considerando una configurac ión de D-branas diferente de la discutida por Bank s, Fisc hler, Shenker y Sus­ skind, generó un espaciotiempo con curvatura. Esencialmente, Maldacena estudió el mismo tipo de configura­ cio nes de D-branas que habían uti­ lizado antes Strom inger y Vafa en su cálculo del número de estados de los agujeros negros. Por esa razó n, los espac iotiempos así generados son geo métrica mente equivale ntes a la región cercana al horizon te de cier­ tos agujeros negros. El sistema está descrit o por las excitaciones de las cuerdas abiertas, que constituyen una teoría de matrices (técnica mente, una versión supersimétrica de las teo ­ rías de aforo del modelo está ndar). Cuando el número de D- branas es grande, el siste ma se describe me­ jor como un espacio tiempo curvado, dond e reempl azamos las D-branas y sus cuerdas abier tas asoc iadas por una cierta geo metría semejante a un aguje ro negro. La conje tura de Mal­ dacena co nsiste en la eq uivalenc ia exac ta de ambas descripciones. Las

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La no conmutatividad de las cuerdas

LOS ESTADOS de cuerdas abiertas son , de forma natural, no conmu­ tativos . En (a) consideramos el producto de dos cuerdas abiertas (J, y ~ para producir una cuerda con est ado (J, * ~. Este mismo proceso se puede escribir intercambiando el orden de (J, y ~, a costa de "retorcer" la superfi­ cie generada por las cuerdas en su movimien to. Claramente , la superfi­ cie resu ltante difiere del producto de ~ y (J, para dar ~ * (J,. En (b), dos O-par tícu las A y B con cuat ro ti pos de cue rdas abiertas: AA, BB, AB, BA. La pos ición de las O-branas en cada dir ecc ión del espac io depende de cuatro números, que caracte rizan el estado de las cua tro clases de cuer­ da abierta . Estos cuat ro números forman una matriz, el objeto matemático esenc ialmente no conmu tat ivo. La matr iz se vuelve conmutativa cuando las cue rdas AB y BA se anulan. En este caso las pos iciones de A y B se pueden defi nir como independi entes entre sí, sin interferencia cuántica.

a

(J.

x

~

(J.

x ~

~ x(J.

=

(J.

b A

exc itacio nes de cuerdas cerradas en el "agujero negro" tienen la mis ma información física que el conj unto de cuerdas abiertas enganchadas en las D-branas . La pro pues ta de Ma ldace na fue mej or ada y ge neralizada por Ed­ ward Witten, e independientemente por Ste phen Gubser, Alexander Po­ lyakov e Igor Klebanov, de la Uni­ versida d de Princeton. El resultado es un conjunto de reglas, bajo el nom­ bre genérico de "dualidad AdS/CFf", que dan una definición exacta de la grave dad cuántica para cierto tipo de espaciotiem pos co n curvatura, en tér­ minos de las variables matriciales de siste mas apro piados de D-branas . Se puede deci r que la esencia de la dualidad AdS/CFT y del modelo BFSS es la "deconstrucc ión" de la geometría en tér minos del álgebra de las matrices . La co nfiguración microscópica de un sistema infinito de D-branas codifica la estructura del espaciotiempo que aparece a grandes

B

distancias como el continuo utilizado por Einstei n en su teor ía genera l de la relatividad. Aunque es tos modelos han revol ucionado nuest ras ideas so­ bre la naturaleza del espaciotiempo, por el mome nto carecemos de una teoría ge nera l de la "deco nstrucció n geo métrica". La elabo rac ión de mo­ delos cuánticos del espaciotiempo constituye un arte, en el sentido de que cada ejemp lo concreto requiere trucos matemáticos especiales. Hasta el mome nto, sólo algunas geometrías con suficiente cantidad de supersime­ tría han sido codificadas con éxito. Por esta razó n, sería co nveniente extrae r el principio básico que hace posi bles estas co nstrucciones, co n objeto de enco ntrar eje mplos más realistas .

El principio holográfico Un candidato a ocupar el papel de "p rincipio rector" de la nueva geome­ tría cuántica podría ser el pri ncipio holográfi co, form ulado en 1993 por

67

" .

Gerard 't Hooft, de la Universidad de Utrecht, y sistemat izado por Leo­

una teoría cuántica de campos los estados físicos se pueden caracterizar

qui er teoría de gravitación cuántica. De acuerdo con este principio, la for­

nard Susskind, de la Universidad de

por las configuraciones de las par­

mulación matemática de una teoría

Stanford, y Raph ael Bousso, de la Universidad de Berkeley. El principi o hol ogr áfico se basa en la fórmul a de Beken stein y Hawking para la capacidad de información que puede almacenar un agujero negro (véase "La informa ción en el universo holo­ gráfico" , de Jac ob D. Beken stein en INVESTIGACIÓN y CIENCIA, octubre de 2003 ). Según aquello s autores, los estados cuánticos se pueden asociar a los grado s de libert ad sobre el área del horizonte, con una densidad de una unidad de información por cad a área planckiana. Es significativo que la cap acidad de información crezca con el área del aguj ero negro, y no con su vo­ lumen . Esta conclu sión choca fron­ talment e con las ideas basadas en una teoría cuántica de campos, tal como el modelo estándar, formulada en el espacio tiempo ordinario. En

tícula s. Como podemos colocar una partícula en cada punto del espacio (con una precisión dada), la cantidad máxim a de información crecería con el volumen del espacio. Sin embar­ go, un momento de reflexión revela que en mucho s de estos estados las part ícul as estarían tan den samente empaquetadas, que colap sarían gravi­ tacionalm ente para formar un agujero negro . Una vez que hemo s form ado el aguje ro negro, la capacidad de in­ formación crece con el área y no con el volumen (o, dich o de otra manera, como la inform ación equivale, salvo una constante, al logaritmo del núme­ ro de estado s que pued e adoptar el sistema, el número de estados crece con la exponenci al del área en vez de con la del volumen). El principio holográfico toma esta observación y la eleva a la categoría de propiedad fundam ental de cual-

de gravitación cuántica debería hacer uso de variabl es que residen en la superficie de una región dada, no en su interior. La interpr etación radical diría que las tres dim ensiones del espacio son una ilusión basada en nuestra experienci a con estados "di­ luido s". Al igual que un hologram a codifica una ima gen tridimensional en un sistema bidimensional , la fo r­ mul ac ión básica de la gravit ació n cuá ntica tendría como mucho dos dim ensiones espaciales macr osc ó­ pic as. Las dim en siones rest antes apar ecerían din ámic ament e como aproximación de bajas energías. Sin embargo, a energías suficientemente altas la ge nerac ión de agujeros ne­ gro s mediante fluctuaciones cuánti ­ ca s convertiría el espacio tridimen­ sional en un co nce pto poco útil para describir los fenómenos . El principi o holográfico y el con­ junto de ideas relac ionadas siguen siendo un proy ect o de paradi gma, más que una teoría con creta. Sin embargo, su formul ación no es tá sujeta a restriccion es tales como la cantidad de supersimetría presente en el espaciotiempo, y sólo depende de propi edades muy robustas de la física de agujeros negros. Por esta razón, la mayoría de los físicos teórico s creen que el principi o holográfico es una de las piedras angulares del espacio ­ tiempo cuántico. En casos de gran simetría, modelo s como AdS/CFT o la teoría matricial de BFSS proporcionan un laborato ­ rio teórico que represent a mucha s propiedades del principio holográfico en una situación matemáticament e tratable. En cierto modo, el mod e­ lo de Maldacena es a la holografía lo que el átomo de hidrógeno a la mecánica cuántica. En el descubri ­ mient o de la mecánica cuántica re­ sultó fundamental disponer de un sis­ tem a suficienteme nte simple como para admitir tratamiento matemático preci so y, a la vez, suficientemente característico como para ilustrar mu­ cha s de las propiedad es distintivas de la mecánica cuánti ca. Por desgracia, el par alelismo acaba ahí, ya que el átomo de hidr ógeno sí se encuen­ tra en la Naturalez a y es accesible a experimento s reales, mientr as que la geometría de AdS/CFT no corres-

Geometría no conmutativa de Connes SE PUEDE REPRODUCIR la geometría no conmutativa de Connes me diante un modelo intu itivo , que de hecho aparece en la derivación a partir de la teor ía de O-branas. Consideremos una cuerda abierta rígida que se comporta como un dipolo eléctrico, con cargas opuestas en los extremos , y que se propaga como en la figura, inmersa en un campo magnético de magnitud B = li2 C/ 2 L~ . Si el dipolo se mueve con impulso P en la dirección X, la fuerza magnética tiende a separar las cargas , equil ibrando la atracción eléctr ica . La longitud de equilib rio es Y =2L ~P/ Ii , de donde se deduce que las indeterminaciones respectivas satisfacen t,. y = 2L ~ t,.P/Ii . Combinando esta relación con la desigualdad ordina­ ria de Heisenberg, t,. X t,. P ~ 1i/2, obtenemos la desigualdad de Connes: t,. X t,. y ~ e = Lr Por tanto, la geometría medida con experimentos que involucren sólo cuerdas abiertas rígidas es el plano no conmutativo de Connes . Para obtenerlo en la teoría BFSS basta encontrar una solución en la que las cuerdas abiertas sean efect ivamente rígidas.

B y

+

-r----------~x

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pond e al mund o real, ni siquiera en un sentido aproxi mado. Se pued e dec ir que hay un pro ­ greso constante hacia la formulación de vers io nes men os simétricas de la dualid ad AdS/CFT. Sin embarg o, aún estamos lejos de enc ontrar una codificac ió n "no co nmuta tiva" de un espac iotiempo similar al obse rva do experimentalmente, con sus cuatro dim en siones en ex pansió n cos moló­ gica y su espec tro de partícul as no supers imé trico, tal co mo lo describe el modelo estándar. El tiempo dirá si nuestras difi cultades so n purament e técnicas, o por el contra rio será n necesar ias id ea s cualit ativame nte nuevas. Entretanto, la próxim a ge ­ neración de ace lera dores de partí cu­ las, prin cip alm ent e el co lisionador de protones LH C del CE RN , puede empezar a desentrañar algunos de los misterios sobre la estruc tura cuántic a del espaciotiempo. Por eje mplo, el descub rimient o exper ime ntal de su­ persimetr ía aprox imada representa ría un gra n avance en el asentamiento del paradigm a aquí esbozado.

El autor José Fernández Barbón trabaja como investigador de la división teórica del Laboratorio Europeo de Física de Partí­ culas (CERN) en Ginebra, y es profesor titular del departamento de Física de Partículas de la Universidad de Santiago de Compostela. Se doctoró en la Universidad Autónoma de Madrid en 1992 y ha trabajado como investigador asociado en las universidades de Prin­ ceton (EE.UU .) y Utrecht (Holanda). Su trabajo se ha centrado en el estudio de la teoría de cuerdas, principalmente en sus aplicaciones a la teoría cuántica de los agujeros negros.

Bibliografía complementaria ELECTRONES, NEUTRINOS y QUARKS. F. J. Ynduráin . Crítica, 2001 . PARTíCULAS ELEMENTALES: EN BUSCA OE LAS ESTRUCTURAS MÁs PEQUEÑAS OEl UNIVER· SO. G. 't Hooft. Crítica, 2001 .

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Prensa Científica, S. A. 69

El mito de la autoestima Fomentar la autoestima no mejora el rendimiento académico ni desalienta la mala conducta Roy F. Baumeister, Jennifer D. Campbell, Joachim 1. Krueger y Kathleen D. Vohs

xiste la creencia de que la autoestima desempeña un papel fundamental en la salud psicológica. Ello explica nuestro interés en salvaguardarla y reforzarla. EE .UU. y otros países, sin embargo, van un poco más lejos : consideran la opinión favorable de uno mismo la principal fuente psico­ lógica de toda clase de efectos beneficiosos. Este principio entraña un corolario: a saber, que en la falta de autoestima enraízan males y disfun­ ciones individuales y, por tanto, sociales. Esa concepción ha fundamentado, durante decenios, un ambicioso programa de acción social, articulado a través de numerosas campañas que pretendían potenciar la autoestima de los ciudadanos . Veamos lo ocurrido en California en la segunda mitad del decenio de los ochenta. Acicateado por John Vasconcellos, miembro de la cámara regional, el gobernador George Deukmejian creó una "fuerza especial", cuya misión era fomentar la auto­ estima y la responsabilidad, personal y social. Vasconcellos argüía que al reforzar la autoestima en los jóvenes, disminuirían la delincuencia, los embarazos en ado­ lescentes, el consumo de drogas, el fracaso escolar y la contaminación ambiental. Pensaba incluso que su plan contribuiría en el futuro a equilibrar los presupuestos del estado, esperanza que fundaba en la observación de que las personas con mayor autoestima obtenían mayores ingresos y, en consecuencia, abonaban más impues­ tos. Entre otras acciones, la fuerza especial encargó a una comisión de expertos la revisión de la bibliografía al caso . Los resultados se publicaron en 1989 en La importancia social de la autoestima . Concluían que "un gran número, por no decir la mayor parte, de los problemas que plagan la sociedad hunden sus raíces en la escasa autoestima de una fracción notable de la población". Poco era, en realidad, lo que el informe contenía en respaldo de tal afirmación. Aunque la fuerza especial californiana se disolvió en 1995, su empeño fue re­ tomado por una organización sin ánimo de lucro, la Asociación Nacional para la Autoestima (NASE), que se proponía, según su declaración de principios, proporcio­ nar clarividencia y potenciar la capacidad de liderazgo y autodefensa, con el fin de mejorar la condición humana mediante el refuerzo de la autoestima. Vasconcellos, hoy senador por el estado de California, forma parte del consejo asesor.

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Según el cristal... Para calibrar el valor de la autoestima se requi ere, ante todo, un instrumento que permita medirl a. En su mayo­ ría, los investigadores se limit an a preguntar a los sujetos qué piensan de sí mismo s. Como es natur al, las respuestas suelen venir sa lpimenta­ das por la tendencia común a ofrecer una imagen favorable de uno mismo. Mas , por desdicha, los psicólogos no dispon en de ningún método mejor. La subjetividad de los autoinformes añade confusión a los result ados. Por ejemplo, cuando los indi vidu os se califi can a sí mismos en otros atri­ buto s, sus valorac io nes resul tan, a menudo, incoherentes. Veamos qué ocurre en el caso de la autoes tima y el atra ctivo físico. Numerosos estudios han explorado la correlación entre es tos dos atribu­ tos. En general, se aprecian claros vínculos positi vos cuando so n los propi os suje tos quien es se bareman en uno y otro . Podría ser que las per­ sona s con un físico atrac tivo gozaran de un a elevada autoestima porqu e suelen ser mejor trat adas que las me­ nos agraciadas: son más populares, su compa ñía es más deseada y son más apreciadas por sus amigos o aman­ tes. Pero podría ocurrir tamb ién que quienes, declarando ser maravillosos, se asignan puntu acion es elevadas en las escalas de autoestima, en rea lidad se estén jactando de ser física me nte atractiv os. En 1995 , Edward F. Dien er y Bri an Wols ic, de la Unive rs ida d de Illino is, y Frank Fuj ita, de la Unive rs idad de Indiana en South Bend, examinaron es ta posibil idad. Ade más de obtener las calificaci o­ nes de aut oestima de un a amplia muestra de pobl ación , tom aron fo­ tografías de tod os los par ticipa ntes

y las presen tar on ante un ju rad o encargado de puntu ar el atractivo fís ico. En las valorac iones basadas en fotografías de cuerpo entero no se aprec ió una corre lació n significa tiva entre las dos variables ..Las fotogra­ fía s de primer pl ano, en ca mbio, sí reve laron una ligera correlación entre autoes tima y atrac tivo físico. Sin embargo, inclu so es te hall azgo podí a considerarse dudoso, pues los individu os co n elevado co nce pto de sí mismos podrían haberse esfo rzado en presentar un mej or aspec to, por ejemplo, atav iándose co n j oyas o vistiendo ropas atractivas . De hech o, cuando se mostr aron a los j urados fo tog rafías del rostro de los parti­ cipantes sin ado rna r, la co rrelac ión se red ujo a cero . En cambio, sí se obse rvó una fuerte co rrelac ión entre el atrac tivo físico y la autoes tima cuando las valorac iones eran emi­ tidas por los participantes. Parece evide nte, pues, que los indiv iduos co n eleva da autoes tima se tien en por hermosas criat uras, aunque no necesariament e sea así en opinión de los de más. Tal discrep ancia debería llamarn os la atenció n. Lo que a prim era vista parecía una fuerte correlac ión entre la apa riencia física y la autoestima result ó no ser más que un reflejo de la valoració n favora ble que el indi ­ viduo tiene de sí mismo en distintos aspectos. Un fenómeno paralelo afec­ ta a los sujetos co n baja autoestima, procl ives a la floquinaucinihilpilifi­ cac ión - pomposo voca blo ante el que no hemos podido resistirn os, que describe la tend encia a desdeñar o conceder nulo valor a las cosas . Es decir, las personas con baj a autoes­ tima no sólo se ven como nul idades, sino que se muestran además nega­ tivas respecto a todo.

• La sociedad estadounidense muestra especial preocupación por la falta de autoestima ; ve en esa carenc ia la causa de muchas conductas reprobables . • La baja autoestima no suele justificar -contrariamente a la creencia popular- la agresi vidad. Tampoco muestra correlación con la drogadic­ ción ni con el alcoholismo. • La potenciación de la autoestima no se traduce en un aumento del rendimiento escolar o laboral. • Las personas con autoestima elevada muestran mayor habilidad para iniciar relaciones personales y parecen sentirse más felices que las . demás.

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Es ta tend encia al pesimi smo ha dist orsion ado algunos análisis. Los psicólogos co nsideraba n antaño qu e las per son as co n baj a autoes tima ten ían much os prej uicios . Los pri ­ mer os es tudios, en los que los su­ je tos se lim itaban a valora r grupos soc iales a los que no pert enecían , par ecí an abo nar di ch a hip ót esi s . Pero expertos con mayor rigor, así Jenni fer Cracker, de la Univers idad de Michiga n en A nn Arbo r, la pu ­ siero n en tela de juicio. Despu és de tod o, en el caso de persona s que se valo ra n negati vam ent e a sí mism as mal puede decir se que tienen pre­ juicios po rque también valo re n ne­ ga tivame nte a quie nes no so n como ellas. Si se utili za co mo med ida del sesgo la dife re ncia entre las valo­ rac iones que los sujetos dan a su propio grupo y las que oto rgan a otros grupos, se obse rva j ustame nte lo contrar io: so n aquell os co n ele­ vada autoestima los que carga n con mayores prejui cios . La fioquinauc i­ nihilpilificación acent úa también el riesgo de qu e quienes se describen peyorativament e a sí mismos puedan descri bir sus vidas de forma similar, dando así aliento a la apariencia de que la baja opin ió n de uno mism o só lo ca usa desgracia. Dada la co nf us ió n qu e ge neran los auto informes, decid imos ce n­ trarn os al máxim o en las medi ci o­ nes objetivas . Ello reduj o de for ma significativa el núm ero de es tudios revisables: desde más de 15.000 a unos 200 . Proc ura mos eludir una fa ­ lacia adicional: la presunción de qu e una correlación entre la autoes tima y alguna forma de conducta desea­ ble proviene de una relación ca usa­ efecto. A decir verda d, el meoll o del debate est riba precisamente en la ex istencia de un a relación causa l. Si una autoes tima elevada genera ra beneficios directos, quedarían ju sti­ ficad os los esfuerzos y dispendios dedic ados a infun di r tal sentimiento . Pero si la relación causal fuera inver­ sa, es decir, si una imagen positi va de uno mismo fuera el result ado del éx ito social o de una co nducta moral ejemplar - lo cua l resultaría, cuando menos, plaus ible-, de poco serviría fom entar sólo la autoes tima. Para re­ solver esta cuestión, nos dispu sim os a revisar es tudios que relacionaba n la autoes tima co n el re ndimiento aca démico .

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Desconcierto en la escuela En principio, todo hacía pensar que el refuerzo de la autoestima constituiría un poderoso instrumento de ayuda para los estudiantes. Parecía lógico pensar que una buena dosis de ufanía potenciaría el esfuerzo y la perse­ verancia de los alumnos, al tiempo que les haría menos susceptibles a sucumbir ante los efectos paralizan­ tes del desá nimo, el sentimiento de incompetencia o las dudas sobre su propi a capaci dad. Los primeros tra­ baj os mostraron una correlación po­ sitiva entre autoest ima y rendimiento esco lar, lo que abonó esta hipótesis. Pero los estudios modernos, en cam­ bio, han cuestionado la cree ncia de que una autoes tima elevada induzca verdaderamente a los estudiantes a esforzarse más. Para inferir relaciones causales en­ tre sucesos, los suje tos deben exami­ narse en dos ocasiones separadas en el tiempo. Así se hizo en 1986: Sheila M. Pottebaum, Timothy Z . Keith y Stewart W. Ehly, de la Universidad de Iowa, examinaron a 23.000 alumnos de instituto cuando se enco ntraban, primero en el 10° nivel y luego en el 12° (equivalentes, en edad, a nuestro 3° de ESO y 1° de bachillerato). La autoes tima en el 10° nivel resultó predecir débilm ente el rendimiento

escolar en el 12°. La corre lac ión entre los resultados académicos del 10° nivel y la autoes tima del 12° al­ canzó valores ligeramente superiores. A tenor de estos datos, analizados hoy en múltipl es estudios, no exis­ ten indicios de que el aumento de la autoestima ofrezca grandes ventajas a los alumnos. Algunos trabaj os inclu­ so sugieren que el estímulo forza do de la autoesti ma puede empeorar el rendimiento posterior. Pero aunque reforzar la autoestima no mejore el rendimi ento escolar, ¿no podría resultar útil más adelante, por ejemplo, en la vida laboral? Alpa­ recer, no. Los estudios de posibles vínculos entre la opinión que los tra­ bajad ores tienen de sí mismos y su rendimiento son eco de lo observado en el contexto escolar. La simple bús­ queda de corre laciones proporciona algunos resultados sugere ntes, pero en ningún caso arroja n luz sobre si la autoestima constituye la causa del buen rendimi ento laboral, o vicever­ sa. (En cualquier caso, el vínculo no es particul armente fuerte.) Si bien no contribuye a un mej or aprovec hamiento en la escuela o ma­ yor rendimiento en el trabajo, ¿sir­ ve la autoestima para relacio narnos mejor con los demás? Las personas con una buena imagen de sí mismas

suelen res ultar más agradables; en general, preferimos relacionarnos con gente que muestra confianza en sí misma y adopta una acti tud posi­ tiva. Rehuimos el trato de quienes se sienten inseguros y dudan de sí mismos. Los sujetos que poseen una autoes­ tima elevada suelen tenerse por per­ sonajes populares; consideran que la calidad de sus amistades es superior a las desc ritas por los individuos que se tienen en poco, los cuales infor­ man de relaciones personal es más conflictivas y menor apoyo social. Pero, como demostra ron en 1995 Ju­ lia Bishop y Heidi M. Inderbitzen­ Nolan, de la Universidad de Nebras­ ka en Lincoln, tales afirmacio nes no reflejan la realidad. Pidiero n a 542 esco lares de 9° curso que nombr aran los compañeros por los que sentían mayor aprecio y los que les provoca­ ban mayor antipatía; las ordenaciones resultantes no mostraron correlación alguna con la autoesti ma. Lo mismo sucede en adultos. En una investigación reali zada en las postrim erías de los ochenta, Duane P. Buh rmester, ahora en la Univer­ sidad de Texas en Dalias, observó, con tres colaboradores suyos, que los estudiantes universitarios con autoes­ tima elevada declaraban mostrar una

AUTOESTIMA y RENDIMIENTO ESCOLAR

En un intento de calibrar si una autoestima elevada se traduce en un buen rendimiento académico, se examinó a millares de alumnos estadounidenses de los cursos 10º Y 122 (equivalentes, en edad, a nuestros 32 de ESO y 1º de bachillerato). La correlación entre la autoestima en el 10º curso y el rendimiento académico en el 12º resultó aproxima­ damente igual que la correlación entre las calificaciones obtenidas en el 10º curso y la autoestima en el 12º. Así pues, resulta difícil saber cuál es la causa y cuál el efecto, o si existe un tercer atributo que influye a la vez en la autoestima y en el rendimiento escolar. Correlación de la autoestima en ellO" curso conel rendimiento escolaren el 12" Correlación delrendimiento escolar en ellO" curso con la autoestima en el 12" Correlación de la autoeslima en ellO " curso con la autoeslima en el 12"

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Correlación del rendimiento escolar en ellO " curso con el rendimiento escolar en el 12"

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Coeficiente de correlación +

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FUENTE:S. M. Pottebaum, T. Z. Keith y S. W Eh/y en Educational Research, vol. 79, págs. 140-144; 1986.

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""J I.

AUTOESTIMA y RELACIONES INTERPERSONALES

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Resolver conflictos

• Autoevaluación • Evaluación de compañeros

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Un estudio con estudiantes universitarios reveló una fuerte vinculación entre la autoestima y diversas habilidades interper­ sonales cuando eran los propios sujetos quienes se valoraban a sí mismos. Al analizar las calificaciones emitidas por sus compañeros, sin embargo, se obtenía una imagen diferente: en cuatro de las cinco destrezas examinadas, la correlación con la autoestima cayó a niveles estadísticamente no significa­ tivos (NS). La conexión entre la autoeslima y la facilidad para iniciar relaciones, en cambio, mostró mayor robustez.

señalada facilidad para inici ar nuevas relaciones, una mayor disposición a hacer confid encias sobre sí mismos, a mo strarse aserti vos, a pre star ayu ­ da emocional a otros e inclu so una mayor habilidad para afront ar con­ flictos int erpersonales. Sin embar­ go, las valoraciones emitidas por sus compañeros pergeñaban un cuadro harto distinto. En cuatro de los cinco atributos examinados , la correlación con la autoestim a cayó prácticamen­ te a cero. La única que permaneció estadísticamente significativa fue la relativa a la capacidad de los sujetos para establecer nueva s amistades o relaciones sociales. Esta parec e ser la esfera donde la confianza en uno mis­ mo reviste mayor trascend enci a: los sujetos que se reputan a sí mismos interesante s y atrac tivos seg uramente inician sin especial traba conversac io­ nes con desconocidos, mientras que los falto s de autoestima rehú yen dar comienzo a tales contactos, temi endo ser rechazados. Cabría imaginar que tales diferen ­ cias influyesen también en la vid a amorosa. En 2002 , el gru po dirigido por Sandra L. Murray, de la Uni­ versidad de Buffalo, enco ntró que las personas con escasa autoestima tienden a desconfiar de las manifesta­ ciones de amor o afecto de su pare­

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Mostrarse

asertivo

Hacer nuevas amistades 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Coeficiente de correlación con autoestimaelevada FUENTE: O. Buhrmester, W. Furman, M. T. Wittenberg y H. T. Reis en Journal ofPersonality and Social Psychology, vol. 55, págs. 991-1008; 1988.

ja; temen co ntinuamente el rech azo . Sin embargo , las investigacion es no han prop orcionado pru eba s de que tale s rela ci ones sea n espec ialmente prop en sas a disolver se. De hech o, es posibl e que una autoes tima ele­ vada supo ng a una may or ame naza de ruptura. Así lo dem ostraron en 1987 Carril E. Rusbult, Gregory D. Morr ow y Dermis J. John son , enton­ ces en la Univers idad de Kentucky; su estudio suge ría que las persona s con una elevada opinión de sí mismas tiend en -en medid a superior qu e el resto- a resolver las dificult ades cercen ando re laciones y buscando nuevas parej as. ¿Có mo influ ye la autoes tima - o su falt a- en la ac tividad sex ua l? Esta cuestió n ha sido ampliamente es tudiada. Los resultados sug ieren que qui enes poseen una aut oestim a elevada se muestran meno s inhibi­ dos y más dispuestos a desd eñar los riesgo s al inici ar relaciones sex ua­ les. Por otr a parte, las expe riencias sex uales negativas y los embarazos no deseados par ecen men guar la autoes tima .

Drogas y alcohol ¿Influye la estimac ión de uno mismo en el abuso del alco holo las drogas? Numerosos psicólogos admitían esa

ilación. Aducían que las personas con baja opinión de sí misma s buscan con suelo en esas sustancias. Según su teoría, bastaba con refo rzar la autoes tima del sujeto para evitar que éste cayera en el alcoholi smo o la drogadicción . Sin embargo, los dat os no muestran ningun a relación ca usa l entre la baja autoestim a y dicho co n­ sumo abusivo. En un estudio a gran esca la reali zado por Rob McG ee y Sheila M. Williarns, de la facultad de medicin a de la Universidad neo­ zelandesa de Otago, no se apreció co rrelación entre la autoestima me­ dida entre las edades de 9 y 13 años y el alcoholismo o la dro gadicción a la edad de 15. Incluso cuando los resultados dejan entreve r vínculos, éstos result an ambiguos y no con­ cluye ntes : mientras algunos estudios sugieren que la autoes tima eleva da es tá asoc iada co n el alc oholismo, otro sugiere lo co ntrario. En cuanto al uso ilícito de dro ­ gas, sí existen indici os de su relación ca usa l co n la baja aut oestima. En co ncreto, Jud y A. Andrews y Susa n C. Duncan , del Instituto de Investi­ gac ión de Oregó n, señalaron en 1997 qu e el decli ve en los niveles de mo­ tivación para el es tudio provocaba un descenso de la au toestim a, lo cua l, a su vez, llevaba al co nsumo de ma-

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rihuana ; se trataba, sin embargo, de un nexo bastante débil. Si la interpretac ión de es tos dat os entraña mayor dificult ad es qui zá por la diversidad de moti vac iones que pued en inducir al consum o de alco­ hol y droga s: mientr as alguna s per­ sonas buscan emoc ión, otras intentan sobrellevar o huir de la infelicidad cróni ca. Tal compl ejidad impide for­ mular enunc iados categóricos . Otro tanto vale para el abuso del tabaco: en su may orí a, las investi gaciones concluye n que no existe ninguna re­ lación entre éste y la auto estima.

Para añadir c omplic ac ió n a la revi sión qu e aquí nos ocup a, los estudi os no sue le n pre sent ar un a defini ci ón preci sa del con cept o de aut oe stim a. Ello hace que en la mis­ ma categoría de análi sis se mez cl en per sona s con un sano respet o haci a sí misma s con aque llas qu e finge n ten er una autoestima mayor de la qu e realmente sie nten o inclu so con qui enes muestran un perfil narci sis­ ta. No es extraño , pues, qu e es te campo de investi gación sólo ofrezc a co nclus iones débil es o con tradi c­ torias.

Gallitos de corral Desde hace decenios, los psicólogos han venido creye ndo que una baja auto estima ca usa ba un comporta­ miento agres ivo. En 1996 , uno de los autores (Baumeister) puso en tela de jui ci o tal hipótesis. Tras revisar una serie de estudios, llegó a la con­ clusión de que los perpetradores de agresion es suelen mant ener, por lo general, una opini ón favorable, in­ cluso exageradamente buena, de sí mismos. Fijémonos en las intimidaciones que se producen entre los niño s, una

AUTOESTIMA y RESPONSABILIDAD

Un estudio realizado en 1999 por Donelson R. Forsyth y Natalie A. Kerr, de la Universidad Commonwealth de Virgi­ nia, induce a pensar que los programas para aumenta r la autoestima en los alumnos rezagados pueden tener efectos contraproducentes. (Los sujetos de estudio eran estud iantes universitarios de psicología .) Quienes recib ían calificaciones de D a F (equivalentes a "suficiente" y "muy deficie nte") se div idieron en dos gru­ pos, organizados para que tuvieran , inicialmente , la misma puntuación media . Cada semana , los estudiantes del primer

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Grupo 1 ., • ­ .

¿A QUE SE DEBE QUE LAS NOTAS SEAN BUENAS O MALAS? Investigaciones realizadas en el pasado sugieren que cuando se les devuelve a los estudiantes sus exámenes corregidos y calificados, tienden a perder confianza en sí mismos. Dicen cosas como "No valgo para esto", "Soy un inútil" o "Aquí todos son mejores que yo". Otros estudios dan a entender, en cambio, que los alumnos que gozan de una autoestima elevada no sólo obtienen buenas calificaciones, sino que conservan ade­ más la serenidad y la confianza en sí mismos. En uno de los trabajos de investigación se les pidió a los estudiantes que anotasen lo que "les pasaba por la cabeza" cuando trataban de sacar mejores notas. Los que consiguieron mejorar en cada examen pensaban: "Estoy orgulloso de mí mismo."

"Soy capaz de hacerlo."

"Soy uno de los mejores de la facultad."

"Estoy satisfecho conmigo mismo."

Los estudiantes que no progresaron pensaban: "Me avergüenzo de mí mismo." "No merezco ir a la universidad." "Soy un inútil." CONCLUSION: Mantén la cabeza ­ y la autoestima­ bien alta.

... -

grupo recib ían un correo electrón ico que pretendía reforzar su autoest ima (como en el ejemplo de la izquierda) . Los del segundo grupo recibían un mensaje que fomentaba la responsabilidad personal ante el rendimiento académico (derecha). Al final del curso , el promedio de las cal ificacio nes de los alumnos del primer grupo cayó por debajo del 50 por ciento , es decir, suspend ieron . Los estudiantes del segundo grupo, en cambio , obtuvieron un promedio del 62 por ciento (un "su­ ficiente bajo"); no gran cosa , pero, al fin y al cabo, aprobado .

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¿A QUE SE DEBE QUE LAS NOTAS SEAN BUENAS O MALAS?

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Investigaciones realizadas en el pasado sugieren que, cuando se les devuelve a los estudiantes sus exámenes corregidos y calificados, tienden a echar la culpa de sus malas notas a factores externos. Dicen cosas como "El examen era demasiado difícil", "No lo habíamos dado en clase" o "Las preguntas eran muy rebuscadas". Otros estudios dan a entender, en cambio, que los alumnos que se preocupan y responsabilizan de sus calificaciones no sólo obtienen mejores notas, sino que también aprenden que ellos, personalmente, controlan su rendimiento escolar. En uno de los estudios se les pidió que anotasen lo que "les pasaba por la cabeza" cuando trataban de sacar mejores notas. Los que consiguieron mejorar en cada examen pensaban: "Necesito esforzarme más." "Si me concentro, me aprenderé la lección." "Puedo controlar lo que me ocurre en clase." "Sé que puedo hacerlo." Los estudiantes que no progresaron pensaban: "No es mi culpa." "Este examen era demasiado difícil." "No valgo para esto," CONCLUSION: Toma las riendas de tu vida

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~ I

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forma corri en te de agresi ón. Dan Olweus, de la Universidad de Ber­ gen, puso ya en entredicho la idea de que bajo su dur a piel, el niño "abu­ són" esco nde una gran insegurid ad . Aunque Olweus no midió directa ­ mente la autoes tima, sí mostró que los agresores declaraban sufrir menos ansiedad y evidenciaban mayor segu­ ridad en sí mismos que otros niño s. Al parecer, lo mismo sirve para los adultos violentos, tal y como hace algunos años expuso Baumeister en estas mismas páginas.

Tras llegar a la conclusión de que una autoest ima elevada no mengua la tendencia hacia la violencia, no frena a los adolescentes en la senda hacia el alcoholi smo , el abuso del tabaco o las drogas, ni mejora el rendimiento escolar o laboral, nos llevamos una agradable sorpresa cuando examina­ mos la posible relación entre la auto­ estima y la felicidad: las personas con un buen nivel de autoes tima son más felices que las demás y tienen meno s probabilidad de caer en de­ presiones.

En 1995 aparec ió un estudio de una so lidez incue stionable. Diener y su hija Marissa, hoy en la Uni­ vers idad de Utah, encuestaron a más de 13.000 estudiantes de los últimos cursos de institu to. A tenor de los result ados, la autoes tima constituía el factor más determinante para sen­ tir se satisfec ho co n la vida. Sonja Lyubomirsky, Chris Tkach y M. Ro­ bin DiMatteo, de la Universidad de California en Riverside, aportaron da­ tos correspondientes a más de 600 adultos de edades comprendidas entre

AUTO ESTIMA y FELICIDAD La satis facció n con la vida en general, o felicidad, que experimentan las personas parece ir de la mano con el nivel de autoestima. Que así ocurre en todo el mundo lo pone de manifiesto el grado de correlación qu e existe entre ambos atributos. Obsérvese que , en la mayoría de los pa íses, la feli­ cidad conser va mayo r cor relación con la auto estima que con la satisfacc ión económ ica . Las excepc iones tienden a dars e en los países con menor renta per cápita (valores entre paréntesis).

Bangladesh (129) Tanzania (240) India (262) Kenia (347) autoestima con la felicidad

Egipto (672) Filipinas (724) Tailandia (810)

•

Correlación de la satisfacción económica con la felicidad

0,6

0,8

Camerún (845) Turquía (1210) Jordania (1690) Chile (1920) Corea (1978) Brasil (2032) México (2154) Rep. Sudafricana (2424) Yugoslavia (2500) Grecia (3932) Noruega (4007) España (4780) Israel (5420) Puerto Rico (5477) Singapur (6653)

Nueva Zelanda (7709) Austria (9218) Holanda (9869) Japón (10.154) Bahrein (10.041)

Alemania (11.403) Canadá (12.284) EE.UU. (14.172) 0,0

0,2

0,4

Coeficiente de correlación

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1,0 FUENTE: E. Dienery M. Diener en Journal01 Personality and SocialPathology. vol.68. págs. 653-663; 1995.

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51 Y 95 años. Una vez más, la fe­ licidad y la autoestim a iban de la mano . Con todo , antes que podamos afirmar con certeza que el aprecio por uno mismo conduc e a la felicidad, es necesario acometer una investigación más compl eta, que aborde las limi­ taciones de los estudios efectuados hasta la fecha. En primer lugar, debe comprobarse que existe una relación causal. Parece verosímil que una elevada autoestima traiga consigo la felicidad, pero nin­ gún estudio lo ha demostrado. Por ahora, la fuer te corre lación entre autoestima y felicidad no es más que eso : una correlación. Entra dentro de lo plausible que el éxito profesional, académico o interpersonal comporte felicidad y autoestima y, a la inversa, que el fracaso correspondiente genere infelicidad y pérdid a de autoestima. E inclu so cabe que la felicidad -en cuanto tendencia o disposición a sen­ tirse bien- realce la autoestima. En seg undo lugar, no podemos olvidar que la felicidad (así como su contraria, la depresión) se ha es­ tudiado, sobre todo, medi ante auto­ inform es. Además, la tend enci a de algunas personas hacia el pesimismo o la negatividad puede generar bajas opinion es sobre sí mismos y juici os desfavorabl es de otros aspectos de la vida. No es la primera vez que cues­ tionamo s el valor de los autoinfor­ mes, pero, ¿qué instrum ento podría reempla zarlos? ¿Cómo demostrar, de forma convincente, que una persona es más (o menos) feliz de lo que ella cree? Está claro que va a resultar di­ fícil , por no decir imposible, obtener

medida s obje tivas de la felicidad o la depresión, mas no por ello po­ demos aceptar los autoinformes sin crítica. ¿Qué podemo s, pues, concluir? ¿Deben los padre s, los maestros y los terap eutas trat ar de refor zar la autoes tima? En el curso de nuestra revisión bibliográfica , hallamos in­ dicios de la utilid ad de la auto es­ tima: aumenta la perseverancia para afrontar un fraca so y favorece las relacione s interpersonales. Además, la baja autoes ti ma con stituye un factor de riesgo respecto a ciert os trastorno s alimentarios, en especia l la bulimia - así lo docum ent aron uno de los autores (Vohs) y sus co­ laboradores en 1999. Pese a la difi­ cultad de demostrar ciertos efectos de la autoestima mediante pruebas obje tivas, nos inclinamos a acept ar los indicios (subje tivos) de que la autoestima camina de la mano con la felicidad. Admitimos, pue s, que una inyec­ ción de aut oestima podría result ar ben eficiosa para el individuo. Pero , ¿qué ocurriría si un exalt ado senti­ mient o de la propi a valía llevase a alguien a exigir un tratamiento pre ­ ferente o a explotar a sus prójimos? Los costos sociales serían, sin duda , co nsiderables . Además, escasea n los indi cios de que la potenciación gra­ tuit a de la autoestima en niño s o adultos - basa da en el mero hecho de ser ellos mismos- ofrece be­ neficios a la soc iedad, más allá de la satisfacc ión que aporta participar en semeja nte eje rcicio de autocom­ placencia.

LA DIVERSIDAD HUMANA RICHARD LEWONTlN

U n volumen de 22 X 23,S cm y 179 páginas, profusamente ilust rado en negro y en co lor.

SUMARIO

• Variedad humana • Genes, ambiente y organismo • Diversidad genética simple • Base genética de los polimorfismos simples • Así proceden los genes

Los autores Roy F. Baumeister ocupa desde 2003 la cátedra Eppes de psicología en la Universidad de Florida. Jennifer D. Campbell imparte clases de psicología en la Universidad de Columbia Británica en Vancouver. Joachim 1. Krueger es profesor de psicología en la Universidad Brown. Kathleen D. Vohs es titular de la cátedra canadiense de invsstiqa­ ción en mercadotecnia y psicología del consumidor en la Escuela de Negocios Sauder de la Universidad de Columbia Británica.

• Variación continua • Rasgos mentales • Diversidad entre grupos • Evolución de la diversidad humana

Bibliografía complementaria THE SOCIAL IMPORTANCE OF SELF·ESTEEM. Dirigido por Andrew M. Mecca, Neil J. Smelser y John Vasconcellos. University of California Press, 1989. RAlc ES DE LA VIOLENCIA. Roy F. Baumeister en Investigación y Ciencia, junio, 2001. ODES HIGH SELF-ESTEEM CAUSE BETTER PERFDRMANCE, INTERPERSONAL SUCCESS, HAPPINESS, DR HEALTHIER lIFESTYLES? Roy F. Baumeister, Jennifer O. Campbell, Joachim 1. Krueger y Kathleen O. Vohs en Psychological Science in the Public Interest, vol. 4, n.O 1, págs. '-44 ; mayo, 2003.

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Prensa Científi ca, S. A.

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la ceca de lulia Traducta En tiempos de Octavio Augusto, la moneda co nstituyó un vehículo de extraordinaria fuerza propagandística al servicio del poder. Lo comprobamos en la ceca de la ciudad romana de Algeciras Salvador Bravo Jiménez

C

uando se escribe so bre moneda s del mund o antiguo, trátese de colecc iones pri vada s o públicas, siem pre qu eda la dud a so bre su proveni encia, salvo qu e és tas vengan de una excavac ión arqueo lóg ica . En ese fen óm eno ha tenid o much o qu e ver el afá n del hombre por el coleccionismo. Aficio nados famo sos fueron e l carde na l Piet ro Barb o y Cos me el Viej o, en el Ren acimi ent o . El punt o de inflexión so bre los est udios numi sm á­ ticos se fec ha co n la publicación, en 1515 , del libro De asse et partibu s eius (Del as y sus partes), de Guille rmo Bud é, y, dos años más tard e, Illu strium Imagi nes (Imáge nes de hombres ilu str es), de Andrea Fulvio . Se proponen ambos divulgar los conocimientos numism áti cos a través de las imá gen es de las pieza s; prim a el se ntido icono gráfico so bre el metr ológico. Des de esa perspecti va aborda mos es te es tudio . Las prim eras mon ed as aparec ie ron en Lid ia, en el siglo VII a.e. Es ta ban ac uñadas en una aleaci ón de oro y plata (elec trón) . Desde esa región del Asia Meno r, su uso se propagó por la Hélade. Ente nd ida la ac uñació n como un símbo lo de ind ep end en cia , las ciudades es tado co mienza n a emitir mon eda de plat a con pesos similares para sus colo nias . Ca da ciudad adoptará un emblema pr opi o, que figur ará en sus decor acion es: la lechu za en Ate nas, la tortuga en Eg ina o el caballo alado en Co rinto. Ha sta la época de Alejandro Mag no el ret rat o de un per sonaj e no ocupa el anverso de las moned as. En torno al siglo IV a.C . tambi én se ac uñan e n Rom a lingot es 1. REVERSO DE UN AS DE IULlA TRADUCTA acuñado en Algeciras rectangul ares de br once que portan una marca: aes (Cádiz), donde, enmarcando el nombre de la ciudad, aparece la corona signat um, con un peso de un kil o y medi o aproxi ­ cívica. madamente.

78

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

Con la influ enci a de las co lo nias griegas del sur de la pen ín sul a itá­ lica e isl as ady ace ntes, el aes se irá sustituye ndo por las amo neda­ ciones ro ma no-ca mpa nas hast a la creación el año 269 a.e. de l denari o de plat a, si nos fiamos de Plinio el Viej o, o el 2 12 a.e., de ac uerdo co n la investi gación recient e. Co n la instaur aci ón del denario, Rom a inaugura la siste matizac ió n del nu­ merari o mon et al , En ade lante, el uso de la moned a se ge ner alizará hasta co nvertirse en eleme nto indi spensa­ ble de la economía, la soc iedad y pol ítica roma nas .

Augusto y su régimen

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En la sesió n se na to ria l de 13 de enero del año 27 a.C. Octavio recib e el títul o de A ug ust us tras pr ocl am ar co ncl uida su lab or co n el cas tigo de los asesinos de su padr e ado ptivo Cayo Juli o César. Ante la insistencia del Senado, consiente en administra r algunas pro vincia s. El co mpromiso dur a poco, pues en 23 a.e. Octav io renunci a al co ns ulado, aunque se hace conce der los honores de po­ testad tribun icia (tribun ic ia pot es­ tas) y procónsu! mayor (lmp erium pro con sulare ma ius) . La arqueología ha resc atado la ico nog rafía asoc iada a su rango. Se obse rva un a paul atin a sus tituc ió n de su nombre por el de empe rado r Augusto (I mperato r Caesa r A ug us ­ tus) co n men ci ón de sus títulos per­ so na les, tal es co mo la t rib un icia potestas y pontifex maximus. Aun­ qu e nin guno de esos hon ores, por se pa rado, es ajeno a la co ns titució n tard orrepubli cana, co ns tit uye un a ll am at iva sing ula rida d la reu nión de tal es pod eres en una m ism a person a. Imp erat or , aque l que mand aba (en latín, qui imperabat) , se aplicaba al ge neral de un ejérc ito . Co nservaba el títul o cua ndo vol vía a la vida privada. Aunque ni tribun ic ia potes­ tas , ni imperium proconsula re era n, en se ntido estric to, magi stratu ras republi cana s, la primera co nllevaba el derecho al veto de Augusto contra cualquier ac to de un mag istra do; en virtud de la seg unda, se poseía el co ntro l abso luto so bre la ciudad

LA REFORMA AUGUSTEA METAL

TIPO

VALOR

AUREO

1

PESO 7,80

QUINARIO

1/2

3,89

DENARIO

1

3,90

1/48 de LIBRA

ORO

PLATA

BRONCE

EQUIVALENCIA 1/42 de LIBRA (327g)

QUINARIO

1/2

1,95

1/168 de LIBRA

SESTERCIO

4 ASES

27

1 UNCIA

DUPONDIO

2 ASES

13,65

1/2 de UNCIA

AS

1

10,90

1/4 de UNCIA

CUADRANTE

1/4 de AS

3,24

de Rom a, por enci ma de cualquier go bern ador provin cia!. Per o si alg ún término defin e el nu evo carác ter d e A ug us to es el de Princep s, el primero entre los ciuda danos, tutor de las instituciones republican as. Parec e qu e se llegó a un a suerte de acu erdo entre lo qu e era, a tod as luces, un a du alidad de sistemas políticos: po r un lado, el Se nado , con sus ma gi str aturas re­ publica nas y, por otro, el Príncipe y sus funcio narios ; por un lad o, la administració n provincial se nator ial y, por otro, la s provincia s asig na das al Prí ncipe; por un lad o, el erario públi co (Aerarium Publicum ) y, por otro, la haciend a imp eri al (Fisc us) ;

por un lad o, el der echo republicano y, por otro, las deci siones emanadas de l Prín cipe. Se trata, a la postre , de una uni ón de dos conce ptos clá sicos del mundo antig uo : la ciudad (civi­ tas) y el reino (regnumi . Para hacerlo visi ble, se requi er e un programa pr op agandístic o, ic onográ fico , de enormes prop orciones. Nada mejor qu e la mon ed a para vehicularlo.

La amoneda ción augustea Pocos años despu és de recibir el títul o de augusto , Octavio co mienza su gra n reform a mon et ari a. Divid e el co ntro l de la mon ed a entre el Se nado, al qu e le corres ponde la amonedac ión en bronce, que port a en

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2. EL ESTRECHO DE GIBRALTAR según Cayo Plinio Segundo (hacia 73).

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, marzo, 2005

79

1.8 SERIE

2.8 SERIE

TIPO

VALOR

PESO

TIPO

VALOR

PESO

DUPONDIO

2 ASES

entre 13 y 14 gramos

DUPONDIO

2 ASES

entre 15 y 16gramos

AS

1 AS

entre 10Y11 gramos

AS

1 AS

entre 9 y 10gramos

SEMIS

1/2 deAS

entre 5 y 6 gramos

SEMIS

1/2 deAS

entre 4 y 5 gramos

CUADRANTE

1/4 deAS

entre 3 y 4 gramos

CUADRANTE

1/4 de AS

entre2,5 y 3 gramos

3. LAS DOS SERIES DE AMO NEDACIONES DE LA CECA. La l. " hace referencia al patrón semiuncial con ases cercanos a los 11 gramos. La 2.8 a la reforma augustea con ases de 9 gramos de media.

sus reversos las letr as SC (Se natus Consulto O por decr eto del Senado), y él mi sm o, qu ien se reser va la amone dac ión en oro y plata. Por lo qu e resp ect a a la mon ed a de bronce, la de mayor num erario y más accesibl e al puebl o, llevará la efigie del Prin ceps , sobre todo los sesterc ios , dup ondi os y ases. Para imponer esa vía de autopro­ moci ón se apoyó en el poder emana­ do de la potestad tribuni cia recibid a el año 23 a.e. (En la amonedación broncín ea del año 4 a.C. desa pareció definitivamente el nombre de los magi str ados monetales, qui zás en hom enaj e prestado por el Príncipe al Senado, para afianzar la continuidad tardorrepublicana.) En el marco de esa obsesión por dar a conocer el programa político augus­ teo se introducirá una constelación de dioses protectores del Príncipe: tras Apolo, el principal, Júpit er, Neptuno, Venus y Marte vengador. A ellos se les sumarán las alegoría s de la Paz y de la Victoria. Son los anversos de los denari os de plat a utili zados para pagar a sus ejé rcitos en Actium (3 1 a.C.) los elegidos portadores de estas efigies divina s. La s imágenes tran smiten el afá n por la conquista de la paz. Jam ás Roma había conocido moneda s tan

bell as, clar as y simples. Se pueden inclu so obviar las inscrip ciones, a excepción del nomb re del Príncipe. Las diosas suelen llevar el cuerno de la abundancia y los laurel es. El laurel, cuyas ramas servían de homenaj e a los vencedores, era el árbol del dios Apolo y, como tal, orna me ntaba los dintel es de en­ trada de la casa de los personaj es prin cipales. En gratit ud de los ciuda danos por la salvación de la República, Octavio introduce en sus monedas la "co rona cívica" . Es te elemento militar rodea la leyend a Ob Cives Se rvatos (por la salvació n de los ciudadanos) . El historiador P. Zanker vincula ese sí mbolo a los hom enajes del año 2 a.C.; poco a poco se convertirá en símbolo del poder romano. Son estos los elementos que aparece rán en las acuñac iones de Iul ia Traducta.

La ciudad de lulia Traducta

y su ceca

"Viene a co nt inuació n Me nla ria, co n industria de sa lazó n, y tras ella la ciudad y el río de B el án. Habitu alm ente se embarca aquí par a pasa r a Tin gi , de la Mau­ rou sia, y ti en e también mercado y sa lazo nes. Tingi tuvo an tes por vec ina a Ze lis; ma s los rom an os

4. AS DE IULlA TRADUCTA. Anverso: cabeza de Augusto a izquierda con leyenda PERM. CAES. AVG . Reverso. corona cívica con leyenda IVLlA. TRAD.

80

tra sladaron es ta ciuda d a la orilla op ues ta, co n parte de la p obl aci ón de Ting i; env iaro n a ún una co lo nia de ciudadanos roma nos, y llam aron a la ciudad lulia l oza. " Es te tex to de l ca pítulo prim ero de l libro tercero de la Geog rafía de Estrabó n, esc rito en torn o al año 6 a.C., evoca la génesis de la ciudad de Traducta , fundada muy probablement e por Marco Vipsanio Ag ripa hacia el año 29 o 28 a.e. en la bahía de Algec iras. (Es te Agri­ pa era lugarteni ent e de Octav io.) El tex to subraya la procedencia de los habi tantes: púni cos tras ladados desde el norte de Africa y soldados veteranos. Conocemos más testimonios sobre el origen de la ciudad. En torno al año 42 de nuestra era, Pomponio Me la, natu ral de Tinge ntera, señala en su Chro rographia: "Y más adelante hay un golfo y en él está Carteia, que algunos creen que en otro tiempo f ue Tartessos, y [también está ] la qu e habitan fe n ic ios trasl adados desde Africa y de do nde ade más so mos nosot ros: Tinge nte ra." Por tratarse de su patria chica, el testim onio de Me la adquiere suma imp ortan cia. Corro bora el texto de Es trabó n y ubi ca la ciudad en la misma bahía, junto a Carteia. Sin embargo, el nomb re oficial de la ciudad no lo encontraremos (a excep­ ció n de la epigrafía monetal) hasta 30 años más tard e en la Historia natu ral de Plinio: "Más allá de las Columnas de Hércul es estuvieron los oppida de Lissa y Cottae; hoy está Tingi, an tigua f undación de Anteo, llam ad a luego Traducta Iuli a po r el césar Claudia, cuando la convirtió en co lonia; se hall a a 30 .000 pasos de Ba elo, el oppi du m más p róxi mo de la Bética. A 25.000 pasos de Ting i, en la costa oceánica, está la colonia aug ustea de Iuli a Cons tan tia Zulil, INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005


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que f ue sustraída a la j urisdicción de los reyes y atribuida a la de la Bética. A 35.000 pasos de ésta se hall a Lixus, convertida en colon ia por el césar Claudio," Seg ún el enciclopedista, la ciudad se llama Iul ia Tra ducta y, aunque es patent e el error al ubi carla en la cos ta nort eafri cana, recoge acer ta­ dament e la tradición fundac iona l de la ciuda d. Co mo aca bamos de dec ir a propósito de Me la, nos hallamos ante una ciudad de nueva creac ión con dos elementos poblacionales: por un lado, vetera nos de los ejé rcitos augusteos vencedores co n estatuto de ciuda da nía roma na, a los qu e resp ond ería el epíteto Iu lia de la ci udad; y por otro, pobl aciones de púni cos tra sladados desde el norte de Afr ica, posibl emente co n estatuto de ciudadanos roma nos (al menos los de Tin gi), que respondería n al otro nomb re de la ciudad, Trad ucta . Así, la gé nesis de la ciuda d se co nforma mediant e una ver dade­ ra deduct io, una fundac ió n cuyos par ámetr os deben observarse co n precisión. Todo parece indi car que la ciudad se funda sobre una platafo rma eleva da en la dese mboca dura del río de la Miel, en el núcleo sur de AI­ geciras. Aunque se ha excavado parte del solar, hasta la fec ha só lo se han encontrado los restos de un complejo indu strial de salazo nes . Se supone, con funda me nto, que la ci uda d de Traducta yace bajo el subs uelo de esta zo na de Algec iras . La ciudad debi ó de proveerse de los elementos inherentes a un centro augusteo: un a murall a, un foro y un espacio lúdi co. Además, en razó n de su situac ió n periférica, el Prí ncipe le dota de la posibilidad de acuñar mon ed a medi an te la instaurac ió n de un a ceca imperial. Esta refle­ j a la situación política, si bien la amonedación no verá truncada una tradición qu e arra nca de los tipos púnicos de las monedas acuñadas en bronce.

A ug us to -el As pergi lo, el Sím­ pulo, el Praefericulo, el Apex o la Pátera- y civiles -coro na cív ica enmarcando el nomb re de la ciu­ da d-, eleme ntos cult urales inh e­ re ntes a la devoción que la ci uda d pr ofesa al Príncipe. Aparecen so bre los reversos. Los anve rsos vie ne n oc upados por bus tos de l Príncipe o de sus heredero s y niet os Cayo y Luc io . Caracteriza n a los anversos dos tipos de leyendas muy representat ivas de la época: los bustos de Augusto se aco mpañan de la leyend a PERM. CAES. AVe. y los de Cayo y Luc io

con las leyendas C. CAESAR, C. L. CAES. o bien L. CAES. En lo que res pec ta a los valores, suele dividirse la emis ión en dos grupos, el pri mero más cercano al patrón se miuncia l co n ases cerca­ nos a los 11 gramos, y el seg undo co rres pondie nte a los valo res de la refo rma monet al llevada a cabo por Octavio (ases de 9,5 gra mos) . Ambas constan de dup ondios, ases, semises y cuadra ntes, acuñados todos en bronce. Des de la co ncesión del títul o de Pontifex Max imus, tra s la muert e de Lépido, se produ ce una inunda-

VALOR

ANVERSO

REVERSO

LEYENDA ANVERSO

LEYENDA REVERSO

METAL

DUPONDIO

Cabeza de Augusto a la izquierda

Cabezas de Cayo y Lucio

PERM. CAES. AVG.

M. L.CAES. IVL.TRAD.

BRONCE

DUPONDIO

Cabeza de Augusto a la izquierda

Cabezas de Cayo y Lucio

PERM.CAES. AVG.

C. L. CAES. IVL.TRAD.

BRONCE

AS

Cabeza de Augusto a la izquierda

Corona Cívica

PERM.CAES. AVG.

IVLlA. TRAD.

BRONCE

AS

Cabeza de Augusto a la izquierda

Corona Civica

CAES. AVG. PER.

IVLlA. TRAD.

BRONCE

AS

Cabeza de Augusto a la izquierda

Corona Cívica

CAES. AVG. PER.

IVLlA. TRAD.

BRONCE

SEMIS

Cabeza de Augusto a la izquierda

Apex y Símpulo

PERM. CAES. AVG.

IVLlA. TRAD.

BRONCE

SEMIS

Cabeza de Cayo

Espiga a la izquierda

PERM. CAES.AVG.

IVL. TRAD.

BRONCE

SEMIS

Cabeza de Lucio

Espiga a la izquierda

L.CAES.

IVL. TRA.

BRONCE

SEMIS

Cabeza de Lucio

Racimo tendido

L.CAES.

IVL. TRAD.

BRONCE

CUADRANTE

Símpulo

Atún

CAES. AVG.

IVL. TRAD.

BRONCE

CUADRANTE

Cabeza de Augusto

Reversos y anversos Los tipos qu e caracteriza n sus mo­ ned as se basan en racimos de uvas, es pigas ten didas y atunes de clara simbología púnica y amplia tradició n en la zo na de l mediodía hi span o y norte de Africa. Junto a ellos, aparecen los símbo los po ntifica les y de fini tori os de la sac ra lidad de

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo, 2005

Pátera, Aspergilo, PER. CAE. AVG . IVLlA. TRAD. Lítuo y Prefericulo

BRONCE

5. DESCRIPCION de los elementos iconográficos según los valores acuñados. 81

DUPONDIO

DUPONDIO

AS

SEMIS

SEMIS

SEMIS

SEMIS

CUADRANTE SEMIS

SEMIS

6. MONEDAS DE LA CECA de lulia Traducta según

J. Sáez y J. Blanco. Las monedas de la Bética

CUADRANTE

Romana, vo l. 1. Conventus Gaditanus. Sa n Fernando, págs. 305·312; 1996.

ción de nuevos tipos icono gráficos que concierne n a los instrument os rituales de ceremoni as augurales y ponti fical es. Se inician por entonces las prim eras amonedaciones de Tra ­ duct a, con unos carac teres bastan te definidos para sus emisiones . La cec a de Iulia Tradu cta se ve inm er sa en los acontecimi entos qu e elevan al pod er a Octavio. Es más, el propio origen de la ciudad se deb e al P rin cep s . Desd e e l año 27 a.e. se regi str a un co nsi de rable aument o del num er ari o de bronce en Hi sp ania destin ado al pago del ejército y co incide nte co n el ini­ cio de las guerras cánt abr as. Los ase ntamie ntos de Co lonia Patrici a (Có rdo ba) , Caesa raug usta (Za ra ­ go za) o Eme rita A ug us ta (Mé rida) reclaman del Estad o una cuantios a financ iac ión. Al parecer, llegan de Rom a a la Béti ca nuevos abrido res de cuños,

82

importando los tipos que se llevan a cabo en la Urbe en ese moment o. Por eje mplo , la corona cív ica de los reversos, puesta de moda en Roma sobre el año 23 a.C. , fecha en la que Augus to, una vez recibida la potestad tr ibunicia, reabr e la ceca de la cap ital del mund o. Además, los anversos presen tan el busto de Augusto de man era muy parti cular, conoc ido co mo tipo Actúan que se rep eti rá ha sta la sac ied ad en to­ das las cecas y valores emitidos . A di ferenci a de otras ciudades de su entorno, Trad ucta no ac uña ses ­ tercios. Tal vez el obje tivo de esta primera ac uñació n no fuese tanto la soldada, cuanto conme mora r la propi a fundac ión de la ci udad.

Moneda y poder Los valores más altos (dupondio y as) se caracteriza n por la uniformi ­ dad de sus anversos. Muestra n la

cabeza del Princep s a la izqui erda, ase mejá ndose mucho al tipo Acti um, cuyos cabe llos aparecen caídos hacia abajo en mechones sueltos . Es un ti po mu y rep etido en numero sas cecas hispanorromanas y represe nta una imagen de Augusto humanizado, cercano a los hombres recept ores de la amonedación, el padr e de todos los romanos, el Pat er Patriae. Es un tipo que simboliza el primer ciuda­ dano (P rinceps) y persona sagrada a la vez (A ug us to) . R od eando al bu st o ap ar ece la leyenda P ER M ( iss v ) CAES( a r is) AVG(vsti) . Con ello se explicita la divi sión de compe tencias relativas a la acuñación de moneda llevad a a ca bo entre el propio Augusto y el Se nado, órga no al q ue le corres­ pond e la amoned ación en bronce. Si a esto unim os que la provin cia Bética la administr aba el Se nado, está clara la intención de Octavio, ya Augus to, de controlar hasta el más mínimo detall e de la vida púb lica de su naci ent e imp eri o. En las monedas aparece la aproba­ ció n o permiso del propi o Prin ceps para la amonedación de la pieza. Así, aunque nominalmente toda la pro­ vincia Bética qued aba administrada por el Senado, ésta en genera l y la ciudad en particular, aparecen bajo la órbita de Augusto. Existen numerosas variantes de la leyenda , que afectan a la ubicación de las primeras palabras, PER M . o AVG . delante o detrás del busto imperial. Para interp retar estas emis iones , co nv ie ne ten er en cuent a qu e la im agen de Augus to reser va su apa ­ rición a los valores más altos de la ceca (dupondios y ases), reafirm ando su autorid ad co n la inscripción que co nfiere valor legal a la moneda . Los reve rsos present an mayores diferen ­ cias . Se aprec ian do s tip os funda­ ment ales: anver so co n las efigies de Cayo y Lucio (dupondios) y rever so co n la co rona cívica que marca el nombre de la ciu dad (ases).

Lucio y Cayo El año 17 a.C., Augusto adopta y nombra herederos a los hijos de su yerno Marco Vipsa nio Agripa y su hija Julia. Recomi enda al Senado que les conceda el título de Príncip es de la Juventud (Princeps l uventutis). Sin embargo, las trágicas y prematuras desapari ciones de ambos fru stran INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

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sus pro yect os. Lucio muer e el año 2 en Marse lla cuando se diri gía a Hispania, y su herman o Cay o lo hará dos años más tard e en Licia . La ceca campogibraltareña se hará eco de tales querenci as acuña ndo sus unidades mon etaria s de más valor (dupondios) con las imágenes de los nietos de Augusto. Así, fruto de esa preocup aci ón po r asoc ia r al poder a sus heredero s, es co mo debemo s entender los reversos de estos dupondios acuñados en Iuli a Tradu cta sobre los años 11 o l Oa. C. Junto a los busto s, aparecen las leyendas C(aivs) L(vcivs ) CAE(saris) y debajo el nombre de la ciudad I VL (i a ) TRA D(vcta) . Es un a ma­ ner a de vi nc ula r la ciudad a los probables respo nsa bles del Esta do cuando Augus to muera. La ciudad muestra de ese modo su lea ltad al nuevo régim en instaurado y co n sus herederos. Los dup ondios de Cayo y Lucio deben ser, pues, posteriores al año 12 a.C., una vez que quedan insti­ tuid os en herederos de Aug usto tras la muerte en Ca mpa nia de su padre Agripa . En cuanto a los reversos de la serie de la corona cívica, los ases deben ser posteriores al 23 a.e. , ya que se trata de un tipo importado de la propia Urbe . Los abridores de cuños vinculan la ciudad co n su crea dor por medio de un elemento tan imperial como es la corona cívica que enmarca el nombre de la nueva colonia. Dic ha serie debe ser, por tanto, post eri or al año 23 a.C.; se emitiría sobre los años 14/1 2 a.e. siguiendo paralelos de otras cecas similares (Co lonia Patricia y Iuli a Ge me lla Acci, la act ual Guadix) . La serie de la co rona cív ica re­ sulta co nso nante co n los atributos propi os de Apo lo ; por ejemplo, la corona de laur el, si bien las hojas, más rugosas y anchas, guardan un parecido mayor co n las del robl e que co n las lanceoladas del laur el. Pero sea la coro na de ro ble o de laur el , representa un mi sm o tip o icon ográfico, la co nces ión del título de Aug usto por el Se nado . Co nsti­ tuye, ade más, una manera senci lla de que el rece ptor del num erari o relacione de inmediato la moneda co n la aut oridad emisora. Tras la e mis ió n de los valores altos de la serie, se amoneda n los valores más bajos, divisores del as,

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo, 2005

METRO LOGIA ROMANA OCTAVIO AUGUSTO redujo el peso del áureo y del as. No modificó ,

en cambio, el denario . Las equivalencias entre las monedas de mayor

uso son las siguientes:

1 áureo = 25 denarios = 100 sestercios. denario

=2

quinarios

= 4 sestercios = 8 = 64 cuadrantes .

A veces se introduce la unidad semis

que consta n de semises y cuadran tes para nuestro caso. La visión de es te numerario menor difiere por comple­ to de los dupondios y ases, aunque co ntinúa n co n ele me ntos propi os de éstos . Puede n distinguirse tres grupos de amo nedac iones : anversos con los bus tos de Cayo y Luc io Césares, anversos con la cabeza de Augusto y anversos co n símbo los sacerdo tales . Los anversos aparece n co n las ca bezas de Cayo y Lucio aunque, a diferencia de los dup ondios, se presentan de manera individual, en susti tución de Augusto. La ceca co n­ fiere así a los herederos del Princeps el honor de sus monedas de valo r más reducido. Al busto le acompaña n dos tipos de leyend a: e. CAESAR y L. CAES . Obviamente, la leyend a refl eja el bu sto del person aje representad o,

dupondios

= 16

ases

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= 1/2 as. Cayo o Lucio . Ahora las monedas necesit an , si n embargo, describi r co n la pertinent e leyen da al per­ sonaje representado (los nietos del Prin cep s ). Los reversos retom an la tra dición icon ográfi ca hi sp an a de las cecas: la es piga de trigo, la vid o el atún. Para M" Paz García­ Be llido, dichos tipos zoo morfos o vegetales vienen considerados como expresiones de cualidades de ciertas divinidades; Francisca Chaves de­ fiende, en cambio, un a sig nificació n eco nómica, que se repi te en todas las cecas de la zo na. Cab ría inclu so la hip ótesis de que la presencia del atún co nstituyera un referente indica tivo de las ac­ tividad es salazo neras de la propi a ciudad. Con todo, parece más ve­ rosímil que los abri do res de cuños utili zaran la iconografía tradicional de la zona y la co njugara n co n los

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GLOSARIO Simpulum: Especie de cazo o cucharón que usaban los sacerdotes du­ rante los sacrificios , para evitar el contacto de las manos con el líquido purificado . Praefer iculum: Vaso sagrado consistente en un cuenco llano o a veces una jarra metálica ; serv ía de recipiente para el vino de las libaciones rituales durante los sacrificios y para guardar los utensilios de culto a su término. Aspergilum : Varilla para espolvorear o rociar agua bendita . Pátera: Plato o cuenco redondeado , somero, que se usaba en ceremo­ nias religiosas y sacrificios para derramar el vino en los altares . Apex : Bonete de piel de cabra que llevaban los flámines en las ceremo­ nias religiosas , rematado por hojas de olivo en la parte superior y del que pendían dos mechones a ambos lados.

83

nuevos tip os apa rec idos a fina les del sig lo [ a.e. En efecto, junto a estos tipos apa­ rece n sem ises y cuadrantes con los atributos pontificales y el busto de Augusto . Es el nume rario de mayor uso y por ta las imágenes que sus recepto res es tán acostumbrados a ver. Todas las mone das llevan el no mbre de la ciudad enmarcando el moti vo iconográfico la leyend a I VL. TRAD. La serie de reversos con motivos vegeta les y zoomorfos debería, pues, asoc iarse a un moment o pos terior a la em isión de los dupond ios y ases, ya que están desti nados a convertirse en num erario común. Parece que empiezan a circular a con tinuación de la serie de la coro na cív ica sobre el 13 o 12 a.e.

Serie pontifical Hay, además, una serie de semises y cuadra ntes muy peculi ar, que re­ coge los atri butos sacerdotales de Augusto. Merece es pec ial ate nción. Una primera emisió n de cuad rantes acuña el anverso co n la represen­ taci ón del Simp ulum , es to es, el uten sili o en forma de cucharón o cazo que empleaban los pontífices en las ceremon ias sacras; portan la leyenda CAES. AVe. Sin duda, la moneda alude al cargo de pontífice máxim o qu e Augus to desemp eñó . La emis ió n debe ser posterior al año 12 a.e., ya que hasta esa fecha oste ntó dicho honor Lépido . Se trata, si n embargo, de un a emis ión de transici ón , previa a la gran ser ie de se mises y cuadra ntes que ac uñará más adelante . El re­ verso nos present a un atú n rodeado por la leyend a I VL. TRA D. El tipo co mb ina la tra dició n de reversos zoo morfos y vegetales de la ci u­ dad con la mod a impues ta por la co ncesión a Augus to del títul o de po ntífice máxi mo. Si el nombra­ mien to se produ ce en 12 a.C., su emis ió n debi ó da rse en torno al año 11/l 0 a.e. La ceca acuñará a partir de es te momen to se mises y cuadra ntes con todo el repertorio de útiles ceremoniales en sus reversos; sus anversos quedan rese rvados para la efigie de un Aug usto j oven , de nuevo del tipo Actium, y la leyend a PER M. CAES. AVe. Lo mismo qu e en los dup ondios y ases del primer mom ent o.

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F la nquea ndo la leyend a I VL. TRA D. se encuentra una ser ie de semises con el ápex y el simpulo , El prim ero es un bonete característico, de piel de cab ra, con dos mechones de lana cayend o a ambos lado s y coronado por un motivo cruc iforme . El sace rdote se lo calaba para puri­ ficarse y cubrirse ante la divinidad. El simpulo o cazo se usaba para las libaciones ritu ales, para evitar roza r el líquid o sagrado con las manos. Ambos moti vos deben pon erse en relación con el pontificado del Prin­ eeps, enco ntrá ndose paralel os en varias cecas hispana s como Colonia Patricia o Guadix. A la misma época corres po nde otra emisión, esta vez de cuadrantes, con similares anversos y en cuyos reversos enco ntramos todos los sím­ bolos del augurado y pontificado, esto es: la pátera, el asperg ilum, el litu o y el p raefericu lum , Los dos últimos tipos deben fec harse sobre los años 10/9 a.C .

por el Senado como eleg ido por los dio ses para conve rtirse en el tutor de los intereses del Senado y del pu ebl o de Roma. Va adquiriendo magistratur as republicanas hasta la total conj unció n del poder constitu­ cio nal en una sola persona , la prin­ cipa l, el Prineeps . La construcc ión de un nuevo foro, la implantaci ón de cánones artísticos o la creación de una simbología iconográfica a su servicio serán las carac terísticas más relevant es del inicio de su sistema, dis tinto, aunque no hostil , al es ta­ blecid o. Una vez que se confundan tales símbolos co n los del Estado ro ma no, po dre mos hablar qu e el princi pado co mo sis tema polí ti co es tá implantado. Las provincias no será n aje nas a estas nuevas corrientes. Las ciudades qu e tengan el pri vilegio de acuñar moneda procurarán asocia r sus cecas al Príncipe . Así oc urrió en Iulia Tra­ ducta, una pequeña colonia romana en el es trec ho de Gibraltar.

Cierre de la ceca La ceca parece que no va más allá del gobierno de Augusto. No se co­ nocen tipos acuñados con la image n de Tiberi o, que sí hallamos en cecas de similares caracter ísticas, como la de Guadi x. Las guerras cántabras han terminado y puede que se haya generado un exceso de num erario en bronc e. Además, la impl antación de los nuevos valores del Princip ado se ha llevado a cabo con total éxi to, por lo que podría prescindirse de la ceca de la ciuda d . So lame nte desde esta perspectiva se entie nde la cor ta dur ación y la consiguiente desapari ción de la ceca.

A modo de epílogo La ceca de Iulia Traducta co nstituye una inic ia tiva más en el co ntexto de un complejo sistema de accio nes enca minadas a la exa ltación de un per son aje. Mas, ¿po r qu é se hace necesari a di ch a exa ltac ió n? Octav io, Aug usto desde el año 27 a.C ., necesit a presentarse ante Roma como el salvador de la Re­ públi ca . Desd e mu y j oven ll eva co mba tie ndo en un a enca rnizada guerra civ il, que había co menza do en tiempos de su pad re adoptivo Cayo Juli o César. Es la hor a de la paz. Ve ncido Marco Antonio en 3 a.C ., Oc tav io se hace reco nocer

El autor Salvador Bravo Jiménez es profesor tutor de Arqueologfa e Historia Antigua de la península Ibérica en el Centro Asociado a la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) en el Campo de Gibraltar. Arqueólogo espacia­ lista en mundo romano, compagina su actividad docente con la de técnico arqueólogo llevando a cabo actividades arqueológicas en la zona del estrecho de Gibraltar.

Bibliografía complementaria LAS MONEOAS OE LA BÉTIC A ROMANA 1: CONVENTUS GAOITA NUS. J. A. Sáez y J. M. Blanco; San Fernando. 1997. LA CÓROOBA ROMANA A TRAVÉS DE LOS TESTIMONIOS NUMISMÁTICOS: MoTIVOS ICONOGRÁFICOS. M. A. Cebrián en Aoti­ qvltes, n.o 10, págs. 81-88; Priego de Córdoba. 1999. IUlIA TRAD UCTA: ¿U NA COLONIA ROMANA EN LA BAHíA DE ALGECIRAS? S. Bravo en

/11 Congreso de Historia de Andalucía. págs. 97·120; Córdoba. 2003. IUlIA TRADUCTA y TINGI: Dos CIUDADES ROMANAS EN LOS CONFINES DEL IMPERIO. S. Bravo en XV Convengo Internalionale di Studi L'Africa Romana. Tozeur (Túnez), 2002 (en prensa).

INVESTIGACiÓN y CIENCI A, marzo. 2005

ALLER Y LABORATORIO

Marc Boada

Arqueometalurgia

C

uando nuestros antepasados, hace pocos milen ios , em­ pezaron a usar los metales , la técnica experimentó un cambio notable . Hasta entonces , las herra­ mientas eran de piedra; del peder­ nal se obtenían , por percusión o abrasión , los más diversos útiles. Con la ap licación del metal , las técnicas de moldeo en estado lí­ quido y la forja nació la metalurgia, una industria que permit ió fabricar artefactos precisos capaces de transformar el mundo con una efi­ cacia inimaginable hasta entonces. Con mi compañero Antonio Palomo,

arqueólogo especializado en técni­ ca prehistórica, hemos pergeñado métodos que permiten reconstruir, con el instrumental mínimo, las artes metalúrgicas al uso durante la edad de los metales. Los metales se caracterizan por su fusibilidad, plasticidad en calien­ te y tenacidad en frío. Debido a su reactiv idad química, escasean (en estado puro) en la naturaleza. Dado que suelen aparecer en forma de compuestos, el hombre prehistórico desarrolló métodos para extraerlos de los minerales en que se encontraban combinados.

Presentamos aquí un experimento diseñado para obtener bronce, una aleación metálica, a partir de minera­ les de cobre y estaño. El cobre puede encontrarse con facilidad en forma de carbonato básico; el estaño, en forma de óxido. Extraer el metal del un mineral exige un gran dominio de la pirotecnia, ya que las reacciones químicas que se desarrollan requie­ ren energías elevadas para romper los enlaces químicos del mineral. Se recurre a dos técnicas funda­ mentales: la oxidación y la reducción. La primera se aplica a minerales sul­ furados; puesto que genera cantida­

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'" 1. Materiales y utensilios necesarios para obtener bronce.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

85

des ingentes de vapores sulfurosos, irritantes y tóxicos, desaconsejamos el uso de minerales como la calcopi­ rita (CuFeS 2). La reducción se aplica a óxidos y carbonatos; ofrece mayor comodidad , entraña menores difi­ cultades técn icas y produce menos contam inación. Pese a todo, cuando se opera con metales líquidos , a más de 1000 oC, toda precaución es poca ante posibles derrames, salpicadu­ ras y emisión de gases recalentados; además, debemos protegernos de la poderosa radiac ión calo rífica. En primer lugar, construiremos el horno. Una buena opc ión consiste en recubrir el interio r de una barbacoa doméstica con ladrillos y cemento refractarios. Una vez secos, estarán listos para opera r. En un mayorista de material para joyería, nos proveeremos de un cri­ sol de graf ito de unos 70 u 80 mm de diámetro, junto con su tapa y fun­ dente (mate rial que facilita la fus ión) para bronce . El siguiente paso con­ sistirá en adqu iri r los minerales de cobre y estaño. Los más adecuados son la malaqu ita (CuC0 3Cu (OH) 2' sobre todo la originaria del Zaire) ; la buscaremos masiva o formando con­ creciones; también sirve la casiterita (Sn0 2), hab itualmente en macias , que separa remos de la ganga. Rom­ peremos los bellos cristales en frag­

86

mentas de 10 o 20 mm y, junto con algunos trozos de ca rbón vegetal , los introduciremos en el crisol. De este mismo carbón necesitaremos unos 10 kg para usar como com­ bust ible (la cantidad dependerá del tamaño del horno).

Alcanza r una temperatura cerca­ na a los 1200 oC exige una fuente copiosa de oxígeno (la abundancia de oxígeno asegura una combustión completa y, por tanto , maximiza la temperatu ra de la llama) . Para ello recurriremos a un secador de cabello, alargado con un tubo de hierro de unos 500 mm de long itud. El extremo libre de éste, la tobera , se deformará en forma de pico de pato para repartir el oxígeno sobre un mayor volumen de carbón. Este dispositivo perm ite llevar las brasas al rojo blanco, libe­ rando (con un escaso rendimiento) los megajoule de energ ía por kilo de carbón que se requieren para reducir los compuestos , liberar los metales y fundir los. Acome teremos entonces el encen­ dido del horno. Procederemos con parsimonia, buscando una dilatación gradual de la mampostería refracta­ ria. El consumo elevado del horno exige un suministro incesante de combustible. Emplazaremos el cri­ sol cerca de la tobera, la zona más caliente; lo envolveremos completa­ mente en carbón, procurando que esté en contacto permanente con las brasas. Ajustaremos entonces la po­ tencia del secador para mantener el rojo anaranjado de las brasas, has­ ta que el crisol entero muestre ese

2. Vertido de bronce en un molde metálico.

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, marzo, 2005

PLANETA AZUL,PLANETA VERDE AAMON MAAGAlEF

3. Proceso de obtención de un hach a de bronce a partir de casiterita y malaquita.

mismo color. Mantendremos esta temperatura durante unos treinta mi­ nutos. Luego, con toda precaución, abriremos el crisol y añadiremos una pequeña cantidad de fundente, que mezclaremos varias veces con una larga varilla. Retomaremos el calentam iento durante , al menos , otra media hora. Lograremos así que los minerales se conviertan en aleación metá li­ ca. Aparece rán unos glóbulos que deberemos unir mediante agitación con una varilla de madera, cuya combust ión ayudará a purificar el producto. A partir de aqu í, su pu­ reza dictará el proceso a seguir . Si hemos partido de mine rales muy puros , sin ganga , hallaremos en el fondo del crisol un líquido al rojo vivo. Pero si hemos utilizado minera les impuros, con un exceso de carbón o fundente , obtendremos una esponja de consistencia pasto ­ sa; para Iicuarla, aumentaremos la temperatura. En cualquier caso, conviene verter el contenido en una lingotera. Para fabricarla , llenamos una caja (un molde) con yeso. En el bloque que obtendremos, una vez seco, excava­ remos un volumen aproximadamente troncocónico.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

Para minimizar el riesgo de acci­ dentes (salpicaduras o roturas, por ejemplo) la lingotera debe estar ca­ liente; por ello, la habremos situado, desde el comienzo, cerca del fuego. Cuando el metal (ya vertido ) se haya enfriado ligeramente, lo sumergire­ mos en agua. Al recocerlo, recupe­ rará ductilidad. Un buen martilleado final liberará la escoria y compactará el metal. El rendimiento del proceso resul­ ta un tanto frustrante. Con un crisol pequeño obtendremos sólo algu ­ nas decenas de gramos de metal en cada reducción. Será necesario unir el producto de varios procesos para fundir, por ejemplo, un hacha de 300 gramos. El molde será de la misma factura que la lingotera. Una vez dominado el proceso, es­ taremos en condiciones de introducir variaciones que nos aproximen toda­ vía más a la arqueometalurgia : sus­ tituiremos el ventilador eléctrico por unos odres de cuero, trabajaremos con toberas y crisol de cerámica, ela­ boraremos el molde sobre una roca arenisca, excavaremos el horno en el suelo y lo cubriremos, parcialmente, con grandes piedras. Así conseguire­ mos remedar la técnica de nuestros antepasados prehistóricos.

Un vo lum en de 22 x 23 ,S cm y 265 páginas, profusam ente ilustrado en negro y en co lor.

SUMARIO

• El planeta que la vida acabó po r hacernos confortable • Síntesis y descomposición orgánica • El océano • Los continentes • Las aguas epicontinentales • El dominio de los animales • El camb io incesante: entre la sucesión y la perturbación

Prensa Científi ca, S. A.

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UEGOS MATEMÁTICOS

Juan M.R. Parranda

La dote del sultán

E

l mes pasado terminábamos la sección propon ien­ do a los lectores un prob lema ya clásico en matemáticas: la dote del sultán. Un sultán tiene cien hijas y decide dar la mano de una de ellas a uno de sus súbditos si supera la siguiente prueba: Las hijas desfilarán ante el pretendiente, al que se le anunciará la dote que acompaña a cada una de ellas. El súbdito sólo podrá casarse con la hija de mayor dote si adivina cuál de ellas es. Para ello debe decidir ante cada una de las hijas si la elige para esposa o si prefiere continuar viendo al resto. Una vez rechazada una de las hijas, la decisión no se puede cambiar. Supondremos que todas las dotes son distintas y que el pretendiente no tiene ninguna información previa acerca de su cuantía. ¿Cuál es entonces la mejor estrategia para superar la prueba? Una estrategia bastante general consiste en dejar pasar un cierto número n de hijas y después elegir la primera cuya dote supere a todas las preceden tes (incluyendo las n primeras, obviamente). El problema consiste entonces en calcular el número n que maximiza la probabil idad de elegir la dote más alta. Analicemos el problema con sólo 4 hijas. Si n = 0, elegiremos siempre a la primera de las hijas. Si n = 1, no elegiremos en ningún caso a la pr imera y luego esperaremos hasta que aparezca una con una dote mayor que ella. Las otras dos estrategias posibles son similares, pero con n = 2 o n = 3. Esta última , n = 3, es en realidad muy sencilla: puesto que se rechazan las tres primeras hijas, con esta estrategia elegiremos siempre a la última de ellas. En la tabla se analizan todas las posibilidades. Las cuatro hijas se numeran de mayor (1) a menor dote (4). En la columna de la izquierda se presentan todas las posibles ordenaciones en las que pueden aparecer las cuatro hijas , resaltando en naranja a la de mayor dote. En el resto de las columnas se indica la hija elegida al utilizar cada una de las cuatro posibles estrategias y se destacan en verde los aciertos. Si, por ejemp lo, las cuatro hijas aparecen en el orden 4, 1, 3, 2, la estrategia con n = elegirá a la primera de ellas, es decir, a la 4, que es la de menor dote. La estrateg ia con n = 1, rechaza a la 4 y, al aparecer la 1 en segundo lugar, la acepta , superando la prueba. Sin embargo, las estrategias con n 2 o n 3, rechazan la 1 y se quedan ambas con la hija número 2. Para el caso de 4 hijas , la estrategia óptima es la n = 1, con la que se alcanza una probabilidad de ganar 11/24 = 45,83 % (24 es el núme ro total de casos u ordenaciones). Es una probabilidad bastante alta si la comparamos con la probabilidad de ganar si se elige una de las hijas al azar, que sería 1/4 = 25 %, la misma que

°

=

88

=

°

tienen las estrategias con n = y n = 3. Como vemos, la estrategia óptima se alcanza para un número n medio. Si n es muy pequeño, nos precipitamos y elegimos demasiado pronto, cuando es aún poco probable que haya aparec ido la hija de mayor dote. Por otro lado, si n es demasiado alto , lo más probable es que la hija de mayor dote aparezca entre las n primeras y la rechacemos . Veamos cuál es la probabilidad de acertar con N hijas habiendo rechazado a las primeras n. Ace rtamos si la de mayor dote está en el puesto n + 1 y esto ocurre con probabilidad 1/N. También acertamos si la mayor está en el puesto n + k + 1, lo que ocurre con probab ilidad 1/N, y la mayor de las n + k precedentes está entre las n primeras , lo que ocurre con probabilidad n/(n + k). Por tanto, esta posibilidad ocurre con una probabilidad

1 n N n+ k

- --

Combinación 1 2 4 3 1 2 4 3 1 3 2 4 1 3 4 2 1 4 2 3 1 4 3 2 2 1 3 4 2 1 4 3 2 1 4 3 4 1 2 3 2 4 1 3 1 243 4 2 3 3 14 2 2 1 4 3 2 4 1 3 1 2 3 4 342 1 3 2 4 4 13 2 4 2 1 3 1 4 2 3 4 1 2 3 4 1 3 2

n =O 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4

n =1

Aciertos

6

11

CJ

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4

3 4

2 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 3 3

n=2 4 3 4 2 3 2 4 3 1 1 1 1 4 2 1 1 1 2 3 2 1

1 1 2

10

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

n=3 4 3 4 2 3 2

4 3 4 1 3 1 4 2 4 1

2 1 3 2 3 1 2 1

6 marzo, 2005

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g 0,35 ui

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13

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O +----'-O

En esta fórmula , In es el logaritmo neperiano y y es un número que vale 0,5772 y se llama constante de Euler-Mascheroni. Esta constante ejerce un papel importante en dist intas ramas y prob lemas de la matemática, como la teo ría de números o el cálcu lo de series e integrales. La aproximac ión es bastante buena, como puede apreciarse en la figura 2. Si aplicamos la aprox imación de Euler a la probab ilidad de acertar, obtenemos: Pacertar "" -

-+--',

20

40

60

80

1. Probabilidad de acertar en función del número n de hijas rech azadas. Cada curva corresponde a un número total de hijas distinto: N = 1O, 20, 30, ..., 100.

La probabilidad de acertar es entonces la suma de estas probab ilidades extend ida a todos los posibles valores de k, que van de O hasta N-n - 1, es decir:

n

Como en el caso de cuatro hijas , tenemos que encontrar el número n que maximiza esta probabilidad . En la figura 1 se puede ver la probabilidad de acertar en función de n para distintos valores de N. Vemos cómo cada una de las curvas tiene un máximo que se alcanza para algún valor de n. Por ejemplo , para N = 100 hijas , el valor óptimo es n =37. Es decir, la mejor estrateg ia consiste en rechazar las primeras 37 hijas y luego aceptar la primera que tenga mayor dote que todas las anteriores . Actuando de esta forma , la probabilidad de ganar la prueba es del 37,10 %. Para abordar el prob lema de modo más general , nos pueden ayudar algunos conocimientos avanzados de matemáticas. En teoría de números y en análisis, se han estudiado con bastante detalle los llamados números armónicos, que se definen de la siguiente forma : 1 1 1 Hn = 1 + - + - +...+ - . 2 3 n Es sencillo comprobar que la probabilidad de ganar la prueba del sultán , rechazando las n primeras hijas se puede escribir utilizando los números armónicos :

No hay una fórmula sencilla, aparte de la propia definición , que nos proporcione el valor exacto del número armónico Hn. Sin embargo , Euler encontró una fórmula aproximada para dicho valor, que es mejor cuanto mayor sea n:

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

( n -1 ) N-1

.

Cuando tanto N como n son muy grandes, la probabi lidad de acertar depende sólo de a = n/N, es decir, de la fracción de hijas rechazadas de antemano : Pacertar '" - a In a. A part ir de esta expresión, los lectores con algunos conocim ientos de análisis matemático podrán encontrar sin mucha dificu ltad el valor máximo de la probabilidad de acertar: se alcanza para a = 1/e y vale precisamente Pacertar max = 1/e . Casualmente, la máxima probabilidad de acerta r coincide con el valor óptimo de a. En la solución aparece otro número de

(-.!-n + _n+1 1_ + _ 1_ +...+ -N 1 ) . n+2 -1

Hn "" In(n) + y.

In

100

n

Pacertar = N

n ti

5 4,5 4 3,5

Hn

3 2,5 2 1,5 O

10

20

30

40

50

n 2. los puntos azules son los números armónicos exactos y la curva roja la aproximación de Euler.

gran importancia en matemát icas y también ligado a Euler: el número e, que vale 2,72828 ... Su inverso es 1/e = 0,3679 ..., muy próximo al valor que hemos encont rado para el caso de 100 hijas. En realidad , hemos resuelto el problema suponiendo que a puede tomar cualquier valor, pero en realidad sólo puede tomar valores a = n/N, con n entero. La solución final , siempre aproximada, ser ía el valor posible más próximo a 1/e, que, para N = 100, es precisamen te n = 37. Es sorprendente la alta probabil idad de acertar con la estrategia óptima . Si elegimos al azar entre 100 hijas, la probabilidad de acertar es del 1 %, mientras que si rechazamos de antemano a las 37 primeras, la probabilidad sube hasta el 37 ,10 %, que es mayor que un tercio . De modo que el súbdito del sultán puede albergar bastantes espe ranzas de obtener la mano de la hija de mayor dote. <[email protected]»

89

DEAS AP LICADAS

Mark Fi schetti

EL YO·YO

Teoría de cuerdas

E

l yoyó moderno entraña mayor complejidad

de la que aparenta. Bordes lastrados y ejes

refinados aprovechan la física del momento

angular para hacer posible toda suerte de trucos y tretas. Se conocía en China y Grecia hace más de dos milenios. Luego, se abrió camino hacia Europa; al llegar el siglo XVIII, aquel curioso chisme ya se ha­ bía convertido en uno de los juguetes favoritos de la aristocracia. Desde los comienzos, el hilo se sujetaba al eje, con lo que los discos en rotación retornaban cuerda arriba en cuanto llegaban al final del descenso . En Filipinas, sin embargo, empezaron a sujetar el hilo en torno al eje formando un lazo; ello permitía que los discos de madera rotaran libremente (aletargados) mientras colgaban del hilo extendido. Esa innovación se convirtió en la base de numerosos trucos : 'la cuna del gato' y 'el paseo del perro' , entre otros. Pedro Flores, filipino inmigrado a EE.UU., empezó a fabricar yoyós en 1928; el juguete no tardó en ponerse de moda. Barato y duradero, const ituyó uno de los pocos éxitos comerciales de la Gran Depresión. En 1932, el empresario Donald Duncan compró las acciones de Flores. Organizó competiciones multitudinarias para publicitar el producto y regis­ tró la marca "yoyó", dejando a sus competidores alternativas tan poco atractivas como el "volatín". El nombre de Duncan acabó considerándose sinónimo del juguete. En 1962, la compañía vendió 45 millones de yoyós en un país de sólo 40 millones de niños. En 1965, sin embargo, un tribunal federal falló que "yoyó" se había convert ido en un término genérico. Duncan perdió la protección de su marca registrada y quebró. Más tarde, la compañía fue adquirida por Flambeau Plastics, que resucitó la marca. Aunque el plástico y el metal empezaron a reem­ plazar la madera, el diseño, en esencia , se mantuvo. A finales del decenio de los ochenta y a lo largo de los noventa, varios fabricantes introdujeron un alud de perfeccionamientos - bordes lastrados, ejes con cojinetes de bolas y embragues, entre otros- que prolongaron el tiempo de letargo. El récord aumen­ tó de forma notable: desde 51 segundos en 1991 hasta 13 minutos y cinco segundos diez años des­ pués. Esa "carrera de armamentos" ha generado "más innovaciones en el diseño desde 1990 que los habidos en los cien años anteriores ", señala Don Watson. El aumento del tiempo de letargo permitió la ejecución de nuevos trucos y el resurgimiento de la popularidad que todavía hoy persiste.

90

Peso añadido

Eje

1. EN LOS vovos TRADICIO­ NALES (extremo izquierdo) el hilo está atado a un eje fijo que forma cuerpo con los dos discos. En los yoyós modernos, el hilo abraza al eje con un lazo; ello permite que los discos roten libremente, aletargados: efecto que posibilita la ejecución de numerosos trucos. Algunos diseños cuentan incluso con un manguito que gira alrededor del eje; así se reduce la fricción sobre el hilo y se prolonga el tiempo de letargo. Los discos pueden dotarse también de unas pesta­ ñas que añaden masa y aumen­ tan el momento de inercia; ello les confiere una mayor velocidad angular y, por tanto, un tiempo de letargo aun mayor.

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1 :1

Palanca de embrague

,¡: 2.

EL EMBRAGUE se mantiene desacoplado debido a la fuerza centrí­

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fuga cu ando el yayo gira a gran velocidad. Así, el huso independiente permite que los discos y el eje duerman aletargados. Cuando la velo-

~

cidad de rotación aminora, esa fuerza disminuye; entonces, los muelles

:z

presionan la palanca de embrague contra el huso y éste se acopla al

~

eje; de ese modo, ambos giran de forma solidaria y el hilo se rebobina.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

•

.-.)

· FISICA DEL YOYO : Al Capitán Yo, alias de Don Watson, ingeniero industrial retirado y profesional del yayo, debemos una de las pocas descripciones minuciosas que se han publicado acerca de la física del yoyó. Se trata de cinco magníficas monografías en las que no falta detalle sobre la dinámica de este juguete: de los momentos de inercia a la generación de la velocidad de rotación. . DESCONECTADO: En las competiciones han irrumpido dos estilos de manejo del yoyó radicalmente distintos. En el estilo "sin hilo", la cuerda se arrolla en el eje como en una peonza. Se lanza el disco hacia lo alto para separarlo del hilo, que se emplea en los trucos a modo de cuerda floja, para finalmente recuperar el disco cazándolo a lazo por el

eje. En el estilo "manos libres", un extremo del hilo se une al disco y el otro extremo a un contrapeso (no así al dedo del jugador). El jugador suelta y luego agarra el hilo, unas veces el hilo; otras, el contrapeso; provoca así que el disco rote y ejecute maniobras en el aire. . PRIMICIA: De la historia del yoyó se sabe muy poco. Sin embargo, se dice que el nombre del juguete fue introducido en EE.UU. por Scientific American. En concreto, en un ar­ tículo liIulado 'Juguetes filipinos', publicado el primero de julio de 1916 en el suplemento de Scientific American; el artículo mostraba cómo construir un disco giratorio al que denomina­ ba yoyó y advertía que "para manejarlo bien se requiere una destreza considerable".

I

5. EL ALETARGAMIENTO empie­ za cuando el hilo está completa­ mente desenrollado. Un jugador que lance el artefacto hacia abajo con energía, pero mitigan­ do el rebote bajando un poco la muñeca cuando aquél llegue al final de su descenso, comunicará la máxima velocidad angular üJ a los discos; consigue con ello mayores tiempos de letargo.

Pista exterior -~!iY"'" Eje - - - ---f'i, Pista interior -----cn "iii:Jl" Recuperación\ de la tracción

3. LOS COJINETES constituyen el mejor dispositivo para minimizar la fricción sobre el hilo y facilitar así la rotación.

Fuerza

4. LA PRECESION hace que el yoyó se

tuerza. Si el jugador mantiene el hilo, o tira

del mismo, bajo un ángulo excesivo, el hilo

golpea contra el borde del canto del disco,

apareciendo así una fuerza que provoca

que el yoyó se bambolee (precesione)

en torno al hilo. Al propio tiempo, el roza­

miento del hilo y el canto del disco en rota­

ción genera una fuerza que ladea al yoyó.

Los dos efectos consiguen que el juguete

se descontrole.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

6. EL RETORNO se inicia cuando el jugador tira momentáneamente del hilo. El giro de los discos hace que éstos, al cesar el tirón (izquierda), se eleven durante un instante; se afloja así la trenza y ésta empieza a ceder hilo alrededor del eje. El grosor de la trenza determina que el ro­ zamiento del hilo con los discos crezca de repente; en virtud de ello, los discos se aferran al hilo y retornan trepando hilo arriba.

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IBROS Genética Vuelta alorganismo GENESIS. THE EVOLUTION OF BIOLOGY, Jan Sapp. Oxford University Press; Oxfo rd, 2003 . MENDEL'S LEGACY. THE ORIGIN OF CLASSICAL GENETICS, por ElofAxel Carlso n. Cold Spring Harbor Laboratory Press; Co ld Spring Har bor, 2004. FUNDAMENTAL GENETICS, por John Ringo. Cambridge University Press; Cambridge, 2004 . MOLECULAR BrOLOGY OF THE GENE, por James D. Watson, Tania A. Baker, Step hen P. Bell, Alexander Gann, Micael Levine y Richard Los ick . Benjamin Cummings-Cold Spring Harbar Labora tory Press; San Fra ncisco, 2004 5 . RNAr. A GUlDE TO GENE SILENCING. Dirigido par Gregory J. Hannon. Cold Spring Harbor Laboratory Press; Co ld Spring Harbor, 2003 .

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ecuerda ElofAxel Carlson (Men­ del 's Legacy) que, siendo alum­ no de doc torado en el merid iano de los cincuenta del siglo pasado, los que se sumaban a los nuevos enfo­ ques moleculares y bioquí micos de la herencia llamaban "genética clási­ ca" a la metodología empleada desde 1900 hasta 1953. Un epíteto harto para dójico, si tenemos en cuenta que las técnicas aplicadas entonces al es ­ tudio de virus y bacterias se apoyaban en los mismos recur sos -cartogra ­ fía de genes, cruza miento de cepas, selecc ión de reco mbina ntes, agentes inductores de mutaciones y determi ­ naciones de las tasas de mutación espo ntánea- que los explotados por la genética de la mosca de la fruta, el maíz o el ratón. (A la genética clásica dedica también Jan Sapp la parte tercera de su Genesis; la cuarta, a la genét ica molecular.) Andando el tiempo, cuando la genética molecu­ lar hubo solucionado la estructura y función del gen, volvería de nue­ vo la mirada hacia los organismos complejos. Suelen fec harse la partid a de na ­ cimiento de la ge nética clásica en 1900 , co n el redescubrimiento de las leyes de Mende l, y su disolució n final en la genética molecul ar en 1953, con la publicación del artícu­ lo de James D. Watso n y Fra nc is H. C. Cr ick sobre la es truct ura en do ble hélice del ADN . Algu nos dis­

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crepantes prefieren situar el orige n en 1902 , con la teorí a crom osómica de la herencia propuesta por Wal­ ter Sutton, o incluso en lo s trabajos en torn o al cru zamient o, ci tología y evolución de Thomas Hun t Morgan y sus discípulos entre 1910 Y 1916 . Por no mencion ar qui enes cifran el pun to de arranque en los descub ri­ mientos sobre meiosis y mito sis en el último terci o del sig lo XIX. Se discrepa tambi én en el año de cierre o culminac ión de esa época clási­ ca . No les falta razón a quienes lo ade lantan a 1944 , cuando se obtiene la primera prueba directa de que el ADN const ituía el mate rial heredita­ rio, a través de los experimentos, de un rigor mod élico, de Oswald Avery, Maclyn McC arty y Colin MacLeod co n Pnem ococcus. Suponía Darwin que las variaciones entre individuos, heredada s, consti­ tuían la fuente de las innovaciones evolutivas; las variaciones que ofre ­ cían mejores posibilidades de super­ vivencia y reproducción se veían pri­ madas por la selección. Pero no supo acompañar su tesis de una explicación genética solvente. Admitía la "fusión" de los caracteres de los proge nitores en la fecu ndación. Pero tal fusión acabaría por agota r las variac iones y, con ello, el combustible evolutivo. La obra del monje Grego r Mendel sacaría de su principal atolladero a la teoría de la selecció n natural.

Sus ensayos revelaban que habí a "fac tores" heredit ari os que se se­ paraban nítidam ente en las células ger minales, aun cuando el carác ter heredado visible en la progenie fuera de conformación intermedia. Mendel articuló los resultados en "Experimen­ tos con híbridos vegetales", publicado en 1866, en la revista de la Sociedad de Historia Natural de Brünn . En su presentación describía las pautas de transmisión de los caracteres en plan­ tas de guisantes, sus conclusiones so­ bre la herencia y su importancia para la teoría de la evolución. Respetado por su comunidad, que lo eligió abad en 1868, no gozó de predicamento científico entre sus contemporáneos. A Hugo de Vries, Carl Corre ns y Erich Tschermak se les concede el mérito del redescubrimiento de sus logros, doblado el siglo: la ley de la segregación de los alelos y la ley de la distribución independiente. La se­ gunda hubo de matizarse muy pronto, cuando los genéticos repararon en el fenómeno de l ligamiento (herencia de dos o más genes situados próxi­ mos entre sí a lo largo del mismo cromosoma). En un comienzo, los genéticos men­ delian os se declararon antidarwinis­ tasoCon esa tom a de postur a se en­ frentaban a los biómetras. ¿Surgían las nuevas espec ies gradualmente por selecc ión natural o lo hacían de re­ pen te a través de mutaciones gene­ ralizadas? Los estadísticos, liderados por Karl Pearson y W. F.L. Weldo n, defendían una evolución darwinista co ntinua. Siguiendo a William Bate­ son, los genéticos mendelian os pro­ ponían una evolución discontinu a, a saltos; en este bando sobresalieron los trabajos de Morga n y su esc ue­ la. A Bateson debemos los primeros manuales sobre la ciencia de la he­ rencia, cuyo tecni cismo (ge nética) acuñ ó en 1905, voz que aunaba la idea de transmisió n con la de varia­ bilidad . Introd ujo más vocablos clave (cigoto , con sus derivados homocigo­ to y heterocigoto, ale los y otros) . El antagonismo entre genética men­ deliana y darwinismo se fue diluye n­ do con los años. En 1936 Ronald FiINVESTIGACiÓN y CIENCIA, ma rzo, 2005

sher publi cab a un artíc ulo cuyo títul o reflejaba la nueva situación: "¿Se ha redescubi erto la obra de Mendel?". Aportá base allí una interpretació n darwi nista de los ensayos del mo nje checo. La ge nét ica había ma durado ya bastant e y reco rrido buen a parte del ca mino qu e habría de co nd uci rla a un cuerpo sólido de doctrina, cuyos eslabones se co ntaría n por avances significativos: teoría cro mosómica de la herencia (Sutton, Ca nno n, Wilson y Boveri), heren cia liga da al sexo (Mo rgan y Don caster), ligami ento y sobrec ruza mie nto (escuela de Mor­ ga n y Bateson ), cartografía de genes (Sturtevant y Muller) , reordenac iones cro mosómicas (Br idges y McClinc­ tock), epis tasis (Emerson, Correns y Hurst), polipl oidía y aneuploidía (Gates, Davis y Blakes lee), genética de poblac iones (Ha rdy, Fishe r, Ha l­ dane, Weinberg y Wright), mut acio­ nes indu cid as y espontáneas (Muller, Stadler y Auerbach) . Vale la pen a rem em or ar alg unos mom ent os de reseñabl e inte rés. Así, en 1901 Cla rence McClung descri­ be los cro mosomas accesorios como determinant es del mac ho . Un año despu és, Bateson ext iende el men­ deli sm o a las aves de corral. E n 190 3 Walter Sutton asocia leyes de Me nde l y alinea mie nto meiótico co n se paración de hom ólogos empareja­ dos. Wilhe lm Joh ann sen es tab lece en 1909 la dis tinción entre genotipo, o composición ge né tica de l indi vi­ du o, y los caracteres man ifes tados e n el fe notipo. En 19 10 Morgan descubre las primeras var iac iones, rel ati vas a alas y ojos, en la mosca del vinag re . Uno de sus co labora­ dores, Alfred H. St ur teva nt leva nta en 191 3 el pri me r map a cromosó­ mico, que inclu ye seis ca racteres . Otro discípulo, Calvin B. Bridges, pone en relación cariotipos anó ma ­ los co n fe no tipos en 19 16 , año en que Morgan, St urtevant, Muller y B ridges res ume n su punter a lab or en The Mechanism of Mende lian ln­ heritance, que se trad uci rá al espa­ ñol. A modo de cu lm inación de sus trab ajos so bre mut aciones, Hermann J . M ulle r ex po ne en 1927 que las rad iac iones X inducen mu tac iones gé nicas . Ju lia Be ll y John Burdon Sa nderson Haldane cartografían en 1937 los primeros caracteres huma­ nos ligad os al cromoso ma X. En 1941 , Geo rge W. Beadle y Edward

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo, 2005

Código genético segunda posición

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L. Tat um pr op on en la hipó tes is un gen-una enzima. Dos años más tar­ de, Avery, McCarty y MacLeod ide n­ tifican el pri ncipio tran sformant e, el ADN, co mo material heredit ari o. En el mi smo orden, llegad os a 195 2, Alfred D. Hershey y Martha Chase dem uestran que el ADN vírico, y no la proteína envo lve nte, entra en la cé lula bacterian a huésped y que ambos com ponentes del virus se pro ­ ducen por el ADN vír ico invasor. Por fin, en 1953, apoyándose en las reglas de Chargaff y en los es­ tud ios de difracción por rayos X de Fra nklin y Wilkins, propu sier on Watso n y Crick la estruc tura en do­ ble hélice del ADN . Se trata de dos cade nas polinucleotídicas que gira n una entorno a la otra para dib uj ar una doble hélice. Las dos caden as in tegrantes de la dobl e héli ce se mantienen juntas medi ante puent es de hidrógeno establec idos entre pares de bases . Adenina se une siempre a tirnina; gua nina a citosina, Las dos cadenas no son, pues, idén ticas, si no comple me ntarias . El desc ubri mie n­ to de esta relación, apuntaban en su escrito, sugería un mecanismo para

la replicac ión del ADN en el cual cada cade na sirve de molde para su complemento. Protagonista de excepción de la diso lución del men delismo en la ge­ nética molecul ar, Watson ha vue lto , en nu mer osas ocasiones a lo largo de los últ imos cuarenta años, a re­ pla ntear y articular sus fundamentos y alcance, en particular al presentar cada nueva edición de Mo lecular Bio­ logy of the Gene, texto esp léndido al que el lector pr imerizo deb iera acce der tras ahondar en las explica­ ciones, clarísimas y troq ueladas, que Jo hn Ringo ofrece en Fundamental Genetics. Al núcleo de la ge nética molec ular se le de nomina "e l dogma central" . De acuerdo con su co nteni­ do, la información procede del ADN a la proteína a través de l ARN . En efec to , una vez transcrito el ADN en ARN me nsajero, éste se trad uce en proteína. Co n otras palabras , se trata de la exp resión génica. E n la etapa de transcripción, el ADN se cop ia en ARN con la intervención cata lítica de la enzima ARN po limerasa. De las bac terias a los hu manos, las ARN po limerasas se han conservado. Los

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timina

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citosina

10,8 A 1. Posición y longitud de los puentes de hidrógeno entre pares de bases.

eucariotas tienen tres po limerasas di­ ferentes; las bacterias sólo una. Para proceder a la traducción se requiere la intervención de un ada ptador, de l ARN de transferencia. Cada codón es reconocido por un ARNt, que está asociado a su am inoácido correspon­ diente. De los 64 codones potencia­ les, se emplean 6 1 para especificar los 20 que entran en la composició n de las proteínas; se dejan los tres restantes para indicar el punto de ter minación de la cadena. E l adveni ­ miento de téc nicas de secuenciación ráp ida de ADN nos ha introduc ido en la nueva era de la ge nómica, que ha asistido ya a la secuenciación de l genoma de diversos organismos, el humano incluido. El ADN, el ARN y las proteínas son polímeros; constan, pues, de sub u­ nidades engarzadas mediante enlaces covalentes . La forma tridimensional de l po límero viene determinada por las múltiples interacciones entre sus monómeros . Cada ca de na de ADN es

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un polímero alte rna nte de azúcares desoxirribosa y fosfatos, q ue se unen entre sí mediant e enlaces fosfodiéste­ res. De cada azúcar sobresale un a de las cuatro bases. Mien tras que el es ­ que leto de azúcar-fosfato es reg ular, el or den de las bases es irregular y, ade más, responsable del contenido de informació n de ADN. Cada cadena presenta un a po laridad 5' a 3'. Las dos ca denas proceden antiparalelas: cursan en sentido opuesto. El emparejamie nto de las bases, mediado por puentes de hidrógeno, mantiene ju ntas las cadenas. Se tra­ ta de una asociación específica: la ade nina de una cadena se em pa reja con una timina de la otra cadena; la guanina opta siempre por la citosina. Las dos hebras de la doble hélice se separan -se de snatu rali zan- me­ di ante la exposición a altas tempe­ raturas, un valor ext re mo de pH o la interven ci ón de cualquier agente que rompa los puen tes de hidrógen o. Tras una suave vue lta a las co ndicio nes

ce lulares normales, cada heb ra des na­ turalizada puede reasociarse en un a hé lice doble, biológicamente activa: renaturalizarse. El ADN en so luc ión presenta una periodicidad heli coidal de unos 10,5 pares de bases po r giro de hélice. La disposición relativa de los pares de bases crea una hélice con dos surcos. Puesto qu e los az úcares sobresalen de las bases te nd iendo un áng ulo de unos 120 grados, los surcos presentan un tam año desi­ gua l. El surco más ancho -s urco mayor- aporta mayor info rmación qu ímica qu e el menor. El ADN, para su síntesis, req uiere la presencia de dos tipos de sustratos: los cuatro trifosfatos desoxinucleósi­ dos (dATP, dGTO, dCTP Y dTTP) Y la estructura de ADN molde; este últi­ mo determina la sec uencia de nucleó­ tidos incorporados. Los organismos pueden sobrevivir só lo si su ADN se replica fiab lemente y se protege del daño químico y físico qu e ca mbia­ ría sus propiedades co dificantes . En promedio, un nucleótido se ca m bia por error una de cada 109 veces. Las cé lulas disponen de un extenso reper­ torio de enzimas dedicadas a reparar la les ión de ADN. Unas enzi mas se limitan a revertir el daño sufri do, aunq ue la estrategia más versátil co n­ siste en la reparación por excisió n, que elimina el segmento dañado y lo sup lanta por nu evo ADN . Entre sus pec uliaridades di stin ti­ vas, el ARN contiene rib osa, porta uracilo (no tim in a) y suele d arse en una so la ca dena polin uc leotí­ d ica . Gracias a esa co nfo rmació n unicaten aria puede plegarse sobre sí mismo para formar breves seg me n­ tos de doble hé lice entre regiones complementarias . Se supo ne que los intro nes y otros ARN sin funció n codificadora podrían co nstituir hasta el 98 por ciento de la pro ducció n transcripcion al de l ge no ma humano. Algunos ARN act úan como enzimas. Catalizan reacciones químicas en la cé lula e in vitro , A estas enzimas de ARN se las denomi na ribozimas . La mayoría de los ribozimas opera n sobre centros fosforosos, co mo en el caso de ARNasa P. El descubr im ien­ to de enzimas de ARN que pu ed en operar como centros fosforosos o de carbo no dio co ns istencia a la hipóte­ sis de un mu ndo en el cual el ARN funcionaría como material ge nético y como maq ui naria enzimática .

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Nuevas aportaciones sobre la Ilustración española

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MAVÁNS, PROVECTOS v FRUSTRACIONES, por Antonio Mestre Sanchís. Publicaciones del Ayuntamiento de Oliva; Valencia, 2003. MANUEL MARTí, El DEÁN DE ALICANTE, por Antonio Mestre Sanchís. Instituto Alicantino de Cultura. ApOLOGíA v CRíTICA DE ESPAÑA EN El SIGLO XVIII, por Antonio Mestre Sanchís. Editorial Marcial Pons; Madrid, 2003.

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2. Modelos, esquemático (arriba) y volumétrico (abajo), de la doble hélice.

Los ARN no codificadores interac­ cionan entre sí, con el ARNm, con el ADN y con proteínas para tender nuevas redes que regulan la actividad génica con una complejidad poten­ cial casi infinita. Si el ARN cumple, pues, funcion es distintas de la mera intermediación, ¿significa ello que ha llegado el moment o de dejar a un lado el dogma y repl antearse por completo el papel del ARN? No parece caber la menor duda . En la comprensión de las

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ntonio Mestre ha sido durante años catedrático titular de Historia Moderna en la Universidad de Valencia, y es ahora catedrático emérito de la misma. Especialista en temas relativos a la Ilustración española, se ha especializado particularmente en la figura del ilustrado Gregorio Mayáns y Siscar (1699-1781), al que dedicó su tesis doctoral, y del que luego ha publicado en cinco volú­ menes sus Obras Completas, y más tarde hasta 19 volúmenes de su copiosa correspondencia. Ahora nos da muestra de su asombrosa fecundidad con tres libros publicados en un año. El mencionado en primer lugar es un conjunto de trabajos dispersos -si bien lógicamente ordenados- sobre el papel intelectual de Mayáns y sus contactos con otros ilustrados españoles y extranjeros. Mayáns fue siempre una figura polémica, en parte, como advierte Mestre, por desarrollar su obra en la España de los Borbones, cuando durante la guerra de sucesión había apoyado a los austracistas; y en parte también por su carácter crítico y protestatario, que le ganó muchos enemigos. El autor, con indiscutible autoridad en la materia, deslinda "luces y sombras, virtudes y defectos". Acierta a nuestro juicio cuando hace proceder el espíritu ilustrado de Mayáns de la obra de los "novatores" que escriben en la época de Carlos 11 , y abren el camino de lo que va a ser la Ilustración dieciochesca; también lo relaciona, porque el con­ tacto es evidente, con Manuel Martí, conocido como "El Deán de Alicante", al que está dedicado el trabajo citado en segundo lugar. Martí, todavía más polemista que Mayáns, filólogo grecolatino, entusiasta de Mabillon y su historia crítica, incluso dotado de ínfulas republicanas, chocó con la mayor parte de sus contemporáneos, sin dejar por eso de aportar su concurso a una visión más científica de la investigación filológica e histórica. Mayáns pudo heredar sus virtudes o alguno de sus defectos; pero tuvo mayor proyección en España y en el extranjero, al punto de que constituyó, observa Mestre, un puen­ te de insustituible valor entre la cultura española y la europea: tanto publicando libros fuera de nuestro país, como importando ideas de los ilustrados franceses o italianos. Su choque con la Real Academia de la Historia, que quizá más por entusiasmo patriótico que por sentido crítico había publicado la un tanto fabulosa España Primitiva (1738) y mereció de Mayáns la inmisericorde Censura de obras fabulosas (1741), cortó su vida pública y propició su retirada a su casa de Oliva, donde siguió trabajando. Figura representativa de un "catolicismo ilustrado" propio de una época que intenta conciliar la fe religiosa con el libre pensamien­ to, cumple un papel fundamental, junto con Feijoo, entre los introductores de la Ilustración española. El libro citado en tercer lugar es un conjunto de diversos trabajos, unos inédi­ tos, otros publicados en el extranjero, todos interesantes en cuanto aportaciones al conocimiento de la cultura ilustrada: en ellos destacan, a nuestro juicio, "De la apología al nacionalismo" (págs. 15-44), "La imagen de España en el sigloxvlJI" (págs. 47-70) y "Reflexiones sobre el marco político y cultural de la obra del P. Feijoo" (págs. 167-183), sin olvidar los estudios dedicados una vez más a Mayáns o a Cavanilles. En suma, existen motivos para agradecer al profesor de Valencia su constante y fecunda labor en el conocimiento de la cultura de nuestro siglo XVIII. - JOSÉ LUIS CaMEl l AS

redes reguladoras de genes basadas en ARN podría hallarse la explicación de la diferencia entre una levadura y una mosca de la fruta, o entre dos perso­ nas. Cierto es que no basta admitir la abundancia de ARN sin función codi­ ficadora para certificar que participe en redes de regulación génica; pero su implicación llegó con el descubri­ miento de los microA RN.

Con una veintena de nucleótid os, los microARN pasaron inadvertidos durante largo tiemp o. Los primeros genes cod ificadores para microARN - denomi nados tinA y tet-7- fue­ ron identificados en 1993 y 2000, respec tivamente . La for ma en que se gene ra n los microARN ha reve­ lado una vinculación sugestiva con la interferencia por ARN (RNAi: A

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Viruela

SMALLPOX. THE FIGHT TO ERADICATE A GLOBAL SCOURGE, por David A. Koplow.

University of California Press; Berkeley, 2003.

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avid A. Koplow es profesor de derecho en la Universidad de Georgetown.

Entre 1997 y 1999 ejerció como consejero legal del gobierno norteamerica­ no sobre los efectos de las armas biológicas, entre ellas la viruela. Ha publicado diversas obras acerca del control armamentístico y la seguridad nacional. La viruela, una enfermedad que en el siglo xx mató a quinientos millones de personas, es la única infección que el hombre ha logrado erradicar. En la actua­ lidad, el virus sólo se conserva en dos laboratorios, en Estados Unidos y Rusia respectivamente. La Organización Mundial de la Salud ha aprobado y, posterior­ mente, pospuesto varias veces su destrucción, una acción que eliminaría para siempre del planeta la causa de la viruela. Quienes se oponen a este plan ar­ gumentan que su desaparición impediría proseguir las investigaciones sobre él y consideran que los virus almacenados son un medio disuasor de futuros ataques bacteriológicos. Los partidarios de su erradicación afirman que los científicos ya han aprendido todo lo que se puede saber sobre el virus de la viruela y que su destrucción impediría que cayera en manos terroristas. El autor, con una gran experiencia en la guerra bacteriológica, se encuentra altamente cualificado para aclarar la complejidad que entraña cualquier deci­ sión en torno a este virus mortal: en este libro, la destrucción de las reservas almacenadas del mismo, la primera extinción deliberada de una especie llevada a cabo en el mundo por el hombre. Una decisión de este tipo implica áreas tan diferentes como la medicina, la biología, la ética, el control de armas, el medio ambiente o los organismos internacionales. El autor recopila una gran canti­ dad de material procedente de todas ellas y lo presenta estructurado en ocho capítulos que tratan sobre la epidemiología histórica de la viruela, las caracterís­ ticas biológicas del virus, su utilización como arma biológica, las repercusiones medioambientales de su desaparición, como por ejemplo la disminución de la diversidad biológica, el papel de la OMS y su autoridad para tomar una decisión de tal calibre, los dilemas éticos que se plantean al establecer un precedente de este tipo y los argumentos a favor y en contra de la destrucción del virus alma­ cenado. El noveno capítulo recoge la opinión del autor, que toma partido por la conservación del virus, tras analizar minuciosamente las ventajas e inconvenien­ tes de tal decisión. La obra se completa con un aparato crítico abundante y una bibliografía que incluye fuentes muy diversas. Escrito de forma clara y dirigido a un público amplio, sirve por igual tanto al lector no especializado como a los encargados de la salud pública, que tienen en sus manos la información necesaria para juzgar objetivamente un problema de vital importancia. -MARíA JOSÉ BÁGUENA CERVELLERA

Guide to Gene Sil encing). Según se cree, este mecanismo de silen­ ciamiento de genes defiende a la s células frente a los ataques de los virus y de los genes saltadores. Entra en acción cuando la célula detecta un ARN insólito con hebra s emparej a­ das. Una enzima denominada "Dicer" corta el ARN agre sor de dobl e he­ bra, creando fragmentos de 21 a 25 nucleótidos de longitud. Las hebras individuales de estos fragm entos se enlazan a copi as ulteriores del ARN original. La interferencia por AR N puede emplearse también para silen­ ciar los genes propios de una célula, mediante la adición de secuencias de ARN de doble hebra que se ajusten con el ARNm de un gen.

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La primera manife stación fenotípi­ ca de interferencia por ARN que se public ó fue la pérdida de color en las flores de petunia subsiguiente a un in­ tento de generar pétalos inten samente coloreados mediante sobreexpresión de enzimas clave implicadas en la biosíntesis pigm entaria . Ocurrió en 1990. Ocho años más tarde , Andrew Fire y colaboradores observaron una tenaz inhibición de expresión géni­ ca endógena tras la introducción de ARN de doble hebr a en Caenorhab­ ditis elegans . Hoy se admit e que los mecani smo s silenciadores de gene s que son desencadenados por el ARN de doble hebra se conservan desde los hongos hasta los mamífero s.

ha publicado sobre el tema, entre otros , los siguientes artículos:

Abraham Zacuto y la astronomía europea en el mundo árabo-islámico, de Julio Sarns ó Julio 2003 El calafateo de los buques, de Jacques Connan Agosto 2003

Ulugh Beg, de Bernhard Du Mont Febrero 2004

La curiosa historia de la primera calculadora de mano, de Cliff 5toll Marzo 2004

Máquinas e instrumentos científicos de la Real Academia de Ciencias de Barcelona, de Caries Puig Pla Abril 2004

Número monográfico:

Lo que debemos a Einstein,

WAA. Noviembre 2004 Emmy Noether, de RenataTobies Diciembre 2004

El descubrimiento de Neptuno, de W 5heehan, N. Kollerstrom y C.B.Waff Febrero 2005

Prensa Científica, S.A.

- LUIS ALONSO

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005