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PREPARADOS PARA UNA PANDEMIA • ¿VINO DE OTRO MUNDO LA VIDA?

6 INVESTIGACION

Preparados para una pandemia

CIENCIA

W Wayt Gibbs y Christine Soares

Edición españolo de

SCIENTIFIC AMERICAN

Una variedad de gripe altamente contagiosa y letal azotará la humanidad algún día. Sea esta amenaza inminente o remota, ¿estamos preparados para combatirla?

Enero de 2006 Número 352

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24 ¿Vino de otro mundo la vida?

HACE. ..

David Warmflash y Benjamin Weiss

50, 100 Y 150 años.

Torna la hipótesis de la panespermia.

¿Hubo microorganismos transportados por meteoritos?

4 ApUNTES Astronomía... Conservación . Arqueología . Estadística .. Biología... Física.

Nanocomputadores de barras cruzadas Philip J. Kuekes, Gregory S. Snider y R. Stanley Williams

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Redes de nanohilos conductores entrecruzados y propensos a los fallos podrían suceder a los actuales circuitos de silicio.

CIENCIA y SOCIEDAD Cuarzo en los suelos...

El golfo Dulce de Costa Rica.

46 Rescate de proteínas aberrantes P. Michael Conn y Jo Ann Janovick Consideradas durante largo tiempo inoperantes, las proteínas mutantes patológicas recuperan su funcionalidad si se repliegan con la ayuda de un molde farmacológico.

36 DE CERCA Sentido y sensibilidad en el salmonete.

56 Los antiguos reactores nucleares de Oklo Alex P. Meshik Hace dos mil millones de años,

partes de una mina africana de uranio

experimentaron fisiones nucleares espontáneas.

Los detalles de este notable fenómeno

se empiezan a esclarecer ahora.

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16 El espacio, ¿una ilusión? Juan Maldacena

CURIOSIDADES DE LA FíSICA El helicóptero de motor humano, por Jean-Michel Courty y Edouard Kierlik

La fuerza de gravedad y una de las dimensiones espaciales quizá procedan de las peculiares interacciones, entre partículas y campos, existentes en un espacio con menos dimensiones.

88 JUEGOS MATEMÁTICOS ¿Hay quien dé más?, por Juan M.R. Parrondo

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64 La neurobiología del yo

IDEAS APLICADAS Rodamientos de bolas, por Mark Fischetti

Carl Zimmer La biología empieza a elucidar de qué modo engendra el cerebro el constante sentimiento de nuestra propia identidad.

72 Eversión y cierre de los discos imaginales JoséCarlos Pastor Pareja, Enrique Martín Blanco y Antonio García-Bellido El ensamblaje del cuerpo de Drosophila adulta, a partir de 21 discos imaginales, está dirigido, en cada disco, por una población especializada de células que, en el proceso, adquieren capacidad invasiva y migratoria.

82 Fármacos transgénicos Gary Stix Se han modificado genéticamente cabras para que produzcan una proteína terapéutica en su leche.

92 LIBROS Ciencia viajera Azar y método.

COLABORADORES DE ESTE NUME RO

Asesoram iento y tra ducción:

M." José Báguen a: Preparados para ulla pandemia; Jaume Garr iga: El espacio, ¿una ilusión ?; M ." Rosa Zapatero: ¿ Vino de otro mundo la vida?; José Manuel González Mañas: Rescate de proteínas aberrantes ; Ramón Pascual: Los antiguos reactores nuclea res de Oklo ; Luis Bou: La neurobiología del yo; Felipe Cortés: Fárma cos transg énicos; J. Vilardell: Hace..., Apuntes, Ideas aplicadas y Curiosidades de la física

l osé M. " Vald er as Gall ardo Pilar Bronch al Garfella EDICIONES luan Pedro Ca m pos G6m ez Laia Torr es Casas PRODUCC IÓN M." Cruz Iglesias Cap 6n Alb ert M arín Garau SECRETARIA Purifi caci 6n M ayoral M art ínez ADMINISTRAC IÓN Vict ori a Andrés Laiglesia SUSCR IPCIONES Concep ci6n Or en es Delgad o OIga Bl anc o Rom er o EDITA Pr en sa Científica, S .A . Muntaner, 339 pral. 1.a OS021 Barcelon a (España) Teléfono 934 143344 Telefax 934 145 41 3 www.investi ga ciony cienci a.es DIRECTOR GENERAL

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de Mogod a (Barce lona)

ACE

...cincuenta años LAS ALGAS DE LOS SARGAZOS. «Generaciones de cientí­ ficos se hicieron a la mar para estudiar el mar de los Sargazos. Contrariamente a lo que su nombre pueda sugerir, no se trata de una jungla rebosante de vida, sino de uno de los desiertos marinos más extensos del globo. ¿De dónde proceden los sargazos? Teori­ zó Colón sobre si esas masas vegetales a la deriva se habrían desprendido de praderas submarinas de las Azores; pero tales bancos nunca se han hallado. Esos vegetales ofrecen todas las pruebas posibles de que se desarrollan, se reproducen y medran de for­ ma independiente en las aguas donde se encuentran. Numerosos oceanógrafos sus­ tentan hoy la teoría de que la enorme masa vegetal de los Sargazos es autóctona. Quizá sus antepasados procedían de grandes praderas, pero hoy ya ha desarrollado la capacidad de vivir una existencia libre y a flote en la superficle.»

...cien años

FORZARCAJAS FUERTES. «Hoy los ladrones de cajas fuer­ tes ya no necesitan de aquellos útiles tan bellamente modelados, delicados y poderosos, que en tiempos fue­ ran la admiración a la par que la desesperación de los fabricantes de cajas de caudales. La introducción de la nitroglicerina, "sopa" en lenguaje técnico, no sólo ha obviado un oneroso esfuerzo, sino que ha permitido que el arte de forzar cajas fuertes adelantara al de fabricarlas. El forzador de cajas fuertes moderno es, no obstante, un inestético y desaseado operario, pues suele ocurrir que, cuando la puerta se separa bruscamente de la caja, se lleva consigo la fachada del edificio. El bombardeo de las calles circundantes con pedazos del Banco Nacional Agrícola despierta al más profundamente dormido de los labradores. » AUTOMOVILISMO. «La exposición automovilística anual neoyor­ quina señala un claro progreso respecto a su predecesora en cada punto que se compare. Nos congratulamos de que la industria se haya desarrollado en tal medida que los fabrican­ tes son capaces de producir un coche de serie que es a la vez de mayor calidad y menor pre­ cio. En este número, ilustramos y describimos cada uno de los vehículos que representan el progreso actual del arte de fabricar automóviles [véase la figura].»

UN ESCEPTICISMO SALUDABLE. «El aeroplano Wright y sus le­ gendarias hazañas: Una revis­ ta automovilística parisiense publicó en fecha reciente una carta de los hermanos Wright al capitán Ferber, del ejército francés. Las afirmaciones que allí aparecen requieren sin ...ciento cincuenta años duda una confirmación públi­ PÉRDIDA NACIONAL. «La divi­ ca por parte de los hermanos sión del trabajo, pese a que Wright. Si, en algún lugar no hasta cierto punto pueda opti­ muy remoto del país [Dayton, Ohio], se están realizando tan mizar la producción de un país, termina por perjudicar a los sensacionales e importantes trabajadores. Para mejorar la experimentos [sobre el vuelo '-P_"IC._"oe" fabricación de alfileres, podría de los aeroplanos], del más ser necesariodividir el proceso profundo interés general, ¿es Au tomóviles: Se extiende su aceptación, 1906 posible que el emprendedor en veinte fases. Hagamos que periodista americano, quien, cada hombre concentre toda como es bien sabido, es capaz de bajar por la chi­ su atención en una única tarea, por ejemplo, la manu­ menea cuando se le da con la puerta en las narices factura de cabezas de alfiler, y que a ello dedique todo (aunque tenga que escalar un rascacielos de quince el tiempo. Resulta sorprendente la perfección y rapidez pisos) no lo haya averiguado y publicado todo sobre que adquirirá en la ejecución de esa operación. Pero, los hechos? Desde luego, deseamos más luz sobre ¿cual es el resultado para la persona? Su potencia mental este asunto.» [Nota de la redacción: Los hermanos menguará y su cabeza se tornará, a efectos prácticos, Wright desvelaron ligeramente el secreto en una de­ tras unas cuantas generaciones, no mayor que la de claración pero retrasaron el vuelo en público hasta los alfileres que fabrica. Deja de ser un hombre para agosto de 1908.] convertirse en una simple herrarnienta.»

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

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, PUNTES

ASTRONOMIA

En el horizonte os telescopios jamás llegarán a escudri­ ñar el interior de los agujeros negros, sumideros de luz, pero podrían no tardar en observar el horizonte de sucesos. La luz que atraviesa esa superficie inmaterial que circunda el agujero queda irremediablemen­ te atrapada en éste. El horizonte absorbe la luz originada detrás del agujero negro y crea así una sombra visible con una resolución telescópi­ ca suficiente. En torno a la sombra aparecerá un anillo brillante de luz con­ centrada, como la corona en un eclipse. La Red de Telescopios de Muy Larga Base, sistema de diez telescopios dispersos a lo

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El agujero negro del centro de la Vía Láctea podría parecerse a este modelo . Su horizonte de sucesos absorbe la luz que hay detrás del agujero y crea así una sombra (disco oscuro), desviada porque el agujero negro gira. largo de 8000 kilómetros, ha tomado la imagen más nítida hasta ahora del agujero negro central de nuestra galaxia. Con que la resolución de esos telescopios se multiplicase sólo por cua­ tro, observarían el horizonte de sucesos. Podría ocurrir en este decenio. - J. R. Minkel

CONSERVACION

Los cóndores y el mar

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os conservacionistas crían el cóndor americano, ave carro­ ñera, con terneros nacidos muertos. Sin embargo, si se nutriese con cadáveres de mamíferos marinos muertos quizá sobreviviría sin ayuda humana. Un equipo de la Universidad de Stanford ha reconstruido las fuentes alimenticias de los cóndores antiguos y modernos midiendo las concentraciones de isótopos de carbono y de nitrógeno en restos de plumas y huesos. Parece que después del último período glacial los cón­ dores introdujeron los mamíferos marinos en su dieta. Se han descubierto también señales de un segundo cambio, que les llevó de nuevo a una alimentación sólo terrestre; ocurrió cuando los pobladores humanos empezaron a cazar focas y ballenas. Si se acostumbrase a los cóndores a alimentarse con carroña del mar, podrían crearse poblaciones autosuficientes, sugiere el grupo de investigadores. - J. R. Minkel

Para salvar al cóndor quizá haya que reintroducir los mamíferos marinos en su alimentación.

ARQUEOLOGIA

Simbología religiosa n octubre del año pasado, presidiarios que trabajan en la fundamenta­ ción de una nueva cárcel en lo que durante el período clásico fue la ciudad romano-bizantina de Kefar-Otnai, descubrieron un mosaico sorpren­ dente. Pertenecía a una iglesia cristiana del siglo 111 , la más antigua de las conocidas en Tierra Santa. El mosaico portaba dos leyendas en griego, dibujos geométricos y dos peces. (El pez constituía el símbolo de los cris­ tianos anterior a la cruz. El término griego que designa al pez se formaba con las iniciales de la divisa: "Jesús, Cristo, Hijo de Dios, Salvador".) En ese tiempo los cristianos celebraban todavía su culto en la clandestinidad.

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Mosaico del suelo de la iglesia.

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ESTADISTICA

Países y ciudades a probabilidad de que una ciudad tenga más que un número dado de habitantes es, con bastante aproxima­ ción, inversamente proporcional a ese número. A esta rela­ ción, que se cumple empíricamente bastante bien - acaba, por ejemplo, de publicarse una investigación que la verifica para las poblaciones brasileñas de más de 30.000 habitan­ tes-, se la llama ley de Zipf de las ciudades (hay leyes de Zipf parecidas para fenómenos muy dispares). Otra ley, la de Gibrat, dice que el ritmo de crecimiento de las ciuda­ des es independiente de su población. También se cumple bien. Ambos resultados se conocen desde hace mucho. Lo que no se sabía era que los países los cumplen tam­ bién. Andrew K. Rose, de la Universidad de California en

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Berkeley, ha efectuado el análisis estadístico. Se han dado algunas explicaciones económicas de que las poblacio­ nes de las ciudades cumplan la ley de Zipf. Sin embargo, comenta Rose, esos intentos de explicación no valen para los países. La razón económica de su distribución estadís­ tica es un misterio. Ahora bien, la ubicuidad de las leyes que ligan más o menos la probabilidad de los valores de un parámetro a su inverso hacen pensar en alguna causa más profunda y universal. No sólo buscan explicaciones a las leyes de Zipf los economistas, como Rose, sino tam­ bién los físicos - entre ellos los llamados econofísicos- , con un arsenal de conceptos diferente, propio de la física estadística.

El número de ciudades con una población mayor que N puede considerarse proporcional a l /N.

Parece que lo mismo se cumple con los países.

BIOLOGIA

Corte y empalme en las dendritas l núcleo no es el único lugar donde se recombina la información genética. El ARN mensajero (ARNm), que imparte las instrucciones del ADN al resto de la célula, se compone de secuencias genéticas que, tras cortes y empalmes adecua­ E dos, codifican proteínas. La multitud de formas en que las secuencias de ARNm se pueden recombinar crea la gran diver­ sidad de las proteínas del cuerpo. Se cree que el proceso de corte y empalme sólo sucedía en el núcleo. Sin embargo, se ha encontrado que ocurre también en las dendritas, las ramificaciones por las que las neuronas reciben mensajes eléctricos. Pudiera ser que las dendritas guardasen ARNm sin cortar aún para que no se fabriquen las proteínas que codifica antes de que se las necesite. -Charles Q . Choi

FISICA

Exceso de velocidad subacuático nos experimentos realizados en 1982 demostraron que la velocidad de

U grupo de un impulso luminoso - la velocidad del pico del impulso, no la del paquete de ondas- , podía superar la velocidad de la luz. No se vulnera la relatividad: en ese caso, ninguna información se transmitía con la velocidad de grupo. Ahora, Joel Mobley, de la Universidad de Missis­ sippi, sostiene que un impulso ultrasónico se dispersa en una mezcla de agua y cuentas de plástico de modo que la velocidad de las distintas fre­ cuencias que componen el impulso varían grandemente. La suma de estas componentes podría llegar a crear una velocidad de grupo mayor que la de la luz. Los primeros experimentos de Mobley, en los que no se ha pro­ ducido ese efecto superlumínico que predice, aunque sí grandes aumentos de la velocidad de grupo acústica, respaldan de momento sus cálculos. - J. R. Minkel

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

Hipersupersónico: Podría conseguirse que la velocidad de grupo de las ondas sonoras fuese mayor que la de la luz.

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Preparados para una pandemia Una variedad de gripe altamente contagiosa y letal azotará la humanidad algún día. Sea esta amenaza inminente o remota, ¿estamos preparados para combatirla? W. Wayt Gibbs y Christine Soares

uando los diqu es de Nueva Orleáns cedieron en agosto de 200 5, la fe de los estadouni­ den ses en la capac idad de sus gobernantes para prot egerles de las catástrofes naturales se derrumbó. Los responsables políticos cal ifica­ ron al huracán Katrina y a las inundac iones que éste ocasionó de "ultraca tástrofe que superaba las previs iones de los experto s" . Pero , a decir verdad, la catástrofe nada tuvo que ver con una falta de previsión. Las autoridades federales, estatal es y local es disponían de un plan de actuación que debía guiar la respuesta del gobierno en el caso de que un huracán alcanzara Nueva Orleáns con vientos de 200 kilómetros por hora, torme ntas que levantaran olas que sobrepasaran los diques y las bombas de agua, y que dejara inmovili zadas a miles de personas en la ciudad inundada. En 2004 incluso lo habían ensayado. Pero cuando el Katrina llegó, la ejec ución de este plan resultó catastrófica. Ante tan lenta, mal coordin ada e insuficiente respues­ ta, crece la preocup ación sobre cómo se enfre ntarían las naciones a un desastre natur al de mayor alca nce y siniestralidad que, según los expertos, quizá no tarde en llegar: una pand emia de gripe . El para lelismo de esta amenaza con el Katrina es mayor de lo que a simp le vista parece. La periodicidad estacional de brotes de gripe y huracanes produ ce una fam iliaridad que conduce a una falsa sensación de seguridad y, por tanto, a una preparación insuficiente para la llegada, anunciada, de una pand emia. Excepto a esc ala molecul ar, una gr ipe pa ndém ica guarda escasa semejanza co n la gripe que todos hemos padecido algun a vez. Se orig ina cuando el virus expe ri-

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menta una mutación que lo con vierte en un cuerpo peli­ grosamente desconocido para nuestro sistema inmunit ario y que se transmit e con facilid ad de un individuo a otro, a través de un estornudo, la tos o el cont acto. Las pandemi as de grip e surgen de forma impr ede­ cible, aunque con una cadenci a casi generacional: las tres últim as ocurri eron en 1918, 1957 Y 1968 . Aparecen cuando una de las numero sas cepas que circulan entre las aves salvajes y de corral evoluciona hacia una forma que res ulta infecciosa tambi én para el hombr e. Luego, el virus se adapta o intercambi a sus genes con una cepa de gripe human a para produ cir un nuevo germen patógeno altamente contagioso para las person as. Algunas pandemias son leves. Otras, de gravedad ex­ trema. Si el viru s se replica más deprisa de lo que el siste ma inmuni tario aprende a defenderse del mismo (es dec ir, a produ cir anticuerpos), provoca una enfermedad grave y, en ocas iones, letal. Ello da lugar a una pes­ tilencia que causa más muert es en un solo año que el sida en veintic inco. Los epidemiólogos han advertido que la próxim a pandemia afec tará a una de cada tres personas del planeta, obligará a hospitalizar una fracción extensa y matará de decenas a centenares de millon es. La infección no respetará ningun a nación, raza, ni posición eco nómica. No habrá modo de pararla . Los expertos no pueden predecir qué cepa del virus de la gri pe ca usará la próxima pandemia, ni cuándo estallará. Tan sólo pueden adv ertir que habrá otra y que las circunstancias actuales parecen favor ables: una cepa del virus de la gripe aviar de poderosa virulencia ha matado a varias personas en Asia e infect ado aves en una rápid a embestida que avanza en dirección oeste hacia Europa . Esta cepa del virus de la gripe A (H5N 1)

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no se transmite tod avía de una per­ sona a otra, pero no ha suspendido su curso evolutivo. Además, algunas de las especies de aves afectadas han comenzado su migración invernal. Conforme la situació n se torna más perentoria, los gobiernos y los exper­ tos en salud trabajan para refo rzar cuatro líneas básicas de defensa: la vi­ gilancia epidemiológica, las vacunas, las medidas de cont ención y los tra­ tamientos médicos. Habrá planes de emergencia que supervisen la firmeza de tales barreras. Algunos fallos re­ sultarán inevitables, pero cuanto más robustas sean estas medid as, menor será el impacto de la pandemia. En todo caso, ¿podrá n las autoridades emprender las tareas asignadas cuan­ do la mayor parte de sus efecti vos hayan contraído la gripe?

Vigilancia epidemiológica La cap acidad de detectar su llegada constituye la prim era barrera defen ­ siva frente al ataque de una nueva forma de gripe. Tres agencias inter­ nacionales coordin an un proyec to que sigue la pista del H5N 1 Y otras cepas del virus de la gripe. La Organiza­ ción Mundial de la Salud (OMS) , que cuenta con 110 centros de la gripe en 83 países, vigila los casos hum anos. La Organización Mundial para la Salud Animal (OlE, antaño Oficina Internacional de Epizootias) y la Organización de Alimentos y Agricultura (FAO) siguen los brotes en aves y otros animales. Con todo , estas redes de vigilancia son todavía demasiado porosas y lentas. La pront itud resulta esencial para hacer frente a un virus que se trans­ mite por vía aérea a un ritmo devasta-

dar . Quizá resulte imposib le detener una pand emi a naciente si no se logra su contenció n en menos de 30 días. La cuenta atrás empieza en el mo­ ment o en que la cepa pand émi ca contagia a la prim era víctima. El seg uimie nto co nsta nte de la propagación de los brotes y de la evolució n de las propi edades de cada virus co nstituye la forma eficaz de afrontar a tie mpo la emerge ncia. La OMS se basa en ambos factores para determ inar en qué fase del ciclo pandémico nos hallamos. Este ciclo, descrito en abril de 2005, se divide en seis fas es . Los brotes autolimitados de gri­ pe H5N 1 humana detectados hasta la fecha han aumentado el nivel de alerta a la fase tres, tres esca lones por debajo de la auténtica pandemia (fase seis) . Los virólogos se apresta n a recoger muestras de cada nuevo paciente de H5N 1 para determinar el grado de adaptación del virus aviar y, por tanto, el riesgo de que infecte a los humanos. Un virus evoluciona hacia una cepa pand émica a través de dos procesos: uno gradual, me­ diante mutaciones aleatori as, y otro de celer idad mayor, cuando cepas distint as intercambi an sus genes en el interior de un animal o de una persona. En EE.UU . cuentan con un com­ plejo sistema de vigilanci a de la gri­ pe que ca naliza inform ación sobre visitas hospit alari as por enfermeda­ des similares a la gripe, muertes por enfermedades respir atoria s y cepas de virus de la gripe identi ficadas en laborator ios de salud públi ca hacia los Centro s de Prevención y Control de Enfermedades (CDC) de Atlanta.

• Los expertos advierten que la aparición de una epidemia de alcance global causada por una nueva cepa del virus de la gripe es inevitable. Ello supone un grave peligro para la salud pública. • La pandemia puede aparecer pronto o dentro de unos años. Las alarmas se han disparado después de que la gripe aviar H5N1 haya ocasionado la muerte de 60 personas en Asia. Aunque este brote remi­ tiera, debe mantene rse en alerta una red mundial de vigilancia epide­ miológica frente a la amenaza de otras cepas peligrosas. • Las vacunas contra el nuevo virus gripal llegarán demasiado tarde para prevenir o retrasa r las primeras fases de la pande mia. Sin embargo , los fármac os antivirales permitirían detener de forma temporal una nueva cepa; así se ganaría tiempo para preparar una respuesta global. • La gravedad de la enfermedad depende rá de la cepa pandémica . En muchos lugares, el suministro de fármacos y otros recursos sanitarios se verán desbo rdados.

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EVOLUCION DE

UNA EPIDEMIA

La cepaH5N1 de gripe aviarhaceenfermar a 18 personas y mata a 6 en Hong Kong

-----1fii Una pandemia (cepa H1N1 ) mata a 40 millones de personasen todo el mundo

Una pandemia (cepa H2N2)mata entre 1 y 4 millones de personas en lodo el mundo

Una pandernia (cepa H3N2) mala a 1 millón de personasen todo el mundo

Co n todo, el sistema no es lo sufi­ cie ntemente rápid o como para llevar a cabo el aislamiento o la cuarente­ na necesarios par a controlar la gripe aviar; por ello, las redes de inform a­ ción se han extendido a un mayor número de médicos y veterinarios . En varias docen as de casos de viaje ros llegados a los EE .UU. pro­ ce dentes de países asiáticos afec ta­ dos por el H5N 1 que desarrollaron síntomas graves semeja ntes a los de la gripe, se tom aron muestras par a e nviarlas de inm edi ato al CDC. Tras 40 horas de hospitali zación se sabe si el paciente es tá infectado co n H5N 1. Seis hora s después, se analiza la sec uencia del gen de la hemaglutinina par a conocer la viru­ lencia de la cepa (el virus utili za la hemaglutinina para penetra r en las células del huésped). Luego, median ­ te una prueba que requi ere dos día s, se determin a la resistencia ante los fármacos antivirales . Aunque la próxima pandemia pue­ de declararse en cualquier lugar, los expertos se inclin an por Asia, pun to de origen de la mayoría de las cepas de gripe que causan las epidemias anuales. Patos, gansos y otras aves acuáticas constituyen los huéspedes habitu ales del virus de la gripe; en un gran número de poblaciones asiáticas se convive estrechamente con estos an imales. La vigil ancia epide mio­ lógica en esta zona es aún escasa, a pesar del lent o goteo de ayudas procedentes de la OMS, el CDC y otras organizaciones. Un recient e brote de H5 N1 en Indo nes ia pon e de manifi esto las carencias preventivas. También los progresos. En junio de 2005, en un barrio aca uda lado de Yakarta, una niña de ocho años (hija de un in­ ter ventor del gobierno) enfermó . Un médico le recetó antibióticos, pero su

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, enero,

2006

La cepa H9N2 infecta a 2 niñosen Hong Kong

Se confirman casos de H5N1 humana en Vietnam y Tailandia

Mientras la cepaH5N1 se extiende entrelas aves de corral en 8 países asiáticos, la H7N7 infecta a mil personas en Holanda

En los EE.UU. se ordenala fabricación de dos millones de dosisde vacuna contrael H5N1

6000avessalvajes mueren de gripe H5N1 en un lago del centrode China

El presidente G. Bush autoriza la cuarentena para las personas expuestas a la gripe pandémica

cuadro febril empeoró. El 28 de ju nio fue hospitali zada. Una semana más tarde, su padr e y una hermana un año mayor fueron asimis mo ingres ados con fiebre y tos. La niña muri ó el 9 de julio; el padre, el día 12. Al día siguie nte, un médico avispa­ do alertó a las autor idades san itarias. Envió muestras de sangre y teji dos a una unid ad de invest igación médi­ ca de la armada estado unidense en Yakarta . El 14 de julio, la herm ana de la prim era víc tima tambi én murió. Aquel mism o día, técn icos indone­ sios de l laboratori o naval determina­

Tres miembros de una familia de los suburbios de una ciudadindonesia mueren de H5N1

Rusia ordenael sacrificio de pollos conforme la cepaH5N1 se propagahaciaSiberia

Comienzaen Vietnam la vacunación de veinte millonesde avesde corral contrael H5N1

Se detecta gripe H5N1 en bandadas de gansosen Kazakhstán

ron que dos de los tres miembros de la fam ilia era n portadores del virus de la gripe H5N l. El go bierno, sin em bargo, no informó de los hech os hast a el 22 de j ulio, despu és de que un laboratori o de la OMS en Hong Kong aislara el virus. Se dispu sieron ento nces más salas hospitalarias para atender a pacient es co n gripe . 1 Nyo ma n Kandum, res ­ ponsable del contro l de enfermeda des en Indo nesia, solic itó la ayuda de la OMS para investigar el brote. De hab er sido el prin cipi o de una pan­ demi a, en ese mom ent o la venta na

ASI APARECE UNA CEPA PANDEMICA Las cepas del virus de la gripe aviar A (H5N1, por ejemplo) evolucionan hacia un virus pandémico (capaz de unirse rápidamente al ácido siálico de células hu­ manas) a través de dos vías. Por un lado, las mutaciones génicas y la selección natural pueden aumentar la capacidad del virus para entrar en células humanas (vía rosa). Por otro, dos cepas pueden infectar la misma célula (a) y liberar ARN vírico, que se replica en el interior del núcleo celular (b) (vía amarilla). El AR N de las dos cepas se mezcla luego para dar lugar a un grupo de genes "re­ combinados" (e) , que conducen a la aparición de una cepa pandémica nueva y contagiosa.

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En Mongolia se encuentran gansos y cisnes muertos por el H5N1

Desde 2003, el H5N1 ha infectado aves de 13 países y personas de 4

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La epidemia afectaa las aves de corral de los Urales rusos

de contención de 30 días ya se había cerrado. Kand un suspendió la investi­ gac ión dos sema nas más tarde, al no hall ar el foco de la infección. Las cos tumbres locales imp idiero n que se les prac ticara la autopsia. Esta casi total ausencia de autopsias en casos de H5N 1 hum ana ha dejado un gran número de preguntas sin responder: ¿Qué órganos infecta el H5N l? ¿C uáles res ulta n más daña­ dos? ¿C uán intensa es la respuesta inm uni taria? Tambié n la info rmación sobre la transm isión aviar ia de la enfe rmedad a través de las fro nte ras es escasa. En julio de 2005 , aparecieron aves de corral infectadas con H5N l en Siberia, des pués en Kazakhs tán y lu ego en Rusia. Se ignora su vía de infección. Ante ta l desconcierto, Kla us Stohr, del Programa Mundia l de la Gripe de la OMS, y otros expertos han solicitado la creación urgente de un grupo de tra bajo glo bal que supervise los pr eparativos ante la pa nde mia . En agosto de 2005, la OlE pidió más fo ndos para los programas de vigilancia epidem iológica que ha ini­ ciado en co laboración co n la FAO y la OMS . En la op inión de Bruce G. Gellin, coo rdinador de la plan ificación para las pande mias en EE. UU . y jefe de la Oficina del Progra ma Nac io nal de Vacunas del Dep artamento es­ tad ou nidense de Sa lud y Servic ios Huma nos (HHS), la mejora de los métodos de detección del virus cons­ tituye una necesidad urgente.

Las vacunas Antaño, las pandemias de viruela y de po lio hacían estragos. Las campa­ ñas de vac unación lograro n erradicar casi por completo ambas enferme­ dades. Pa ra nuestro infortunio , esta

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estrategia res ultaría inútil fre nte a la gripe (por lo menos hasta que se

virus, que se extraen por vía química. Estos esti mulan en el sistema inmu­

a los grupos de riesgo, que, en los EE.UU., suponen más de 185 mill o­

logren mayores avances en las técni­

nitario humano la producción de los

nes de personas.

cas de producció n de vacunas) . Si la aparición de una pandemia de gripe fuera inminente, las vacunas contra la cepa responsab le llegarían co n exas pera nte lentitud y escasez. Las actuales técnicas de produ cción de vacunas, la economía y la autocom­ place ncia complican el problema . Existe un gran número de cepas del virus de la gripe en circulac ión. Cada una de ellas se enc uentra en evolución constante . Para mejorar la espec ificidad de la vacuna cont ra el virus, y potenciar así la respuesta del siste ma inm uni tario, cada año se fabrica una nueva vacuna contra las tres cepas de mayo r peligros idad. Primero se aísla el virus . Luego se modifica media nte genética inversa para obtener un virus para cultivo. En los laboratorios farmacéuticos, los robots inyecta n el virus de cultivo en huevos fecundados, puestos por gallinas criadas bajo control higié­ nico. El patógeno se reprod uce en grandes cantidades en el interior de los huevos. La vacuna inyectable de la gripe se fabrica a partir de los antíge nos del

correspondie ntes antic uerpos . La va­ cuna inhalable, en cam bio, contiene virus atenuado, que infecta sin causar la enfermedad. La transformación de los virus aislados en viales de vacuna requiere unos seis meses. Dado que la població n no se habrá expuesto co n anterioridad a la cepa del virus pandémico, cada individuo necesitará dos dosis: una primera y otra de refuerzo, cuatro semanas des­ pués. Por tanto, la primera tanda de vacunas no conferirá inmunidad hasta al menos siete u ocho meses después del comienzo de la pandem ia. Además, habrá que guardar turno. La prod ucción mundial de vacuna de la gripe ro nda los 300 mill ones de dosis anuales. La mayor parte se fa­ brican en Euro pa (en EE.UU. opera n sólo dos plantas). El invierno pasado, cuando las instalaciones de Chiron en Gra n Bre taña tuvieron que cerrar por contaminación, Sanofi Pasteur y MedImmune desplegaron todos sus recursos en sus pl antas estadouni­ denses y produjeron 6 1 millones de dosis. El CDC recomienda aplica r la vacunació n anual contra la gripe

Sa nofi ma ntie ne sus pla ntas a pleno rendimien to los 365 días del año . En ju lio de 2005 comenzó la construcción de nuevas instalacio­ nes en Pennsylvania, que en 2009 le permitirán doblar la producción. La co mpañía asegura que estos plazos no podría n acor tarse, ni en caso de emergencia. La transfo rmación de las fábricas para adaptar la prod ucción a otro tipo de vacunas, disti ntas de las inyec tables, no res ultaría factib le. Pascale Wort ley, del Programa Nac ional de Vacunación del CDC, po ne el ace nto en otro problema: las pandemias suelen coincidir con la estación habitual de gripe, pero las plantas que fabrican la vacu na antigri pal preparan sólo una cepa por vez. ¿Debería entonces suspe nder­ se la prod ucción anual de vacunas para empezar a fabricar la vacuna pandémica? MedImmune se propone aume ntar la prod ucció n de su vacuna inhala­ ble y pasar de dos millo nes de do­ sis anuales a cuare nta millones en 2007. Sin embargo, advierte Gellin, la dis tribución de una vacuna viva deriva da de una cepa pandémica en­ traña riesgos : el virus de la vacuna podría intercambiar genes con los del virus de la gripe "nor mal" en un a perso na y crea r entonces una cepa aún más peligrosa. Ya que no es pos ible aplazar ni acortar el tiempo de producción de la vacuna contra una pandemia, urge decidir qué grupos serán los prime­ ros en recibirl a y cómo se aplicará el racionamiento . El comité nacio­ nal de asesoramiento sobre vacunas de los EE.UU . recomendó en julio de 2005 que los primeros en inocu­ larse debían ser los miembros del gobie rno, los respo nsables médicos, los trabaja dores de fábricas de va­ cunas y medicamentos, las muje res embaraza das y sus hijos, los ancia ­ nos y los enfermos que ya integran el grupo prioritar io en las campañas de vacunació n anual. En total: unos 46 millones de estadounidenses. Australia, Gran Bretaña, Fra ncia y otras naciones euro peas han estab le­ cido los primeros contactos con los fabrica ntes para negociar la compra de vacunas suficientes que les ga­ rantice una distribución eq uita tiva.

1. LA OBTENCION DE VACUNAS A PARTIR DE HUEVOS FECUNDADOS constituye un cuello de botella que retrasará el suministro de la vacuna pandémica seis meses o más. La producción estará lejos de cubrir la demanda.

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Los EE.UU., por ahora, no lo han hecho. En principi o, los gobiernos harían frente a estas carencias del suministro mediante el acopio de vacunas. Ten­ drían que actualizar las existencias conforme nuevas cepas del virus de la gripe amenazaran la salud mun­ dial. Aun así, las reservas se hallarían siempre un paso o dos por detrás de la enfermedad. Con todo , dispo­ ner de una vacuna contra el H5N1 tiene sentido porque, aunque no sea la específica para la nueva cepa, pro­ porcionaría cierta protección en el caso de que H5N l evolucionara hasta convertirse en pandémico. Con esta finalidad , en 2004 el es­ tadounid ense Instituto Nacional de Alergia y Enfermedades Infecc iosas (NIAID) distribuyó virus H5N1 para cultivo, obtenido en el Hospital de Inves tigac ión Infantil St. lud e de Menfis a partir de una víctima pro­ cedente de Vietnam. El HHS encargó entonces a Sanofi que fabricara dos millon es de dosis de vacuna contra esta cepa. Los ensayos clínicos con humanos comenzaron en marzo de 2005. A tenor de los resultados pre­ liminares, la vacuna confer iría pro­ tección. Ahora se está negociando la produc ción de 20 millones de dosis. Según Gellin, los fabricantes de vacu­ nas contribui rían al menos con unos 15 a 20 millones de dosis anuales a las reservas estadounidenses . Sin embargo, estas cifras podrí an pecar de optimistas. Se ensayaro n cuatro concentraciones de antígeno. La vac una antigripal anua l típic a contiene 45 microgramos de proteí­ nas y abarca tres cepas del virus. Se esperaba que 30 microgramos del antígeno H5N 1 (dos inoculaciones de 15 microgramos) resultarían suficien­ tes para inducir inmuni dad . Pero los resultados preliminares sugie ren que serían necesarios 180 microgramos de antígeno. Por tanto, 20 millones de dosis es­ tándar de vacuna H5N 1 alca nzarían sólo para 3,3 millones de personas. La cifra real sería incluso menor, pues las ce pas H5 apenas crece n en huevos; cada lote produce me­ nos cantidad de antígeno activo que lo habitual. Este som brío panora­ ma qui zá mej ore cuando el NIAID exa mine los res ultados finales del ensayo. Cabría incluso aumentar el suministro de vacunas medi ante la

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NUEVAS TECNICAS DE OBTENCION DE VACUNAS Nuevos métodos de inmunización se están ensayando para ampliar el suministro de vacunas. Ello permitiría proteger a una mayor parte de la población. Se es­ tán desarrollando también técnicas dirigidas a aumentar la velocidad de síntesis de vacunas en caso de emergencia. f

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Laadministración dela vacuna de la gripe enel interior dela piely delmúsculo podría reducir cinco veces la dosis necesaria encada inyección

Los ensayos clínicos se muestran prometedores. Sinembargo, hay pocos médicos y enfermeras capacitados para aplicar este procedimiento

lomai, GlaxoSmithKline

Sustancias adyuvantes

Laadicióndeadyuvantes a la vacuna aumenta la respuesta inmunitaria; así se reduce la cantidad deprote fnas necesarias encada inyección

Una vacuna deeste tipo haobtenidoel permiso defabricación en Europa. Otrasse hallan en fase dedesarrollo

lomai, Chiron, GlaxoSmithKline

Vacunas de cultivos celulares

El crecimiento delvirus de la gripe encélulas, envezdeen huevos, permitiría aumentar la producción de la vacuna encaso de brote pandémico

Chiron está acometiendo unensayo a gran escala en Europa. Sanofi Pasteur y Crucell preparan una prueba en los EE.UU.

Chiron, Baxter, Sanofi Pasteur, Crucell, Protein Sciences

Vacunas de ADN

Partfculas deorocubiertascon ADN víricoseinyectarían enla piel mediante unchorro deaire. La producción devacunas de ADN frente a una cepa nueva empezaría a laspocas semanas de la aparición de ésta, nomeses después. Las reservas seconservarían durante añossin necesidad derefrigeración

Hasta la fecha, ninguna vacuna de ADN ha resultado eficaz en humanos. Powder·Med esperapara finales de 2006 losresultados deun ensayo a pequeña escala con una vacunade ADN para H5N1

PowderMed, Vical

Vacunas de amplio espectro

Una vacuna que aumentara la inmunidad contra una proteína vírica que apenas mutara ofrecería protección frente a todas lascepas del virus dela gripe. Las reservas permitirían defendernos de una pandemia

Acambis empezó a desarrollar una vacuna contra el antígeno M2e el verano de2005

Acambis

utili zación de adyuvantes (sustancias que se añaden a las vacunas para potenciar la respuesta inmunitaria) o de nuevas formas de inmuni zación (inyecc ión intradérmi ca en vez de intr amuscul ar, por eje mplo) . El acopio abundante de vacuna pre­ pandémica constitu ye todo un reto. Las vacunas caduca n a los pocos años . Con las cifras de producción actuales, las reservas nunca alcanza ­ ría n los 228 mill ones de dosis ne­ cesa rias para cubrir los tres grupos pobl acionales de mayor riesgo en EE.UU., lejos de los casi 600 millo­ nes de dosis necesarios para vacunar a todos los estadounidenses. Otras naciones se enfrentan a limitaciones similares. Para Matthew, tales insuficiencias obedecen a intereses comercia les de

los fabricantes de vacunas, que no ven en la pandemia una oportunidad de negocio. Su obje tivo empresarial se centra en cubrir tan sólo la de­ manda anu al de inmunizaciones. Para es tim ular el interés de los fabrica ntes es necesario ofrecer in­ ce ntivos: por eje mplo, seg uros de riesgo, mayores márgenes comerc ia­ les y otras medidas que garanticen las ventas. En el futuro, las innova­ ciones téc nicas podrían aportar so­ luciones de nuevo cuño : métodos de obtención de vacunas más eficaces y productivos, dosis eficaces menores o vacunas que cubran por igual todas las cepas del virus de la gri pe.

Medidas de contención En 1999, el criterio que la OMS empleaba para detectar el inicio de

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una pandemia de gripe era sencillo : la pandemia empez aba cuando se

de tiempo para encontrar y aislar las personas que han estado en contacto

casos human os de H5N I ha llevado más de 20 días. Ello deja un margen

confirmaba que un nuevo virus de

con ellos antes de que éstas, a su

de tiempo muy estrecho para hacer

la gripe se extendía entre la pobla­ ción de un país, al menos. Desde ese momento, detener la rápida ex­ pansión de la gripe era impensable, o eso parecía entonces. En cambio, la última versión de la guía de la OMS, que ha incorporado los recien­ tes avances sobre la vigilancia de la enfermedad y los fármac os antivíri­ cos, utili za criterios más precisos y útiles: hace referencia a un período de la pandemia en que el virus de la gripe está preparado para estallar en todo el mundo, pero todavía pued e interceptarse y contenerse, o incluso eliminarse. Las medid as de contención debe­ rían operar con rapidez y eficacia. Así lo demuestran los modelos infor­ máticos. La gripe avanza a un ritmo devastador porque tiene un período de incubación muy corto: a los dos días de ser infectado, un individuo puede comenzar a manifestar sín­ tomas y difundir partícul as víricas que propaguen la infecci ón. Alguna s personas pueden tornarse infecciosas un día antes de presentar síntomas . En ca mbio, los infectados por el co­ ronavirus del SARS, que surgió en China en 2003, tardan 10 días en ser infecciosos; ello amplía el margen

vez, propaguen la enfermedad. Según los expertos en salud públi ­ ca, la localización y el aislami ento de esas per sona s nunca resultarían suficientes para detener la gripe. Sin embargo, estudios basados en simu­ laciones por ordenador muestr an que si a estas medida s se añaden unos 30 millones de dosis de fárm acos antivirales y una vacuna de baja efi­ cacia, la det enci ón de la pand emia deja de ser una utop ía. A partir del modelo de una po­ blación de 85 millon es de habit an­ tes, basado en datos demográficos y geográficos de Tailandia, Neil M. Ferguson, del Colegio Imp erial de Londres, dedujo que los trabaj ado­ res sanitarios tenían un máximo de 30 día s a partir del comienzo de la tran smisión vírica de persona a persona par a admini strar fárm acos antivirales como prevención y trata­ miento , dondequiera que se detectara un brote. No obstante, pese a conocer los re­ sultados de este estudio, los responsa­ bles de la OMS cuestionan la eficacia de la vigilancia epidemio lógica en algunas zonas de Asia para detener a tiempo una epidemia en ciernes. En la práctica, la confirmación de unos

llegar los fármacos a zonas remotas y distribuirl os a más de un mill ón de personas. Según Ira M. Longini Jr., de la Universidad de Emory, esta venta­ na de contención se ampliaría si la población estuviera parcialmente in­ muni zada. A partir de la simulación de una intervención con antivirales en una comunidad de menor tamaño basada en dat os demográficos tai­ landeses, Longini obtuvo resultados similares a los de Ferguson. Pero el modelo de Longini inclu ía zonas en las que la población se había vacu­ nado con anterioridad. Teniendo en cuenta que una vacuna ya existente (el prototipo H5N t desarrollado en algunos países, por eje mplo) no re­ sultaría plenament e eficaz contra una nueva variante del virus, consideró que los individu os vacunados conta­ e ría n sólo con un 30 por ciento menos ~ de probabilidades de ser infectad os. ~ Aun siendo una ventaja inmun itari a ~ redu cida, contuvo en las simulacio- ~ nes una posible cepa de l virus de ~ la gripe altamente infecciosa. Lo s

Simulación de una gripe pandémica

Una simulación creada por exper­ tos del Laboratorio Nacional de Los Alamos y de la Universidad Emory muestra la primera ola de una pandemia en EE.UU. que se expande con rapidez sin que se empleen vacunas o fármacos anti­ virales para retenerla. Los colores representan el número de casos sintomáticos por 1000 habitantes (véase la escala). El primer día, infectaría a 40 personas; alrededor del día 60, se produciría su expan­ sión máxima por todo el país y la remisión de la ola cuatro meses después, habiendo enfermado el 33 por ciento de la población. Se están diseñando también modelos de posibles intervenciones con fármacos y vacunas para saber si podrían evitarse cuarentenas, res­ tricciones de la movilidad y otras medidas de control molestas para la ciudadanía.

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Casos sintomáticos de gripe (por 1000 habitantes)

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EE .UU . y otros países que dispo- :1i~ nen de la vacuna H5N I están con - ~ siderando todavía la posibilidad de utilizarla para prevenir la infección !!i

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2. DESDE El CENTRO DE CONTROL del Oepartamento estadounidense de Salud y Ser­ vicios Humanos (HHSI se realizaría el seguimiento de la propagac ión de una pandemia de gripe en Estados Unidos . El HHS coordinaría las actividades de sus secciones, entre ellas el Centro para el Control y la Prevenc ión de Enfermedades (C DC) y el Instituto Naciona l de la Salud (NIH). Compartiría información con el Departamento de Seguridad Nacional y otras agencias gubernamenta les, estatales y federales .

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en las regiones del pl an et a don de la prob abilidad de qu e surja un a versión de es te vir us ada ptada al hombre es mayor, aunque ello impliq ue dispon er de men ore s reservas para sus co n­ ciuda danos . A partir de la ex pe rienc ia de pan ­ demi as pasada s, los expertos es timan qu e un a vez aparezca una nu eva ce pa del virus de la gripe, dará la vuelta al mundo en dos o tres olas, de var ios meses de duraci ón ca da un a, par a alc an za r su m áxima inte nsi da d en cada co munidad a las cinco semanas de su llegada. Las ol ea das seg uiría n un a frecu en ci a es tacional: si la pr i­ mera apa reciera en prim aver a , la seg unda no llegar ía hasta fina les de verano o principios de otoño. Da do qu e los lab or at ori os far macéuticos no di sp on dr án de vac unas contra el virus pandémi co en cantida d sufi­ ciente hast a se is meses despu és de su ap ari ci ón , la primera o la es la más temida. Una vez la pand emi a alca nce di ­ men sion es g loba les, las respues tas variará n localmente en fu nc ió n de los recursos que ca da go bie rno apli­ qu e seg ú n sus priorid ades , po líticas o científicas . El uso preve ntivo de los antivira les co nsti tuye una opc ión para aqu ell os paí ses que pu ed en di s-

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pon er de reser vas de fá rmacos, pe ro su eficac ia es limitada . Ning ún país dispone en estos mom entos de fár­ m acos suficientes par a proteger a una parte sig nificativa de la poblaci ón durant e meses. Ade más , su utiliza ­ ció n pro longada no se ha ensayado y podría ca usa r probl emas im previ st os. Por esta razón , G ran Bretaña decl aró en julio de 2005 qu e las reser vas de fárma cos se destinar ían en primer lu gar al tratami ento de los enfermos , m ás qu e a la pro tección de los no infectados . Los EE .UU ., Ca nadá y otros países es tá n aún es tudia ndo qui én es será n los primero s en recibir los antivi ra les y cuándo . A la mayor ía de los países no les qu ed a o tra elección qu e basar su primera barrera defe ns iva en lo qu e la üMS den omin a " interve nc io nes no far macéuticas". Ante la fa lta de investigaciones sobre la e ficac ia de ta les medi das, la üMS reunió a un gr upo de expe rtos en gripe en G ine­ br a en marzo de 2004 par a determi­ nar qu é ac tuac iones médi cas debían acome terse. Llegaron a la conclu sión de qu e la ex plor ac ió n de los viajeros qu e entran en un país co n síntomas de gri pe no ga ra ntiza ben eficios p ar a la sa lud pública (a unque sí podría llevarse a ca bo para aume ntar la co n­

fianza de la población ). Cues tio naro n también que la investig ació n de los casos de fiebre, la habilitaci ón de teléfonos de informaci ón o la ap er ­ tura de clí nicas para e nfe rmos co n fiebre retardaran la propagaci ón de la enfe rme da d. Los exp ert os rec om endaron el uso de masc arillas qui rúr g icas pa ra los enfe rmos de gr ipe y el person al sa­ nitari o en contacto con ellos . Par a los individu os sa nos, lavar se las man os ofrece mayor pr ot ección que la utilización de m ascarillas en es ­ pacios público s, pues la ge nte pued e ex po ne rse al virus en su casa o en el trab aj o, med iant e el contacto co n supe rficies co ntaminadas , incluida la de una ma scarilla. La pr ohibición de reunion es públi­ cas, la suspe ns ión de lo s tran sportes colectivos u otr as medidas tradi ciona­ les de " distanciamiento soc ial" deb en aplicar se en fun ción de la naturaleza de la pandemi a (por tanto, es te tip o de dec ision es no pued en tom arse has­ ta qu e ha empezado la epide mia) . Si lo s niños re sultan especia lme nte sus­ cepti bles al viru s (co mo oc urrió en 1957 y 1968) o si se co mprue ba que constituye n una fue nte import ant e de propagación de la enfe rme dad, pued e co nside ra rse la posibilidad de cerra r los ce ntros de ense ña nza.

Tratamientos médicos Si dos m il mill on e s de person as en­ fermaran, ¿m oriría n di ez millon e s? ¿O cie n mill on es ? La c ua ntificació n de las víc timas de un a futura pan ­ demi a d e gripe entra ña di ficultades notabl e s. H as ta qu e la pandemi a no se declare, res ultará imposible saber si la ce pa resp on sabl e se rá débil co mo la del vir us de 1968, mod erada co mo la de 1957 o let al y siniestra como la de 191 8. Los ex pe rtos se guían por regl as el emental es . Ya qu e nadi e tendrá inmunidad fre nte a la nu eva ce pa, se es pe ra qu e el virus infec tará el cinc ue nta por ciento de la pobl aci ón. Según su viru lencia, entre uno y do s ter ci os de este gru po de personas enfe rma rá, alca nzando un a tasa de ataqu e clínico del 15 al 35 por ciento. Por ello, un gran número de países se prep ar an para atende r a una media est imada de casos de gripe del 25 por ciento d e la pobl aci ón . En la actu alid ad , ningún go bierno está preparad o. E n los EE.UU., en

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3. PACIENTES CON GRIPE AVIAR en un hospital de Hanoi (Vietnam) en marzo de 2005: un varón de 21 años en situación crítica (izquierda) y su hermana, de 14 años. El H5N 1 ha causado enfermedades graves y muertes sobre todo entre adu ltos jóvenes y niños.

dond e cada estado es responsable en primera instancia de la salud de sus habitantes, la Agencia Americana para la Salud (TFAH) calcula que un virus pandémico grave, que hiciera enfermar al veinticinco por ciento de la población, provocaría la hospitali­ zación de 4,7 millones de estadouni­ denses (el país cuenta con menos de un millón de camas hospitalarias). Para los que trabajan en la línea de fuego de la atención sanitaria, la gravedad de una pandemia viene marcada por el número total de pa­ cientes y por las enfermedades que éstos sufren. Las enfermedades, a su vez, dependen de las propieda­ des inherentes al virus y de la sen­ sibilidad de diversas subpoblaciones frente al mismo. Una pandemia leve, por ejempl o, podría parecerse a una gripe estacional, pero con un número mayor de infectados. Los más afectados por la gripe es­ tacional suelen ser individu os que su­ fren complicaciones de enfermedades crónicas, los jóvenes, los ancianos y personas con el sis tema inmunita­ rio debilitado. La causa principal de muerte relacionada con la gripe esta­ cional es la neumonía, producida por bacteri as que invaden el organismo una vez la infección ha agotado las defensas orgánicas, no por el virus de la gripe en sí. A partir de simula­ ciones por ordenador, expertos de la agenci a nacional de salud holandesa han concluido que la hospitalización podría reducirse en un 3 1 por ciento sólo mediante la previa vacunación de los grupos de riesgo 'contra la neum onía bacteriana.

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La cepa pandémic a de 1918, en cambio, result ó más letal para los adultos jó venes sanos de entre 20 y 30 años, debid o, en parte, a la mayor resistencia de su sistema inmunitario. Ahora sabemos que este virus supri­ me respuestas inmunitarias innat as como la liberación de interferón (que prepara a las células para resistir el ataque), a la vez que provoca una hiperreacción inmunitaria, mediad a por las citoquinas (moléculas seña­ lizadoras), co ntra los pulmones. Los médi cos que se enfrentaban al mismo problema en los pacientes con SARS intentaban contener esta tormenta mediante la administración de interferón y corticosteroides supre­ sores de las citoquinas . Si la casca da devastadora no se detenía a tiemp o, los pulm ones del enfermo comen­ zaban a inflam arse y a obstruirse con tejido muerto hasta el punto de requ erir respi ración arti ficial para garantiza r el aporte de ox ígeno al torrente sanguíneo. En la opinión de Fred erick G. Hayden, virólogo de la Universidad de Virginia y aseso r de la ü MS en el tratami ento de las víctimas de la gripe aviar, no hay nada en la forma habitu al del virus H5N l que induzca a pensar en el desencadenamiento de una pand emi a moderad a. A menos que la patogenicidad del virus cambie de un modo drástico, nos enfrenta­ remos a una cepa letal. En muchas de las víctimas del H5N 1, el propi o virus ha causado una neumon ía aguda en la parte inferior de lo s pulmo ­ nes; en algunos casos, los análisis de sangre indicaban una actividad

insólit a de las citoquinas. Pero el vi­ rus no opera siempre de la misma forma . En algunos pacientes parece que se multipli ca también en el in­ testino, produciendo diarrea grave. Se cree que infectó el cerebro de dos niño s vietnamitas que murieron de encefalitis sin presentar síntomas respiratorios. Los fármacos antivirales que lu­ chan directament e contra el virus constituye n el tratamiento óptimo. Pero deben administrarse a tiempo (muchos enfermos de H5N l llegan al hospital demasiado tarde para que les resulten eficaces). La varia nte de la cepa que ha infect ado a la mayoría de las víctimas hum anas es resistente tambi én a las amantidinas (un tipo clásic o de antiviral es), quizá porque éstas se administraron a las aves de corral en algunas regiones de Asia. El H5N 1 podría atacarse con un nuevo tipo de antiviral es: los inhibidores de la neuraminidasa (IN) . En el mercado hallam os dos de es tos productos: el ose ltamivir (Tamiflu) y el zanamivir (Relenza) ; el primero se presenta en forma de comprimidos; el segundo se admini stra mediant e un inhalador. Para combatir con eficacia las cepas de la gripe estacional, ambos deben tomarse en las prim eras cuarenta y och o horas tras la aparición de los sínto mas. Sin embargo, la acción de estos fárma cos co ntra la infección por H5N I se ha estudiado sólo en rato­ nes. Según los result ados de Robert G. Webster, del Hospital de Investi­

4. EL OS ELTAM IVIR (principio activo del Tamiflul se fabrica según un proceso como piejo que comprende varias etapas y dura casi un año . Los pedidos actuales tarda­ rán varios años en servirse. Las versi ones genéricas serían de difícil obtención en caso de emergencia.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

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NUEVOS FARMACOS ANTIGRIPALES Los antigripales actuales operan sobre proteínas específicas de la superficie del virus: las amantadinas sobre la M2; el zana­ mivir y el oseltamivir sobre la neuraminidasa. Algunos fármacos todavía en desarrollo potencian la inhibición de la neurami­ nidasa. Otras propuestas se basan en el bloqueo de la entrada del virus en las células huésped o en la alteración de su capacidad para operar en el interior de las mismas.

Inhibición de la neuraminidasa, proteína queel virus utiliza para separarse de una célula e infectar otra

Peramivir (BioCryst Pharmaceuticals); CS-8958 (BiotalSankyo)

Losinhibidores dela neuraminidasa causan pocos Laspruebas cifnicashan demostrado que, efectos secundarios y generan menos resistencias administrado enforma decomprimidos, el Peramivír quelas antiguas amantadinas. El CS-8958 se no llega a lospulmones; pronto se ensayará la basa en una formulación deacciónprolongada administración intravenosa. Laspruebas iniciales con CS-8958 sehancompletado de forma queseadhiere a los pulmones durante al menos una semana satisfactoria

Inhibición de la unión del virus a la célula

Fludasa (NexBio)

Dado que bloquea el receptor delácido siálico que Hay previstos ensayos cifnicos inmediatos losvirus gripales utilizan para entrar enlas células huésped, Fludasa debería resultar eficaz frente a todas lascepas

Estimulación del G00101 (Galenea); mecanismo deinterferencia sin nombre (Alnylam Pharmaceuticals) del ARN

Utiliza el ADN para activarunmecanismo dedefensa interno de lascélulas: ordena la destruccióndelvirus. Laeficacia del G001498 frente a losvirus dela gripe aviar H5y H7se ha demostrado enratones

ADN antisentido bloquea losgenes vfricos

Fragmentos de ADN sintético se unen a ARN Hay previstos ensayos con animales en breve plazo vírico quedainstrucciones a la célula huésped para quefabrique más copias delvirus. La estrategia debería resultar eficaz contra la mayorfa delascepas delvirus

Neugene (AVI BioPharma)

gación Infantil SI. lude, la cantidad equivalente en un ratón a una dosis normal en hum anos de dos comprimi­ dos de Tamiflu diarios acaba con el virus, pero el tratamiento debe pro­ longarse en los múrid os ocho días, en vez de los cinco habitu ales. La üMS se propone llevar a cabo es­ tudios de futuras víctimas del H5N l par a determin ar la dosis necesaria en humanos. Sin embargo, aun co n la dosis estándar, el tratamiento del 25 por ciento de la población estadouniden­ se requeriría una canti dad mayor de Tamifiu, o su equivalente, que los veintidós mill ones de ciclos de tra­ tami ent o que el Departam ent o es­ tadoun idense de Salud y Servicios Human os planeó almacenar en sep­ tiembre de 2005. Un consejo asesor ha sugerido una reserva mínim a para los EE .UU. de cuarenta millo nes de ciclos de tratamiento (400 comprimi­ dos). Con 90 millones de cic los se atendería a un tercio de la población ; con 130 mill ones, se protegería tam­ bién al personal sanitario y a otros sectores básicos. Hayde n espera que antes de que se declare una pandemia , un tercer inhibidor de la neuraminidasa, el pe­ ramivir, se haya aprobado para ad­

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

ministración intravenosa en pacientes co n gripe hospitali zados. Los inhibi ­ dores de la neuraminidasa de acc ión prolongada será n algún día los más indicados para el almace namiento , ya que bastaría una sola dosis para el tra tamie nto o para ofrece r una semana de prevención. Es tos fármacos , así como otros nuevos diseñados para luchar contra la gripe, deben superar los ensayos clínicos antes de admini strarl os en caso de pandemia. Pendientes de es­ tud io se encuentra n también otros tratami entos que modul an directa­ mente la res puesta del sistema in­ mun itario en los pacientes con gripe. Si el enemigo resulta tan mortífero como el H5N 1, el personal sanitario necesitará todo tipo de armas para hacerle frente. La proporción de fallec imie ntos entre las víctimas del H5N 1 ronda el cincuenta por ciento. Aunque dis­ minu yera hasta el cinco por ciento, conforme el virus perdi era virulencia para ganar transmi sibilid ad entre las personas, su tasa de mortalidad do­ blaría la que tenía en 1918, pese a que hoy disponemos de antibi óticos, respiración asistida y otros avances médi cos. Hayde n advierte que nos hallamos lej os de contar con la in­

Están previstos ensayos cifnicosen 2007

fraes tructura que se requiere para hacer frente a semej ante amenaza. Nunca como ahora el mund o había podido divisar una pandemia de gripe en el horizonte, ni contado con tantas herramient as para atenuar su impac­ to. Pero quedan todavía cuestiones por reso lver. La amenaza , sea ésta inmin ente o remota, existe: aunque el temibl e H5N l nunca evolucionara hacia una forma capaz de expandirse entre los humanos, otro virus de la gripe lo hará. Cuanto más fortalez­ camos nuestras defensas, más airosos saldremos . Nuestro único enemigo es la autoco mplacencia.

Bibliografía complementaria THE GREAT INFLUEN ZA. Edición revisa­ da. John M. Barry. Penguin Books, 2005. JOHNR. LAMONTAGNE MEMORIALSVMPOSIUM ONPANOEMIC INFLUENZARESEARCH: MEET' ING PROCEEOINGS. Institute of Medicine. National Academies Press, 2005.

WHO GLOBAL INflUENZA PREPAREONESS PLAN. WHO Oepartment of Communicable Oisease Surveillance and Response Global Influenza Program, 2005.

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¿una ilusión? La fuerza de gravedad y una de las dimensiones espaciales quizá procedan de las peculiares interacciones, entre partículas

y campos, existentes en un espacio con menos dimensiones Juan Maldacena

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emos tres dim ensiones del espac io: arr iba y abaj o, derecha e izqu ierd a, delante y detrás. Añadimos el tiemp o, y ten emos la mezcla tetradimensional a la que llam amos espaciotiemp o. Vivimos, pues, en un universo con cuatro dim ensiones. ¿O no? Nuevas teoría s físicas predicen que una de las tres dim ensiones del es pacio es una es pecie de ilusión: las part ículas y ca mpos que componen la realidad residirían en un es pac io bidimen sion al , co mo la Planilandia que im agin ó en el siglo XIX Edwin A. Abbot. También la gravedad sería parte de la ilu ­ sión, una fuerza, ause nte del mund o bidim ensional, que se mani fiesta só lo cuando emerge la tercera dim ensión. O mejor dicho, las teorí as predi cen que el nú­ mero de dim ensiones de la rea lidad depende de la per spectiva: ca bría escoger entre una descripción dond e la rea lidad obedec iese un conjunto de leyes (entre ellas las de la grave dad) formuladas en tres dim ensiones o, de modo equivalente, una descripción en la que rigiese otro grupo de leyes, que operaría en dos dim ensiones (y sin gravedad) . A pesar de su radica l difere nc ia, las dos teorías describirían por igual todo lo que vemos y cualquier dato que pudi ésemos recoger sobre el funcio namiento del uni­ verso . No tendríam os manera de sabe r cuál de las dos teorías era "realmente" la cierta . Esta propuesta desafía la imaginación . Pero en la vida cotidiana suce de algo parecid o. Un holograma

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, enero, 2006

es un objeto bidim ension al; en condiciones lumíni ­ cas adecu adas, sin embargo, produ ce una imagen tridimension al. Toda la informació n qu e describ e la imagen tridimensional está codificada en el ho­ logram a bidimensional. Pues bien, según las nuevas teorí as físicas, el universo entero ser ía un tipo de holograma [ véa se "Infor mación en el universo ho­ lográfico" , de Jacob D. Bekenstein; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, octubre 2003 ]. La descrip ción holográfica trasc iende la mera cu­ riosidad intelectual o filosófica. Un cálculo demasiado difí cil en una descrip ción puede result ar mucho más simple en la otra; probl ema s físicos inab ord ables en la primera se resolverían con facilidad en la segunda . Es más, qui zás hayan enco ntrado ya los experimen­ tos de física de part ícula s de altas energías indicios de la validez del principi o holográfico. Además, las teorías holográficas mu estr an una vía nueva para la construcc ión de una teorí a de la gravedad que respeta los principi os de la mecánica cuántica . Sin una teoría cuántica de la gravitación, caería por tierra cualquier esfuerzo de uni ficación de las fuerzas de la natur aleza. Sin ella, no se podría explicar lo que sucede en los agujeros negros ni lo que pasó en los nanosegund os que siguieron a la gran exp losión.

Un matrimonio difícil Para un cierto tipo de físicos, no hay objetivo mayor que una teoría cuántica de la grave dad. Las leyes cuánticas describen todos los fenó menos fís icos, me­

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nos co n la gravedad . Sin embargo, la mecán ica cuántica debería ser válida para todas las fuerza s. No es consis­ tente tener una teoría en donde parte de las fuerzas obedecen un tipo de leyes (las cuánticas) mient ras que la gravedad obedece leyes clásica. La mecánica cuántica se concibió hace ochenta años para describir el com­ portamiento de partícul as y fuerzas en los domini os ató mico y subat ó­ mico, las esca las de longitud donde los efec tos cuánticos resultan signi­ ficativos. En la mecáni ca cuántica los obj etos no tie nen pos icio nes y veloc ida des bien defin idas; se los describ e con probabili dades y ondas. En un mund o cuántico, en el nivel más fundamental, todo se halla en un estado de cambio constante; inclu so el es pacio "vacío" está plagado de partículas virtuales que aparece n y desaparecen sin cesar. La mejor teoría de la gravedad, la relatividad genera l, es clásica: es decir, no cuá ntica. Seg ún la ob ra maestra de Einste in, la relat ividad general, la materia o energía curva el espac iotiempo y esa curvatura des­ vía las trayectorias de las partícul as. La relatividad general es una teoría de gran belleza, y muchas de sus predi cciones se han verificado con gran precisión. En una teoría clásica, como la re­ latividad general, los obje tos tienen posiciones y velocidades definidas, como los planetas alrededor del So l. Si se introdu cen esas posiciones y velocid ades (y las masas de los ob­ jetos) en las ecuaciones de la rela­ tividad general, ést as producen una

curvatura del espaciotiernpo, que a su vez determina los efectos de la gravedad sobre las trayectorias de los objetos. El espacio vacío clásico es perfectamente liso, por muy de cerca que se lo exa mine: un escenario bien definido donde actúan la materia y la energía. Que cueste tanto concebir una ver­ sión cuántica de la relatividad general no se debe sólo a que en la esca la de los átomos y los electrones las partículas carezcan de posiciones y velocidades definid as. Para empeora r las cosas, los principi os cuánticos es­ tablecen que a una esca la muchísimo menor, definida por la longitud de Planck (10- 33 centímetros), el espa­ ciotiempo mismo ha de ser una es­ puma efervesce nte, similar al océa no de partícul as virtuales que llena el espacio vacío. Cuando la materia y el espac iotiempo son tan cambiantes, ¿qué predicen las ecuacio nes de la rel ativid ad genera l? Nada, porque pie rde n su validez. Si supo ne mos que la materia obedece las leyes de la mecáni ca cuántica, y la gravedad las leyes de la relatividad general, acabaremos teniendo contrad icciones matemáticas. Resulta imprescindibl e elaborar una teoría de la gravedad que encaje en el paradi gma de las teorías cuánticas. En la mayoría de las situaciones, los requisitos contradicto rios de la mecánica cuántica y de la relatividad general no producen un probl ema, porqu e o bien los efec tos cuánticos, o bien los gravitatorios son tan pe­ queños, que se los puede despreciar o tratar con una aproximación. Pero

• Según la teor ía que se describe en este artículo, un universo espa­ cialmente bidimensional y sin gravedad es por completo equivalente a cierto tipo de universo con gravedad y una dimensión espacial más. El universo tridimensional guardaría con la física del bidimensional una relación parecida a la que hay entre una imagen holográfica y el correspondiente holograma. • El universo bidimensional existe en la frontera del universo tridimen­ sional. La física de la frontera se parece a la de los quarks y gluo­ nes, con su interacción fuerte. La física del interior incluye una teoría cuántica de la gravedad, que viene ocupando a los físicos desde hace muchos años. • La equivalencia proporciona una nueva manera de enfocar las propie­ dades de los agujeros negros. Para su cabal comprensión, se requiere que la mecánica cuántica se combine con la teoría de la gravedad . La equivalencia no se ha probado matemáticamente, sin embargo parece resultar útil para describir un experimento reciente de la física de altas energías .

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cua ndo el espac iotiem po se curva much o, ya los aspec tos cuánticos de la grave dad no se pueden ignora r. Para que el espac io se curve tanto, se necesita una masa o concentra­ ción de masas muy grande. Incluso la curvatura produ cida cerca del So l result a muy pequeña , comparada con la exigida para que los efec tos de la gravedad cuántica se mani fiesten. Hoy en día se pueden despreciar por completo estos efec tos. Por otro lado, en la gran explos ión, al co ­ mienzo del universo, fueron crucia­ les. Para describir el comienzo del universo se requi ere, pues, una teoría cuá ntica de la gravedad. También se la requiere para sa ber qué pasa en el centro de los agujeros negros, porqu e allí la materia se comprime en una región de curvat ura extraordinaria­ ment e elevada. Co mo la graveda d está ligada a la curvatura del espa­ ciotiempo, una teoría cuántica de la grave dad será tambi én una teoría del espacio tiempo cuántico , que debería acla rar en qué co nsiste la "espuma de espac iotiernpo" mencionada antes. Casi con toda seguridad, nos dar ía una perspectiva inéd ita de la natu ­ raleza del espaciotiempo en el nivel más profundo de la realidad.

Teoría de cuerdas La teoría de cuerdas ha abierto una vía prometed ora haci a una teoría cuá ntica de la gravedad. Se la viene explorando desde los años setenta. La teoría de cuerdas supera algunos de los obstáculos co n que se tropi eza al formular una gravedad cuántica lógicamente cohere nte. Pero aún está en construcc ión. No la entendemos bien: contamos con algunas ecuac io­ nes aproxim adas para las cuerdas, pero no con las ec uaciones exac tas. Tampoco co nocemos el prin cipi o guía subyacente que explica ría la for ma de las ecuaciones; hay, ade­ más, innum erables cantidades físicas que no sabemos calcular a partir de las ecuaciones. En años recient es se han obtenido muchos resultados sorprendentes que nos han ofreci do nuevas formas de entender el espacio tiempo cuántico . No descri biré aquí la teoría de cuer­ das co n mucho detalle [véase "E l paisaje de la teoría de cuerdas", por Raphael Bousso y Joseph Polchinski; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, noviem­ bre 2004]. Me centraré en uno de los

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, enero,

2006

desarrollos más apasionantes que la teoría de cuerdas haya engendrado en los últimos tiempos: una descripción completa y lógicamente coherente de la gravedad para un tipo de espa­ ciotiempos, los de curvatura nega­ tiva. Para dichos espac iotiempos, parece que las teorías holográficas son ciertas .

Espaciotiempos

con curvatura negativa

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A todos nos es familiar el espacio plano de la geometría euclídea, la geometría de las figuras dibujadas en una hoja de papel. Esta es una buena aprox imación a la geometría del mundo que nos rodea: la geome­ tría donde las líneas paralelas nunca se cruza n y se cumplen los demás axiomas de Euclides. Tampoco nos res ulta n extraños algun os es pacios curvos. Hay dos clases de cur vatura: positiva y ne­ gativa. El espacio más simple con curvatura positiva es la superficie de una esfera. Su curvatura es constante y positiva; es decir, tiene la misma curvatura en todos los sitios (mien­ tras que en un huevo, por eje mplo, la curvatura es mayor en el extre mo puntia gudo). El espacio más sencillo con cur­ vatura negativa es el hiperbólico, el espacio de curvatura constante y ne­ gativa. Este tipo de espacio ha fasci­ nado desde hace tiempo a científicos y artistas por igual. M.e. Esc her creó hermosas representaci ones del espa­ cio hiperbólico. La que se reproduce en la figura 2 es un mapa plano de ese espacio. Que los peces se vayan empequeñec iendo más y más es sólo una consecuencia de que el espacio curvo tenga que comprimirse para encajar en una hoja plana de papel. También se dilatan en un planisferio terrestre los países más cercanos a los polos. Cuando se aña de el tiemp o, se tienen espac iotiempos con curvatura positiva o negativa. El espac iotiem­ po más simple con curvatura positiva se conoce por espacio de De Sitter (en homenaje a Willem de Sitter, el físico holand és que lo intro dujo). Muchos cos mólogos creen que el universo prim ordi al se parecía mu­ cho al espac io de De Sitter. Quizá tamb ién se le parezca nuestro uni­ vers o en un futuro lej ano, debido a la aceleración de la expansión. INVESTIGACiÓNy CIENCIA, enero, 2006

2. ESTA REPRESENTACION DE UN ESPACIO HIPERBOLlCO fue creada por el artista holandés Maurits Cornelis Escher (arriba). Los peces tienen el mismo tamaño real; la frontera circular se halla infinitamente lejos del centro del disco. La proyección del verdadero espacio hiperbólico sobre esta representación aplasta los peces distantes para encajar el espacio infinito dentro del círculo finito. Sin ese aplastamiento, el espacio se curvaría de manera peculiar y cada pequeña sección (debajo) adquiriría la forma de silla de montar, con pliegues adicionales.

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ESPACIO NEGATIVAMENTE CURVADO La teoría holográfica se refiere a un espaciotiempo negativam ente curvado, el espac iotiempo de anti-de Sillero La versión tridimensional del anti-De Silter se puede visualizar mediante un cilindro sólido

(izquierda) cuyas secciones transversales representan espacios hiperbólicos proyectados, como en el dibujo de Escher, sobre discos finitos; cada uno de éstos corresponde a un instante del tiempo, que corre a lo largo del cilindro. La frontera, en cada instante, es la circunferencia del disco correspondiente. Toda partícula lanzada desde el centro (trayectoria gris) volverá al punto de partida pasado el mismo lapso finito. Un haz láser (naranja) llegará hasta la frontera, pero volverá transcurrido el mismo tiempo. La versión tetradimensional, como el universo real, no admite una representación gráfica tan inmediata: en cada instante de tiempo, la frontera sería una esfera, no un círculo.

Ir ~ Fron te ra

El es pac iotie mpo más simple curva­ do negati vament e es el de anti-De S itte r. Se asem ej a al es pacio hi ­ perb óli co, co n la sa lvedad de qu e contiene una dir ecc ión temporal. A difere ncia de nuestro uni ver so, qu e se es tá expa ndiendo, el es pac io de anti-De Sitter no se ex pande ni se contrae. Perma nece igu al al trans­ currir el tiempo. Pese a esta carac ­ terísti ca, resulta bastante útil en la bú squ ed a de teorías cuá nticas del es pac iotiempo y la gravedad. Si imagin am os el espac io hiper­ bólico bidimension al co mo un dis­ co parecid o al dibujo de Esc her, el co rres po ndie nte es pa cio tie mpo de anti-De Si tter se re presentará me­ diante una pila de esos discos, que formará un cilindro só lido (véase el recuadro "Es pacio negativament e cur vado"). El tiemp o corre a lo largo del cilindro . El espacio hiperb ólico puede co ntar co n más de dos dimen ­ siones . Las secc iones transversales del "c ilindro" que representaría el es­ pacioti emp o de anti -De Sitter de tres dim ensiones espac iales tend rían un "dibujo de Escher" tridim ensional.

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Las propi edades de la física del espaciotiempo de anti- De Sitter son un poco extrañas. Flotando libremen­ te en cualquier parte de ese espacio, nos parecer ía hallarnos en el fondo de un pozo de potencial gravitato­ rio. Cualquier obje to que lan zásemos volvería a nosotros, como un boome­ rangoPara nuestra sorpresa, el tiemp o que un objeto tardaría en volver no depend erí a de la fuerza co n que lo arrojá ramos . Eso sí, cuanto más fuer­ te lo lanzásem os más lejos llegaría antes de volver a nosotros. Si emitié ra mos un rayo de lu z -fotones que se mueven a la máxi­ ma veloc idad posibl e (la veloc idad de la luz)- , llegarían al infinito y regresarían en un tiemp o finito. Tal fenómeno es posible porqu e los obje­ tos experime ntan en un anti-De Sitter una espec ie de contracción temp oral de magni tud creciente a medid a que se aleja n.

El holograma El espac iotiempo de anti-de Sitter, aunque infinito, tiene una fro ntera, situada en el infinito. Para dibuj ar­

la, se utili za una escala de longitu ­ des disto rsionada, parecid a a la de Esc her, que co mprime una distancia infinita en una finita. La frontera es co mo la circunferencia exterior del dibujo de Esc her o la superficie del cilindro sólido del que hablamos an­ tes . En el eje mplo del cilindro, la fron tera posee dos dim ensiones: una espac ial (que rodea el cilindro) y otra temporal (a lo largo del cilindro). En el esp aciotiempo de anti-De Sitte r tet radirn en sion al , la fro ntera tiene dos di me nsiones de espac io y una de tiemp o. Así co mo la fro ntera del dibujo de Escher es una circunfere n­ cia, la frontera del espaciotiempo de anti-De Sitter tetradimensional es, en cua lquier instante, una esfe ra. Allí, en esa frontera, res ide el hologr ama de la teoría holográfica. Dicho de manera sencilla: una teo­ ría cuántica de gravedad en el interior de un espacio tiempo de anti-De Sitter equivale, en un modo preciso, a una teor ía de partícul as ordinaria en la front er a. De ser cierta, es ta equi­ valencia nos permitiría valernos de la teoría cuántica de partículas, que

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

conocemos bastante bien, para definir una teoría cuántica de la gravedad. Una analogía: un par de copias de una película, una en rollos de 70 milím etros y otra en DVD. Los dos form atos no pueden parecerse menos: el primero es una cinta li­ neal de celuloide donde la relación de cada fotograma con las esce nas de la películ a salta a la vista, el se­ gundo una placa metálica con una espiral de marcas que expresa una secuencia de ceros y unos, o pozos y llanos, si pudi ésemos percibirlos. Sin embargo, ambos "describen" la misma película . De igual manera, las dos teorías, que tan diferent es se nos presen ­ tan , desc riben el mismo universo. El DVD parece un disco de metal irisado . La teoría de part ícul as en la fro ntera "parece" una teoría de partícul as en ausencia de grave dad. Sólo cuando los bits se procesan de manera apropiada, el DVD genera las imágenes. Y sólo cuando se analizan de manera apropiada las ecuaciones de la teoría de part ículas de la fron­ tera, emergen la gravedad cuántica y una dimen sión extra. ¿Qué significa realmente la equi­ valencia de las dos teorías? Primero, que todas las entidades de cada teoría tienen su corres pondiente en la otra. La caracterización de esos entes aso­ ciados difiere mucho de una teoría a la otra: una entidad del interior, una sola partícul a de un cierto tipo, diga­ mos, se describe en la frontera con un conjunto de partículas de otro tipo. En segundo lugar, las predicciones para entes correspondientes deben ser idénticas. Así, si dos partícul as tienen el 40 % de probabilid ades de colisio­ nar en el interior, los dos conjuntos de partícul as correspondientes en la frontera deben tener también el 40 % de probabil idad de colisio nar. Precisemo s la equivalencia. Las in­ teracciones entre partículas que viven en la frontera guardan una estrecha semejanza con las interacciones entre quarks y gluones (los quark s son los constituyentes de protones y neutro­ nes; los gluones generan la interac­ ción nucl ear fuerte que une a los quarks entre sí) . Los quarks poseen un tipo de carga, con tres variedades, o "colores" ; la interacción asociada a esa carga se llama cro modinámi­ ca. La diferencia entre los quarks y gluones ordinarios y las partícul as

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de la frontera consiste en que éstas poseen un gran número de co lores, no sólo tres. Gerard ' t Hooft, de la Universidad de Utrec h, estudió estas teorías ya en 1974 y predijo que los gluones forma­ rían cadenas cuyo comportamiento sería semeja nte al de las cuerdas de la teoría de cuerdas . No se sabía la naturaleza precisa de esas cadenas gluónicas, pero en 1981 Alexa nder M. Polyakov, ahora en la Universidad de Princeton, co mprendió que estas cuerdas efec tivamente residí an en un

espacio con más dimensiones que el espacio donde residen los gluones que las forman. Como veremos, en las teorías holográficas dich o espacio de dimen sión mayor es el interior del espacio de anti-De Sitter. Para ente nder de dónd e apar ece la dimen sión extra, empece mos por las cuerdas gluónicas residentes en la frontera. Su groso r está relacio­ nado co n el grado de dispersión de sus gluones por el espacio. Cuando se ca lcula la interacción de es tas cuerdas entre sí en la frontera del

UNA DIMENSION MAS OMENOS La teoría holográfica describ e la equivalencia entre los quar ks y gluones que in­ teraccionan en la frontera de un espaciotiempo de anti-De Sitter por una parte , y, por la otra, las partícula s que residen en el interio r del espacio, interior con una dimensión más que la frontera.

Estado de cuerda

Los quarks y gluones se

unen, sobre la superficie

esférica del anti-De Sill er,

para formar cuerdas de

varios grosores. Según la

interpretación holográfica,

esas cuerdas representan

partículas elementales (que

también son cuerdas) cuya

distancia a la frontera corres­

ponde al grosor de la cuerda

de la frontera.

Nubes de quarks y gluones

en la superficie de la frontera describen, pues, objetos

complejos equivalentes - la

manzana de la figura- del

interior. La ventaja de la

teoría holográfica consiste en

que los objetos del interior

se hallan sujetos a gravedad,

aun cuando no exista una in­

teracción gravitatoria genuina

sobre la superficie.

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Objeto en el

espacio interior

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espaciotiempo de anti-D e Sitter, se obtiene un resultado extra ño: do s

teoría de cuerdas se creó a finales del decenio de 1960 para descr i­

respaldan no han cesado de aumenta r. Pero no se ha conseg uido todavía

cuerdas de diferente grosor apenas

bir las interacciones fuertes, pero

la demostración rigurosa de ejemplo

interaccionan entre sí. Vendría a ser como si se hallaran separadas espa­ cialmente. Se puede reinterpretar el groso r de la cuerda como una nueva coorde nada espacial que se aleja de la front era. Así, una cuerda delgada en la fron­ tera es como una cuerda cercana a la front era, mientra s que una cuer­ da grues a en la frontera sería una cuerda alejada de la frontera (véase el recuadro "Una dim ensión más o menos"). La coordenada extra es pre­ cisamente la coord enada necesaria para describir el movimiento en el espaciotiempo de anti-De Sitter te­ tradimensional. Desde la perspectiva de un observador en el espaciotiem­ po, cuerdas de diferente groso r en la frontera aparecerán como cuerda s (todas ellas delgadas) en distintas posiciones radiales. El número de colores en la frontera determin a el tamaño del interior (el radio de la esfera de Escher). Para abarcar un espac iotiempo de la magnitud del universo visible, la teoría debe contar con alrededor de 1060 colores. Resulta que un tipo de cadena de gluones se comporta en el espacio­ tiempo tetradimensional del mismo modo que el gravitón, la partícula cuántica fundamental de gravedad. Según esta descripción, la gravedad de cuatro dimen sion es es un fenó­ meno emergente, que surge de inte­ racci ones de partícul as en un mundo tridim ensional carente de gravedad. La presencia de gravitones no de­ bería sorprendernos: desde 1974 se sabe que la teoría de cuerdas origina siempre gravedad cuántica. Las cuer­ das form adas por gluones no son la exce pción, pero la correspondiente gravedad opera en un espacio co n una dimensión más. Por consiguiente, la corresponden­ cia hologr áfica no es una nueva y excé ntrica hipótesis más acerca de una teoría cuántica de la gravedad, sino un nexo fundam ental entre la teoría de cuerdas, el enfoque más estudiado de la gravedad cuántica, y las teorí as de quarks y gluones, piedra s angulares de la física de par­ tículas. La teor ía holográfica parece iluminar adem ás es as ec uac iones exactas de la teoría de cuerdas que desde hace tanto se nos escapan. La

se abandonó, en lo que se refería a su propósito original , al aparecer la teoría de la crom odin ámic a. La corresponde ncia entre la teoría de cuerda s y la cromodinámica indica que aquellos primeros esfuerzos no andab an del todo desencaminados; las dos descripciones son diferentes caras de la misma moneda. Variando la teoría cromodin ámica, efectuando cambios de detalle de las interacciones entre las partículas de la frontera, se obtiene un surtido de teoría s en el interior: las hay sólo con fuerzas gravitatorias, o con la gravedad más alguna fuerza extra, como la electromagnética, y así su­ cesivamente. Por desgracia, no cono­ cemos aún ninguna teoría de frontera que dé lugar a una teoría interior que incluya ju sto las cuatro fuerzas que observamos en nuestro universo. Conje turé que la corres pondencia holo gráfica podría ser válida para una teoría específica (una cromodi­ námica simplificada en una frontera tetradimensional del espacio-tiempo) en 1997. Mi propuesta despertó de inmediato un gran interés entre los teórico s de cuerdas. Desde entonces, muchos han contribuido a explorar la conjetura y a generalizarla a otras dimensiones y otras teorías cromodi­ námicas; las pruebas indirectas que la

alguno; las matemáticas resultan de­ masiado difíciles.

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Misterios de los agujeros negros ¿En qué medida ayuda la descripci ón holográfica de la gravedad a expli­ car ciertos aspectos de los aguje ros negros? Se cree que los agujero s ne­ gros emiten radiación de Hawking, así llamad a en honor de quien lo predijo, Stephen W. Hawking, de la Universidad de Cambridge . Esa ra­ diaci ón sale de los agujero s con una temperatura específica. La mecánica estadística explica la temperatura de todo s los sistemas físicos ordinarios a partir del movimiento de los cons­ titu yentes microscópicos. Se aplic a a un vaso de agua o al Sol. Pero , ¿y a un aguj ero negro? Para enten­ der su tempera tura, necesitaríamos saber cuáles son los constituyentes microscópicos del agujero negro y cómo se comportan. Sólo una teo­ ría de la gravedad cuántica podría ense ñárnoslo. Algunos aspectos de la termodin á­ mica de agujeros negros han levan­ tado duda s acerca de si una teoría cu ántica de la gravedad es siquiera factible. Da ba la impresión de que qui zá fallase la mecánica cuánti­ ca misma, debid o a lo que sucede en los agujero s negros. Pero ahora

LOS AGUJEROS NEGROS

Stephen Hawking razonó en 1973 que los agujeros negros, a los que se les podía atribuir una temperatura, emitían radiación. La temperatura es una propiedad de un conjunto de partículas. Ahora bien, ¿en qué consiste el conjunto que define un agujero negro? La teoría holográfica da una respues­ ta: un agujero negro equivale a un enjambre de partículas que interaccionan entre sí en una superficie, una "frontera" del espa­ ciotiempo.

. Partí.culas -i'---''':-''-J que mteraccionan

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

sabemos, gracias a la teoría de la frontera, que la mecánica cuántica perman ece intacta ante los agujeros negros del espaciotiempo de anti-De Sitter. Esos agujeros corresponden a una configuración de partículas en la frontera. El número de estas partí cu­ las es muy grande y se encuentran en movimi ento; por consiguiente se les puede calcular una temp eratura medi ante las regla s usu ales de la mecánica estadíst ica . El result ado coincide con el que halló Hawk ing por medios muy diferentes, lo cual indica que la relación entre las dos teorías tiene sentido. Y, sobre todo, la teoría de la frontera obedece las reg las ordinarias de la mecáni ca cuántica, sin que se produ zca in­ congruencia alguna. La corres pondencia holográfica se ha utilizado también en la dirección opuesta: a partir de las propiedades conocidas de los aguje ros negros en el espaciotiempo interior, se ha de­ ducid o el comportamiento de quarks y gluones a temperaturas muy ele­ vadas en la frontera. Dam Son, de la Universidad de Washingto n, y sus colaboradores estudiaro n una pro­ piedad, la viscos idad. La viscos idad es pequeña para una susta ncia que fluya co n facilidad y gra nde para las melazas. Hallaron que los agu­ jero s negros tienen una viscos idad bajísima, menor que la de cualquier fluido conocido. Por lo tanto, según la equivalencia holográfica, quarks y gluones apenas si deberían ser visco­ sos a temp eraturas elevadas. En el Colisionador de Iones Pe­ sados Relativistas del La boratorio Nacional de Brookhaven se han ve­ nido produciendo choques de núcleos de oro a energías muy elevadas. Un

análisis provisional de estos expe­ rim ent os indica que las colisiones crea ban un fluido con una viscos i­ dad muy baja. Aunque Son y sus colaborado res estudiaron una versió n simplificada de la cro modinámica , parecen haber dado con una propie­ dad del mundo real. ¿Quiere ello de­ cir que el colisionador de iones de Brookhaven está creando pequeñ os agujeros negros pentadimensionales? Es demasiado pronto para decirl o, tanto por lo que se refiere a los expe­ rimentos como a la teoría. (No habría que temer nada de esos diminutos agujeros negros: se evapora n co n la rapidez con que se forman, y "viven" en cinco dimensiones, no en nuestro mund o tetradimensional.) Quedan pendientes muchas cuestio­ nes sobre las teorías holográficas. En particular, los resultados expuestos aquí, ¿valdría n, no ya en un espacio de anti-De Sitter, sino en un universo como el nuestro? Un aspecto crucial del espacio de anti-De Sitter es su fro ntera, donde el tiempo está bien definido, una frontera que ha exis­ tido y existirá siempre. Un universo en expansión, como el nuestro, que viene de una gran explosión, no tiene una frontera así. En consecuencia, no queda claro cómo se definiría una teoría holográfica para nuestro uni­ verso; no existe un lugar apropiado dond e poner el holograma. Con todo, cabe sacar una lección importante de la conjet ura holográ­ fica. La gravedad cuántica, que tanta perplejid ad ha causado durante años, resulta, en ciertas circunstancias, muy simple si encontramos las variables adec uadas. Oja lá demos pronto con una descripción simple de la gran explosión.

El autor

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

El universo maduro, de Amy J. Barger Marzo 2005

La burbuja local y la Tierra, deJesús Maíz Apellániz, Narciso Benítez y Matilde Cañelles Abril 2005

Las paradojas de la gran explosión, de Charles H. Lineweaver y Tamara M. Davis Mayo 2005

¿Qué calentó los asteroides?, de Alan E. Rubin Julio 2005

Supervientos galácticos, de GuillermoTenorio Tagle, Casiana Muñoz Tuñón, Verónica Melo y Sergiy Silich Septiembre 2005

Disonancia cósmica, de Glenn D. Starkman y DominikJ. Schwarz Octubre 2005

Juan Maldacena es profesor de la Escuela de Ciencias Naturales, en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Perteneció al departamento de física de la Universi· dad de Harvard de 1997 a 2001.

O ndas en el océano galáctico,

Bibliografía complementaria

Polarización del fondo cósmico de microondas,

ANTI-O E SITTER SPAC E ANO HOLOGRAPHY. Edward Witten en Advances in Theoretical and Mathematical Physics, vol. 2, págs. 253-291 ; 1998. GAUGE THEO RYCORRELATORS FROMNO N·C RITICALSTRING THEORY. S. Gubser, 1. Klebanov y A. Polyakov en Applied Physics Letters B, vol. 428, págs. 105·114; 1998.

LA TEORíA M. Michael J. Ouff en Investigación y Ciencia, n.o 259, abril 1998.

THE ELEGANT UNIVERSE. Brian Greene. W. W. Norton and Company, 1999.

de MatthewHedman Diciembre 2005

INVEST IGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

de Francoise Combes Diciembre 2005

CP

Prensa Científica, S.A.

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urante largo tiemp o se había venido admitiendo

puede que en la superficie de Ve­ nus no hayan reinado siempre esas

Crick, entre otros, han abogado por for mas di ver sas de panesperm ia.

que la vida en la Tierra

condiciones durísimas. Quizá Venus

Aunque la proponen también otros

constituía un fenómeno local. De acuerdo con la hipótesis más extendida, las células vivas primitivas surgiero n de la evolución quím ica en nuestro planeta, hace miles de millones de años, en un proceso de abiogé nesis. La posibilid ad de que las células, o sus precur sores, llegaran del espa­ cio pertenecía al reino de la fantasía científi ca. Pero los avances logrados en el curso de los últim os diez años abonan la idea de que la biosfera de nuestro planeta habría surgido de una semilla extraterrestre. Sabe mos qu e e n las primer as etapas de la historia de nuestro sis­ tema solar habrían exist ido num e­ rosos mund os con agua líquid a, el ingrediente esencial para la vida tal y co mo la conoce mos. Datos recien­ tes ob tenidos de las exploraciones que la NASA ha rea lizado en Mar te corroboran las antiguas sospechas : el agua fluyó alguna vez por el planeta rojo, al menos de form a intermit en ­ te. No es descabellad o, pues, pensar que la vida existió en Marte largo tiemp o atrás y que quizá continúa allí. La vida pudo haberse desarro­ llado tambi én en Europa, satélite de Júpiter (el cuarto en razón del tama­ ño), que parece albergar agua líquida bajo su helada superficie . El mayor satélite de Saturn o, Titán , abunda en compuestos orgánicos; habida cuenta de las temperaturas gélid as de dich a luna , la posibilidad de hallar formas de vida allí es esca sa, pero no debe descartarse. La vida podría haberse desarroll ado incluso en el tórrid o Ve­ nus. Aunque la superficie venusiana está sometida a una temperatura y presión atmo sférica excesivas para ser habitable, el planeta podría haber albergado vida micr oscópica en las capas altas de la atmósfera. Además ,

presentara antaño un ambien te simi­ lar al de la Tierra primi tiva. Por otra parte, la extensión del es­ pacio interplanetario no constituye la barrera infranqu eable que apare nta. En el curso de los últimos veinte años se ha descubi erto, a partir de la com­ posición de los gases atrapados en ciertas rocas, que una treint ena larga de meteoritos hallados en la Tierra proceden de la corteza de Marte. Al propio tiempo, se han hallado orga ­ nismos aptos para sobrev ivir en el interior de tales meteoritos, al menos durante un viaje corto. Aunque ello no significa que fueran los mismos organismos que viajaron, demuestra que otros podrían haberlo hecho. La vida habría aparecido en Mar te y lue­ go venido a la Tierra, o viceversa. Los expertos estudian ahora con te­ nacidad el transporte interplanetario de materiales biológicos para averi­ guar si el viaje pudo haber ocurrido alguna vez . Estos trabajos arrojarán nueva luz sobre algunas cuestiones candentes: ¿Dónde y cómo surgió la vida? ¿Ca ben otras formas de vida? ¿Hay vida en alguna otro lugar del universo?

autores de menos respetabilid ad, se trat a de una idea que no podemos ignorar a la hora de estudiar la dis­ tribu ción y evolución de la vida en el universo y cómo ésta aparec ió sobre la Tierra . En su formulación actual, la hipó­ tesis de la panespe rmia se centra en los medios empleados por el material biol ógico para alc anzar nuestro pla­ neta, no en el propio origen de la vida . Do nde quiera que empeza ra, la vida surgió de materia inerte. La abiogénesis pasó del domini o filosó­ fico a la experimentación científica dur ante los años cincuenta del siglo pasado, cuando Sta nley L. Miller y Harold C. Urey, de la Universidad de Chicago, demostrar on que los aminoáci dos y otras molécul as de importancia biológica se generaban a partir de compuestos simples que, se supo nía, exis tiero n en la Tierra primitiva. Ahora se cree que tambi én las moléculas de ácido ribonucl eic o (ARN), cruciales para el desarrollo de la vida, se ensa mblaron a parti r de componentes más elementales . En las células actuales, moléculas especializadas de ARN participan en la síntes is de las proteínas. Algunos ácidos ribonucl eicos actúan de men­ saje ros entre los genes (hechos de ácido desoxirribonucleico, o ADN) y los rib osom as (las fá bricas de proteínas de la célula) . Otro s ARN transportan aminoác idos (los consti­ tuyentes de las proteínas) a los rib o­ somas, que a su vez contienen otra clase de ARN . Los ARN trabajan a la par con enzimas que cataliza n la unión de los aminoácidos, pero los ARN ribosó micos realizan la etapa cruc ial de la síntesis proteica por sí mi smos. Durante las primeras fases de la evolución de la vida, las en­ zimas pudi eron haber sido ARN, no proteínas. Puesto que estas enzimas de ARN habrían fabricado las prim e­ ras proteínas sin la existencia previa de enzimas proteínicas, la abiogéne­ sis escapa del viejo probl ema sobre la prioridad del huevo o la gallina, al que se le había atado con ante­ ri orid ad. Un sis tema prebiótico de ARN y proteínas habría desarrollado, andando el tiemp o, la capacidad de repl icar sus constituyentes mol ecu­ lares, de una forma basta en un co-

De la filoso fía al laborato rio A los prim eros filósofos, la crea ción de vida a partir de materia inerte les parecía algo tan mágico, exclusivo de las deidades, que algunos optaron por suponer que las formas vivas llega­ ron a la Tierra procedentes de otro lugar. Anaxágoras, filósofo griego de hace 2500 años, formuló la hipóte­ sis de la "panespermia" ("se millas por doqu ier"). De acuer do co n la misma , la vida, todas las cosas en realidad , surgieron de la combinación de semillas sutiles y dispersas por el cosmos . En la era moderna, Lord Kelvin, Svante Arrhenius y Francis

• Según la hipótesis de la panespermia, las células o sus precursores habrían aparecido en otro planeta o satélite hace miles de millones de años y viajado a la Tierra transportados por un meteorito. • Una pequeña fracción de las rocas expulsadas de Marte por impactos de asteroides o cometas habrían llegado a la Tierra en unos pocos años . • Para evaluar la viabilidad de la panespermia. los expertos estud iarán si los microorganismos sobreviven a un viaje interplanetario.

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mien zo, para ir adquiriendo eficacia cre ciente. Esta nueva co ncepción del orige n de la vida ha obliga do a replantear­ se el debate cient ífico so bre la pa­ nespermi a. Ya no se discut e si los prim eros microorgani smos surgiero n en la Tier ra o llegaron del espacio. Durante los comi enzos caó ticos del sistema solar, nuestro planeta est uvo sometido a un intenso bombard eo de meteoritos que contenían compuestos orgá nicos simples . La Tierra joven pudo haber recibido también mol é­ culas de mayor co mplej idad con fun­ ciones enzi máticas; molécul as que, si bien prebi óticas, form ab an parte de un sistema que podía co nducir a la vida . Tras aterri zar en un medi o adecu ado, éstas habrían co ntinuado

evo lucionando hasta for mar células vivas . Cabe, pues, un esce nario inter­ medi o en el que la vida hundi era sus raíces en la Tie rra y en el espac io. Pe ro, ¿cuáles fueron las etapas que co nduje ron al desarrollo de la vida y dónde se dieron ? Y, una vez la vida arra igó, ¿has ta dónd e se extendió? Los investi gador es ac os tumbra­ ban centrarse en la plausibilidad de la ide a de panespermia. Ha n dado un paso al frente, par a ca lcular la prob abilidad de que los materi ales bi ológicos reali zaran el viaje a la Tie rra desde otros planetas y satéli­ tes. Para inicia r el viaje interpl an eta­ rio, los materiales (ro cas y partículas de polvo) habrían sido expulsados de su planeta de orige n tras el impacto de un co me ta o un asteroide. Du­

rante el viaje es pac ia l, el campo gravi tatorio de otr o plan eta o de un satélite los habría capturado. Lueg o, habrían decelerado hasta cae r hacia la superficie cruza ndo la atmós fera, si la hubiera. Transferenci as de ese tip o ocurre n con frecu enci a por todo el sistema solar, aunque para el mat erial expul­ sado resulta más fácil viajar desde los cue rpos más alej ados del Sol haci a lo s más cercanos y terminar en un obj eto de ma yor masa . De hecho, las simulac iones reali zadas por Brett Gladman, de la Universidad de Co lumbia Brit áni ca, sugie ren que la masa transportada de la Tierra a Marte es mu y inferior a la tran sferida de M arte a la Tierra. El escenario panespérmi co más estudiado se basa,

El EXPRESO INTERPLANETARIO

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El ARCA DE NOE COSMICA

pu es , en el tran sporte de mi croorga­ ni sm os, o sus precursores, de Marte a la Tierra. Las simulacio nes de impact os de astero ides y come tas en Ma rte ind ican qu e los mat eri ales sa len lanzados en múltiples direcci on es. Para Gl adman y sus co labo rado res , cada pocos mi­ llon es de años Marte sufre un imp act o de vio lencia suficie nte para eye cta r roc a s qu e, co n el tiempo, alca nza rían la T ierra . El viaje int erpl an et ario sue ­ le ser bastant e largo : gran pa rte de la casi ton el ad a de rocas marci anas qu e aterrizan en la T ierra anualme nte ha pasad o var ios millon es de años en el espacio. Só lo un a diminuta frac ­ ció n (una de ca da 10 mill on es) habrá permanecido menos de un año en el es pac io . A los tres años del impac­ to, han co mpletado el viaje Marte­ Tierra un as 10 rocas de l tam año de

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un puñ o co n un peso supe rior a los 100 gra mos. Guijarros y part ícul as de pol vo tiende n a real izar viajes int er­ planetari os con mayor rapidez; co n roca s, sin embargo, esos recorridos menudean menos. ¿Sobreviviría n las entida des bio­ lógicas a es tos viajes? A na lice mos primero si los mic roorganism os re ­ sistiría n la eye cci ón desde el cue rpo ce les te pro genitor del met eor ito. En el lab or atorio se ha observa do, a tra­ vés de ensayos de cho que, que ciertas ca de nas de bact erias so breviven a las acel er aci on es y sac udidas (ca mbios de ace lerac ió n) qu e sufrirían en un a típica eye cció n de altas pr esion es en Marte . Resulta de vital im po rta nc ia , no obs ta nte, qu e durant e el impact o y la ex puls ió n los met eori tos no se ca lie nte n ha sta el punto de destruir el material bi ológico qu e portan.

En un principio se creyó qu e cua l­ quier material ex pulsado co n una ve­ loc id ad supe rio r a la ve loc ida d de escape de Marte terminaría, si no con­ vertido en vapo r, fundido del tod o. A raíz del posteri or descubrimiento de meteoritos totalmente intacto s (sin fun dir) pr oced entes de la Luna y de Marte, se desechó esa idea. H . Ja y Melos h, de la U niversida d de Ari­ zo na , ca lc uló qu e un pequeñ o por­ ce ntaje de las roc as eyectadas se rían ex pulsa das de Marte sin sufr ir nin gún cale nta mie nto . Según Melos h, cuan­ do la onda de pr esión qu e, debida al impacto , se propaga del inte rio r al ex ter ior alca nza la supe rficie del pl anet a, lo hace co n una di feren ci a de fase de 180 gra dos , lo qu e can­ cela la presión e n un a fina cap a de rocas just o por deb ajo de la supe rfi­ c ie . Da do qu e es ta capa ape nas sufre

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compresion, mientra s que las capas interiores se hallan sometidas a una enorme presión, las rocas cerca nas a la super ficie se expulsa n a gran­ des velocidades y sin sufrir apenas deform ación . ¿Qué decir de la capac idad de los microor ganismos de sobrevivir a la entrada en la atmósfera terrestre? Ed­ ward Anders, adscrito por entonces al Institut o Enrico Fermi de la Univer­ sidad de Chicago, demostró que las partículas interplan etarias se frenan en la atmósfera alta de la Tierr a, evitando así el calenta miento . Los meteoritos, en cambi o, sufren una fricci ón fort ísim a: su superfic ie se funde cuando atraviesan la atmósfera. Pero el pul so térmico tiene tiempo de penetrar unos milím etros meteorito adentro, de forma que los organismos encerrados en la profundidad de la roca sobrev ivirían. En el curso de los últimos cin­ co años, uno de los autores (Weiss) ha venido analizando con sus cola­ bor adores dos tipos de meteori tos marcianos: los nakhlit es, un conjunto de rocas expulsadas de Marte por un impa cto cometario o de asteroide hace unos 11 mill ones de años, y ALH84001, que abandonó el planeta rojo cuatro millon es de años antes. (ALH8400 1 se hizo famoso en 1996, cuando un grupo de científicos lide­ rados por David McKay, del Centro Espac ial John son de la NASA, anun­ ció el hallazgo de trazas de microor­ ganismos fósiles que record aban a las bacterias terrestres. Un decenio después continúa el debate sobre si este meteorit o contiene o no huellas de vida marcian a.) A parti r del estudio de las pro­ piedad es magnéticas de los meteo­ ritos y la compos ición de los gases atrapados dentro de éstos, el equipo de Weiss halló que ALH8400 1, y al menos dos de los siete nakhli tes des­ cubiertos hasta la fecha, apenas se habían calentado unos pocos cientos de grados Celsius desde que forma­ ron parte de la superficie marciana. Es más, el hecho de que los nakhl ites sean rocas cas i prístin as, inaltera­ das por los efectos de las ondas de choque de altas presiones, significa que el impa cto en Marte no elevó su temp eratura por encima de los 100 grados centígrados. No todos, pero sí buena parte de los procariota s terr estr es (organis-

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mas unicelulares simples como las bacteria s, cuyo núcleo carece de membrana) y los euca riotas (orga­ nismos con núcleos bien definid os) sobrevivirían dentro de ese intervalo de temp eratur as. Este result ado ofre­ ció la primera pru eba experime ntal de que los materi ales viajarían de planeta a planeta sin experime ntar esterilizac ión térmic a en ningún mo­ ment o, desde la eye cció n hasta el aterrizaje.

El problema de la radiación Con todo, para que la panespermi a resulte viable los micr oorganism os deb en so brevivir no sólo a la ex­ pulsión del planeta de origen y la entrada en la atmósfe ra del cuerpo de llegada, sino superar también el viaje interplanetario. Los meteoroides y las partículas de polvo estarían expuestos al espacio vacío , a temperaturas ex­ trem as y a varios tipos de radiación. La de mayor pel igro para la vida por ellos portad a sería la luz solar ultravioleta (UY) de alta energía, que romp e los enlaces que unen los áto­ mos de carbono de las molécula s or­ gánicas . Pero no resulta complica do protegerse de esa radi ación: bastan unas micr as de material opaco para resg uardar a las bacteria s. Un proyec to europeo realizado en las instalaciones que la NASA utili za par a el estudio de exposiciones de larga duración ("Lo ng Duration Ex­ posure Facility", o LDEF, un satélite desplegado por la lanzadera espac ial en 1984 y rescatado de su órbita seis años después) demostró que con una fina capa de aluminio se podía prote­ ger de la radiación UY a esporas de la bacteria Bacillu s subtilis. De las esporas protegidas por el aluminio, aunque expuestas al vacío y a las temperaturas extremas del espacio, un 80 por ciento sobrevivió (se reanima­ ron como células bacterianas activas al final de la misión). En cuanto a las esporas que no estaban protegidas por el aluminio y, por tanto, quedaban a merced de la radiación UY directa del Sol, la mayoría se destruyeron. No todas, sin embargo: una de cad a diez mil perman eció viable (la pre­ sencia de sustancias como la glucosa y las sales aumentaron la tasa de su­ perv ivencia). Incluso en cuerpos de las dimensiones de una partícula de polvo, la radiación solar ultraviole­ ta no tend ría por qué este rilizar a

una colo nia microbi ana entera . En el interior de un cuerpo de mayor tamaño (un guija rro, por eje mplo), la protección frente a la radiación ultravioleta sería todavía mayor. Es te estudio de las radi aci ones se llevó a cabo en una órbita baja terrestre, dentro de la prot ección del campo magnético de nuestro planeta. Por tant o, los result ados nada dicen sobre los efec tos de las partículas interpl anetarias dotadas de carga que no atrav iesa n la magnetosfera de la Tierra. De vez en cuando, en el Sol se registran esta llidos que produc en iones y electrones de alta energía; adem ás, las partícul as dotadas de carga co nstituyen una de las com­ ponentes principal es de la radi ación cós mica ga lác tica que bomb ard ea sin cesar el sistema solar. Prote­ ger a los organismos de radi acio ­ nes tan energéticas como los rayos gamma entraña mayor complejidad que apantallarlos ante la radiación ultr avioleta. Una capa de roca de sólo unos micrometro s de espeso r bloquea la radiación ultr avioleta. Sin embargo, a mayor esc udo, mayor es la dosis de otros tipos de radiación, por una razón clara: la interacción entre partícul as dotadas de carga y fotones de alta energía, por un lado, y materi al rocoso del esc udo, por otro, produ ce una auténtica lluvi a de radi ación sec undaria en el interior del meteor ito. Esa llu via alcanzaría a cualquier micro organi smo del inter ior de la roca, salvo que ésta midi era dos o más metros de diámetro. Ahora bien , según hem os avanzado, ese tipo de rocas no suelen empre nder viajes interpl anetarios rápidos . En conse­ cuencia, ade más de la prot ección ultraviolet a, importa sobremanera la resistencia del microorgani smo a to­ dos los componentes de la radiación espacial y la celeridad con la que el meteorito portador se despla za de planeta a planeta. Cuanto más corto sea el viaje, menor será la dosis de radiación y, por tanto, mayor el ín­ dice de supervivencia. En términos de resisten ci a a la radiación, B. subtilis es bastante ro­ busta. De inococc us radiodurans, una bacteria que Arthur W. Anderson des­ cubrió en los años cincuenta del siglo pasado, lo es todavía más: sobrevive a las dosis de radiación que se aplican para esterilizar los product os alimen­

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tICIOS y prospera incluso en el inte­ rior de los reactores nucleares. Los mism os mecani smos ce lulares que reparan el ADN de D. radiodurans fabrican paredes celulares extragrue­ sas, que protegen a la célula de la radiación, a la vez que mitigan los efectos de la deshidratación. En teo­ ría, si los organismos con estas pro­ piedades se hallaran incluidos en un material catapultado desde Marte de la forma en la que los nakhlites y ALH84001 lo fueron (es decir, sin sufrir un calentamiento excesivo), una fracción de los mismos permanece­ ría viable tras viajar por el espacio interpl anetario durante varios años, quizá decenios. Pero no se ha investigado el pe­ ríodo de supervivencia de organismos activos, esporas o molécul as orgáni­ cas complejas más allá de la mag­ netosfera terrestre. Los experimentos, que se basarían en intr odu cir los materiales biológicos en simuladores meteoríticos sometidos al entorno del espacio interplanetario, se realizarían en la superficie de la Luna.

De hecho, se llevaron muestr as biológicas a bordo de las misiones Apollo en el marco de un estudio prelimin ar europeo sobre efectos de las radiaciones. Sin embargo, la mi­ sión más longeva no duró más de 12 días; las muestras permanecieron en todo momento dentro de la nave, sin quedar expuestas a la radiación espacial. En el futuro, los simula­ dores meteoríticos se instalarían en la superficie lunar o se lanzarían en trayectori as interplanetarias dur an­ te varios años, antes de traerlos de vuelta a la Tierra para analizarlos en el laboratorio. (Hablamos de posibi­ lidades hoy en estudio.) Sí se ha acometido el proyecto MARIE ("Martian Radiation Envi­ ronment Experiment"), un estudio a largo pla zo de las co ndicio nes de radiación en Marte. Lanza do por la NASA en 2001 a bordo de la nave Mars Odyssey, el dispositivo MARIE mide la dosis de rayos cós micos ga­ lácticos y de partículas energéticas solares, conforme el satélite orbita alrededor del planeta rojo. Aunque

El LDEF ("Long Duration Exposure Facility"), ingenio que la NASA utiliza para el estudio de exposiciones de larga duración, puso en órbita esporas de la bacteria Bacillus subtilis (inserto) durante seis años. Se comprobó que una fina capa de aluminio era suficiente para protegerlas de la radiación ultravioleta dañina, permitiendo que el 80 por ciento de las mismas sobreviviera.

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MARIE no transporta material bio­ lógico, sus senso res operan en el rango de radiación más dañino para el ADN .

Futuras investigaciones En teoría, la panespermi a res ulta viable. Algunos de los aspectos más importantes de la hipótesis han pa­ sado de la validez teórica a la co n­ firmac ión exper ime ntal. El est udio de los meteoritos muestra que se ha tra nsferido material de un planeta a otro en el transcurso de la his­ toria del sistema solar y que es te proceso se sigue produciendo a un ritmo conocido. Es más, los análisis demuestran que una fracció n consi­ derable de microorganismos en el interio r de la materi a eyec tada de planetas como Marte sobreviviría a la expulsió n hacia el espacio y a la entrada en la atmósfera terrestre. Otros aspectos de la hipótesis pa­ nespérmica, en cambio, son de difícil compro bación. Para determinar si los organismos resistentes a la radiac ión (B. subt ilis y D. radiodurans) sobre­ vivirían a un viaje interplanetario, se requieren más datos. Y aunque ello se demostrara, tampoco probaría que así hubiera sucedido en el caso de la biosfera de la Tier ra, puesto que los experimentos se realizan con formas de vida terrestre actuales. Los orga­ nismos de hace miles de millones de años podrían haber sobrevivido co n mayor éxito, o menor. Además, es imposib le cuantificar la probabilidad de que la vida exista o haya existido alguna vez en plane­ tas distintos de la Tierra . Los conoci­ mientos sobre el origen de cualquier for ma de vida (incluida la terrestre), todavía demasiado escasos, no per­ mi ten extraer co nclusio nes sólidas acerca de la prob abilidad de que la abiogé nesis haya sucedido en otro mund o. Dadas las condicio nes y los ingredie ntes adec uados, si la vida podría emerger en cientos de millo­ nes de años o en cinco minutos lo ignoramos . Lo único que sabe mos con certeza es que hace 2700 mi­ llones de años, si no varios cientos de millones de años antes, la vida pros peró en la Tierra. Por ahora ni podemos cuan tific ar tod as las etapas de la panes permia, ni esti mar cuá nto mate ria l bio lóg i­ co o cuántas células vivas llegaron a la superficie de la Tierra en un INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

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período determinado. Ni siquiera la tran sferenci a de organismos viables garantiza el éxito de la germinación en el planeta que los rec ibe, sobre todo si ya hay vida anterior. Caben vari as situacio nes imagi ­ nables. Los microorgani smos de Marte llegaron a la Tierra después de que la vida surgiera de form a independiente en nuestro planeta y no lograron reemplazar las especies locales ni coexistir con ellas . La vida marciana encontró en la Tierra un nicho apropiado, que no se ha identificado todavía; de hecho, del total de especies bacteriológicas que habitan nuestro planeta apenas se ha catalogado un pequeño porcentaje; incluso pudiera ser que pervivieran, sin identificar, grupos de organismos carentes de relación genética con la vida terrestre conocida. Mientr as no se descubra vida en otro planeta o satélite, seguiremos ignorando si hub o panespermi a y en qué grado . En el supues to de que las futur as misiones espaciales hall aran vida en el plan eta rojo y llegaran a la conclusión de que la bioquímica marciana difi ere de la terrestre , quedaría demostr ado que la vida terr estre no proced e de Mar­ te. Pero si las bioquímica s fuera n similares, cabría preguntarse sobre la posibilidad de una fuente común para ambas biosferas. Para abordar esta cuestión, y suponiendo que las forma s de vida marcian as utili zaban el ADN para almac enar la inform a­ ción genética, deberían es tudiarse las secuencias de nucleótid os. Si las secuencias de ADN marci anas no siguieran el código genético que las células vivas terrestres util izan para la síntesis de proteínas, la hipótesis panespérmica entre Marte y la Tierra perdería fuerza . No se agotan ahí las situaciones plausibles. Quizá la vida de Marte utilizara el ARN o una estruct ura pa­ recida para su replic ación. De hecho, podría ser que algunos organismos de la Tierra, aún por descubri r, se ajustaran a esa catego ría, en cuyo caso tales criaturas terrestres exó­ ticas se hallarían emparentadas con las formas de vida marcianas. A modo de resum en: la vida terrestre pudo originarse en el pro­ pio planeta, resultar de una semilla biológica procedente del espacio o surgir de una combinación de ambos INVESTIGACiÓNy CIENCIA, enero, 2006

MONITORIZACION DEL ENTOR

procesos. Cualquiera de esas situa­ cion es fue posible. La confirmación de una panespermi a entre Marte y la Tierra sugeriría que la vida, una vez iniciada, se esparciría con presteza por todo un sistema estelar. Si, por el contrario, se hallaran organismos marcianos surgidos con independencia de la vida terrestre , ello indi caría qu e la abi ogén esis

oc urre con facilida d por todo el cosmos. Es más, podrían compararse organismos terrestres con formas de vida alieníge na para elaborar una defini ción más general de la vida. Por fin, comenzaríamos a entender las leyes de la biología igual que comprendemos las de la física y la química: como propi ed ades funda­ ment ales de la natural eza.

Losautores David Warmflash y Benjamin Weiss han seguido caminos distintos, aunque complementarios, en el estudio del origen extraterrestre de la vida. Astrobiólogo de la Universidad de Houston y del Centro Espacial Johnson de la NASA, Warmflash participa en el desarrollo de métodos de análisis moleculares que faciliten la búsqueda de microorganismos en Marte y en Europa, un satélite de Júpiter. Weiss es profesor de ciencias planetarias en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Ha estudiado varios meteoritos marcianos.

Bibliografía complementaria WORLOS IN THE MAKI NG: THE EVOLUTION OF THE UNIVERSE. Svante Arrhenius. Harper; 1908. THE STRUCTURAL BASIS OF RIBOSOME ACTlVITY IN PEPTlOE BONO SYNTHESIS. P. Nissen, J. Hansen, N. Ban, P. B. Moore, y T. A. Steitz en Science, vol. 289, págs. 878·879; 11 de agosto 2000. RIS KS THREATENING VIABLE TRANSFER OF MICROBES BETWEEN BOOlES IN OUR SOLAR SYSTEM. C. Mileikowsky, F. A. Cucinotta, J. W. Wilson, B. Gladman, G. Horneck, L. Lindegren, H. J. Melosh, H. Rickman, M. Valtonen y J. Q. Zheng en Planetary and Space Science, vol. 48, tomo 11, págs. 1107·1115; septiembre 2000. MARTIANSURFACEPALEOTEMPERATURES FROM THERMOCHRONOLOGY OF METEORITES. D. lo Shuster y B. P. Weiss en Science, vol. 309, págs. 594·600; 22 de julio 2005. QRIGI NS OF THE GENETlC COOE: THE ESCAPEO TRIPLET TH EORY. M. Yarus, J. G. Caporaso y R. Knight en Annual Review of Biochemistry, vol. 74, págs. 179·198; julio 2005.

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IENCIA y SOCIEDAD

Cuarzo en los suelos Huella de los procesos medioambientales erca de las costas de Almería, ¿existió no hace mucho una playa a 1500 m de altitud, o tal vez había un desiert o? ¿Tienen algún grado de semejanza la alta mont aña mediterránea y las zonas tropicales? Estas preguntas se pueden responder estudiando el cuarzo de los suelos. El cu arzo (Si 0 2 ) es un mi neral imp ortante para la civ ilizac ión. Una de sus propiedades, la piezoe lectri­ cidad, ha dado orige n a numerosas innovaciones técni cas. Aporta a la cienc ia una informa ci ón substancio­ sa, que facilita la clas ificación de las rocas y el conocimien to del medio natural. Algunas de sus variedades se emplean en joyería como piedr as semiprec iosas . Inhal ado como polvo puede producir silicos is. Los procesos que actúan en los medios supe rficia les de la cor tez a terrestre esculpen los granos de cuar­ zo en ella presentes ; la corteza está constituida en un 12 % por ese mi­ neral. Adquieren así los granos forma y rasgos de super ficie caracterís ticos . Con frec uencia, su tam año final es el de las arenas (50 a 2000 micras, mi­ lésim as de milímetro). Por eje mplo, en una playa, el continuo movimiento del agua desgasta los gra nos porque provoca su mutua fricc ión y se gene ­ ran así formas con aristas suavizadas, super ficies pulidas y brillantes y mar­ cas mecánicas (véase la fig ura l a). En un desierto cálido, las par tículas de cuarzo se modelan por la abras ión que se produ ce al gol pear unos gra­ nos contra otros cua ndo los arrastra el vie nto, y también por alterac ión química; muestran forma redondeada y superficie rugosa (véase la fig u­

C

ra l b ). Por su dureza (7 en la esca­ la de Mohs) , tenacidad y resistencia a la alterac ión química, el cuarzo mantiene los rasgos de modelado mu­ cho más tiempo que otros minerales, permiti endo, inclu so, que un cambio en las condiciones del medio super­

ponga nuevas huell as a las anteriores . Imag inemos que, tal como ha ocurr i­ do dura nte las glaciaciones, se retira la línea de cos tas y la playa queda seca e inactiva. Des de ese moment o, los granos quedarían sometidos a otro rég imen de modelado. En suma, las par tícul as de cuarzo llevan impresa una valiosa inform ación , a modo de huell as dactil ares, que permit e iden ­ tificar y reconstruir su historia.

1. Ejemplos de modelado del cuarzo

ltomados con un microscopio electrónico de barrido): al grano de arena procedente de una playa de la península del Yucatán, las f lechas indican marcas mecánicas; b) grano de arena procedente del desierto del Sahara (Túnez) .

32

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

2. Arenas de cuarzo de los suelos de la sierra de Gádor (Almería) (microscopio electrónico de barrido): a) grano heredado (Oz) con fracturas concoides; b) grano eólico, "aerolito". c) Grano eólico con modelado de playa. Marcas mecánicas: b, orificios de impactos; Sp, líneas paralelas y escalones. Reproducida con permiso de

Blackwell Publishing Ud. Para estos estudios result a impr es­ cindible el micr oscopio electrónico de barrid o, acoplado a un sistema de microanálisis de rayos X que garan­ tice que la composición química de los granos observados es Si0 2 . Tam­ bién se obtiene información mediante las imágenes de electrones retrodis­ persado s, los estudios isot ópicos, la catodoluminisce ncia, etcé tera. Nuestro grupo investiga en el sur de España el origen de las arenas de cuarzo en suelos formados sobre ro­ cas sedimentarias y metamórficas. No existen muchos trabaj os al respecto , posiblemente porqu e se co nsidera ba que el cuarzo de los suelos medi­ terráneos era poco informativo. Sin

INVESTIGACiÓN y CI ENCIA, enero, 2006

3. Arenas de cuarzo de suelos del Parque Nacional de Sierra Nevada; a) grano con campo de figuras de disolución orientadas (oep), en una microfotografía tomada con microscopio electrónico de barrido; b) sección de un grano de cuarzo mostrando golfos de corrosión (cgl, orificios triangulares, etc.; (imagen de electrones retrodispersados).

Reproducida con permiso de Elsevier. e mbargo, hem os demo strado con nuevos datos que debe revisarse este supuesto. Gracias a la inform ación conten ida en los granos de cuarzo presentes en los suelos rojos de la sierra de Gádor, cercana a las costas meridionales de Almería, hemos establecido diversos orígenes. Encontramos granos de cuar­ zo de forma s irreg ulares, aristas vivas y fracturas concoides típicas de este mineral (véase la .figura 2a), en la roca y en el suelo. Proceden de la altera­ ción-disolución de las rocas que dan origen al suelo (calizas y dolomía s); son por tanto granos heredados in situ. También tenemos en el suelo, y no en las rocas, granos de forma aerodin á­ mica , con superficie desgastada, ca­ racterísticos de los medios desérticos (véase la .figura 2b) . Han alcanzado el suelo por vía eólica desde las zo­ nas áridas almerienses, desde el norte de Africa o desde ambos . Téngase en cuenta que Africa dista sólo unos

200 km de la sierra de Gádor (re­ cuérdense las frec uentes tormentas cargadas con polvo atmosférico pro­ cedentes de Africa que arriban a la península Ibérica). Hemos registrado, además, la presenci a de granos de cuarzo con superficies pulidas, típi­ cas del modelado costero (véase la .figura 2c) . También el viento se los aporta a los suelos; el área de proce­ dencia de los granos son las playas medit err áneas almerienses , situadas a unos 25 km de la zona estudiada. Respondemos así una de las preguntas planteadas al principi o: es el viento el responsable de la presencia de partícu­ las minerales modelada s en playas o desiertos en nuestros suelos de monta­ ña, sin necesidad de que esos medios hayan existido sobre las cumbres de la sierra de Gádor. Lo s pro cesos ambie ntales so n muchos y complejos. Co noce rlos es esencial para la gestión y la conserva­ ción del entorno. Se ha considerado

33

que el medio de superfic ie de Sierra Nevada exhibe escasa alteración quí­ mica de las roca s y los suelos; pre­ domin arían allí los procesos físicos de fragmentación y de movimiento de material es por el agua, el viento y la gravedad. Veamos lo que "dice" el cuarzo. En suelos situados entre 1500 y 2000 m de altitud, los cuarzos (véanse las figuras 3a y 3b) muestran rasgos de intensa alteración quími­ ca actu al: huellas de disolución de formas piramid ales, go lfos de corro­ sión, pérdid a de masa intergranul ar, redondea miento de bordes, etc. Otro indicio de alterac ión es la presen­ cia en su composición química de proporciones notables de elementos distintos del silicio o del oxígeno, cuyo co ntenido se incrementa des­ de el centro de los granos hacia la periferia (el cuarzo inalterado es un mineral muy puro, formado casi ex­ clusivamente por silicio y oxíge no, sólo superado en pureza por el dia­ mante, el grafito y e l hielo). Estos hechos, nunca descrit os, acercan los suelos de Sierra Nevada a los tropica­

les, en los que el cuarzo se disuelve activamente y se altera. Queda, pues, en entredicho el axioma de que el cuarzo es en el medio mediterráneo un mineral inerte. En la actualidad seguimos avan­ za ndo en el co noc imie nto de las morfologías de los granos de cuarzo presentes en los suelos mediterráneos y de su significado. Detectamos, al meno s, trece morfotip os diferentes de granos, co n fórmulas distintas de las del cuarzo quími camente puro e inalterado. Nos encontramos, pues, abriendo un libro en cuyas páginas están las respuestas a mucho s de los enigmas que plantean los suelos y el medi o ambie nte. R AFAEL D ELGADO CALVO- FLO RES, GABRIEL D ELGADO CALVO-FLORES Y R OCÍO MÁRQUEZ CRESPO

Depto. de Edafología y Química Agrícola, Universidad de Granada J UAN MANUEL MARTÍN GARCÍA

Depto. de Geología , Universidad de Jaén

El golfo Dulce de Costa Rica

Sumidero de nitrógeno oceánico n 1519, a los pocos días de zar­ par con rumb o noroeste de la E recién descubi erta costa pacífica del continente americano, los navegan­ tes españoles Juan de Castañeda y Hernán Ponce de León se intern aron en una gra n ense nada, hoy conocida como golfo Dulc e, en el litoral sur del océa no Pacífico de Costa Rica. Pese a haber transcurrido casi cinco siglos desde entonces , buena parte de ese es tuario conserva aún la misma apariencia. Una imp ortante sección de la penín sul a de Osa ha sido de­ clarad a área protegid a: el Parque Nacional de Corcovado. El golfo Dulce se encuentra a una latitud norte de entre 8° 23' Y 8° 45' , y a una longitud oeste de entre 83° 5' Y83° 29'. Su estructura geomorfoló­ gica guarda semej anza con la de los fiordos de las latitud es septentriona­ les: paredes de gran pendiente surgen del mar y conforman una costa mon­ tañosa . Una barrera rocosa situada a 1. Fotografía de una sección del go lfo Dulce, Costa Rica.

34

60 metros de profundid ad restrin ge la entrada del agua del mar. En el interi or se alcanza n profundidad es de hasta 200 metro s. El golfo se extiende a lo largo de unos 50 kilómetro s en dirección sureste -noroeste; su anchura se man­ tiene entre los 10 Y 15 kilómetros. Las prim eras investigaciones sobre las caracterís ticas ocea nográficas de este cuerpo de agua, llevadas a cabo por expertos de la Universidad de Washington, datan de 197 l. En el período comprendido entre 1990 y 1992, Jorge Cortés, de la Universidad de Costa Rica, analizó la situación de los corales de la región. Entre 1993

Y 1994, en una expedición conjunta entre el Centro de Investigación en Ciencias del Mar y Limn ología de la Universidad de Cos ta Rica (CIMAR) y el Ce ntro de Eco logía Tropical Marina (ZMT) de la Universidad de Bremen, la investigación del golfo se amplió a varios aspectos biogeoqu í­ micos; se utilizó co mo plataforma el buque ocea nográfico Victor Hensen . La natur aleza estuarina del golfo Dulce se halla asoc iada a la intensi­ dad de las llu vias, al sistema de ríos que desagua en él, a las corrientes marin as y a las ondas de marea que pueden superar los 3 metros de al­ tura . Bajo la acción del viento, las olas y las corrientes, el agua dulc e se mezcla con el agua del mar ; de ello resulta una estratificación de la columna de agua: en la zona super­ ficial las temperatura s son más altas y las salinidades son más bajas que en las capas más profund as. Coincidente con la morfología sub­ marin a a la entrada del golfo, más allá de los 60 metro s de profundidad las aguas del Dulc e perm anecen es ­ tancadas por algún tiempo. Los se­ dim entos acarreados por los ríos y parte de la materia orgánica que el fitopl ancton produ ce en las aguas su­ perficiales precipitan lentamente ha­ cia el fondo; ello propicia el consum o y, a menudo, la eliminación del oxí­ geno disuelto en las aguas por debajo de los 100 metro s de profundidad. Se forma así una columna de agua anóxic a, de notabl es consec uencias para la química, la vida marina y las actividades antrópicas del golfo. En fec ha recient e, Tage Dalsgaa rd y su grupo del In sti tut o Nacional de Investigación Ambiental de Di­ namarca, la Unive rs idad del S ur de Dinamar ca y la Universidad de Cos ta Rica, estudiaron la posibilidad de que en esa región anóxica del golfo tuviera lugar una eliminación del nitrógen o oceánico alterna tiva a los habi tuales procesos de desni ­

83°30'W

08°40' N

:( ¡:!:,:-,~ O L FlTO

A tenor de estos descubrimientos en el golfo Dulce, y a partir de las con­ centraciones estimadas de las distin­ tas espec ies quími cas que intervienen en el ciclo del nitrógeno, se establece la hipótesis de que la reacción de anammox da cuenta del 30 al 50 por ciento de la produ cción de N 2 --es dec ir, de la eliminación de nitrógeno fijado-- en los océa nos . El nitrógeno con stit uye un nutri­ men to limitante para el crecimiento del fitoplancton y, por ende, funda­ mental en la iniciación de la cade­ na trófica marin a. El descubrimie nto de un nu evo sumidero del nitrógeno oce ánico ha arrojado luz sobre nues­ tra co mpr ensión de la regul ación de la productivi dad marina . JENARü ACUÑA GONZÁLEZ

Escue la de Química y Centro de Investigación en Ciencias

del Mar y Limnología San José, Costa Rica

08°30' N PENINSULA DE OSA

T AGE D AL SGA ARD

Departamento de Ecología Marin a, Instituto Nacional de Investigación Ambiental, Dinamarca 8 0 T HA M DRUP

Centro Dan és de Ciencia del Sistema Tierr a, Universidad del Sur de Dinamarca

FE DE ERRATAS

2. Localización del fiordo tropical golfo Dulce, en la costa pacífica de Costa Rica. El colo r azul representa el sitio más profundo de la fosa.

trificación --cues tión funda mental para la comprensión del ciclo bio­ geo químico global del nitrógeno- o Nos referim os a la oxidació n anae­ róbica del amonio med iante nitrito (reacción denomi nada "anammox"), que las bacterias llevan a ca bo para convertir parte del nit rógeno fij ado en nitrógeno gas (N 2) : NH4 + + N0 2-

~

N 2 + 2H 20

Mediante téc nica s de anális is con nitrógeno marcado en sales de nitr ato y amonio (l5N0 3- , 15NH4 +), confir­ maron las sospechas : en efecto , en las aguas anóxica s del golfo Dulce el nitr ógeno oceánico se elimina a través del pro ceso de anamm ox (se

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

trataba de la primera demostrac ión de que una tal reacción ocurría en ag uas oceá nicas anóxicas). Las aguas del go lfo Dulc e se carac­ teri zan por contener altas co ncentra­ ciones de nitrato y bajas concentracio ­ nes, o incluso ausencia, de sulfuro de hidrógeno. Esta composición es simi­ lar a la de las aguas subsuperficiales anóxicas de algunas de las regiones oce ánic as más pro ductivas: por ejem­ plo, la costa pacífica de Chile, Perú y Mé xico, y el mar de Arabia. De esta similitud entre la composición de las aguas se infiere que el proce so de anamm ox podría participar en la eliminación de nitrógeno también en esta s regiones.

Artículo : "Los quipus incas", por Lote

Mangin, publicado en diciembre de

2005, página 41

Donde dice:

"Un servicio de correo a caballo trans­

portaba los mensajes a través de una

red viaria . El sistema func ionaba de

forma similar al Pony express (la prime­

ra línea de correo ex prés estadouniden·

se, inaugurada en 1860, que operaba

en tre Missouri y California l: los jinetes

se relevaban de posta en posta hasta

el dest ino fina l."

Debe decir:

"Los mensajes eran transportados por

una red viaria recorrida por corredores,

un poco a la manera de los jinetes

del Pony express: los correos se iban

relevando de posta en posta hasta el

destino final."

Artículo: "Una Tierra primigenia fria", por

John W. Valley, publicado en diciembre de

2005, página 28

Hay que intercambiar los textos de los ejes

de la gráfica izquierda del recuadro.

35

Antoni Lombarte

Sentido y sensibilidad en el salmonete

E

1. Grupo de salmonetes de roca, Mullus surmuletus. Las barbas características de esta especie se sitúan debajo de la mandíbula inferior. Se pliegan con el desplazamiento del pez.

n el mundo marino no reina precisamente el

silencio. Las ondas sonoras se desplazan a

través del agua a una velocidad de mil quinien­ tos metros por segundo (4,5 veces mayor que en el aire). La celeridad de la transmisión sonora en el me­ dio acuoso permite la comunicación a larga distancia entre organismos marinos. La capacidad de emitir y detectar sonidos es bien conocida en los cetáceos. Pero los mamíferos marinos no son los únicos que utilizan las ondas sonoras para comunicarse bajo el agua. También los peces óseos han desarrollado sistemas de generación de sonidos, en general asociados a la vejiga natatoria (que opera­ ría como una caja de resonancia), y de detección. En su oído interno se encuentran los otolitos, tres pares de estructuras calcáreas rodeadas de un epitelio don­ de residen células sensoriales. Cuando un pez percibe un sonido, los otolitos se mueven de forma distinta que el resto del cuerpo. Este movimiento diferenciado produce una inclinación de los cilios de las células sensoriales que están en contacto con el otolito. Estas envían entonces una señal nerviosa al cerebro, que procesa el sonido. Los peces se sirven de las ondas sonoras para detectar presas, huir de los depredado­ res, defender un territorio o encontrar pareja, como hacen las corvinas. Lo mismo que las aves, que se distinguen por el canto, en este grupo de peces cada especie emite un sonido distinto. Pero no sólo en el sonido se basa la percepción sensorial del entorno. Los peces disponen de una am­ plia gama de sentidos: a los más conocidos por los humanos (oído, vista, olfato, tacto y gusto) se añaden la detección de campos eléctricos, de corrientes ma­ rinas y de campos electromagnéticos. Para cada sen­ tido cuentan con un receptor sensorial característico. Pensemos en las barbas del salmonete, estructuras completamente tachonadas de papilas gustativas (simi­ lares a las que cubren nuestra lengua) con las que detecta las presas. Dada la extrema riqueza sensorial del mundo submarino, las estructuras desarrolladas en el curso de la evolución presentan una gran variedad. El estudio de la forma y la función de los órganos sensoriales de un organismo puede arrojar luz sobre las características y la amplitud del entorno ecológico que percibe cada especie.

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2. Otolito sacular, o sagitta, del oído interno de un salmonete de roca observado a través de una lupa estereoscópica . Mide unos 4 milímetros de longitud. En él se observa una zona exca­ vada, el surco acústico, que se halla en contacto con las células sensoriales.

36

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

3. Microscopía electrónica de barrido de las células del epitelio sensorial del oído interno. La superficie está cubierta con haces de cilios, de 8 micras de longitud, que transmiten el movimiento que realiza un otolito al percibir un sonido.

4. Microscopía electrónica de barrido de una barba de salmonete de roca. La superficie está tachonada de papilas gustativas.

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5. Detalle de dos papilas gustativas según aparece en el microscopio electrónico de barrido. Cada una, de 3D micras de diámetro, encierra en su interior diversas células sensoriales sensibles a distintas sustancias [sales y aminoácidos).

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n poco más de medio siglo, el número de tran ­ sistores de un chip de silicio ha crecido desde

E

uno hasta cerca de mil millones, en cumplimiento

de la llam ada ley de Moore. Semejante logro ha elevado asombrosamente la capacidad de tra­ tamient o numérico , ejecución de operacion es lógicas y almace namiento de datos de las máquinas digitales, al tiempo que ha transform ado nuestros hábit os cotidianos y desarroll ado una de las mayores indu stria s mundi ales. A medid a que, a lo largo de los próximos quinc e años, se integren cada vez más transistores en los chips de silicio, las dimensiones mínim as del chip se co ntraerán casi hasta la esca la molecular. Inclu so los más optimi stas creen que se necesit arán grandes inno vacion es para que el tran sistor de silicio llegue a sus límit es operativos : unas longitud es características en torn o a los 10 na­ nómetro s (o sea, unos 30 átom os). Para continuar el progreso habr á que encontrar soluciones técnicas que permitan achi car más aún los dispo sitivos de compu­ tación. Pero el deslumbrante historial de los circuitos integrado s de silicio ha colocado tan alto el listón, que al meno s se tardará diez años en desarrollar técnicas que los sustituyan. Por todo el mundo se exploran alternativas interesa n­ tes. La novedo sa computación cuántica, por ejemplo, aprovecha las "misterios as" propi edades de la mecánica cuántica para el proc esamiento de la información. Habrá que esperar décadas, sin embargo, par a que se haga rea­ lidad, y ni siquiera está claro que sirva entonces par a la mayoría de las aplicac iones. Por ello numerosos grupos de investi gadores bu scan una alterna tiva que pudi era comercializarse a medi o plazo, en uno s diez años. Una técnic a económicamente viable habrí a de mantener una buena compatibilidad con la actual infraestructura de los microp rocesadores, incluidos los pro gram as informático s y las plantas de fabric ación. Nuestro equipo, radicado en los laboratorios Hewlett­ Packard (HP), ve en la arquitectura de barras cruzadas el camino de progreso más viable. El conmutador de barras cruzadas se compon e de dos conjuntos de nanohilo s con­ ductores paralelos (de anchura inferior a 100 átomos) que se cruzan entre sí. Entre ambos conjuntos se intercala un material que conduce más o conduce menos bajo la acción de estímulos eléctricos. En cada punto de intersección de los hilos se formar á así un conmutador capaz de retener su estado de "activado" o "desactivado" .

• Superar la técnica actual de los chips de silicio exigirá unos circuitos lógicos y de memoria reduci­ dos hasta unos pocos nanómetros. Grandes redes de nanohilos que se cruzan sirven de base a una de las técnicas que mejor puede garantizar el éxito de la computación a escala nanométrica. • Los nanohilos que se cruzan son tan pequeños , que los defectos atómicos y de fabricación resultan inevitables y graves. Pero la incorporación de redundancia en los circuitos y el uso de técnicas de codificación compensan las numerosas imper­ fecciones.

40

2. MEMORIA DE BARRAS CRUZADAS con sus conexiones de prueba.

El entrecruza miento de los nanohil os ofrece una serie de ventajas. Por su regul arid ad, la fabri cación result a bastante sencilla, sobre todo comp arada con las comple­ ja s estruc turas de los microprocesadores. Su estructura reticular permite dotar a los circuitos, sin gran dificultad, de tolerancia a los defectos. En su elaboración puede utilizarse una ampli a gama de sustancias y procesos; se tiene así una enorme flexibilidad a la hora de adaptar los diseño s existentes a material es nuevos. Por últim o, esta disposición geométrica proporci ona memoria, lógica e interconexión, con gran adaptabilidad.

Entrecruzado Ini ciamos la mar cha por esta senda de investigación en 1995, cua ndo uno de los autores, Will ia ms, se trasladó a HP desde el departament o de quími ca de la Univers i­ dad de California en Los Ange les (U .C .L.A.). Aunque no era un experto en co mputac ión, sí sabía algo de elec tró nica: primero, que el correc to funcio namiento de un ordenador exige uno s circuitos perfectos; y se­ gundo, que las flu ctuaciones errá ticas de los átomos (ca usa das por la entro pía) a temp er atur as iguales y supe riores a la del ambiente imp edirían construir una máquin a perfecta con miles de millones de componentes que sólo co nstase n de unos pocos áto mos . Inclu so las irr egularidades a esc ala atómica imp ondrían notabl es variac io nes de tam año a los nanodi spo siti vos, con la consec ue ncia de que se destruyesen sus propi edad es eléc tricas y dej aran de funcionar en proporci ones apre­ cia bles. La concl usión natur al de Williams fue que la nanoelectr ónica era impos ible. Valdría, pues, la pen a investigar otr as técni cas. Un año más tarde, el encuentro casual con un arquit ec­ to de or denadores de HP (Kuekes) cambió radica lmente este hori zont e e hizo a ambos tomar una rut a inespe­ rada. Kuekes habló a Williams de un supero rdenado r llamad o Teramac que él y otros (Snider entre ellos) habían construido. Tera mac funcionaba perfectamente aunque tuviera 220 .000 comp onentes defectuosos (al­ rededor de un 3 por ciento del total). El quid , seg ún Kuekes, estaba en diseñ ar los circuitos de interconexión co n una notable redundancia . Una vez locali zados y catalogados todos los fallos , los programas a ejecutar en el orde nador se co mpilaban de manera que evita­ sen las partes averiadas : se los desviab a a co nexiones supleme ntarias . INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

ESTADOS ACTIVADO YDESACTIVADO EN LOS PUNTOS DE CRUCE

El componente esencial de la arquitectu ra de barras cru­ zadas es un conmutador nanométrico que puede activarse o desactivarse por aplicación de un voltaje apropiado a los nanohilos que conecta. En la versión de los laboratorios de Hewletl-Packard (HP), el conmutador se forma en la unión de dos nanohilos que se entrecruzan separados por una sola capa monomo­ lecular. Inicialmente el conmutador presenta alta resistencia y bloquea el flujo de electrones entre sus dos nanohilos (estado desactivado, en rojo, abajo). Pero cuando se le aplica un voltaje positivo suficiente y con la polaridad ade­ cuada (nanohilos amarillo y naranja), el conmutador pasa bruscamente a tener una resistencia mucho más baja, que permite a los electrones circular con facilidad (estado activa-

do, en verde, abajo). El conmutador continúa en ese estado de baja resistenci a hasta que se aplique un voltaje negativo suficiente para que vuelva al estado original. Mientras el vol­ taje se mantenga entre esos umbrales positivo y negativo, el conmutador no cambiará el último estado que haya tomado. Los autores han examinado conmutadores que mantienen su estado desde hace ya tres años. Los conmutadores ca­ paces de bascular muchas veces en uno y otro sentido son reconfigurables y pueden utilizarse en memorias de acceso aleatorio o en circuitos lógicos reprogramables.

Conectado

~-----=--

Desconectado

'Illl.IIi'l:~\-----~~-- C o n e x i ó n

monomolecular LA RED DE BARRAS CRUZADAS de un dispositivo computador, que aquí se ve en una micrografía de fuerzas atómicas (arriba!, tiene 34 nano hilos (de 30 nm de ancho cada uno] que se cruzan con otros 34. El detalle (abaj o) muestra cómo se cruza un con ­ junto de nanohilos sobre el otro. La unión de los dos nanohilos es más pequeña que un virus corriente .

Williams compre ndió al instante que la tolerancia del Teramac a los defec tos ofrecía un modo de construir ordenadores de funcio namiento correcto aun con una gran cantidad de piezas nanométricas "averiadas". En aquel verano, Williams y el quími co James R. Heat h, visitante en la UeLA, se esforzaro n en aplicar a los ordenadores las téc nicas del ensam blaje de nanopartí­ cul as (la for mac ión de estructuras com plejas a partir de bloques co nstructivos diminutos). Tras un largo debate con Kuekes y Snider sob re la tolerancia a los defectos de los sistemas de computación ensamblados por medios químicos, Willia ms y Hea th redac taro n un artículo sobre el tema, como ejercicio pedagógico. Para sorpresa de todos los que habí an intervenid o, fue tomado en serio y se publ icó en Sc ience en 1998.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

Exigencia de resultados rápidos En aquel mismo año, Bruce E. Gnade y Willia m L. Warre n, po r entonces directores de progr am a en la Age ncia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA), reco nocieron que era ese ncial dis­ poner de una arquitectura eficaz para el desarroll o de las nuevas técnicas a esca la nanométrica que patrocin a­ ba la Age ncia. Renacía en esa época el interés por la elec trónica molecul ar, años desp ués de que, en 1974, la propu sieran Avi Aviram, de IBM, y Mark A. Rat ner, de la Universidad del Noroeste. Sin embargo , hasta los primeros años novent a no empezaron rea lmente Mark A. Reed, de la Univers idad de Yale, y James M. Tour, de la Universidad Rice, a medi r las propied ades eléctri­ cas y a sintet izar nuevas moléculas para la electrónica .

41

¿DE ARRIBA ABAJO ODE ABAJO ARRIBA? El campo de la fabricación a escala nanométrica muestra hoy una extrema actividad, con numerosas técnicas competi­ doras en estudio. Existen dos tipos de enfoques: la construc­ ción de arriba abajo y la de abajo arriba (fotografía inferior'). Los del primer tipo se asemejan a la fabricación de circuitos integrados, una fotolitografía seguida de grabación química o deposición de materiales para crear las características requeridas. Los del segundo tipo se basan en ampliaciones de procesos químicos o bioquímicos por los cuales los áto­ mos o las moléculas se autoensamblan en una configurac ión

,

deseada gracias a sus propiedades inherentes, previstas de antemano. La mayoría de los especialistas coinciden en que, para construir en el futuro circuitos nanométricos, será preciso combinar ambos enfoques. Nuestro grupo de HP utiliza litografía por impresión para crear las redes de cruces. Empleamos litografía por haz de electrones para construir moldes de los circuitos. Es un proceso lento y costoso, pero permite hacer duplicados del producto final que luego se utilizarán para estampar circuitos en grandes cantidades, de modo muy parecido a como se fabricaban los discos de vinilo. Se recubre un sustrato con una fina capa de un polímero o precursor de políme­ ro, sobre esa capa suave se prensa un molde, y el patrón impreso se endurece por exposición al calor o a los rayos ultravioleta. La ventaja de este enfoque es que, mediante litografía por haz electrónico, puede imprimirse en el molde cualquier configuración de hilos. Por desgracia, en este momento la resolución de los elementos de un conjunto de hilos paralelos no puede rebajar un semipaso de 30 nanó­ metros, si bien trabajamos en varias técnicas que permitan reducir ese límite.

LOS FALLOS Y DEFECTOS ATOMICOS de un nanohilo de siliciuro de erbio, crecido en una superficie de silicio mediante un método químico (de abajo hacía arriba), aparecen en esta imagen obtenida por microscopía de efecto túnel con barrido. Los bultos en la superficie del nanohilo, que mide unos tres nanómetros (o 10 átomos) de ancho, son átomos individuales. El abultamiento en un lado del nanohilo es un defecto de éste, que pasa de 10 átomos de ancho a solamente 9.

Gnade y Warren comprendieron que si los dispositivos electrónicos carece n de una arquitectura que los conecte a un circuito útil, no pasan de ser meras curiosidades intelectual es. El reto que plantearon a la comunidad investigado ra, definir una arquitectura útil, fue un acicate para numerosos grupos y promovió varios important es proyect os en colaboración. Nuestro grupo mixto de HP y U.C.L.A. aceptó inme­ diatam ente el desafío , pero nos tuvimos que enfrentar a un dilema. La arquitectura que proponíam os, inspirada en el Teramac, habría requerido un desarrollo de cinco años, pero DARPA precisaba resultados tangibles (una memori a de 16 bit) en sólo dos. Tras semanas de intensa reflexión, Heath , Kuekes y Williams concibieron una idea con la que se podría cumplir el plazo. Kuekes y Williams sabían que el proyecto de memoria magnéti ca de acceso aleatorio de HP se basaba en una sencilla es­ tructura entrecruzada, una estilización suprema de cómo estaba configurad o el Teramac. Heath señaló que una red de hilos entrecr uzados se asemejaba a una estructura cristalina, y que por tanto debiera poder construirse por medios químicos. Lo que hacía falta era resolver la conexión de cada par de hilos en los punt os de cruce median te un conmutador que se activase y desactivase a voluntad. Williams sugirió intercal ar un material electroquímicamente activo entre los dos nanohilos de tal modo que, aplicando entre éstos

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los voltajes apropiados, se produjera un cambio, sustancial y reversible, de la resistencia eléctrica de los contactos. Es decir, el conmutador se cerraría al contraerse elec­ troquími camente la brecha cuántica que los electrones han de saltar, por medi o del efecto túnel, para pasar de un electrodo a otro. El conmutador volvería a abrirs e aplic ando un voltaje de polarización opuesta, que ensan­ charía el túnel y elevaría la resistenci a eléctrica. Hea th proporcionó el materi al que necesitábamo s. Hizo conocer a quienes colaborábamos en el proyecto las moléculas que hab ía diseñado J. Frase r Stoddart, entonces rec ién llegado a la U.C. L.A ., para que se comportase n co mo conmutadores mecánicos activados electroq uímicamente. La idea era que cualquier cosa que alterase la conformac ión entre los hilo s afectaría también la ca pac idad de los electrones de ir por efecto túnel de un hilo a otro. Un paso ese ncial fue persuadir al atareado Stoddart de que modificase químic amente sus molécula s - que él bauti zó como " ro taxanos"- para hacerla s aceitosas . De ese modo, Heath pudo verter una got ita de rotaxanos sobre una superficie de agua , a fin de que se extendieran en una película de una molécul a de espesor. Esta película se transfirió luego a un sustra to (proceso llamado de Langmuir-Blodgett ) sobre el cual se había form ado el conj unto de hilo s inferio r. Seg uida mente, depo sitamos el conj unto de hilos superior por evaporación del metal a través de

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

una máscara, co n lo que se completó el circuito . Estas primeras experiencias dieron lugar a varias solici tudes de patentes en EE.UU., una propu esta a DARPA y otra publicación en Sc ience.

o

Hilos {

ordinarios --1.....'--7-+-~t--H.-=OR exclusivo

Un paso decisivo Pese al esce pticismo de parte de la comunidad investi­ gadora, DA RPA aceptó inclui r nuestro conmutador elec­ troquími co de barras cruza das, junto con otros varios, en un ensayo de dos años . Muy pronto, los grup os de Heath y Stoddart demostraron que las moléculas de rotaxanos intercaladas entre los electrodos podían bascular entre los estados de alta y de baja resistenci a. Desde entonces, va­ rios grupos - el nuestro, el de Charles Lieber en Harvard y los de Ree d y Tour- han ido viendo toda una gama de mecani smos de conmutación a esca la nanom étri ca. Aunque la diversidad de observaciones y de método s ha creado cierta confusi ón, y tod avía deben cribarse los distinto s fenómenos conmutadores, la conmutación eléctrica es hoy una realidad generalmente recon ocida . Por todo el mundo se trabaj a en el desarrollo de na­ noconmutadores eléctricos fiables basados en átomos o molécula s (véase el recuad ro "I nvestigaciones en cur so de las arquitectura s de barras cruza das") . Nuestros asociados de la U.C.L.A . fueron, en 2000 , los prim eros en presentar una memori a operativa de 16 bit de barras cruza das para el program a DAR PA. SU éxito animó a la Age ncia a financi ar un programa suceso r mucho más ambicioso: la fabricación de una memoria de 16 kilobit con una densidad de 100.000 millon es de bit por centímetro cuadrado. Este obje tivo pone el listón muy alto: no cabe esperar que la indu stria de semicon­ ductores cuente con los medio s de fabricación necesarios antes de 2018 . Nuestro grupo de HP sigue invent ando nuevos tipos de circuitos basados en hilo s entrecruza dos, sobre todo memoria s toleran tes a fallos y diferent es familias de circuitos lógicos. Tambié n han desarroll ado interesantes modi ficacion es de la arquitectura original André DeHon , del Instituto de Tecnología de California, en colaboración con el grupo de Lieber, y Konstantin K. Likharev, de la Universidad de Stony Broo k. Aunque la arquitectura de conmu tación por entrecruza dos arrancara en el puesto de cola en la competición de DARPA, es hoy aceptada, con las adaptaciones oportunas, por numero sos inves­ tigadores de todo el mundo , entre ellos los grupos de Masa kazu Aono, en el Inst ituto Nacional de Ciencia de los Materiales japonés, y de Rainer Waser, del Centro de Investigac ión Jülich en Alemania. Para co mprender el enfoq ue que proponemos, habr á que analizar la natural eza del conmutador y las estruc­ turas entrec ruza das, así como la fabric ación de estas con hilos nanométri cos (véase el recuad ro "¿ De arriba abajo o de abajo arriba?") y la posibilidad de construir circuit os fiables con com ponentes que no lo son.

De micro a nano y vuelta a micro Una idea inspira el entrec ruzado nanométrico: debemo s aprender a tolerar las imperfecciones inevitables y en­ contrar la forma de eludirlas. La estrateg ia "localizar y evitar" de Teramac dará resultado siempre que sea posible comunicar con los nanohil os. Pero aquí se plantea otra

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o k + d hilos ordinarios DEMULTIPLEXOR

Inversor

000 2k nano­ hilos

011

AND

3. EL DEMULTIPLEXOR permite que los hilos de chips de silicio ordinarios controlen un número de nano hilos mucho mayor. Un demultiplexor con k entradas habituales podrá controlar 2k nano­ hilos. Si se añaden d hilos a la entrada, la redundancia obtenida podrá mantener el control pese a los fallos de conexión entre unos y otros hilos. En el diagrama simplificado, k = 2 Y d = 1; dos hilos de dimensión micrométrica controlan cuatro nano hilos con un bit de redundancia. Se ilustra como ejemplo la introduc­ ción de la dirección O1 por los hilos ordinarios (rojol, a la que añade un bit de redundancia el circuito codificador y la convierte en la dirección 011. A continuación, esta dirección codificada activa el nano hilo designado 011 en el demultiplexor.

cuestión: ¿Có mo se salva la brecha que separa, tanto en el tamaño como en el número de hilos, la nanoelectrónica de los circuitos integrados de silicio ordinarios que han de controlar los puntos de cruce? Si las conexiones tuvieran que hacerse una a una, las barras cruzadas nanom étric as no ofrecerían ventajas sustanciales. Pero el probl ema lo solucionamos realizando las conexiones eléc tricas a tra­ vés de un demultiplexor, circuito secundario que acepta como entrada un número binario ( 10 1O, por eje mplo) y selecciona un solo nanohilo identificado inequívocamente por esa secuencia (véase la fig ura 3) . En nuestro caso, el demultiplexor es un tipo especial de entrecruzado en el que una gran cantidad de nanohil os se conecta a un reducido núm ero de hilos ordinarios. Para introduci r una dirección binaria se requi eren tanto s hilos como dígitos contengan las identificacio­ nes digitales, pero la cantidad de nanohilo s controlables es igual al número de dir ecciones excl usivas que ese número de dígito s pueda cod ificar. Por eje mplo, una secuencia de cuatro bits (0000, 0001, 0010 , etcétera) puede especificar 16 direcciones. Por tanto , cuatro hilos de dim ensión micrométrica cont rol arán 16 nanohilos. Esto es importante porque la construcción de circuitos nanom étrico s rentables exige controlar un gran número de ellos con poca electrónica corriente. En general, si en el demultiplexor entra n k hilos convencionales se

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podr án contro lar indi vidualmente 2 k nanohilo s, lo que supone una esca la exponencial muy favorable. Se tiene, sin embargo, un serio probl ema cuando se romp e una de las conexi ones entre un nanohilo del de­ multiplexor y un hilo ordinario . Ya no se podr á distin guir entr e los k nanohilos que comp arten ese bit erró neo en su direcc ión . (Por eje mplo, si el último bit de la secuencia falla, 0000 y 0001 parecerán idénti cos, así como 1110 y 1111 Y otras parejas.) De ahí que una mala con exión en el demultiplexor pro voque la pérdida de todo s los nanocircuitos que siguen a esos k nanoh ilos, fallo a toda s luces catastrófico. La consecuencia sería que los demultiplexores, en su mitad form ados por na­ nocircuitos, habrían de ser perfectos, y ello contraviene nuestro prin cipio rector: la tolerancia de fallos en la nanoelectrónica. Encontram os una solución a este dil ema en la teorí a de la codificación, aplicada cuando se quiere tran smitir información digit al a través de entornos afectados por el ruid o (como en las comunicaciones de los satélites en órbita) . En líneas generales, se empieza por dividir el men saje en bloqu es de datos binarios (sec uencias de ceros y unos). Seg uidamente, se añaden algunos bits de código a cada bloqu e para formar otr o más ex ten­ so. Los bits añadidos se han calculado medi ante una expres ión algebraica que toma como entra das los bits del bloque de mensaje original. Cuando este mensaje ampliado se envía por el aire o cualquier otr o entorno ruido so, algunos bit s del mensaje codificado pueden trastocarse (un O en vez de I o vice versa). Sin embar­ go, el mensaje original podrá recobr arse exactamente ejec utando el código a la inversa en el extremo recept or, en el supuesto de que el número de bits alterados no desborde la longitud del código. Aco nsejados por Gadie l Seroussi, Ronnie Roth y Warre n Robin ett , de HP, hemos aplicado esta idea para que las rotura s de conexiones en nuestro demultiplexor no afecten a los nanohil os. En vez de numerar éstos consec utivamente, utilizamos una zona de direccion es ampliada en la que el número de hilos entrantes al de­ multiplexor supera (en d hilos adicionales) el mínim o número necesario para especificar unívocamente ca da nan ohilo. En este caso , aunque ca da nanohilo ten ga

4. DESPLIEGUE DE HILOS desde los entrecruzados hasta las conexiones de prueba .

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varias conexiones interrumpidas con los hilos normales, el demultiplexor aún podrá direccion ar correcta mente todos los nanohil os. El grado de redundancia requerido depende de la pro babilidad de los defectos de conexión; para un índice de fallos de las conexiones de 0,01, una redund ancia no mu y grande (entorno al 40 por ciento) mejor ará el rendimiento de fabricación de un demulti­ plexor desde 0,0001 hasta 0,9999.

Construcción de memorias Desde aquella prim era memoria de 16 bit, el grupo de Heath y el nuestro de HP han presentado, con diferentes tratami ento s de hilos y conmutadores , unas memori as de 64 bit con 62 nm de "sernipaso" (estándar de fabricac ión equivale nte a la mitad de la distancia entre los centros de dos hilos adyace ntes) en 2002, y en 2004 una de un kilobit en entrecruza do con semipaso de 30 nm. (Com­ párese co n el semipaso de 90 nm de los microcircuito s de semiconductores más avanzados de 2005.) En esas memoria s, cada nanohil o estaba conectado a un contacto individual. Se escribía un 1 (estado de resistencia baja ) o un O (resis tencia alta) sin más que aplicar entre los hilos cruzados un voltaje polariza dor, superior al um­ bral, que hiciera bascula r directam ente el conmutador que une ese par de hilo s. Siempre que el umbral de voltaje sea lo bastante definido para registrar un O o un 1, Y la variación en los voltajes de "esc ritura" entre las union es de la red de cruces no llegue a la mitad del voltaje de conmutación , este procedimi ento asegurará que sólo se escriba en la red el bit deseado y no se escriban ni borren otros accidentalmente. Para leer el bit almace nado en el conmutador aplicamos un voltaje mucho más bajo entre los hilo s cruzado s seleccionados y medim os la resistencia en su unión . Los resultado s iniciales fueron alentador es: en la mem oria de 64 bit de HP, la relación de resistenci as entre el 1 (activado) y el O (apagado) fue mayor de 100, lo que permitía la fácil lectura de los bits. Con la memoria nanométrica ya al alca nce (el reto de DAR PA impli ca un semipaso de 16 nm), la siguiente meta a superar es la computació n a esca la universal con circuitos lógicos nanom étricos. Con ayuda de Dun can R. Stewart, de HP, hemo s configurado redes de hilo s entrecruza dos para eje cutar operaciones lógicas senci­ 11as (AN D y OR) mediante el ajuste de los valores de la resistenci a de los conmutador es de cruce. La lógica ejec utable, sin embargo, queda limitada por la falta de la operación NOT (la inversión de la señal), que cambia de 1 a O y de O a 1. Además, en la lógica cableada los niveles de voltaje dejan necesariament e un rastro, y si se intent a realizar dem asiadas funciones lógicas en un circuito en serie, los 1 y los O llegarán a confundirse y la computación será imposible. En los circuitos integrados de silicio, tanto la restaura ­ ción como la inversión de la señal es obra de transisto­ res . Por eso los grupos de Heath y Lie ber han decidido fabri car transistores con nanohil os de silicio . DeHon , igual que nosotros, ha descrit o unos circuitos lógicos con topología de "emb aldosado", que se construirían con tran sistores y otros ele mentos en una estruc tura entrecruza da. Sin embargo, dado que ahí se utili zaría la microelectrónica actual, se imp ondrían, al fin y al INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

Investigaciones en curso

de las arquitecturas de barras cruzadas J. R. Heathl J. F. Stoddart

Caltech/U.C.L.A.

Monocapa de rotaxanos entre nanohilos de silicio y titanio

C. Lieberl A.D eHon

Universidad de Harvard/Caltech

Transistores de efecto campo con nanohilo de silicio

M. Aono

Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón

Conductor iónico de sulfuro de plata (conmutador atómico de plata)

R. Waser

Centro de Investigación Jülich, Alemania

Movimiento de defectos en películas ferroeléctricas

K. K. Likharev

Universidad Stony Brook

Transistor molecular de un solo electrón

Quantum Science Research

Laboratorios Hewlell-Packard

Oxidación/reducción de nanohilo metálico

cabo, las limitaciones antes seña ladas y no se podría sobrepasar la Ley de Moore. Como alternativa, investi­ gamos una inversión y resta uración de la seña l que no utilice transistores . Estamos co nstruyendo un circuito lógico de barr as cruza das de forma no habitual, con redes de conmu­ tadores y puertas cablea das AND y ORo En este caso los conmutadores funcionan medi ante operaciones de "cerrojo" (la tching). Hemos demostrado su funciona­ miento hace poco, con Stewart. Definimos como" 1" el nivel de voltaje necesario para activar el conmutador, y como "O" el que lo desactiva. Cualquier hilo tras ladará forzosame nte su estado presente a un conmuta dor a cuya entrada esté conectado, transfiriendo así un bit de información de la "lógica" a la "memo ria" . Almacenado ya como estado de memoria, ese bit puede utili zarse en operaciones lógicas posteriores : para ello se conectará el hilo de salida del conmutado r a una fuente de voltaje (en nuestro caso, un hilo procedente del reloj que contro la los tiempos de las operaciones) . Esta nueva conexión sirve para resta urar el voltaje del estado lógico a su valor desea do cuando se haya degra dado. Otro truco consiste en intercambiar los voltajes que representan 1 y O en los hilos de salida; se invierte así la señal lógica y se obtiene la operación lógica NOT que, com binada co n las AND o las OR, es suficiente para cualq uier computación. Nos las hemos arreglado, pues, para crear las funciones de resta urac ión e inversión de la seña l en un circuito lógico en entrec ruzado sin utili zar transistores ni sus propi edades semico nduc toras.

Más allá de los microcircuitos de silicio El camino hacia una com putació n universal que supere los circuitos integrados de transistores es todavía incierto, pero dura nte los últimos años la arquitectura de barras cruza das ha aparecido co mo principal co mpetidora para esta blecer un nuevo parad igma de la computación. Cier­ tamen te queda mucho por hacer. Hay que avanzar con

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rapidez y al unísono en tres campos diferentes de la in­ vestigac ión: la arquitec tura, la física de los dispos itivos y la fabricac ión nanométrica. Tan importante como reso lver las cuestiones técnicas será gara ntizar que se mantenga una buena com unicac ión en tre las discip linas fronterizas . El éxito req uerirá que múltip les grupos de investigadores compitan entre sí y al mismo tiempo cooperen, como hacen los par ticipantes en el reto de DARPA. La tolerancia a los defectos será eleme nto imprescin­ dible de cualquier estrateg ia futura en nanoelectrónica. La arquitectura de barras cruzadas es una solució n idea l para establecer un sistema en el que se localicen y eviten los componentes imperfectos y se compensen los errores mediante la codificación . Los circ uitos del futuro pueden realmente ser más fiables que los elect rónicos actuales, aun cuando comiencen co n una elevada proporción de componentes defect uosos . La red undancia incorporada los hará resistentes a las radiaciones, que en los circ ui­ tos comunes acarrean fallos catastróficos. En estos sólo degradarían paulatinamente las prestaciones . Los conmutadores de efecto túnel, que opera n den­ tro de la mecá nica cuántica, son muy aprop iados para los circuitos de esca la nanométrica . A med ida que se contraen las dimens iones carac teríst icas de los disposi­ tivos, sus electro nes interiores se comportan cada vez más como objetos cuánticos. Debería ser posible reducir estos conmuta dores hasta dimensiones cercanas a la de los átomos sueltos . Da una idea de hasta dónde podría llegar la mini aturización de los circuitos electró nicos en el futuro .

Los autores Philip J . Kuekes, Gregory S. Snider y R. Stanley Will iams están desarrollando la próxim a generación de técnicas de compu tación dentro del progra ma de Investigación Cuán tica (OSRI de los laboratorios de Hewlelt-Packard (HP) en Palo Alto, California. Kuekes, arquitecto jefe del programa, lleva más de 30 años diseñando y construyendo computadores avanzados; además investiga en mecánica cuántica. Snider ha trabajado en diseño de circuit os lógicos, compil adores, sistemas operativos, síntesis lógicas, procesamiento de señales, seguri­ dad y red es informáticas, y actualmente busca mejorar el dise­ ño estructural nanoelectrónico como consultor de HP. Williams, director del programa OSR, encabeza el grupo multidisciplinar que diseña, cons truye y pru eb a nuevos nanocircuitos.

Bibliografía complementaria COMPUTACi ÓN CONFIGURABLE. John Villaseñor y William H. Man­ gione-Smith en In vestigación y Ciencia, n.? 251, págs. 10-16; agosto de 1997. A OEFECT-ToLERANT COMPUTER ARCHITEC TURE: oPPORTUNITI ES FOR NANOTECHNOLOG Y. J. R. Heath, P. J. Ku ekes, G. S. Snider y R. S. Williams en Science, vol. 280, págs . 1716-1721; junio de 1998. COMPUTACiÓN MOLECULAR. Mark A. Reed y James A. Tour en Inves­ tigación y Ciencia, n.O 287, págs . 56-63; agosto de 2000. FEYNMAN l ECTURES IN COMPUTATION. Edición en rústica. Richard P. Feynman. Edición de Tony Hey y Robin W. Allen . Perseus Books Group, 2000.

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[ffi@~(b@li@ @@ ~~@li@IT mJ@~ @)~@~~@)mJli@~ Consideradas durante largo tiempo inoperantes, las proteínas mutantes patológicas recuperan su funcionalidad si se repliegan con la ayuda de un molde farmacológico P. Michael Conn y Jo Ann Janovick

umerosas enfermedades se deben a muta cion es del ADN. Alteran éstas la composición amino acídic a de las proteína s que los genes codifican. En el estudio de enfermedades genéticas se experimenta con células que contienen una mutación y, por tant o, produ cen una proteína defectuosa, que suele presentar alteraciones funcional es; pen semo s, por eje mplo, en un receptor celular que no se une a su ligando o una enzima sin capacidad catalítica. Se dice que estas muta cion es provocan una "pérdida de función". Hasta ahor a se consideraba defectuo sas e inservibles las proteínas correspon­ dientes, lo que resulta cierto en alguno s casos pero de generalidad cuestionable a tenor de la investigación reciente. De acuerdo con los resultado s obtenido s en diversos laboratorios, el nuestro incluido, las mutacion es patol ógicas provoc an a menudo que la proteína adopt e un plegami ento defectuo so y se extravíe; a la manera de una cart a con el códi go postal equivocado y una dir ección ilegible, la proteína aberrante no alcanza su destino en el interior de la célula. Este descubrimiento entraña repercu siones terapéuticas de interés: resulta mucho más fácil corregir el rumb o de una proteína mutada en el interior de la célula que reemplazar, mediante terapia g énica , un ge n mutante. Las proteínas se extravían cuando se pliegan de form a incorr ecta, un yerro frecuente inclu so en célul as normales. Y ello a pesar de las chaperonas, mo­ lécula s que ayudan a las prote ínas a adoptar la estructura tridimensional , o conf ormación, con ecta. Cuando el mecanismo celular de control de calidad (CC) identifi ca una prot eína mal plegada (entre las que se inclu yen la mayoría de las rnutantes), la marca , para luego destruirla o reciclarl a. En nuestro labo ratorio hemo s experimentado con chaperonas farmacoló gicas. Las f armacope ronas en cuestión , así las hemos llamado, corri gen la asignación de la ruta intracelular de una prot eína que, aunque mal plegada , con serva, en potencia, la funcion alidad. De ese modo se revierte, en células en cultivo, una de las causas del hipogonadismo hipogonadotr ápico, un trastorno hormon al. Los resultados sugieren una vía terap éuti ca basada en la reposición de proteínas aberrantes. (La terapi a génica procede con idéntico enfoque, aunque entraña mayores riesgos.) Se aplicaría, en prin cipio, a cualquier enfermedad provocad a por un plegamiento prot eico defectuo so: desde la fibrosis quí stica hasta enfer­ medad es de aparición tardía (alzheimer, cataratas y algunos tipos de cáncer), pasando por retinitis pigmentaria y otro s trastornos congénit os.

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1. EN EL ARTE JAPO NES DEL ORIGAMI (papiroflex ia) se crean complejas esculturas tridimensionales a partir de una simple hoja de papel mediante una serie de precisos pliegues y torsiones. Así lo muestra la pareja de la imagen: plantilla y producto termina­ do. De forma análoga, una proteína empieza siendo una hilera (un idimensional) de aminoácid os, que, a través de un proceso de plegamiento asistido por chaperonas, se convierte en una compleja estructura tridimensi onal, capacitada para desempeñar

"Papiroflexia" molecular asistida El pl egami ento de las pr oteín as co ns tituye un pr oc eso co mplejo, difícil de llevar a cabo en el abi­ ga rrado int eri or de la cé lula. Segú n la proteín a y su destin o, el poli pép ­ tido se sintetiza en los rib osomas

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las func iones celulares. Sin embargo, las mutaciones en el AON provocan cambios en la secuencia aminoacídica que frustran el plegamiento normal de la proteína. Estas alteraciones resultan, a menudo, patológ icas. La investigación reciente nos indica que un gran número de mutantes defectuosos de una proteína receptora recuperan su funcionalidad cuando se pliegan con la ayuda de determinada " farmacoperona". La estrategia se nos ofrece prome­ tedora para el tratamiento de enfermedades genéticas.

del cito plasma o en los ribosom as q ue res ide n en el retícul o endop las­ máti co (RE) . El plegam ient o de los productos protei cos se aco mete de for ma inmediata o al ca bo de var ios días, mientras flotan librem ent e en el citoplasma o perma nece n co nfi-

nados en el interi or del RE u otros orgá nulos . Con ind ependencia de la velocidad o lugar de síntes is, la mayoría de las proteínas adoptan su co nfor mac ión a través de diversas etapas . Seg ún los modelos actuales, el esqueleto protei-

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co se pliega en grupos de cuatro o más aminoáci dos para evitar interfe­

rencias con las regiones voluminosas o dotadas de carga . Se cree que el proceso que lleva a las proteínas a adoptar su conformació n activa final no es espontáneo. En cé lulas vege tales y animales, las proteínas destinadas a ser sec re­ tadas o a residi r en la memb ran a celular se sintetizan en el retículo endoplas mático, donde una espesa sopa de mold es, enzimas y azúca­ res favo rece n unas co nfo rmac iones e inhib en otras. Estos guías ejecutan tandas suces ivas de co mp lejas mo­ dificac iones, bajo la mirad a atenta del sis tema ce lula r de co ntro l de calidad. El sistema vigila las proteí­

.

nas nuevas desde que se si ntetiza n hasta que alcan zan su destin o en el interior de la célula y marca a las mal plegad as o mal procesadas mediante chapero nas endógenas y senso res que reconocen co nforma ­ cio nes anómalas. Mediante la eliminació n de las proteína s defectuosas, el sistema de control protege a la célula de la ac­ tividad aberrante de aquéllas y man­ tiene el equilibrio entre la síntesis, la maduración y la degradación de proteínas. Impide tambi én la acumu ­ lación de proteín as descarri adas y dirige el transporte de las prot eínas sintetizadas a otros compartimentos ce lulares . Asimismo, evita que las proteínas parcialmente plegadas o los

Laproteína se forma y se pliega en el retículo endoplasmático

2. EL ADN NUCLEAR contiene la información que especifica la secuencia aminoacídica de todas las proteínas de la célula . El ARN transporta una copia de esta información al compartimento citoplasmático. Con la ayuda de los ribosomas y de otras moléculas, el código del ARN se traduce a una cadena de aminoácidos que configu ra una proteí­ na. Las proteínas destinadas a la secreción o de membrana se originan en el retículo endoplasmático. Se suponía antaño que la cadena proteica naciente se plegaba de forma espontánea, pero sabemos ya que las chaperonas colaboran en el plegamiento .

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ensa mblajes proteicos incompl etos, potencialmente tóxicos para la célula,

escapen prematuramente del retículo endo plasmático . La eficac ia del sistema de control de calidad depend e, en gran medi ­ da, de su capac idad para detectar las proteínas procesadas de forma inco mpleta o incorrecta. Una de las not as dist inti vas de una proteína mal plegada estriba en la presencia de regiones hidrofóbicas expuestas . Las chapero nas del ret ículo endo­ plasmático interaccionan con dichas regiones y retienen las proteínas que las posee n. El mecani smo de control de cali­ dad se sirve tambi én de la adición y sustracc ión de azúcares a la pro­ teína. La conjunción crea estructuras que facilitan la identificación de las moléculas aberrantes . Antaño se supo nía que las pro­ teína s defec tuosas y los fragmentos prot eicos se digerían en el retículo endop lásmico . Sabemos ya que las moléculas mal plegadas se expulsan del retículo endoplas mático para ser degr adada s por el proteosoma, un siste ma de eliminación de residuos que fragmenta las proteínas indesea­ das. También la exportación de una proteína aberrante unida a chapero­ nas está asoc iada al reclu tamiento de un proteosoma. En ambos casos, la adición covalente de múltipl es copias de ubiquitina (pro teí na de tamaño reducido) seña la a las proteínas ca n­ dida tas a ser destru idas. Un cúmulo de estas señales podría facilitar la extracción del polipéptido de la mem­ brana del RE medi ante la entrada de molécul as auxili ares; al prop io tiemp o, opera como baliza para el prot eosoma. El sistema de control de calidad encuentra una limita ción determinan­ te en el reconocimi ento de proteínas con conformación defectuosa, que se basa en criter ios químicos, no funcio­ nales. La presencia de una superficie hidr ofóbica expues ta, caracterís tica habitu al de proteínas mal plegadas o perjudiciales, no informa de la ope­ ratividad de las mismas. Cuando se trata de co mprender la relaci ón entre el sistema de control de calidad y los datos obtenidos en los experimentos con farmaco peronas, conviene tener en cuenta que no toda s las proteínas mutantes destinadas a ser des truidas carece n de actividad.

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I

8 o-

Las chaperonas colaboran en el plegamiento

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conforma:ón~

provocando que la glándula pituitaria segreg ue la horm ona luteini zant e y la posteri or secrec ión de testosterona por parte de las gónadas . Los que padecen hipogonadismo hipogonad otrópi co, en cambio, sue­ len contar con una cantidad reducida , si no nul a, de hormon a luteini zant e y, por tant o, present an niveles es­ casos de testosterona. En es te caso , los niveles de hormona luteini zante del paci ent e no aumentaro n cuan­ do su médic o, Juan Pablo Mé ndez , del Instituto Mex icano de Seg uridad Soc ial, le suministró una dosis de horm ona liber adora de go nadotro­ pina . Ello nos hizo sos pechar que el fallo se encontraba en el recept or para esa horm ona . Cuando en el la­ boratori o de Méndez sec uenciaron el gen, descubri eron una mutación en el aminoácido 90 que reempl azaba un ácid o glutámico dotado de car­ ga negativa por una lisin a dotad a de carga positiva. Apoyá ndo nos en las

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3. LAS CHAPERONAS SE UNEN A LAS PROTEINAS NACIENTES, a medida que se van sintetiza ndo para facilitar el plegamiento . El sistema de control de ca lidad de la célula utiliza tamb ién las chaperonas para reconocer rasgos que sue len indicar un plegamiento erróneo (regiones hidrofóbicas expuestas, por ejemplo). En func ión del diagnóstico, las chaperonas añaden o sustraen azúcares y, en última instancia, distinguen las conforma ­ ciones correctas de las incorrectas. Las proteínas que superan el contro l se encaminan hacia su lugar de destino, donde deberán llevar a cabo su función en el interior de la célula . Las que fracasan podrían incorporarse a la lista de candidatas a la degradación o sufrir un reprocesamiento, en un intento por corregir su alterac ión estructura l.

A las mutaciones, hemo s de agre­ gar otros factores causantes de ple­ gamientos anómalos. Record emos el exceso de proteína s, los cambios de temp er atura , el estrés oxidativo y algunas se ñales celul ares. La célula interpreta el plegami en­ to defectuoso de algunas proteínas como una pérdid a de funcionalidad, dad o que nin guna de éstas escapa al sistema de control de calidad. Puede ocurrir tambi én que las prot eínas mal plegada s se peguen unas a otras y, por esa vía, formen agrega dos poten­ cialmente tóxicos en el interior de la célula o produzcan una acumulación extracelular de placas amiloides. En el curso de los últimos diez años, la investigación se ha propuesto aclarar la vinculación de un plega­ miento anóma lo con la aparición de cierta s enfermedad es. Se han venid o buscand o tambi én terapias que evi-

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ten o corrij an las anomalías es truc­ tur ales. En este sentido, el rescat e, mediante chaperon as farmacol ógicas, de proteínas mal plegada s y extravia­ das constituye una de las vías más prom eted oras.

Extravío por plegamiento incorrecto Nuestro interés por el plegamiento proteic o comenzó con el descubri­ miento de una mut ación en el gen qu e cifra un receptor de la horm ona liberadora de go nadotropina. El gen mut ante procedía de un pacient e que sufría hipogonadi smo hipogonadotró­ pico. Esta enfermedad impide que se produ zca una liberación suficie nte de testosteron a, lo que impo sibilita una espermatogé nesis norm al. En la mayoría de los varones, el hip otá­ lam o libera hormona liberad ora de go nadotropina al torr ente sanguíneo,

4. LAS PROTEINAS MAL PLEGADAS se marcan, mediante la adición covalente de ubiquitina, una proteína de escaso tamaño reducido, para su posterior destrucción. Una vez se ha unido la primera molécula de ubiquitina, se le incorporan otras, creando un agregado de ubiquitinas que atrae al proteosoma; en el interior de esta estructura en forma de barril se corta la proteína en pedazos. La ubiquitina marca también proteínas transmembrana, así los receptores de hormonas, para que se ex­ traigan de la membrana, interviene, pues, en el reciclaje continuo de las proteínas celulares . Como su nombre indica, la ubi­ quitina se encuentra en todas las células eucariotas, casi sin excepción .

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letras que designan los aminoác idos intercambiados, denominamos a este mutante E9üK. Cuando nuestro equipo de Oregón introduj o el gen clonado en células en culti vo, las que portab an la versión mut ante no se unían a la hormona lib er ad ora de go nadotropina y no genera ban las señales int racelu lares apropiadas. Dedujimos que el mu­ tante es taba incapacitado para dicha unión (una interpretación coherente la información disponibl e en aquel moment o). A modo de divertimento aco meti­ mos un experimento adicio nal. Mo­ dificam os el receptor E9üK para que dirigiera la proteín a hacia la membra­ na plasmática, el lugar más indicado para el buen funcio nam iento de un recept or. Es tas "sec ue nc ias señal" se enco ntra ban alej adas del ami­ noácido 90; era poco probable que interaccion asen con él. Para nuestra sorpresa, el mutante E90K redirigido operó de forma correc ta. De hecho, funcionó incluso mejor que la versión silvestre (no mutada). Por tanto, el

receptor mut ant e no era defectu o­ so, sino sólo incapaz de alca nzar la membrana plasmática .

Farmacoperonas al rescate ¿Cómo rescatar las proteínas extravia­ das y mal plegad as? Para respond er, se nos ocurr ió util izar com puestos peptidomimét icos (es truct uras qu e remedan los ligandos peptídi cos del receptor, aunque de un tamaño menor y, a diferenci a de los péptid os, se in­ troducen en las células) . Empleamos anta goni stas porqu e no qu eríamos que el recept or se act ivase durante el proceso de "sa lvamento". Necesitábamos una molécula de tamaño redu cido e hidrofóbi ca (dos requi sit os para acceder al interior celular), cuya est ruct ura operara a modo de mold e y sobre el cual el mutante se plegara de forma correcta, hurt ándose así al sistema de control de calidad. Nuestra molécul a ideal debería unirse al receptor de la hor­ mon a liber ad ora de go nado tropina con especificidad y afinidad eleva­ das . La es pec ificidad min imi zarí a

5. EL RECEPTOR HUMANO DE LA HORMONA liberadora de gonadotropina constituye una proteína transmembrana formada por 328 aminoácidos (representados por letras en el esquema de la figura). Varias sustituciones aminoacídicas de esta proteína l/as marcadas en negro) se han relacionado con el hipogonadismo hipogonadotrópico, una enfermedad caracterizada por niveles muy bajos o nulos de ciertas hormonas que se activan en respuesta a la hormona liberadora de gonadotropina. Se sabe que el receptor atraviesa la membrana siete veces y que determinadas regiones se proyectan hacia los espacios intracelular y extracelular. Sigue sin conocerse su estructura molecular exacta.

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las interacciones co n otras prot eí­ nas del interior de la célul a; si el age nte se empleara algún día en la práctica clínica, tales interaccion es provocarían efectos sec undarios. La afinidad maximizaría los efectos del fármaco . Sin embargo, éste debía po­ der separarse del receptor una vez rescatad o; por tant o, la unión tení a que ser, además, reversibl e. Y una co ndició n más: la molécul a debía ser estable en el medi o celular. La interp retación de los dat os sería más sencilla si no hubi era que tomar en considerac ión la posibilid ad de que el co mpuesto se degrada se durante el experimento. Wallace T. Ashto n y Mar k T. Go u­ let, de los Laboratorios Merck, han obte nido una molécul a qu e reúne ju stament e es tos atributos . En un prin cipi o la denom inad a IN3 se creó mientras se buscab a un fárm aco de tam año reducido que se inco rporase al sistema circulatorio y se uniese al recept or de la horm ona liberadora de go nadotropina. Para comprobar el efec to de nues­ tro mold e exógeno, lo añadimos a células en cultivo portadoras de la ver­ sión mutant e del receptor de la hor­ mon a liberadora de go nadotropina. Esperábamos que IN3 penetrara en las célul as y en el retículo endoplás­ mico, se uniera a la proteín a mutante conforme se iba sintetizando e instara su plegami ento correcto. Si E90K se plegara de forma adec uada, sortearía el co ntro l de calidad y proseguiría su ca mino hacia la membrana. Una vez en la superficie, los siete seg­ ment os del receptor que atraviesan la membrana debería n mantenerlo con la conformación apropiada, de suerte que pudiéramos retirar el fármaco y quedarnos con un receptor operativo. La eliminación del IN3 constituía un paso crítico: se trataba de un anta­ gonista y, por tanto, bloqu earía el receptor e inhib iría su respuesta a niveles norm ales de hormona libe­ radora de gonadotropina . Funcionó. El molde farmaco lógico rescató con éxito el receptor mutante de entre los residu os que no habían superado el contro l de calidad. De­ mostr amos así que , en presencia de IN3, el recept or siguió su camino hacia la superficie de la célula. Pero, ¿se co mpo rtó el rece ptor mut ant e igua l que el norm al ? Comprobamos que el mutante redi rigido reco nocía

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Escasa o nula cantidad de proteínas alcanzan la membrana

Proteínas

~l"~ 6. EL COMPUESTO IN3 guarda semejan za con un péptido. Sin embargo, es lo bastante pequeño e hidrofóbico como para atravesar la membrana celu lar y alcanzar el retículo endoplasmático. En ausencia de IN3, los receptores de la hormona liberadora de qona­ dotropina portadores de la mutación E90K se pliegan incorrectamente; son degradados antes de alcanzar su destino en la superficie celular. El IN3 se une al receptor de la hormona liberadora de gonadotropina a medida que se va sintetizando en el retículo end oplasmát ico, lo que ayuda al receptor naciente a adoptar un plegamiento correcto, in­ c1uso en presencia de algunas mutaciones; le faculta también para superar el control de calidad de la célula. IN3 compite con la hormona liberadora de gonadotropina del propio organismo en la unión al receptor; ello significa que interaccionan con la misma región de la proteína, si bien el lugar específico al que se une IN3 no se ha determinado.

los mismos ago nistas y antago nistas que la forma silvestre y que se unía a ellos tambi én con idéntica afinidad. La tasa de recambio de la proteína mutante era la misma; una vez incor­ porada a la membrana plasmática, se recicl aba co n normalidad . Además, pareció que el receptor mutante se acoplaba si n problemas co n sus pro­ teínas efectoras, puesto que generaba, en respuesta a la hormona, mensa­ jeros intracelul ares similares a los originados por el receptor silves tre. En cada ensayo, la vers ión rescata­ da opera ba exac tamente igual que la norm al. El mutante nunca perdi ó su función, sólo el rumb o.

Al rescate de otras mutaciones Por la fecha en que terminamos este estudio, otros laboratorios habían ya descr ito 17 mutaciones más en genes del receptor de la horm ona liberado­ ra de go nado tropina proce dentes de

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pacientes con hip ogonadismo hipo­ gonadotrópico. Queríamos saber si nuestra técnica de rescate para este recep tor resultaba eficaz sólo co n el mutante E9üK o si funcionaría tam­ bién con los otros . Los 17 errores se encon traban dispersos por todo el gen: quince de ellos ocas ionaban ca mbios en un solo aminoáci do de la proteína, uno provocaba el cor­ te y empalme incorrecto del ARN mensajero y otro hacía que el recep ­ tor fuese más corto de lo habitu al. Nuestra técnica no consiguió salvar los dos últimos, porqu e originaban una proteína incompl eta. Reconst ru imos todos los ge nes mut antes en el laboratorio, los in­ trodujimos en células en cultivo y aco metimos la síntesis de la proteína recep tora; quedó demostrada la in­ ca pacidad de la célula para unir se a la hormona lib eradora de go na­ dot rop ina. Cuando añadimos IN3,

se rescataron trece de ellos . De los quin ce mutantes con un aminoác i­ do cambiado, los dos que fallaron se enco ntraban muy cerca uno de otro. Tal vez los cambios afectasen a una región crítica para la unión al ligando o para la activación de los efectores de for ma que silenciaran a una proteína perfecta mente plegada y ubicada; eso era lo que se presumía para las mutaciones que provocaban disfunción. O quizá los dos que no respondieron al tratamiento estaban tan mal plegados, que IN3 se veía incapaz de resca tarlos . Llamó nuestra atención el fenó­ meno siguiente : 11 de las 15 sus­ tituciones aminoacídicas alteraban la dotación de carga eléctrica ; por ejemplo, de carga positi va a negati­ va o de ausencia de carga a carga, positiva o negativa. Tales modifica­ cio nes, si bien resultan irrelevantes para la carga global de la proteína, alteran la estructura del receptor de la hormona liberadora de go nado­ tropina. Nos sorprendió que bastara una sola carga de un total de 328 aminoácidos para causar tamaño cam­ bio. Los resultados sugerían que el receptor de la hormona liberadora

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- 12 - 10 -8 Concentraciónde buserelina (molaridad, escala logarítmica)

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7. LOS E90K MUTANTES RESCATADOS CON IN3 alcanzan la membrana plasrn á­ tica, donde operan incluso mejor que sus homólogos normales. La actividad del receptor se mide en razón de la produc­ ción de inositolfosfato (la señal intrace­ lular que emite el receptor de hormona liberadora de gonadotropina) en respuesta a la buserelina, un compuesto que remeda los efectos de hormona liberadora de gonadotropina .

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8. MODELO DEL RECEPTOR de hormona liberadora de gonadotropina. Se trata de una estructura hipotética de la contar­ mación correcta, según se vería desde el exterior de la célula. Se piensa que la hormona liberadora de gonadotropina se une a la cavidad formada por los siete do­ minios transmembrana (helicoides en rojal. Además, es probable que interaccione tam­ bién con los bucles extracelulares (azul y verdel y con una región con estructura de hoja beta antipara lela (flechas smsrñlss) . Cabe señalar que esta estructura se halla incompleta; la determinación estructural de las proteínas de membrana entraña suma dificultad porque resultan inadacua­ das para los métodos de difracción de rayos-X.

de go nadotro pina humana era muy sensible a las perturbacion es. Nin gun a de las mutaci on es ob ­ servadas en lo s pacientes co n hip o­ gonad is mo hipogonad otrópi co era conse rvativa, es decir, cambiaba un aminoá cido por otro co n propieda­ des se mej antes : por ejemplo, alani­ na por glicina o treonina por serina (ambas pareja s só lo difieren en un grupo metil o -CH 3) . As imismo, no ob servamos ningún ejemplo en el que la simple sustituc ión de un aminoá­ cid o hidrofóbi co por otro ta mbié n hidrofóbi co (va lina por alanina), de uno dot ado de carga positiva po r otro dotado de carga positiva (lisina po r argini na) o de uno co n ca rga negativa por otro con carga negativa (aspartato por glutamato) resultase patológico. Algunas de es tas mutaciones se pro ­ ducen , sin la menor duda: pero , o bien se encuentran silenciadas desde el punto de vist a clínico (no causa n enferm edad) o pro vocan la mu erte (o infertilidad) de cualquier embrió n que la s port e.

Efecto negativo dominante El traslado de las proteín as tran s­ membrana, incluido el recept or de la ho rm ona lib erador a de go nadotropi­ na, desd e el retícul o endo plas má tico hasta la membrana plasm ática entra­ ña cierta co mpleji dad. Las proteínas que se encuentra n có mo das en una membrana lipídi ca no son so lubles en los co ntenidos ac uosos del resto de la cé lula. En el caso de un a prot eína

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con siete dominios tran sm embrana (el recept or de la horm ona lib er adora de go nado tro pina, por ejemplo) , la alternancia de dom ini os hidrofílicos e hidrofóbicos difi culta el de spla­ zamie nto a tr avés del c ito plas ma . Parece que la cé lula so lucio na es te problem a mediante el transpo rte co n­ j unto de un gru po num ero so (oligó­ mero) de receptores. Los dominios hidrofóbi cos se orientan, enfre ntados entre sí, hacia el interior el oli gómero y se ocultan del citoso l; los hidrofí­ lico s, en ca mbio, quedan ex pues tos hacia el ex te rior, para qu e inter ac­ cione n con el agua circundante . Es ta asociac ió n mol ecular facilita, desd e el punto de vist a termodinám ico , el transp orte de lo s receptores hasta la membran a plasmáti ca. Pero la oligo merizac ión pu ede re­ sultar perjudicial , pues la " manzana podrida" termina por corromper tod o el "cesto". E ste escenario se pon e de manifiesto en las personas portadoras de una co pia normal y una co pia defectuosa del gen. A pesar de qu e en un oligó me ro pu eden mezclarse proteínas plegada s correct am ent e y proteínas mal plegadas, ocurre con frec uencia qu e el sistema de control de cali dad recon oce a los mutan tes y marca tod a la es truc tura para su pos­ terior eliminación. As í, se destruye la proteína mutante, pero también la silves tre. Es el llam ado efecto "nega­ tivo dominante": la mutación provoca daño s qu e no se produ cirían por la simple ausencia de ese ge n.

Para hacer visible ese efec to re­ curr imos a la microscopía confocal. Fus io namos el ge n del receptor de la hormona liberadora de gonadotropina con el ge n qu e co difica la proteína fluor escent e verd e (PFV). La " pro­ teín a quimérica" resultant e revel ó la ubi caci ón intracelular de los recepto­ res de la horm ona lib eradora de gona­ dot ropina, medi ant e los destello s qu e emitía al ser irr adi ada con lu z de una lon gitud de ond a determinada. Las cé lulas port ador as del recept or qui ­ mérico mostraban parte de la se ñal verde en el retículo endo plas má tico, pero la mayoría sig uió su ruta hacia la membrana ex terna . Sin embargo, cuando añadimos el mutante E9 üK a la vez qu e la quimera, la se ñal fluor esc ente aparecía co nfinada en e l re tículo endo plas má tico, incapaz de alca nzar la supe rficie. La farma­ coperona IN3 revertía el es quema: devol vía la proteína quiméri ca a su em plazamiento correcto en la mem ­ brana ext ern a, inclu so en presencia del recept or mut an te. Por tanto, IN 3 rescatab a ambas vers iones , la mut an­ te y la norm al.

Normas de salvamento El rescat e de proteín as medi ante farm acoperon as pu ed e a plic arse , en pot enci a, al tratamiento de cual ­ quier enferme da d provo cada por un a proteína mal plegada o descarriada . Nuestros ex perime ntos han co rro­ borado la hip ót esi s para el hip ogo­ nadi smo hip ogon ad otrópi co . Pero, ¿cuá les son los principi os ge nera les aplica bles a terapias contra la enfe r-

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

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medad de Park inson, la enfermedad de Creutzfe ldt-Jaco b (versión huma­ na de la enfer medad de las vacas locas), la cardiomiopatía hipertrófica y otras alteraciones del plegami ento prot eico? Para comprobar si nuestros resul­ tados se limitaban al IN3, busca­ mos otras molécula s que pudi esen también rescatar a mutan tes del re­ ceptor de la hormona liberadora de gonadotropina. Ensay amos con un compu esto semej ante, aunque con una baja constante de afinidad: no funcionó. Los antagonistas proteicos fracasa ron también, pese a unirse a los receptores silvestres alojados en la superficie de las células en cultivo. A tenor de los resultados, las pro­ teínas aparecían demasiado grandes o demasiad o cargadas (dotadas de un exceso de carga eléctrica) para introdu cirse en la célula y unirse al receptor. Sí se mostraron eficaces, sin em­ bargo, antago nistas que, igual que IN3, eran petidomiméticos. Varios indoles, quin olonas y eritromicina superaron la prueba: se unían al re­ ceptor de la hormona liberadora de gonadotropina. Todos ellos rescata­ ron E9üK en mayor o menor gra­ do. Apoyados en ese conocimiento, establecimos unas "normas básicas de salvame nto": la eficac ia de las molécula s de un mismo grupo quí­ mico era proporcional a su afinidad para con el receptor de la hormona liberadora de gonadotropina; dentro de cada grupo, los ligando s con ma­ yor afinidad funcionaban mejor; entre grupos, el factor más determin ante era la solubilidad relativa, vale decir, la capacidad para atravesar la mem­ brana celular y alcanzar la proteína naciente. ¿ y si una farmacoperona estabili­ zara una proteína sin unirse al mismo lugar que el ligando natural? Tal con­ tingencia result aría ventajosa, pues no exigiría la eliminación del fárma ­ co previa a la actuación del receptor rescatado. Esta hipótesis nos recor­ daba la miríada de compuestos que las compañías farmacéuticas analizan en busca de propiedades específicas. Su interés se centra en molécul as que operen como agonistas o anta­ gonistas de la diana de interés. Pero se trata de un criterio de búsqueda demasiad o restricti vo; se olvidaría de toda una farmaco pero na que no INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

Sinfármaco

IN3

Normal

Mutante E90K +

normal

9. EN CELULAS EN CULTIVO, el IN3 rescata al receptor de la hormona liberadora de gonadotropina mutante e incrementa la eficacia del plegamiento de la proteína normal. En ausencia del fármaco, el receptor normal (verde) aparece sob re la superficie de la célula y en el retículo endoplasmático (teñido de azul). Cuando están presentes el rscep­ tor normal (verde) y el mutante E90K (sin marcar), en cambio, casi todas las proteínas receptoras (normales y mutantes) se degradan y pocas, si alguna, alcanzan la membrana externa . En ambos casos, la adición de IN3 incrementa la cantidad de proteína receptora presente en la superficie celular y la cantidad total de proteína receptora, quizá porque un plegamiento más eficaz se traduce en un aumento del número de receptores de hormona liberadora de gonadotropina que superan el sistema de control de calidad de la célula. Estas imágenes representan apilamientos de múltíples secciones ópticas a través de la célula.

fuese ni agonista ni antagonista . En los archivos de los laboratorios far­ macéutic os podría haber multitud de estructuras útiles que se han descar­ tado en razón de unos criterios poco exhaustivos. Si el resca te de prote ínas mutan tes basado en la as istencia de su ple­ gamiento puede convertirse en una nueva vía terapéutica, ¿por qué no imaginar fármacos que aplicase n la misma estrategia a proteínas nor ma­ les? Si una farmacoperona alterase la velocidad de plegamiento de una proteína normal, provocaría un ple­ gamiento defectuoso y su posterior degradación. Este "naufrag io proteí­ nico" podría facilitar la inhibi ción de genes canceríge nos descontrolados o

aportar nuevas perspectivas para la anticoncepción.

Otras proteínas recuperables Con los resultados obte nidos con el rece ptor de la horm on a liberadora de gonadotropina, especulamos sobre qué mutantes patológicos serían óp­ timos ca ndidatos para el rescate me­ diante compuestos pep tidomiméticos de tamaño reducido y permeables. De entrada la proteín a aberrante no deb er ía port ar mut aciones en aminoác idos esenciales para la unión al ligando (en el caso de proteínas ' receptoras), la unión al sustrato o a cofac tores (en el caso de enzimas) , la unión a iones (en el caso de ca­ nales iónicos) o para la interacción 53

Anomalía proteica

Trastorno

Proteína(s) responsable(s)

Extravío

Fibrosis quística Amiloidosis sistémica Diabetes insípida nefrogénica Cáncer Hipogonadismo hipogonadotrópico

CFTR (canal deiones cloruro) Fibrillas amiloides Acuaporina-2, receptor V-2 Supresor tumoral p53 Receptor dehormona liberadora degonadotropina Rodopsina, receptores carotenoides a1-antitripsina ct-aníñripslna

Retinitis pigmentaria Enfisema Deficiencia hepáticadea1-antitripsina Agregación

Enfermedad deAlzheimer Enfermedad deCreutzfeldt-Jacob Encefalopatías espongiformes Anemia falciforme Enfermedad deParkinson Cataratas

Amiloide, proteína tau Amiloide Glicoproleína prion Hemoglobina a-sinucleína, parkina, ubiquitina C, proteínas del cristalino Proteínas delcristalino

Negativo dominante

Cardiomiopatía hipertrófica

Troponina T

10. LAS PROTEINAS MAL PLEGADAS se hallan en el origen de numerosas enfermada­ des, algunas de las cuales se list an. El ejemplo del receptor de la hormona liberadora de gonadotropina sugiere que las t erapias basadas en farmacoperonas rescatarían algunas de estas proteínas aberrantes y recuperarí an su f uncionalidad.

con otros efectores (en el caso de las proteínas G y otras moléc ulas de señalización). Estas mutaciones comportan una pérdida de función, incluso en los mutan tes que están correctamente plegados y alojados . En segundo lugar, las deleciones y los truncamientos notables generan una proteína irrecuperable, debi do a la ause ncia de elementos necesarios para restab lecer estr ucturas de orden superior. En tercer lugar, la pérdida o ga­ nancia de ciertos ami noácidos puede represe ntar un obstác ulo insa lvable para el rescate fa rmacológico. El aminoácido cisteína forma enlaces covalentes con otras cisteínas de la proteína, en laces de suma impor­ tancia para el mantenimiento de la conformación. La ausencia o la for­ mación inadec uada de tales uniones puede resu ltar tan perj udicial, que la proteína no se plieg ue correcta­ mente ni siquiera en presencia de un molde. De manera aná loga, la pérdida o gana ncia de prolina pue­ de limitar o bloquear el rescate del mutante, porque fuerza la aparic ión de giros en el esqueleto proteico. La estructura nativa de algunas proteínas puede exigir un giro brusco que las farmacoperonas no pueden correg ir. Otros ca ndidatos dudosos para e l rescate son los mutantes en los que las sustituc iones de aminoácidos im­ piden o favorecen la formación de

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puentes de hidrógeno, interacciones dec isivas para el mantenimiento de la estructura de las proteínas . En cuarto lugar, también las mu­ taciones que introducen res iduos de tamaño reducido (glicina o alanina) dan lugar a candida tos propicios para las terapias con farmacoperonas. A difere ncia de los problemas derivados de la introd ucc ión de un aminoác i­ do voluminoso (valina, triptófano o treonina), la incorporación de ami­ noácidos de menor tamaño dota de mayor libertad de movim iento y, por tanto, facilita el plegamiento asistido por un molde y aumenta la eficacia de un rescate farmaco lógico .

Plegamientos aberrantes patológicos Amén de las mutaciones en genes específicos, todo tipo de est rés ce­ lul ar ca usa errores ge nera lizados en el plegamiento, modificación o direccionamiento de las pro teí nas; cua lquiera de estas alteracio nes pro­ vocan su degradación en manos de la maquinaria del control de calidad. Sin embargo, es de supo ner que un exceso de moléculas defec tuosas en el interior de la cél ula anularía el siste ma de eliminación de residuos y provoca ría la acumulació n de pro ­ teínas aberrantes en el retículo en­ dop lasm ático. Se piensa que la acu­ mulación y agreg ación de proteínas mal plegadas son las respo nsab les

de trast orn os neurodegenerativos como la enfer meda d de Alzheimer

de aparición temprana, la enferme­ dad de Parkinson y las patologías prió nicas, así como las cata ratas de aparició n temprana, la deficiencia de o l -antitripsina, la diabetes mellitus de tipo 11 y la amiloidosis sisté mica. En todos estos trasto rnos, intervienen proteínas o frag mentos proteicos que convierten su conformación soluble normal en fibras insolubl es y pegaj o­ sas (ami loides) . Co mo ocurre con el ~- am il o i de en el caso de la enferme­ dad de Alzheimer o la o-sinucle ína en la enferme dad de Parkinson, estas pro teín as se aglutinan para formar agrega dos fibrilares . Los agrega dos insolubles se forma n en el interi or y en el exterior ce lular. A difere ncia de los amiloides que forma n agregados, la mayoría de las enfe rmedades rel acion adas co n el plegamiento prote ico están causadas, simplemente, por la degradac ión de la proteína mutante o por su ubicación errónea en el interior de la célula. Un gran número de estos trasto rnos, entre ellos la retinitis pigmentaria, la fibros is quística, la diabetes insípida y algunas formas de hipercolestero­ lemi a familiar, afec tan a proteínas de membra na. En el caso de la hi­ percolestero lemia familiar, diver sas mutaciones del receptor de la lipop ro­ teína de baja densidad enge ndran un procesamiento defec tuoso que atrae la atención del sistema de control de calidad, que luego marca al recep­ tor para su degra dac ión. La fibrosis quística se debe a mutaciones en el gen CFTR, codificador de un canal que transporta iones cloruro a través de la membrana celular externa. La mutac ión más frec uente es la desa­ parición del aminoác ido en posición 508 . Provoca la rete nción, mediada por chaperonas, en el retículo endo­ plasmático y la rápida proteo lisis de la proteína CFfR incompletamente procesada (aunque operativa). Así, el canal no alca nza la membran a plasmát ica y, por tanto, la célula no puede regular el flujo de iones clo­ ruro. Meca nismos similares explica n casos de diabetes insípida nefrogénica (mutaciones en el gen que codifica el canal de agua acuaporina-2) y de retiniti s pigme ntaria (mutacio nes en el gen de la rodo psina). Ante el número de enfermedades ani males y hum anas ca usadas por

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proteína s mal plegadas, se ha desper­ tado el interés por desarrollar trata­ mientos co rrec tores de es te mecanis­ mo patogé nico. Las far maco pero nas, molécul as de tamaño limit ado que penetran fácilmente en la célula, se unen a la proteína mutante y pro­ mueven s u plegami ent o correcto, parecen aplicables a todo el espec­ tro de trastornos relacion ados co n el plegam iento prot eico. Además, en nuestra opinión, comp artid a por otros expertos, present an notables ventajas so bre vías terapéuti cas co noc idas. Los ensayos clínicos que utili zan far­ macoperon as para el tratami ento del hipogonadismo hip ogonadotr ópi co, la fibrosis quística o la deficiencia de o l- antirripsina empezarán pronto. Y es muy prob able que otros compues­ tos con propi edades similares figuren en el futuro pan orama del desarrollo farma cológico.

BIBLIOTECA

SCIENTIFIC

AMERICAN

los autores P. Michael Conn es director adjunto e investigador del Centro Nacional de Investigación de Primates en Oregón. Ocupa una cátedra en el departamen­ to de fisiología y farmacolog fa del departamento de biología celular y del desarrollo de la Universidad de Ciencias y Medicina de Oregón. Jo Ann Janovick, experta en diseño de fármacos, lleva 20 años en el equipo que dirige Conn.

Dos volúmenes de 22 x 23,5 cm con un total de 443 páginas, profusamente ilustradas en negro y en color.

©American Scientist Magazine.

Bibliografía complementaria FOR WHOM THE asu TOllS: PROTEIN QUA ­ lITY CON TROL OF THE ENOOPlASMIC RE­ TICUl UM ANO THE USIQUITIN·PROTEASOME CONNECTIO N. Z. Kostova y O. H.Wolf en EMBO Journal 22, vol. 2309 ­ 2317; 2003. QUAlITY CONTROL IN THE ENOOPlASMIC RETlCULU M. L. Ellgaard y A. Helenius en

Nature Reviews MolecularCell Biology, vol. 4, págs. 181-191; 2003. PH ARMACOLOGIC RESCUEOF CONFORMATION· AllY· OEFECTlVE PRO TEINS: IMPlICATIONS FOR THE TREATMENT OF HUMAN OISEASE. A. Ulloa Aguirre, J. A. Janovick, S. P. Brothers y P. M. Conn en Traffic, vol. 5, págs. 821·837; 2004. BEYONO THE SIGNAl SEQUENCE: PROTEIN ROUTlNG INHEAlTHANOOISEASE. C. Castro­ Fernández, G. Maya·Núñez y P. M. Conn en Endocrine Reviews, vol. 26, n." 4; págs. 479·503; 2005.

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LA CELU LA VIVA En La célula viva, Christian de Duve nos invita

a participar en una absorbente y magníficamente

ilustrada expedición hacia un mundo tan importante

para nuestro organismo cuan apartado de nuestras

vivencias cotidianas. Se trata del reino de los billones

de células que componen el cuerpo humano.

Guía a la vez audaz y seguro, de Duve nos brinda

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acopio a lo largo de una vida entera dedicada

a la investigación , y lo hace en un estilo que,

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resulta accesible y ameno para el profano.

Prensa Científica, S. A.

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los antiguos

reactores

nucleares

de Oklo

Alex P. Meshik

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Hace dos mil millones de años,

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fenómeno se empiezan a esclarecer ahora

n mayo de 1972, un opera­ rio de una planta francesa de procesado de combus­ tible nuclea r observó algo extraño. Había estado rea­ lizando un análisis rutina­ rio del uranio proveni ente de una fuente aparentemente ordinaria del mineral. Como ocurre siempre con el uranio natural, el material contenía tres isótopos, es decir, tres formas con masas atómicas diferentes: ura­ nio 238, la variedad más abundante; urani o 234, la más rara, y uranio 235, el isótopo más codiciado porque puede alimentar una reacción nuclear en cadena. En cualquier parte de la corteza terrestre, en la Luna e in­ cluso en los meteorit os, los átomos de uranio 235 forman el 0,720 por

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200 kilómetros

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2. SOLO SE HAN ENCONTRADO REAC· TORES NATURALES DE FISION en Oklo y Okelobondo, dos minas contiguas de Gabón, y en Bangombe, a unos 35 kilérns­ tros de distancia.

ciento del total. Pero en estas mues­ tras, que venían del depósito de Oklo, en Gabón (antigua colonia fra ncesa en el Africa ecuatorial occi dental), el uranio 235 constituía apenas el 0,7 17 por cien to. Esta minú scul a discrepancia bastaba para alertar a los científicos franceses de que había sucedido algo extraño. Otros análisis demostraron que el mineral de una zona, al menos, de la mina tenía poco uranio 235: parecían faltar unos 200 kilogramos, con los que se podrían haber fabrica do medi a docena de bombas nucleares. Dura nte se ma nas, los espec ia­ listas de la Comisión Fra ncesa de Ene rgía Ató mica perma nec ie ro n perpl ej os. Se dio co n la soluc ión cuando alguien record ó una predi c­ ción publi cada 19 años antes . En 1953, George W. Wether ill, de la Universidad de Ca lifo rnia en Los Angeles, y Mar k G. Inghram , de la Univers ida d de Chicago, indica ron que algunos depósitos de urani o pu­ diero n haber sido otrora versiones natur ales de los reactores nu­ cleares de fisión que, por ento nces, co me nza ba n a construirse. Poco después, Pa ul K. Kuro da, qu ímico de la Univers ida d de Ar­ kansas, calc uló las condi­ cio nes necesarias para que una min a de urani o exper i­ ment ara espontánea mente la fisión automantenida, proceso en el que un neutrón perdid o pr ovoca la rotura de un núcl eo de uranio 235, el cual emite más neutrones, ca usa ndo que otros nú­ cleos de urani o 235 se ro mpa n, y así suces ivamente, en una reacci ón nuclear en cadena.

• Hace algo más de tre inta años, se descubr ió que varios lugares de una mina de uranio de Gabón habían sido reactores de fisión nuclear natu­ rales , hace unos 2000 millones de años. • El autor y dos colaboradores dedujeron de sus med iciones del gas xenón (un producto de la fisión del uranio) que uno de esos reactores debió de fu ncionar conforme a un ciclo, en el qu e permanecía encendi­ do media hora y apagado dos horas y media , por lo menos. • Quizá futuros estud ios del xenón conservado en minerales hallarán viejos reactores nucleares natura les en otros parajes. Pero, por ahora, los de Gabón son los únicos testigos de los cambios que las constan tes físicas fundamentales hayan pod ido experi mentar en los últimos dos mil millones de años y modelos ideal es del comportamiento, a lo largo de grand es pe ríodos de tiempo, de los residuos nucleares ente rrados.

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La primera condición de Kuroda era que el tamaño del depósito de urani o excediese la longitud media que viaja n los neutron es capaces de pro vocar la fisión, unos dos tercios de metro. Este requisito garantiza que los neutrones emitidos por un núcleo que se fisiona puedan ser absorbidos por otro antes de esca par de la veta de uranio. Un segundo prerrequisito es que el uranio 235 abunde lo suficiente. Hoy en día, ni la más concentrada y grande veta de uranio podría conver­ tirse en un reac tor nuclear, porque la concentración actual del uranio 235, menos de un 1 por ciento, resulta dema siado baja. Pero este isótopo es radiactivo y se desintegra unas seis veces más deprisa que el uranio 238: abundaba mucho más en el pasado lejano . Hace dos mil mill ones de años (aprox imadamente cuando se formó el depósito de Oklo), el uranio 235 constituía cerca del 3 por cien­ to del uranio total, más o menos el nivel que se provoca artificialmente en el uranio enriquecido que sirve de combustible en la mayoría de las centrales nucleares. El tercer ingredi ente importante es un "moderado r" de neutron es, una sustancia que fre na los neutrones emitidos cuando un núcleo de ura­ nio se rompe a fin de que induzcan mejor la rotura de otro s núcleos de uranio. Finalmente, no debía haber cantidades significativas de boro, litio o de otros "venenos", que absorben neutrones y paran enseg uida cual­ quier reacción nucl ear. Sorprendentemente, las condicio­ nes reales que prevalecieron hace dos mil millon es de años en 16 área s separadas de Oklo y de las contiguas minas de uranio de Okelobondo esta­ ban muy cerca de las señaladas por Kuroda . Estas zonas se identificaron con exactitud hace décadas. Pero sólo hace poco mis compañeros y yo he­ mos aclarado detall es important es de lo que sucedió en el interior de uno de esos antiguos reactores.

la prueba, en los elementos ligeros Muy poco después de que se descu­ briese esa deficiencia de uranio 235, se confirmó que se debía a reacciones de fisión naturales. La pru eba in­ cuestio nable llegó del examen de los elementos más ligeros que se crean

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Las reacciones nuclea­ res en cadena empieProducto zan cuando un único de fisión neutrón libre choca contra el núcleo de un átomo fisionable, como el uranio 235 (arriba a la izquierda) . Este núcleo se rompe, creando dos átomos más peque­ ños y liberando otros neutrones, que salen a gran velocidad y deben frenarse antes de que puedan inducir la rotura de otros núcleos fisionables. En el depósito de Oklo, igual que en los reactores nucleares actuales de agua ligera, el agente "mode­ rador" que frena los neutrones fue el agua. Pero los reactores de Oklo se diferencian de los actuales en su regulación. Las centrales atómicas absorben los neutrones con barras de control. Los reactores de Oklo se calentaban hasta que el agua se evaporaba.

cuando un núcleo pesado se rompe en dos. La abundancia de estos produc­ tos de la fisión resultó tan elevada, que no se podía sacar ninguna otra conclu sión. Sin lugar a duda s, unos dos mil millon es de años antes habí a tenido lugar una reacción nuclear en cadena, muy pare cida a la famosa que Enrico Fermi y sus colaboradores lograron en 1942. Tras ese asombroso descubrimien­ to, físicos de todo el mundo exami­ naron las prueba s de la existencia de tale s reactores nuclear es naturales. En 1975 se reun ieron para compartir sus trabaj os sobre "el fenómeno de Oklo" en un congreso celebrado en Libreville, la capital de Gabón. El año siguiente, George A. Cowan, que representó a los Estados Unidos en esa reunión (y que, dicho de sea de paso, es uno de los fundadores del conocid o Instituto Santa Fe), escri­ bía en julio un artículo par a Scien­ tific Ame rican en el que explicaba las conjeturas sobre eso s antiguo s reactores. Explicaba que el uranio más abun­ dant e, el 238 , al capturar neut ro­ nes liberados durante la fisión del

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uranio 235, se convertía en uranio 239 y, tras emitir dos electrones, en plutonio 239. Se generaron más de do s toneladas de este isótopo del plutonio en el depó sito de Oklo. Aunque casi todo ese materi al, que tien e un período de semidesintegra­ ción de 24.000 años, ha desaparecido desde entonces (sobre todo por de­ sintegración radiactiva natural ), parte del propio plutonio experim entó la fisión , según lo atestiguado por la pre senci a de sus productos de fisión cara cterísticos. La abundancia de esos elementos más ligero s permitió que se dedujera que las reacciones de fisión debieron de durar centena­ res de mile s de año s. A partir de la cantidad de uranio 235 consumido calcularon la energía total liberada, 15.000 megawatt-año; de ésta y de otra s pruebas infirieron la potencia media producida, que no debió de lleg ar a 100 kilow att. Es verdaderament e asombroso que se pusieran en mar cha casi veinte reactores naturale s espontáneamente y que pudieran mantener una modesta produ cción de ener gía durante qui zás uno s ciento s de milenio s. ¿Por qué

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estas parte s del depó sito no estalla­ ron y se autodestruyeron en cuanto empezaro n las reacciones nucleares en cad ena? ¿Qu é mecanismo pro­ porcionó la autorregulación nece­ saria? Esos reactores, ¿funcionaron constantemente o de manera inter­ mitente? Las respue stas emergieron lentamente tras el descubrimiento del fenómeno de Oklo . La últim a cues­ tión permaneció abierta más de tres décadas, hasta que mis compañeros y yo la abord amos en la Universidad de Washington en SI. Loui s. Para ello, examinamos un pedazo del enigmá­ tico min eral africano.

la lección de los gases nobles Nuestro reciente trabajo sobre uno de los reactores de Oklo se centró en un análi sis del xenón, gas inerte pesado que puede permanecer confinado en el interior de los minerales durante mile s de millones de años. El xenón tiene nueve isótopos estables, creados en distintas proporciones por diver­ sos proc esos nucl ear es. Al ser un gas noble , resiste el enlace químico con otros elementos; por ello es fácil purificarlo y someterlo a análisis iso­

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tópico . Merced a su rareza, el xenón permite detectar y rastrear reacciones nucleares, incluso las que ocurriero n en meteoritos primitivos antes de que existiera el sistema solar. El análisis de la composición iso­ tópica del xenón requiere un espec­ trómetro de masas, instrumento que separa los átomos según su peso ató­ mico. Tuve la suerte de contar con uno sumamente preciso, construido por mi colega de Washington Charles M. Hohenberg . Pero antes de em­ plearlo, hubo que extraer el xenón de la muestra. Para lograrl o, se calienta el material, a menudo por encima del punt o de fusión, de modo que pierda su estructura cristalina y no pueda mantener atrapado el xenón. A fin de obtener la mayor información sobre la génesis y la retenció n de este gas, adopta mos un método más delicado, la extracción por láser, que libera el xenón selectivamente de un solo grano de mineral y deja intactas las áreas adyace ntes. Aplicamos esta técnica a muchos punt os minú sculos de nuestro úni­ co fragmento disponible de roca de Oklo, de sólo un milím etro de gro­ sor y cuatro milím etros de diámetro. De entrada había que decidir dónde teníamos que apuntar el rayo láser. Hohenberg y yo confiamos esa labor a nuestra colega OIga Pravdivtseva, que había construido un mapa mi­ nucioso de la muestra con rayos X e ident ificado los minerales constitu­ yentes. Después de cada extracción, purificamos el gas resultante y pasa­ mos el xenón por el espectróme tro de masas de Hohenberg. Nos dio el número de átomos de cada isótopo en la muestra. Nuestra primera sor presa fue la locali zación del xenón. No lo en­ contramos en cantidades significati­ vas, como habíamos esperado, en los granos de mineral ricos en uranio. La parte del león es taba atrapa da en minerales de fosfa to de aluminio, que no contenían uranio. Es notable que estos granos mostraran la con­ centración más alta de xenón jamás encontra da en un material natural. La seg unda revelaci ón aso mbrosa fue la composición isotópica del gas extraído, dist inta de la que se produce en los reactores nucleares. Había perdid o, par ecía, una gra n porción del xenón 136 y 134 que se creó durante la fisión, mientras

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EL XENON REVELA UN FUNCIONAMIENTO CICLlCO

Para explicar la composición isotópica del xenón de Oklo hubo que tomar en cuenta otros elementos. El yodo mereció una atención especial porque el xenón surge de su desin­ tegración radiactiva. El modelo de la creación de los pro­ ductos de la fisión y de su desinte­ gración radiactiva reve ló que la pe­ culiar composición isotópica del xenón era el resultado del funcionamiento cí­ clico del reactor. El ciclo se representa en los tres paneles de la derecha.

El agua subterránea queimpregnaba el depósito actuó como moderador, conlo quela fisión en cadena del uranio 235 se puso en marcha. La desintegración de ciertos productos radiactivos de la fisión dio lugar rápidamente al xenón 134y al 136, pero el calentamiento del reactor eliminaba estos átomos de gas. Los precursores delxenón de vida más larga, el yodo 131 y el 132, se disolvían en el agua, quese los llevaba tan pronto como se creaban.

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que las cantid ades de las variedades más ligeras del elemento se hallaban menos altera das . ¿Có mo pud o suce der semejante alteración de la composición isotó­ pica? No se debió a las reacc iones químicas: los isótopos son química ­ ment e idénticos. ¿Quizá la pro du­ jeron reacciones nucleares, en con­ creto la captura de neutron es? Tras un análisis meticuloso rechazamos también esta posibilidad. Pensamos además en la separac ión física de los isótopos. Ocurre a veces: los átomos pesados se mueven más lentos que los ligeros y se sepa ran de estos . Las plantas industriales de enr iqueci­ miento de uranio, cuya construcción requiere bastante habilidad, se valen de esa circunstancia para prod ucir el com bustible de los reactores. Pero aunque la naturaleza pudiera crear milagrosa mente un proceso similar a esca la microscópica, la mezcla de isótopos del xenón habr ía diferi do de la que medim os en los granos

de fosfato de aluminio. Por ejemplo, medida con respec to a la cantidad de xenón 132 presente, la disminución del xenón 136 (cuatro unidades de masa ató mica más pesado) habría doblado la del xenó n 134 (sólo dos unidades atómicas más pesado) en caso de que hubi ese habido una se­ paración física. Y no fue eso lo que observamos. Comprendimos el porq ué de la composic ión anómala del xenón al reflexionar sobre cómo había apare­ cido ese gas. Ninguno de los isóto­ pos del xenón que medimos procedía directamente de la fisión del uranio; eran productos de la desintegración de isótopos radiactivos del yodo, que a su vez se había formado del telu­ rio radiactivo, y así sucesivamente, según una secue ncia bien conocida de reaccio nes nucleares que generan xenón estab le. Di mos con la clave del pro blema cuando reparamos en un fenóme no: los diversos isótopos de xenó n de la

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Unashoras mástarde, la temperatura había caído lo suficiente como paraquevolviera a fluiraguasubterránea. Las sustancias que llevaba el aguacaliente dejaban de estardisueltas y formaban minerales de fosfato de aluminio que incorporaban el yodo 131 y el 132, precursores del xenón 131 y 132. (Estos minerales también incorporaron yodo 129, que dio lugaral xenón 129 muchos mñlones de añosdespués). Al haberde nuevo un moderador, la fisiónse reanudaba.

Unos 30 minutos después de que comenzara la fisión nuclear,

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2 la temperatura alcanzó el punto en que la mayor partedel

aguasubterránea se evaporaba. El reactor se quedaba así sin moderador y la fisión se apagaba. Algunos átomos de yodo 131 y 132, creados en la media horaanterior, quedaban encerrados en el aguasubterránea residual retenida entre los granos de mineral de uranio. Sin reacciones de fisiónque la mantuviesen, la temperatura de la vetabajaba pocoa poco.

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muestr a de Oklo se fuero n crea ndo en momentos distintos, que depen­ dían de los períod os de se mides in­ tegra ci ón de sus pr ogenitores de yodo y sus ant ep asados de telurio, Cuanto más vive un determin ado precursor radiac tivo, más tarda en produ cir se el xenón que deri va de él. Por eje mplo, empezó a produ cir­ se xenón 136 en Oklo alrededor de un minuto despu és del ini cio de la fisión autosos tenida . Una hor a des­ pués, se creab a el siguiente isó topo es table má s ligero, el xe nó n 134 . Transcurridos uno s días aparecieron el xenón 132 y el 131. Finalme nte, pasad os mill ones de años , y mu­ cho despu és de que las reac ciones nucl eares en cade na termin aran, se formó el xe nón 129. Si el dep ósit o de Oklo hubi e­ ra perm an ecido co mo un siste ma cerrado, el xenón acumulado durante el funcionamiento de sus reactores naturales habrí a preser vado la com­ posición isotópica producida por la

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fisión. Pero no hay razón algun a para pen sar que el sistema fuese cerr ado . Sí para creer tod o lo contrario: el simple hecho de que los reactores de Oklo se autorregul aran . El mecanis­ mo de control má s probable se basa en la acción del agua subterránea, que debí a de evaporarse cuando la temp eratura alcan zaba un cierto nivel crítico. Sin agua que moderase los neut ron es, las reaccione s nucleares en cadena cesab an temporalmente. Só lo se restablecía la fisión después de que la veta se enfriara y se impre g­ nase de nuevo la zona de la reacción co n agua subterránea . Esta descrip ción verosímil de los reactores de Oklo resalta dos puntos imp ort ante s; a sa ber, los reacto res debi eron de funcionar a intervalos y atra vesaron las rocas grandes can ­ tidad es de agua, suficientes en todo cas o para arrastrar consigo algunos de los precur sores del xenón, el te­ lurio y el yodo, solubles en agua . La presencia del ag ua tambi én explica

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por qué la mayor parte del xenón se encu entra hoy en granos de fosfato de aluminio y no en los minerales rico s en uranio dond e la fisión creó los precursores radiactivos. El xenón no emigró de un conjunto de mine ­ rale s pree xistentes a otro. Es poco vero símil que hubi era minerales de fos fato de aluminio antes de que los reacto res de Oklo com enzaran a funcionar; esos granos de fosfa­ to de aluminio los crear ía la acción del agua calent ada nuclearmente, una vez se hubo enfriado hasta uno s 300 grado s de temp eratur a. Durante cada período activo de fun­ cion amiento de un reacto r de Oklo , y luego en el transcur so de cierto lapso de tiempo, mientras la temp eratura seguía sie ndo alta, se eliminaba bue­ na parte del gas xenón (en sus formas 136 y 134, que se genera ban pronto). Cuando el reactor se enfriaba, los precur sore s del xenón de vida larga (que más tarde produ cirían el xenón 132, el 131 y el 129 que encontra­

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2. LOS ATOMOS DE URANIO 235 constituyen cerca del 0,720 por ciento del uranio natural, casi universalmente. Por eso se sorprendieron los operarios que descubrieron que el uranio de la mina de Oklo contenía poco más del 0,717 por ciento. Este resultado cae fuera del intervalo encontrado en otros minerales de uranio (arribal . La explicación reside en que, en el pasado, la razón del uranio 235 al uranio 238 era más alta, según se deduce del brevísimo período de semidesintegración del uranio 235. Esta razón más elevada hizo posible la fisión, que consumió gran parte del uranio 235. Cuando se formó el depósito de Oklo, hace mil ochocientos millones de años, el nivel natural del uranio 235 se acercaba al 3 por ciento, valor simila r al que ahora se utiliza como combustible en muchos reactores nucleares . Cuando se formó la Tierra, hace unos 4600 millones de años, la cifra superaba el 20 por ciento; a esa composición isotópica se la consideraría hoy "uranio para fines militares".

mos con un a abundancia mayor de la esperada) se incorporaban sobre todo a los granos creci entes de fos fato de alumin io . A med ida qu e iba llegand o má s agua a la zo na de la reacción , los neutrones se moderaban y la fisión se rea nudaba ; el ciclo de ca lentami ento y enfriamiento se repetía. El resulta­ do era la peculiar segregació n de los isótop os del xenón q ue descu bri mos en nu estras med icio nes. No está mu y claro qué fuer zas han mant enido es te xenón de ntro de los min e ral e s de fo sfato de alum inio durante ca si la mit ad de la vida del pla ne ta. En parti cular, ¿por qué el xe nó n ge nerado durante un período de fu nc io nami ento no se eli minaba dura nte el sig uie nte ? Cabe suponer que que da ba atrapado en la estruc­ tura de lo s minerale s de fo sfato de aluminio y que esto s pudiero n retener en su interior el gas xe nó n, incl uso

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a altas temp eratura s. Los det alles si­ guen resul tando confus os , pero sean cua les sean las respuestas finales, de un a co sa no hay d uda: la capac idad del fosfa to de aluminio pa ra capturar el xe nó n es asombro sa.

Los tiempos naturales U na vez es tablec idas las líneas ge ne­ ra les de la crea ción del co nj unto de isót opos de l xe nón que se observa dent ro de los gra nos de fo sfato de alum in io, nos propusimos es boz ar un modelo matemático de l proce­ so . C on es te ej ercicio apre nd imos m ucho sobre los tiempos de fun­ cionamiento del react or. Todos lo s isótopos del xe nón proporcionaron cas i la mi sma respu esta. E l reactor de Oklo que es tudiamos fu nc iona ba dura nte trei nta minutos y se det enía dura nt e do s hor as y media, por lo me no s. Es ta pa uta no es muy distinta

de la q ue se ve en algunos gé ise res, q ue se van ca le n tando lentamente , evapo ra n s u su m in is tro de ag ua sub terrá nea durante una ex hibic ió n es pectac u lar, se rellen an y repi ten el ciclo sin cesar, año tra s añ o. Es ta se mej anz a res palda la idea de qu e el agua subterrá ne a q ue circula ba por el dep ósito de Oklo no só lo mod eraba lo s neutrone s : su evapo rac ió n pe­ rió d ica regí a la auto rreg ulac ió n q ue im pidi ó q ue aq uell os rea ct ores natu ­ ra les se dest ru yesen. E n es te papel reg ulad or, e l ag ua no pud o se r más efic az : ni una so la vez en ce ntena res de m ilIares de años se fu nd ieron o es ta lla ro n los rea ct ores . Los ingen iero s nu cleares pod rían apre nde r de Oklo, aunq ue no tant o so bre el diseñ o de los reactores como so bre los resid uos nucleares. Al fin y al ca bo, O klo sirve co mo bu en aná logo de un dep ósi to geológ ico a lar go pl azo. P or eso se ha es tudia do co n gra n deta lle có mo los varios pro­ duct os de la fisión han ido emig rando de es tos react ores n aturales a lo largo del tiempo. Se ha escudriñado otr a zo na parecida, donde también tu vo lug ar una antig ua fisión nu cl ear. La hall ar on en un as perforaciones ex­ plorator ias realizad as en Bangombe, a un os 35 kilómetros de distancia de O klo. E l reactor de Bang om be reviste es pe cia l interés porque es tá enterra do a meno s profund id ad q ue lo s de scubierto s en la s m in as de Oklo y de Okelo bondo; po r eso lo ha atrav e sado más agua en épocas reci entes. E n conj unto, las obser va­ ciones ratifican la fe en qu e much as clases de residuos nucleares peli gro­ sos se pueden guarda r con segur id ad baj o tierra. Oklo mu estra ad em ás un mod o de alm ace na r al gunas formas de re si­ du o s nucleares de las que se creía que han de co nta mina r el e nto rno casi sin rem edio. Desde qu e ex is te n, las ce ntra les nucle ares han arroj ado a la atmósfera eno rmes ca ntida des de xe nó n 135, cr iptó n 85 y otros gases iner tes radiac tivos . Los rea c­ tores de fisión nat urales nos ense­ ñan que es os prod uct os resi duales podrían ence rrarse en miner ales de fos fa to de alum inio, co n su si ng ula r ca pacidad de apre sa r y de reten er ta les gases durante mil es de mi llones de añ os. Los reacto res de Ok lo po dr ían guarda r también la hue ll a de los

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3. El GAS XEN ON extraído de los minera les de fosfato de aluminio de una muestra de Oklo mostró una composición isotópica curiosa (izquierda ). El patrón no se ajustaba a lo que se espera de la fisión del uranio 235 (centro), ni se asemeja a la composición isotópica del xenón atmosférico (derecha). Las cantidades de xenón 131 y 132 son más altas y las cantidades de xenón 134 y 136 más bajas que lo habitual. Aunque estas observaciones deja ron en un principio al autor bastante desconcertado, más tarde como prendió que conten ían la clave del funcionamiento del reactor nuclear africano.

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

cambios que quizá haya sufrido a, en los últimos dos mil millones de años ; de esa cantidad adimensional y antaño supuesta consta nte fís ica fundamental, dependen mag nitudes universales, como la velocidad de la luz. Durante treinta años, Oklo ha sido un a pr ueba en contra de que a haya cambiado, al menos en el tiemp o tran scurrido desde que se ence ndiero n los reac tores . Pero en 2004 Steven K. Lamo reaux y Justin R. Torgerson, del Laboratorio Na­ cio nal de Lo s Alama s, ded ujeron de los datos de la mina que dicha "constante" ha variado en ese lapso significativamente (yen el sent ido opues to de l propuesto por otros a

partir de observacione s de supernovas mucho más antiguas que los reactores de Gabó n). Los cálcu los de Torgerson y de Lamorea ux se apoyan en cier­ to s detalles del funcion amiento de Oklo . El trab ajo que hemo s llevado a cabo podría ayudar a aclarar esta cuestión . ¿Fueron eso s antiguos reactores en Gabón los únicos que se hayan formado en la Tierra? Hace dos mil millone s de años las condiciones ne­ ces arias para la fisión sostenida no debi eron de ser muy rara s. Quizá se descubran más reactores natura les. Espero que algunas pizca s de xenón sirvan de pista extraordinaria en esa búsqueda.

El autor Alex P. Meshik comenzó sus es tudios de física en la Universid ad de San Petarsb ur­ go . Se doctoró en el Instituto Vern adsky de la Academia de Ciencias rusa en 1988. Su tesis doctoral versó sobre geoquímica, geocrono logía y qu ímica nuclear de los gases nobles xenón y criptón. En 1996 se incorporó al La boratorio de Cien cias del Espacio de la Uníversi dad de Washington, en SI. Louis, donde hoy investiga sobre los gases nobles del vien to solar recogido s a tierra por la nave Génesis.

Bibliografía complementaria ON THE NU CLEAR PH VSI CAL STABl lITY Of THE URANI UM MINERALS. Pa ul Ka zu o Kuroda en Journal of Chemical Physics, vol. 25, n.O 4, páginas 781-7 82; 1956. A NATURAL FISSION REACTOR. George A. Co wan en Scientific American, vol. 235, n.O 1, páginas 36- 47; julio 1976.

Agujeros negros cuánticos, de Bernard J. Carr y Steven B. Giddings Julio 2005 El rayo, de Joseph R. Dwyer Julio 2005 Variación de las constantes, de John D. Barrow y John K. Webb Agosto 2005 Creación de antimateria fría, de Graham P. Collins Agosto 2005 Los misterios de la masa, de Gordon Kane Septiembre 2005 La física y los diagramas de Feynman, de David Kaiser Septiembre 2005 La detección de las ondas gravitatorias, de Peter S. Shawhan Octubre 2005 El movimiento browniano según Einstein, de Georg Wolschin Dici embre 2005

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Prensa Científica, S.A.

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la neurobiología

del yo

la biología empieza a elucidar de qué modo engendra el cerebro el constante sentimiento de nuestra propia identidad

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Carl limmer

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ada nos es más inmediato que nosotros mismos. En palabras de Todd He atherton, psicólogo de la Universidad de Darmouth: "Cuando bajamo s la mirada y nos vem os el cuerpo, sabemos que es el nuestro. Cuando alargamos la mano para asir algo, sabemos qu e es nuestra mano lo que controlamos. Cuando re­ cordamos, sabemos qu e los recuerd os son nuestros, no de otros . Cuando nos despertamos, no hemos de preg unta rnos quiénes somos" . Nuestra propia identidad puede resultamos obvia, pero también enigmática. El propio Heathert on esquivó durante muchos años abordarla de frente, a pesar de que había estado investigando el control de uno mismo y la auto­ estima, amén de otros problemas afines, ya desde los días de sus estudios doctor ales. Todo lo que le interesaba, explica, tenía que ver con el yo, pero no con el problema filosófico de qué es el yo. Eludía las especulaciones relativas a su significado. 0, al menos, lo intentaba. Ya no es así. En la actualidad, Hea therton y un crecie nte número de científicos encaran la cuestión sin rodeos . Quieren averiguar de qué modo aflora el sentimiento de la propi a identidad en el cerebro. En estos últi ­ mos años se han ido encontrando determin adas actividades cerebrales que quizá resulten esenciales para la produ cción de diferentes aspectos de la concie ncia de uno mismo. Están ahora tratando de averiguar de qué modo esas actividades hacen surgir el sentimiento unificado que todos tenemos de constitu ir un solo ente. La investigación está proporcionando indicios acerca del modo en que pudo haber evolucionado la sensación de la propi a identidad en nuestros ancestros homínido s. Es posibl e incluso que ayude en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer y de otras dolencias que erosionan el conocimiento del yo, y que, en algunos casos, llegan a des­ truirl o por completo.

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El

yo es especial

El psicólogo norteamericano William James puso en marcha el moderno estudio del yo en 1890, con su libro Los prin cipios de la psicología , un auténtico hito. En él proponía: "Co­ mencemos con el yo en su acepción más amplia, y sigámos lo hasta su forma más sutil y delicada". Sostenía que aunque el yo pueda dar la im­ presión de ser un ente unitario, posee muchas facetas, desde la conciencia de nuestro propio cuerpo y los recuer­ dos que tenemos de nosotros mismos hasta la percepción de nuestro puesto en la sociedad. Pero James confesa ba su desconcierto sobre cómo produ cía el cerebro estos pensamientos relati ­ vos a sí mismo y lograba entretejerlos en un único ego. Desde entonces, una serie de expe­ rimentos psicológicos han proporcio­ nado indici os elocuentes . Investiga­ dores interesados en los recuerdos de la propi a identidad, por eje mplo, les han for mulado a voluntarios pregun ­ tas acerca de sí mismos y de otros. Posteriormente les pasaban un cues­ tionari o, para ver hasta qué punt o se acordaban de las pregunt as. Los sujetos acer taro n más en las pregun­ tas concern ientes a ellos mismos que en las referid as a otros. Como dice Hea ther ton, lo que se etiqueta como referent e a nuestro yo se recuerda mejor. Ciertos psicólogo s han objetado que tales resulta dos significan, sólo, que estamos más familiarizados con nosotr os mismos que con los demás. Otros, en cambio, han concluido que el yo es especial, que el cere bro se vale de un siste ma distin to y más eficiente para procesar la informa­ ción co ncerniente al yo . Pero los ensayos psicológicos no han podi­ do determin ar la vencedora en esta

confrontació n de opimo nes, porque en muchos casos las hipótesis ha­ cía n iguales predicciones sobre los resultados experimentales. Las lesion es que afectan a las re­ giones cere brales que intervienen en la formación del yo han aportado otros indicios . El caso más famoso tal vez sea el de Phineas Gage, ocurrido en el siglo XIX . Este capataz de obras ferrov iarias se encontraba en el lugar indebido en el momento inadecuado cuando una explosión fortuita hizo que el hierr o con que apre taba la carga de din amit a en un barreno sa­ liera disparado. La barra atravesó la cabeza de Gage, quien, para general asombro, sobrevivió. Ya curado , sus amigos observaron que había ca mbiado . Antes del acci­ dente, Gage era un trabajado r eficaz y con buena vista para las cosas del negocio. Tras el percance se volvió malhablado, mostraba poco respeto por los demás y le costaba mucho tra­ zar planes para el futuro . Sus amigos decía n que "ya no era Gage ". Casos como el de Gage han he­ cho ver que no es lo mismo el yo que la co ncie ncia. El sentimiento de uno mismo puede quedar merm ado sin que el sujeto pierda la concien­ cia. Asimi smo, las lesiones cerebra ­ les han permitido observar que la construcc ión de la propia identidad es complicada. Véase , si no, el caso de un paci ente amnésico co nocido como D.B. , estudiado en 2002 por Stan B. Klein y sus colaborado res de la Univers idad de California en Santa Bárbara . Este paciente contaba 75 años cuando sufrió una lesión ce­ rebral tras un infarto cardíaco . Perdió la facultad de recordar cosa alguna que hubiera hecho o exper imentado antes del ataque. Tratando de averi­ guar qué capac idad de conoc imiento

- -...........III.IlI.II&~¡,,¡,¡,,¡,¡, &.&....M.:~~L'W-------• Cada vez hay más neurobiólogos que exploran cómo forma y mantiene el cerebro el sentimiento de la propia identidad. • Se ha observado que varias regiones del cerebro responden de modo distinto a la información concern iente al propio yo que a la concer­ niente a otros, aun cuando se trate de personas muy cercanas a uno mismo. Tales regiones se mantendrán más activas cuando el individuo piense en lo que le caracter iza a él que en lo que caracteriza a otros. Quizá formen parte de una red cerebral de la que dependa la propia identidad. • Para algunos investigadores, el objeto de estos trabajos consiste en comprender mejor la demencia y encontrarle nuevos tratamientos .

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de sí mismo conserva ba, le presenta­ ron una lista de 60 rasgos psicológi­ cos y le pregunt aron si creía poseer­ los en alguna medida, bastante, por co mpleto o en absoluto. El mismo cuestionario le fue presentado a la hij a de D.B ., a quien se le pidió que se valiera de la lista para describi r a su padre. Las respues tas elegidas por D.B. y por su hija presentaron una corre lación significativa. Se po­ drí a concluir que el paciente había co nservado una cierta noción de sí mismo a pesar de no tener acceso a los recuerdos de quién era.

Indicios en cerebros sanos Los avances téc nicos de la toma de imágenes cerebrales han posibilitado que la investigación no se limite a cere bros lesionados y pueda reali­ zarse so bre cerebros sanos. En el Co legio Universitario de Londres se han utili zado escáneres del cere bro para tratar de averig uar de qué forma adqu irimos concie ncia de nuestr os cuerpos , lo que constituye el nivel más elemental, "la parte más básica, lo primero en el nivel más bajo del yo", como dice Sarah-Jay ne Blake­ more, una investigadora de ese centro londinense. Cuando nuestro cerebro emite una orden destinada a mover alguna par­ te de nuestro cuerpo, se envían dos señales . Una se dirige a las region es cerebrales que controlan aquellas par­ tes del cuerpo que han de moverse, la otra va a regiones que supervisan los movimientos. La información en ambas es exactamente la misma, pero remitida a diferentes destinos. Nuestros ce re bros se vale n de esa copia para pro nosticar qué tipo de sensación nos va a producir la acción. Al guiñar un ojo tendremos la impresión de que los obje tos se mueven a través del campo de visión. Al hablar, oire mos nuestra voz . Al asir el pomo de una puerta sentire­ mos la fria ldad del metal. Pero si la sensación realmen te percibida no se ciñe mucho a nuestra expectativa, el cerebro se percatará de la diferencia. Tal desaju ste hará que prestemos más atención a lo que estamos haciend o o nos inducirá a reaju star nuestras acciones con el fin de lograr los re­ sultados deseados. Pero si la sensac ión no concuerda en absoluto co n lo previsto, nues­ tros cerebros inter pretarán que no

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somos nosotro s quiene s las provo­ can. Blakemore y sus compañeros han documentado este desplazamien­ to efectuando escá neres de cerebros de sujetos hipn otizados. Cuando se les dijo que les esta ban alzando los brazos con una cuerda y una polea, levantaron los brazos. Pero sus ce­ rebros respondieron como si otro les estuviera levantando los brazos, no como si los alzara n por sí mismos. Puede qu e tras cier tos síntomas de la esquizofre nia se esco nda una carencia similar de conc iencia de sí. Algunos esquizofrénicos llegan a convencerse de qu e no pueden controlar sus cuerpos . Como expli­ ca Blakem ore, extie nden el brazo para asir un vaso, con movimientos totalmente norm ales; sin embargo, dicen: "No he sido yo. La máquina que está allí me ha controlado y me ha obligado a hacerlo" . INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, enero, 2006

Los estudios realizados con esqui­ zofrénicos inducen a pensar que el origen de estas cree ncias ilusori as pudiera ser la erró nea previsión de sus propios actos. Dado que las sen­ saciones no casan con sus expecta­ tivas, tienen la impresión de que la responsabilidad corresponde a otra cosa. Tal vez se puedan achacar a la previsión erró nea las alucina­ cio nes acústicas que expe rimentan algunos esquizofrénicos : incapaces de pronosticar el sonido de su voz interior, piensan que pertenece a otra persona. Una de las razo nes de que la no­ ción del yo pueda ser tan frágil pudie­ ra ser que la mente humana procura sin cesar introducirse en la mente de otras personas. Se ha descubierto que las llamadas "neuronas especulares" remedan las exper iencias de otros . Cuando vemos, por ejemplo, que otro

recibe un pinchazo doloroso, se nos estimulan neuronas en la región cere­ bral responsable del dolor. El grupo de Blake more ha observado que in­ cluso la visión de que a otro lo tocan puede activar neuronas especulares. Mostraron a un grupo de volunta­ rios vídeos en los que se tocaba a varias personas en uno u otro lado de la cara o del cuello. Los vídeos suscitaro n en cier tas áreas cerebra­ les de los voluntarios las mismas respuestas que se producían cuando eran ellos los tocados en las corres ­ pondientes partes de sus cuerpos. La inspiración para este estudio le llegó a Blakemore cuando conoció a una mujer de 4 1 años, llamada C., que llevaba esta empatía hasta extremos sorprendentes: la visión de que al­ guien era tocado provocaba que C. sintiera que la tocaban a ella en el mismo lugar de su cuerpo. Esta mujer creía que a todo el mund o le pasaba lo mismo. Blakemore escaneó el cerebro de la mujer y comparó sus respuestas con las de voluntarios normal es. Cuando C. veía que se tocaba a otra perso na, las regiones tactosensoriales de su ce­ rebro reaccionaban más vigorosamen­ te que las de los sujetos normales. Además, la ínsula anterior (región situada en la superficie cerebral, no lejos de la oreja) se tornab a activa en C., pero no en los voluntarios normales. A Blakemore le parece re­ velador que la ínsula anterior también exhibiese actividad en los barridos cerebrales de personas a quienes se les mostraban fotografías de sus ros­ tros, o que estaban identificando sus propios recuerdos. Cabe en lo posible que la ínsula anterior contribuya a marcar que ciertas inform aciones no aluden a otros, sino que se refieren a nosotros mismos. En el caso de c., esa asignación de la información resulta incorrecta. Los escá neres cerebrales también han arrojado luz sobre otros aspectos del yo. Hea therton y sus colegas de Dartmouth han venido utilizando es­ tas técnicas para sondear el misterio de por qué recor damos mejor la in­ formación relativa a nosotros mismos que los detalles sobre otras personas. En concreto, obtuvieron imágenes de los cerebros de voluntarios que es­ taban viendo una serie de adje tivos . Los investigadores, en algunos casos, le pregunt aban a los suje tos si una

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de esas palabras se les podía aplicar a ellos mismos. En otros, les pregun ­ taban si concordaba bien con George W. Bush. Y en otros casos todavía, les preguntaban sencillamente si la palab ra estaba escrita en mayúscula s o en minúscula s. Tras comparar los patrones de ac­ tividad cerebral desenc adenados por cad a tipo de pregunta, se observó que las preguntas concernientes al yo provocaban la activación de regiones que no se excitaban con preguntas relativas a otras per sona s. Los re­ sultados dieron mayor fuerza a la hipótesis de que el yo es "especial" frente a la de que es "fa miliar".

Un denominador común El equipo de Heatherton descubrió que la corteza prefront al media es una región importante para el pensa­ miento sobre uno mismo. Se trata de una parcela de neuron as emplazada en la hendidura que separa los dos hemi sferios cerebrales, ju sto detrás de los ojos. Esa misma región había ya merecido la atención de estudios sobre el yo realizados por otros labo-

ratorios. Heatherton está intentand o ahora averiguar cuál es el papel que desempeña. Heatherton recalca que es ridículo pensar que exista en el cerebro un punto concreto que sea el yo. Lo que sí sos pecha es que la corteza prefronta l media pued e ligar entre sí todas las percepciones y recuerdos que contr ibuyen a producir la idea de ser uno mismo, a crear un sentimien­ to unitario de quiénes somos. Si Heath erton está en lo ciert o, puede que la corteza prefrontal me­ dia desempeñe con respecto al yo el mismo papel que el hipocampo para la memoria. Aunque el hipocampo es esencial para la formaci ón de nuevos recuerdos, se pueden retener todavía recuerd os antiguos inclu so después de que el hipocampo haya sufrido una lesión. Se cree que el hipocam­ po no almacena información en sí mismo, sino que crea recuerdos al conectar entre sí regiones cerebrales muy aleja das. Pudi era ser que la región pre­ frontal media estuviera hil vanando continuamente un sentimiento de

quienes somos. Debra A. Gusnard, de la Universidad de Washington, y sus colaboradores han investigado lo que ocurre en el cerebro cuando se encuentra en reposo, es decir, no está ocupado en ningun a tarea concreta. Resulta que la corteza prefron tal me­ dia se toma más activa que durante muchos tipos de pensamiento. Nos pasamos casi todo el tiempo, explica Heatherton, con ensoñaciones, pen­ sando en lo que nos ha ocurrido, o en lo que otros nos parecen, y ambas cosas entrañan una reflexión sobre uno mismo. Otros están investigando cuáles son las redes cerebrales que quizá estén controladas por la corteza prefront al media. Matthew Lieberman, de la Universidad de California en Los Angeles, se ha valido de escáneres cerebrales para resolver el misterio de D.B., el paciente que se conocía a sí mismo a pesar de sufrir amne­ sia . Su equipo barri ó los cerebr os de dos grupos de voluntarios: futbo­ listas y actores. Los investigadores escribieron seguidamente dos listas de palabras, cada una de las cua -

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Como señala Carl Zimmer en el artículo, los investigadores discrepan acerca de si el cere­ bro trata al yo como un ente especial, es de­ cir; si procesa la información concerniente al yo de distinta forma que procesa lo referente a otros aspectos de la vida. Hay quienes adu­ cen que, si bien algunas partes del cerebro J.w. cambian su actividad cuando pensamos en nosotros mismos, lo hacen así sencillamente por nuestra familiaridad con nosotros mismos, no porque al tratarse de nuestro yo se le otorgue un tratamiento específi­ co: cualquier cosa que nos fuera muy conocida suscitaría la misma reacción. Para investigar esta cuestión, se fotografió a un hombre, al que se conoce por J. W., cuyos hemisferios derecho e iz­ quierdo actuaban con plena independencia tras una operación quirúrgica que había seccionado las conexiones interhemis­ féricas (debida una epilepsia intratable por otros medios). Fotografiaron también a alguien a quien J. W. conocía bien:

Michael Gazzaniga, famoso investigador del cerebro que había pasado mucho tiempo con J. W. Prepararon seguidamente una serie de imágenes en las que la cara de J. W. iba con­ virtiéndose en la de Gazzaniga (abajo) , y se las mostraron a aquél en orden aleatorio. El sujeto, al serie presentada una imagen, tenía Gazzaniga que responder a la pregunta: "¿Soy yo?". Se repitió el proceso haciendo que respondiera a "¿es Mike?". El experimento se repitió también con los rostros de otras personas a quienes J. W. conocía bien. Se observó que el hemisferio derecho de J. W. se activaba más cuando reconocía a personas que le eran familiares; en cambio, el hemisferio izquierdo exhibía máxima actividad cuando J. W. se veía en las fotografías. Estos hallazgos parecen respaldar la conjetura de que "el yo es especial." Pero la cuestión dista de estar resuelta, pues ambas posturas cuentan con indicios en su favor.

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les valía mejor para uno de los dos grupos (atlético, recio, rápido, para los jugadores; intérpret e, dramático y otras por el estilo, para los actores.) Compusieron también una tercera lis­ ta de palabras que no se aplicaban específicame nte a ning uno de lo s dos grupos (desordenado y fiable, por ejemplo). Después presentaron las palabras a sus suje tos y les pi­ dieron que decidieran, una a una, si les eran aplicables o no. Se observaron diferencias en los ce­ rebros de los voluntarios al responder a las distintas palabras. Las asociadas al fútbol tendieron a aumentar la ac­ tividad de una determinada red de los cerebros de los futbolistas, la misma que se activó en los actores con las palabras de su profesión. Cuando les fueron presentadas palabras corres­ pondientes al otro grupo, se activó una red distinta. Lieberman denomiINVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

na a dichas redes el sistema reflectivo (o sistema C) y el sistema reflexivo (o sistema X). El sistema C se conecta con el hip ocamp o y con otras regiones del cerebro de las que ya se sabe que recuperan recuerdo s. Tambi én inclu ye regiones capaces de aloj ar, de forma consciente, datos e infor­ maciones. Cuando nos encontramos en circunstancias nuev as, nuestr o sentimiento del yo se fund a en pen­ samientos explícitos sobre nuestras experiencias. Pero Lieberman sostiene que, con el tiempo , el sis tema X toma las riend as. El sistema X, en lugar de recuerdo s, codifica intuiciones; co­ necta con regiones que generan rápi­ das respuestas emotivas basadas, no en razonamientos explícitos, sino en asoc iaciones esta dísticas. El sistema X tarda en formar su conocimiento

de sí mismo, pues hacen falta mu­ chas experiencias para for mar esas asoci aciones. Pero en cuanto toma forma, se vuelve muy poderoso. Los futb oli stas saben si son atlé ticos, fuertes o veloces sin tener que con­ sultar sus recuerdos: tales cualidades están visce ralment e imbric adas en quiénes son. En cambio, no tienen ese mismo instin to por lo que se refiere a sus cualidades dramática s, y ante las palabras corres pondientes habían de pensar explícitamente en sus experie ncias . Los res ultados de Lieberm an pueden resol ver el miste­ rio del paradójic o conocimient o de sí mismo que tiene D.B., pues resul­ ta conce bible que su lesión cerebral eliminase su sistema reflectivo, pero no su sis tema refl exivo. La neurociencia del yo tiene en la actualid ad un verdadero auge, pero no carece de críticos. Según Martha

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Farah, neurocientífica de la cognición de la Universidad de Pennsylvania, muchos de estos estudios no están sometidos a ninguna restricción, por lo que no pueden enseñar nada. Los experimentos --obje ta- no se han diseñado con el cuidado necesario para evitar otras explicaciones, como, por ejemplo, que ciertas regiones del cerebro se utilizan para pensar en cual­ quier a, incluso en nosotros mismos. Heatherto n y ot ros científicos implicados en esas investigaciones cons ideran que Farah critica con dema siada dureza una especialidad que aún es demasiado joven. De to­ dos modos, están de acuerdo en que todavía tienen mucho que averiguar sobre la red de la propia identid ad y su funcionamiento.

El yo evolutivo Mejor conocid a, esa red ayudaría a comprender la evolución del senti­ mient o de nuestra prop ia identidad. Es probabl e que lo s prim ates an­ tepasados de los humanos tuvieran una conciencia corp oral básica de sí mismos como la que está inves­ tigando Blakemore con su equipo. (Es tudios realizados en monos in­ dican que predicen sus actos.) Pero los seres human os han desarrollado evolutivamente un sentimiento de su propi o yo sin par por su complejidad. La corteza prefrontal media es una de las regiones más característicamen­ te hum anas del cerebro. Lieberman considera que algo especial debe de hacer. No sólo es más grande en los humano s que en los primates no hu­ manos, sino que cuenta también con mayor concentración de unas neuro­ nas que presentan una forma ahusada muy singular. No se sabe todavía cuál es la función de estas neuronas, pero se sospecha que desempeñan un pa­ pel importante en el procesamiento de la información. Heatherton opina que la red del yo humana pudo haber evolucionado en respuesta a la compleja vida social de nuestros ancestros. Los homínido s vivieron durante millones de años en pequ eñas hordas, coo perando para buscar alimento y compartir lo que halla sen. Según Hea therton, esa for­ ma de vida requiere de autocontrol. Ha de haber coo peración y ha de haber confianza, conductas, sostiene, que exigen una fina conciencia de uno mismo.

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Que el yo humano en su plenitud fuese un producto de la sociedad ho­ mínida explicaría por qué existe tanta concordanci a entre cómo pensamos sobre nosotros mismos y cómo lo ha­ cemos sobre otros, y que no se limita a la empat ía física que Blakemore estudia. Los humanos tenemos asimis­ mo una destreza única para inferir las intenciones y pensamientos de otros miembros de nuestra especie . Se han escaneado los cerebros de algunas personas mientras se valía n de esa "teoría de la mente": algunas de las regiones del cerebro que se activan entonces forman parte de la red uti­ lizada al pensar en uno mismo (entre ellas, la corteza prefrontal media). Ambas capacidades, la de entender a otros y la de entendernos a nosotros mismos, son impresc indibles paran que un ser humano funcione como tal, piensa Heatherton. El yo, para desarroll arse por com­ pleto, necesit a tiemp o. Los psicólo­

gas saben desde hace much o qu e los niños tardan bastante en adquirir un sentimiento es table de quiénes so n. Chocan sus co nce ptos de sí mismos, pero no les crea el menor problem a, observa Lie berman. Los niñ os pequ eños no intent an dec irse a sí mismo s que sig uen sie ndo la mi sma persona . "Da la impres ión de que no integran en uno los frag­ ment os que compo nen el conce pto de sí mismo." Lieberman y sus colaboradores se preg untaron si no sería posibl e rastrear el mud able concepto de su yo que tienen lo s niñ os mediant e técni cas de toma de imágenes del cerebro. Han comenzado a estudiar un grupo de niños; proyectan rea­ lizarles escáneres cada 18 meses, desde los nueve hasta los 15 años de edad. Les piden que piensen en sí mismos y en Harry Potter. Han comparado la actividad cerebral en cada tarea y comparado a su vez los

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resultados con los corres pondientes a adultos. Al examinar a niños de 10 años han observa do la misma activación prefrontal media que en los adultos. Pero con respec to a otra región que se activa en los adultos, la prec uneal, la historia es diferente: cuando los niños piensan en sí mismos, exhiben menos actividad que cuando piensan en Harry Potter. Lieberma n sospec ha que en los niños la red del yo está todavía en­ trando "e n línea". "Tie nen lo que hace falta, pero no lo está n aplicando como los adultos."

Sobre el Alzheimer Sin embargo, en cuanto la red del yo entra "e n línea", trabaja a des­ tajo : pueden cerrarse los ojos, pero no resulta posible dejar de vivir en el cuerpo o de represe ntarse que se es el mismo que hace diez segundos o diez años, razo na William Seeley, neurólogo de la Universidad de Cali­ fornia en San Francisco: nunca, dice, se puede escapar del prop io yo; en consecuencia, la red tiene que estar trabaj ando siempre . Cuanta más energía consume una célula, tanto mayor es el riesgo de que productos sec undarios tóxicos la dañen. See ley sospec ha que las neuronas que realiza n los trabaj os más pesados son partic ularmente vulnerab les a lesiones de este tipo a lo largo de su vida. Esa vulnera­ bilidad, argumenta, podría ayudar a comprender mejor las dolencias del yo; así, añade, resulta curioso que no hayamos podido encont rar cier­ tos cambios pato lógicos debidos al Alzheimer o a otras demencias en las especies no humanas. Segú n See ley, los resu ltados de recientes tomas de imágenes cere ­ brales son coherentes con lo que él mismo y otros han observado en pacient es de Alzheimer y otras de mencias . Las neuronas de los enfe rmos de Alzheimer presentan pr oteínas enma ra ñadas . Entre las regiones qu e pri mero se de terio­ ran están el hipocampo y la región prec uneal; ambas participan en los recuerdos autobiográficos. Contr ibu­ yen a traernos imágenes de nuestro pasado y de nuestro futuro, y a que ju guemos co n ellas, exp lica See ley : "Quienes sufren de Alzheimer tienen menor capacidad de tras ladarse sin INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

brusq uedad por el tie mpo en uno y otro sentido" . Po r angustioso que res ulte ver cómo un ser querido sucumbe ante el Alzheimer, hay deme ncias que tienen efectos más violentos todavía sobre el yo. En la demencia frontotemporal, partes de los lóbulos frontal y tem ­ poral degeneran. En muchos casos, tambi én resulta lesionada la corteza prefro ntal media. Con los primeros estragos de la enfermedad en la red del yo, los pacie ntes pueden expe­ rimentar desco ncertantes camb ios de personalidad. Una paciente, que Seeley y otros describieron en 2001, en la revista Neuro logy, había estado coleccio nan­ do j oyas y cristalería fina durante gran parte de su vida. De pronto, a los 62 años, empezó a reunir ani­ males disecados. Esta mujer, con­ servadora de toda la vida, empezó a insultar en las librerías a quienes compraban libros de esa tendencia y a manifestar que "los republica nos (el partido conserva dor en EE.UU .) tend rían que ser erradica dos de la Tierra." Algu nos enfer mos se han convertido súbita mente a otras re­ ligiones o se obsesionaro n por la pintura o la fotografía. Y sin em­ bargo, este tipo de paciente apenas comprende por qué ya no son los mismos que eran. Se limitan a de­ cir que ahora son así. La demencia fronto tempora l les puede llevar a la muerte en pocos años. Michael Gazzaniga, director del Centro de Neuroc iencia Cognitiva de Darmouth y miem bro del Consejo Pres idencial de Bioét ica de Estados Unidos, cree que la desco dificación del yo puede plantear un problema ético de nuevo cuño . Ese desciframiento, cree, consis­ tirá en la elucidación de los cir­ cuitos de la identidad: la memoria autorreferente, la auto descripc ión, la personalidad, la conciencia de sí mismo. De ese modo se tendrá un conocimiento de lo que se requiere para que el yo permanezca activo. Es posi ble incluso -apunta- que llegue el día en que un escá ner ce­ rebral dete rmine si el Alzheime r o alguna otra demencia ha destruido el yo de una persona. Bastará to­ mar imágenes que demostrarán que ciertos circ uitos no funcio nan ya . Gazza niga se preg unta si no habrá entonces quienes tomen en cuenta

la eventual destrucció n de su yo al redactar sus testamentos vitales. Habrá que aprobar direc trices que establezcan si a una persona que se encuentre en esas circunstancias se la trata, de una neumonía, por eje mplo, o si se dej a que muera. Seeley ofrece un vaticinio más con­ servador. Aduce que no es probable que vaya a haber alguien a quien un escáner cerebral, por sí solo, le haga tomar decisiones que conciernan a la vida y la muerte. Seeley opina que el verdadero valor de la ciencia del yo quedará patente en los tratamientos de la enfermeda d de Alzhei mer y otras dem encias. Del conocimie n­ to de las regiones que intervienen en la representació n de uno mismo se pasará al de las células que las componen, y de ahí al de sus mo­ léculas cons tituyentes. Entonces se estará cerca de los mecanismos de la enfermedad. "Es a es", dice, "la mejo r razón para seguir con estas investigaciones. No se trata sólo de informar a los filósofos ."

El autor Carl Zirnmer es autor, entre otros, de

Soul Made Flesh: The Discovery 01 the Brain -and How It Changed the World.

Bibliografía complementaria A SElF LESS ORDlNARY: THE MEDI A PRE­ FRONTAL CORTEX AN O YOU . C. Neil Macrae, Todd F. Heatherton y William M. Kelley en Cognitive Neurosciences 11I, dirigido por Michael S. Gazzaniga . MIT Press, 2004. Is SElF SPECIAl? A CRITICAl REVIEW OF EVIOENCEFROM EXPERI MENTAL PSYCHOlOGY AN O COGNITIVE NEURO SCIENCE. Seth J. Gillihan y Martha J. Farah en Psycho­ logical Bulletin, vol. 131, n.O 1, págs . 76·97; enero de 2005. THE LOST SElF: PATHOl OGIES OF THE BRAIN AN O IOENTI TY. Dirigido por Todd E. Feinberg y Julian Paul Keenan . Oxford University Press, 2005. CONFlICT AN O HABI T: A SOCIAL COGNITIVE NEUROSC IENCE ApPROACH TO THE SElF . Matthew D. Lieberman y Naomi 1. Eisenberger en Psychological Perspec­ tives on Self and Identity, vol. 4. Dirigido por A. Tesser, J. V. Word y D. A. Stapel. American Psychological Association (en prensa).

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Eversión y cierre de los discos imaginales El ensamblaje del cuerpo de Drosophila adulta, a partir de 21 discos imaginales, está dirigido, en cada disco, por una pobl ación especializada de células que, en el proceso, adquieren capacidad invasiva y migratoria José Carlos Pastor Pareja, Enrique Martín Blanco y Antonio García·Bellido

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no de los aspec tos más fasc inantes de los seres vivos resid e en la variedad de cambios de forma que exper imentan dur ante su desarr ollo, La transform a­ ción de una semilla en un árbol o de un embrión en un hombre constituye un proceso complejo, cuyas etapas se suceden siguiendo un programa codificado en los ge nes . La metamorfosis de los insectos co nstituye quizás uno de los procesos que mejor eje mplifican los cambios de forma en los organismos. El desarr ollo metamórfico supone una rápid a transformación del indi vidu o j uvenil (la lar va) en una forma adulta radic almente distinta. Esta estrategia de desarrollo permite la adapt ación de las formas ju venil y adulta de un mismo organismo a ambi ente s y funciones muy distint os dentr o del ciclo biológico (figura 1). Los prim eros insectos en la escala evolutiva son ametábolos, esto es, carentes de metamorfosis. Hasta nosotro s han llegado algunos representantes: los colémbolos y los pececillos de plata . En ellos, el orga nismo ju venil es, en líneas generales, idéntico al adulto, aunque de menor tamaño y sin genitales funcionales. Los insectos hemimetábolos, entre los que se cuentan saltamontes, chinches o cucarachas, sufren una metamorfosis parcial. En sus estadios inmadur os, o de ninfa , se ase meja n a la forma del adulto y suelen portar primordios alares externos desde el primer estadio ninfa!. Los insec tos holometábolos, por últim o, acometen una metamorfosis completa tras varios estadios larvarios en los que la forma y biología de la larva son perfectamente distin guibl es de las del adulto. Dur ante la metamorfosis, para dar lugar al adulto o imago, la mayoría de las estructuras de la larva se reempl azan por estructuras ima­ ginales . Al grupo de los holometábolos, todos descendi entes de un anteces or común en el linaje de los insectos, pertenecen las maripo sas, las abejas, las hormig as, los escarabajos, los mosquitos y las moscas, entre ellas, Drosophila melan oga ster , la mosca del vinagre.

Los discos imagina les En los insectos holometábolos la epidermis del adulto crece únicamente dur ante el último estadio larvario y la metamorfosis. Pese a ello, much as especies han adelan­ tado el crecimiento de su epidermis adulta y la han desarrollado en forma de disco s imaginal es. Estos son sacos epiteliales conectados a la epidermis que proliferan en el interior del animal a lo largo de todo el desarr ollo larvario. Esta modificación del modo de crecimiento ancestral ha aparecido de manera independi ente hasta seis veces en el transcur so de la evolución de los holometábolos. Un holometáb olo con discos imaginales es Drosophila. 72

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

enero, 2006

Los discos imaginal es de Droso ­ phila provienen de grupos de célu­ las que se es pecifican en posiciones precisas de la epidermis del embrión. Una vez establecidos, los primordi os de los discos se invaginan y proli ­ feran en etapas larvarias, en forma de bolsas aplanadas, co nectado s a la epidermis por un tallo (fig ura 4) . Existe un disco imaginal para cada una de las seis patas, dos discos de ala, otro s dos de halterio (el seg undo par de alas modificadas de mosquitos y moscas), dos discos compuestos de ojo- antena, un disco de genitalia y así hasta un total de 21 discos. A partir de los discos imaginales se genera la epidermis entera de la mosca adult a, excluida la abdominal, cuyos segmentos derivan de grupos de células imaginales (histoblastos) , no invaginad os, que crecen siguiendo el patrón ances tral; proliferan sólo durant e la metamorfosis. En las prim eras horas de la meta­ morfosis, los discos imaginales del tórax (principalmente patas, alas y halt eri os) ev ierten y se ex pa nde n para acabar fusionándo se entre sí, sustituyendo a la epidermis larvaria. Horas más tarde, evierten los discos imaginales de la cabeza, fusionados de antemano . Por últim o, con la fusión de los nidos de histoblastos del abdo men durante el segundo día de metamor­ fosis se co mpleta la sustitución de la epidermis larvaria por la epider mis imagina!. oo j

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Dos hipótesis Los mecanismos responsables de la especificació n y subdivisión de cada uno de los discos en territorios con distintos destinos adultos son am­ pliam ente co nocidos . Sin embargo, cómo se efec túa y regula su proces o de eversión y fusión continúa siendo materia de debate. Estudios tempra­ nos reali zados en los años tre inta y cuarenta del pasado siglo por los pioneros de la genética del desarro­ llo CharIotte Auerbach y Co nrad H. Waddington sugiere n que el incre­ mento de tam año de los discos en las primeras horas de la metamorfosis, ejerce una presión sobre la membra­ na perip odial , epitelio escamoso que ocupa la mayor parte de una de las caras del disco, que acaba rompién­ dola permitiend o la evagi nación del tejido imagina!. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

HEMBRA

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1° ESTADIO LARVARIO

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2° ESTADIO LARVARIO

3° ESTADIO LARVARIO

1. CICLO BIOLOGICO DE DROSOPHllA MElANOGASTER. Nuestro conocimiento sobre los mecanismos del desarrollo procede en buena medida de la investigación sobre la mosca del vinagre, Drosophila melanogaster. Su facilidad de cultivo, manejo y manipulación genética han propiciado su adopción como organismo modelo en multitud de laboratorios. El ciclo biológico de Drosophila melanogaster se desarrolla a través de varias fases. El huevo eclosiona un día después de la puesta. Tras la eclosión, el animal atraviesa tres estadios larvarios, separados por mudas de la cutícula externa. Cuatro días después de la eclosión del huevo, la larva de tercer estadio deja de moverse y endurece su cutícula formando el pupario, en cuyo interior tiene lugar la metamorfosis. Finalmente, del pupario emerge el imago o individuo adulto.

Una proposició n alternativa basada en experimentos de evaginació n in vitro reali zados principalmente por James y Dianna Fristrom en los años setenta sugiere que la eversión de los discos vendría mediad a por cambios de forma ce lular que provoca rían la co ntracció n del epitelio peripodial y la apertura dellumen del tallo, permi­ tiend o la salida de los discos. Estos cambios de forma celular vendría n mediad os por la acció n de la ecd i­ sa na, hormona estero idea que coordi­ na la progresión de la metamorfo sis. A este modelo corres ponde la expre­

sión coloquial de que el disco se da la vuelta como un guante. Los dos mecanismos propuestos, el de rotura y el de ensancha miento del tallo, presentan diversas incertidum­ bres. Por un lado, la rotura epitelial constituye , en sí misma , un fenóme­ no drástico. No se conocen eje mplos similares en el desarrollo normal de ningún otro organismo. Por otro lado, un mecanismo basado sólo en cam­ bios de form a celular debe postul ar necesari amente cambios drásticos en el tall o, que sólo posee unas diez células en su perímetro.

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Reexam inar el mecanismo celular que conduce a la eversió n de los dis­ MUERTE CELULAR (APOPTOSIS)

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una mej or compre nsión de la biolo­ gía y evolución de la metamorfosis. Ade más, la eversión y cierre de los di scos pud iera n servir de mode­ lo para el est udio de movimientos morfogenéticos complejos en otros orga nismos en los que el abordaje genético resulta más difícil que en Drosoph ila .

Eversión del disco imaginal de ala CAMBIO DE FORMA CELULAR COORDINADO

INTERCALACION PLANAR

MIGRACION POR EPIBOLlA

FUSION PORUN BORDE LIBRE

FUSION EN EL PLANO

2. PROCESOS DE MoRFoGENESIS EPITELIAL. Las células de los discos imaginales, al igual que las de la epidermis larvaria a la que han de sustituir, están organizadas en forma de epitelio. Los epitelios son capas constituidas por uno o más estratos de células morfológica y funcionalmente polarizadas en el eje ápice-basal, el perpendicular al plano del epitelio. En el animal los epitelios recubren superficies exteriores (la epidermis, por ejemplol o limitan cavi­ dades internas. Cada una de las células de un epitelio se encuentra conectada a sus células vecinas, por uniones de adhesión intercelular, y a una lámina basal, compuesta por matriz extracelular. Muchos procesos morfogenéticos son, de un modo específico, procesos de morfo­ génesis epitelial. La capacidad de los epitelios de constituir un número limitado de estructuras espaciales, como pliegues, sacos y tubos, es uno de los principales determinantes de la forma animal y de la evolución de planes corporales complejos. En un proceso de morfogénesis epitelial, las células implicadas ejecutan una serie de acciones que conforman un repertorio de operaciones básicas. La división y muerte celulares contribuyen a la morfogénesis de epitelios, pero también intervienen otras acciones que suponen la reorganización del citoesqueleto y de las estructuras de adhesión de las células, y que son la base de los movimientos morfogenéti­ coso Así, las células de una capa epitelial pueden dispersarse por transición epitelio-mesénqui· ma, delaminarse individualmente, cambiar la forma o el tamaño celular de manera coordinada e intercalarse en el plano unas con otras. Además, un epitelio completo puede migrar y fusionarse con otro epitelio a través de un borde libre o en el plano.

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cos imagi nales es, pues, clave para

El disco de ala es el mayor y más accesible de los discos imaginal es. De este modo, secc iones hist oló­ gicas y de microsc opi a co nfocal, técni ca esta última co n la que se obtie nen imágenes tridimensionales de muestras teñid as con marcadores fluorescentes, y filmaciones in vivo en animales transgé nicos expresando proteínas verdes fluoresce ntes (GFP, green fiuoresce nt protein) de discos de ala han permitido disecc ionar el mecani smo celular de la eversión. En éste, parecen tener una funció n pri ncipal las células del tallo y la memb rana peripodi al identificables por la expres ión del gen p uckered (puc), que desemp eña un importante pape l en el proceso. En el inicio de la eversión, las cé lulas del tall o y el epitelio pe­ ripodial del disco se adhieren a la cara interna de la epidermis larvaria (figura 5). El contacto entre ambos epitelios (epidermis larvaria y disco) se prod uce a través de sus superfi­ cies basales, donde se observa una elevada concentración de fibras del citoesq ueleto de actina y desaparece la lámina basal. A esta adhesión le sucede la in­ filtració n de células peripodiales y del tallo en la capa epitelial larvaria adyace nte. Tal infiltración se produce en varios puntos próxi mos al sitio de inserción del tallo. Se asiste así a una susti tución progres iva de la epider­ mis larvaria por células del disco, de su tallo y su epitelio peripodia l. Este proceso podría describirse como una invasión de una capa epite lial por otra. El seg undo paso en la evers ión del disco es su apertura al exterior. Hac ia las tres horas y media después de la formac ión del pupario, y como co nsecuencia de su invasión de la INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

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epidermis larvaria (figura 6-3), parte del epitelio del disco ha colonizado ya la superficie del animal. En este momento se inicia la apertura del lumen del disco al espacio existente entre la pupa y el pupario. La comunicación del interior del disco con el exterior se produce a través de varias perforaciones simul­ táneas en el epitelio peripodi al (figu­ ra 6-4) que coalescen rápidamente en una sola (figura 6-5). Por tanto, la apertura por donde el disco evierte no es el tallo dilatado, sino una per­ foración producida ex novo. Una vez el lumen del disco se ha abierto, comienza un tercer y último paso: el ensanchamiento de la apertura inicial, que permite la eversión total del disco. Se crea dicho ensancha­ miento gracias a la incorporación de nuevas células peripodiales al contor­ no de la apertura. Para ello, las células peripodiales se intercalan en el plano y pasan a formar parte del borde incre­ mentando su perímetro (figura 6-6). (En la gastrulación de los vertebrados encontramos un fenómeno similar en el proceso de extensión convergente, por el cual las células epiteliales se reordenan, intercalándose en el plano, cambiando las dimensiones del teji do agrupándose en un eje.) Merced a la intercalación planar, se ensancha la apert ura inic ial. El disco entero la franquea y se exter ­ naliza. De ese modo, se co mpleta la eversión con la relocalización de las células del epitelio peripodial y el tallo a una banda proximal rodean do al disco. El mecani smo descrit o para la evers ión del disco de ala asegura, en contraste con los mecanismos pro­ puestos con anterioridad, una apertu­ ra ordenada del lumen del disco al exterior (fig ura 7). En ningún mo­ mento se rompe la continuidad entre la epidermis larvaria y la imaginal, produ ciéndose la evers ión no sólo como consec uencia de ca mbios de forma celular sino por la intercala­ ción gradual de células peripodiales al borde de la apertura. La funció n primordial del epitelio peripodial en los discos imaginales de Drosop hila consistiría en facilitar su eversión y cierre. Se trataría de un reservorio de células que, en el momento de la metamorfosis, suple­ mentan las del tallo, cuyo número result a insuficiente para generar la INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

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3. MOVIMIENTOS MORFOGENETICOS EN DROSOPHILA . En los últimos años se ha iniciado el abordaje genético de varios movimientos morfogenéticos en la mosca del vinagre Orosophila melanogaster, así como en otros organismos modelo. En Drosophila el primer movimiento morfogenético estudiado fue la gastrulación (a). Durante la misma, el ectodermo ventral del embrión se invagina; las células invaginadas sufren luego una transición epitelio-rnes énquima y se dispersan en el interior del animal, para dar lugar al mesodermo [las fotografías representan secciones transversales de un embr ión en etapas secuenciales de la gastrulación. El ectodermo ventral expresa la proteína Twist (marrón)). Otro movimiento morfogenético bien estudiado es el cierre dorsal lb), que ocurre al final de la embriogénesis . Los lados derecho e izquierdo de la epidermis avanzan hacia la línea media dorsal; se fusionan y sustituyen en la parte más dorsal del embrión a un epitelio transitorio, la amnioserosa (las fotografías presentan una visión dorsal de etapas sucesivas del proceso de cierre; el polo anterior del embrión se sitúa a la izquierda y el posterior a la derecha; las células más grandes de la amnioserosa son eliminadas progre­ sivamente de la superficie coordinadamente con el avance del epitelio lateral).

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4. EL DISCO IMAGINAL DE ALA. Una vez especificados en el ectodermo del embrión, los primordios de los discos imaginales de Drosophila se invaginan y permanecen en el interior de la cavidad corporal de la larva, conectados a la epidermis por un tallo. Durante el desarrollo larvario los discos imaginales, al tiempo que proliferan, experimentan sucesi­ vos procesos de especificación territorial. El disco acaba adoptando la forma de un saco aplanado, con dos lados que encierran un lumen. En A se muestra una sección transversal de un disco de ala de tercer estadio larvario; en B dos imágenes confocales de un mismo disco, enfocada la primera en su lado imaginal y la segunda en su lado peripodial. El lado imaginal es un epitelio columnar que contiene la mayoría de las células del disco. Del lado imaginal del disco se desarrolla, además del ala propiamente dicha, el notum (parte dorsal del tórax). En el lado peripodial, la densidad celular es mucho menor y las células son más aplanadas constitu yendo un epitelio escamoso : el epitelio peripodial.

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5. INVASIDN DE lA EPIDERMIS lARVARIA. Sección transversal de una pupa temprana que muestra el epitelio peripodial (coloreado en rosa) adherido a la epidermis larvaria. la adhesión entre las caras basales de ambos epitelios constituye el primer paso en el proceso de eversión del disco. El epitelio imaginal aparece coloreado en sepia.

apertura por la que el disco evierte. El epitelio perip odial, adquirido pro­ bablemente en el curso de la evolu­ ción, perm itir ía, pues, la eversión de discos de gran tamaño posibilitando su externalizac ión.

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El cierre de los discos La banda de células peripodiales y del tallo que rodea al disco de ala evertido contrae una función caracte­ rística. Es la región que va a dirigir el proceso de expansión del disco y su fusión con los otros discos del tórax, para sellar la epidermis adulta. Antes de que concluya la eversión, las células que forman el borde de la apertura del disco de ala en su parte ventral y lateral se encuentran ya en contac to con las células del borde de los discos de pata y halterio ipsilate­ rales (de su mismo lado, izquierdo o derecho). En la parte dorsal del ani­ mal, sin embargo, los discos contra­ laterales de ala se encuentran tras la eversión a considerabl e distancia .

La fusión en la línea media dorsal para cerrar el notum se produce por epibolia, nombr e genérico que recibe la migración de un epitelio con un borde libre sobre otra capa epitelial. Los discos migran sobre las células epidérmicas larvarias que los sepa­ ran; en el proceso, la región dorsal del borde de la apertur a actúa como un frente de avance (figura 8) . CELULAS PERIPODIALES

1

Las células del perím etro del disco ac umulan actina filamentosa y de­ sarrollan estructuras (lamelipodios y filopodios) que les permiten moverse y avanzar hacia la línea media dorsal. El movimiento dorsal de los discos de ala concluye hacia las cinco horas y media desde la formación del pupario con el cierre de la epidermis imaginal del tórax. Tras el cierre, las células

EPIDERMIS LARVARIA

2

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6. APERTURA DEL lUMEN DEL DISCO Al EXTERIOR. las células peripodiales y del tallo invaden la epidermis larvaria gradualmente (1 a 3). Entre estas células que ahora se encuentran en la super­ ficie de la pupa se abren varios agujeros que comunican el lumen del disco con el exterior (4). los agujeros coalescen rápidamente en una sola apertura (5). Esta apertura se ensancha luego con la

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incorporación de nuevas células a su borde por intercalación planar (6). la imagen de la derecha corresponde a una pupa a las tres horas y media desde la formación del pupario; muestra que las células peripodiales y del tallo, que expresan el gen puckered (mar­ cadas por la expresión de una proteína verde fluorescente (GFP), forman el borde de la apertura por la que el disco evertirá.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2006

LARVA 3

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7. EVERSION DEL DISCO DE ALA. En este esquema se resume la externa lización del disco en las primeras horas de la meta· morfosis. Las células peripodiales y del tallo invaden y sustituyen en la superficie de la pupa a la epidermis larvaria; se comunica el lumen del disco con el exterior por medio de varios agujeros; los agujeros coalescen en una sola apertura; el disco acaba de evertir cuando todas las células peripodiales pasan, por intercalación planar, a formar parte del borde de la apertura. El disco evertido queda así rodeado, en su contacto con la epidermis larvaria, por una banda de células del epitelio peripodial y del tallo. Mediante estas células se unirá después al resto de los discos para sellar la epidermis adulta .

del borde empiezan a perderse de ma­ nera gradual y muy pocas sobreviven en la epidermis del adulto. El mecanismo de eversión y cierre de los discos de ala es similar en los de pata y halterio. Los discos de pata del primer segmento toráci­ co (T 1) presentan, sin emba rgo, una peculi aridad : las células perip odiales de ambos discos, izquierdo y dere­ cho, entran en contacto en el estadio de larva 3 y, como consecuencia, la coalesce ncia de las perforaciones ini­ ciales produ ce una sola aper tura para las dos patas, que se comportan en su eversión co mo un único disco. Los dos discos compuestos de ojo ­ antena, que poseen tambi én un epi-

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PUPARIO EPIDERMIS LARVARIA

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MEMBRANA PERIPODIAL y TALLO

telio perip odial que expresa pu c, se fusionan entre sí y con otros de me­ nor tamaño en el interi or del anima l para constituir la cabe za que evierte, tal como sucede con los discos de pata T I, como una sola unidad. Por últim o, la expresión del gen pu c en una población de células apIa­ nada s en el disco genital, tanto en machos como hembras, da a entender que su eversión podría obedece r a un mecanismo similar al descrit o. En resumen, todos los discos ima­ ginales de Drosophila parecen evertir y fusionarse por un mecanismo pro­ movido por las células peripodiales y del tallo, similar, con variaciones menores, al que hemos expuesto para el disco de ala.

Transición epitelio-mesénquima parcial Dura nte el proceso de evers ión y cierre de los discos se observan im­ portantes cambios de forma celular, aunque los sucesos más relevantes son los relacionad os con la modulación de las propiedades de adhesión en las células peripodiales y del tallo. La aposición entre las células pe­ ripodiales y la epidermis larvaria a través de sus superficies basales y la posterio r infilt ración celular tie­ nen las carac terísticas de un proceso invasivo; se obse rva una acumula­

ALA DORSAL •

ALA VENTRAL

•

PLEURA

ción de actina a ambos lado s de las membr anas plasmáticas en la zona de contacto y la degradación de la lámin a basal. A ese respecto, im­ porta señalar que los mutantes para las metaloprot easas encargadas de la degradación de matriz extrace lular descubi ert as en Droso p hila, mmpl y mmp2, presentan , entre otras ano­ malías, defectos en la eversión de los discos y el cierre del tórax. En los procesos del desarrollo normal en otros orga nismos y en las me­ tásta sis tumorales met aloproteasas homólogas a éstas participan en la disolución de la lámina basal. Avanzado el proceso, la intercala­ ción celul ar evidencia una flexibiliza­ ción de los contactos ce lulares, que no ocurre en ningún otro momento o lugar del disco de ala. Las célu­ las perip odiales y del tallo pierden sus zonula adherens y sus uniones se ptadas (figura 9), las principales estructuras apicales de adhesión in­ tercelul ar en epitelios de artrópodos (la zonula adherens se encuentra en todos los animales). Finalmente, para producir el cierre en la línea media dorsal, las células del frente de avance adoptan un feno­ tipo migratorio. Dichas células emiten lamelipodios y filopodio s de actina, a semeja nza de los fibroblastos y otros tipos de células migratorias.

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8. CIERRE DEL TDRAX. Fotogramas de una filmación del cierre

del notum en una visión dorsal, entre las cu atro y las cinco horas y media después de la formación del pupario (anterior es arriba y posterior es abajo). Una vez producida la eversión, los discos de ala

Todas estas acciones que cél ula s peripodiales y del tall o protagonizan en la eversión y cierre de los discos no son propias de células epiteliales. Los comportam ientos de scritos indi­ can qu e las célula s peripodi ales y del tall o pierden, a lo largo del proceso, su carácter epitelial y adq uieren un fenot ipo me se nquimal, fenóm eno conoc ido co mo transición epitelio­ mesé nquima. Proc esos similares han sido de s­ cr ito s para ex plicar la formaci ón de l mesodermo en la gastru lación, la migración de la s célu la s de la cresta neural de vert ebrados y para la adq uisic ión de fe notipo invasivo en carcinomas. Con todo , la pérdida de carácter epite lial que sufren las células per ipo­ dia les y del tallo no es una tra nsició n epitelio-me sénq uima completa. Es as cé lulas invad en la ep idermis larvaria sin haber abandonado su distribución ep ite lia l. Por tanto, mantiene n una fluidez en su adhes ión intercelular, al tiempo que cierta cohesión, tanto en el borde de la ape rtura como en el fre nte de avance de la línea media dorsa l. Además, esta s cé lulas reco­ bran su carácter epite lial al finalizar el proceso de fusión. Aunq ue la tran sici ón epitelio-me­ sénquima suele describirse como una respuesta todo o nada, con sólo do s esta dos pos ibles, estas observaciones ponen de relieve que células instala­ da s en un es tado intermedio de tra n­ sició n ep itelio -me sénquima pued en desempeñar papeles releva nte s en procesos morfogen ét ico s.

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izquierdo y derecho migran sobre la epidermis larvaria hacia la línea media dorsal, donde se fusionan. Las células del frente de avance, procedentes del epitelio peripodial y del tallo, expresan el gen puckered (marcadas por la expresión de GFP-en blanco).

Además del cierre de los discos imaginales, existe n nu merosos pro­ cesos de migración y fusió n de ep i­ telios a travé s de bordes lib res. Por su inter és clí nico destacan el cierre de heridas y la fusió n de l paladar en ver tebrados. Es de resalt ar que, en ambos casos, las células impli­ cadas exhiben análogamente el tipo de plastic idad en su carácter ep itelial que se observa en la fusión de los discos .

Cascada de señalización de JNK El proceso de eversión y cierre de los disco s imaginales ha de ser co n­ tro lado espacial y temporalme nte en coordinaci ón con el resto de los me­ ca nismos morfa genéticos qu e tie nen lugar dura nte la met amorfosis. En par ticular, los cambios de for ma ce­ lulares y las prop iedade s de adhesión de las célula s peripodiales han de ser reg uladas de una for ma altamente prec isa. Uno de los meca nismo s de trans­ ducc ión de seña les utilizados en el proce so de fusión de discos imagina­ les es el de la ruta de señalización de JNK (kinasa amino-ter mina l de Jun). En Drosop hila , el núcleo de la vía de transducció n de seña les de JNK lo componen el hom ólogo de JNK codificado por el gen basket (bsk) , un miembro de la familia de las MAP­ kinasas (figura 11), y la kinasa que la activa por fosforilació n, la JNK-kina­ sa codificada por el gen hem ipterous (hep ). Bsk, a su vez, fosfo rila y activa a los fac tore s de tra nscripc ión Jun y Fa s, que regulan la transcripci ón

de genes diana. No se conoce n las seña les por las q ue la activ idad de la cascada se reg ula. La expresió n del ge n p uc , en las cé lulas peripodiales y del tallo qu e van a dirigir la eversión y fusió n de los discos depende de la actividad de la cascada de se ña lización de JNK y en su au sencia, en discos mu tan tes hep r75, es suprimida. El gen pu c co­ difica una enzi ma, la JNK-fo sfatasa, que defosforila e inactiva a la JNK, pro duc to de l gen bsk. Así pues, p uc me dia un bucle de retroa lime ntación negativa que controla el nivel de la se ñal de JNK. La red ucc ió n de activida d de la cascada de señalización de JNK en co ndicio nes muta ntes para distintos de sus compo nentes provoca defectos en la fusión de los disco s imagi nales en diverso grado . Se trata de mut a­ cio nes letales o qu e prod uce n moscas adultas cuyo s discos de ala no se han fusio nado en la línea medi a dorsa l o no han llegado siquiera a evertir y se enc ue ntra n todavía en el interior de l animal. Así, po r ejemplo, los mu tan tes hep r75 6 horas después de la formac ión del pupario, mom ento en que el cierre de los discos del tórax se ha completado ya en pu­ pas silvestres, muestran defectos qu e van desde la falta total de eve rsión de l di sco hasta defectos de fusión en la línea me dia dorsal. En raras oca siones el animal alca nza el estadio ad ulto, en cuyo caso pre senta gra­ ves defect os en el cierre de la línea media (figura 10). Alterna tivamente , la sob rexpresió n de pu c prod uce los

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9. TRAN81CIDN EPITElID·ME8ENQUI· MA PARCIAL. Las células del frente de avance de los discos, aunque se mantienen cohesionadas, pierden sus l onula adherens y uniones septadas. Dichas estructuras forman un cinturón alrededor de cada célula epitelial y la mantienen estrecha­ mente unida a sus vecinas. En la imagen se muestra la expresión, detecta da con un anticuerpo, de la prote ína Discs large (Olg, en verde), que forma parte de las uniones septadas. Las fibras del citoesqueleto de actina que se concen tran en gran cantidad en el fren te de avance están marcadas con faloidina en la imagen superior (roj o). Las flechas señalan la dirección de migración del notum hacia la línea media dorsal. La línea de puntos indica el borde libre del epitelio. En esta imagen se observa que las células correspondientes al frente de avan­ ce carecen de Olg y, por tanto, de uniones septadas, indicando que han perdido su carácter epitelial.

mismos efectos. De es ta forma, el pro ceso puede ser bloq ueado abso­ lutamen te desde su primera eta pa , la eversió n de los discos, ac tiva ndo es te regu lad or negativo de la cascada. La funció n de la cascada de JN K, pues, parece req uer irse en tod os los pasos del proceso . Los defectos que provoca la red uc­ ció n de ac tividad de la se ñalizació n de JNK reve la que és ta es nec esaria en las cé lulas peripo diales y del tall o para la eversión y cierre de los dis­ cos. De es te mod o, la localización de co mpo nentes de la zonula adherens en las células del fre nte de avance durante el pro ceso de evers ión y fu­ sión en disc os mutantes hep r75, a di­ fer encia de lo que aco ntece en discos silves tres, no se modi fica. Es to viene a indica r que la pérdida de polaridad ápico -basa l y e l carác ter epitelial de las cél ulas peripod iales y de l tallo (transición epitelio- rnesé nq uima) no ocurre en la mism a med id a que se ob serv a en individuos silves tres. Un efec to opuesto se obse rva cuan­ do se incre me nta el nivel normal de ac tiv ida d de JNK . En co ndicio nes mutantes e n que es to oc ur re, los discos imag ina les tamp oco se fusio­ nan, pero en es te caso las cé lulas del fre nte de avance adoptan una form a redondeada y se despegan de los discos. Así se obse rva en moscas

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NOTUM

mutantes puc E69 -F , en las qu e se ha­ lla red ucid a la func ió n del regulad or negativo de la rut a y que presentan un cierre defectu oso del notum en la lín ea medi a dorsal (figura 10). No se trat a de una incapacidad de las cé lulas para mi grar, sino de un a tran­ sic ión epitelio- mesénquima excesiva que lim ita la ca pac ida d de fusión de los discos. Por tanto, la ac tividad de la cas­ ca da de JNK dict a el grado de la tran sición epitelio- mesénquima que ex perime ntan las cél ulas peripodi ales y del tallo durante la eversión y cierre de los discos. El mantenimiento de un ni vel adec ua do de se ña lizació n por JNK es necesar io para que el pro­ ceso se desarrolle de forma co rrec ta. Có mo la acti vid ad de la JNK afecta al desen samblaj e de las zonula ad­ herens para flexibi lizar la adhes ión interce lular y hacer perder a es tas cé lulas su polarid ad áp ico- basal y su carác ter epite lia l, es desconocido.

Función de JNK en otros procesos de cierre epitelial La primer a func ió n identifi cada en Drosophila par a la cascada de JNK fue su co ntribució n al cierre dor sal em brio nario. Es te movim iento mor-

EPIDERMIS

LARVARIA

foge nét ico es un proceso de fusión epite lia l medi ant e el cual la epider­ mis del embrión se cierra en la lí­ nea medi a dorsal sust it uye ndo a la amnioserosa, un ep itelio tra nsitorio. La act ividad local de la cascada de JNK se req uiere en el cierre dorsal para la correcta func ió n del bord e libre del epite lio, lo mi sm o que en la eve rs ió n y c ier re de los discos imagi nales . La inte rve nció n de la vía de JNK en es tos dos procesos de cie rre epi­ teli al ha llevado a postular qu e el cierre de los discos imagina les en holometábolos recapitu la el proceso más ge neral y temprano de cierre dorsal del embrión de los ar trópo­ dos (insectos, crus táceos, arác nidos y mir iápod os). Un mó dulo co nse r­ vado de ge nes - inc luidos los de la cascada de JNK- habría sido cooptado al aparecer en los insec­ tos la met amorfosis pa ra regular la ex pansió n y fusión de los discos. Sin embargo, no hay pru eb as suficientes pa ra que es ta recapitulac ió n se pue­ da co nsiderar co mo una coo ptac ión de un mecan ism o preexiste nte. La epide rmis dorsa l del e mbrió n y la del adu lto so n homól ogas sec ue n­ cialmente, siendo los mism os ge nes

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10. MUTANTES JNK. Tanto la falta como el exceso de señalización de la vía de JNK en las células peripodiales provocan defectos en la eversión y cierre de los discos. En el tórax adulto silvestre (panel central superior-WT) se observa que la fusión de los dos discos en la línea media se realiza con total precisión (anterior es arriba y poste­ rior es abajo). En mutantes hemipterous (panel izquierdo) y puckered

los que confieren identid ad en el eje dorsoventral en ambas; constituyen dos versiones suces ivas de la misma región del animal. Do nde sí se ma nifies ta que la casc ada de JNK for ma parte de un módul o funcional coop tado es en el cierre de herid as de Drosophíla . Lo mism o que en el cierre dorsal y el de los discos imaginales, la casc ada de JNK se activa en el borde libre de la herida y es requerida para la cica­ trización del epitelio. En este, como en los procesos de cierre epitelial, el gen pu c se conserva como un gen

(panel derecho) la fusión no se completa y se observa un surco en la línea media dorsal del tóra x adulto. Ello es debido (esquema inferior) a que la capacidad migratoria de las células del frente de avance depen­ de de la actividad de JNK: si no es suficiente (mutantes hep(75), las células son incapaces de migrar; si es excesiva (mutantes puc E69.F), las células se desprenden y el frente de avance deja de ser funcional.

diana de la activación de JNK. Otros efectores potencialmente conservados que pudieran regular la activ idad del citoesqueleto y la motili dad celular son desconocidos. Tampoco se cono­ ce, en ninguno de los tres procesos, qué señales inician la actividad de la casca da de JNK. La vía de JNK es también nece­ saria en vertebrados para procesos epiteliales de fusión (cierre del tubo neural, cierre de la fisura ótica , cierre oc ular y cica trizac ión de heridas). Esta conservación reafirma la existen­ cia, preservada por la evolución, de

un módulo de actividades genéticas especializado que incluye la casc a­ da de JNK. Resultaría del máxim o interés averiguar si, en procesos del desarrollo de otros orga nismos en que también se forma un borde li­ bre (por eje mplo, epibolia de aves y peces teleósteo s), interviene este modul o funciona l. Las vía s de transducción de se­ ñales, pese a su co nservación en el curso de la evolución, generan res­ puestas ce lulare s muy distint as en diferentes organismos y en contextos dispares en un mismo organismo. La

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11. VIA DE JNK. La ruta de transducción de señales de la kinasa ami­ no-terminal de Jun (JNK) es una de las vías de señalización implicadas en la eversión y cierre de los discos. La JNK pertenece a la familia de las MAP·kinasas IMAPK), que los organismos eucarióticos han manteo nido en el curso de la evolución. Las cascadas de señalización de las MAPK median la respuesta de las células ante señales muy dispares: factores de crecimiento, citoquinas y diversos tipos de estrés. Las MAPK son fosforiladas por MAPK-kinasas (MAPKK), activadas éstas a su vez por MAPKK-kinasas. El núcleo de la cascada en Drosophila lo componen los homólogos de la JNK-kinasa y la JNK, codificados respectivamente por los genes hemipterous (hep) y basket (bsk). Los factores de transcripción DJun y DFos (Kayak), fosforilables por Basket. med ian los efectos de la cascada sobre la expresión génica. Un gen cuya expresión depende de la actividad de esta vía es puckered. Este gen codifica para una JNK-fosfatasa que defosforila e inactiva a Basket, mediando un bucle de control por retroalimentación negativa sobre la actividad de la ruta .

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conservac ión de la funció n de JNK en todos es tos procesos de fusió n epitelial encarna un caso extraordi­ nario de asoc iación de una actividad molecular a una respuesta morfoge­ nética concreta.

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Queda n mu chos interrogan tes que responder sobre la fusión de epitelios dur ante el desarrollo de los orga ­ nismos. El estudio de la eversión y cierre de los discos imagi nales, fácil­ mente abordable a nivel genético en Drosophila, puede ser determi nante en la compre nsión de los mecanismos básicos reg uladores y efec tores en estos procesos. El mecani sm o funciona l por el que la cascada de JNK controla la evers ión y cierre de los discos es desconocido. Se ignora cómo las cé­ lulas del frente de avance modul an y sostienen el equilibrio entre motili­ dad y adhesión y cómo la adhesión celular es reg ulada en resp uesta a la JNK. Igualmente, la seña l o se­ ñales que determin an la activac ión de la casca da de JNK en las células peripodiales y del tallo no han sido identi ficadas; ésta no parece ser una res puesta hormonal a la ecdisona, hormona estero idea que dese ncade na la metamorfosis. La identificación de otras vías de señalizac ión co mplementar ias a la de JNK, co mo las identi ficadas en el proceso de cierre dorsa l embrio­ nario, que pud ieran intervenir en el proceso, per manecen sin resolver,

así como los compo nentes estruct u­ rales y regul adores de la adhesión y el citoesq ueleto en la evers ión y el cierre. Una importante carac terística de los procesos de fusión es la necesaria exis tencia de un mecanismo de re­ conoci miento que permita el correc­ to ordenamie nto espacial de tejidos originados a considera ble distancia. En el proceso de cierre, los discos imaginales, cuyo patró n bás ico se preestablece durante el desarro llo lar­ vario, no sólo han de contacta r, sino que deben alinea rse ajustadamente dur ante su fusió n. De la ex istencia de este tipo de mecanismo dan prueba las fusiones cruzadas ocasionales de seg mentos (figura 12) , que se producen en anima les mutan tes co n ide ntidad segmental alterada [trip les mutantes

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b

12. RECONOCIMIENTO DE VALORES POSIC IONALES. En mutantes bithorax postbitho­ Ultrabithorax, el tercer segmento torácico (T3). que en moscas silvestres es de tamaño reducido y no porta alas, se transforma en un segmento torácico 2 adicional (T2') (a). En ocasiones (b), en estos mutantes, los discos se fusionan de forma cruzada (flechas) que producen, no obstante, un notum con sus dos mitades izquierda y derecha perfectamente alineadas a lo largo de la línea media (línea). Dado que el patrón del notum se ha establecido ya en la larva, las fusiones cruzadas indican la existencia de un mecanismo de reconocimiento implicado en el alineamiento de las células de idéntico valor posicional a lo largo del eje anterior-posterior en el notum de la mosca.

rex, con dos lesiones distintas en el gen de identidad segmental

Bithorax prese nta n una transfor ma­ ció n homeótica del tercer segmento torác ico (T3) en un segundo seg ­ mento torácico adicional (T2') ]. En estos animales mutantes en los que se desarrollan dos mesotórax y cuatro alas, a baja frecuencia, los segmentos se fusionan de manera escalonada aberrante: un disco T2 co n el T3 co ntra lateral tran sformado a T2'. A pesar del error, el alinea miento de los discos en la línea media del

notum es correcto. Así pues, existe un mecan ismo de reco nocimiento a lo largo de la línea medi a dorsal ne­ cesario para el alinea miento de las células con idéntico valor posicional en el eje antero-poste rior del notum del animal. Dicho mecan ismo podrí a participar en la guía de la migrac ión de los discos, ajustar su fusión tras su contacto o quizás ambos procesos . Su caracterización permanece pendi ente de ser investigada.

Los autores Antonio García-B ellido es profesor de investigación del CStC y dirige el Laboratorio de Genética del Desarrollo del Cen tro de Biología Molecular Severo Ochoa, en Madrid, dedicado al estudio del desarrollo de los discos imaginales de Drosophila. Enrique Mart ín-Blanco, científíco titular del CSIC, coordina el grupo de Señalización Celular en Desarrollo del Instituto de Biología Molecular de Barcelona en el Pa rc Cientific de Barcelona. José Carlos Pastor ha estudiado la eversión y cierre de los discos irnaqi­ nales en los laboratorios de ambos. Actu almente es un investigador postdoctoral en la Universidad de Vale.

Bibliografía complementaria WG AND EGFR SIGNALLlNG ANTAGONISE THE DEVELOPMENT OF THE PERIPODlAL EPITHELlUM IN Ono· SOPHllA WING üiscs. L. A. Baena-López, J. C. Pastor-Pareja y J. Resino en Deve/opment, vol. 130, págs. 6497·6506; 2003. DnosoPHll A MATRIX METALLOPROTEINASES ARE REOUIRED FOR TISSUE REMODEUNG, BUT NOT EMBRYONIC DEVELOPMENT. A. Page·McCaw, J. Serano, J. M. Sante y G. M. Rubin en Deve/opmenta/ Cel!, vol. 4, págs . 95·106; 2003.

INVASIVE Cm BEHAVIOR DURING tuosonou IMAGINAL ürsc EVERSION Is MEDIATED BY THE JNK SIGNALlNG CASC ADE. J. C. Pastor-Pareja, F. Grawe, E. Martín- Blanco y A. García·Bellido, en Deve/opmenta/ Cel!, vol. 7, págs 387·399; 2004.

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Fármacos , . transgenlcos

Se han modificado genéticamente cabras para que produzcan una proteína terapéutica en su leche Gary Stix

as prot eín as vienen a ser el petróleo en bruto de la biotecnología . Dur ant e gran parte de sus 30 años de historia, la indu stria se ha esforzado por hallar una fuente de suministro de tales macro­ molécul as en células de ovario de hámster y otras similares. A finales de los años noventa del siglo pasa­ do, con la llegada de los anticuerpos monoclonales (una nueva clase de fárm acos basados en proteína s), la dem and a super aba la pr odu cción . Durante decenios, los investigadores que crearo n la eritropoyetina recom­ binante, para renovar los hematíes, y los anticuerp os monoclonal es, para combatir el cáncer, han buscado for­ mas alternativas de producción. Tras una larga espera, podría entrar en funcionamiento un nuevo biorreac­ tor, un animal modifi cado por in­ geniería ge nética para que produzca

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una proteína terapéuti ca en su leche. La Age ncia Europea de Evaluación de Medicamentos (EMEA) está so­ metiendo a ensayo la aplicación de una proteína anticoagulante, la an­ titrombina humana, produ cida en la lech e de cabra, para el tratamiento de una enfer medad heredita ria. La autorización de ATryn, el fármaco en cuestión, culminaría un tortu oso ca mino de 15 año s para los labora­ torios GTC Bioth erapeutics, empresa de Framingham. La posibilidad de obtención de medi camen tos tran sgéni cos arran­ ca de mediados de los ochent a. La indu stria biotecnológica se planteó fa bricar proteín as complejas, en par­ ticular, desarrollar un proceso de ob­ tenci ón de estas macromoléculas que garantizara la conformación correcta de las misma s así co mo el aloj a­ mi en to apropiado de sus azúcar es superficiales .

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1. ORDEÑO DE UNA CABRA TRANSGE· NI CA. El animal segrega en su leche una proteína de interés farmacológico.

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Las células de ovario de hámster chino realizan ya la tarea, pero con un rendimiento escaso . Además, los cultivos celulares de mamífero no ofrece n siempre un medio ideal; en ocasiones, la producción de proteínas resulta inviable. Al tratar de mejorar la eficiencia del proceso, los expertos se han percatado de que las glándulas ma­ marias de vacas, conejos y cabras, entre otros, constituyen centrales de producción de proteínas en potencia: posee n una notable capac idad de fa­ bricar grandes volúmenes de proteí­ nas complejas . Además, las glándulas secretoras de leche no necesitan el cuidado constante que requieren los cultivos celulares . Los laboratorios Genzyme, matriz de GTC Biotherapeutics, había co­ menzado a interesarse por el asun­ to tras la adquisición de Integra ted Genetics en 1989. Contaba ésta con un elenco de fármacos y elementos de diagnóstico. Para su dirección, se contrató a Harry Meade, quien, junto con Nils Lonberg, había pate ntado un método de extracción de proteínas terapéuticas de ratones. A principios de los años noventa, Genzyme introduj o entre sus obje ­ tivos la producción de fár macos en la leche de cabra. Decidió dejar los transgé nicos en manos de su filial Genzy me Transge nics (rebautizada luego como GTC Biotherapeutics), que se encargaría de la producción de medicamentos para otras firmas.

Cabras productoras de medicamentos Al principio, GTC creó cabras trans­ génicas mediante la microinyección del gen que codifica la pro teína hu­ mana de interés (junto con el ADN que promueve la activac ión de ese gen en la leche) en el núcleo en desarrollo de un embr ión unicelu­ lar. Los embriones se implantaban entonces en las hembras, cuya pro­ genie se analizaba para determin ar la presencia del nuevo gen. La leche de esos animales "pioneros" contiene la proteína terapéutica , que luego

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CABRAS TRANSGENICAS: BIORREACTORES PARA LA PRODUCCION DE FARMACOS GTC Biotherapeutics ha desarrollado un método de producción de fármacos mediante animales transgénicos. Para ello ha empleado dos técnicas básicas de obtención de animales transgénicos. La más clásica , la microinyecci ón (que se apoya en la inserción de un gen en un embrión), se ha empleado en la fabricaci ón de un fárm aco anticoa gulante

En la microinyección y en la clonación, 1 el activador de un gen de producción de leche (un promotor de la beta caseína) se une a un gen de la proteína terapéutica.

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Embrión Inyectado con el constructo génico Cría transgénica En la microinyección el paquete génico, 2 o constructo, se inyecta en (arriba),

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el núcleo de un embrión unicelular. En la clonación (abajo), el constructo se transfiere (transfecta)a otras células; entonces una célula seleccionada que contiene el constructo se fusionacon un óvulo al quese le ha extraído el núcleo, formando un embrión. Enambos métodos, los embriones se transfieren luego a unahembra receptora.

Hembra receptora

La progenie se analiza

para determinar la presencia del transgén.

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Clonación Células expuestas al constructo

debe someterse a un proceso de pu­ rificación. A continuación, se cruzaban cabras tran sgénicas madur as con machos no transgénicos para formar un rebaño. Pero la eficacia de la microin yec­ ción dejaba mucho que desear: sólo entre el 1 y el 5 por ciento de los embriones se convert ían en animales transgénicos. Para la obtención de sus fármacos más recie ntes, GTC ha aplicado otra técnica, que asegura que el animal portará el transgén deseado: la trans­ ferencia nuclear en células somáticas, o clonación. (La propia oveja Doll y se clonó para desarrollar un método de obtención de animales transgéni ­ cos con rasgos de interés.) GTC escogió las cabras porque se repr oducen más rápidam ente que

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Célula seleccionada

Célula fusionada con un óvulo enucleado de cabra

las vacas y ofrece n un rendimiento proteico superior al de los ratones o los conejos . Otras iniciativas, inclu i­ do un nuevo proyecto de GTC, han optado por las vacas . Pharming, una comp añía con sede en Holanda, se propone obtener fárma cos en leche de vacas y conejos . Otros han deci­ dido produ cirlo s a partir de huevos de gallina. Después de llevar a cabo el desarroll o básico de la téc nica durante los años noventa, GTC se presentó ante el mercado como una plataform a biotécnica para compa­ ñías interesadas en la fabricación de proteín as farmaco lógicas de difícil obtención o demandadas en cuantía elevada y cos te bajo. Pero se en­ frentaba a un problema espinoso, el de la aprobación de un fármaco transgénico.

GTC necesitaba demostrar el po­ tenci al de esta técnica. A finales de los años noventa, empezó las pruebas clínicas con antitrombina humana en pacientes sometidos a revasculariza­ ción quirúrgica (bypass) que habían desarrollad o resistencia a la heparina (un anticoag ulante). Con la antitro m­ bina transgénica se buscaba mejorar la disponib ilidad de la misma y ob­ viar las retice ncias ante el fármaco aislado de sangre humana. La com­ pañía culminó los ensayos clínicos. Pero cuando la Agencia Federa l de Fár macos y Alimentos (FDA) es­ tado unidense so licitó más datos a finales de 2000 (lo cua l requ erí a experimentación adicio nal), Sandra Nusinoff Lehrman, responsable del proyecto, descartó realizar el esfuer­ zo. A Lehrman le sucedió, a media-

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(Atryn) , en fase de evaluación por la autoridad reguladora europea. La com­ pañía ha sido pionera también en la producción de medicamentos transgéni­ cos mediante clonac ión.

Rebaño de prodrtoras del fármaco

Cabra productora de leche Cuando las crías maduran, se induce la producción de leche. Las queproducen cantidades notables de fármaco en su lechese cruzan con cabras no transgénicas para asegurar la integridad génica de los animales.La descendencia femenina transgénica constituye entonces un rebaño que se ordeña con regularidad. Mediante un proceso de purificación se aísla el fármaco proteicode la leche.

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EJEJEJEJ

dos de 200 1, Geoffrey Cox, qu ien decidi ó prosegui r con el desarrollo de la antitro mbina tran sgén ica, esta vez medi ante pruebas clí nicas reali­ zadas en Euro pa co n pacient es co n deficiencia heredi taria de antitrom­ bin a. (Las autor idades regul ador as euro peas aca baban de establece r los requi sitos para obtener la aprobación de la antitro mbina.) GTC Bio therapeutics cuenta ahora con un progr ama preliminar de fa­ bricación de la alfa-l antitripsina y otras proteínas sanguíneas. El ATryn se está sometiendo a ensayos clínicos en los EE .UU .; pero su futuro pend e de la apro bac ión euro pea .

Las dificultades técnicas GTC no ha sido la única co mpañía de transgénicos con una trayectoria

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Leche transgénica

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Fármaco purificado de la leche

acc identada. La escocesa PPL Thera­ peuti cs, que particip ó en la clona ción de Dolly, se enfre ntó a dificult ades y tu vo que vender su patrimonio in­ telectu al a Pharming en 2004 . Es ta última ha reap ar ecid o en escena tras present ar' suspe nsión de pagos en 200 l . Espera obtener pront o la apro bación para un tratamiento del ang ioe de ma hereditari o, una enfer­ medad genética que ca usa hinchazón debido a la ause ncia de la prot eína inhibidora de C l. S i GTC sobrevive, se co nvertiría en el líder del sec tor de los tran s­ gé nicos . Una plant a de produ cción de fármacos a partir de células de hám ster requi ere un a inversión anu al de entre 400 y SOO mill ones de dó­ lares; un rebaño de ca bras, en ca m­ bio, produ ce una ca ntidad similar de

droga por SO mill ones de dólares. Ade más, se requiere n métodos de fabricació n alternativos. Algunas pro­ teína s son difícil es de obtener me­ diante los método s tradicionales. Las aplicaciones del ATryn se ampliarían para abarcar varios tratamientos (para pacientes que hubi eran sufrido revas­ cularizac ión coronaria , quemaduras o sepsis) . Hasta la fech a, el fármaco ha su­ perad o un importante escollo técnico: no ha provocado ninguna respu esta inmunitari a adversa en los pacientes. Sin embargo, la preocupación por los posibl es efec tos sec undarios va a estar siempre presente. El tran sgé­ nico alfa -I antitripsina obtenido de ovejas criadas por PPL (administrado por inh alación) provocó en algun os pacient es síntomas pulmonares que les obligaron a abandonar el ensayo, una posibl e reacción inmunitaria a proteínas animales residuales que no se habían eliminado en la purifi ca­ ción del medicamento. El fármaco de PPL , pues, precisaba de una mejor purificación. Los medi cament os producidos por ca bras tran sgéni cas han provocado menos críticas qu e lo s cultivos mo­ dificad os ge nétic amente. E n GTC, las cabras libres de encefa lopa tía espo ngifo rme ovina (sc rapie, o tem­ bladera) traídas de Nueva Ze landa se hall an confi nadas en un cercado de 77 hectár eas dent ro de un a explota­ ción de 120 hectáreas en Charlton, Massachuse tts . No se les permite pastar. Se les proporcion a el alime n­ to adec ua do para disminuir la po­ sibilidad de co ntraer enfermedades de bidas a co ntaminantes present es en otros anima les . Tre inta cabras, de un reb año de más de 300, se dedi can a la producción de ATryn; otros 120 0 anima les no tran sgéni cos se reser van para la reprodu cción.

Bibliografía complementaria PROOU CTION OF GOATS BY SOMATlC Cm NUCLEARTRANSFER. Alexander Baguisi et al. en Neture Biotechnology, vol. 17, págs. 456-461 ; mayo de 1999. TRANSGENIC ANIMALS: GENERATIONAN OUSE. Dirigido por Louis Marie Houdebine. Harwood Academic Publishers, 1997.

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URIOSIDADES DE LA FíSICA

Jean-Michel Courty y Edouard Kierlik

El helicóptero de motor humano

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n 1977, el americano Paul Mcready consiguió el premio Kremer por haber concebido el Gossa­ mer Albatros, un avión movido sólo por la fuerza humana. Hoy, el constructor de helicópteros Sikorski ofrece 20.000 dólares a quien logre el primer helicóptero de propulsión muscular. ¿Es posible un aparato así? Examinar cómo funciona un helicóptero nos permitirá evaluar la potencia necesaria para el vuelo estacionario. y de ahí deduciremos por qué es difícil que el reto de Sikorski obtenga respuesta.

Principio del vuelo estacionario Un helicóptero, como cualquiera habrá observado, no es sino un enorme ventilador, cuyas palas aceleran hacia abajo aire en un principio inmóvil. Según el principio de acción y reacción , la fuerza ejercida por el aire sobre las palas es igual, pero de sentido contrario, a la fuerza que las palas ejercen sobre el aire. Cuando esa fuerza de reacción compensa al peso del ingenio, éste se cierne. ¿A qué velocidad proporciona el aire la sustentación? Valiéndonos del concepto de "disco de sustentación", podemos calcularla sin que nos estorben los detalles aerodinámicos. Tomamos en cuenta sólo el aire que atraviesa el disco de sustentación, ese disco borroso que se distingue cuando las palas del helicóptero giran rápidamente. La cantidad de aire que atraviesa ese disco en un segundo es la contenida en un cilindro vertical de altura igual a la velocidad v del aire aspirado y de sección

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la superficie S del disco de sustentación. La masa M de aire correspondiente es el producto de ese volumen Sv por la densidad p del aire. La hélice imparte, pues, cada segundo a M kilogramos de aire una cantidad de movimiento Q igual al producto de M por la velocidad del aire, es decir, SV2p. Esa cantidad de movimiento cedida por segundo es la fuerza de sustentación, que debe ser igual al peso P del helicóptero. Así, cuando se establece la sustentación, la velocidad del aire es la raíz cuadrada del peso dividido por el producto del área S del disco de sustentación y la densidad p del aire (v= ~ P/Sp ) . El Colibrí, último producto de Eurocopter, eleva su tonelada y media gracias a unas palas de 5 metros de longitud. Resulta así que, en vuelo estacionario, impulsa el aire a 12 metros por segundo (a ras del suelo, un metro cúbico de aire pesa 1,3 kilogramos). ¿Qué po­ tencia mecánica desarrolla un helicóptero? Si el vuelo es estacionario, sólo el aire se pone en movimiento. La energía suministrada por el motor se transmite al aire en forma de energía cinética. La energía suministrada por unidad de tiempo (la potencia) es igual a la mitad de la masa de aire M (igual a Svp) puesta en movimiento por segundo multiplicada por el cuadrado de la velocidad v de ese aire. La potencia (Sv3p/2) es, pues, proporcional al cubo de la velocidad. Para el Colibrí obtenemos 90 kilowatt, la cuarta parte de los 374 kilowatt del motor que lleva el helicóptero. No asombra tal disparidad: el Colibrí debe también subir, acelerar y virar, cualquiera que sea

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1. Un helicóptero impulsa hacia abajo el aire. La reacción de éste, pensó Leonardo, compensa el peso del ingenio.

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2. Los colibríes, como los helicópteros, logran el vuelo estacionario impulsando el aire hacia abajo.

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3. El Yuri l, un helicóptero de motor humano construido por el Instituto Técnico de Tokio, tiene una envergadura de 20,1 metros y ha volado durante 19,46 segundos.

el viento. ¡Se entiende que haya que disponer de una potencia muy superior a la mínima de sustentación! Así, el vuelo estacionario es posible aportando la ener­ gía necesaria para acelerar el aire hacia abajo. En el caso del helicóptero humano, los parámetros sobre los que podemos actuar son el peso del aparato y el área del disco de sustentación. Eliminando la velocidad por medio de la condición de equilibrio del heli~óp~ero , se obtiene una potencia mínima necesaria de 1/2 (P /Sp) (la estimación se mejora multiplicando por 1,4 el resultado anterior). La consigna es aumentar el área S del disco de sustentación y disminuir el peso P. Pero vamos a ver que, para las personas, hay además una limitación inesperada: ila evacuación del calor!

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Del colibrí al hombre Para averiguar si será posible algún día el vuelo esta­ cionario mediante músculo humano, examinemos el caso del colibrí, ave capaz de cernirse. Como el helicóptero, se mantiene estacionario impulsando aire hacia abajo y tiene también un disco de sustentación, de área igual a la cubierta por las alas. Nuestra fórmula indica una potencia mínima necesaria de 200 miliwatt para un co­ librí de garganta rubí de 8,4 gramos y 8,5 centímetros de envergadura. Un pájaro de proporciones similares pero el doble de grande, ¿podría practicar el vuelo estacionario? Su peso, proporcional al volumen, sería ocho veces superior mientras que la superficie cubierta por las alas sería cuatro veces más extensa. La potencia de sustentación quedaría multiplicada por la raíz cuadrada de 83/4, que vale 11 ,3. ¿De cuánta energía muscular se dispondría? Como el rendimiento muscular es del orden de 20 por ciento, el grueso de la energía muscular debería disi­ parse en forma de calor, que se evacuaría por la su-

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perficie del cuerpo. Ese sería el factor limitador, pues la potencia muscular máxima de un animal de sangre caliente crece más con la superficie del cuerpo que con el volumen de los músculos: un pájaro con las mismas proporciones de nuestro colibrí pero el doble de gran­ de y de morfología similar dispondría de una potencia muscular como mucho cuádruple. Por lo tanto, cuando el tamaño aumenta, la potencia de sustentación necesaria crece más rápido que la disponible y sólo un cambio de morfología puede paliar esa merma: si la longitud de las alas no se dobla, sino que se multiplica por 5,6, la potencia de sustentación crece en la misma proporción que la potencia muscular disponible. El hombre pesa 10.000 veces más que el colibrí. Un hombre de 75 kilogramos, que, como lcaro, quisiera imitar al colibrí recubriéndose de plumas los brazos (una enver­ gadura de unos dos metros) necesitaría 7 kilowatt para el vuelo estacionario. Ahora bien, la potencia muscular útil que desarrolla un deportista durante un esfuerzo prolongado es de unos 500 watt; temporalmente puede alcanzar 1 kilowatt. El hombre debe alargar las palas de su helicóptero. Para conseguir los 500 watt que necesita un aparato de 40 kilogramos, hacen falta unas palas de cerca de 30 metros de diámetro. ¿Es inalcanzable el premio Sikorski? No es seguro. Una esperanza reside en las condiciones fijadas por el constructor de helicópteros: ejecutar un vuelo de 60 segundos dentro de un cuadrado de 10 metros de lado y alcanzar 3 metros de altura en un momento del vuelo. La proximidad del suelo aumenta considerablemente la sustentación, pues el aire no puede atravesarlo. Ese "efecto suelo", que algunos aparatos aprovechan, de­ vuelve la esperanza. Un equipo japonés ha conseguido permanecer en el aire 20 segundos con el helicóptero de motor humano Yuri /.

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UEGOS MATEMÁTICOS

Juan M.R. Parranda

¿Hay quien dé más?

I

magine la siguiente lotería. Usted elige un número del 1 al 100 Y lo anota en un papel. A continuación se extrae un número de un bombo con 100 bolas, numeradas de 1 a 100. Usted gana si el número que anotó es menor o igual que el número que sale del bombo, pero gana la cantidad anotada en euros. Si el número en el papel es mayor que el que ha salido en el sorteo, entonces usted no gana nada. ¿Cuál es la mejor elección inicial? Si elegimos un número bajo, la probabilidad de ganar es mayor pero la ganancia será pequeña. Por el contrario, al elegi r un número grande aumentamos la ganancia , pero re­ ducimos las probabilidades de ganar. Llamemos M al número elegido inicialmente. La probabilidad de ganar es (101- M)/1 00, puesto que, de los 100 números que hay en el bombo, 101- M son mayores o iguales que M. La ganancia media al elegir M es por tanto:

101-M x M

100 Como cabría esperar , si elegimos M = 1, la ganancia media es de un euro. Si elegimos M = 100, también la ganancia media es de un euro, porque ganamos 100 euros pero sólo un 1 % de las veces. El número M que hace mayor la ganancia media es M = 50 o 51. En ambos casos, la ganancia media es 50 x 51/100 = 25,5. Si consideramos una variante de la lotería anterior en la que lo que usted gana es la cantidad que ha aparecido en el bombo, en lugar de la que anotó en el papel, entonces la estrategia sería bastante más sencilla. Puesto que en este caso la ganancia no depende de lo que ponga usted en el papel, la mejor elección es M = 1. Con ello siempre ganamos y la ganancia media será de 50,5, que es el valor medio de todos los números del bombo. Pero el título de la columna de hoy hace referencia a una subasta. ¿Qué tienen que ver estas extrañas loterías con una subasta? Cuando participamos en ciertos tipos de subasta , nos encontramos en una situación similar , aunque inversa, al primero de los sorteos que acabamos de discutir. Si pujamos por una cantidad demasiado alta, probablemente ganemos la subasta pero pagaremos un precio excesivo por el artículo subastado. Si queremos pagar menos, tendremos que pujar con cantidades me­ nores disminuyendo así la probabilidad de adquirir el artículo. Hay un compromiso obvio entre el deseo de ganar la subasta y el precio a pagar. Esta es la prin­ cipal característica de una subasta y, en cierto modo, su razón de ser. Sin embargo, a pesar de la aparente sencillez de estos mecanismos , su análisis matemático puede deparamos alguna que otra sorpresa. El estudio de las subastas que el norteamericano William Vickrey realizó en los años sesenta , y su posterior extensión a otras situaciones, le hizo merecedor, en 1996 y junto con James A. Mirrlees, del Premio del Banco de Suecia , el mal llamado Nobel de economía .

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En primer lugar, existen varios mecanismos de subasta. En la subasta inglesa o de oferta creciente , los partici­ pantes , que están presentes en el proceso de subasta , anuncian públicamente sus pujas en orden ascendente y gana la mayor. En las lonjas de nuestros puertos se lleva a cabo un sistema diferente y bastante espectacular, la subasta de precio decreciente. En ella el director va cantando precios en orden descendente hasta que alguno de los participantes le interrumpe gritando "¡mío!", con lo que consigue el artículo subastado por el último precio cantado. Se llama también holandesa porque era éste el método que utilizaban desde el siglo XVII los mayoris­ tas de flores en Holanda para distribuir sus existencias. ¿Cuál de los dos métodos es mejor para el subastador y para el comprador? La subasta de precio descendente es bastante más estresante para el comprador. Al fin y al cabo, en la subasta de oferta ascendente uno sabe siempre que puede quedarse con el artículo subastado si supera la puja de los demás. Sin embargo, en la de precio descendente , hay una incertidumbre considerable: si espero para conseguir un mejor precio me arriesgo a que otro gane la subasta ; si me planto en un precio alto quizá haya perdido la oportunidad de ahorrarme una buena cantidad. En muchas ocasiones se necesita realizar una su­ basta sin la presencia física de los participantes. Si, por ejemplo, queremos que el número de participantes sea el máximo posible , es mejor utilizar algún método en el que se pueda pujar "a distancia ". Ocurre así en las subastas de Internet, cada vez más populares. Pero ya en el siglo XIX se realizaban subastas de sellos de correo en donde se pujaba por carta. Es también el caso de algunas grandes operaciones financieras o de las adjudicaciones de licencias de telefonía móvil, que en muchos países (pero no en España) se realizaron mediante subastas de este tipo. No sé cuál es la razón de no usar en estos casos subastas con presencia de los licitadores. Quizá sea porque da mala impresión que una gran empresa decida gran parte de su futuro en el calor de una puja pública . En estas subastas, llamadas de oferta sellada, las pujas se envían en un sobre cerrado al director de la subasta quien , una vez recibidas todas las ofertas o pujas, decide el resultado. Lo más común es que gane la subasta quien ha realizado la oferta más alta y que pague por el artículo subastado la cantidad que ofertó . Este sistema se llama "de primer precio". Vickrey mostró que la subasta de oferta sellada de primer precio es equivalente a la de precio descendente. No es difícil entender por qué. Supongamos que hace­ mos un simulacro de subasta de precio descendente con las ofertas recibidas. Cada oferta es el precio que está dispuesto a pagar quien la remitió. Por lo tanto, si comenzamos a cantar precios en orden descendente, el primero en gritar "[mlo!" será quien envió la oferta más

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alta. Ganará la subasta y adquirirá el artículo subastado por el precio ofertado, es decir, el precio final será el de la oferta más alta. ¿Tiene la subasta más habitual, la inglesa o de oferta ascendente, su equivalente de oferta sellada? Volvamos a imaginar un simulacro, esta vez de subasta inglesa, realizado con las ofertas recibidas. Imaginemos que cada oferta tiene un "representante" dispuesto a pujar tan alto como indique su oferta correspondiente. Comienza la subasta y las pujas van subiendo, digamos de euro en euro,... ¿hasta la oferta más alta? No. Supongamos que la oferta más alta, lIamémosla A, es de 1000 euros y que la segunda oferta más alta, S, es de 900 euros. Cuando la puja llega a 900, el representante de A será el único capaz de superarla pujando 901 euros. Pero ahora nadie subirá a 902. Por lo tanto, A gana la subasta y sólo tiene que pagar por el artículo el precio ofertado por S (más la pequeña cantidad de un euro o mínimo incremento de puja), es decir, la segunda oferta más alta. Esta subasta de oferta sellada, en la que gana el que ofrece más pero paga no lo que ofertó, sino la segunda oferta más alta, se llama "subasta de Vickrey" o "de se­ gundo precio". A primera vista, es una variante un tanto extraña porque parece que el subastador está tirando piedras contra su propio tejado: si A estaba dispuesto a pagar 1000 euros, ¿por qué venderle el artículo por 900? Vickrey, sin embargo, demostró que tiene virtudes considerables, utilizando un argumento estrechamente relacionado con nuestros sorteos iniciales. Supongamos que se subasta un objeto por el que está usted dispuesto a pagar como máximo 1000 euros. Tenemos primero que precisar qué entendemos por este precio máximo. No es un precio determinado por sus vicisitudes económicas, su presupuesto mensual o su patrimonio. Es decir, no es 1000 euros la cantidad máxi­ ma a pagar porque no se pueda permitir un desembolso de 1001 euros, sino, simplemente, porque para usted el objeto subastado no vale 1001 euros. No tiene un deseo especial de poseerlo ni emociones de ningún tipo. Es sólo pura cuantificación del valor del objeto. Puede considerar la subasta como un juego o lotería en donde, si consigue el objeto por un precio p, gana 1000 - P euros, y no gana nada si pierde la subasta. Por lo tanto, le es absolutamente indiferente ganar la subasta por un precio p = 1000 euros o irse a casa con las manos vacías. Con esta premisa, que es consecuencia de la llamada "teoría de la utilidad", una de las bases de la economía clásica, podemos analizar los distintos tipos de subasta de oferta sellada. ¿Cuál es su mejor estrategia cuando participa en una subasta de primer precio? Para sim­ plificar, supongamos que la oferta máxima del resto de participantes es un número aleatorio entre 900 y 1000 euros. En este caso, la subasta es similar a nuestro primer sorteo. Si su oferta es p *, la probabilidad de ganar la subasta es (p* - 900)/100. La ganancia media será entonces:

p* = p+ 900 2 Y resulta ser máxima si p * = 950 euros. Esta es por tanto la oferta que debe realizar. Por otro lado, si participara

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en una subasta de Vickrey, el precio no dependería de su oferta, como en nuestra segunda lotería. Le interesa entonces maximizar la probabilidad de ganar, lo que se consigue ofertando exactamente 1000 euros. La subas­ ta de Vickrey tiene una virtud importante: la estrategia óptima de todos los participantes es "decir la verdad", ofertar lo que para ellos vale el objeto subastado. Así ocurre también en la subasta inglesa. Observen la di­ ferencia con la subasta de "primer precio", en la que decir la verdad no produce ningún beneficio, porque, como hemos dicho, ganar la subasta por 1000 euros es igual que perderla. Hay que pujar un poco por debajo, al igual que los participantes en la subasta holandesa esperan, con nervios de acero, a que el precio esté por debajo de lo que estarían dispuestos a pagar. ¿Qué ocurre con el subastador? Con la subasta de primer precio obtiene ofertas más bajas pero vende el artículo por el precio más alto. Con la de Vickrey, consigue las ofertas máximas, pero vende por la se­ gunda más alta. ¿Cuál de los dos sistemas le reporta un mayor beneficio? Esta pregunta es más difícil de contestar y depende de cuántas personas participen en la subasta. Podemos resolver parcialmente el problema en un caso muy simplificado en el que los precios p de N participantes se encuentran distribuidos al azar entre, por ejemplo, 900 y 1000 euros. Supondremos también que esta información es conocida por todos los partici­ pantes. En este caso, la oferta óptima en la subasta de primer precio para un participante que valore el artículo subastado en un precio p se puede encontrar por un argumento similar al anterior y resulta

G = (1000 _ p*) p* - 900 100 Luego las ofertas en la subasta de primer precio serán

N números distribuidos al azar entre 900 y 950. En el caso de la subasta de Vickrey, las ofertas coinciden con los precios: serán por tanto, N números distribuidos al azar entre 900 y 1000. Para comparar los precios finales en las dos subastas necesitamos saber cuánto vale el máximo de N números distribuidos entre 900 y 950 Y el segundo número más alto de N números distribuidos entre 900 y 1000. Aunque este cálculo es complicado, no es difícil convencerse de que, si N es suficientemente grande, es más probable que el precio final en la subasta de Vickrey sea mayor que en la de primer precio. Por lo tanto, parece que Vickrey tiene todo a su favor: por un lado los participantes no tienen que estrujarse el cerebro para calcular su oferta ni tienen que adivinar o espiar las intenciones de sus contrincantes; en cuanto al subastador, tiene una alta probabilidad de conseguir un precio de venta más alto. Si es así, ¿por qué no se utiliza con más asiduidad? Una de las reticencias en contra de la subasta de segundo precio es que, si los participantes no son muy numerosos, el precio final de venta puede ser mucho menor que en la subasta de pri­ mer precio. Pero hay otra razón más sutil, que tiene que ver con la confianza de los participantes en la integridad del proceso. Si ganamos una subasta de Vickrey, pero no conocemos al resto de los participantes ni las ofertas que han enviado, ¿cómo sabemos que el segundo precio ha sido realmente el que nos dice el organizador?

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DEAS APLICADAS Mark Fischetti

RODAMIENTOS DE BOLAS

Alivio de fricciones

O

cultos a la vista, los rodamientos consti­ tuyen piezas fundamentales en todos los mecanismos que rotan o ruedan: turbinas de centrales eléctricas, columnas de dirección, norias, monopatines, yo-yos, tornos de dentista y motores eléctricos de todo tipo de artilugios, desde frigoríficos y abrelatas hasta el disco duro de ordenadores y reproductores de discos com­ pactos. En cada caso, las bolas reducen el roza­ miento del movimiento de las piezas rotatorias. Cada esfera debe ser perfecta; de lo contrario, el movimiento que propicia acabará agarrotán­ dose. Aun así, se fabrican por millones a pocos céntimos la pieza. ¿Cómo se consiguen unas bolas de tan increíble redondez y lisura? De metal, cerámica o plástico, todas las bolas cuyo peso oscila entre unas decenas de gramos hasta centenares de kilos siguen un proceso de producción similar. Se parte de un taco cilíndrico cortado de un alambre o extrudido, que se pasa por una prensa de estampación que le confiere una forma aproximadamente esférica. Esta ad­ quiere una mayor redondez por fricción entre dos placas pesadas y luego se rectifica hasta la es­ fericidad y lisura exactas por rodadura entre dos muelas por las que cada bola pasa centenares, si no millares, de veces. Así se obtienen también los balines de pistolas y escopetas de aire, y las bolas de bolígrafos y desodorantes. Esta precisión causa mayor impresión todavía si se consideran los volúmenes de producción. En Hartford Technologies, de Rocky Hill (Con­ necticut), cada lote de producción parte de casi 230 kilos de alambre con los que se fabrican 300.000 bolas de 6,35 mm de diámetro o 2,5 mi­ llones de bolas de 3,20 mm de diámetro. El mayor coste del proceso recae en el desgaste de las placas y muelas, que exige un mantenimiento continuado del revestimiento. La fabricación de rodamientos constituye una actividad de gran volumen, aunque escaso margen económico. Pese a sus numerosas aplicaciones, los roda­ mientos de bolas soportan sólo un peso o un empuje limitado, ya que en cada bola el contacto es puntual. Para aguantar cargas mayores, como en los diferenciales de los automóviles, deben emplearse rodamientos de rodillos; éstos susti­ tuyen a las bolas y el contacto se ejerce sobre una línea. Cuando se requiere un rozamiento ex­ tremamente reducido bajo cargas ligeras, puede optarse por los cojinetes líquidos.

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1. TRONZADO : El alambre de acero se trocea. Una prensa conforma cada trozo en esfera basta. Si el diámetro final de la bola debe ser 6,350 mm, tras esta opera­ ción debe medir unos 6,604 mm.

- Prensa

Alambre de acero

3. AMOLADO SUAVE: Una muela ranurada guarnecida de arena de amolar aplica una leve presión a la vez que gira. Las bolas sufren otra vez varios centenares de pa­ sadas, tardando quizá seis segundos para desplazarse desde arriba hasta el fondo en contra de una piedra que rota a 80 vueltas por minuto. (Diámetro: 6,426 mm.) TRA· TAMIENTO TERMICO: Las bolas ruedan por el interior de un horno giratorio (no representado), que las recuece a la dureza especificada. AMOLADO FUERTE: Una nueva muela (no representada) con una arena más fina bruñe las bolas aplicando una presión mayor.(Diámetro: 6,375 mm.)

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>- CUESTION DE GRADO: La redondez de una bola de rodamien­ to se expresa mediante el grado de esfericidad. Así, una bola de grado 10 debe ser esférica dentro de un margen de 10 milloné­ simas de pulgada o de dos diezmilésimas de milímetro. Una bola de grado 10 de seis milímetros nominales debe tener un diámetro comprendido entre 5,9998 mm y 6,0002 mm; el diámetro inferior debe diferir en menos de dos diezmilésimas de milímetro del superior. Los grados más corrientes son 1000 (254 diezmilésimas de margen, para árboles de cosechadoras y trilladoras), 100 y 25 (25 Y 6 diezmilésimas de margen, para columnas de dirección de automóviles). A los rodamientos de "precisión" les corresponden los grados 10, 5 Y 3 (para tornos de dentista de alta velocidad). >- EN EL ORDENADOR: El disco duro se acciona mediante un pequeño motor eléctrico montado en el centro (lo mismo que en un reproductor de discos compactos). Merced a unos diminutos

2. DESBARBADO: Las bolas penetran al azar en las ranuras formadas por dos placas metálicas paralelas, que casi se tocan. La placa derecha permanece inmóvil. La izquierda gira, friccionando las bolas como si fueran arcilla, aumentando su redondez conforme avanzan hacia el fondo. Aquí, las cuentas salen y retornan para pasar de nuevo. Las bolas pasan varios cente­ nares de veces por entre las placas, con lo que se consigue un tamaño uniforme, aunque las ranuras varíen levemente. El con­ junto está refrigerado por agua. (Diámetro final: 6,530 mm.)

rodamientos de precisión, el motor gira a gran velocidad y con escaso rozamiento. Aun así, las bolas generan un leve ruido y cierta vibración, con la limitación consiguiente de la densidad a la que los datos pueden comprimirse en el disco sin perder fiabilidad. Por ello, IBM y otras empresas se están pasando a los cojinetes líquidos, más silenciosos, basados en una rosquilla rellena de fluido en vez de bolas.

>- PUNTA FINA: En 1943, el periodista húngaro Laszlo Biro y su hermano Georg, químico, solicitaron la patente europea para un nuevo tipo de pluma con una bola diminuta en la punta, que taponaba el depósito de tinta pero que permitía a ésta fluir sobre el papel. Las plumas de Biro no tardaron en salir a la venta. Hoy, como entonces, cuanto más rugosa es la bola, mayor el flujo de tinta. Es el acabado de la superficie lo que diferencia una "punta fina" de una "punta media". 5. EL FLUJO DEL LIQUIDO en bolígrafos, desodorantes de bola y botellas de rociado está contro­ lado por una bola de cojinete. Esta se encaja en una copa del mismo diámetro durante la manufactura, pero al presionarla gira levemente, extrayendo un poco de líquido.

6. UN COJINETE DE BOLAS encierra esferas que se mueven entre una pista interior y otra exte­ rior. Los separadores impiden que se pongan en contacto; el rozamien­ 10 se aminora con aceite o grasa (ruedas de bicicleta, patines en línea).

7. UN COJINETE DE EMPUJE soporta un peso a la vez que gira (bandejas giratorias, taburetes de bar).

8. UN COJINETE DE RODILLOS

Metal blando

soporta cargas mayores; emplea cilindros en vez de bolas para aumentar la superficie de contacto (ruedas de automóviles y trenes, cintas transportadoras).

4. LAPEADO: Las bolas ruedan por las ranuras de una placa metálica, en las que un producto de pulido elimina los pequeños picos y los ara­ ñazos leves. (Diámetro final: 6,355 mm.) Por fin pasan por una lavadora que las limpia a fondo.

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IBROS

Ciencia viajera Azar y método A NEW WORLD OF ANIMALS. EARLY MODERN EUROPEANS ON THE CREA­ TURES OF IBERIAN AMERICA, por Miguel de Asúa y Roger French. Ashgate; Aldershot, 2005. VIAGGI E SCIENZA. LE ISTRUZIONI SCIENTIFICHE PER 1 VIAGGIATORI NEI SECOLI XVII-XIX. Dirigido por Maurizio Bossi y Claudia Greppi. Leo S. Olschki Edita re; Flore ncia, 2005 . THE COMMERCE OF CARTOGRAPHY, por Mary Sponberg Pedley. The Uni­ versity of Chicago Press; Chicago, 2005. THE MALASPINA EXPEDITION 1789 -1794. THE JOURNAL OF THE VOYAGE BY ALEJANDRO MALASPINA. VOLUMES I-III . Dirigido por Andrew David, Felipe Fernández- Armesto, Carlos Novi y Glynd wr Williams. The Haklu yt Soc iety; Londres, 200 1.

E

l estudio cientí fico de la natur a­ leza, renovado en la baja Edad Media con la entrada de los libro s biol ógicos de Aristóteles, que sus­ tituyeron a los besti arios preceden­ tes, conoció en el Renacimi ento un nuevo impul so con la investigación directa de los tres reinos, su repre­ sentac ión realista y la impr esión de la Hi storia Nat ural de Plinio. Muy pronto esta segunda etapa recibió un ulterior empuje con la noticia de la existencia de un Nuevo Mundo, es dec ir, de un a naturaleza exó tic a, nuevos paisajes, nuevos minerales, nuevas plantas y nuevos animales . Como demuestran los autores de A New World 01 Anima ls, la sorpresa inicial ante lo inesperado y descono­ cido cedió paso a una aproximación científica y aplicada . No tardó en establecerse un fluido inter cambi o de espec ies vegetales, aclimatadas las americanas en j ardi­ nes botánicos de la península, para entrar en la dieta o adornar alféizares . Faltó, sin embargo, un equivalente in­ tercambi o de especies animales. Fue España la que llevó allí sus animales domésticos. Pero el reto intelectu al procedía de otros ámbitos : ¿No ha­ bía Adán puesto nombre a todos los animales según su natur aleza? ¿Cuál era la naturaleza y el nombr e de los que se encontró Colón? El navegante

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no vio en su supuesta Cathay leones, elefantes, unicorni os y camellos . De muchos de los que le salían al paso no hablaba Plinio, ni san Agustín, ni las enciclopedias de Tomás de Can­ timpr é o Bartolomeo Anglico. De la reacción primera de los colo­ nizador es nos hablan, con autoridad, dos cartas escr itas por sendos médi­ cos, Diego Alvarez Chanca y Nicolo Scillacio. Relativas al segundo viaje de Colón, el médico sevillano narra sus propias experiencias en las In­ dias, en tanto que el profesor de la Universidad de Pavía se basaba en testimonios de marinos. Muy signi­ ficativa, la aport ación de Vicente Yá­ ñez Pinzó n, acomp añante de Colón en su prim er viaje a las Indi as, para luego prota gonizar su propia aven­ tura exploradora. En Pavía, Pinzón encontró una besti a "mo nstruosa" : el oposs um. La describ e a retazos analógicos, para que el lector se vaya construyendo su propia imagen de la misma: cuadrúpedo con su mitad anterior "co mo de zorra" y su mitad posterior "co mo de mono", con los dedos libres "co mo los humanos" ; atiende, entre otros rasgo s morfol ó­ gicos al marsupio, en sus palabras algo así co mo una bolsa donde se esco ndían las crías . Con los médicos, los misioneros representaban la fracción mejor for­

mada. De la plum a de franciscanos, dominicos, jesuitas y otros salieron los textos más fiables. No sólo inci­ dentalmente, como en la Histori a de las Ind ias de Ba rtolomé de las Casas . La proliferación de tratados de histo­ ria natural, que abarcaba la geografía, la etnología y la antropología, co n la creación de gramáticas y diccionarios de lenguas aboríge nes, facilitaba la informa ción necesaria para que su mensaje religioso y de promoción hum ana alcanzara mayor eficacia. Co n acierto, los autores traen a primer plano la labor realizada en Br asil, desde el trabaj o pionero de Francisco Soa res en su De algunas co usas mais no táveis do Brasil. Fer­ nando Cardim divide, en una enci­ clopedia singularísima, las serpientes brasileñas en venenosas y no veneno­ sas . De entre las venenosas destaca la gibo ia (boa), que alcanza 20 pie s de largo y es capaz de tragarse un ciervo entero; pues to que carece de dient es, se aprox ima sigilosa a su presa y salta sobre ella de repente, ro­ deándola con tanta fuerza que rompe los huesos de su víctima, ensaliva el cuerpo yace nte y se lo traga. Habita en los ríos la suc urij uba (anaco nda) y en tierra determinados crótalos . Se maravilla ante loro s y papagayos. De los guainumbi (colibríes) afirma que tienen dos modos de generació n, por eclos ión del huevo o por "formac ión de burbujas". Describ e num ero sos animales marin os. Aunque André Theve t y Claude d' Abbeville fueran franciscanos de sólida formación, el primero habl a­ ba de simpatías, de afinidades entre cosas, de maravillas y monstru os, así co mo de la capacidad ilim ita­ da de la natur aleza en crear nuevos orga nismos y de la corresponde ncia entre anim ales marin os y animales terrestres, mientras que el segundo, A bbev ille, creía en las influencias astrológicas y en los "poderes ocul­ tos" como una expresión de la om­ nip otenci a de Dios. Thevet escribió Sing ularités de la France Antarcti­ qu e, un libro de viajes, donde por sing ula rité se designa el carácter peculi ar que ado pta la naturaleza en

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cada país, la forma en que se expresa a sí misma. Abbeville, por su part e, relat a en Histoire de la mi ssion des pú es Cap ucins en I'isle M aragna n en terres circonvoisins las extraordi­ narias condicio nes en que viven los animales, en una atmósfera pura y pastos óptimos , consec uencia de lo cual se multipli can abund antemente; la ausenci a de vacas, ovejas y caba­ llos queda co mpensada por animales desconocid os en Francia , como el ago uti, tat ú y tapyrousson . En esos autores y en muchos más bebe el jesuit a español Juan Euse­ bio Nieremberg, profesor del Colegio Imperi al, autor de una mem orable Hist oria na tu rae max ime p eregri­ nae , que contiene un sumario de filosofía e historia natural centrado en los anim ales. Aborda éstos desde la perspectiva de las cuatro causas. Resulta paradigmática su descripción del armadillo: tras mencionar los di­ versos nombres con que se le conoce, atribuye la discrepancia entre la des­ cripción del armadillo (aiatochtlusi de Hernández y la de Oviedo a que se refieren a dos especies distintas de anima lia loricata, que viven en distintas provincias del Nuevo Mundo (explicación tomada de Clusius). A Carlos II de Espa ña, entonces de 12 años, dedi ca Athanasius Kircher su Arca Noe in tres libros digesta , de carác ter eminentemente did ácti­ co. Ante la cuestión de si todos los animales entraro n en el arca, Kircher respo nde que existen metamorfosis, en cuya virtud una espec ie puede convertirse en otra, fenómeno que se da principalmente en la Zona Tórrida. Allí el calor estimula la producció n de vapores , que exc itan las micelas de las razones seminales (rat iones semina les) que, a su vez , generan la variedad de animales impe rfectos carac terísticos de los trópicos (insec­ tos, serpientes, etcétera). No pasarían muchos años, sin embargo, hasta que Redi acabara con tal generac ión es­ pontánea. La ciencia modern a asume como parte import ante de su desarrollo las expediciones . Se sobree ntien de que los protagoni stas exploran el globo para conocer mejor el suelo propio. Lo mismo que el razonamient o cien­ tífico necesita un método, tambi én imp ort a sistema tiza r los procesos de observación, el ars peregrinan­ di . Ningún co noci mie nto libresco

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1. Alejandro Ma laspina, Museo Naval, Madrid.

pod ía sustituir a la observación di­ recta (Viaggi e Sc ienza . Le istruzioni scientific he per i viaggiatori ne i se­ co li XVII-XIX). Y se crea un nuevo género literario, incoado por Thomas Erpenius, quien en 1624 publicó su De peregrinatione ga llica ins tituenda tractatus, item brevis admodum trae­ tatus in totius Galliae, que recoge el mat erial indis pensa ble para anotar y el orden en que debe redactarse el informe. En el curso del Setecientos se va ase ntando un arte en el que se sien­ ten comprometidas las instituciones y jerar quías de los estados. Por Euro pa sep tentrio nal se difund en los textos de Ja mes Howell (Lnstruc tions f or fo rrein e tra vell, 1642) y Richard Blome (A treatise of travel , 1670 ). Porque el viaje supone una ocasión real de conocimientos sobre topogra­ fía, historia , arte, ciencia y religión del país que se visitará y la lengua que se habla, el viaje ro debe con­

centrarse en lo que encuentre a lo largo del itinerario y aplica r cuanto aprendió en la fase preparatoria. Ade­ más debe llevar consigo instrumentos de medición, cartas geográficas y un equipo que le perm ita desplazarse cómoda mente. El apogeo del género abarca una centuria entera, entre 1750 y 1840 . Con la terminación de la guerra de los Siete Años y la pérdida consi­ guiente, por Fra ncia, de la India, Canadá y otras colonias en favor de Inglaterra , se produce un movimiento siste mático de explorac ión del globo que, iniciado con la circ umnavega­ ció n de John Byron , Bo ugainville , Wallis y Ca tere t, Coo k y La Pé ­ rouse, prosigue con intensidad has­ ta el descubrimiento en 1840 de la últim a terra incogni ta , el continente austral por James Clark Ross y Du­ mont d' Ur ville. El océa no Pací fico constituye el teatro de acción. Las grandes empresas llegan al continente

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antártico, al paso del Noroeste y al interior de Afr ica, con empeños no menores de levantamiento de cartas náuticas y mapas terrestr es fiabl es (The Commerc e 01 Cartogra phy) . De sde mediados del Setec ientos se multip lican las m émoires y fascícu los técnicos sobre recogida de especí me­ nes, métod os y procedimien tos para su mejo r co nse rvación y expe dición de los ejempla res . Marca la pauta el Avis pour le transpo rt par mer (1753), de H . L. Duhamel de Mon­ ceau. Al que sigue n, entre otro s, el Avv iso per lo transpo rto per mare, di A lbert, Pian te vivac i e Semi, loro sce lta e tempo de cava rli ( 1756) y, sobre tod o, la Instructio peregrina­ tor is (1759) de Linneo . Prop one és te una jerarqu iza ción pr ecisa en las ob­ servaciones a aco me ter, modelo qu e sig ue vige nte: latitud y longitud de la zona explora da, descrip ción (ríos y ca denas montañosas), compos ición del suelo y de la atmósfera, así co mo climatolog ía local. Tra s esas indi ca­ ciones ge nerales, se especifican los aspectos relativos a los tres reinos. Tras muchas de esas iniciativas se en­ cuentran las instituciones cient íficas. La Academia de Cie ncias y el Muse o de H istor ia Na tura l en Fra ncia, la Regi a Soc iedad de Joseph Ba nks en Ingla terra, la Ac ademia de Ciencias de Sa n Petersburgo y el Real Jard ín

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2. Ex pedición de Malaspina, 1789·1794.

Bo tánico de Ma drid co n Ca simi ro Gómez Ort ega a la cabeza, se en­ cargan de superv isar la pr eparación de los grandes viajes. A es as co ndic iones o bjetivas y protocolari as de trab ajo, había que añadir el arrojo del viaje ro. Jean Se­ nebrier, en su tratado so bre el arte de observar aparecido en 1775, recl ama­ ba que, par a investigar la naturaleza, se requería un es pír itu decidido, un estado de ánimo res uelto (Éssa i sur I'art d 'observ er et de [a ire des ex­ p ériences) . En las instru cciones de Déodat de Do lomieu de 1791 para la expe dición a los mares austra les de Baudin (Notes a communiquer el Messieurs les naturalistes qui font le voyage de la mer du Sud) se resalta la renuncia al confort de la civ ili­ zac ión, la abneg ación, el coraje, el deseo de ex tender el domini o sobre la naturaleza, el an sia de nuevos co ­ nocimien to s y el derec ho de gra titud de qu ien emprende la ave ntura por el bien de su patria. La s mism as exi­ ge ncias qu e volverán a aparece r en la M émoire su r les qualit és et les connaisances que doit avoir un Nat u­ ralist e Voyager, de 1820, de Bo urdet de la Nievre. Por razon es de seg uridad y eco­ nom ía, uno de los objetivos funda­

ment ales de los viajes era lograr una ca rtografía fiable para la flota. Ese arte constituyó dura nte los siglos XV I Y XV II una es pec ialidad de los geó ­ grafos de Amsterda m y Amberes . Se trataba, por supues to, de mapas que no entrañaba n nin gun a revelación de derrot as secretas. Su dem and a crec ió e n la población urb an a co n la di­ fusió n de los nuevos co noc imie ntos geográficos. De sue rte tal qu e, en el siglo XV III, la prosperidad, la ex ­ pa nsió n co mercial y el desarrollo de Francia e Inglaterra promovieron el apogeo de los cartóg rafos de París y Lo ndres . Ma pas, planos, cartas , atl as y globos ennoblecían las bibli otecas, las paredes y los ga binetes de los poderosos. E n el ma rco de la revoluc ión científica, la cartografía conoc ió dos mom ent os decisivos. Se inicia el pr i­ mero en 1650 co n la publi cación de las obras de Ga lileo y la Geog raffia R iformata de G. B. Riccioli. Se de­ sarro llaro n unos métodos más rigur o­ sos de triangulación y de med ición de la longitud , para reso lver prob lem as de tam añ o y fo rma glo bal. Un si­ glo más tard e, y ése fue el seg undo mom ento, empezaro n a ac tuar los recién creados se rv icios de insp ec­ ción, cuyos miembros procedían de

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unas esc uelas de ingenieros de nuevo cuño y do nde la cartografía co nst ituía un a asignat ura ce ntral. ¿Qué se esperaba de un mapa? El co nte nido de los map as reflej aba la situac ión de la cie ncia en un mom en­ to en que, merced al micros­ copio, se dil ató la fro ntera de lo orgá nico y, grac ias al telescopi o, el firm amento . Ha bía ca mbiado la for ma de ente nde r el hombre y su instalación en el mundo. La fundac ió n de observa­ tor ios astronó micos para la investi gación y la recogida de da tos y el uso habitual de la trigon om etría para la triangulac ió n fac ilitaron la co nstrucc ión de mapas de una precisión creciente, que refleja ban las nuevas ideas de la pos i­ ción , forma y med ición de la Tierra. Conc urría ello co n la ace ptación gra­ dual del sistema solar copernica no, la difusión de las leyes de la grave da d de Isaac New ton (que esta blecían que la Tierra era un esferoide achatado) y la determinación de la lon gitud en cualquier lugar del pl aneta . En Fra ncia, se erigió en 1747 la "Oficina de proyectistas" , convertida en Esc uela de Ca nales y Caminos en 1775. La Esc uela Real de Inge niería de M ézieres (1748) se estableció para adies trar a los ingeni eros y exper­ tos en forti ficación . C ésar-Franco is Cassi ni de T hury elaboró su propi o program a de formac ión pa ra los in­ ge nieros qu e trabaj aban en el Mapa de Francia desde 1750. En Inglaterra, la enseñanza dada en la Acade mia Rea l Militar de WooIwic h y en la Aca demia Nava l de Ports mo uth, así co mo el trabajo del Observatorio de Gree nw ich y la Sa la de Dibujos de la Torre de Londres reflej aro n una ten den ci a sostenida de car tog rafía militar. De la ca rtog rafía civil se hizo responsabl e la Soc iedad para el Fomento de las Artes, Ma nufac turas y Co me rcio. Entre los viajes de exp loración e inspección de la seg unda mi tad de l sig lo XVIII, el de Alejan dro Ma las ­ pina fue el que mejor representó los ideales y el interés cientí fico de la Ilustración (The Malasp ina Expedi­ tion 178 9-1794). La empresa se pro­ poní a supe rar los tres fa mosos viajes

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3. Tadeo Haenke

del capitán Jam es Cook, que hab ía estudiado co n detenimiento . Llegaba el turno de Espa ña . En septie mbre de 177 8, Ma lasp ina y José Bus ta­ man te sometían un plan al minis tro de marin a An tonio Valdés, pa ra un viaje de exploración e inspección de los ter ritorios españoles de América y las Filipinas. La expedición pro­ puesta levant aría mapas hidrográficos para uso de los buques mercantes y buques de guerra españoles e infor­ marí a sobre el estado político, eco­ nómico y defe nsivo de las posesiones es pa ñolas de ultram ar. El plan fue aprobado . Al capitán de navío Tomás Muñoz, comanda nte de los astilleros de La Ca rraca en la bahía de Cádiz, y experto en ingeni ería naval, se le encome ndó la construcción de las corbe tas, gemelas, la Descubierta, a cuyo frente iba Ma las pina, y la Atrevida , coma ndada por Bustama n­ te . Cada nave despl azab a 300 tone­ ladas, co n un a es lora de 120 pie s y una manga de 31 pies . Ma laspina nació el 4 de noviembre de 1754 en Mulazzo, al noroeste de Itali a. En 1762 su padre lo lleva a Paler mo y lo matri cul a, tres años más tard e, en el selecto Co leg io Clemen­ tino . En esa etapa escolar redacta sus Theses ex Physica Generali (177 1). Una vez term inada su formación, en 177 3, escogió la carrera militar, no la eclesiástica que prefería su familia . Se afilió a la Orde n de sa n Juan de Malta, qu e tenía su pro pia flota, y de allí pasó a la ma rina española en

177 4. En dos meses era ya alfé rez de fragata. Pese a su origen itali ano, fue escalan­ do los grados de la marina españo la. Realiza varios viajes a Fili pinas y alca n­ za el empleo de teni ent e de fraga ta. La participac ión en varias acciones co ntra los británicos le fac ilita el as­ ce nso a teni ente de navío. Naci do el Ide abri l de 1759 en Onta neda, prov in­ cia de Santander, Bustaman­ te se alis tó a los 11 años en el departame nto naval de El Ferrol. De joven particip ó en varias acciones de guerra y a los quince años ya era -' .'-, alférez de fragata. Viajó a América y a las Filip inas . Fue herido en ca mpaña, he­ cho prisionero por los ingle­ ses ; liberado, interv ino en la batall a de Trafa lgar en 1782. Un año después se le puso al fre nte de un mercant e de mercurio, rumbo a Verac ruz, En 1784 recibió el empleo de capi tán de fragata, al tiem po qu e se afiliaba a la Orden de Sa ntiago . En j ulio de 1789 Ma laspi na y Bus­ tamante partían de Cád iz . A bordo iba n científicos, arti stas y tod a una batería de instrument os topográficos y astronómico s de últi ma generación. En términos ge nera les , Ma las pina te­ nía la responsab ilida d de los aspec tos científicos del viaje, Bustama nte de la ges tión de l viaje y de las corbetas. Pero no era una empresa personal, sino de la marina española. De los 168 trip ulantes autorizados para las dos corbetas, Felipe Bauzá y Ca ñas se ocupó de la jefatura de cartas y mapas. E n el tiempo de su recl uta Ba uzá era profesor de fortificació n y dibujo en la esc uela naval de Cád iz. Iba en la Descubierta. Entre los bo tá nicos se enro laría Tadeo Hae nke, aunque la responsa­ bilid ad de la historia natu ral recaía en Anton io Pineda . Hae nke, forma­ do en las uni versid ades de Praga y Viena, poseía una buena preparación en los tres reinos. Extravagante e in­ disc ipli nado, su obra mur ió co n él, aunque env ió alg unos especíme nes, artefactos y co lecc iones a diversos centros y am igos . Nunca se preocu pó de sep ara r lo público de lo privado, ni respetó la ob ligación de remi tir las caja s a su destinatario natur al, el

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4. Antonio Pineda (izquierda), Luis Neé (derecha ); Museo Naval, Madrid.

Gabinete Real de Cienc ias Naturales de Madrid. Entrado en sus cincuenta, Luis Ne é era probablemente el cien­ tífico de mayor edad. Había trabajado con Gómez Ortega en el Real Jardín Botánico y herborizado en Navarra y en las Vascongadas . A él debemos el grueso de la colecc ión botánica de la expedición de Malaspina que nos ha llegado. Algunos miemb ros de la trip u­ lación se interesaron por aspec tos científicos del viaje, inclui das la pes­ ca, la caza y la herbori zación. El ciruja no de la Atrevida, Pedro María Gonz ález, evidenció tal dominio de la zoo logía que se le relevó de algu­ nas obligaciones. Contribuyeron a las tareas propias de la historia natural y otras los seis artistas de la tripul a­ ción. Los dos artistas originales, José del Pozo, de Sevilla , y José Guia, de Madrid, fueron sustituidos en el curso de la expedición, el primero en Lima y el segundo en Acap ulco. A Pozo le sustituyó José Cardero, un criollo, y a Guia, Tomás de Su­ ria, un grabador de México. Ambos contribuyeron significativamente al registro pictórico del viaje, lo mismo que los artis tas de origen itali ano

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Juan Ravenet y Fernando Brambila, quienes se agregaron en Acap ulco. La expedición acumuló una cantidad ingente de material: la colección de especies botánicas y minerales, así como de observaciones cie ntíficas (llegaro n a trazarse setenta nuevas cartas náuticas) y dibujos, croquis, bocetos y pinturas; era impresionante y, sin duda, la mayor que habrían de reunir en un solo viaje navegantes españo les en toda su historia. .El viaje duró más de cinco años. A su vuelta, Malaspina fue nombra­ do brigadier de la Real Armada, y comenzó a trabaj ar en un relato del viaje en siete volúmenes. Entre otros muchos asuntos, contendría recomen­ daciones para aco me ter refo rmas drásticas en el gobierno del impe ­ rio españo l ultramarino. No contento con ello, Ma laspi na se vio implicado en intrigas polít icas. Durante los ca­ torce meses que transcurrieron entre su vuelta a Cádiz (2 1 de septiembre de 1794) Ysu repentin o arre sto en la noche del 23 de noviemb re de 1795, no parece haber tenido tie mpo para poner en orden la masa de documen­ tos relacionados con la exped ición . Arres tado, degradad o de su rango y

sentenciado a cade na perpetua, fue liberado en 1803. Malaspina pasó los siete últimos años de su vida en un obsc uro retiro de Italia. Nunca reto­ mó el trabajo sobre la gran edición de su viaje que había planeado; su propi o diar io no se publicó en espa­ ñol hasta 1885. De todo el cúmulo de conocimientos adquiridos y de la insupera ble exper iencia, apenas se publicó un atlas con 34 cartas náuti­ cas . Durante el proceso de Malaspina en 1795 se había pretendido elimi­ nar los materia les de la expedició n, que sin embargo fuero n preservados en la Direcc ión de Hidrografía del Ministerio de Mar ina. El grueso de aquel trabajo hab ría de permane­ ce r inédito hasta 1885, cuando el te niente de navío Pedro de Novo Co lson publicó su Viaje político­ científi co alrededor del mundo de las corb etas Descubierta y A trevida al mando de los cap itanes de navío D. A lejandro Ma laspina y D. José Bustamante y Guerra desde 1789 a 1794 (algunos materiales, co mo ciertas observaciones astronómicas y de historia natural se habían perdido para siempre). -LUIS ALONSO

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