INJERTOS PARA EL CORAZON • CAMBIO CLIMATICO BRUSCO
6 La enseñanza de la lectura
INVESTIGACION
CIENCIA
Jesús Alegría, Marisol Carrillo y Emilio Sénche:
Edición e$poñola d e
La búsqueda del mejor método para enseñar a leer sigue preocupando a muchos educa dores. La investigación científica permite actualmente encontrar respuesta a muchos de los dilemas que se plantean.
SCIENTIFIC
AMERICAN
Enero de 2005
Número 340
3 HACE...
50, 100 Y150 años.
4
16 La red cósmica Robert A. Simcoe Las observaciones y las simulaciones del medio intergaláctico descubren las mayores estructuras del universo.
ApUNTES Endocrinología... Etología . Biología .. Salud... Zoología... Geofísica.
Música y cerebro Norman M. Weinberger ¿Dónde reside el secreto del poder singular de la música? En busca de una respuesta, se están reordenando los componentes del proceso desarrollado en el cerebro de intérpretes y melómanos.
34 CIENCIA y SOCIEDAD Adaptación al estrés celular, el papel de la cromatina... La muda en Artrópodos... El virus del oeste del Nilo... Agricultura prehistórica
42 Cambio climático brusco Richard B. Alley No sólo en las películas abrasan los campos sequías súbitas y caen de golpe las temperaturas del invierno seis grados. Tan sorprendentes saltos climáticos se han dado antes; a veces, en cuestión de años.
40 OE CERCA
Recuperación del coral rojo.
50 Injertos para el corazón Smader Cohen y Jonathan Leor Expertos de varios campos colaboran en la incipiente ingeniería tisular. Están a punto de alcanzar uno de sus principales objetivos: construir un parche vivo para el corazón humano.
86 CURIOSIDADES DE LA FíSICA
A través del espejo, por Jean-Michel Courty y Edouard Kierlik
88 JUEGOS MATEMÁTICOS El número mayor y la información misteriosa, por Juan M.R. Parranda
90 IDEAS APLICADAS Marcapasos, por Mark Fischetti
Estructura del cerebro humano John S. Allen, Joel Bruss y Hanna Damasio De la investigación centrada en el tamaño y la forma del cerebro brotan nuevas ideas sobre el desarrollo neural, las diferencias entre sexos y la evolución humana.
92 LIBROS
Estudios zoológicos Superconductividad Humanistas matemáticos
76 Brechas en la defensa antimisil Richard L. 6arwin Es dudosa la eficacia del sistema defensivo antimisiles desplegado por los Estados Unidos.
COLABORADORES DE ESTE NUME RO Asesor am iento y traducción : M.' Rosa Zapatero Osorio : La red cós mica ; A ndrés Lcwin Richtcr : Mús ica y cerebro ; Ma nuel Puigcer vcr : Cambio climático bru sco; Cristóbal Pera: Injertos para el corazón ; Luis Bou: Comp utación en agujeros negros; David Costa Miserachs: Estructura del cerebro hu mano ; J. Vilardell: Brechas en la def ensa antimisil, Hace.... Apuntes, Curiosidades de la física e Ideas aplicadas
DIRECTOR GENERAL J o sé M. " Valderas G all ard o DIRECTORA FINANCIERA Pil ar Bronchal G arfella EDlCIONES Ju an Pedro Cam pos G ómez L aia T orres Casas PRODUCCiÓN M ." C ruz Iglesi as Capón A lb e r t M arín G arau SECRETARiA Puri fi caci ón M a yo ral M artíne z ADMINISTRACiÓN V ic toria And ré s Laigl e si a SUSCRIPCIONES Concepc ió n arene s Del g ad o alga Bl an co Romero EDITA Prensa Ci entífi ca , S . A . Muntan e r, 339 pral. 1." 08021 Barcel ona (España) T el éfono 934 143 344 T el e fax 934 145 413 w ww .in vestigacio nycie nci a.es
SCIENTIFIC AMERICAN EDITOR IN CHIEF John Rennie EXECUTIVE EDlTOR M arie tt e Di Christina MANAGING EDITOR Ri c k i L. Ru sting NEWS EDITOR Phil ip M . Yam SPECIALPROJECTS EDITOR G ary Stix SENIOREDITOR Mi chelle P re s s SENIOR WRITER W . W a yt Gibbs EDITORS M a rk Alpert, Ste vcn A sh le y, Grah am P . C o ll ins , Ste ve Mirsky, G eorg e Mu sse r y C h ris tine S oares PRODUCTION EDITOR Ri chard Hunt GENERAL MANAGER Michael F lo rek VICEPRESIDENT ANDMANAGING DIRECTOR. INTERNATIONAL D e an Sanderso n PRESIDENTAND CHIEF EXECUTIVE OFFICER G retchen G . Teichgraeber CHAIRMAN J ohn S a rg ent
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ACE
...cincuenta años CIENTíFICOS ANTISOCIALES. «¿Deben considerarse como defectos de personalidad rayanos en lo anormal los rasgos sociales que caracterizan a numerosos cientí ficos? Respuesta: no. En nuestra muestra poblacional , las crisis mentales o emocionales no resultaron más corrientes entre los científicos que entre los no cientí ficos. A lo sumo, en el grupo escogido, físicos e in genieros aparecen en el polo opuesto al de hombres de negocios y abogados, respecto a capacidades, in tereses ocupacionales y comportamiento social. Esas diferencias básicas entre las personalidades podrían explicar buena parte de las fricciones entre los cientí ficos y los polítlcos.. ABAJO EL AMOR. «En un estudio de 1297 telefonistas, los investigadores descubrieron que el perfil típico del trabajador que solicita la baja por enfermedad corres pondía a una mujer casada, viuda o divorciada cuyas esperanzas se habían cifrado en ser ama de casa y madre. Privadas del apoyo del cónyuge, por muerte, abandono o incompatibilidad, se habían visto obliga das a seguir trabajando, con frecuencia mientras cria ban a sus hijos. Entre los telefonistas con menos ba jas por enfermedad, predominaban las mujeres solteras con escasa propensión al matrimonio y cuyas ambi ciones no iban mucho más allá de la modesta satis facción por su traba]o. » HELICÓPTEROS. «La versatilidad y usos del helicóptero resultan formidables y van en aumento, pero aún no se aplican al transporte de masas. El futuro del he licóptero se basa en su singular capacidad de despe gar del centro de una ciudad densamente poblada, saltarse los atascos del tráfico y aterrizar en un cen tro igualmente denso. Logra hacerlo a una velocidad aceptable y con poquísimo riesgo. La compañía aérea Sabena demostró que un helicóptero que vuele a una velocidad de crucero de sólo 120 kilómetros por hora podría llevar pasajeros desde el centro de Bruselas a Londres con mayor rapidez que un avión comercial que volara a 400 kilómetros por hora, cuyos pasaje ros deberían trasladarse en taxi a y desde los aero puertos.»
tor para usar de noche y en la boca una bocina de autom óvil. » LA GUERRA RUSO-JAPONESA. «Scientltic American la menta profundamente que, tal como revela la pre sente guerra, los avances científicos, en vez de miti gar los horrores de la guerra, los hayan multiplicado. El sueño de los filántropos, de que la ciencia había convertido la guerra moderna en algo tan espeluznante y aterrador que imposibilitaría su continuación , se desvanece ante el horrible panorama de Port Arthur, donde los cuerpos de miles de valientes se pudren sobre las faldas nevadas de las fortificaciones , sin que el afán por el triunfo bélico permita una tregua para su sepultura.»
...ciento cincuenta años ORBITAS COMETARIAS. «Las órbitas de todos los pla netas, y probablemente de casi todos los cometas, describen elipses, en uno de cuyos focos se encuen tra el Sol. No puede existir un cuerpo atractivo en el foco superior de la órbita de un cometa que se sepa periódica, pues resulta imposible que un cuerpo per manezca inmóvil en ese punto. La estrella fija más próxima cuya distancia ha sido determinada, Alfa Centauro, se halla a más de doscientos mil radios de la órbita terrestre alrededor del Sol. La luz, viajando continuamente a más de 300.000 kilómetros por se gundo, requeriría más de 3 años y cuarto para cubrir ese trayecto. Así pues, ¿cuánto tiempo tardaría un co meta en completar un viaje de ida y vuelta? Que a nuestro sistema no llegan cometas desde las regiones de la estrella fija resulta bastante claro.»
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...cien años EaulDos NERVIOSOS. «Un residente en Canadá pro pone apaciguar los caballos asustadizos mediante caballos de juguete a escala natural sujetos al frente de los automóviles (véase la figura), de forma que éstos ofrezcan la apariencia de vehículos hipomóvi les. Además de engañar a los caballos medrosos y nerviosos, el señuelo lleva en la cabeza un reflec INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Caballos de juguete para apaciguar caballos de verdad, 1905. 3
! PUNT ES
ENDOCRINO LOGIA
Violencia acuciante ntre las hormonas del est rés y la vía ce reb ral que contro la la violencia pare ce existir una relac ión de mutuo for tale ci miento . En las ratas, la estimu la ción eléct rica de esa ruta activa la reac ción adren ocort ical ante el estrés ("lucha o huy e"). Para que se dispare esa reac ció n, se req uie re la co nfrontac ión con otro co ngénere. De igual modo, pode mos desp ertar la agres ividad de los mú ridos medi ante la inyección de corticos
E
terona , la horm ona del estr és . Nos encon tramos , pues, con un círcu lo vicioso: la conducta violenta esti mu la la secreción de hormonas del est rés , que propician más viole ncia , y así sucesivame nte . - A imee Cunningham
La tensión nerviosa y la violencia forma n un círculo vicioso.
ETOLOGIA
la simulación castigada ay animales que muest ran su es plendo r en cost osos despliegues de fue rza o exhi biciones . Pensemos en la cola del pavo real. Las manifestaciones de otros anima les, sin embargo, diríanse exent as de coste especial. ¿Mie nten acaso? No . El engaño les saldr ía muy cara desde el punto de vista soc ial, vienen a declarar los etó logo s. Los ento rn ó lagos han obse rvado el primer dato ineq uívoco que res palda esa idea. En las hem bras de avispa papelera, desc ubrieron que las que portaban sobre el aparato bu cal marcas negras más fragmen tadas o en mayor número tend ían
H
a salir vi ctoriosas en su lucha por el domi nio. Pintaro n lueg o en alg unas hembras las marcas prop ias de un dom inio superior o inferior. ¿Qué ocu rrió? Ambos gru pos de farsantes sufriero n un ma yor acoso que las hemb ras con trol. El engaño no era, pues, bien recibido. Se sos pec ha que alguna clave quím ica o conductual termina por delatar a las emba u cado ras. - J. R. Min kel
Las avispas papeleras desaprueban las suplantaciones.
BIOLoGIA
Células mad re oculares os humanos poseemos auté nticas célu las mad re reti nianas autorregeneradoras . En el banco de ojos de la Universidad de Taran ta , los investigadores se apres
L
taran a crear cultivos ce lula res . En el ensa yo descubrie ron que , ap roximadamente, una de cada 500 células , procedentes del ani llo negro que ci rcunda al iris , se di vid ía indefin ida men te y se engend raban todos los tipos de célu las retinianas. (En estudios ante riores se habían enco ntrado células mad re retinianas de capacidad lim i tada, care ntes de pote ncial para una división indefini da y que se transformaban sólo en un os pocos tipos de células .) Al se r trasplantad as a embriones de ratón o de pollo , las células madre se transformaban en cé lulas de l tipo que hallaban en el emb rión en cuest ión y en su fase concreta de desarrollo . El próximo paso a da r se rá el implante ce lula r en raton es con retinas degenerativas ; nos permitirá averiguar si restabl ecen la fun ción y estud iar de qué modo podríamos act ivar y man ipu lar dichas célu las . - J. R. Minkel
El iris, una fuente potencial de célul as mad re.
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INVESTIGAC iÓN y CIENCI A, enero, 2005
SALUD
Dispersión del mercurio l mercurio es neurotóxico. Inqu ieta en especial su efecto sobre el desarrollo de los fetos. De acuerdo con la investi gación epidemiológica , un número considerable de mujeres es tadounidenses en edad de procrear alojan en sus organismos una cantidad excesiva de ese metal. El estudio de marras se ha centrado en muestras de cabello de unas 1500 personas de todas las edades. Un quinto de los sujetos estudiados poseía un nivel de mercurio superior al recomendado por la Agencia de Protección Medioambiental, una parte por millón . Ningún ~ ~ otro contaminante, que se sepa , somete a un porcentaje tan :3 alto de la población de EE.UU. a unos niveles de exposición ~ ~ superiores a los recomendados por las autoridades federales . l'i Los mayores focos de mercurio suspendido en el aire son las ~ centrales eléctricas que queman carbón. -c -Charles O. Choi ¡¡¡
E
ffi 3:
a; '" o
La exposición al mercurio se halla muy extendida.
ZOOLOGIA
Aun sin oxígeno etanol por las branquias y a su descarga
en el agua . Gracias a esta capacidad, la
carpa cruciana sobrevive al invierno es
candinavo. De su investigación podrían
infe rirse claves para salvar la vida de
quienes se quedan sin oxígeno sufi
ciente por un ataque cardíaco
o un ataque cerebrovascular. - Charles O. Choi
in oxígeno , pocos vertebrados sobrevi ven más de unos minutos. Algunos, como la tortuga de agua dulce, ralentizan drásticamente su corazón para seguir vivos. La carpa cruciana (Carassius carassius), del mismo género que uno de los peces más comunes en las peceras , el pez rojo, carpa dorada o carpín, puede vivir sin ape nas oxígeno durante al menos cinco días, sin que el corazón deje de latir perfecta mente. Lo consigue transformado el ácido láctico, perjudicial subproducto metabólico , en el mucho menos dañino etanol. El co razón quizá contribuya a la circulación del
S
La escasez de oxígeno no es
un problema para algunos peces.
GEOFISICA
Seísmos y gravedad os terremotos desplazan masas corticales, con la alteración consi guiente de la gravedad. Pero los instrumentos de medida son im precisos , inestables; los cambios sólo pueden seguirse por medio de largos registros que empiecen antes del seísmo y acaben después. En Japón han concebido un método mucho más rápido . Cons iste en obser var cómo reaccionan unas bolas superconductoras a la gravedad mien tras flotan atrapadas en campos magnéticos de una estabilidad extraor dinaria, generados por bobinas también superconductoras. Tras descontar el efecto del Sol, la Luna, el aire , el mar y la rotación terres tre, quedó aún un aumento permanente de alrededo r de una parte en dos mil millones en la atracción gravitatoria al sudeste de la costa de Hokkaido, en el epicentro de un seísmo de magnitud 8 ocurrido en 2003 . Los resultados concuerdan con las predicciones teóricas . Los gravímetros superconductores podrían auxiliar a los satélites que carto grafían la gravedad terrestre, a la hora de determinar el espesor de las capas polares , los niveles de salinidad de los mares, la densidad de la atmósfera y la geología del planeta . - Charles O. Choi
L
Los temblores modifican localmente la fuerza gravitatoria.
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
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la enseñanza
de la lectura
La búsqueda del mejor método para enseñar a leer sigue preocupando a muchos educadores. La investigación científica permite actualmente encontrar respuesta a muchos de los dilemas que se plantean Jesús Alegría, Marisol Carrillo y Emilio Sánchez
a ense ña nz a de la lectura ha recibid o una atención co nsidera ble en los últim os años por parte de diversas disciplinas: la psicología , la lingüí stica, las neurociencias y la inteligen cia artific ial, entre otras. Las investigaciones rea lizada s han creado un sólido cuerpo de cono cimientos sobre la natur aleza del acto de leer, sobre el proceso de adquisició n de esta competenci a y sobre las dificultades que enc uentra el aprendi z en tal proceso. No obstante , y reflejando la enorme imp ort ancia que tie ne en nuestr a soc ieda d la alfab eti zación plen a de toda la pobla ción, los debates sobre los métodos de en señanza siguen siendo intensos. ¿Hay que enseñar a leer ? Plant ear esta pregunta pre supone que pudi era no ser necesari o hacerl o, que se puede aprender a leer como se aprend e a hablar, es de cir, sin ense ñanza orga nizada sistemáticamente. Todos los niñ os adqui eren su lengua matern a sin programa s de ense ñanza ni maestros. Basta co n la presenci a de adultos que hablan sin intención de enseñar para que los niños aprendan sin voluntad de aprender. Aprender a leer , por el contra rio, ex ige clases, programas, profe sores, y a pesar de todos estos esfuerzos , plantea pro blem as a un a prop orci ón gra nde de niñ os. Sin em bargo, algunos autores defienden la idea de que aprender a leer y adqui rir la lengua matern a no son co nquistas fundamentalmente diferentes. Es cierto que muchos niños apre nde n a leer co n una facilidad asombrosa. Pero, junto a éstos, se encuentra n otros para qui enes es ta ta rea es casi irreali za ble. Tales diferencias individuales no se observa n en la adquisición de la lengua materna, lo que respalda la idea de que aprender a leer y apr en der a habla r entraña n mec anismos diferentes. Existe n dos familias de método s de ense ñanza de la lectur a que se suelen presen tar co mo mutuament e ex
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cluye ntes : los mét odos "fó nicos", que dan prioridad a la ense ñanza del prin cipi o alfa bético, y los métodos "g lobales" y sus deri vado s, que dan prioridad al sig nifi cad o que tran smit en los men sajes esc ritos . Veremos que no ex iste ningún funda mento par a aceptar esta opo sició n. Aunque la con frontación entre defensores de uno y otro métod o es particularm ent e enconada en el mund o anglosaj ón, por razones que aparecerán más ade lante, los planteamien tos tamb ién son se mej antes en las comunidades de len gua cas tella na.
El método fónico El mét odo fónico se propone explo tar los beneficio s del prin cipi o alfabético que está en la base de nuestro sistema de escritura : que las unidades utili zada s en la esc ritura , letra s y grupos de letras, den ominadas gra femas (la "e" de casa y la "eh" de chal, por eje mplo), represent an de maner a más o menos siste mática las unid ades fonológicas de la lengua den ominada s fon e mas. El método fónico de ense ñanza de la lectura con sidera que el principi o alfab étic o debe se r presentado al aprend iz de manera explíci ta, sistemá tica y temprana. Explícita significa que el maestro debe ayudar al alumno a comp rend er la relaci ón que existe entre grafe mas y fo ne mas sin es pera r que és te descubra es pontá nea mente tal relación . Sistemática qui ere decir que la en señanza debe organi zarse siguiendo un orden preciso, determinado por cons iderac iones teóri ca s y prácti cas que tom an en cuenta las difi cult ades que plantea el ais lar ciertos fonemas . Los fonema s no son "los sonidos materi ales" de que es tá hech a el habla, sino entidades abstrac tas . Por ejemplo, el fonema Ipl es una abstrac ción: es lo que las pal abra s "papa", "pipa" y "pe" (el nombre de la letra que lo representa ) tienen en común al comienzo. Este fonema no puede ser con creti zad o INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
materi alm ente en un sonido porqu e es imposibl e pronun ciarl o sin una voca l. Por esta razón, la ense ñanza de la corres pondencia entre grafe mas y fonema s será más exitosa si comienza co n las voca les y las con sonantes fri cati vas que pueden ser aisladas, y se espera que esto ayude al niño a co mprender el principio al fabético. Por último, temp rana se re fiere a que el código alfabético debe presentarse desde el comienzo del programa de ense ñanza . El fund amento teórico de este mé todo es que el domin io del sistema de correspondencias pone a disposi ción del niño una herramienta (leer) que le permitirá comprender el sig nifi cad o de cu alquier palabra que encuentre . De ahí la noción de p ro ductividad que caracteriza al código alfabético. Entre las críticas que se han for mulad o hacia este métod o, prin ci palm ente por defe nsores de propues tas metodológica s altern ati vas, cabe desta car tr es. La primera: res ulta poc o estimulante para el aprendiz; le aleja de la dim ensión funcional de la lectura: ex trae r sig nificado y co municar. En seg undo lugar , su fa lta de e ficac ia , parti cularmen te en algunas len guas, co mo el inglés, en las que el código alfa bético es poco produ cti vo a causa de la fal ta de regul arid ad de las relaciones gra fema-fo nema. Est a crítica es de meno s imp ortancia en sistemas or tográfic os más regul ares, como el del castella no . Por últ imo, algunos autores afirman que los niños po see n co noc imientos intuiti vos so bre la escritura (qué representa, cómo lo hace, para qué sirve) qu e el sis tem a de ense ña nza fóni co ignora, lo que podr ía llevar al niñ o a no operar co n lo que ya posee y a adop tar una actitud pasiva ante el nuevo aprendizaje.
Los métodos globales Los métodos globales aparece n como un int ent o de superar alg unas de estas críticas . La proposici ón prin cipal es que las unidades enseñadas sea n las palabras co mpletas. De esta forma se evitan los pro blem as de la falt a de regularidad del código y, además , el aprendizaje se centra en unidades que tienen significado aban donánd ose las que no lo tienen, los grafe mas y los fonemas . INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
1. LA ENSEÑANZA DE LA LECTURA, ¿debe basarse en la asociación de grafemas y fonemas, o ha de empezar ya por las palabras completas?
En un pro gram a clá sico de lec tura global se empiez a ense ña ndo al apr endi z varias decena s de pa labras hasta que las reconozca di rec tamente, es decir, sin recurrir a la medi ación fo no lóg ica (" luna" ~/ I u na/, "so l'l-e/s ol/, etc.). El vo cabul ari o vis ual así adquirido es util izado por los alumnos para leer y co mponer frases, pero estas act i vida des están limitad as por la can tidad de palabras memorizadas. Ante una palabra desconocida el apren diz esta obligado a adivina r su sig nificado; el maestr o lo animará a prac tica r esta acti vid ad y no a bu s car la corresponde ncia entre grafe mas y fo nemas. Ver siones men os radica les del mét odo plantean que el crec imiento del voca bular io vi sua l requiere reali zar discrimina cio nes cad a vez más finas que pue de n inducir al alumno a reparar en la fonolog ía. Por eje mplo, para me morizar el significado de palabr as como "luna", "cuna", "duna", "tuna",
etc ., inferir el valor fo nológ ico de la pr imera letr a es import ante. De esta manera, ca bría suponer que si
bien las corre sponde nci as grafe ma fone ma no se ense ña n (al meno s ex plíc ita y sis te má ticame nte), el alumno pueda llegar a operar co n ellas de algún modo. No obs ta nte, los defen sores de esta met odología asum en el prin ci pio teórico, defend ido por F. Smith entre otro s, de que la fonología no forma parte de los pr oc esos que in tervien en en la id en tifi caci ón de palabras escritas por part e del lec tor expe rto. Má s es pecífica mente, arg ume nta n que la medi aci ón fo nológica hace más lent o el acceso al significado y, co nsec ue ntemente, deb er ía ser dest err ada de la en señanza. Es importante anticipar que estas ideas han sido refutadas empí ricament e dur ante los úl tim os años, co mo veremos enseg uida . En la línea de los métodos glo bales, la opción de nominada " len guaje int egrado" pone el énfas is en el uso de l len gu aje esc rito en si tu aci on e s co municativas real es. Seg ún es ta posici ón, e l papel del maestro es el de ayuda r al alumno a ex plora r y descu bri r progresiva
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mente las convenciones del lenguaje esc rito a través de su uso en con textos naturales. Al lect or prin ci piante que no consigu e leer un men saje se le animará par a que adivine su sig nificado ex plotando todo s los rec ursos disponibles: pal abras que reconoce, sus propi os co noc imien tos lin güí sti cos e inform acion es so bre e l tem a, las ilu stra ciones que aco mpañan el men saje, la co mpren sió n de las int en ciones del autor, etc. Kennet Goodman conde nsó esta noción en una frase célebre : "Leer es pr acticar un juego de adi vin an zas psicolingüísti cas". Esta afirma ción tien e co mo co nsec ue ncia que el rec onocimi ent o de palabr as sea co ns ide ra do un proceso sec unda rio, una opció n, en la co mprensión de la len gua escrita . Para los de fensores del len guaje integrado no es nec esar io leer cada una de las pa labr as de un texto, pues el lector
posee un pod er predicti vo basado en la redund anci a del len guaj e y una ca pacidad de interpreta ción ba sada en sus conoc imientos previos. C apac idad pr edi cti va y co noc i mient os previos permiten al lector selecc iona r de forma "intelige nte", seg ún sus necesid ades e int ereses, qué leer y qué dej ar de lad o. Esta proposici ón ha tenido una influ en cia co nside rable en la ense ña nza de la lectur a. En el mund o hispanohabl ant e se ha desarrollad o otra metodol ogía co muni cati va con raíces en la teoría evo lutiva co ns truc tiv is ta de l ean Piaget. El fund ament o de es ta pro puesta es qu e los niñ os que desde muy pequ eñ os entran en cont acto co n la len gua escrita desarroll an es pontá neame nte, esto es, sin en seña nza formal, ideas sobre lo que repr esent a la esc ritura en el plano fo rmal y funcional: qué di stin gue
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lo escri to de otras formas de re present aci ón gráfica, qué represen tan los signos ortog ráficos, para qué sirve la esc ritura . Los co nstructi vistas han puesto al descubi ert o re gularida des imp or tantes en la evo luci ón de las ide as qu e e l ni ño desarroll a so bre la lengua esc rita . A un a edad temprana, por ejemplo, distin gue entre lo que es un di buj o y lo que es una palabra esc rita y, de manera progresi va, establece re laci ones entre lo ora l y lo escrito hasta llegar a formular (implíc ita mente) hip ótesis fonológ icas . Por eje mplo, la llamad a "hipótesis silá bica" supo ne que las síla bas qu e co mpo nen las palabras deben ten er una rep resent ación gráfica diferen ciada. Así /cristina/ necesit ará tres sig nos gráficos y /pedro/ dos. La met od ol ogí a co ns tructivista plantea la ense ñanza a partir de las " hipótesis" del niño y prop icia en los aprendices el empleo de sus pro pio s rec ursos para esc rib ir. Es im portante subrayar que el ava nce de l alumno supone un acerca miento pro gres ivo al cód igo alfa bét ico, y que si bien las reglas de transfor mac ión grafema- fonema, y viceversa, no se ense ñan de man era sistemática, el aprendiz tendrá inevitablemente que descubrirlas o codesc ubrirlas co n la ayuda del enseña nte. Este crea si tuaciones que favorezca n la evo lu c ió n de las ideas per son ales de l niñ o sobre el len guaje esc rito . Por el contrar io, en la metodo logía fó nica, y tambi én en la global, es el enseñante el q ue pl an ifica la se cuencia con la que se llevarán a ca bo los aprendizajes . Pero una revisión crít ica de las opciones metodológicas present ad as no puede dejar al margen a las apo r taci ones bien conso lidadas de la in ves tigac ión sob re los mecanismos o pr ocedimi entos de lectura de las pal abras, su adquisición y sus difi cultades.
¿Cómo leemos las palabras?
2. LOS MElODOS GLOBALES toman como unidad de aprendizaje las palabras completas. La irregularidad ortográfica del inglés podrá ser una razón para optar por este enfoque en esa lengua.
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Es ta cues tión puede parecerl e ex trañ a al lector ex per to . Nues tra im presión es que la iden tificación de una palabr a esc rita es instant ánea y no dej a lugar al estudio de proce sos que podrían tom ar tiempo y co n sumir energía por parte del lect or. Sin embargo, el análisis experimental de la lectura de pa labras demu estr a INVESTIGAC iÓN y CIENC IA, enero, 2005
qu e no es así. Por ejem plo, las pa labra s frec ue ntes se ide ntifica n más dep ri sa q ue las men os fr ecu entes y los es tudios de lab orat orio mues tr an que es te y otros fac tores, tales co mo la lon gitud de la pal ab ra, su es truc tura ortográfica o la existe n cia de "vecinos" ortog ráficos o fo n ol ógi cos (pa la bras s im ilares or tog ráfica o fo no lóg icame nte; por ejemplo, so n vec inas de " pa to" la s pal abras ga to, palo, pata, pito ...), de terminan de man er a pre vi sibl e la duraci ón y la precisi ón del proceso de identi ficación. Los mod el os elabo ra dos pa ra ex pli car es tos resultad os co ns idera n qu e id enti f icar un a pal ab ra co n sis te en es tablecer una co nex ió n en tre su fo rma ortográfica en el texto y los conoc imie ntos qu e el lect or posee en su memori a léxica so bre dich a palabra; co noc imie ntos prin cipalme nte se má nticos (s u signifi cado), sintác ticos (tipo gramatical, gé ne ro, etc .) y fo no lóg icos (s u pro nunci ación ). Es ta co nexión se puede re aliza r de dos fo rmas diferentes . La primer a tien e lugar de man era directa y se produce cuando la pa labra qu e hay qu e id entifi car for ma part e del rep ert ori o de pal abras me mori zadas q ue posee el lector, el den ominad o léxi co ortográfico. La seg unda proced e por ensamblaje fo nol ógi co , esto es tradu ci endo los ele me ntos ortog ráficos de la pala br a, letr as y gru pos de letr as, a la fo rma fon ol ógica correspo ndiente . Se tr ata e n es te caso de un reco nocimiento indirect o qu e se produ ce a tr a vés de la re prese ntac ió n fo nol ógica de la pala bra.
Actividad automatizada Es tos dos pro cesos funci on an de ma ner a paralel a y automá tica, lo qu e qui ere deci r q ue los pro cesos im pli cad os e n la lectura de pal abras se ponen en marcha ob ligatoriamente e n cua nto los ojos del lect or fijan un a pal abra escrita. La vo luntad del lect or no desempeña nin gún pa pel e n es te proceso y, por ello, no se pue de ev itar leer un a pal abra una vez qu e ha entrado en el campo visua l, ni tampoco decidir si la pa labra será pro cesada fo no lóg ica u ortog ráfica me nte. G. Van Orde n y sus co laborado res han dem ost rad o eleg a nte me nte la inter ven ción de la fo no logía en
INVESTIGACiÓN
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Comparación de métodos de enseñanza en Estados Unidos on numerosas las investigaciones que muestran las ventajas de la enseñanza fónica en la lengua inglesa . En los EE.UU . hay una larga tradición de comparar los resultados obten idos con dife rentes métodos de enseñanza de la lectura. Entre los estudios recient es se encuentra el realizado por la Academ ia Nacional de Ciencias/ Consejo Nacional de Inves tigaciones, que , bajo el ausp icio del Departamento de Educación , revisó más de 700 publ icaciones. Llegó a la conclusión de que el reconocimiento de las palabras escritas es muy difícil si no se dispone del conocimiento de cómo las letras represe ntan de forma sistemática a los sonidos . Además , sin tal conocimiento no es posib le el progreso en el aprendizaje. Si un niño no puede apoyarse en el princip io alfab ético , el reconocim iento de palab ras será lento y labo rioso , lo que dificultará la comprensión de los textos. Así mismo el Pane l Nacional sobre la Lectura, organ izado por el Instituto Nacional de Salud Infan til y Desa rrollo Humano, de Estados Unidos, realizó un metaa nálisis de una selección de 38 estudios bie n controlados sobre instrucción fónica. Los resultados most raron que la instrucción fónica sistemática aumenta el éx ito de los niños en el aprendizaje de la lectura y que resulta significativamente más efect iva que la instrucción que incluye poca , o ninguna, enseña nza fón ica. Otra importante publ icación americana , How Psychological Science intorms the Teaching ot Reading, recoge una revisión excelente de los datos más actuales y sign ificativos en el tema que nos ocupa .
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la lec tura de pal abr as por med io de una tarea de toma de decisión semá n tica: co ntestar rápid amente si un a p al ab ra escrita pertenece o no a un a categoría particular ; por ejem plo, decidir si se trata o no de una fl or. Los resultad os mu estran qu e p alabr as co mo "rows" (re ma), qu e se pronuncia igua l qu e "rose" (rosa), pro duce n a menudo el error de ap re ta r el botón "sí" . Por supuesto qu e el lector "sabe" qu e rows no es un nombre de flor , pero la tenden c ia a respon der "sí" revela qu e la fo no logía de rows, qu e se act iva de modo automá tico en el proceso de id en ti ficaci ón de la pa la bra esc rita, in ter fi ere negati vam ente en la ta rea se má ntica, sin qu e los suje tos pu e dan ev itarlo . Este fe nó me no, lla mado "efec to de hom ofon ía" , se ob serva tamb ién cua ndo se presentan pseu dopalabra s. Po r eje mplo, en cas te lla no, la pse udopa labra "ha bi ón", hom ófon a de "avió n", produ ci ría in te rferenc ias en la tarea de dec is ió n se má ntica "objeto q ue vue la" ge ne ra ndo una te nde nc ia er rónea a res ponder "sí". Ca be agregar qu e los estudios mi nu ci osos de Rayn er y sus co la bo rad ores so bre la man er a e n que los ojos recorren un tex to revela n as pectos de es ta acti vi dad q ue, de nu evo, no coi nci de n co n nuest ras
in tu ici on es de lect or. Te ne mos la impresi ón de qu e los ojos se des lizan de ma nera co ntinua a lo largo de las lí neas de text o, pero la rea li dad es mu y di fer en te . Los ojos proced en de man era discon tinu a: se deti en en en la pal abr a qu e leen durant e unos 200-250 mili segundos co mo prome dio (f ijació n oc ular) y sa ltan, lit eralmente, a la sig uie nte en 30 m s (mov imie nto sac ádico). Los es tud ios so bre los movim ien tos oc ulares de l lector ex per to mues tra n qu e se fijan cas i todas las pa labr as de un tex to y q ue la du raci ón de las f ijacio nes dep ende del tra baj o de identificaci ón que ex ija la palabra (es men or e n las pa la bras frec ue ntes qu e e n las qu e no lo so n ta nto) . Todos es tos trabajos mu estran qu e el proce sam iento de las palabras esc ritas, ais ladas o co mpo nie ndo un tex to , es una ac tiv idad automa tizada en el lect or experto. Sus cua lida des inte lec tua les tie ne n poco o nad a qu e ver en ta l proceso. Po r sup ues to , el lector las ejerce en los procesos de com pre ns ió n de los tex tos : aplica sus co nocim ien tos lin güísticos y co nceptua les para ex traer las ideas, re lac ionarlas entre sí y co n los co noc imie ntos pre vios, para real izar infere nc ias, e incl uso para eleg ir inteli gentemente dón de
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3. ANTES DE APRENDER A lEER los niños toman contacto con los textos escritos. Se familiariza n con los relatos a través de los cuentos e historias que les leen los adu ltos. Aprenden sobre la forma gráfica de las palabras y su disposición en las páginas, adquie ren nuevo vocabulario y nuevas formas de expresión que son propias del lenguaje escrito. Estos conocimientos desempeñan un papel muy importante en que la lectura sea una experienc ia motivadora y plena de significado .
leer en función de sus intereses y necesidades. Ense ñar a un niño a leer co nsis te, po r necesid ad , en ay uda rlo a elaborar un procesado r de palabras esc ritas automatizado, pero es tam bién ense ñarle a enco ntrar las cla ves qu e per mite n la co mprensió n de los textos y a bu scar inform a ció n inte lige nte me nte en funció n de sus necesid ades. Estos múltiples aspe ctos que englo ba la ense ñanza de la lectura son del todo diferen tes y buena parte del deb ate sobre los mét od os pr ovien e de que los defen sor es de uno u ot ro hablan de enseñar a leer haciend o referen cia a cues tiones diferentes: crea r y auto mati zar el procesad or de pal abras escri tas , por una part e, y enseñarle al niño a servirse co n intel igencia de él, por otra.
La conciencia fonológica El proceso de apr endizaj e que lleva a la adqui si ción de los mecan is mo s de iden tific aci ón de palabr as es un o de los mej or docum ent ad os de la psicol ogía cog nitiva. En e l caso del lector ex pe rto vimos que ex iste n dos pr ocedimient os par a la identi ficaci ón de pal abras esc ritas,
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un o direct o u ortog ráf ico y o tro indi rect o o fo no lóg ico . En este úl tim o caso e l siste ma atribuye fo nem as a las letras o grupos de le tra s, y para ap rend er a hacer esta ope rac ió n el apre ndiz ti en e qu e co mprender el có digo alfa bético, lo qu e le exige hab er ais lado ment al men te los fo ne mas . Só lo as í el niñ o se rá cap az de conce bir las pala br as "sol" y "gol" como form ad as cada una por tres fone mas, de los cua les es e l prim er o el qu e distin gue una de otr a. Se ha dad o el nom bre de co nc ienc ia fo no l ágica a esta ca pac ida d. No se trat a só lo de po der discriminar auditiva me nte pa labr as que pr esent an diferen cias fo nol ógi cas mínim as ; esta últim a ca pacidad for ma parte de los me ca nismos de procesam ient o del ha bl a qu e se desarrollan de for ma natural y e l niñ o la posee incluso antes de empezar a hablar. Si no fuera así, no podría dist in guir en tre las palabras que oye y es table cer co rres po nde ncias sis te má ticas entre ca da una de ellas y sus re ferentes . La con cienc ia fo nológ ica se desarr olla más tarde y requier e un tip o de reflexión co nsc iente qu e permita ais la r mentalment e las uni
dad es fo no lóg icas que constituye n las palabras. Cie rtos aspect os de la co ncie nc ia fonológ ica preceden en su desarro llo al aprendizaje de la lectura. As í se ha demo strad o que los niños pr e lectores son ca paces de seg mentar una palab ra en síla bas dand o un gol peci to o palm ada por sílaba . Co n uno s pocos eje mplos y algo de en tren ami ent o la mayoría de los niño s de 4 y 5 años son cap aces de ha ce r es ta ta rea. La "hipótes is silá bica" (cada sílaba tiene que se r re presentada por un sig no gráfico) , descrita por los co nstruc tivistas, se basa en esta habilidad. Es ev ide nte que el niño no podría desarrollar la hipótesis si no fue ra capaz de con ce bir ex plíc itame nte las pal abras co mo sec uencias de síla bas . La con ciencia de otros aspect os fonológ i cos del habl a, tales co mo la rim a, tambi én se obse rva n antes de apren der a leer. Los niños prelectores so n capaces de reali zar tareas que ex i ge n esta habilidad . Por ejemplo, se les prese ntan 3 dibujos, "so l", "gol" y " mar" , y se les pid e que identifi quen el intruso (" mar" en este ca so), para lo cual el niñ o tiene que re co nocer que las pal abras "sol" y "gol" rim an entre ellas pero no co n "mar" .
S in embargo , las tar ea s que ex i gen la seg mentación en fonemas son mucho más difícil es. As í, la supre sión del fonema ini cial, tarea, cl á sica en es te dominio, en la que se propone al niñ o una pal abr a co mo /soll, a lo que tien e que responder /01/, no es tá al alcance de los pre lect ores. Esta tarea impli ca la co n cie ncia fonémica , que es el aspec to más exigente de la conci encia fo nológic a. La conciencia fonémica es necesaria para la co mprensión del código alfa bético, ya que para e n tend er lo que represent an las letras de una palab ra esc rita el aprendiz tien e que se r cap az de aislar men talm ente lo s fon em as correspon dient es en la palabra hablad a. Esta habilidad no se desarroll a de ma nera es pontánea, tal com o han po did o demostr ar ex perimentalmente J. Mo rais y sus colaborad ores con ad ultos iletrados: fueron incap ac es de reali zar la tarea de suprimir el fone ma inic ial. Por el con trario, un grupo de adultos del mi sm o e n torno soc ial que hab ían sido alfa-
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beti zados pudo llevarla a cabo . Del mismo modo, Ch. Read y sus co laboradores demostraron que los lec to res chinos qu e só lo utili zan el sistema logográfico prop io de esta lengua , qu e no represent a fo nemas, son incapaces de reali zar la tarea de supres ión descrita. Estos res ultados tie nen una inci dencia imp ortante en la enseñanza de la lectu ra pues to que ind ican : a) que la concie ncia fonémica no se desarrolla espo ntá neame nte, b) que la es truc tura fo né mic a del habla tiene que ser explícitame nte reve lada al apre ndiz lector y e) que esto no ocurre en general si no es en el contex to del aprendizaje de la lec tur a en un sistema alfa bé tico . Ade más, investi gaciones como la reali zada por uno de los autores, Jesús Aleg ría, y sus co labo ra dores han mostr ad o qu e la ense ña nza de la lectur a con el método glo bal durante el prim er año no permite al niño adquirir conciencia fonémi ca. Ta mbién B. Byrne realizó una se rie de ex perimentos por medio de una vers ión de laboratorio de la en señanza global de la lectura, en la que enseñaba a unos preescolares a memorizar parejas de pa labras tales como "fat" (gordo), asociándola con un dibujo que represe ntaba un niño gor do, y "bat" (murciélago), aso ciada al dibuj o correspondiente. Para verificar si de este apre ndizaje el niño podía dedu cir espontáneamente que la letra "f" de "fat" corres pondía al fonema /fI, puesto que es el so nid o qu e di stingu e fat de bat , el autor prop oní a al niñ o una nueva palabra esc rita, "fun" (diversió n), y le preguntaba si ahí decía /fun/ o /bun/ (bocadillo) . Los pre lec tores fuero n inc apaces de hacer esta trans ferencia. Además , una ser ie de con troles ex perime ntales supleme nta rios permitieron con cluir que esta incapac idad es debida a la falta de conciencia fon émica en los apre n dices, ya que estos mism os niños eran capaces de rea liza r tareas equi va lentes co n unid ades qu e repre sentaban palabras y no fonemas . Por otra parte, los es tudios lon gitudinales (es decir , que continúa n a lo largo del tiemp o) del entre na mient o metafonológico en disti ntas lengu as alfa béticas, incl uido el es pañol , han permitido dem ostrar que la relación entre la concie ncia fo INVESTIGAC iÓN y CIENC IA, enero, 2005
nológica y el apre ndizaje de la lec tur a es de tipo ca usa l: el entre na mient o de preescolares en tareas que desarrollan la concie ncia fonológica favorece la adquisición de la lec tura y la escritura; así obtiene n re sultados superiores a los de un grupo de control que rec ibe un entre na mi en to cuanti tat iva me nte eq uiva lent e pero sin relac ión con la fo nología. De ac uerdo co n los res ulta dos anterio res, los métodos fónicos tie nen una ventaja res pecto a los mé todos de enfoque global, en la me dida en que empieza n tempr ano a exp lici tar el cód igo alfa bé tico, aportándole al aprend iz una for ma aut ón om a de leer tod as las pala br as qu e enc ue ntre . Es evide nte, sin emba rgo, que la co mprens ión de l cód igo alfa bético es necesaria pe ro no suficiente para lograr un procesador de pal abras auto mat i zado. La automatizac ión del reco nocimiento de p alabr as escritas re quiere una prácti ca prolongada de la lectu ra; los trabaj os experimen tales muest ran que es la propia ac tivid ad de leer la que permite al ca nzar este resultado. Así, el hecho de identificar una palabra en el curso de la lectu ra tiene un doble efecto . Po r un lado, automatiza el proceso de ensamblaje fonológico y, por otro, crea poco a poco las represent a ciones ortog ráficas de las palabras leídas, es decir, enco ntradas e iden tificadas. Estas representaciones or tográficas son las que permiti rá n la identificación dir ecta de tales pala bras en enc uentros ulteri ores. Este es el funda mento de la noción de "a utoa pre nd izaje", un mecani sm o que exp lica cómo el aprendiz de lec tor, en la medida en que disponga de los mecani smos fonológicos de base que le perm itan identificar pa labras escri tas, podrá por sí solo me j orar el funcionamiento de su pro cesador de palabr as. Pero esta evo lució n es larga, y así uno de los autores, Emilio Sánchez, co n sus colaboradores, ha most rado en un recient e est udio que la habi lid ad de los niños para leer pala bras aisla das (ra pidez y exac titud) al cabo de seis años de esco lar idad presenta aún diferencias individua les imp or tantes. Ta les diferenc ias guarda n una fuer te cor re lació n con la co mpre nsión de textos propi os
de ese nivel esco lar ; la relac ión se mantiene aunque se elimine la in fluencia de otr as variab les que tam bién intervienen en la comprensió n de los tex tos, tales co mo los cono cimientos previos sobre el tema , la memoria de trabajo y la capac idad para ope rar con marcadores discur sivos. Estos result ados demu estran que la ef icac ia del procesador de palabr as no es aún perfecta en al gunos alumnos al cabo de seis años de práctica y que el nivel de efi cac ia alcanzado determi na, en gra n medida, la habili dad de co mpren sión de tex tos del apre ndiz. Un arg ume nto co mp le me ntario en favo r de la util ización tem pra na del código alfabético es el llama do efecto "San Mateo", con el que K. Stanovich exp lica que las dife rencias individuales al principio del aprendizaje de la lectura se acentúan, en vez de red ucirse, co n la esco la ridad. Como en la par ábola bíblica de los talentos, los buenos lectores progresan más rá pido que los ma los simpleme nte porq ue leen más. De esta forma, los apre ndices a los qu e se les fac ilita la adq uisició n del cód igo alfa bético se co nvierten pronto en lectores autónomos , y esta ventaja, que les permite leer mejor ya desde el inicio, co nstit uye una podero sa motivación para leer más . Los progresos así alca nzados les van distanciand o cada vez más de los apre ndices que no han reci bido la ay uda necesar ia para dom inar el código alfabético.
Dificultades para aprender a leer La relac ión estrec ha entre concien cia fonológica y lectura se refleja en que la pri mera constit uye el me jor predictor que se conoce del éxito en la segu nda . Además, dispo nemos de abu nda ntes datos empíricos que dem ues tran que algunos niños in teligentes, capaces de realizar apren dizajes complejos, de aritmética por eje mplo, tienen dificul tades ser ias para apre nder a leer , lo que de muestra que la intelige ncia no cons titu ye una gara ntía de éxito en el aprendizaje de la lectur a. Estos da tos sugieren que aprender a leer es algo parti cul ar, que req uiere capa cidades específicas innecesarias para otros apre ndizajes; ade más, todo pa rece indicar que estas ca pacidades son de naturaleza fonológica.
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Aprender a leer en español
4. EN EL MET ODO FONI CO se enseña directamente a asociar letras y sonidos. Múltiples estudios parecen demostrar que, incluso en inglés, éste es un paso necesario.
La definición clásica de la disle xia co nside ra esta deficiencia como una di ficultad específica del proce samiento de la len gua esc rita, es de cir, qu e oc urre en ause ncia de pro bl em as co n la len gu a ora l. Es ta noción era co mpatible, en prin cipi o, con la idea de que los di sléxicos enco ntra ría n prob lem as en la ad qui sición de la co nc iencia fono ló gica, pero no tendrían probl emas fo nológicos de base qu e dificul ten la percepción y producción del habla. Hoy se acumul an datos co nvergen tes que muestran que los disléxicos tam bién tienen defici encias fonoló gicas sutiles en el procesamiento del habla , si bien es tas de ficiencias sólo aparec en en co ndic io nes ex pe ri ment ales particulares más ex ige n tes que las naturales de audición. Tambi én es deficient e en los dislé xico s la mem ori a de trabajo basada en la fonología, que permite int e grar las pal abr as en frase s. Esta de ficienci a se manifi esta más a las cla ras en el procesa miento de la lengua esc rita que en el del habla, porqu e la prim era represent a una carga de mem oria superior a la seg unda, es peci almente cua ndo los pr ocesos de identi ficac ión de las pal abr as escrit as no han sido automatizados, co mo es el caso de los di sléxicos.
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Respaldan la explicación de la dis lexia en cua nto defi cien ci a fono lógica ge nera l (y no exclusivamente ligada a la lectura) algunas tareas co nce bidas para evaluar la acces i bilid ad de las represent acion es fo nol ógicas del habl a. Se ha demos trado, por eje mplo, que los disléxicos son más lentos que los lectores nor males en tareas co nsistentes en nom brar imágenes, así como en tareas de flu idez verbal en las qu e se les pide que digan tantos nombres co mo puedan, pertenecient es a un cam po semántico determinado (po r eje m plo, nombres de animales), en un tiempo limitado. De co nfo rmida d co n es ta co n ce pción de la disl exi a, se ha po did o dem ostrar as imismo que en trenar la co nc iencia fonológica de los niñ os qu e present an dificulta des de aprendizaje de la lectura pro duce benefi cios aprec iables . Las di ficultades de los di sléxi cos rel ati vas a la co nc ie nc ia fo nológica y, con secuent emente, a la lectura serían el result ado de es ta deficiencia fonológica más básica cuya ex iste nc ia pued e observ arse independi ent ement e de la ac tividad lectora. Así, en una soc iedad sin es critura se podría se r "dis léx ico" sin saberlo .
Bue na parte de los resultados exa min ados hasta aho ra se han obte nid o co n el inglés, por lo que cabe preg untarnos si pueden ser tra sla dados, sin más, a otras len guas y en particul ar al cas tellano, cuya es critura refleja de man era más fiel la fo nologí a. Los sis temas de escritur a co n or togr afí a alfabética pueden clasifi carse en supe rficiales y p rofun dos , seg ún respeten en mayor o men or grado la co nsis tenc ia de las corres pond encia s entre grafe mas y fon e mas, esto es, que a cada fonema le cor res ponda un úni co y específico grafe ma. Entre los prim eros, tam bién denominados transparent es, se enc uentra n el es paño l, el alemán y unas cuantas len gu as más que po see n sistemas fonol ógicamente co n siste ntes. Los sis temas profundos u opacos present an en mayor o me nor medida irregu laridad es en las corres pondencias fonológicas debid o en parte a que tambi én represent an unid ades morfológicas; es el caso del inglés y el francés, por eje m plo. Así, en ingl és, e l pasado de los verbos regulares se esc ribe agre ga ndo "e d" al infiniti vo (to walk [camin ar] - walked [camin aba]), pero esta term inación puede pronun ciar se de tr es formas difer ent es: Itl , Idl e l idl , lo que crea una irregul arid ad en la tradu cción fono lóg ica al man tener se la term ina ción ortográfica fiel a la mor fología verbal. Cuando la fonolog ía y la morfología están en co ntradicción, co mo en este caso, el inglés tiend e a sacrificar la pri mer a en beneficio de la seg unda. Así por eje mplo la "a " de "nature" se pronunci a le il mientras qu e la mi sm a letra en " natura l" se pro nuncia I'XI. Esta fa lta de regul ari dad en el plano fonológico (la mism a letra representando fo nemas di fe rent es) preser va el par ent esco mor fológico entre las palabras "nature" y "natura l". En español, por el co n trari o, nos tomamos bastant es más libertades co n la mor fología para preser var la fonología (po r eje mplo el mismo radi cal lo esc ribimos co n "g" en " proteger" y con "j" en "pro tejo", con "z" en "caza" y co n "e" en "cacería") . Ade más, una di fe renc ia not abl e ent re la fono logía del ingl és y la de l es pañol, qu e tien e co nsec ue n-
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c ias im porta ntes e n el nivel or tográfico , es la disti nta ri queza de los sis te mas vocáli cos de estas len guas. El inglés tien e más de un a decen a de fo ne mas vocálicos y sólo utili za las letras "a, e, i, o, u" clá sicame nte de stin ad as a la repre se ntac ión de vocales. Ello hace que es tas letras, solas o co mbinadas, ten gan qu e cump lir fun c ion es múl tiples y, co mo resultado, qu e se pr odu zcan incon sisten ci as. Po r el co ntrario, e l españo l só lo posee cinco fon em as vocálicos y es to le pe rmite es ta blecer un a re lac ió n biun ívoc a entre fo ne mas y letras (a excepc ió n del grafema "y", con el qu e a veces se re presenta al fo nem a /i/) . Es in teresant e agregar que esta si tuació n tie ne inci de ncia en la en señanza del cód igo alfa bé tico, dado que las voca les se pres tan mej or que las co nso nantes para adquirir co n ciencia fo némica. El mot ivo es que las prim eras tienen una dur ación ma yor y pued en pronunci arse ais lada ment e (se le puede explica r al apre n diz que /pa n/ tie ne una / aaaaa/ pero será difícil que entie nda que tam bién tiene una / p/, imposi ble de pro nunciar si no es agregando una vo ca lo de manera distorsio nada). Así pues, el establec imie nto de la rela ción entre los fonem as y las letras corres pond ientes se ve fac ilitado si se co mie nza por las vocales, y se puede es perar que este pr imer paso ay ude al niño a la hora de genera lizar el có digo a las co nso nantes. La situac ió n es poco favorabl e en inglés porque, si bien las voca les pueden ser aisladas como en español, la rela ción bastante más co mpleja que ex iste entre ellas y las letras que las re presenta n hace que el po ten cial did áctico de las voca les de sa pa rezca . Por otra pa rte, aunque la ortografía del inglés sea bastante más coherente en lo que respecta a las co nso nantes, no pued e eludirse el probl em a de que cues ta más ais lar és tas. La conc lusión de este análisis es que la adquisición del có digo al fabé tico tiene que ser más fác il en es paño l qu e en inglés porque en es pañ ol es más co ns iste nte . Ahora bien , si el código alfabét ico ha de mostrado su eficiencia en inglés a pesar de su re la tiva fa lta de pro ductividad, se puede esperar, en con-
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sec uencia, que en sis temas superfi ciales o transparent es como en el es p añol este cód igo sea "a fortiori" más efic ien te. En esta línea, los trabajos com parativos entre siste mas ortográficos diferentes indic an que la adquisic ión de la lectur a es más rá pida en un sistema transpa rente. Por ejemplo, H. Wi mmer y U. Goswami han de mostrado que la lectur a de los nom bres de los núm eros en inglés (una lista como three, two, eight, etc .) es lenta y aún plan tea problemas a es colares de tercer año . En ale mán (siste ma transpa rente), por el co n trar io, esta habil idad está bien esta blecid a a fines del primer año de escuela, es decir, más de dos años antes que en inglés. La diferen cia entre los dos siste mas es debid a a la distinta com plej idad del cód igo y no, por ejemplo, a probl emas de pro nun ci ación qu e infl uyeran en los resul tad os. Para co ntro lar es te y, even tualmente, otros factores no per tinentes los niños que particip aron en el experime nto tení an que " leer" tambi én las cifras correspondien tes (3, 2, 8, etc .), lo que pon ía a ang ló fo nos y germa nófo nos en las mis mas con diciones. Esta situació n ex perim ent al no dio lugar a diferen cias en tre lenguas; se muestra así que la rapidez de aprendizaje está ligad a a la mayor o men or transparenci a del có digo fo nológico. Nuestros pro pios trab aj os, co m parand o la rapi dez de la adq uisi c ió n de la ortog rafía léx ica e n fra ncés (siste ma profund o) y en es pañ ol , co nfirma n lo observado en la lectura. Dic hos tra bajos ti en en e n cue nta el hech o de que la or to grafía del es pañol, a pesar de su ca rácter glo balme nte tr an sparent e , tien e un núm er o re lativame nte im port an te de incoherencias que ca u sa n di ficultad e s e n la esc ri tura. Por ejemp lo, las síla bas /xe/-/x i/ se pueden esc rib ir co n "g" o con "j"; la " h" ini ci al es muda y por co nsig uie nte no pued e ser dedu cida de la fo nología. Es tas incoheren cias so n estrictame nte idénticas en las dos len gua s co mpa radas : escri bir "colegio", y "habitación" en es pañol y "college" o "ha bi tation'' en fra ncés dep end e de la posesió n de un a rep resent aci ón mem ori zad a de estas pal ab ras en el léxico or tográfico, lo qu e a su vez es tá en
funció n de la frec ue nc ia con la qu e aq ue llas pal abr as hayan sido encontradas en los tex tos leídos por los niñ os. Los res ultados mues tra n que muc has de es tas pa la bras ya so n fa miliares, y por ta nto escritas cor rect am en te por lo s apren dices, al ca bo de pocos meses de escola ridad co n mét odos fó nicos en es pañol , y que hay que es perar más de un año para obse rvarlo en fra n cés . Ta l res ulta do es en cierto mo do parad ój ico, si se piensa que el código fo no lóg ico es co ns idera blem en te más eficiente en es pa ño l que en francés, lo que pod ría lle var al lect or hisp an oh abl an te a ba sa rse ex cl us iva mente en el có digo y no darl e importanc ia a la escri tur a lexi cal , cua ntitat ivamente me nos importa nte qu e e n fra ncés. Parece , por tanto , que el léxico or tográfico se desar roll a más ráp ido en español que en francés y la ve n taja de los hispan oh abl ant es, co m par ados co n los fra ncófonos , pr o vie ne prob abl em en te de qu e los primeros apre nden a leer más pront o que los segundos y los niños que leen antes puede n leer má s y el meca nism o de autoa prendizaje desarro lla la lectura y la ortografía lexi ca l co n más rap idez. La co nclusió n de los trabajos com parat ivos indica que d isponer rápi dam ent e de un código fo nológ ico eficaz desem peña un papel pos itivo en el proceso de apre ndizaje de la lectur a y la esc ritura . Ahora bien , los tra bajos real iza dos para co mpa rar métodos de enseñanza de la lec tur a en inglés co ncluyen que en seña r el cód igo fo nológico favorece el apren dizaje a pesar de que el có digo no sea muy produ ctivo. Parece poco razonable pensar que enseñar el cód igo fo nológico en sis temas or tográfi cos co mo el del es paño lo el alemá n, en los cuales es sumamen te eficie nte, pued a ten er un efecto negativo. Por el contrario, el razo na mie nto basado en la idea de auto apre ndizaje (a leer se apre nde le yendo) sugiere que cua nto antes el niño sea capaz de leer de manera autó noma te ndrá mayor ventaja, y que pro porciona rle la clave de l có digo, so bre todo cuando éste es efi caz, va a co ntribuir a hacer de él un lect or autó nomo y así su propi o profesor. Si se puede entender que los pedagogos de la lectur a en inglés
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se hayan plant ead o e l pro blema de decidir cuá ndo ex po ner al niño a un sistema de reg las co mplejo y poco pro ductivo, parece más difí cil entender que las len gu as que poseen un sistema tra ns paren te no se apro vec he n de su fort una .
5. LAS AC TIVIDADES que tacili tan al aprendiz el establecimiento de correspondencias entre partes de las palabras habladas (sílabas y fonemas) y partes de las pala bras escritas (unidades ortográfi cas de tamaño silábico y grafe mas simples), son fundamenta les para el aprendizaje del código al fabético.
Una dosificación armónica Una dos ificac ión armó nica de in gr edi en tes de origen co muni cativo y de origen fó nico nos parece indispen sa ble para afrontar el programa gigantesco de enseñar a leer a todos los niños. Ningún mé todo ex cl uye nte puede pre te nder cubrir la totalidad de l proyecto. Cada una de las fa milias de métodos se centra en aspectos específicos e im portantes . La sed ucc ión que ejerce el lengu aj e in tegrado en el med io educat ivo es com prensib le y legítima. Corres ponde a una filosofía de la ense ñan za en la cual se le da al apre ndiz un papel activo y a l maestro una sen sibi lidad ag uda a los signos que indican dó nde se sitúa exactamente el alumno . Es a veces difíc il entender la obs tinac ió n de algunos defe nsores de l lenguaj e integrado co ntra la fono logía. La fonología es un aspecto de la lengu a, como la sintax is y la semántica, y como tal, for ma par te de las adquisiciones que el niño tiene que rea lizar par a elaborar una con cepción adec uada de lo escrito . Hay que se ñalar que la fo nología es el elemento específico fundamenta l dc la lengua escrita, puesto que está fabricada co n letras que rep rese n tan los fonemas. La asimi lación pro gre siva de lo escrito, a la que el niño se entrega en un contex to educativo constructivista, va a llevarlo a plan tea rse qué representan las letras y ahí el profesor sensible que lo acom paña va a tener que ayuda rlo a co m pre nder el código alfabético, una de las rea lizaciones mag nas de la civi lización . Se puede adivi nar que la ave rsión que ejerce la fo nología en algu nos medios ed uca tivos pro viene de fan tasmas co mo el de ima ginar al profesor co n sus alum nos ca ntando un lunes por la maña na: " la le li lo lu, na ne ni no nu, ta te 14
ti...''. Los trabajos so bre la toma de co nciencia de la est ruc tura fo noló gica de la len gua no tienen gra n cosa qu e ver co n estas ca nciones . Para co nc luir , un punto nos pa rece ese ncial. La co mprensión de l código alfabético es indispensable al co mie nzo de l aprend izaje y el niño tiene que ser ay udado en esta tarea. Ahora bien, la manera de ayu darl o p uede tom ar fo rmas diversas y deja una libertad co nsiderable al
maestro que haya entendido por qu é es indispensable s u auxilio. Se podría incorp o rar la fi losofía del lengu aje int egrado sin nin gun a difi cultad co nceptua l. Bas taría co n que los defen sores ex tre mos de este mét od o tu vieran en cue nta las co nso lidad as co ncl usiones de los es tudios experi me nta le s (y aba ndo nara n su militanc ia) . Un prog rama de ense ñanza de la lectura deb e llevar al niño al pun to do nde pueda de dica r todos sus rec ursos int el ect uales a co mprender el se ntido del tex to qu e está leyendo. To da la escolar ida d es tá destinada a que los alumnos lle gue n a leer de man er a inte lige nte . La armonía a la que aspiramos podría ser entendi da con una metáfora mu sical: una téc nica irreprocha ble al servicio de la musical idad. Es ta úl tima es lo único que im port a, pero es inalcanzable sin la pr imera .
Los autores Jesús Alegría Iseoa, Marisol Carrill o Gallego y Emilio Sánehez Miguel investigan los pro cesos psicolingüísticos que intervienen en la adquisición de la lectura y expli can las dificultades en este aprendizaje. Alegría es profesor de psicolingüística en el Laboratorio de Psicología Experimental de la Universidad Libre de Bruselas. Carrillo enseña psicología de la lectura en el departamento de Psicología Evolutiva y de la Educación de la Universidad de Murcia. Emilio Sánchez se halla adscrito al departa mento de Psicología Evolutiva y de la Educación de la Universidad de Salama nca .
Bibliografía complementaria POR UN ENFOQUE PSIC OLl NGüíSTlC OOEL APRENDIZAJE OE LA LECTURA y SUS DI FICU LTAOES. Jesús Alegría, en Infancia y Aprendizaje, n.O29; 1985. LENGU AJE INTEGRAO O. Coo rdinado po r Pablo del Río y Pilar Lacasa, en Comunicación, len guaje y Educación, n.o 25; 1995. Véase también la réplica (de Emilio Sánchezl y con tra-réplica (de Pilar Laca sa) en Cultura y Educación, n.o 1; 1996. PSIC OLlNGüíSTICA OEL ESPAÑOL. Compilación reali zada po r Manuel de Veg a y Fernando Cuetos . Editorial Trotta, 1999. ENSEÑAR A LEER. María Clemente. Editorial Pirámide, 2001.
INVESTIGACiÓ N y CIENCI A, enero, 2005
la red cósmica Las observaciones y las simulaciones del medio intergaláctico descubren las mayores estructuras del universo Robert A. Sirncoe
o existe el es pac io vacío. Na da se acerca más al vacío qu e las desiert as ex tensio nes ent re las estre llas y las ga lax ias . Y sin embargo, inclu so el más remoto paraje del uni ver so es tá inundado de gas . De mu y baj a den sid ad, eso sí ; y cua nto más lej os es té de las ga lax ias, más enra rec ido se hall ar á. Ca da ce ntí metro cúbico de aire co ntiene unos 5 x 10 19 átomos; el medio intergaláctico , 10- 6 , co mo si ca da áto mo habi tase en un cubo privado de un metr o de lado. Pero no debe dedu cirse qu e entre las ga lax ias escasea la ma teri a. El volume n del espac io que las separa es inmen so; la suma de la masa qu e encierra se ag iga nta en la mi sma escala . Puede qu e la masa ató mica del gas interga lác tico so bre pase la masa ató mica co mbinada de las es trell as y ga lax ias del uni verso en un 50 por ciento . A medid a qu e los cos mó logos va n ofrec iendo nu e vas ex posic iones de la evo luc ión del uni ver so desde sus co mienzos - la gra n ex plos ión- hasta el mom en to ac tua l, res ulta ca da vez más paten te qu e, mientras no co mpre nda mos la fís ica de la materi a int ergal ác tica, no sabremos có mo se formaron las ga lax ias, las es trellas y los planet as. Grac ias a los rápid os ava nces de los tel escopi os y de la potenci a de los orde nado res, hem os est udiado en los úl tim os di ez años las pr o fundida des del es pacio int er galácti co co n un det all e sin precede ntes. Nuestro co noc imie nto del nacimi en to y evo lució n de las grandes es truc turas del uni ver so ha ga nado much o co n e llo.
En el rojo El gas interga lác tico es ta n tenue y osc uro - po r sí mi sm o, no produ ce lu z- , que ca be preguntar se có mo se las ingeni an los as tró no mos para observarlo. La de tecc ió n es indirect a; se ba sa en ana lizar su efec to en la luz procedent e de las fuen tes más lej anas. Las más co mu nes en es te tipo de obse rvaciones so n los cuás a res, un tip o particul ar de ga lax ia co n un ag ujero ne gro de masa muy elevada en su ce ntro. El gas que ro dea al ag ujero emite un a ra diac ión inten sa qu e, co n frecu en cia , llega a ce ntup lica r, a veces co n creces, el brill o de la propia ga laxia. Puesto q ue los cuása res so n tan luminosos, pod em os observarlos a grandes di st an cias y medir los efectos del gas intergalác tico en su luz a lo largo del un iver so.
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Recogem os los fo to nes procedent e s de estos faros co n los telescopi os más poder osos, y los orde namos en los es pec tros co nfo rme a su lon gitud de onda (véase la f igura 4) . El rasgo más característico de los es pec tros es una línea de emisió n, producid a por los áto mos de hidrógen o cerca del ag ujero negro del cuásar. Los electro nes de estos átomos es tán exc itados a un nivel cuá ntico más alto qu e su es ta do funda me nta l. Cua ndo regresan a és te, emite n foto nes de una deter min ada lon gi tud de onda , 121 ,56701 nanóm etros; esa emisió n recib e el nombre de " tra nsic ión Ly ma n-a" . Sin embargo, observamos la línea a un a lon gitud de ond a muc ho mayor, a 560 na nómetros. Se debe a qu e el cuásar se aleja de nosotros co mo pa rte de la ex pan sión del uni verso. La ex pa nsión hace qu e los objetos más di stant es de noso tros se vayan alejando prop or cio nalme nte más dep risa qu e los más ce rca nos. A me did a qu e un objeto se aleja, la luz qu e emite se des plaza a ma yor es lon gitudes de onda; es te fenó me no pued e co mpara rse el efecto Doppl er , qu e baj a el ton o del pitid o de un tren qu e se alej a. A ese aume nto de la lon gitud de onda se le llam a "corr imiento al rojo" porqu e los objetos cós micos más lej anos aparecen siem pre más roj os. Pen sem os ahora en qué le oc urre a la luz del cuá sa r cuando atrav iesa el medi o int ergalácti co. A me did a qu e ava nza haci a la Tierra, algunos de sus foto nes se enco ntra rá n con áto mos de hidrógen o por el camino . Aquellos que, tras haber recorrido el es pac io en ex pans ión entre el cuásar y los áto mos, present en un a lon gitud de onda de 121 ,56701 nanóm etros, será n abso rbidos por los áto mos, que pa sar án a tener elec tro nes en un es tado excitado . Cuando los elec tro nes regresen al es tado fun da mental emitirá n nuevos foto nes, pero en direccion es arbitrarias, qu e no tendrá n por qu é ap untar haci a la Tier ra (véase la fig ura 2) . Por lo ta nto, la nub e de áto mos de hidrógen o abso rbe la luz en un a lon gitud de onda mu y específica y la di sper sa eficie nte mente. Este efecto se manifiesta co mo un a "muesca" en el es pectro . El med io interga lác tico co nt iene mu ch as nub es de hidrógen o situadas a di ferentes di stan cias de nosotro s. y pu est o qu e esas nub es tien en di stintos despl aza mientos al rojo, el es pec tro de un cuásar ex hibe mu chas línea s de abso rció n a diferent es lon gitudes de onda .
INVES TIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Las longitudes de onda menores que la de la línea de emisió n parece rán "co midas", seg ún sea la ubicación de cada nub e entre el cuásar y no sotros . En los últi mos años , gracias a los nuevos instrumentos de los gra ndes telescopios, hemos exa mi nado los espectros de los cuásares con resoluciones muy finas y una in tensidad de seña l muy alta con res pecto al ni vel de ruido. Es tos datos dividen el medi o intergaláctico en distintas nub es indi vidu ales.
Una telaraña cósmica Cuando se estudiaron por primera vez las líneas de absorc ión de los cuása res, no estaba del todo claro cómo interpretarlas, sobre todo por que se carecía de los dato s de gran ca li da d qu e hoy ten em os. Entre finales del decenio de 1970 y prin cipios del siguiente, el equipo de Wal lace Sarge nt tomó una serie de me didas en el Observatorio de Mon te Palomar que convencieron a la ma yoría de que las líneas de absorción se debían a la materia intergaláctica. Sin em bargo, había bas tantes mo delos teóricos com patibles con los datos disponi bles; en su mayoría atri buían las líneas a cúmulos dc nu bes de gas sueltas , esfé ricas. En los últim os años, a los ava n ces en las técni cas de observación
1. LAS SIMULACIONES NUMERICAS
muestran la distribución del gas interga· láctico en los filamentos (verde) y vacíos (negro) de la red cósmica. Gracias a rno delizaciones por ordenador y a las obser vaciones de los telescopios, sabemos que la red cósmica ha cambiado de aspecto: una madeja de hebras cuando el universo contaba con dos mil millones de años (arriba) , hoy (abajo), transcurridos desde entonces casi doce mil millones de años, parece más grumosa. Ese cambio es el resultado natural de la atracción qravita toria, que fue cebando cualquier pequeño aumento de densidad con más y más ma teria. La caja de la simulación de arriba tiene unos 30 millones de años-luz de lado; la de abajo es cuatro veces mayor (debido a doce mil millones de años de expansión cósmica). En las escalas de esta figura, la Vía Láctea aparecería como una mota, casi imperceptible, de apenas un milímetro de diámetro.
INVESTIGACiÓN y CIENCIA,
enero, 2005
Electrón que deja el nivel fundamental y sube a una órbita demayor energía
Atomo dehidrógeno que intercepta alfotón
Elfotón esabsorbido
2. LOS ATOMOS DE HIDROGENO absorben y emiten fotones a la longitud de onda (1..) de 121,56701 nanómetros, correspondiente a la diferencia de energía entre el primer y segundo nivel electro nico (la transición l.vman- nl, Cuando un átomo intercepta un fotón procedente de un cuásar lejano (izquierda) , la energía que absorbe envía su único electrón a un nivel orbital más alto icen-
se ha sumado la crec iente capaci dad de los modelos computacio na les. S u ejec ución ha requerido nu merosas colaboraciones entre grupos de astró nomos y meses de cálculo con superordenadores . Estas simu lacion es inform áti cas diseñan una caja imaginaria que abarca un vo lumen represent ati vo del universo.
tros. Cuando el electrón regresa al nivel fundamental (derecha) , se emite un fotón, pero en una dirección aleatoria que no tiene por qué coincidir con la dirección de la Tierra. Esto explica que las nubes de gas hidrógeno del medio intergaláctico debiliten la luz de los cuásares lejanos, pese a que emiten tantos fotones cuantos absorben.
La dividen en una red de células tridimension ales y distri bu yen por ella la materi a. Ese estado inicial se atiene a las condiciones deter min adas por las obse rvac io nes del univer so temprano. Tras int roducir en el modelo los procesos fís icos que afec tan a la evo lució n del me dio intergaláct ico, se ejecuta la si
Espectro del cuásar
3. LA RED COSMICA DE FILAMENTOS GASEOSOS (arriba, verdel del medio intergalác tico, al interrumpir la luz de un cuásar lejano antes de que alcance la Tierra, produce las líneas de absorción que se observan en el espectro del cuásar (abajo).
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Se emite unfotón enotra dirección
mul ación : la materia y la energía flu yen de célula a célula dentro de la caj a, goberna das sólo por las le yes ffs icas. El resultado final viene a se r una suces ión de planos fijos de ese fragment o de uni verso, cada uno de los cuales comprime vari os mill ones de años de histori a cós mica. El prog rama examina la dis tribu ción de materi a en la caja plano a plano, es decir, tra s cada inter valo de tiemp o, y evalúa la fuerza total que se eje rce so bre cada partí cula , para determinar hacia dónd e se moverá en el sig uiente paso. A int ervalos regul ares, el ordenado r reg istra la den sidad del gas en el medi o intergaláctico y co mpara los resultad os con las observ ac iones reales de los es pec tros de los cuá sares. Así, co mprue ba la precisión de los modelos físicos. Efectuaron una de estas simula cio nes Jeremi ah Ostriker y Renyu e Cen, de la Universidad de Princeton. Uno de sus " pla nos" mu estra el uni verso cuando tenía un 15 por ciento de su edad actual, es decir , unos dos mil millones de años. El rasgo más caracte rístico es la ten den cia del gas a conde ns arse e n una red de filame ntos que se en trelazan a través de inmensos hue cos de baja densidad. Todos los nue vos modelos sintéticos exhiben este tipo de estructura; se la ha bauti zado con el nombre de red , o tela raña, cós mica. INVESTIGACiÓ N y CIENCIA, enero, 2005
Pa ra comparar esta pred icción con las observaciones, se generan múl tiples es pectros art ificia les de cuá sares , trazando lí neas aleatorias a través de la caja de la simulación. Med iante el cálculo de las varia cio nes de la den sidad de gas a lo largo de una lín ea, se co mputa la ca ntidad de absorción que se de bería observar en un es pec tro t o ~ mad o en esa línea de visión. Ta l proceder viene a ser como si un ob serva dor se enco ntrara en una cara de la caja y midi era el es pec tro de un cuása r sito en el lado opues to. Des de e l punto de vista estad ís tico, los "espectros" de este uni verso artificial ape nas si se distin gue n de los es pect ros reales de los cuásares. Los modelos pre dice n con exac titud el núm ero de lín eas de ab sorción, la distribu ción de sus in ten sid ades y anchuras, y su evo lu ción con el tiemp o. En lo básico, los model os co nfirma n los proce sos fís icos que dominan la evo lu ció n del uni verso a gran esca la.
Concentraciones La técni ca nos ha fac ilitado los me dios necesari os para observar los parajes recóndit os de l medio inter ga láctico e interpretar esas observa ciones en el co ntex to de un modelo cos mológ ico . Una vez qu e hemos descrit o los mé todos, demos ahora un paso atrás y exa minemos el mo delo en sí. Narre mos la for mac ió n de las galax ias y la estruct ura in tergaláctica . La hi sto ria empieza hace más de 13.000 mill ones de años, unos 38 0.000 años de spu és de la gra n exp los ión; aque l uni verso divergía mu ch o de l nu estro. No había ni es tre llas, ni ga laxias, ni redes, só lo un a sopa uni forme de protones y electro nes li bres. La distri bución del gas era tan ho mogé nea, qu e sus picos de densidad difería n en ape nas un a parte en cie n mil del prom edio cósmico. Pero llegó un momento en que la sopa evo lucionó hac ia un estado muy grumoso, dond e tiras "de nsas " de ga laxias y gas surcaban las vastas extensio nes de espacio. Hoy día, el ra ngo de densidades es muc hísi mo ma yo r: 32 órde nes de magni tud va n de la de ns ida d atómica de l inte rior de l So l a la de l espac io inter ga lác tico . INVES TIG ACi ÓN y CIENCI A, enero, 2005
-
Emisión Lyman-a del hidrógeno
o
'" ¡¡:
t-----n- Bosque de Lyman-a -
500
-".---1
550 600 Longitud de onda (nanómetros)
650
o ¡¡:
'"
524
526 528 Longitud de onda (nanómetros)
530
4. EL ESPECTRO INTRINSECO de un cuásar ¡arriba) exhibe la cantidad de luz que emitió a diferentes longitudes de onda . Produjeron el pico central los átomos de hidré geno, con su emisión de fotones de una longit ud de onda de 121,56701 nanómetros. Recibe el nombre de línea de emisión de l.vrnan -o ; Aquí aparece en 560 nanómetros porque la expansión del universo despla za la luz a mayores long itudes de onda, desde el ultravioleta hacia el rojo. A medida que la luz del cuásar atraviesa el medio ínter galáctico, éste va mord iendo el espectro (centro, "bosque" de rayas a la izquierda del pico). porque las nubes de hidrógeno interpuestas absorben la luz localmente a la len gitud de onda de 121 ,56701 nanómetros; pero como estas absorciones ocurren a dife rentes distancias de la Tierra, se genera el "bosque de l.yman-c;". Algunos elementos pesados también absorben fotones a mayores longitudes de onda, añadiendo las pocas líneas de absorción que se observan a la derecha del pico. En los últimos años, los espectros de alta resolución (abajo) han permi tido estudiar nube a nube el medio inter galáctico.
Se cree que esta tra nsició n de lo homogéneo a lo gru moso se debió a la gravedad. Imagi nemos una caja con una dist ribuc ió n uniform e de materia tal, que la densidad de las partículas sea constante. Suponga mos que, en un punto de la caja, las par tíc ulas se agi tan por alguna razó n y se prod uce un ligero aume n to de dens ida d. Esta nueva co nce n-
tración de materia ejercerá una fuer za gravitatoria que atraerá hacia sí las pa rtíc ulas co linda ntes . La ma teria prec ipitada aume ntará la masa de l grumo , lo que a su vez incre men tará su atracció n gravitatoria, caerá más materia y así suces iva mente. Co n tiempo suficiente, el pe queño inc re mento de den sidad ori gi nal se transformará en un denso
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Materia oscura
Materia común
Gas neutro
380.000 años: la combinación de protones y electrones crea el hidrógeno
Gas ionizado
Materia oscura
Materia común
Edades
f-----i,scu ra~ ~s p ri me r~ estrellas?
Gran explosión
Constitución de galaxias f----""7"retroalimentación uímica. --
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-
3 Miles de millones de años
5. LA EVOLUCION DEL MEDIO INTERGALACTICO comenzó inme diatamente después de la gran explosión, mientras la densidad de la materia común -protones, electrones y fotones - oscilaba bajo las influencias contrapuestas de la gravedad y la presión . Al mismo tiempo, la materia oscura ensamblaba en silencio una pri mitiva red cósmica . Transcurridos 380.000 años desde la gran ex plosión, los protones y los electrones se combinaron para formar gas de hidrógeno neutro (azul), enseguida atraído por la gravedad
grumo que contendrá la mayor parte de la masa que antes se re partía por todo el volume n. En es te si mple fe nóme no se fun dam ent a toda teoría qu e inte nte ex plicar la es tructura a gra n escala del uni verso. No obstante, para qu e ese fe nóme no inter vini era, el uni verso deb ió co ntar, ya en un mo mento anter ior, co n un entra mado de flu ctu aciones de la densid ad pri mordiales, qu e lue go se co nde n saría n y crearían las estruc turas que tenem os hoy dí a. Est as perturb a cio nes se mani fi estan por medi o de pequ eñas var iac iones en la di s tribución de temp eratura de los fo 20
--l
4
13,7 (hoy)
hacia el ya existente entramado de materia oscura . El gas y la materia oscura continuaron su proceso de ensambladura en la fría oscuridad hasta que nacieron las primeras estrellas en las regio· nes más densas de la red cósmica. La luz de estas estrellas reio nizó el medio y calentó el universo, muy probablemente durante los primeros mil millones de años (rosa). A medida que las gala xias tomaban forma, la producción estelar continua de elementos pesados empezó a "contamina r" el medio intergaláctico (verde) .
tones que, co n lon gitudes de onda del in ter val o de las micr oond as, nos llegan de las dist intas regio nes del cielo . La carac terizac ión de ese fo ndo de microond as es, hoy por hoy, un o de los asuntos más imp ort ant es de la investigación as trofí sica, ya que sus pequ eñas per turb aciones representan las antiguas semi llas gravitatorias de la es truc tur a cós mica. Parecería que disp onem os de to das las piezas necesari as para en tender el origen de la red cós mica . Hemos observa do las variac io nes de densid ad en el uni verso inicial y tenem os un modelo potent e que
ex plica la evo lución de estas per tu rb aci on es hast a co nve rtirse en estructuras de mayor esca la. Sin em bar go, hay un pr obl em a. Las va riac iones prim ordi ales eran tan pe queñas, que 13.700 millones de años no bastan para qu e crec ie ran hasta crear las ensa mbladuras ac tua les. Este dil em a recibi ó gran ate nción dura nte los años se te nta, qui zás alime nta do por la po lí tica de la Guerra Fría . Entra ron en liza dos teorías para exp licar la formac ión de las estruc turas, un a co nce bida por Yakov Zel' dovich, de la Escuela Ru sa de As trofís ica de Moscú, y otra por James Pee bles y su grupo, INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
de la Unive rsidad de Prince ton. Los debates posteriores pusie ron de ma nifiesto la frag ilida d de ambas teo rías. La so lución exigía un nuevo ingrediente en los modelos cos mo lógicos, al que se denomin ó "ma teria oscura" . Es uno de los grandes descubrimient os de la cos mo logía modern a.
Materia obscura Esta materia oscura difiere de la ma teri a co mún de la que es tán hecha s las estrellas, los planetas y las per sonas. No sólo no brilla, sino que interaccion a co n "nuestra" clase de materia só lo mediante la fuerza de grave dad. Se cree que está formada po r par tículas exó ticas, que no eje r ce n ningún otro efec to en los áto mos y molécul as co munes. Es más, la materia osc ura parece más abun dante, en un fac tor cuatro a uno, que la materia normal a lo largo de todo el uni verso. En razón de su ex trañeza, enco ntró opos ició n cuando la propuso Fritz Zwicky, en los años treinta. Sin embargo, ante las prue bas abr uma do ras ha aca bado por aceptarse su existencia. Aunque no
entende mos bien qué es la materia osc ura, sí sabemos qué hace: man tiene unid as a las galax ias, cur va la luz, fre na la expa nsión del uni verso y dirige la for mac ión de la es truc tur a intergalácti ca. En relación a este último punt o, vo lva mos a la niñez del uni verso. Dura nte los prim eros 380 .000 años, el calor residual de la gran ex plo sió n mantu vo ca lie nte el uni verso (más de 3000 kelvin); por eso mismo, los elec trones y protones de la sopa prim ord ial no pod ían co mbina rse para formar áto mos de hid rógeno neutro. Este tip o de gas ioni zado, for mado por elec tro nes disociados y prot on es, se denomin a plasm a. Cua ndo las part ícul as de l pla sma están lib res, int ercambi an energía y momento co n la luz. En los pri meros tiempos del universo, esa dis persión aumentó dentro de la sopa cós mica la presión del gas . Por lo tant o, cuando la grave dad intent aba co mpr imir las primera s perturb a cio nes de densidad, la presión ga seosa co ntra rres taba su efec to, al igu al que un glo bo cuando se lo es truja. Mie ntras los elec trones y
los protones perm anecieron separa dos, el gas no pudo formar estruc turas mayores. Las estructuras po tenciales osc ilaban a medid a que la fuerza atrac tiva de la gravedad lu chaba co ntra la presi ón ex pansiva del gas. Pero cuando el universo alcanzó la edad de 380.000 años, oc urrió algo decisivo. En ese moment o, la temp eratura del uni ver so, que se iba enfria ndo al expandi rse, perm iti ó que los electro nes y los protones se co mbinase n y creara n áto mos de hidr ógen o. Estos y los fotones se desacopl aron de repente -la in teracción de las partícul as materi a les y de la luz dejó de ser tan in tensa- ; por consigui ent e, se reduj o mucho la presión que hab ía estado co ntra rres ta ndo la gravedad. Co n la gravedad libr e para act uar sobre los átomos recién formados, la cons tituci ón de es tr uc turas empezó a buen ritmo. ¿Qué papel desemp eñó ahí la ma teria osc ura? Iba escribie ndo su pro pia hi st oria, parale la a la de los protones, elec trones y fotones so metid os a las influ encia s de la gra-
CONVOCATORIA DEL I PREMIO INTERNACIONAL DE ENSAYO "ESTEBAN DE TERREROS" de la
FUNDACiÓN ESPAÑOLA PARA
LA CIENCIA Y LA TECNOLOGíA
Para obras inéditas en español sobre cultura científica y tecnológica Dotación del prem io: 10.000 euros
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30 de abril de 2005
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vedad y la presion . Puesto que la materia oscura intera ccionaba co n la materia común mediante la gra ved ad, la presión que impedía que el gas normal co lapsa ra no actuab a sobre ella. Las partículas de la ma teri a osc ura co nfig ura ron sus ma croes truc turas mucho antes de que el gas norm al co menza ra a organi zarse. Cuando la materi a co mún se desac opló de los fot ones, la osc ura ya había co nsti tuido una telarañ a primiti va. Ta n pronto como la ma teri a norm al perdi ó el sostén de la presión fotónica, la grave dad de las estructuras de materia osc ura pre ex istentes la atrajo hacia la telaraña. En es te sentido, la materia oscura le dej ó marcado un ca mino gravi tatori o a la materi a ordinaria. Una vez en mar ch a el proceso, qu ed ó asentada la in fr aestructura gravi tatoria del medi o inte rga lác tico. La caída libr e de las materia s osc ura y co mún ha ci a conce ntra ciones de masa cada vez mayores pr ose gu ía hasta qu e la cre cie nte presión del gas frenaba la ca ída. El entramado de la red cós mica tomó su form a, pero aún no hab ía empe zado la ge nerac ión de estre llas y el gas del universo se hallab a en es tad o eléctrica mente neut ro. El uni verso había entrado en una fase en
que la materi a vaga ba por la osc u rid ad y se ensa mblaba lent amente baj o la influ encia grav itatoria. Co n tinu ó así hast a un determinad o pun to -entre los 200 mill ones y los mil mill ones de años despu és de la gran explos ión-, hasta que un suceso al teró de raí z la naturaleza del me dio intergalácti co y del uni ver so en cua nto tal : nacieron las primer as estrellas .
Hágase la luz Result a desconc ert ant e, a prim era vista, que las estrellas, tan pequ e ñas, repercuti eran en el devenir de un uni verso a escalas inter galácti cas oSó lo tienen un diámetro de unos pocos seg undos- luz, mientras que los filament os de la red cós mica se ex tie nde n a lo largo de mil es de mill ones de años-lu z. ¿Có mo es po sible que un obje to tan diminu to afec te a volúmenes tan inmensos? La respu esta se encuentra en el fun cionamiento de las es trellas , los lu ga res dond e se hallan y lo que ocu rre cuando desaparecen . Antes de que hubi era estrellas, la materi a común del uni verso cons taba de hidr ógeno y helio. Se llama gas prim ordi al a esta mezcla por que refleja la compo sición quími ca original del cosmos, ju sto después
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6. LAS EXPLORACIONES del universo cercano estudian la distribución de unas 75.000 galaxias (puntos pequeños y azules). El lugar que ocupa cada galaxia en la dirección radial es proporcional a su distancia a la Tierra (situada en la intersección de las dos cuñas). La posición angular (o ascensión recta en horas) corresponde a su localización a lo largo de una fina tira del cielo. Las galaxias trazan una clara red de estructuras filamentosas análoga a la red cósmica de las simulaciones numéricas.
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de la gran explosió n. Desde enton ces, casi todo áto mo de cualquier otro elemento - des de el argón hasta el cinc- se ha fo rjado en el inte rior de las estrellas, reactores nu cleares muy eficie ntes : la grave dad comprime el gas a densidades tan altas, que los núcl eos de los átomos chocan entre sí y se co nvierten en ele me ntos más pesad os. Es ta nu cleosín tesis es te lar lib era grandes cantida des de energ ía ; es la fuente de la luz de las es trellas . La nucleosíntesis tuvo varios efec tos imp ortantes en el medio inter ga lác tico . Prim ero , generó la luz es tel ar , que escapó hacia el es pac io intergaláctico e interacc ionó co n los áto mos neutros. Des pués, fue rtes vientos galácticos - poderosos eflu vios de gas ca liente- arroj aron al medi o intergalácti co los nuevos ele ment os, que "co ntaminaro n" vastas regiones del univ er so . Co nside remos estos procesos en más det alle y regr esemos a la red cós mica. Puesto que las galaxias son unas diez mil veces más densas qu e el promedio cós mico, es peraría mos enco ntrar siste mas semej antes a la Vía Láct ea den tro de las regiones má s densas de la red , dond e se ha llan los materiales básicos (la s re servas de gas) necesari os par a la formació n de estre llas y ga laxias . En las simulacio nes, las regiones má s den sas se sitúa n en los fila mentos de la red, sobre todo allí don de se cruza n varios . Por lo ta nto , a escala cós mica, las galaxias deb e rían comporta rse co mo partícul as atr apadas en las hebr as de la red; su di stribu ción debería reproducir las estruc turas delin eada s por el gas int ergal ácti co. Los censos tridimen sio nales más reci ent es de ga lax ias, co mo el Estudio Digital Sloan de los Cie los y el Estudio de Despl a za mie nto al Roj o Ga lác tico 2dF, revel an que las ga laxias se agrupan en fi la me ntos . Se ndos grupos de in ves tigac ió n diri gidos por M ax Teg ma rk, de la Unive rs idad de Pennsy lva nia, y Rup ert Croft, de la Universidad Ca rneg ie Me lla n, han aco metido la comparac ión de la es tad ísti ca de los agrupami ento s ga lácti cos co n la del gas intergal ác tico, deducida de los espec tros de los cuás ares . Sus primer os resultad os apuntan a que los mismos proce sos fís icos ex plica n la constitución de
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la red de gas intergaláctico y de las macroestructuras ga lác ticas . A medid a que las ga lax ias se co n densab an en la red y em pezaban a brill ar, el universo se fue llen and o de la primera luz tras la gra n ex plosión : la era osc ura habí a finali zado . Y las estre llas empezaron con diligen cia a producir ele me ntos pe sados . Cua ndo se hub o fo rmado un núm ero notabl e de estrellas, la pro ducci ón acumul ati va de luz y pro ductos qu ímicos alteró la natur aleza del medi o inte rga lác tico . La ex pres ió n " retroalime ntac ió n ga lác tic a" desi gna el co njunto de es tos efectos, porqu e las ga laxias ac túan sobre el medi o que las creó. Aquí trataré só lo de dos tipos de retro alime ntac ió n: la radiació n y la co n tamin ación qu ími ca. El primer age nte de la retr oali ment ación ga lác tica fue la luz es tel ar, que reioni zó el medi o inter galáctico. Recuérdese que la materia común empezó a co nstru ir grandes estruc turas dur an te la era de la re co mbi nac ió n, cuando la uni ón de protones y elec tro nes creó los áto mos de hidrógeno. El gas del uni verso se mantu vo en un estado eléc trica me nte neutro durante alg ún tiemp o. Las temp eraturas, muy frías, apenas alca nza ban unas decenas de grados sobre el cero abso luto. Cuan do los primer os fo tones es tela res esca paro n de las ga lax ias, interac cionaron co n los áto mos de hidróge no; les ar ra nca ro n electrones qu e habían perm anecido ligados a esos átomos desde la reco mbi nación. El gas se ca le ntó hasta los 10.000 kel vinoEsa reio nizac ión ocurría en bur buj as centradas alre dedor de las in ci pie ntes ga lax ias; la lu z de las estrellas no había tenido tiemp o de intern arse much o en el espacio in tergal ácti co. Pero seg ún iban en cendié ndose más ga lax ias, las bur bujas ionizada s crec iero n hasta que las procedent es de ga laxias veci nas llegaron a solapa rse . Pro nto, el vo lumen entero de l uni verso volvió a estar ion izado otra vez (véase la f i gura 5) . Ahora creemos que el uni verso salió de su época osc ura y se reio nizó cuando ape nas conta ba co n mil millones de años, menos de un 10 por ciento de su edad actual. Hoy día, sólo un átomo de hidrógen o de cada 10.000 se hall a en es tado neu tro. INVESTIGACiÓN y CI ENCIA, enero, 2005
7. EL "VIENTO GALACTICO " procedente de la galaxia M82 expulsa enormes cantidades de material rico en elementos pesados (rojo) al medio intergaláctico. El centro de M82 está pasando por un período de intensa formación estelar (un "brote de formación de estrellas "). Las estrellas de mayor masa mueren a poco de nacer, en una sucesión de explosiones supernova que arroja materia fuera de la galaxia.
La tem peratura medi a de l gas in tergal ácti co sig ue sie ndo de un os 10.000 kelvin.
Poderoso viento Durante mucho tiempo se ha creído que el medio intergaláctico era pri migeni o y que só lo se produ cían y repartían nuevos elementos dentro de las propias ga laxias . Pero en los espec tros de los cuása res se observa ron débiles rayas de absorció n, más hacia el extremo rojo de l espectro que la línea de emisió n del hidró ge no. Las genera ban diferent es ele me ntos - en el caso de la figura 2, car bono y silicio-, cuyas longitu des de onda carac terís ticas son más roj as que la línea de hidrógeno de 121 ,56701 nanómetros. Las líneas de absorción de estos elementos pesados se observa n en regiones que tam bié n co ntenía n can tidades ingent es de hidr ógeno, los halos gaseosos que rodea ban a las pri meras ga laxias, a cuyas es trellas, se suponía, se deb ía ese enriqueci miento químico. Sin embargo, a prin cipios de los año s noventa, los es pectros de cuásares tomad os por Lennox Cowie y Antoinette Songaila con los nuevos telescopios Keck mos trab an elementos pesa dos en regio
nes muy aleja das de cualquier ga laxia. Este descubrimient o indicó que la contaminac ión quími ca del me dio interga láct ico pud o haber sido mucho más eficiente de lo que se pensaba. No obs tante, la co nce ntrac ión de eleme ntos pesados en el medi o in tergalác tico es muy baj a: por eje m plo, sólo hay un átomo de carbono por ca da mill ón de áto mos (casi todos de hidr ógen o). Es dec ir, una caja de es pac io int er gal ácti co de 100 metros de lado conte ndría sólo un átomo de car bono . Au n así , es ta pe queña ca nt ida d demu estr a q ue había una mezcl a de ele me ntos pe sados por toda la red cós mica en la ju ventud del universo . ¿Cómo pu di eron ll egar hasta all í, tan lejos de las estrellas y las ga laxias que los fa br ica ron? Los indicios sugieren que los pro yec taro n viole ntos vientos ga lác ti cos . Estas corrie ntes de materia flu ye n des de las ga lax ias en las que se están forma ndo estre llas cop io samen te. En todas las galaxias, las estrellas más pesadas despid en un brillo mayor y prod uce n nuevos ele me ntos . Queman tan dep risa, que consumen todo su co mbus tible nu clear y no puede n co ntinuar convir
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gas era n mu y frecu ent es cuando el uni verso tenía un 15 por ciento de
su edad actual. De ahí se siguen
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Densidad del gasen nubes intergalácticas
8. LA CONCENTRA CION DE OXIG ENO en las nubes intergalácticas señala que los elernen tos pesados se dispersaron a lo largo de la red cósmica, impulsados por los vientos galácticos, no po r las primeras estrellas. La fracció n de oxígeno es un trazador de la dis tribución de los elementos pesados . La de nsidad relativa del gas de las nubes varía casi exactamente COn la inversa de la distancia entre éstas y la ga laxia. Si las primeras estre lIas hubieran sido los principales dispersores, el oxígeno habría tenido tiempo suficiente para mezclarse de manera homogénea por la red cósmica y mostraría una concentración baja y constante (barra más oscura). Las concentraciones de oxígeno !puntos) respa ldan el modelo de los vientos galácticos, aunque en algunos casos (flechas pequeñas) sólo se pueden establecer límites superiores. Las distancias, determinadas por el desplazamiento al rojo, de las nubes observadas nos llevan al universo de hace 11.200 millones de años, cuando la densidad gaseosa media era unas 40 veces mayor que hoy día.
tie ndo eleme ntos ligero s en eleme n tos pesados. Cuando el reac tor de una es trella de gran ma sa se apaga , la est rella aca ba su vida en una ex plosión de supernova. La energ ía de l estallido de una supe rnov a típic a es co mpa rable a la det onación de 103 1 bomb as atómicas; los restos de la estrella moribund a, inclui das las nue vas sustanc ias ge nera das, salen lan zados al es pac io. Pe se a su fuerza ex plosiva, un a sola supernova no basta para co n taminar el medi o int ergaláctico: el cam po grav ita to rio de la ga lax ia atra pa de nuevo los res tos de la ex plosión antes de que puedan esca par. Sin embargo, las ga laxias ex perimentan en ocasio nes inte nsos brot es de form aci ón de es trellas en los qu e éstas nacen y mueren entre 10 Y50 vece s más dep risa de lo nor mal. En es tos brot es de for mación
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es te lar se suceden veloz me nte las supe rnovas. La suma de su energía impulsa los restos haci a e l exter ior de la misma forma qu e un cohete se lanza en var ias fases, hasta rom per la barrera gra vitato ria y ex pul sar los eleme ntos pesados al medi o int ergaláctic o. Se ha obse rva do es te fenóme no en algunas galax ias ce r canas . A pesar de que podem os estudiar co n gra n detalle los brot es ce rca nos y sus chorros de materi a, es tas galax ias so n escasas en el uni verso local. La mayoría de las galax ias for man con di screción estre llas y re tien en los eleme ntos pesad os qu e produce n. Sin embargo, en el uni ver so joven , la situac ión tu vo qu e ser diferente. Las observ ac iones de ga lax ias lej ana s, realiza das por Max Pettini, de la Unive rsidad de Ca m brid ge, muestran que los chorros de
dos co nsec uenc ias imp ortantes: cas i todas las ga lax ias que vemos hoy han co noc ido un período de inten sa formación es te lar en el pasado; y grandes cantidades de ele mentos pe sados se arroj aro n al medi o int er ga lác tico en una fa se temprana de la historia del uni ver so. Por lo tant o, ha habid o tiemp o suficiente para que es te material haya recorrido gran des di stancias y se ha ya mezcl ado co n el gas int ergal ácti co primordi al. Los es tudios de las galax ias pri miti va s y de su contr ib uc ió n al medi o inte rg alác tico definen una fro nte ra fundame nta l en nu e stro co noc imiento de las primer as es tre llas y de las es truc turas cós micas . Que dan aún por resp onder nume rosas preguntas. ¿C uá ndo y cómo naci eron las primeras es trella s? Los eleme ntos pesados, ¿han invadido el uni ver so entero o todavía qu eda gas no co ntaminado proced ent e de la gra n ex plos ión? ¿F uero n las es trell as que reioni zaron el medio la s misma s que produj eron los elementos pesados int ergalácti cos? Durant e los últimos año s he in ves tigado algunas de estas cues tio nes con Wallace Sargent, del Institut o Tecnológico de California, y Michael Rauch, de los Observatorios Carneg ie. He mos medid o las concentracion es de elementos pesados en la red cós mica temp ran a co n el fin de saber si hay rincones del uni verso libres de contaminación a los que todavía no hayan llegado los vientos galác ticos. Por ahora hemos detectado ele men tos pesados en todas las hebras de la red cós mica, pero no está claro qu e la esfera de influ enci a de los vientos se extienda más allá de los filamentos, dentro de los vacíos in terga lác ticos . En estas reg iones re motas, las densid ades esperadas de elemento s pesado s son tan pequ e ñas, que ni siquiera las observacio nes más se nsibles resuelv en las lí ne as de abso rc ió n. No obs ta nte, nu est ros resultados apunta n a que el co ntenido de los vientos galácti cos se ha dispersado por el uni ver so entero, antes de que el cos mos tu viera apenas un 20 por ciento de su edad ac tual. Ta mbién hem os co mparado nu es tras observacio nes co n distintos mo-
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delos de fo rmación es te lar y pro du cci ón quími ca para det ermin ar si las es tre llas que reio nizaro n el universo fueron las mismas que con taminaron el medio inter galácti co. Nuestros res ultados dan a entender que las primeras estrellas no con tribu yeron significa tiva me nte al en riquecimiento químico del medio, so bre todo porqu e su mom ent o de máximo auge fue muy corto. Creemos que la retroalimentación galáctica su cedió en diferentes oleadas. La pri mera generación de estrellas reionizó el universo ; las generaciones poste riores lo han ido enriquec iendo poco a poco con metales. Desde el punto de vista teórico, las simulacio nes cós micas más avanza das incorporan ahora modelos rea listas de los vientos ga lác ticos y del enr iquec imie nto quími co del universo. La fís ica de la for mación estelar y de los chorros de materia es tan compleja, que inclu so los mo delos num éri cos más refin ados tie nen que recurrir a aproxi maciones para que el probl em a se a abor da ble con métod os computacio nales . Es te campo progresa deprisa, de la
mano del ava nce de la teoría y las observac iones . Hay, sin embargo, muchos deta lles que afinar. ¿Exactamente cuándo y cómo surgiero n las primeras es trellas? ¿Cómo interaccionan las ga laxias y el medio interga láctico? Y, qu izá sea lo más importante, ¿cuál
es la naturaleza de la materia oscura? Cuando haya transcurrido el tiempo suficiente para tener una perspec tiva histórica, los últim os diez años se recordarán por la creación de un modelo estándar del cosmos que reúne todo lo que sabe mos de las galaxias y del medio intergaláctico.
El autor Robert A. Simcoe tiene una beca Pappalardo en física del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Trabaja a menudo con los telescopios gemelos Magallanes de 6,5 me tras, en el desierto chileno de Atacama.
e American Scientist Magazine.
Bibliografíacomplementaria THE LVMAN AlPHA FOREST IN THE SPECTRA OF üsüs. M. Rauch en Annual Review of As· tronomy and Astrophysics, vol. 36, págs . 267·316; 1998. THE RESHRAME OPTlC Al SPECTR A OF LVMAN BREAK GAl AXIES: STAR FORMATION, EXTl NCTION, ABU NO ANCES, AN O KI NEMATICS. M. Pettini et al. en The Astrophysical Journal, vol. 554; págs . 981 ·1000; 2001. CHARAC TERI ZING THE WARM·HOT INTERG AlAC TlC MEDIUM AT HIGH REOSHIFT: A HIGH·RESOlU· TI ON SURVEV FOR OVI AT REDSHIFT 2.5. R. A. Simcoe, W. L. W. Sargent, M. Rauch en The Astrophysical Journal, vol. 578, págs. 737·762; 2002. THE OISTRIBUTION OF METAlllCITY IN THE INTERG Al ACTIC MEOIUM AT REDSHIFT 2.5: OVI ANO CIV THE SPECTRA OF 7 üsüs, R. A. Simcoe, W. L. W. Sargent, M. Rauch en The As· trophysical Journal. En prensa.
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Música y cerebro
¿Dónde reside el secreto del poder singular de la música? En busca de una respuesta, se están reo rdenan do los componentes del proceso desarrollado en el cerebro de intérpretes y mel ómanos Norma n M. Weinberger
P
roveedora de sensaciones placen teras, la música en dulza nuestras vidas. Un potente crescendo orquestal puede hacern os derr amar lágrimas y provoca es calofríos . Ca mbios de intensid ad en la banda so nora añaden carga emotiva a películ as y programas de te levisión . Lo s padres arrull an co n nana s a sus bebés. Este apego a la música tien e sus raíces en nuestr o pa sado remoto, en los albores de la cultura . Hace más de 30.000 año s, el homb re tocab a ya fla utas de hueso, ins trum ent os de percusión y birimb aos. To das las socieda des cue ntan co n su propia música. De hech o, parece que la se nsibilidad musical es inn ata. Los bebés de dos me ses se vuelve n hacia sonidos co nso nantes, o place nteros, y se apart an de los disonantes. Cua ndo el acorde que re suelve una sinfo nía nos produ ce un del icioso esca lofrío, se activa n en el cerebro los mismos ce ntros de placer que oper an al co mer choco late, rea liza r el acto ca rna l o to mar cocaína . Este fenómeno encierra un intriga nte misterio biológ ico : ¿p or qué la música - universalmente estimada y única en su poderosa capacidad de hacer aflorar emoc iones - nos result a tan pene trante y valiosa? ¿P udo su aparic ión fa vorece r la supervivencia hum an a, fac ilitando el apareja miento, por ejemplo, como ha propuesto Geoffrey F. Miller, de la Universida d de Nuevo Méx ico? ¿Nació para pro mover la cohesió n social en grupos que habían crec ido dem asiad o, co mo sug ie re Ro bin M. Dunbar, de la Universidad de Live rpoo l? ¿ü, en palabras de Steve Pinker, de la Universida d de Harvard, se trata sólo de una "tarta auditiva", una feliz casualidad de la evo lució n que cos quillea place ntera mente nuestro cerebro? La neur ocienci a no ha dado todavía co n la respuesta. Pero en los últimos años hemos empezado a adquirir un co noc imiento más exacto del lugar y el mecanismo del procesam ient o cerebra l de la mú sica, lo que debiera es tablecer la base para resol ver cues tiones evo lutiva s. Co ntra pronósti co, el es tudio de pacient es co n da ños cere bra les y el análisis de las imágenes de l encéfalo de indi vidu os sanos no ha desvel ado ningún "centro" de la mú sica. Antes bien, activa ésta diver sas áreas repa rtidas por el cerebro, incluid as las involu cradas en otros tipo s de cog nic ión. Esas zo nas activas va ría n según la ex per iencia y la formación mu sical de cada persona. El oído cue nta con men os cé lul as se nsoriales (3500 células ciliares intern as) que cualINVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
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qui er otro órga no se nsorial (el ojo, por eje mplo, aloja 100 millones de fotorrecepto res) , Sin embargo, nues tra respuesta cerebr al a la música resul ta extraordinaria mente adapta ble: bastan pocas hor as de entre na mient o para modi ficarla.
Afinar el cerebro Hasta el adve nimiento de las téc nicas de formación de imágenes, se obt enía información sobre la for ma e n qu e el ce re bro perc ibe la música medi ant e el estudio de pa cientes -famosos compos itores in cluidos- que hubi eran sufrido le siones, accidentes cerebrovasculares u otros trastorn os. En 1933, Ma uri ce Ra vel comenzó a present ar sín tom as de isqu em ia cerebr al foca l (una atrofia que afec ta áreas con cretas del cerebro) . Sus capacida des co nce ptuales permanecían in tact as - podía oír y record ar sus antig uas compos iciones y tocar es calas-, pero era incapaz de esc ri bir mú si ca. Ha bla ndo de Jean ne d 'Arc, una ópera que planeaba com poner , Ravel confia ba a un amigo, "... la ópera está aquí, en mi ca beza . La oigo, per o nun ca la es cribiré. Se ha terminad o. Ya no pued o esc ribir mi música" . Ravel muri ó cuatro años despu és, tras una mal ogr ad a int erven ción neuro quirúr gica. El caso prestó cre dibi lid ad a la idea de que podría no hab er un centro cere bra l específico de la música . La experiencia de otro compos i tor sugir ió, además, que la músic a y el habla se procesan de for ma in dependiente. Tras sufrir un accidente cerebrovascular en 1953, Vissa rion Sheba lin perdi ó el habla y la inte ligibilidad de lo qu e se le decía , si bien retu vo la capacidad de escri
bir mu sica hasta que murió, diez años más tarde. La hipótesis del pro cesamie nto ind ependi ente parece, pues, asentada. Con todo, la inves tigación re cie nte se muestr a más cauta, cuando relaciona rasgos co m partidos por la música y el lenguaje: una y otro co nstituye n medi os de comunicación y cada uno cuenta con una si ntaxis, un a serie de regl as qu e gobiernan la combinac ió n de ele mentos (notas y palabras, res pecti vam ente). De ac ue rdo co n Ariruddh D. Pate l, del Instituto de Neurociencia en San Diego, las imá genes cerebra les sugieren la exis tencia de una región en el lóbul o frontal que permite la co nstrucc ión correcta de la sintax is, mu sical y lin güí stic a, mien tras que otras re giones se ocupan de aspectos rela cio nados co n el procesami ento del lenguaje y la música. El estudio de las imágen es cere brales ha arroja do luz sobre la res puesta del cerebro a la música. En particul ar, ha permitido ahondar en cómo el oído suministra los soni dos al cerebro . Lo mismo que otros sis te mas se nso ria les, el auditivo muestr a una orga nizac ión jerárqui ca: co nsta de una serie de es tacio nes neuronales de procesado que van desde el oído hasta la co rteza audi tiva, el nivel más eleva do. El pro cesamient o de sonidos, piénsese en las nota s mu sicales, empieza en el oído interno (cóc lea); aquí se des compone un sonido complejo (el que produ ce un violín, por ejemplo) en las frec uencias que lo constituye n. Luego, la cóclea transmite esta in formación a lo largo de fibras del nervio auditivo -cada una con "afi nación" distinta- , que operan como trenes de descargas neur onales. Por fin , estos trenes llegan a la corteza
• La música ha estado presente en todas las sociedades humanas desde los albores de la cultura . Según parece , la sensibilidad musical constituye un rasgo innato; hasta los bebés de dos meses se sienten atra ídos por son idos agradables . • Numerosas regiones cerebrales participan en la percepción de la mú sica y en las emociones que ésta evoca. El cerebro se reajusta para responder con mayor intensidad a sonidos musica les potenc iados me diante refuerzo conductual. • Los expertos que estud ian el procesamiento cerebral de la música están sentando las bases de nuestro conocim iento del valor de la misma para el homb re.
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auditiva en el lóbul o temp oral. Cada célula del sistema auditivo cerebral está "afina da" par a resp ond er de for ma óptima a una nota o frecuencia concreta; la curva de afin ación de una célula se sola pa con la curva de las cé lulas vec inas, de fo rma que no quedan hu ecos en la per cepción del espec tro acústico . De hecho, puesto que las células veci nas están afinadas a frec uencias si mil ares, la cor tez a auditiva levant a una suerte de "mapa de frecuencias" a través de su superficie. Pero la música entraña mayor com plejidad que un simple sonido ais lado. Consiste en una secuencia de sonidos, cuya per cepción depend e de la compre nsión de las relaci o nes entre ellos . Di versas áreas del ce re bro partici pan en el procesa mien to de los co mponentes de la música . Considere mos el tono, o fre cue ncia, de una nota. Los exper tos creían qu e las cé lulas "afi nadas" para respo nder a una frec uencia es pecífica reaccion aban siempre de la misma form a al detectarl a. Sin embargo, a finales de los años ochenta del siglo pasado, esa tesis empezó a cuar tea rse . En mi labo rator io de la Universidad de Cali fornia en Irvine, Thomas M. McKe n na y el autor estudiaro n el co ntorno to nal , la secuencia de nota s qu e defin e una melod ía. Co ns truimos diferen tes melodías a partir de dis tintas co mbi nac io nes de las mis mas cinco notas y despu és reg is tramos, en co rtezas auditivas de gatos, las respuestas de determin a das neur onas. (Por respuesta deb e entenderse núm er o de descargas.) Vimos que la respu esta variaba se gún el contorno tonal, es decir , de pendía de la posición de cada nota dentro de la mel odí a. Las célul as podrían excitarse co n mayor inten sida d si la nota en cues tión viene pr ecedi da por otra que cuand o es la prim era. Además , la reacción es di stinta cuando la nota forma parte de una melodía ascende nte (de gra ve a agudo) que cuando pert en ece a una melodí a descend ent e o más co mpleja . Es tos hall azgos subra ya n la impo rta nc ia del co nto rno ton al: el procesami ent o de la mú sica en el sistema auditivo no re sulta tan sencillo como la transmi sión de sonido en el teléfono o en un sistema este reofónico.
INVESTIGACi ÓN y CIENCIA, enero, 2005
PROCESAMIENTO CEREBRAL DE LOS SONIDOS MUSICALES
Cuando una persona escucha música, el cerebro pone en funcionamiento una serie de regiones allende la corteza auditiva, incluidas zonas que acostumbran excita rse durante otros ti pos de operaciones cognitivas . Las exper iencias visuales, táct iles y emocionales del individuo afectan a la loca lización del procesamie nto de la música. Ondas sonoras
I
I
Onda acústica compleja correspondiente a un solo sonido
Membrana del tímpano
El oído externo y el oído medio transforman el sonido (ondas de presión del aire) en ondas del fluido del oído interno. Un huesecillo, el estribo , empuja la cóclea, provocando variaciones en la presión del fluido interno . Las vibrac iones en la membrana basilar de la cóclea hacen, a su vez, que las Corte de cóclea células ciliadas internas (los receptores sensoriales) envíen señales eléctr icas al nervio auditivo , que luego las trans - ~ t mite al cerebro. Cada una de estas cér../ 1" lulas ciliares responde a una frecuencia / de vibración diferente . Células ciliares
I
'V' ,
~
El cerebro procesa la música de forma jerárqu ica y repartida. Dentro de la corteza audit iva, la corteza auditiva primaria , que re cibe las señales del oído y del sistema auditivo inferior vía el tá lamo, está involucrada en las pri meras etapas de la percepción musical; se ocupa de elementos básicos como el tono (frecuencia ) y el contorno tonal (la secuencia de notas que define una melodía). La corteza auditiva primar ia cam bia su "afinación" a partir de la experiencia , de forma que aumenta el número de células que respon den con máxima intensidad a los sonidos y notas relevantes . Este reajuste inducido por el aprend i zaje afecta a otros procesos de la corteza en regiones como la cor teza auditiva secundaria y regiones asociadas de audición, que podrían procesar elementos musicales más complejos , como la armonía , la melodía y el ritmo.
INVESTIGAC iÓN y CIEN CIA, enero, 2005
rCH: , ~
¡JVVv 800 Hz
Amplitud relativa del movimiento de la membrana
Mf\J\NV\I\ NW\NINWMMN\
Fibras del nervio auditivo
- - Las fibras del nervio auditivo terminan en diferentes neuronas "afinadas" a distintas frecuencias
Sección transversal
Tálamo
_~_-+-_I
Cerebelo
Base del cerebro
Mientras un músico toca un instrumento, se acti van también otras regio nes como la corteza motora y el cerebelo, que participan en la pla nificación y la interpre tación de movimientos específicos y precisos en el tiempo .
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REAJUSTE DE LA AFINACION DEL CEREBRO
a
Cada célula del cerebro está "afinada" para responder de form a óptima a una nota o frecuencia concreta (a). La afina ción origi nal se modi fica cuand o el sujeto aprende que una determina da nota rev iste inte rés (b) . Semejante ajuste ce lular modific a el "mapa de frec uenci as" del cerebro de la rata , de forma que una zona mayor de la cortez a procesa la not a im port ante; por eje mplo, el mapa se amplía para 8 kH z, cuando ésta es la fr ecu encia refor zada (e). 140
b
Respuesta óptima
100
"O
c::
ro
O) :::J
(J) Q)
(J)
_
:::J
~
(J)
o,
Q)
(J)
[Lo (J)
"S
S
4
RE
MI
FA
5
iií Q)
:::J
o, (J) Q)
[L
DO
I Frecuencia reforzada
e Respuesta óptima
Antes del aprendizaje
80 -
60
Antes del aprendizaje (frecuencia en kilohertz)
Después del aprendizaje
Q)
0..0
3
ro
Nota musical/frecuencia
120
o-
Número de la célula
2
2
40
Después del aprendizaje
20
O -20 0,1
1 10 Frecuencia (kilohertz)
Si bien la mayor parte de las in vestigaciones se han cent rado en la melodía, rev iste n igu al interés el ri tmo (la lon gitud re lat iva de las notas y de los silencios en tre ellas), la ar mo nía (la relaci ón de dos o más notas sim ultánea s) y el timb re (lo que diferencia el sonido de dos instru mento s emisores de la misma nota). Algunos estudios indican que en el ritmo se invo lucra más uno de los dos hemi sferios, si bien discre pa en la iden tificación del mismo. El pro blema estriba en que distint as tareas e inclu so disti ntos est ímulos rítmicos requiere n ca pac ida des de proce sa miento distintas . Por eje m plo, el lóbul o tempora l izqui erdo pa rece que procesa mej or los estímu los breves que el lóbul o temporal derecho; así, esta ría más activo cuan do nos conce ntramos en el ritm o de sonidos musical es cortos. Lo mismo ocurre co n la armo nía, de fo rma tod avía más clara. Los estudios de las imágenes tomad as de la co rteza ce rebral enc uentra n una mayor activación en las regio nes auditiv as del lóbul o temp or al derech o cuando el indi vidu o se co n ce ntra en los as pec tos armónicos de la música. El timbre se ha "as ig nado" , de prefe rencia, al lóbulo tem 30
100
poral derech o. Los paci ent es a los que se les ha eliminado el lóbul o tempora l (para tratar apoplej ías , por ejemplo) mu estr an dificultad para diferenciar los timbres si se les ha ex tirpado tejido del hemi sferio de rech o, pero no del izqui erdo. Ade más, el lóbulo temp oral derecho se activa en indi vidu os norm ales cuan do se apres tan a diferenciar entre timb res di ver sos. La respuesta cerebral depende tam bién de la ex per iencia y la educa ción musical del oye nte. Basta in clu so un bre ve entrenamiento par a modificar las reacciones del cerebro. En es te co ntex to, diez añ os atr ás creíase que las células de la corteza auditiva tenía n una afinació n "fija". Sin embargo, nuestr os estudios so br e la mel odía sug iere n qu e es ta afinación puede alterarse mediante el aprendi zaje, de forma que ciertas células incrementan su respuesta ante sonidos que atraen la atenci ón y se almace nan en la memori a. Para ave rigua rlo, Jon S. Bakin, Jean-Marc Ede line y el autor em prendi eron , en los años noventa , una serie de experimentos; se trataba de resolver la cuestió n de si ca mbiaba la organizac ión básica de la corteza auditiva cuando un indi vidu o se per
cataba de la importancia de una nota determinada. Expusimos a co nejillos de Indias a un gran número de no tas distintas y registr amos la respues ta de célul as de la co rtez a auditiva para esta blece r qué notas producían la respuesta más int ensa . A co ntinuac ió n, reforzam os la audición de una determin ada nota , ha cia la que no existía ninguna pre feren cia previa, medi ant e la apli ca ció n de una suave descarga en la pata cada vez que sonaba. Las rata s apre ndieron la asoc iac ión al cabo de pocos minutos. Me dimos de nuev o la respu esta de las cé lulas, inm edi a tam ente tra s el entrena miento y a var ios int er valos ha st a dos meses despu és. La afinac ión con máxim a respu esta neur onal se había despla zado desde la frecu enci a original a la frec ue ncia de la nota reforzada mediante la se ñal eléc trica . Por tant o, el apre ndizaje reaju sta el cerebro de forma que aumenta el núm ero de cé lulas que resp ond en co n mayor intensid ad a los sonidos que se potencian mediante refuer zo condu ctu al. La nueva "afinac ión" se ex tie nde por toda la cort eza, modi ficando el map a de frecuenci as de for ma que una mayor superfic ie de la co rteza procesa las notas reforINVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
zad as. Para determinar a qué fre cuencias muestr a mayor sensibili dad un anim al, basta co n definir el " mapa" de frecu enc ias de su cor teza auditiva. El reaju ste de la afinac ión res ul tó aso mbrosame nte duradero: se for tal eció sin nec esidad de adies tra miento adicional y per sisti ó durante meses. Es tos hallazgos propiciaron un increm ento de las inv esti gaci o nes qu e suge rían qu e el ce re bro inscribe la imp ortanci a apre ndida de un es tímulo dedi cand o mayor núm ero de cé lulas al pro cesami ent o de dicho estímulo. Si bien no re sulta posibl e registrar la actividad de neuronas humanas indi viduales durante e l pro ce so de aprendizaje , los estudi os basados en imágenes del cerebro detectan cambios en la magnitud media de las respu estas de miles de cé lulas en diversas re giones de la corteza . En 1998, Ray Dolan y su grupo, del Co leg io Uni versitario de Lo ndres, entrenaron a hum anos en un a tarea simila r, al tiemp o qu e les insistían en la im portancia de un a not a determina da . Los neuról ogos co mpro ba ro n que el apr endi zaje producía el mis mo cambio en la afinación obser vado en animales . Los efec tos a lar go pla zo de este reajuste cere bral podría explica r por qué reco nocemos con prontitud una melo día fa mil iar en una sala ruidosa y por qu é las per sonas qu e suf re n pérdida de memori a debi do a la en fe rmedad de Alzheimer y otras pa tolo gía s neur odegen erativas recu er dan músic as que apr endi eron en el pasad o. Par a "oír" mú sica no necesita mos que nin gún so nido real nos lle gue al oíd o, bast a co n imagin arla. Piense en algun a pieza qu e co nozca e " inte rpré te la" en su c abeza. ¿E n qu é zo na ce re br al se ejec uta la pieza? En 1999, Andrea R. Halp ern , de la Unive rs idad de Bucknell , y Robert J. Zat orre, de la Universid ad McGill e n Montreal, so me tie ro n a exame n e l ce re bro de vo luntarios lego s en mú sica mientras esc ucha ban una pa rtitura o im agin aban es cucharla. Los neuról ogos hall aron que buen núm er o de las áreas tem poral es qu e parti cip aban en la audi ción de melod ías se acti vaban tam bién cuando dich as mel odía s só lo se ima ginab an .
INVESTIGACiÓN
y
CIENCIA,
enero,
2005
Desarrollo cerebral Los estudios entre músicos han am pliado los descubrimient os anota dos más arriba, co nfirmando la capaci dad del ce re bro de reaju st ar sus circuitos en apoyo de la actividad musical. De la misma form a que el adiestramiento incrementa el número de células que responden a un so nido cuando éste se co nvierte en im port ante, un apre ndizaje prolongado aum enta la intensid ad de las res puestas y los cambios fís icos ope rad os en el cerebro . Los músicos qu e ensaya n muchas horas al dí a, a lo largo de años , muestran tales efec tos: res ponde n a la música de forma distinta de los lego s y presentan un hip erd esarroll o de ciertas reg iones cerebral es. Christo Pantev se hall aba en la Unive rsidad de Münster cuando, en 1998, diri gió uno de esos estudios . Obse rvó que, a l esc uchar un a in terpretación al piano, y co mparado co n un lego, el músico activa un 25 por ciento más de sus reg iones auditi vas del hemi sferi o izquie rdo . Efec to de las notas musical es que no oc urre si se trata de otros soni dos. Ade más, es ta ex pansión de la zo na de respu esta result a mayor cuanto más jov en se inició el suje to en los estudios musical es. A te nor de la investi gación con niño s, la ex perienc ia musical precoz puede fa cilitar el de sarr oll o. En 2004 , Anta ine Shahin, Larry E. Ro berts y Laurel J. Trainor, de la Unive rsi dad McMaster en Ontario, registraron respu estas cerebrales al sonido de un piano, un violín y a nota s pu ras, en niñ os de cuatro y cinco años . Los que habían co nvivido en un am bient e familiar melóm ano mostra ron una mayor acti vidad auditiva de l cerebro, equiparable a niños tres años mayores que no estaban en con tacto co n la música . Los músicos pueden presentar ma yo r res pues ta a so nidos, en parte porqu e su corteza auditiva es más ex tensa . Peter Sc hneider y sus co lab oradores, de la Unive rsidad de Heidelberg, decl araron en 2002 que el volumen de la misma era un 130 por ciento mayor en los músic os. El porcent aj e de incremento en vo lum en se rela cion ó co n el nivel de aprendi zaj e mu si cal, co n la co da co nsiguiente de que el aprend izaje de la música aumenta el número de
neuron as dedicadas a su procesa miento. Ade más, el cerebro de un músico co ncede un área mayor para el con trol motor de los ded os que han de ejecutar la pieza. En 1995 , Thomas Ebe rt y su gr upo, de la Unive rsidad de Co nstanza, observ aro n que las reg io nes del ce re bro qu e recib en est ímulos se nso ria les proced ent es del segundo al quinto (índice a meñi que) dedo de la mano izqui erda eran sig nifica ti vame nte mayor es en el caso de violinistas; se trata, preci samente, de los dedos que reali zan movimi ent os rápid os y co mplej os cuando se toca el violín. En cam bi o, no obse rva ro n nin gún incre mento de las zonas de la cor teza que recib en la inform ación de la man o de rec ha , res pons able de l control del arco y no precisa de virtuos ismo en los dedos. Los legos no presen tan estas diferencias. Además, Pan tev, ahora en el Instituto de Inves tigación Rotm an de la Unive rsidad de Tora nto , inform ó en 200 1 de que el cerebro de trompeti stas pro fes ionales reacciona co n not able in tcn sid ad sólo al sonido de la trom peta , pero no al de un violín, por eje mplo. Los músicos deben tambi én de sar rolla r una mayor habilid ad para utili zar las dos man os, en particu lar par a la ejecució n en el teclado. Cabría, pues, espera r que esta ma yor coor dinación entre las reg iones motoras de los dos hem isferios co n tara co n una base anató mica. Parece que así es . El cuerpo ca lloso ante rior , que co ntie ne el haz de fib ras que int erconecta las dos áreas mo toras, es mayor en los músicos que en los legos. A su vez, el incremento es mayor cuanto más temprana la educac ión musical. Otros estudios sugiere n que el tamaño real de la co rteza motora, así co mo del cere belo - una región en la part e pos teri or del encéfalo respon sable de la coo rd inación motor a- es mayor en los músicos.
Emociones musicales Amén de indagar el procesami ent o cere bral de los so nido s musical es, se investiga el mecani sm o mediante el cual des pier tan inten sas emoc io nes. Los est udios pioneros que John A. Sloboda , de la Univers idad de Kee le, llevó a cabo en 1991 , reve 31
Percepción musical de los bebés
AUNQUE MUCHOS CREEN no te ner aptitudes para la música, todos contamos con ciert a sensibilidad musica l. De hecho , para encontra r alguien con un "cerebro musical " basta con observar a cualquier bebé . Antes de adquirir el don del lenguaje, los bebés ya muestran una habilidad extraordinaria para reaccionar ante la mús ica. Quizá por ello los padres y otras perso nas se comunican instintivamente con los pequeños como si entona ran una canc ión, utilizan do amplios espect ros de frecuencias y frases melód icas que imitan los sonidos del bebé. Todas las culturas utili zan esa comunicación maternal. Los bebés no sólo reaccionan positivamen te ante este tipo de estí mulo, sino que , además, pare cen reclamarlo. En un estud io rea lizado en 1999 por Laura-Lee Balkwill y William F. Thompso n, ambos entonces en la Univers idad York de Toronto , madres nortea mericanas y de la India cantaban la misma canc ión en presenc ia de su bebé y en ausencia de éste. Después, otros part icipan tes juzga ban correcta mente en cuál de las dos grabac iones estaba presen te el bebé. El estudio concluyó que debían existir algunos elementos musicales comunes en ambas cul turas, pues los oyentes de las gra bacion es detectaban si el bebé es
l aron que m ás del SO po r cien to de l os adul tos mu estreados expresaron respuestas fís icas a l a músi ca: es calofríos, r isa o l ágri m as. E n un estudio real izado en 1995 por Jaak Panksepp, de l a U nivers i dad de Bowling, el 70 por ciento de varios cente nares de j óv enes entrevistados, varones y muj eres, declararon que l es gustaba l a mú si ca " po rque evoca emociones y sentimientos". Este tra baj o se vio reforzado por l os re sultados que, en 1997, obtuvo Carol L. K r umhansl, de l a U niversi dad de Co rne l l. Co n su grupo co labo rador, K ru m ha nsl anotó el ri tmo cardíaco, la presión sanguínea, l a respiraci ón y otros pará metros fi siológicos durante l a audición de di fere n tes p i ezas mu si cal es qu e se supo nía que exp resa ban felicidad, tris teza, miedo o tensi ón . Cada tipo de mú sica evocó un p atrón distinto,
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EL HABLA CON ENTONACION MUSICAL que remeda los sonidos del bebé tmothe rese) es común a todas las culturas. taba presen te o no, independiente mente de si oían la canción en su propia lengua o en otra. ¿Cómo podemos saber si un bebé se perca ta de la música si aún no pued e hablar para contar lo? Util izando medidas objeti vas de su comport amiento . Por ejemplo , un bebé está sentado en el regazo de su madre ; a la izquierda y a la derecha se insta lan dos altavoces y cajas adyacen tes de plástico transparente. En su estado normal, las cajas aparecen oscuras , pero si el bebé gira su cabeza hacia una de ellas, recibe un premio : la caja se ilumina y dentro aparece un muñeco animado (un perro o un mono de trapo ). Duran te la prueba , un in vestigador manipula marionetas u
si bien co nsis tente, de cam bio fi sio lógico entre l os indi vidu os. Hasta fec ha reci ente, se sabía mu y poco sobre l os m ecani sm o s cere br ales implicados. Co n el caso de Petra López (nombre fic ticio) llegó l a primera clave. Esta muj er , que ha sufri do daños bilaterales en sus l óbulo s te mpora les, incluid as l as regio nes de la corteza audi tiva, mues tra norm ales l a i nte l ige ncia y me m ori a generales; no prese n ta di f i cul tades con el l enguaje. En cambio, no se per cat a ni reconoce músi ca alg una, aunque se trate de un a pieza qu e ya co nocía o de un a canción nu ev a que ha oído repeti dame nte . No di stingue entre dos melodías, por diferentes qu e sean. Si n embargo, mu estra reacc io nes emoc ionales nor m al es ante diversos ti po s de mú sica. Su capac i dad de i dentificar un a emoción co n un a selecció n mu sical
otros objetos enfren te del bebé para atraer su atención . Un es tímu lo musica l (una nota o una melodía) se emite repet idamente por uno de los altavoces . En mo mentos aleatorios , el exper imenta dor pulsa un botó n escondido que camb ia el estímulo . Si el bebé nota la diferencia y se gira hacia el altavoz , se le prem ia con la ac tivac ión del muñeco . Tales pruebas han mostrado que los bebés distinguen , igual que los adultos , entre dos notas musica les adyacentes. Tamb ién perciben los cambios en el tempo (la veloc idad a la que se interpreta la música) y el ritmo . Reconocen una melo día si se interpreta en otro tono. Respaldan estos estudios los re cientes hallazgos de Sandr a Trehub , de la Universidad de Toronto. Esta invest igado ra ha comprobado que los bebés de dos a seis meses de edad pre fieren los sonidos consonantes a los disonantes. Parece que el aprendizaje de la música se inicia mucho antes , quizás in utero. Peter Hepper , de la Unive rsidad Queen 's de Belfast, observó que, quince días antes del parto, los fe tos distingu ían entre una canción nueva y la sinton ía de la serie de televisión "Neighbors" (Vecinos), escuchada a diario por sus madres duran te semanas de embarazo .
conc reta es completamente norm al. De este caso inf erim os que se ne cesi ta el lóbulo tem poral para com pren der un a m el odía, pero no par a pro duc ir un a reacci ón emocio nal; ésta es subco rt ica l e i mpl ica, tam bi én, a l os l óbulos fron tales . En 200 1, A nne B loo d y Zatorre, de l a U niversidad M cG ill, recurri eron a l as téc nicas de formac ió n de i má genes del cerebro par a acotar co n m ay or prec is ión l as reg iones cere bral es co mprome tidas en l as reac ciones emocionales provocadas por l a mú sica. El estudio utili zaba es tímu los emociona les suaves, aso cia dos a l a co nso nancia y a l a di sonancia. U n in ter val o co nsonante corresponde a un a re lac ió n de fre cuencias (entre l as dos notas qu e deter min an el inter v al o) senc i lla. Ofrecen un ejemplo el do centra l y el so l central : l a rel aci ón entre sus
INV ESTIGACiÓ N y CIENCIA, enero, 2005
flAUTA DE HUESO encontrada en un yacimiento francés de hace 32.000 años . Constituye una prueba palmaria de la afición musical del hombre desde los albores de la cultura.
frec ue ncias (260 Y 390 her tz, res pecti vam ent e) es 2:3; su interpreta ció n sim ultá nea defin e un acorde de "quinta perfect a" de so noridad agradab le . Un do ce ntra l y un do sostenido (277 hertz), en cambio, pre sentan un a relación de frec ue ncias "co mplej a", alrede dor de 8:9; su in terpret aci ón simultá nea produce un so nido qu e se co nsidera desagrada ble, áspero. ¿Q ué mecani smos cere brales sub yace n a esta ex per iencia? Las imá ge nes obtenidas medi ant e TEP (to mogra fía por em isión de posi tro nes), registradas mientras los sujetos es cuchaba n aco rdes co nso na ntes o di sona ntes, mostra ron la intervención de di versas region es del cerebro en las reacci ones emoc io na les . Los acord es co nso nantes act iva ba n la región orbitofro nta l (parte del sis te ma de recom pen sa) de l hemi sfe rio der ech o y ta mb ién parte de un área deb aj o del cuerpo ca lloso . Po r e l co ntra rio, los aco rdes dison an tes ac tivaba n la circ unvo luc ión del pa rah ipocam po derech o . Por ta nto, por lo men os dos siste mas, cada uno rela ci on ad o co n di ferentes tipos de emoc ió n, se ac tivan cua ndo el ce reb ro procesa emoc io nes vinc ula das a la m úsica. Todavía que da por descu brir có mo los diferen tes pa tro nes de activ idad en el sis tema audi ti vo pod rían re lac ionarse co n es tas regi on es de reacti vidad dife re nc ia da de los hemi sferios. En el mi smo año, Bloo d y Zatorre ava nzaro n un paso más en la com pr en si ón del mecani sm o a través del cua l la música pro duce placer. Cua ndo so metieron a exame n el ce re bro de músicos qu e se ntían una euforia es tre mecedo ra a l esc uc har mú sica, o bse rva ro n en las imágenes que se act iva ba alguno de los mis mos sistemas de recom pensa esti mul ados por la co mida, el sexo y las drogas de adicc ió n. En resum en , hasta la fec ha, se sabe qu e ex iste una base biol ógica pa ra la música y que el cerebro cuenta
INVESTIGACiÓN y CIENC IA, enero, 2005
co n una orga nizac ión func iona l para la mú si c a. Parece bastan te clara, incluso en este es tadio inicial de la investi gación , la intervención de di versas region es cerebra les en e l pro cesamie nto de as pectos concretos de la música, apoyando la per cep ción (c uando se apre he nde una me lodía, por ejemp lo) así co mo evoca ndo emocio nes. Los músicos parecen con tar con es pec ia lizac io nes ad icio na les, so bre todo un hi perdesarroll o de ciertas est ruc turas cerebra les . Estos efec tos demu estran qu e el ap re ndi zaje mod ifica la ac tiv ida d de l ce rebro, increm en tand o la respues ta de cé lulas indi vidua les y e l núme ro de cé lulas que reaccionan co n inte nsi dad a so nidos qu e adquie re n re levanc ia para el indi vidu o. Co n fo rme ava nza la in vesti gaci ón so bre la mú sica y el ce re bro, aho nda re mos en el po rq ué de la m úsica así co mo en sus mú ltiples facetas .
ha publicad o sobre el tema , entre otros , los siguientes artículos:
¿Sobre hielo quebradizo?, de Robert A. Bindschadler y Charles R. Bentley Febrero 2003
El Artico eurasiático durante el últ imo período glacial, de M. j. Siegert, j. A. Dowdeswell, j.-1. Svendsen y A. Elverhei Marzo 2003
Concat enaciones sísmicas, de Ross S. Stein Marzo 2003
Fut ur o de l Etna,
El aut or Norman M. Weinberger se formó en la Universidad Case Western Reserve. Trabaja en el departamento de neuro biología y comportamien to de la llni versidad de Cali fornia en Irvine, donde fundó el Centro de Neurobiología del Aprendizaje y la Memoria.
Bibliografía complementaria THE ORIGINS OF Muslc. Dirig ido por Nils L. Wallin, Bjiirn Merker y Steven Brown . MIT Press, 1999. THE PSICHOLOGY OF MUSlc. Segunda adi ción. Dirigido por Diana Deutsch. Aca demic Press, 1999. Muslc AND EMOlION: THEORY AND RE SEARC H. Dirigido por Patrik N. Juslin y John A. Sloboda. Dxford University Press, 2001. TH E COGNlllVE NEUROSCIENCE OF MUSlc. Dirigido por Isabelle Peretz y Rober! J. Zatorre. Oxford University Press, 2003.
de Tom Pfeiffer junio 2003
Las primeras formas de vida a debate, de Sarah Simpson junio 2003
Marte, un planeta singular, de Arden L. Albee Agosto 2003
Terremotos de la antigüedad, de M. Schnellmann, F. S. Anselmetti, D. Giardini, J. A. McKenzie y S. N. Wa rd Abril 2004
La Tierra tiembla en silencio, de Peter Cervelli Mayo 2004
Prensa Científica, S.A.
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IENCIA y SOCIEDAD
Adaptación al estrés celular El papel de la cromatina as células de los orga nismos su fre n cambios co nstantes en su L entorno . Cuando éstos ponen en peligro la vida de las mismas, crea n una situación de estrés. Para sobre vivi r a tal adversidad , las células util izan un conjunto de estrategias conoc idas como las resp uestas de adaptación al estrés celular. Una de ellas, quizá la que reviste mayor importancia, consiste en reg ular la expresión de ciertos genes que pro tegen a las cé lulas med iante la mo dificació n de la divi sión, la mor fogé nesis, el metabolismo y otros aspectos fisiológicos. El est rés provoca, en el interior de la cé lula, la activación de las SAPK (proteínas quinasas act iva das por estrés), que han per sistido ("se con servan") en organi smos muy diversos . Las proteínas p38 en ma míferos y Hog I en levadura cons tituyen los prototipos de esta fa milia de molécula s. Sabemos que su activación re sulta ese ncia l para desencadenar las respuestas de adap tación al est rés ce lular, pero aún nos hallamos lej os de conocer su papel en la mediación de la regu lación génica. La investigación en torno a la qui nasa Hog l de levadura ha sacado a la luz algunos de los mecanismos de acción de las SAPK. Uno de ellos con siste en modificar factores de tran scripción, o activadores, me diante fosforilación. Pero, ¿co nsti tuye la única forma de modular la expresión génica? En nuestro laboratorio hemos iden tificado otro mecanismo basado en el recl utamiento del complejo res ponsable de la sínte sis de ARN men sajero, la ARN polimerasa 11. En este caso, la SAPK se une a los promo tores de respuesta al estrés. Tal in teracción no sólo permite reclutar la AR N Poi II, sino que modifica también la cromatina de la región promotora de los gene s de estrés, lo gra ndo así su correcta expresión .
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La mod ificación de la cromatina en las reg io nes pro moto ras de los genes constit uye, en numerosas oca siones, un prerreq uis ito par a la correcta expresión de los mismos. Se trata de una alteración est ruct u ral que puede pro ducirse de var ias formas; por eje mp lo , med ia nte la acet ilac ión de aminoácidos especí ficos de las histonas (las proteínas
encargadas de l empaquetamie nto del ADN). Los estudios acometidos en la en zima Hog l demuestra n que los cam bios medi ados por las SAPK en la acetilac ión de las hi stonas de los promo tores de respu est a a es tré s resultan esenciales para el bue n func io namiento de los mismos. En este proceso, la desacetilació n de los promotores mediada por el co m plejo de la desacetilasa Rpd3-Sin3 constituye un a etapa clave. La pro teína Rpd3 per tenece a un a fa mi-
ESTRES
t
1
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NUCLEO
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)( > GENESDE DEFENSA
2
GENES DE DEFENSA
3 ~ SUPERVIVENCIA CELULAR GENESDE DEFENSA
Mecanismo de regulación de la expresión génica en respuesta al estrés celular. (1) Los sensores de estrés generan una señal que se traduce en la activación de la SAPK y su posterior localización nuclear. Ya en el núcleo de la célula, la SAPK activa los promotores mediante su unión a factores de transcripción específicos (Fr) . (2) Esta interacción re clu ta el complejo de la desacetilasa (DA) y modifica las histonas de los promotores. (31 Finalmente, el complejo de la ARN polimerasa 11 transcribe el gen de adaptación al estrés.
INVE STIGA CiÓ N y CIENCI A, enero, 200 5
lia de ci nco hist on as desaceti lasas de levadura y Sin3 corres po nde a un a subunida d regul adora qu e for ma parte de l co mplejo de desace til aci ón . Las cé lulas defi cientes en Rpd 3-Sin3 no so breviven al es trés, pues to qu e no lo gr an indu ci r la ex pres ió n de los ge nes de adap taci ón. Profundi zar en es tos mecan ism os de ada ptac ió n al es trés ce lular re vis te interés porqu e las prot eín as qu e inter vien en en el proceso de se mpeñ an imp ort antes funcio nes fi siológ icas. De hech o, lo s ca mbios en las acti vidades de las SAPK de bid os, por ejemplo, a mut aciones,
originan alteracio nes en la pro life ración ce lular, la ge nerac ión de pro cesos infl amatorios u otros proce sos pato lógicos. Cabe esperar que los hall azgos derivados de este es tudio fac ilitarán tra bajos posterio res dedica dos a modi fi car la ac ti vi dad de dichas proteínas en casos de disfunción. FRANCESC POSAS Y EULALIA DE NADAL
Unidad de Señalización Ce lular, Departamento de Ciencias Experime ntales y de la Salud, Universidad Pompeu Fabra, Barce lona
La muda en Artrópodos Suprimer registro fósil l reciente hall azgo de un eje m plar ún ico del pequ eñ o artró E podo Marrella splendens, fos iliza do en el mom ent o en que proced ía a salir de su caparazón, hace unos 505 mill ones de años (Ma), nos ha per mitido conf irmar qu e los primeros artrópodos ya mudaban su exos que leto par a poder aum ent ar de tama ño, y lo hac ían de maner a semejante a como lo hacen sus descendientes hoy en dí a. Los art ró po dos co ns tituyen el grupo animal co n mayor diver sid ad de es pec ies de la ac tua lida d . S in embargo, cuando es tudia mos el re gistro fósil se aprecia qu e es ta co n dición ya se daba casi desd e el prin cipio de la evo lución, tras la gra n rad iación del período Cá mbrico, que aconteci ó hace un os 540 mill on es de años. Fue en es ta "explos ión" del Cá m brico cua ndo, en un os pocos mi llones de años , se or iginaron la ma yoría de lo s filos, o gra ndes gru pos animales, co noc idos . Dura nte este período de la historia de la T ierra, los artró po dos present ab an ya tod o un gradiente de tam años y multitud de mod os de vida : desd e art ró po dos microscópi cos filtra do res, inte gra ntes del zoo planc ton, hasta los mayores anima les del mom ent o, un gru po de depred ad or e s ll am ados Ano ma locáridos, qu e alcanza ban el metro de lon gitud , pasand o por fitó fagos y ca rro ñeros.
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Aunque la mayoría de aq ue llos artrópod os del Cá mbrico desapare c ieron, otros so brev iv ieron, e ntre ellos los pr imeros crustáceos y qu e licerad os, antecesores de los ca n grejos y escorpiones modernos, así co mo los que más tarde diero n lu gar a insect os y mir iápodos. El gra n éxi to de los ar trópodos rad ica, en parte, en que presentan un a dura co raza externa, o exos queleto, que les pro tege de los age n tes meteorol ógicos y, en buen a me did a, de los ataq ues de depredadores d e s imilar tamañ o. Si n emba rgo, es ta mism a co raza re presenta un " ta lón de Aq uiles" : neces itan des hacerse de ella reg ularmente para pod er aume ntar de tam año, en un
proceso conoc ido como mud a o ecdisis . La ecd isis es un proceso co mplejo, en el que se reabsorbe parc ialme nte la parte in tern a de l exosquele to, se abre la coraza, y de ella sale el ani ma l con una cutíc ula flexi ble, de ja ndo atrás una exuv ia, o viejo exos queleto vacfo. El artró podo, co n un aumento de presió n interna , bi en por ingesta de ag ua o de aire de pendiendo del medio en que se en cuentre, aume nta de vo lume n apro vec ha ndo que su exos q uele to es aún flex ib le . En cues tió n de horas el an ima l alca nza rá el nuevo tama ño y su exosqueleto se endurecerá . Durante este perío do, los artró podos son especia lmente vulnerables, por lo que ge neralme nte llevan a ca bo la mud a en lugares pro teg ido s, co mo cavidades nat urales o ag ujeros ex cavados por ellos mis mos, y en las horas de mayor osc ur idad. El espesor y gra do de minerali zac ión de l exosque leto varía, desde el de un a araña o una mosca, al de un cento llo . Los artrópodos con es qu eletos más mineralizados sue len tardar más en rea lizar todo el pro ceso de la muda . Ta l era el caso de los Tr ilobites, los artrópodos mejor co nocidos de la era Pa leozoica (540 250 Ma), que presentaba n un ela borado proceso de apertura de las múlt iples partes de su coraza a lo largo de " líneas de sut ura" prees tab lec idas (véase la figura 1) . Se cree que la mayoría de los fósi les de Tri lobites corresponden a ex u vias vacías, más o menos desarti culadas, dejadas tras la muda. Estos restos mi neralizados, al igua l que
1. Proceso hipotético de apertura del exosqueleto en el t rilobites de Burgess Shale
Olenoides serretas, a lo largo de "líneas de sutura" (rayas discontinuas).
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2. Ejemplar del artrópod o de Burgess Shale Marrella splendens fosilizado en el momento de egresión de la exuvia (a), dibujo de cámara clara del mismo ejemplar lb) y recons truc ción general (el.
las co nchas de los bivalvos o los huesos de los ver te bra dos, tien en ge ne ralme nte un mayor pot en ci al de conserv ación tafon ómi ca, esto es, so n más res istentes a los procesos que se desarro llan entre la mud a, o la muert e del organismo, y la recu pera ci ón del fós il mill ones de años más tarde. Dur ant e las fases tafo nóm ica s más tempran as se sue len perd er las part es bland as por la ac ción de depr edadores, ca rroñeros y orga nis mos descompon ed ores, in cluso antes del enterra miento. Alg unas loca lidades de fós iles, co noc idas co mo Kon ser vat-L ager stiitte n, prop orci on an a los pa leo n tólogo s ventanas excepc ionales para "ver" la vida en el pa sad o, ya que co nse rva n las part es blandas de los orga nis mos, qu e norm almente se pierd en durante el pr oceso de fosi lizaci ón . La localid ad más fa mosa de este tipo en el per íod o Cá mbrico es Bu rgess Shale, en las Mo ntañas Rocosas de Canadá . En e lla no sólo se han enco ntra do más de 170 es pec ies distintas -67 de ellas artró podos- , sino que, además, éstas pre se ntan un es tado de conse rvac ión tan fino, que permite reconocer ojos, aga llas, tub os digesti vos e inclu so vasos sanguíneos. Entre ellos des tac a por s u abunda nci a e l artró pod o Marre lla sp lendens, de unos 2 cm de lon gitud . Un ejemplar fó sil de es te animal se ha enco ntrado
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en plen a ecd isis, y muestra la zo na ce fálica y s us es pinas, aún co n la cutíc ula flexibl e, salie ndo a través de una abertura en la part e frontal del cuerpo (véa nsefiguras 2a y 2b) . La parte distal de las es pinas late ral es, así co mo el resto del cuerpo se encuentra toda vía dent ro del viejo exos queleto . La singula ridad de es te hall azgo resid e en d os hech os ex trao rdina rios. Primer o, se requ iere la fosili zac ió n de partes bland as para qu e se pued a co ns ta ta r el pr oceso de mud a, lo qu e no oc urre más qu e en Konserv at-Lagerstatten . Y seg undo , el proceso co mpleto de sa lida de su ex uvia en un artró podo no mi neralizad o sue le ser de mu y co rta duraci ón , de unos pocos minutos para una larv a de lan go st a de ta
mañ o similar a Marrella, o de 20 minutos para algunas cuca rac has . No es ele ex tra ña r pues, que, de los más de 24. 000 ejemplares qu e se han recogid o d e es ta es pec ie, solamente uno se hall e en pleno pro ceso de la mud a. Marella present a una es truc tura relati vament e senc i lla, co mpuesta por una zona cefá lica con es pinas protectoras y dos pares de apé ndices, seg uida de un cuerpo co n unos 25 seg mentos , cada uno co n un par de apé ndices birrá mea s, y terminado en un pequ eñ o tel son (véase la fig ura 2c) . Debido a e llo, es tá co ns ide rado co mo un artró podo mor fológicament e primi tivo, incl uido dentro de su propi o grupo - los Marre llo morpha-, qu e seg ún di ver sos est udios filogen éti cos se sitúa e n la ba se de los Schizo ramia, el grupo qu e incluye a los crus táceos, qu eli cerados y los desap arecid os tril obites. Co nviene señalar que la ausenci a de líneas de sutura vis ibles en otro s eje mplares de Ma rrella, al igual qu e en los artrópodos actuales, podría tra tarse de un carác ter pl esiomárjico, u original. Por lo tanto, el tipo de mud a en Trilobites , con lín eas de sutura muy conspicuas, sería un carác ter apomá rfico , o derivado, que pro bab lement e aparec ió en paralelo con la min eralización del exos queleto . En definiti va , nos hall am os en situac ión de co nfirmar qu e un pro ceso tan imp ort ant e en el cic lo de vida de los artrópodos co mo es la muda, oc urría ya, y de forma mu y similar, desde el principio de la evo luci ón de es te filo . D IEGO GARCÍA- BELLIDO CA PDEV ILA
Dep to . de Paleobi ología, Royal On tario Mu seum , To ro nto
El virus del oeste del Nilo En Yucatán l virus del oes te del Nilo (VON) ca usa ence falitis en hum anos, equinos y num er osa s es pec ies de aves . Se enc ue ntra en Africa, Asia, el Medio Ori ent e, Europa y, desde 1999, tamb ién en Nortea mé rica . En su ciclo de vid a inter vien en mos quit os y aves, co nvirtiéndose és tas en huéspedes reser varí a s del virus.
E
Ni hombres ni ca ballos particip an en e l ciclo de tran sm isión del VON, pues es te fiaviviru s se encuentra en su sa ngre en co ncentrac io nes mu y baj as y durant e períodos muy cor tos de tiemp o. En marzo de 2000, nuestr o grupo de investigación co me nzó la vig i lanc ia para determ inar si el VON
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
llegaba a la penín sula mexican a de Yuca tán a tra vés de las aves migra torias prov eni ent es de los EE.UU. Mediante el anális is de los sueros de aves migratori as, así como de las res ide ntes , es tudiamos el pap el que las primer as desempeñ an en la disem inaci ón de es te virus . El tra bajo formó part e de una colabo ra ció n entre la Unive rs ida d estata l de Colo rado y la Univers idad Autó nom a de Yuca tán. La financ iació n, estado unide nse, llegó de los Ce ntros para el Co ntrol y la Prevenció n de Enfermedades (CDC) y los Institut os Nacio nales de Salud (N IH) . La penín sula de Yuca tá n co ns titu ye un a rut a pr in cipa l de mi grac ió n par a un gra n núm er o de es pec ies de aves migr at ori as pro ve nie ntes del noreste, medi o oes te y sur de los EE .UU . El est udio se ce ntró en tres enc laves del es ta do de Yuc atá n, situa dos en reser va s eco lóg icas (la Sec re tarí a del Medio Ambie nte y Recur sos Natura les de México , SEMARNAT, concedió los permi sos necesar ios para acom et er el trabaj o): el ran ch o Hob on il (a l rede do r de 1200 hect ár ea s), pert e neci ent e a la localidad de Tzuca ca b, en e l ce ntro de la penín sul a de Yuca tá n, qu e es tá admini strado por la Univers idad Autó no ma de Yuca tá n y se utili za pa ra di ver sos es tud ios re laci on ado s co n la pro d ucci ón a nima l; la Bios fera Ría Ce les tú n (unas 60. 000 hect áreas), un es tuario de l noroeste del es tado de Yucatán administrado por la SE MA RNA T , en el que med ran man glar es roj os, manglares negr os y otras es pec ies propi as de zo nas cos ter as y pantanosas; y, por últim o, la se lv a baja ca duc ifo lia de Cuxta l (10 .00 0 hect áreas), ubi cad a al sur de la c iuda d de Mérida y admi nistrad a por e l Ay unta mie nto de Mé rida. Las aves se capturaron medi ante red es de nieb la, qu e se co locaron entre las 6:00 y las 13 :00 hora s. Se les ex trajo una pequ eña canti dad de sa ngre y, luego, se liber a ro n. Los sueros se ana liz aron para det ermin ar la pr esen ci a de anti cuerpos es pecíficos par a difer ent es fiaviviru s y par a el VaN; se utili zó la técni ca de ensayo inrn unoab so rbe nte de enlace enz imá tico me diante bloqu eo de epítopos (ELISA) . La ve ntaj a de es ta pru eb a res ide
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
\
I
/ / 1. Ejemplares macho (derecha) y hembra (izquierda) de Culex tsrsslis, uno de los mosqui tos que transmite el virus del oeste del Nilo.
2. Ejemplar adulto de Dumetella carolínensis, cap turado para el estudio seralógico.
e n qu e no nece sita reac tivos es pec ífi cos par a ca da es pec ie a na lizada. Se ca pturaron más de 8600 aves, pertenecient es a 182 es pec ies di fe re ntes y a 14 ór de nes . Las prime ras aves co n anti cuerpos del VaN apa rec iero n en di ciemb re de 2002. En tot al, se han enco ntrado anti cue rpos del VaN en siete es pec ies de aves migrator ias (Dumete lla ca ro linensis, Emp ido nax mi nim us, Hirundo rusti ca, Passerin a cya nea, Ph eucticus ludo vicianu s, Wilso nia citr ina y Wilso nia pu silla ) y dos es pec ies resi de ntes (Cya nocompsa parellina y My iarchus tyra nnulus'i.
Anticuerpos del VaN ta mbién se detectaron en 3 de los 252 ca ba llos muestread os entre ju lio y octubre de 2002 e n e l es ta do d e Yu catán . Recient em ent e, se han publi cad o es tudi os sero lóg icos de infecci on es por el v a N en ca ballos en 5 es ta dos mexican os. A ten or de es tos result ad os, la circulac ió n del VaN en Méx ico de bió de co menzar al rededor de ju lio de 2002. Es tudios recient es en los EE.UU . dem uestran que much as es pec ies de mamí fer os sa lvajes y dom ésti cos se han in fec tado co n el VaN ; sin emba rgo, el papel de los mam ífer os en el ci clo de tran smi sión del VaN no re
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sulta crítico para la supe rvive ncia del virus a largo pla zo.
Estas y otras cues tiones result an de cisivas para abo rda r el impact o
La velocidad de diseminaci ón del
ecol ógico, epidemiol ógico, cconó
mediterráneas, bajo las cuales la dis
VON en los EE .UU. y el número de es pec ies anima les afectadas (225 aves , 49 es pecies de mosquitos y al menos 3 1 mamíferos) result a so r prendent e. Se plantean muchas du das acerc a de lo q ue oc urr irá en Centro y Sudamérica: ¿Có mo reper cuti rá en la fauna del resto de los países de l co ntinen te americano? ¿Qué es pecies de aves, mamíferos, re ptiles y anfibios se infect arán ? ¿Cuál será el imp acto de este virus en los hum anos que ya han sido in fectados por el de ng ue, la encefa litis de Sa n Luis, el virus de la fie bre amarilla o algún otro fla vivirus?
mico y soc ia l de la circulac ión de este virus en América.
ponibilidad de agua co nstituye el principal factor que determina la pro ducti vidad y la ~l3C de los granos. Para estimar la producción pre históric a de cereales, tomamos como muestra dos gra nos de tri go desnu do, procedentes del Neolítico prece rám ico B (6300 a.e.) de Tell Halula, un yacimi ent o del Eufrates medi o, en Siria. De acuerdo con la prác tica arqueo lógica, los granos se re cuperaron por flotación , se lavaron con agua destil ad a, se trituraron fi nament e y se determinó el coci ente l3C/12C medi ante es pectrometría de masas en muestras de menos de 1mi ligr amo. A co ntinuación se calculó la ~ l3C de esos granos. Para establecer la rel ación entre la ~l3C de granos y el rendimiento en trigo , recurrimos a la informa ción agronómica de variedades mo dernas cultivadas en di stintos pun tos de la cue nca mediterránea. A partir de su ~ l3C inferimos el ren dimi ento de los gra nos fó sil e s. Obte nida esa es ti mació n primaria del rendimiento, abordamos las di ferencia s entre los tipos de trigo pro bablement e cultiva dos en la pr e hist oria y los trigo s mod ernos, co n los que se ha ge ne rado el modelo de es timac ió n. Tambi én se tuvie ron en cue nta las diferencias am bientales más importantes entre el
M ARÍA A . L OROÑo PI NO, B RADLEY J . BLlTVICH y B ARRY J . I3EATY Dp to . Microbiolog ía, Inmunología y Pat ología Esc uela de Veterinaria y Cie ncias Biomédica s Unive rs idad Estata l de Co lorado r o s s A . FAR FÁN ALE
Labo ratorio de Arbov irología Ce ntro de In vesti gaciones Regionales DR. H IDEYO NOGUCHI,
Unive rsidad Autónoma de Yuca tán
Agricultura prehistórica Cálculo de suproductividad a apari ción de la agricultura trajo co nsigo uno de los cambios más revo luci onarios de la histori a de la humanid ad. Sin embargo, los nu merosos est udios dedi cad os a sus oríge nes se han centrado en la iden tific ac ión de las regiones dond e co men zó, las es pec ies que la co nfo r maron , los siste mas de cultivo o las condicio nes eco lógicas en que se desar rolló, dejando en un seg undo plano la estimación de la pro duc tivid ad de los cultivos prehi stóricos. Ade más, ado lece és ta de un alto grado de incerti dumbre, pues los mét od os de ev aluac ió n del ren di mient o de los cultivos que se han emplea do, basados en pru ebas ar queol ógicas, antro po lóg icas o et nográficas, result aban , por indirec tas, muy es pec ulativas . Fru to de una co laboración mul ti disciplinaria de equipos de la Uni vers idad de Barce lo na, del Museo de Arqueolog ía de Ca taluña y de la Unive rsidad de Lér ida, hem os pre parado un siste ma que eva lúa la pro ducti vidad ag rar ia sin las lim ita ci on es inh er entes a los mét odos trad icionales . Se fundamenta en los fac tores biol ógicos que determinan la produ cti vidad. Idó neo ese sistema para cereales cultivad os en un bio topo mediterráneo, se funda menta en e l aná lisis de la co mpos ició n isotópi ca en gra nos fósil es; en co n-
L
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creta , en la co ncentrac ión de isó topo s de ca rbono es tables . El carb ono , componente básico de la materia orgánica, se present a en la naturaleza a través de dos isóto pos estables: el is ótopo VC, mayo ritario (aprox imadamente el 99 % del CO 2 atmos fér ico) , y el isótopo más pesado l3e. En los vege ta les con metaboli smo fotosint éti co C 3 (ca ract erísti co de la mayoría de los cultivos) , la rel ación de l3C a 12C es menor que en la atmósfera. Ese fenómeno se debe a que las plantas privilegian el l2C en el proc eso de la fotosíntesis. Ta l discriminación co ntra el 13C será menor si decae la concent ración de CO 2 en el inte rior de la hoja, por cierre de los es tomas en mom entos de sequía (estrés hídri co) u otros moti vos. Co n otr as palabr as, las plantas que se han de sarro llado en condiciones de déficit de agua pr esentarán una biomasa co n men or di scriminaci ón en l3C (abreviada como ~l3C) . Hace uno s 10.000 años, en el ini cio del Holoce no, se iniciaba la agri cultura en el Crec iente Fértil, un arco que compr end e las actuales Israel, Palestina, Siria, Turquía e Irak. Entre las prim eras planta s dom esti cada s aparece n la cebada, el trigo desnud o y el trigo ves tido, cereales co n me tabolismo C3. En estas espec ies, la ~ l3C en grano guarda una estrecha
corre lación con la productividad del cultivo; sobre todo , en condi ciones
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1. Granos fósiles de trigo recuperados en un yacimiento de los inicios de la agricultura .
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Así se evalúa la productividad de la agricultura prehistórica
n la determinación de la productividad, la composición
de carbono se expresó mediante valores de E isotópica Esa magnitud, en tantos por mil, indica la relación en
¡¡13C.
tre la concentración de 13C y la de 12C de la muestra y el patrón. Expresado en forma: 813 C(o/oo) = [(RmuestralRpatrón) -1] x 1000, Y R es el cociente 13C /12 C. Por mor de compara ción, se emplearon también patrones secundarios calibrados con un patrón estándar de carbonato, el denominado PDB. La precisión de las medidas de 813 C fue ±O,1 (%0) . La discriminación isotópica del carbono (Ó13C) se calculó a partir de 813 C . En forma: Ó13C = (813C a- 813 C )/(1 + 813C ), donde 813C a y 813 C p se refieren a la composiciÓn isotó p ic~ del aire y la planta, respectivamente. Referida a la escala del patrón PDB, el CO 2 de la atmósfera libre, 813Ca, tiene una desviación actual de aproximadamente -8,0(%0), mientras que en el momento en que los granos de trigo arqueológicos crecieron el valor, inferido a partir de prospecciones de hielo en la Antártida, era de -6,6(%0). Una vez determinada la Ó13 C de los granos fósiles, el ren dimiento se calculó a parti r de la relación actual entre la
Ó 13 C
de los granos y la productividad; es decir, con las con diciones agronómicas actuales y trigos modernos. Para los valores obtenidos en las muestras de Ó13 C, se obtienen ren dimientos de entre 5000 y 6000 kilogramos por hectárea. El rendimiento antiguo se obtuvo multiplicando esas cifras por un factor 0,5, que refleja el menor índice de cosecha (el co ciente del peso de los granos y el peso total de la planta) de los trigos prehistóricos frente a las variedades actuales. Para la corrección se empleó información de diferentes varie dades de trigo producidas en los últimos 140 años y cultiva das juntas en un clima mediterráneo. Una segunda correc ción del rendimiento fue la debida a la menor concentración de CO 2 atmosférico cuando se produjeron los granos fósiles (alrededor de 275 microlitos por litro) frente a las condiciones actuales (alrededor de 350 microlitros por litro); se estableció multiplicando el rendimiento estimado por 0,6, factor de co rrección que deriva de previos estudios, que cultivaron una variedad tradicional, de alto porte, bajo un rango de concen traciones de CO 2 atmosférico similar al registrado durante el Holoceno.
2. Vista general de Tell Halula, yacimiento excavado por un equipo conjunto de la Universidad Autónoma de Barcelona y el Museo de Arqueología de Cataluña.
pasado y el pre sente no reflejadas en la Ó 13C de los granos . Los rendimientos ha llados en este ejemplo, superiores a 1,5 tone ladas por hectárea, así como otros publi cados con anterioridad por nuestro equipo, son mayores que los alcan zados ahora por la agricultura de se cano en esta región de Oriente Medio , hoy semi árida y dominada por la estepa (si bien muy inferiores a los act uales cultivos de rega dío) . La elevada productividad alca n zada en Te ll Hal ula sugiere que el ambiente era más húmedo que en la act ua lidad. Además, la siembra en sue los normalmente húmedos (en ramb las de ríos, por ejemplo) o el barbecho parecen haber sido prác ticas corrientes desde los inicios de la agr icultura. Por otra parte . se est i ma que la productividad alcanzada por la recolecc ión de cereales silves tres, actividad prev ia a la adopción de la agric ultura, no superaría las 0,7 tone ladas por hectárea . Así pues, la mayor productividad de la agri cultura justificaría, al menos en parte, su adopción y posterior expansión . ros s
LUIS AR AUS
Depto. Bio logía Vegetal, Fac . de Biología, Univ . de Barcelona G USTA VO ARIEL SLAFER e IG NA CIO ROM AGOSA
Area Cultivos Extensivo s, Centro UdL -IRTA, Lérida RAM6 N B ux6
3. Restos veget ales carbonizados incluidos en los niveles de excavación de Tell Halula.
INVESTIG AC iÓN
y
CIENCI A,
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Mu seo de Arqueología de Catal uña, Barcelona
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Sergio Ross i, Lorenzo Bramanti, Georgios Tsounis y Jcsep-Maria Gili
Recuperación del coral rojo l litoral mediterráneo sufre una paulatina de
pauperac ión de las poblaciones de coral rojo (Corallium rubrum) y otras especies bentón i cas. Un prob lema provocado por la acción expol ia dora directa o por causas indirectas , de origen hu mano también (mortalidades masivas, empobrecimiento de los hábitats bentónicos y presenc ia excesiva de escafandristas) . Los organ ismos de los fondos de substrato duro asisten al debi litam iento de su estructura poblac iona l, la pérdida de dens idad y la reducción de la talla de algunas de las espec ies clave. ¿Cómo salir al paso de ese problema? Una vía obligada es la reimplantac ión de especies ausentes en lugares donde antaño medraron . Se ha obtenido ya éxito en una experiencia piloto con el coral rojo , organismo muy vulnerab le. La implantación de pla cas de mármol cerca de las colonias madre (pobla ciones en estado reproducto r) favorece el asentam iento de reclutas, los recién llegados tras un proceso de ovogénesis , liberación y natación que las
E
larvas de esta especie emprenden cada año entre julio y agosto . Una vez en la placa, puede observarse su evolu ción e imped ir que se asienten otras especies . Por fin, la estructura se traslada allí donde el coral rojo haya desaparecido o esté en regresión. Se ha com probado que las placas pueden evitar , durante un largo tiempo, la aparición de esponjas perfo rantes que malogran los esque letos calcá reos. Otra opción contrastada consiste en el trasp lante directo de colonias adultas, capaces de producir re clutas que repoblarían la zona. Pese a su eficacia compro bada, se trata de una técn ica polémica ; adu cen los críticos que la extracc ión de cora l rojo de un enclave para emplazar lo en otro cont ribuye a la de pauperación de los bancos originales.
1. Po blación de co ral rojo (Coral!ium rubruml bajo un extra plomo rocoso, a unos 3D metros de profundidad.
-_.--------~-~~~------ -- - ---
2. Pese a su sencillez, la implantación de las placas de mármol debe realizarse con escafandra autónoma.
3. Cada seis meses, las placas se fotografían para seguir la evolución de los reclutas asentados en ellas.
4. Al colocar varias placas cerca de una población reproductora, aumenta la posibilidad de éxito en el reclu tamiento, pues las larvas de esta gorgonácea deberán recorrer una distancia corta.
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5. Para implantar una colonia entera se utiliza una masilla no tóxica . Se aprovechan las oquedades naturales.
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climático brusco No sólo en las películas abrasan los campos sequías súbitas
y caen de golpe las temperaturas del invierno seis grados. Tan sorprendentes saltos climáticos se han dado antes; a veces, en cuestión de años Richard B. Alley
a mayor parte de los expertos en el clima co in cid en en que no es de temer un a verdadera edad del hielo en los próximos dec enio s. Pero en el pasado se han dado muchas veces bru scas va riacion es clim átic as de gran int ensid ad, y podr ía ha berlas de nuevo. Más aún: lo más probabl e es que sea n inevitables . E inevitables serían los probl em as que así se le plantearían a la Hum anidad. Inesperados momentos de tiemp o más templado har ían que ciertas region es fuese n más hospi tala rias, pero otras qui zá se volverían más tórridas de lo qu e ya son. Bru scas ola s de frío traerían invi ern os insoportables; el hielo atascaría im port ante s ruta s de nav egación. Las sequías prol on ga das convertiría n en eriales lo que habían sido fértiles tierra s de cultivo . Y como los ca mbios clim ático s que tienen lugar bruscamente per sisten co n frecuencia du rante centuri as o inclu so milenios, tant o más dur as re sultarían esas consecu encia s. El hundimiento de algu nas sociedades antiguas, antes atribuido a fuerzas sociales, econó micas y pol íticas, se ac haca ahora en mayor parte a rápid as variac iones del clim a. El espectro del cambio climático brusco ha susci tado investigacion es científicas serias durante más de un dec enio, pero sólo recientement e ha captado el in terés de eco nomistas y responsables políticos. Junt o a esa mayor ate nción, se experimenta una confusión cre cie nte sobre qué desencadena tales cambios y cu ál será el result ado fin al. Los observadores superficiales podrían supo ner qu e las variaciones rápidas empe queñecerían cualesquiera efectos del calentamiento glo bal indu cid o por la actividad humana, que sobrev iene só lo gradua lme nte . Per o nuevos indi cio s apuntan a que el ca le ntamie nto global debería preocup ar más
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que nunc a: podr ía aboc arnos más depri sa a una varia ción súbita del clim a.
De un extremo al otro Qui zá no se habría descubierto nunca la capacidad del clim a de dar band azos entre estados radic alm ente di ferentes si no fuera por los testigos que , a prin cipios del decenio de 1990 , se ex traje ron de la vasta capa he lada de Groenl andia. Esos colosales cilindros de hielo -algunos de tres kilóm etro s de longitud- encierran un archi vo clim ático de con siderable legibilidad qu e abarca los últ imos 110.000 años . En ellos se distin guen capas anuales . Se las data por medio de diver sos método s; la compos ición del hielo indica la tem peratura a la que se form ó. Estos trabaj os han revelado una dil atada historia de violentas fluctuaciones del clima, en la que largos perío dos gélid os han ido alterna ndo con bre ves temp oradas más templadas. La part e central de Gro enlandia expe riment ó sac udidas de frí o extremas: hasta seis grados en unos poco s años . Y a la inversa, en apenas diez co noci ó un calentamiento igual a la mit ad del experi ment ado desde el mínimo del últim o períod o glacial: más de una decena de grados. Ese salto, que tuvo lu gar hace 11.500 año s, viene a ser como si Minnea polis o Moscú adquiriesen de pronto el clima, cálido en comp ara ción, de Atlanta o Madrid. Los testi gos de hielo no sólo revelaron lo que su cedió en Groenl andia, sino que también nos dieron a entende r cuá l pudo ser la situac ión en el resto del mundo. Se supuso que aquell a subida de die z grados en el norte formó parte de un epi sodio de calenta miento que afec tó a un a ancha banda del hemi sfer io
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......
A.
bor eal e intens ifi có l as pre cipi ta cio nes en esa zo na y much o más allá . E n la propi a Groenlandia, el espeso r de las capas anuales de hielo mostrab a qu e la precip itac ió n de nieve se duplicó en un so lo año . El anális is de viejas burbuj as de aire apresadas en el hiel o corro boró que en otras part es aume ntó la hume dad. En co ncre to, las medi ciones del met ano de las burbuj as in di car on que ese gas de los p ant an os entró en la atmósfera un 50 por ciento más deprisa dur ant e el ca le nta mien to int en so . El metan o debi ó llegar a la atmósfera cas i con tod a seg u ridad c ua ndo las cién agas se inun da ron en los trópi cos y se helaron más al nort e. Lo s testi gos co ntenía n otros indi cios qu e han co lmado huecos en el co noc imiento de có mo fue el medi o ambie nte en diversas épocas . Así, las ca pas de h iel o qu e apresaron pol vo de As ia indi caron el orige n de los vientos dominant es. Debi eron ser más flojos dur ant e las épocas cá lidas; se llegó a esa co ncl usión por que en ellas se acumuló en los hie los me nos sal marin a y ce nizas de lejanos volcanes. La lista de indi cios de este esti lo es larga [véase "Testigos de hielo de Groenlandia", por Ri ch ard B. Alley y Michae l L. Bend er; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, abril de 1998]. En los testi gos de hi elo de Groe n landi a aparecen más de 20 episo di os de ca le ntamie nto inte nsos y bru sco s. De ordina rio, a los ce nte nares o mill ares de añ os tras el co mi en zo de un período cá lido, el clima inici ab a un enfriamiento len to , seg uido de un enfriam ie nto rá pid o a lo largo de un per íodo de tiempo de só lo un sig lo . Despu és,
se rep etía la paut a, co n otro ca le n tami ento durant e só lo un os años . En el períod o de frío más ex tre mado, los témp anos de hiel o erra n tes llegab an mu y al sur, hast a las cos tas de Portu gal. No tan pr ofund o deb ió de ser el empeora mie nto del tiempo qu e ex pulsó a los vi kingos de Gr oenl andia durant e la más re cie nte ola de frío, la Pe que ña Eda d del Hielo, qu e co me nzó alre de dor del año 1400 d .C. y duró 500 años. Los bru scos ca le ntamie ntos y en friamie ntos del norte se desarro llaron de man era diferent e en otras partes del mundo, aun cuando pu dieron haber co mpartido la misma ca usa . Las épocas frías y húm ed as de Groenl andi a se co rres po nde n co n circuns ta ncias parti cul arm ent e fr ías, secas y ve ntosas en E uropa y Norteamérica; coinciden tambi én con un tie mpo más cá lido de lo normal en el Atlá ntico Sur y la Antár tida. Se han co nfeccio nado es tas hi sto rias reg ionales basándose en los ele ment os de juicio adic ionales enco n trad os en los hielos de los glac iares de alta montañ a, el es pesor de los anillos de los árbo les y las clases de po le n y co nc has co nse rva das en antig uos lod os de fondos de lagos y océanos, e ntre otras fuentes. Las pru ebas hall ad as nos han en señado tamb ién que las variaciones súbitas han pl ant ead o a los se res hu manos situac iones co mparables a las provocadas por las va riaciones de temper atura. Las époc as frías en el norte han id o de ordinario aco m pañad as de sequías e n el Sa ha ra, Africa e Indi a. Hace unos 5000 años, un a se quía bru sca tr an sformó el Sahara: un p aisaje ve rde, sa lpica do de lagos, se co nvirtió en el abrasa dor desiert o de hoy día. Dos siglos
• La mayor parte de las investigaciones acerca del cambio climático y de los debates sobre la política que debe ría segu irse al respecto se centran e n el ca lentamien to globa l. Pe ro otro problema nos amenaza también: el clima ha osc ilado bruscamente en el pasado y con toda seguridad volverá a hacerlo. • Una sequía regional de un verano podría enquistarse, perdurar dece nios y destruir las ricas tierras agrícolas de Asia y Norteamér ica; en cuestión de decen ios, las configuraciones meteorológicas podrían alte rarse en Europa de modo que su clima se volviese siberiano. • No es pos ible todavía predeci r cuándo tendrán lugar alteraciones brus cas de esa especie, pero la mayoría de los climatólogos advierte que el calentamiento global y las actividades humanas quizás estén acele rando la apa rición de cambios climáticos súbitos y duraderos.
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de sequía, hará unos 1100 años, con tribu yer on , seg ún parec e, al fin de la civ ilización maya clásica en Mé xico y otras part es de Centroa mérica. En lo s tiempos modern os, El Niño y otras anomalías del Pacífico Norte han alterado en ocasiones las con fi gu raci on es met eorol ógica s tanto co mo para desen c ad enar se q uí as inesp er ada s, co mo la qu e creó el tazó n de polvo, las temp estades de polvo que co nvirtiero n en eriales las gra ndes llanuras de Es tados Unidos dur ant e el dec eni o de 1930.
El punto sin retorno Trá tese de olas de ca lor o de frío, o de sequías prolon gad as, todos los ca mbios climá ticos bru scos del pa sa do se debi er on esenc ialme nte a la mi sm a razón. En cada caso, un a variac ió n gradua l de la temperatura o de otra va riable fís ica impulsó a algún eleme nto rec to r del clima ha cia un umb ral invi sible. En el mo mento en que cruzó ese umbral , el rector del clima -y co n él el clima mi sm o- sa ltó de go lpe a un es tado diferent e; perm aneció en él mu cho tie mpo. Cruzar un umbral cli má tico es co mo vo lcar un a piragua. Si esta mos se ntados en un a pir agu a en un lago y nos inclinam os poco a poc o haci a un lado, la pi ra gua se ir á in clina ndo tamb ién . Es ta re mos im pul sando la piragu a hacia un um bral , haci a una po sic ión más all á de la cual zozobrará. Inclin ém onos un poco más, y la pira gua vo lca rá . E l cr uce de umbrales dio por re sulta do lo s más ex tre mos sa ltos cli má ticos de la hi st ori a. Aho ra apunta a áreas que causa n es pec ia l preo cup aci ón par a el futu ro . La ex plic ación más co m ún de los gé li dos períod os regi strad os en los tes tigos de hiel o de Gr oenlandi a lo s liga a alte rac io nes anó ma las de las co rr ie ntes del Atlá ntico No rte, fac tor domin ant e e n las co nfigura cio nes meteor ológi ca s a largo pl azo de esa región . E l este de Nor teamér ica y Euro pa disfrutan de un clima templado (co mo el de ahora) c uando las agu as saladas del Atlántico, ca lentadas po r el so l meridi onal, cruzan el ecuador haci a el nort e. Más al norte, dur ant e el inviern o, esas aguas saladas que llegan del sur se enfr ían y adquie ren den sidad suficie nte para hundir-
INVESTIGAC iÓN y CIE NCIA,
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¿EL PASADO COMO PROLOGO?
El cambio climático brusco ha marcado la historia de la Tierra . Los testigos de hielo de Groenlandia revelan que hubo violentas oscilaciones de temperatura (arriba, izquierda) que interrumpieron varias veces el calentamiento gradual que empezó a sacar el planeta de la última glaciación, hace unos 18.000 años. Las conchas fósiles que se hallan en los sedimentos de
los lagos de la península del Yucatán registran sequías intensas y súbitas (abajo, izquierda): una razón entre abundancias de isótopos de oxígeno aumenta de golpe cuando se evapora del lago más agua de la que cae en forma de lluv ia. Muchas soc iedades han sufrido las consecuencias de las variaciones bruscas (fotograffas).
Períodocálido medieval
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se al este y oeste de Groenlandia, tras lo cual se trasladan hacia el sur por el fondo del mar. Mientras tanto, a medida que el agua enfriada se hunde, las corrientes cálidas del sur fluyen hacia el norte para ocupar su lugar. El agua que se hunde, por lo tanto, impulsa una circulación "en cinta tran sportadora" que calienta el norte y enfría el sur. En los testigos de hielo hallamos indicaciones de que los enfriamientos súbitos se produjeron de spués de
INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, enero, 2005
que el Atlántico Norte se hiciera menos salado, tal vez porque los lago s de agua dulce reventaron las paredes de los glaciares y buscaron un camino hacia el mar. Se con si dera que este tipo de flujo con sti tuye la primera fase de un cruce de umbral: de salinizar el Atlántico Norte puede retardar o detener la cinta tran sportadora, con el consi guiente cambio climático. Diluida por el agua procedente de la tierra, el agua marina que venía
El dios maya de la lluvia (estatua en pri mer término) no conjuró la sequía a la que ahora se atribuye el colapso de la civiliza ción maya, hace unos 1100 años.
procedente del sur se haría menos salada y, por con siguiente, menos den sa, posiblemente hasta el punto de que se convirtiese en hielo mari no ante s de que tuviera la oportuni dad de hundirse. Con el hundimi ento interrumpido y la cint a transporta dora detenida, la lluvia y la nieve que caían en el norte no llegaban hasta las profundidades ni se las tran s portaba lejo s, sino que se acumu laban en la superficie del mar. El Atlántico Norte se volvía cada vez
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CRUZAR UMBRALES 1::1 cale nta miento global alte ra las condi ciones ambie ntales poco a poco. No obsta nte, este cambio lento y continu o puede impulsar a los mecanismos que rigen el clima , así las corrien tes oceánicas bien esta blecidas o la distribución de lluvias, hasta un pu nto crítico tras el cual pasan brusca mente a un estado nuevo. Este salto trae consigo una va-
riac ión en el clima , con consecuencias en principio peligro sas para personas y sociedad es. En cuanto uno de los mecanis mos que rigen el clim a ha cruzado su umbra l, los cambios consiguientes qui zá persistan durante milen ios . Puede que haya aún que dar con muchos umbrales; he aquí tres de los ya conocidos:
MECANISMO RECTOR DEL CLIMA
CRUCE DEUMBRAL
VARIACIONRESULTANTE ENEL CLIMA
CONSECUENCIAS SOCIALES
Las corrientes oceánicas del Atlántico Norte transportan calorhaciael norte desde los trópicos y suavizan así los inviernos de Europa Occidental.
El enfriamiento de las aguas superfi cialesen el norte frena la velocidad de esascorrientes, quizáhasta detenerlas del todo.
Las temperaturas descienden mucho en la región; el climade Europa y el estede los EE.UU. se vuelve pare cido al de Alaska.
La agricultura padece en regio nes de todo el mundoy rutas clave de navegación quedan obstruidas por los hielos.
El aguade lluvia que las plantas reci clan (la absorben sus raíces y la devuel ven al airecon la evapotranspiración) proporciona gran parte de las precipita ciones en cinturones cerealistas.
Una sequía no muygrave marchita o mata el tapizvegetal y el agua recicladadesaparece; un círculo vicioso refuerza la desecación.
Una sequía que no debería haber tenidograndes consecuencias se refuerza y prolongahasta convertirse en unasequía rigurosa.
La tierra seca ya no puede dar cosechas; el hambre se cierne sobre quienes no pueden adquirir el grano aúnexistente en el mercado mundial.
Lascorrientes del océano Pacífico de terminan las grandes pautas de la distri bución de la temperatura en la superfi cie marina, quea su vezcontrolan las características regionales del tiempo.
Ciertos fenómenos naturales, como El Niño, producen sutiles cambios en las temperatu rasde la superficie del mar, perotodavía no se sabepor qué.
La meteorología de los continentes adyacentes cambia; se desencade nanfuertes tempestades o sequías dondeno suele haberlas.
Ciertastierras de cultivo se secan mientras otros lugares sufren duras tempestades.
menos salado. Al mantenerse enton ces parada la cinta tra nspo rtadora, el clim a aca bó por parecerse en los contine ntes al de Sibe ria.
Un calentamiento que congela Han pasado ocho mil años desde el últim o de los mayores azotes de frío del Atlántico Norte . ¿No será que los seres huma nos estamos "in cliná ndo nos" en la dirección ade cuada para evitar el vuelco de la piragua cli mática? Tal vez, pero la mayoría de los expertos sospechan, muy al contrario, que estamos ba lanceando la piragua al ca mbiar tan tos aspectos de nues tro mundo tan deprisa. Inquietan so bre tod o los aumentos ind ucidos por la actividad humana en las conce ntrac iones at mosféricas de gases de invernadero, que están fomentando el calenta mie nto glo bal. El Pa nel Inte rg ube rnamenta l de Ca mbio Climático, pat roc inado por las Nac iones Unidas, ha pred icho que la te mperatura med ia global subirá de 1,5 a 4,5 "C en los pró ximos lOO años . Muchos modelos informáticos que co ncuerdan co n esta estima también predicen un fre nado de la cinta transportadora del Atlántico Norte. (Por para dójico que pueda parecer, el calentamiento glo bal podría conducir a un enfr iamien to súbito de muchos grados.) Las incer tid umbres abundan, y aunque no se considera creíble una nueva
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edad de l hiel o, los cambios res ul tantes quizá serían bastant e mayo res que los expe rimentados durante la Pequeña Edad del Hielo, en la que el Tá mes is se conge laba y los glaciares descendían por los Alpes . Tal vez, más que por las olas de frío en el nor te, debamos preocu parnos por los efec tos adversos que seg uramente azo tarían a otras par tes del mundo al mismo tiemp o. Los registros cli máticos de las amplias zonas de Afr ica y Asia que se be nefician de una estación de fuertes monzo nes seña lan que estas regio nes han sufrido pro nuncia das se quías siempre que el Atlántico Norte ha estado más frío que las tierr as que baña . Incluso el enfri amiento debido a una cinta tra nsportadora más lenta podría bastar para que hu biese sequía . Con miles de mill o nes de perso nas depe ndiendo de que los monzo nes rieguen las cosechas, una seq uía de orden menor podría llevar a una hambrun a gene ra lizada. Futuros enfriamientos y aporta cio nes de ag ua dulc e al Atlántico Nor te dific ultaría n la vida inclu so para los que vive n fuera de un frío o una se quí a extre mados . La in quietud po r la magni tud de las re perc usiones espoleó al gobierno nor tea mericano a so licitar a la Re d Mundia l de los Negocios, una en tidad privada, que eva luara las con sec uenc ias de un paro total de la cinta tra nsportadora del Atlánt ico
Norte . Buena parte de los científi cos, incluido el autor, creen que una disminución moderada de su velo cid ad result a mucho más probable qu e una detención total ; en cual quier caso, la grave dad del peor de los casos hace que merezca la pen a considerarlo. "L as tensiones", afirma el inform e de la Red Mundial de los Negocios, "c recerían en todo el mundo ... Las naciones con los medios suficientes levant arían fortifica ciones virtuales en sus fronteras y así preservarían sus recur sos para sí mi smas. Las naciones meno s afortunadas ... se en zarza rían quizás en luchas para ac ceder a los alimentos, al agua po table o a la energía."
Inundaciones y sequías Aun cuando la cint a transportadora del Atlántico Norte no perdiese ve locid ad, el calentamiento global po dría ocas ionar inquietantes cruces de umbrales en otras partes. Las gran des franjas de producción cerealista que se extienden por el interior de los continentes a latitude s medias co rren el riesgo de sufrir sequías pro longadas. La mayor parte de los mo delo s clim ático s predi ce que en esas zonas habrá mayor es sequías esti vales a medida que las temperatu ras medi as globales suban, pase lo que pase en el Atlántico Norte. Las mismas predicciones apuntan a que el ca lentamiento induci do por el INVESTIGACiÓ N y CIENCIA,
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CUANDO AL DERRETIRSE EL HIELO SE CREA UNA OLA DE FRia
Mientras el calentam iento globa l sigue elevando las tem perat uras , muchos científicos temen que grandes volú menes de agua dulce, procedentes de la fusión de la capa de hielo groen landesa y de otras heladas masas de tie rra nórdicas, pudieran obst ruir la "cinta transporta dora" del Atlántico Norte , un sistema de corr ientes oceá -
nicas que aporta calor a Europa e influye en el clima de otras partes del mundo . La detención de la cinta - o in cluso una ralentización apreciable- enfriaría la región del Atlántico Norte, aunque las temperaturas globa les continuase n subiendo . Casi con segur idad, se produc irían otros camb ios bruscos de clima .
CINTA TRANSPORTADORA EN MARCHA Lascorrientes oceánicas saladas (rojo) que fluyen hacia el norte desde los trópicos calientan los vientosdominantes (flechas grandes) mientras soplan ha cia el este, hacia Europa. Las corrientes que transportan calor, ya densas, se aden san todavía másal ceder calora la atmósfera. Al final, en las proximidades de Groenlandia, el agua fría y salada es tan densa, quese hunde. Emigra entonces hacia el sur a lo largo del fondo del mar (azu~, dejando un vacío que atraemás aguacálida del sur. CLIMA RESULTANTE Cuando la cintatransportadora del Atlántico Norte está en marcha, unascondiciones templadas, con inviernos no muy fríos, dan lugar a una rica producción agrícola en Europay Norteamérica. Los monzones estacionales favorecen las cosechasen grandes zonas de Africa y el Extremo Oriente. Asia Central es húmeda, y la Antártida y el Atlántico Sur, fríos. CINTA TRANSPORTADORA PARADA Al penetrardemasiada agua dulce en el Atlántico Norte, se diluyen las corrientes salinas proceden tes del sur. Las aguas superficia les ya no se adensan tanto como para hundirse, por fría que esté el agua, y la cinta transportadora va másdes pacio o se detiene. Los vien tos dominantestransportan ahora aire muyfrío haciael este (flechas grandes). Estefrío durará decenas de años, hasta que las aguas meridionales se vuelvan tan saladas que predominensobre las aguas más dulces del norte, afiuyan torrencial mente y pongan de nuevo en marcha la cinta. CLIMA RESULTANTE A medida que la cintava parándose, los inviernos adquieren mayorcrudeza en gran parte de Europa y Norteamérica; se resiente la agricultura. Estas regiones, junto con las que dependen de los mozones, sufren sequías, a veces agravadas por vientos más fuertes. El Asia Central se vuelve más secay en muchas regiones del hemisferio austral las temperaturasson más altas de lo habitual.
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Predicciones difíciles NO HAY PREDICCIONES FIDEDIGNAS de cambios fidedigna las olas de frío, las sequías o las inundacio climáticos bruscos, ni es de esperar que las haya en nes en los lugares y épocas que han quedado regis el próximo futuro. Los cambios rápidos son, de por sí, trados en las capas anuales de hielo y sedimentos. más difíciles de predecir que el calentamiento global Algunos incluso reproducen los cambios en las trayec o cualquier otro proceso gradual. La propia naturaleza torias de borrascas, configuraciones de vientos , preci del cambio brusco supone uno de los mayores obs pitaciones estacionales y otros detalles de menor al táculos . Se produce una varia cance. ción rápida cuando un impulso Pero aunque los modelos lento pero constante , como el captan bien la naturaleza gene calentamiento global, impulsa un ral del cambio climático, hay componente crucial del sistema pormenores muy importantes climático más allá de un punto que se les escapan. En particu sin fácil retorno. El cruce de lar, los cambios súbitos del pa ese umbral desencadena un sado han sido por lo general salto brusco a un nuevo estado. mayores y más extensos de Puede compararse con una ex lo que indican los modelos . cesiva inclinación que de pronto Subestiman éstos la cantidad vuelca una piragua. Saber exac de humedad perdida en el tamente hasta qué punto pode Sahara a lo largo de los últimos mos inclinarla sin volcarla es millares de años, por ejemplo. EQUILIBRIOS: La Tierra suele mantener un mismo clima casi imposible, especia lmente También parecen tener dificultad durante milenios, si no intervalos más largos incluso. cuando el viento y las olas la en simular el gran calentamiento Después, en un momento casi imposible de predecir, agitan. De manera análoga, de las regiones polares durante algunos aspe ctos del sistema climático se inclinan resulta dificilísimo descubrir la época de los dinosaurios y el demasiado hacia un lado y las condiciones globales se cuándo algún aspecto del clima frío extremo en la plenitud de la precipitan hacia un estado completamente diferente. se está acercando a un umbral última glaciación. crítico. La razón más sencilla que Los investigadores han intentado desentrañar los pueda darse de estos fallos estriba en la sensibilidad factores que operan en la vecindad de un punto crítico de modelos menor que la del clima, quizá porque omi mediante modelos informáticos. Aunque gracias a esos ten realimentaciones y reacciones clave. También trabajos se sabe mucho más acerca de qué balancea puede que se hayan pasado por alto algunos umbra la piragua del clima, todavía abundan los puntos obs les. Localizarlos resultaría provechoso; pero a lo peor curos. Para determinar la exactitud con que los mode nos descubrirían más posibilidades conducentes a los informáticos predirán el cambio climático , se com cambios climáticos . Si se es optimista, puede pensarse prueba si simulan bien los cambios reales ocurridos en que nos descubrirían que la probabilidad de un cambio el pasado. Muchos modelos aciertan con los tipos bá brusco resulta menor de lo que se sospecha o que unos cambios podrían compensar otros. sicos de anomalías ya ocurridas; reproducen de forma
efecto de invernadero incr ementará las llu vias en todas partes, posibl e mente en forma de borr ascas más in tensas e inundaciones. En cualquier caso, no es de esperar que esos su cesos, aunque en sí mismos repre senten problemas importantes, com pensen las sequías . La desecación estiva l podría ha cer que una sequía no muy grave empeorase y persistiese durante de cenios o más. Esta tra nsició n ten dría lugar como consec uencia de la vulnera bilidad de los cinturones ce realistas. Dependen éstos más de la lluvia que las plantas de la región reciclan que de la nueva humedad aporta da des de otros lugares. Las raíces de las plantas absorben agua que de otra manera penetraría en el suelo, se incorporaría a las corrien tes de agua y aca baría en el mar . Parte de esa agua vuelve desp ués al
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aire por evapotranspiración. Cuando la zona empieza a sufrir veranos más secos, sin embargo, las plantas se seca n e incl uso mueren ; devolverán menos agua al aire . El umbral se cruza cua ndo la población vegetal se reduce hasta el punto de que la llu via recic lada escasea demasiado para mantenerla. Al llegar a ese pun to mueren más plantas y aún llueve menos. Se cie rra un círc ulo vicioso como el que co nvirtió el Sahara en un desierto hace 5000 años. No ha mostrado signos de reverdecer des de ento nces. Se teme qu e quede n por iden tifi car muchos de los umbrales cuyo cruce altera los climas regiona les . Ese vacío en el conocimiento es preo cupante, porq ue po dría mos estar fomenta ndo el dese quilibrio climá tico . No se recomienda bailar en una pirag ua, pero bailamos : susti tuimos
los bosques por tierras de cultivo, y aume ntamos la ca ntidad de luz que la Tierra refleja; extraemos agua del suelo, y alteram os la cantidad de agua que los ríos transporta n hasta el océa no; cambia mos la cantidad de gases traza y partícul as en la atmós fera, y modificamos las caracterís ticas de las nubes y la lluvia, y no sólo de las nubes y la lluvia.
Frente al futu ro Las consec uencias negativas de un cambio susta ncial del clima se pue den mitigar si el cambio se produce gradualmente o estamos preparados. Los agric ulto res que esperan una sequía pueden perfor ar pozos, plan tar cultivos menos dependientes del agua o tras ladarse a otro lugar. Pero un cambio inespe rado quizá sea de vastador. Un año seco arruinará o condenará al hamb re sólo a los cam-
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pesinos más inermes, pero los daños irán a peor cuanto más larga sea la sequía, especialme nte si no hub o tiempo para prepararse. Por desgra cia, apenas si se sabe predecir cuándo tendrá lugar un cambio clim ático brusco y cuál será su natur aleza. Pese a las enormes consecuencias que una brusca transformación del clima podría tener, la investigación y las políti cas asociadas al clima se han dirigido sobre todo a las varia cion es graduales. Apenas si se ha pensado en otro paliativo que la re ducción de las emisiones de carbono, encaminada a frenar la subida gra dual de las temperatura s mundiales. Aunque es muy posible que de esa forma se limitaría la inestabilidad del clima, se debería tambi én pensar en evitar los cambios bruscos. Al res pecto, ha y do s po sturas contra puestas. Una, ignor ar por completo las perspectivas y desear que nada suceda o que, si sucede, podamo s hacerle frente; la actitud del "nunca pasa nada" hundió el Titanic, pero muchos otros buques han cruzado el Atlántico Norte, sin mayor prepara ción, sanos y salvos. La otra, cam biar de verdad nuestr o comporta miento de manera que los efec tos derivados de la acción humana so bre el clim a se mantengan lo sufi ciente mente pequ eño s co mo para que resulte menos probable una va riaci ón catastrófica. Frenar el calen tamiento global sería un primer paso en la dirección correcta. Ulteriores investigaciones sobre umbral es cli máticos y su vulnerabilidad a las acti vidad es humanas alumbrarían más actuaciones útiles.
Una tercera estrategia refo rzaría la capacidad de afro ntar un cam bio climátic o súbito antes de que la próxim a sorpresa se nos eche en cima, como ha sugerido el Consejo Nacional de In vesti gaci ón de los EE .UU. Un inform e de esta insti tución recuerda que algunas socie dades que nos precedieron sólo se flexionaron al producirse el cam bio climático; otras, en cambio, se quebraron . Lo s colonos vikingos de Groenlandia abando nar on sus ase nta mientos cuando la Pequeñ a Edad del Hielo volvió miserabl e o insostenibl e su vida allí ; en cam bio, sus vecinos, los inuit , o esqui males, de Thul e, sobreviviero n sin mudarse. No nos vendría mal saber qu é va de dobl ar se a romper se. Cabría elaborar planes, a un coste bajo o nulo, que ayudasen a supe rar las dificultades si se produj era una cris is, plantar árbo les ahora, digamos, que conserven el suelo du rante la próxim a sequía ventosa, o acord ar ya quién dispondrá de qué fuentes cuando falte el agua. De momento , parece que segui remos balanc eand o la piragu a. Cier tos aspectos del clima se acercarán más a umbr ales que podrían desen cadenar variac iones violentas. Que llegasen a cruza rlos, no crearía una nueva edad del hielo, pero nos plan tearía graves pr oblemas, a no sotros y a otros seres . Vale la pena medi tar sobre cómo podrían las socie dades incrementar su resistenci a a las consecuencias potenciales de una bru sca variación, o incluso cómo podríamos dej ar de balancear la pi ragua del clima.
El autor Richard B. Alley es profesor de ciencias geofrsicas en la Universidad estatal de Pennsylvania y miembro del Centro de Ciencias del Sistema Terrestre de la misma institución. Ha pasado tres temporadas de trabajo de campo en la Antártida y cinco en Groenlandia.
ha publicado sobre el tema , entre otros , los siguientes artículos:
Fusión en el norte,
de Matthew Sturm,
Donald K. Perovich
y Mark C. Serreze
Diciembre 2003
Pérdida de sincronía
en los ecosistemas,
de Daniel Grossman
Marzo 2004
El calentamiento global,
de James Hansen
Mayo 2004
Las marismas del Parque
Nacional de Doñana,
de Luis Clemente,
Luis-Ventura García, José L. Espinar,
Juan S. Cara y Adela Moreno
Mayo 2004
Conservación de plantas
de interés forestal,
de Antonio Troncoso de Arce,
Manuel Cantos Barragán,
Juana Liñán Benjumea,
Javier Troncoso Mendoza
y María García Liñán
Agosto 2004
Bibliografía complementaria
Contaminación de los ríos
por metales pesados,
GLOBAL CLlMATE IMPACTS OF A COllAPSE OF THE ATlANTIC THERMOHALlNE CIRCUlA TlON. Mi· chael Vellinga y Richard A. Wood en Clímatíc Change, vol. 54, n.? 3, págs. 251·267, agosto 2002.
de Enrique Navarro Rodríguez
y Sergi Sabater
Septiembre 2004
RAPIO CLlMATE CHANGE. Spencer Weart en The Díscovery of Global Warmíng. Harvard llni versity Press, 2003. AN ABRUPT CLlMATE CHANGE SCENARIO ANO ITS IMPLlCATIONS FOR THE UNITEO STATES NA, TIONAl SECURITY. Peter Schwarz y Doug Randal!. Octubre 2003. Accesible en www.gbn· orgIArticleDisplayServiet.srv?aid - 26231.
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Prensa Científica, S.A.
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INVESTIGACiÓ N y CIENCI A, enero,
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Injertos para el corazón Expertos de varios campos colaboran en la incipiente ingeniería tisular.
Están a punto de alcanzar uno de sus principales objetivos:
construir un parche vivo para el corazón humano
Smadar Cohen y Jonathan Leor
l corazón roto por amor lo cura el tiempo , pero la lesión del músculo cardíaco causada por un infarto empeora de forma prog resiva. A dife rencia del tejido hepátic o o del dérmic o, el te jido cardíaco no se regenera. La zona dañada por una crisis cardíaca pierd e contractilidad y muere . Al int erferir en las contracci ones sincrónicas del músculo cardíaco normal , la cicatri z, o infart o, aument a la exigencia fun cional que recae sobre las zonas sanas del músculo; ello conduce a una mayor muert e celu lar y a la deformación de la pared cardíaca. En pocos meses, este proce so de deterioro puede llegar a doblar el tamaño de un infarto . Merced a los tratami ento s médicos actuales, un nú mero cada vez mayor de paci entes sobreviven a las cri sis cardíacas. No obstant e, al meno s un tercio de éstos sufren el debilitamiento cró nico subsiguie nte de sus dañados corazones . Para esta insuficiencia cardía ca sólo existe, hoy por hoy, una curación posible: el tra splante , una altern ati va complicada y costosa, limi tada por la esc asez de donantes . En los EE.UU., por eje mplo, el pasado año se diagnosticaron 500.000 nue vos caso s de insufici encia cardíaca, pero sólo se rea lizaron alrededor de 2000 tra splantes. El resto de los pacientes ven cómo su calidad de vida se deteriora sin cesar. No llega al 40 por ciento la cifra de quiene s so breviven cinc o años a la crisis cardíaca inici al. Si los médic os pudieran reparar un infarto en el co razón hum ano , o simplemente frena r su expans ión, transformarían mill ones de vidas . Dad as las circuns tancias, obtener un par che de tejido cardíaco vivo se ha conve rtido en uno de los objetivos más urgentes y
A
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ambi cio so s de la ing eniería ti sul ar. La s fibr as del músculo cardíaco deben organizarse en paral elo y es tablecer luego conexiones física s y ner viosas, encar gadas de conducir las señales eléctric as que permitan a estas fibras contraerse de forma sincronizada. La piel y el cartíl ago entrañan menor complejidad; ade más, puesto que no requi eren vascularización interna result a más simple conseg uir su cultivo en el labora tori o. Para estructuras de mayor espes or, como el músculo cardíaco, incorporar el requerido aporte vascu lar a un inj erto (tridimensional) sigue constitu yendo uno de los mayores obstáculos. Hace sólo 15 año s, la idea de desarrollar tejidos vi vos fuera del cuerpo se con sideraba poco meno s que extra vagante. Desde entonces, los biólo gos celulares y los ingeniero s de materi ale s han aportado nuevos co nocimientos y técnicas para afrontar este reto . Se han logrado progresos sustanciales. En nuestro trabajo en colaboración, por ej emplo, los principios ingenieriles desempeñaron un papel decisivo para el desarrollo de un armazón o andamiaje que estimulara el crecimiento de las células cardíacas y de los vasos sanguíneos, in clu so en la zona infartada.
El andamio El inf arto de miocardio, el "ataque de corazón" , se produce, por lo general, cuando una de las principa les arterias que suministran sangre al ventrículo iz quierdo se bloquea debido a un coágulo o cualquier otra obstrucción. Part e del músculo cardíaco, o mio cardio , deja de recibir sangre y, por tanto , oxígeno, lo que causa la muerte de las células muscul ares contrác
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til es del corazón (cardiomioci tos) y deja una estel a de tej ido muerto. El
tamaño de este infarto dependerá del tamaño del área qu e alime ntaba la arte ria bloquead a. D ad o qu e los miocitos raras ve ce s se di viden, la s célul as mi oc ár di ca s supe rv iv ientes no pu ed en re poblar, mediante su replica ci ón , el área infartada. L as cé lulas madre loc al es , pro genitor as de nu evas cé lul as en otros tej id os, se mu estran elu sivas en el cor azón; parecen in cap aces de curar la le si ón por sí mi sm as. Son los fibroblastos, cé lu la s sin cap acidad de contracción, lo s que reemplazan gradu almente los miocitos mu erto s. Puede qu e los miocitos sa nos ad ya centes al área infartad a mu er an también , causand o la co ns ig uiente exp an si ón del in fa rto . En este proceso de remode lación , la pared del ventrí culo se ad el gaza en el áre a infartada y, por fin , se di sti ende o inclu so llega a romper se . En lo s últimos años, los in vesti gadores han intentado re gen erar el tejido miocárdico en la zona in far tada mediante el tra splante de cé lul as m ad re pro ced entes de otros te jidos, co mo la médul a ós ea o el mú sculo es que lé tic o. Se es pe ra ba qu e es tas células se adaptar an a su nu evo entorno y come nz ara n a pro duci r nu e vo s cardiomiocitos o, al menos, ayudaran a estimular cua l quier capacidad regenerativa qu e el propio coraz ón pudier a po se er. Para nuestro infortunio, esta técnica ofrece re sultados es cas os. En su mayoría, las cé lulas madr e no sobrev iven al trasplante; aq ue ll as que lo consi guen ti enden a cong reg arse en los bordes del infarto, sin lograr esta blecer contacto fí sico con el tejido sano ad yac ente ni conducir se ñales el éctricas que permitan a las c élu
las cardíaca s sincroniz ar sus con tra cciones. Si las cé lulas im pl ant ad as no co n sig ue n desarrollarse en el infarto es, so bre todo , porque el áre a dañad a carece de la in fra estructura natural qu e normalmente sus te nta las célu la s vivas . El tejido sano cu enta con una matriz ex trace lular que co ntie ne proteínas estructurales (c olágeno) y azúcares co mplej os o poli sac ári dos (hepa rán sulfat o) ; dicha matriz ge nera sus tancias químicas (s eña li zado res) qu e es tim u la n e l creci miento y a la vez ofrece sop orte fí sico a la s cé lulas . Consc ie nte s de la importancia de la matri z ex trace lular, los in genie ro s ti sulares han bu scado durante largo tiempo un sus ti tuto qu e sir viera de pl at aforma par a lo s tejidos viv os en cr ecimiento. Es e materi al forma ría un a sue rte de anda mio qu e sus te ntaría la s célul as, lo qu e les permitiría desarrollarse , di vidirse y organi zarse en un tejido tridimen sio na l, como suce de en la natura lez a. Se resolvería así el problem a de las células tra splantadas que emi gran de la cicatriz car díaca . U na vez las cé lulas se hubieran es tableci do en el áre a in fartada y comenzado a sec re tar su propia matri z ex tra celu lar, dicho ar mazó n deb ería di sol ver se, dej ando atrás só lo tejido sano. Además -y es to es quizá lo que revi ste mayor importancia- , el ar mazón debería permitir o, mejor aún , promover una rápida va sculariza ción en el interior del nu evo tejido. Lo s vas os sa nguíne os qu e prove en de oxígeno, y ret iran lo s de sechos, a tod as y cada un a de la s cé lulas resul tan esen ci ale s para la supe rv i vencia de és tas una ve z qu e se han trasplantado al huésped vi vo. A finales de los ochenta de l siglo pasado, uno de lo s autores (Cohe n)
• El músculo cardíaco lesionado terminará por causar insuficiencia cardíaca en millones de pacientes que sobrevivieron a un ataque de corazón, a menos que la zona infartada se restaure o sustituya por tejido nuevo. • El cultivo de un tejido vivo conjuga el conocimiento de la biología sobre el comportamiento celular con la maestría de la ingeniería de materiales. • Ahora que ya saben cómo estimular in vivo la regeneración del músculo cardíaco, los ingenieros tisulares se proponen crear in vitro músculo cardíaco contráctil.
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trabaj aba con Robert Lan ger, pio nero en el ca m po de la in geni ería tisul ar [véase "Inge niería de tej idos : urdimbre polim érica" , por Robert Langer y Joseph P. Vacanti ; INVES TIGACIÓN Y CIENCIA, julio de 1999], en su laborat ori o del Ins tituto de Tecno log ía de Massachusetts . En aqu el ento nces, mu chos desestima ron, por quiméri ca , la id ea de cul tivar tejido viv o . Ade más, nosotros no venía mos de la bi olo gí a -campo tradicionalmente dedicado al es tu di o de las células - sino de la in ge niería química. S in embarg o, en aque ll a época se produj eron nota bles av ances en am bas di sciplinas: lo s bi ól ogo s ahondaban en lo s me ca nis mos de interacción entre cé lu la s y materiales, mientras qu e los ingenieros lograban sinte tiz ar nu e vos polímeros. En e l transcurso de lo s ve inte años transcurridos, los in ge nie ros ti sular es han ex pe ri me n tado con un a gran va rie da d de ma terial es, sinté ticos y naturales, con el fin de de sarrollar un a pl ataform a para qu e cé lulas vivas pu edan de sarro llars e en un tejido funci onal complet o . Entre los materiales sintéticos más comunes se encuentran los poli és teres degradables compuesto s de lác tidos , de glicólidos o de una co m binación de ambos. Si bien ofrecen se g ur idad sufic iente para int rodu cirse en el cue rpo humano, pr esen tan va rios inconvenientes. Por una part e , pu esto qu e la mayoría de es to s m ateriales son hidrófobos, las cé lulas no se adhieren bien a ellos . Por otra, lo s ar mazones con strui do s con es tos polímeros tienden a de sm enuzarse más qu e a degradarse a un ritmo continua do. Ade más, los subpro duc tos ácidos de su degra dación pro vocan la inflam aci ón lo cal del tejido y afectan a la viabi lid ad de la s célul as trasplantadas. Lo s hidrogeles (ge les sinté tic os de nu evo cuño) no conllevan la ma yoría de es tos problemas, pero s í una ve ntaj a: su textura guarda se mejanza con la matriz extracelula r natural. Con todo , car ec en de la s propiedades químicas qu e ofr ecen la s proteínas de dicha matriz, entre la s qu e de staca el colágeno, provee dor de se ña les funcional es básicas para las células. En busca de materi as primas para el andamiaje, se ha ensayado con el
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INSUFICIENCIA CARDIACA: DE CRISIS AGUDA AENFERMEDAD CRONICA
La insuficienci a ca rd íaca que sigue a un inf arto de miocardio puede resultar de la necrosis tisular mas iva que se produce du ra nte un ataque de corazón. Sin embargo , en la mayoría de los casos se debe a la remodelación gradual que su fre el co razó n.
CORAZON SANO
El ventrículo izquierdo bombea la sangre recién oxigenada al resto del cuerpo; sus paredes, gruesas, están constituidas por fibras musculares o miocitos. Ventrículo izquierdo
INFARTO AGUDO
Cuando se bloquea uno de los vasos sanguíneos que nutren el corazón, entonces los miocitos, privados de oxígeno, mueren. De ello resulta un infarto: una estela de tejido muscular muerto.
Fibroblasto FORMACION DE LA CICATRIZ
En cuestión de horas o días, las enzimas de la zona infartada comienzan a degradar la matriz extracelular. Mientras tanto, los macrófagos penetran para digerir los miocitos muertos, cuyo lugar es ocupado por fibroblastos productores de colágeno. La pared ventricular, antes gruesa, se torna delgada y rígida. Conforme los miocilos sanos mueren en los bordes de la cicatriz, el infarto se expande, doblando su tamaño a los pocos meses. Miocitos sanos
'---- - -Macrófago REMODELACION VENTRICULAR
La contracción del corazón cicatrizado se torna renqueante, como el andar de un cojo. Para compensar el esfuerzo adicional, puede que el músculo sano restante se engruese en un principio. Sin embargo, la sobrecarga termina por provocar la muerte de más células y la dilatación de toda la pared del ventrículo, que al dis tenderse adelgaza. El corazón pierde progresivamente la capaci dad de bombear el volumen de sangre que el cuerpo necesita.
Fibras de colágeno
colágeno, la fibronectina y otras pro teínas de la matriz extracelular. Aun que estas biomolécu las sí contienen aminoácidos a los que las células vi vas se adhieren fácilmente, no ofre cen suficiente resistencia mecánica para soportar una gran cantidad de células; el colágeno, en particular, es rápidamente consumido por las enzi mas del organismo humano. Además, según su fuente, las proteína s pue den provoca r rechazo inmunitario, lo que sólo añadiría peligros y priva ciones a la vida de pacientes que ya sufren insuficiencia cardíaca. Por todo ello, decidimos probar con otro tipo de polímeros nat ura
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les: los alginatos, comp uestos deri vados de las algas . Se trata de po lisacáridos biocompatibl es, lo que significa que no activan el sis tema inmunitar io de l huéspe d. Exis te un algi nato que, cuando se disuel ve en agua y se expone luego a iones de calcio dotados de carga positiva, sus molécul as se entrecruzan para for mar un hidroge l que co ntiene un 98 por ciento de agua, muestra una cons iste ncia gelatinosa y unas pro piedades elásticas sim ilares a las de la matr iz extracelular natural. Mas, si queríamos convertir este hidrogel con algina to en un armazón apto para el trasplante de mioc itos,
habí a que darle forma y estruc tura interna, así como aumentar su re sistencia mecá nica para que no se defo rmara baj o el peso de las cé lulas sembradas. Con este fin di se ñamos un a nu eva téc nica par a solidificar el alginato , inspirada en princi pios inge nier ile s. Comenza mos por verter la solu ció n de alginato en diferentes tipos de moldes, congelá ndo los luego a través de tres proce dimientos dis ti ntos, que se difere nc ia n por el gradiente de temperatur a que se ge nera dentro de la sol ució n. Al con gelarse, todas las muestr as exhibían una estructura de cristales de hielo 53
INGENr'ERIA DE UN ARMAZON TISULAR
Armazones de alginato Estructura esponjosa UN ARMAZON ofrece soporte fí sico y gu fa para que las célu las formen un tej ido . Su estructu ra se basa en una malla de poros interc onectados; con un diámetro de al menos 200 micras (el calibre med io de un cap ilar), éstos perm iten que los vasos sangu fneos penetren y las cé lulas interaccionen . Para construir ese andamiaje esco gimos el alg inato, un derivado de las algas que guarda semejanza qu fmica con la ma triz extracelu lar natural. Hubo, no obstante , que desarrollar un método que convirtiera una solución viscosa de alg inato yagua en un material sól ido, cuya forma (derecha próxima) y arquitectu ra interna (derecha lej ana) pudieran controlarse. Sabiendo que el agua de nuestro hidrogel de alginato formaría cristales de hielo si se congelaba y que la forma de dichos cristales dependfa del método de congelación , ensayamos diferentes técnicas de liofilización (congelación y posterior elim inación del agua mediante sublimación de l hielo formado) . Obtuvim os as í varias estructu ras esponjosas de cr ista les de hielo separados por paredes delgadas de a lginato . Tr as la sublimación , obtuvimos poros de varias formas , tamaños y or ientaciones, reflejo de la velocidad y dirección de l crecim iento de los cristales cuando el calor se transfirió del hidroge l al med io refrige rante (abajo).
REGIMENES DE CONGELACION ~
En un baño de aceite a - 35 °C, el hielo se forma más rápida mente en el fondo de la muestra, produciendo poros pequeños, compactos y en interconexión. De mayor tamaño y alargados, los poros de la parte superior siguen la dirección de avance de la congelación.
ARQUITECTURA DE LOS POROS
En nitrógeno líquido a -196 °C, aparece un gradiente de temperatura similar al anterior, de abajo arriba. Las complejas formas y direc ciones de los poros cerca de la parte superior de la muestra pueden resultar de la elevada volatili dad del nitrógeno, que origina múltiples frentes de congelación allí donde se produce la transfe rencia de calor entre el refrigerante y la solución de alginato.
El control que estas técnicas de congela ción ofrecen sobre la arquitectura del "ar mazón" reviste mayor interés, puesto que la estructura de los poros ejerce una influencia decisiva en la función del tejido que se forma. Los poros alargados, por ejemplo, pueden promover la vasculariza ción: mediante nitrógeno líquido obtuvimos "armazones" con largos canales que luego sembramos con células endoteliales mar cadas con fluorescencia (verde, debajo); a las dos semanas, las células se habían agrupado formando estructuras capilares.
En un congelador a - 20 °C, se guarda una solución de alginato en friada primero a -10 °C, calentada luego bruscamente a -2 oC y, por fin, enfriada de nuevo lentamente a -20 oC. El incremento brusco de temperatura provocó que el agua liberara su calor y comenzara a cris talizar por toda la muestra al mismo tiempo; así se obtuvieron estos po ros uniformes e interconectados.
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separados por pared es de alginato. Tra s eliminar dich os cri stales me diante sublimac ión, obtuvimos un armaz ón esponjoso, cuyos pequeño s poro s reflejaban la forma de los cris tales. Variando el método de con gelación se puede con tro lar la den sidad, el tamaño y la dir ección de los poros, así como el gra do de in terconexión. Las interco nexiones entre los po ros revisten sumo interés para la via bilid ad del armazó n: permiten que las célul as vivas, una vez "sembra das", pasen con facilidad a través de su estructura . La circulac ión li bre y continua de nutrientes y de sechos hacia y desde las células en cultivo resulta también vital. El grado de interconexión entre los poros in fluye de forma crítica en la capaci dad de los vasos sang uíneos neo formados para penetrar en el teji do en for mació n, una vez que se trans fiere al huésped. Por últ imo , la ar quit ectura interna de este armazón, que recuerda una espo nja o un pa nal de abejas, favo rece la resisten cia mecá nica; aunque los poros cons titu yen más del 90 por ciento de su volumen, el andamiaje resiste una presión externa cons idera ble. Logramos, pues, crear un armazón con la for ma y estructura deseadas - que burl ara el sistema inmunita rio- , co nfecc ionado con un mate rial natur al, libr e de sustancias tóxi cas, con buena durabilid ad mecánica y qu e se desintegraba dentro de l cuerpo en un tie mpo razonable. Sin emba rgo, quedaba por ver si las células vivas encontrarían en nues tro arm azón un buen sust ituto de la matriz extracelular natur al.
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1. ARMAZON "SEMBRADO" CON CELU· LAS. Dos meses después de implant arse en el corazón de una rata, aparece ints grado en el área infartada. Vasos sanguí· neos locales penetran por todo el injerto; sustentan así células cardíacas maduras dentro del armazón y previenen la expan sión del infarto.
traran ráp idamente en los poros del andamiaje, en el que se dist rib uye ron uniformemente en menos de 10 minutos. Para preservar la viabilidad de es tas células, tan sensibles a la falta de oxígeno, el proceso debía reali zarse en el me nor tiempo pos ible. Puesto que ado ptan una distrib ución ho mogénea, puede emplazarse un gran número de células en el inte rior del armazón. Obtuvimos así es tructuras con una densidad de 108 células por centímetro cúbico , simi lar a la del tej ido cardíac o madur o. Los armazones "sembrados" con cé lulas se transfirieron a un "bio rreac ter", una incubadora espec ia l que mantiene la hu medad y atmósfera adec uadas mientras un medi o con nutrientes circula contin uamente, por dentro y alrededo r de los armazo nes . Seguíamos el control del meta bolismo de las células; transcurridas sólo 48 horas, detectamos miocitos que se con traían. A los sie te días, llegó el mome nto de dar el siguiente paso : trasplantar los armazones en corazones vivos . Anes tesiamos y operamos ratas adultas a las que se había provo cado, sie te días antes, un infarto de miocardio en el ventrículo izquierdo. En cada individuo, una cicatriz pá lida e inerte reve laba la zona le siona da. Colocamos los andamiajes "sembra dos" co n cé lulas direc ta mente en el interior de los infartos , cer ramos la in ci sión quirúrgica y nos pusimos a espe rar. Al cabo de dos meses, observamos el corazón de las ratas operadas. Lo que hall am os nos dejó atónitos : en los injertos habían proli ferado masivamente nuevos vasos sang uí neos procedentes del tejido cardíaco sano. Los microtrasplantes cardía cos obte nidos mediante ingeni ería tisular se habían integrado con éxito en el tejido de la cicatriz . Los an dam iajes de alg inato ha bía n co
menzado a disolverse y en su lugar había aparecido mat riz extrace lu lar. Las cél ulas card íacas embrio nari as se habían transformado en fibras musc ulares mad uras , algu nas de ellas organ izadas ya en una es tru ctu ra paralela, similar a la del tejido cardíaco natural. Obse rvamos tambi én conexiones mecánicas y sinapsis eléctricas entre las fibras musculares, necesarias para la con tracción y la conducción de seña les nerviosas. Antes de emprender los trasp lan tes, hab íam os medido la fu nción cardíaca de las ratas mediante eco cardiografía. Hicimos lo mismo con un grupo contro l de ratas con in far to a las que se rea lizó una falsa intervención, sin trasplante . Dos me ses más tarde volvimos a realizar un ecocardiograma a todas las ra tas. El grupo contro l mostraba la image n típica del deterioro cardíaco: dil atación del ventrículo izquierdo y pérdida de la funció n cardíaca. Las ratas trasplantadas, en cam bio, presentaban los mismos res ultados ecocardiográficos que habían mos trado inmed iatamente tras sufri r el infarto: el tamaño de l ve ntr ícu lo izquierdo y el grosor de sus pare des, así como la func ión cardíaca, apenas se habían mo dificado. Habíamos alca nzado, pues, uno de los objetivos iniciales de la in vestigació n: proteger un corazón que había sufrido un infarto y prevenir el posterio r deterioro que habría con ducido a una insuficiencia cardíaca. Sin em bargo, muc has cues tio nes siguen abiertas . No está cla ro, por ejemplo, el mecanismo que protege el músculo cardíaco -el tejido tras plantado todavía no participaba en la contracc ión car díaca. Parece que el injerto logra prevenir la remo
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2. MICROESFERAS que se inco rpo ran a lo largo y ancho del armazón, mezclándolas con la sol ución de alginato antes de liofilizarla. Al liberar continuamente factores de creci miento, estas estructu ras de sólo tres micras de diámetro aceleran la formación de nus vos vasos, sin interponerse en su camino .
delación del corazón porque evita el crecimiento del infarto y engruesa (artificialmente) la pared del corazón en el área infartada. En nues tra opinión, otro factor contribuye tamb ién al fre no del de terioro cardíaco: la rec uperac ión de la vasc ular izac ión en el infarto. Los vasos neoformados eran más nu merosos y de mayor ca libre cua ndo imp lantamos armazones pob lados de células; sin embargo, hallamos - no sin sorpresa- que los arma zones sin células también estim u laban el crecimiento de nuevos va sos en el área infartada. El andamiaje de algi nato podría esti mular el desarrollo de vasos san guíneos simplemente ofreciéndoles soporte cuando penetran en el área dañada. Sospechamos tambié n que el propio mater ial puede ayudar a recl utar células madre que contri buyan a la rege neración, puesto que la estr uct ura química del alginato guarda semejanza con la del hepar án sulfato, un po lisac árido fundame n tal de la matriz extracel ular natu ral. En fecha reciente nos dispusi mos a validar esta hi pótesis. Para ello inyectamos un hidrogel con al ginato directamente en el infarto de las ratas. Observamos que, in cluso en forma de hidrogel, el al ginato preserva la estructura y la función del ventrículo, operando apa rentemen te como un sustit uto de la
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matriz extracelular y promoviendo así la angiogénesis . Para fabricar el injerto necesita mos, además del armazón, cél ulas cardíacas aptas para el trasplante en humanos. Dado que no se repli can , las células mad uras del cora zón del propio paciente queda n des cartadas. Entre las posib les cé lulas - de donante- que pueden esti mularse para convert irse en cardio miocitos se incl uyen las células ma dre embrionarias y las células madre "adultas" procedentes de la médul a ósea o de la sangre del cordón um bilical. No obs tante, el sistema in munit ario del paciente consideraría extraña cualquier célula del donan te, lo que haría necesario el uso de fármacos in mun osup resores. Por tanto, para evi tar el rechazo inmu nitario, sería preferible recurrir a cé lul as autólogas - procedentes del propio pacien te. Podr ían utili zarse células madre y prec ursoras der i vadas de la méd ula ósea, de los te j idos musc ular o adiposo, así como células madre embrionarias crea das a parti r de las células del pac iente mediante clonación terapé utica; in cluso podrían ais larse las pro pias células madre card íacas locales.
Hacia la reparación cardía ca Nuestros hall azgos resu ltan espe ranzadores. Sugieren varias formas de aplicar los armazones de algi
nato en la pro tección y regenera ció n de corazo nes humanos infarta dos. Dentro de unos tres años, tales estructuras estarán listas para pro barse, sin células, en personas que hayan sufrido un infarto de miocar dio. Nuestros experi mentos recien tes en cerdos han confirmado lo que ya observamos en ratas: incluso sin células en su interior, los armazo nes de alginato parece n preve nir la expansión del infarto, así como la remodelación de la pared del ven trículo. Por tanto, los armazones sin células podrían resultar especialmen te efectivos en la prevención de la insuficiencia cardíaca, comenzando en pacientes cuyos corazo nes todavía no hubieran experimentado una re modelación significat iva. La apare nte capac idad del algi nato para fomentar la angiogé nesis sugiere también que podría utili zar se para potenciar la superv ivencia de las células trasp lantadas. Primero se implantaría un armazón y luego, una vez se hubiera producido su vas cularización, se "se mbraría" con cé lul as. Hemos probado en ratas la eficacia de esta formación de te ji do in vivo ; los res ultados son alen tadores. La vascularización se puede pote nciar med ia nte la lib eraci ón contro lada, en el armazón, de mi croesferas llenas de factores de cre cimiento . Sin embargo, dicha pre vasc ularizac ión redu ce el espacio dispo nible en el interior del armazón para las células tras plantadas; por eso mismo, nuestro esfuerzo se cen tra ahora en domeñar la angiogéne sis, co mbinando diversos fac tores de creci miento. En la act ualidad, el enfoque in vitro de la ingeniería tisular es el que ofrece mayor co ntrol sobre la forma, composición y funció n del tejido . Además, en el caso de in fartos que ya se han roto, debería reempl azarse una pieza entera del corazó n. Sería necesario rellenar ese hueco con un injerto de tejido fun cional, por lo que la implantación de un armazón esponjoso y vacío no res ultaría viable. Por tanto, nos enfrentamos aún al problema de con servar vivo un teji do traspl antado hasta que se logra una vasculariza ción local adec uada . Con la expe rie ncia adquirida, es ta mos explo rando la posibilidad de obtener un injerto prevascularizado. INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Los inge nieros ti sul ar es están ex plorando var ios mé to do s pa ra re me nda r e l m úsc ulo car dí aco humano . Cad a técni ca ofrece alg una ven taj a, per o lo q ue real -
I
men te contribuye al ava nce de este camp o de inv esti gación es el con ocimiento que se obti ene de cada enfoque experime nta l.
TECNICA
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Inyección de células
Mediante un catéter o inyección,
se introducen células madre o precur
soras en el infarto
• Fácil colocación • Las células inyectadas pueden inducir la formac ión de matriz extracelular y vasos sanguíneos
• Baja supervivenciacelular • Las células no producen nuevos miocitos funcionales
Cultivo de tejido Se cultivancardiomiocitos en láminasfi nas, dispuestas en capas para formar un parche que se implanta quirúrgicamente
• Crececon relativa facilidad en el laboratorio • Ofrece mayorestabilidad que la inyección de células disociadas
• Puestoque las láminas de car diomiocitoscarecen de vasculari zación, sólo resultan viables los parches delgadosy pequeños • Extremadamente frágil
Armazones porosos En un biorreactorse cultivan células "sembradas" en armazones tridimensiona les de polímeros naturales o sintéticos; luego, se implantan quirúrgicamente
• La estructura sustenta la organiza ción celular y promueve la vasculari zación • Ciertos materiales pueden promo ver la vascularización
• Transcurre demasiado tiempo entre la implantación y la vascula rización del tejido; ello causala muerte celular
"Impresión" de células en 3-0 Células suspendidas en hidrogel se distri buyen, mediante un dispositivoque opera a modo de una impresora de chorro de tinta, en la forma deseada; la estructura resultante se cultivay luego se implanta quirúrgicamente
• Permite colocar con precisión múltiples tipos de células • Las células se mueven y organizan libremente
• Aún no se ha comprobado su funcionalidad in vivo
Armazones inyectables Hidrogeles de polímeros, solos o con células en suspensión , se introducen directamenteen el infarto mediante catéter o inyección
• Fácil colocación • Al operarcomo sustitutotemporal de la matrizextracelular puede potenciarla regeneración
• Controllimitado de la formación de tejido
He mos co nstru ido un lech o ca pil ar in vitro medi ant e sie mbra de cé lulas e ndotelia les, qu e tap izan el in teri or de las pa redes de los va sos sa ng uí neos, e n un ar mazó n de algi nato ; el co nstruc to se cultiva e n un " bio rreac to r" . E l siguiente p aso será co nseg u ir qu e se for men ca pi la res dentro de l parche miocárdi co ; para ello c ult ivaremos co nj unta me nte cé lulas e ndoteliales y ca rdiomioc itos e n un armazón de algi nato . En el caso de te ner éx ito, habr á qu e co mproba r e ntonces si es te lech o ca pila r se torn a opera tivo tr a s e l trasp lan te y, de ser así, de terminar co n qué rap id ez lo hace . Si co necta rápid am en te co n la vascu la rización loc al , e ntonces las prob abilid ad es de superv iven cia del traspl an te deberían ser ex ce le ntes . Po r de scont ado , nu e st ro gr upo no es el ún ico que se dedica a la in geni ería de l tej ido cardíaco. Cada un o co n un e nfo que d is ti nto, nu -
INVESTIGACiÓN y CIEN CIA, enero,
2005
merosos investigadores están tra baj and o en la obte nción de tej ido prevascul arizad o. Aunque pued e que sean necesarios otros 15 años para
ver nu estro sueño hech o rea lida d, constr uir un injerto vi va par a el co razó n human o ha dejado de se r una idea extravagante .
Losautores Smadar Cohen y Jonathan Leor vienen colaborando en la obten ción de injertos de músculo cardíaco desde hace seis años. Coh en, profesora de biotecnología en la Universidad israelí Ban-Burion del Neg ev, estudia la respuesta celular a señales exter nas. Se dedica también al diseño y síntesis de biopolímeros para la ingeniería tisular y para el transporte y liberación controlado s de fármacos. Leor es cardiólogo en el Hospita l Sheba y director del Instituto Neufeld de Investigación Cardíaca en la Univsr sidad de Tel Aviv. Su trabajo se centra en la regeneración del músculo cardíaco me diante el trasplante de células, la ingeniería tisular y la terapia génica .
Bibliografía complementaria TAllORING THE PORE AR CHITEC TURE IN 3·0 AlGINATE SCAFFOlDS BY CONTRO l ll NG THE FREE· ZING REGIME DURING FABRI CATI ON. Sharon Zmora, Rachel Glickis y Smadar Cohen en Bio materia/s, vol. 23, págs. 4087·4094; octubre, 2002. TISSUE ENGI NEERING : CURRENT STATE AND PERSPECTI VES. Erin Lavik y Robert Langer en Ap plied Microbi%gy and Blotechnoloqy, vol. 65, n." 1, páqs.LB: julio, 2004. MYOCARDIAl TISSUE ENGINEERING: CREATING A MUSClE PATC H FDR A WOUNDED HEART. Jonathan Leor y Smadar Cohen en Anna/s 01 the New York Academy 01 Sciences, vol. 1015, págs . 312·319; mayo, 2004.
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Computación en aqujeros negros •
Conforme al espíritu de nuestro tiempo, cabe interpretar las leyes de la física como programas informáticos y, el universo, como uncolosal ordenador Seth L10yd e Y. Jack Ng_
•
n qu é se difer en ci an una computadora y un ag ujero negro? No se trat a del pr in cipio de algún chi ste, sino de uno de los probl em as más profundos de la físic a actual. Para casi to dos, un ord enador es un artilugio es pec ia lizado, se trat e de una caja puesta sobre una me sa de oficina o de un chip del ta maño de una uña incru stado en una cafe tera. Para un fí sico, en ca mbio, no hay sistema físico que no sea una computadora. La s rocas, la s bombas atómicas o las ga laxia s no ejecutan Linu x, pero no por ello dej an de regi strar y procesar inform ación . Cad a electrón, cada fotón o cu alqui er partí cula eleme ntal almacena bit s de dat os; cada vez que dos de esas partículas int eraccio nan , los bit s se tran sforman. La ex istencia física y el cont enido de informaci ón es tán ine xtricablem ent e ligados; o, seg ún el di cho de John Whee ler, de la Unive rsidad de Prin ceton: It f rom bit. De la informa ción , de los bit s, sale cada "eso" que haya en el mundo. Lo s agujeros negro s podrían parecer la excepció n de la regla de qu e todo co m puta. No hay difi cultad en introducirl es información, pero seg ún la teoría de la re lati vidad gen eral de Einstei n, es imp osi ble ex traé rse la. El aguj ero negro asimila la materi a qu e recib e; el detall e de su co mpos ició n se pierd e sin rem edi o. Hace
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INVESTIGACiÓN
y CIENCIA, enero, 2005
unos trein ta años, Stephen Hawking, de la Universidad de Cambridge, dem ostró que, cua ndo se toma ba n en co nsideració n los as pectos cuánticos, los ag uje ros negr os debían emit ir como una brasa . Según el análisis de Hawking, la radi ación saliente del agujero negro es aleatoria: no trans porta información rel ati va a lo que haya entrado en él. Si un elefante cayera en el agujero, de éste saldr ía ene rgía por va lor de un elefa nte, pero convertida en un re voltijo tal qu e no valdría, ni siquiera en teoría, para recrear el anima l. Es ta apa re nte pé rdida de informaci ón plant ea todo un enigma, porqu e en las le yes de la mecánica cuántica la informa ció n se co nserva. Por ta l mot ivo, ot ros científicos, entre ellos Leonard Susskind, de la Unive rsidad Sta nford, John Preskill, de l Instituto de Tecn ología de California, y Gerard 't Hooft, de la Universida d de Utrec ht, han aducido que la radiación de un ag ujero negro no es , en rea lida d, alea toria, sino qu e co nsiste en un a fo rma pro cesada de la materia que cae en él [véase "Los ag ujeros neg ros y la paradoja de la inform ación" por Leo nard Susskind; IN VESTIGACIÓN Y CIENCIA, j unio de 1997 ]. El veran o pasado, Haw ki ng se av ino a este punto de vista: también los aguj eros negros co mputan. Los aguje ros negros constituyen el ejem plo más sing ular de l princip io ge neral que
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enunc ia qu e el uni ver so regi stra y procesa inform aci ón. El principio,
la es truc tura a escalas muy red uc i das del espac io tiempo y a las leyes
el tie mpo . En lengu aj e fo rma l: t ;:::: h/4E, do nde h es la constante
en sí mismo, no es nuevo. Para ex
últimas de la naturaleza. El universo
de Planck, el principal parámetro de
pli car las leyes de la term odin ámi ca , los fundadores de la mecáni ca es tadís tic a, en el sig lo XIX, desarro llaron la qu e en tiempos mod ern os se llamaría teor ía de la inform ación. A primer a vis ta , no da la im pre sió n de qu e la term odinámi ca y la teoría de la inform ación ten gan algo en co m ún. La primer a fue ideada par a exp lic ar las máquin as de va po r; la seg unda, para optimiza r las co municac io nes. Si n e mba rgo, la magnitud term odin ám ic a qu e li mita la ca pac idad de un mot or para reali zar trab aj o útil, la entro pía, resulta se r prop orcion al al númer o de bits registrados por las posici o nes y ve loc idades de las molécul as de una sus tanc ia . La inve nc ió n de la mecánica cuá ntica , ya en el si glo XX , ase ntó es te de scubrimi ent o sobre ci mientos cuantitativos fi rmes e introdujo la noción de inform a ció n cuá nt ica. Los bi ts que int e gra n el uni ver so so n bits cuá nti cos, "cubits", dotados de propiedades mucho más ricas qu e los bit s or din ar io s. Los análisis del universo mediante bit s y bytes no sus tituye n a los ba sa dos en co ncep tos trad ici on al es, co mo la fue rza o la energía, pero sí sacan a la luz hech os nuevos y so rpre nde ntes . Así , por ejemplo, en el ca mpo de la mecáni ca es tadís tica han desentr añad o la par ad oja del dem oni o de Max we ll, que pa recía dar pie al movimi ent o co nti nu o. E n los últim os años hem os venido aplica ndo estas mismas ideas a la cos mo logía y la fís ica funda men tal : a la naturaleza de los agu jero s negros y la energía osc ura, a
no es sola me nte una co losal co m putadora: es una co losal co mputa dora cuántica. Con palabras de Pao la Zizz i, de la Unive rsida d de Padua : It f rom qubit .
la teoría cuá ntica. Po r ejemplo, un tipo de ordenador cuántico experi men tal almacena bits en protones y se va le de ca mpos mag nét icos par a inverti rlos. Las ope rac iones se efectúan en el tiempo mínim o ad mitido po r el teo rema de Margo lus Levi tin . De este teorema se puede deducir una enorme variedad de co nclusio nes; lo mismo imponen limitaciones a la geometría del espaciotiempo que determinan la ca pacidad co mputa cio nal del universo co nside rado en su glo balidad . A modo de ejercicio pre li mi nar, exa minemos los lím i tes de la potenc ia computacio na l de la materia ordinaria. Pensemos en u na masa de l kilog ra mo que oc upa un volumen de l litro. Lla marem os a este dispos itivo "e l po r tátil supremo" . Su ba tería es la propi a materia, convertida direc ta men te en ene rgía medi an te la fa mosa fórm ula de Einstei n E = mc 2 . Ap licada toda esta ene rgía a la inversió n de bits, el or de nado r efectua ría al pri nc ipio 105 1 ope rac iones por seg undo, pero iría pe rdien do veloc ida d al irse de gra da ndo la energía . La ca pac idad de memoria de la má quina se ca l cula a través de la ter modi nám ica . Cua ndo l kilogramo de materia se co nvierte en energía en un vo lu men de l litro, su te mperatura es de 1000 mill on es de grados kelv in. Su e ntropía, proporc ional a su ene rgía d iv id ida por la te mpera tura, correspo nde a 10 3 1 bit s de informaci ón. El portáti l supremo al macen a info rmación en los mi croscóp icos movim ie ntos y posi cio nes de las pa rtícu las ele me nta les que se agi tan por su inte rio r. Entra n en j uego tod os y ca da uno de los bits qu e las leyes de la termodiná mica autorizan . Cada vez qu e interactúan dos par tículas, cada una puede hacer que los bits de la otra salte n de un es tad o al otro . Ca be co mpa rar este proceso a un lengu aj e de programa ció n, como C o Java : las partíc ulas so n las variab les; sus interacci ones se correspo nde n co n operac io nes, co mo la ad ición . Cada bit pu ed e cam biar de estado 10 20 veces por se gundo ; eq uiva le a una ve loc idad de
Gigah ertz: demasiad o lento La co nfi ue ncia de la física y la teo ría de la info rmac ió n parte de l afo rismo central de la mecáni ca cuá n tica : la natural eza, en el fondo, es disc reta. Cua lquier sistema fís ico se describe co n un nú mero fini to de bits. Cada part ícula del sistema actúa co mo una pue rta lógica de un or den ador. Su "eje" de es pín puede apuntar sólo en una de dos di rec cion es; cod ifica, pues, un bit. Y esa orientac ión se pued e in verti r; equi va le a una operac ió n computac io nal senc illa . El siste ma ta mbié n es di scr eto en cua nto al tiempo . La inver sión de un bit no puede llevar men os de cierto tiem po . El va lor exacto de ese lap so mínimo viene dad o por un teo re ma for mulado por dos precu r so res de la fís ica del procesamiento de inform ación , No rman Ma rgo lus, del Instituto de Tecnología de Massa chusetts, y Lev Lev itin, de la Uni versida d de Bos to n. Este teorem a guar da relac ió n co n el pr incipio de incertidumbre de Heisen berg, qu e enunc ia el co mpromiso inh eren te a la medi ci ón de par es de a lgu nas magnitudes físicas, como la posi ción y el mom ent o, o el tie mpo y la ene rgía . Segú n el teorem a, e l tiemp o t nece sario par a inver tir un bit depende de la cantidad de energía aplicada, E. Cua nto mayor sea la energía aplicada, menor podrá ser
• Los sist emas fís icos, por su mera existencia, almacenan infor mac ión , que procesan al evo lucionar en el tiempo . El universo co mputa. • Si pued e escapar información de los aguj eros negros , como hoy opi nan muchos fís icos , tamb ién los aguj eros negros computan . El tam año de su capacidad de memoria es proporcional al cuadrado de su velo cidad de cómpu to . Esa potenci a de cómputo se debe a la natu raleza mecanocuánt ica de la información ; de falta r los efecto s cuánticos , los aguje ros negros , en vez de procesar la inform ación , la destru irían. • Las leyes físicas qu e limit an la pot encia de los orden ado res determi nan también la precisión con la que es posib le med ir el universo. Puesto que resu lta meno r de lo que se habí a creído , los "átomos" dis cretos del espacio y del tiempo qu izá sea n mayo res de lo esperado.
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COMPUTACION MAXIMA
¿Qué es una comp utado ra? Se trata de una cues tión cuya comp lejidad sorprende, pero cualqu iera que sea la defin ició n exacta que se adopte, quedará satisfecha no sólo por los objetos conocidos por "or denadores", sino también por todo cuanto hay en el mundo . Los objetos físicos pueden resolver una am plia clase de problemas de lógica o de mate máticas ,
INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, enero, 2005
si bien puede que no acepten la introducción o la salida de datos en formas con significado para las personas . Las computadoras naturales son intr ínse camente numéricas : almace nan datos mediante esta dos cuánticos disc retos, como el espín de las partí culas elementales . La mecá nica cuántica les sirve de conjunto de instrucciones .
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reloj de 100 trill ones de hert z. A decir verdad, el sistema es dem a siado rápid o para que lo co ntro le un reloj ce ntral. El tiempo que tar da un bit en cam biar de estado viene a ser el que tarda una seña l en via ja r des de un bit hasta su vec ino. Así pues, el port átil supremo opera co n un grado muy alto de paraleli smo: no act úa co mo un so lo procesador, sino co mo una inmensa agrupac ión de procesadores; cada uno trabaj a sin depend er apenas de los dem ás y les co munica sus result ados con relati va lentitud. En co mparac ión, un ordena dor or din ari o man ipul a bi ts a razó n de unas 10 9 veces por seg undo, alma cena unos 10 12 bits y cuenta co n un solo procesador. Si fuera posible que se siguiese cumpliendo ind efi nid a ment e la ley de Moo re -según la cual el crec imiento del número de co mponentes y del rendi mien to de los chips es ex ponencial-, nues tros descendi ent es pod rían adquirir el port átil supre mo a med iados del sig lo XX III. Antes, lo s ingen ieros habrí an ten ido que dar co n el modo de co ntro lar co n precisión las inte racci on es de las part ícul as de un plasma más ca liente que el núcleo del Sol; deberían dispon er, ade más, de buena parte del ancho de banda
de las telecomun icaciones para con trolar el orde nado r y enmenda r los
vitac ión es insigni ficant e, la capa cidad total de alm acenami ent o re
errores . y tendrían que habérselas
sulta proporcional al número de
co n diabóli co s problemas al con s trui r el recipi ent e del ordenador. En cie rto se ntido, es posibl e ya adquirir un artilugio por el estilo, si se tienen los co ntac tos adec ua dos. "K ilo de materia convertido por completo en e nergía" defin e de ma nera sucinta una bomb a de hidró ge no de 20 megat ones. Durante la explosió n, un arma nucl ear procesa una ingent e can tid ad de in form a ció n: la configuració n de part ida aporta los dat os ini ciales; el resul tado viene dado por la radiación que emite .
partícul as y, por co nsiguiente, al vo lumen. Pero cuand o pred omin a la gravedad, las partícu las se interc o nectan y, en consecuencia, su ca pacidad colec tiva de almace nar in for mac ión disminu ye. La capacidad total de almacen ami ent o de un agu jero negro es prop orcional a la ex tensión de su superficie . Hawking y Jacob Bekenstei n, de la Universi dad Hebr ea de Jeru sal én , calcularon hace unos 30 años qu e un aguje ro negro de 1 kilogram o podría regis trar alrededor de 10 16 bit s, muchí si mo menos que esa mism a co mpu tador a antes de ser co mprimida . En co mpensac ión, el aguj ero ne gro pro cesa mucho más depri sa. El tiempo que le lleva invertir un bit , 10- 35 seg undos, co inc ide co n e l tiempo qu e tarda la lu z en ir de uno a otro lado de la co mputado ra. Así pues, en co ntras te co n el port á til supre mo, qu e en gra n med ida opera en paralelo, el agujero negro opera sec ue ncialme nte, en se rie . Ac túa co mo si se tr at ar a de un a sola unid ad . ¿Có mo funcionaría en la práctica un a c ompu tad or a de ag ujero ne gro? La introdu cción de datos no present aría dificultades: bastaría co dificarlos mediante materia y energía y dej arlos caer al agujero. Preparando adecuada mente el materi al que se le arrojase, sería posib le programar el aguje ro para que reali zase el cóm put o que se qu isiera. En cuanto esa materia ingresase en el aguj ero, de sa pa recería para sie mpre ; la de marcación que señala el punto sin retorn o reci be el nombre de hori zo nte de sucesos . Más allá, las partí culas en ca ída libre int eraccion an entre sí y efe ctúan cómputos du rant e un tiempo finito , hast a qu e alca nza n el cen tro del agujero - la singularidad- y dej an de ex istir. Qué le oc urre a la mat eri a cuando se es truj a en la sing ularidad, de pend e de la verda de ra naturaleza de la grav itación cuántica , que se guimos sin conoce r. El result ado que el aguje ro ofrece al ex ter ior adopta la forma de ra diación de Haw kin g. Un aguje ro de un kil o emite radiac ión de Hawking; puesto que se ha de co nse rvar la energía, esa masa de un kilo habrá
De la nanotecnia a la xenotecnia Si un trozo cualquiera de ma teria es un ord enador , un aguje ro negro no es ni más ni men os que un a co m putad ora co mprimida hasta su mí nimo tam año posibl e. Cuando una co mputado ra va redu ciend o su ta maño, las fuerzas grav itatorias que cada uno de sus co mponentes eje rce so bre los de m ás se van haciend o más y más int ensas, y aca ban sién dolo tant o, qu e ningún obje to puede escapar . El tam año de un aguj ero negro, su "ra dio de Sc hwarzschild" , es proporcional a su masa. El ag ujero negro corres pondiente a un a masa de 1 kilogr am o tiene un radio de unos 10- 27 metro s. (Para hacer se un a id ea: el radi o de un protón es de 10- 15 metr os.) La re ducción de tam año del ordenado r no modifica su contenido energé tico . Podrá todav ía efec tuar 105 1 opera ciones por seg undo, las mism as que antes, pero su capacid ad de memo ria habr á ca mbiado . Cuando la gra
2. LA PRI MERA LEY de la computación cuántica es que todo cómputo requiere energía . El esp ín de un protón codifica un bit individ ua l, que cabe invertir ap licando un campo magnético. Cuanto más intenso sea el campo magnético, cuanta mayo r la energía que se le apl ique al protón, tanto más velozmente cam biará de estado la partícula.
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de di sminuir, hasta desap arecer por co mpleto en 10- 2 1 seg undos. La ra dia ción de máxim a int en sid ad tiene un a lon gitud de onda igu al al rad io del ag ujero; en el caso de un ag u jer o de un kil ogramo, se trataría de un a radi ación ga mma int en sísim a. Un detect or de part ícul as la ca pta ría y la descodi ficaría para co ns umo humano. El estudio que Hawking realizó de la radiación qu e lleva su nombre refut ó la imp osibili dad que se atri buía a lo s agujeros negro s de que nada esc apara de ellos [véase " La mecánica cuá ntica de los ag ujeros negros" , por Stephen W . Hawkin g; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, marzo de 1977 ]. La tasa de ra diac ión de los aguj er os negr os se encuentra en rel ación inver sa co n su tamaño: los grandes, co mo los situados en el cen tro de [as galax ias, pierd en energía mucho más desp acio de lo que en gullen materi a. Es posibl e, sin em bargo, qu e en el futuro qu epa crear diminutos aguje ros negros en los ace lerad or es de partí cul as. Estalla ría n, de inm edi ato, en una eru pció n de ra di ación. No de be concebirse un ag u jer o negro co mo un objeto fijo , sino co mo un a ag regació n transitoria de materi a qu e efectúa có mputos a la máxima ve loc idad posibl e.
CLASIFICACIDN DE COMPUTADORAS El portátil supremo y el aguj ero negro constituyen otros tantos méto dos de aumentar la potenc ia de cómputo . El portátil es la suprema computadora en para lelo (una formación de procesadores que operan simultáneam ente) . El agujero negro es el ordenador secuencial supremo (un único procesador que ejecuta las instrucciones de una en una).
Plan de fuga El auté ntico pr oblema co nsiste en sa ber si la radi aci ón de Hawk ing entrega e l verda dero resultad o del có mp uto o só lo produ ce un ga lima tías. Se sigue de batiendo al respecto, per o en la ac tua lida d la mayoría de los físicos -Haw king incluido opina qu e la rad iaci ón es una ver sió n mu y proce sad a d e la infor ma ción qu e in gr esó en el ag ujero durante su fo rmac ió n. Aunque la materia no pu ed a aba ndo nar el ag u jero, su co nte nido de in form aci ón sí. E n es te mom ento , un a de las cuestiones más apas iona ntes de la física co ns iste en co mp re nde r exac tament e có mo . En 20 03 , Gary Horowitz, de la Unive rsida d de Ca lifo rn ia en Sa nta Bárbara, y Ju an Ma ldace na, de l Instituto de Es tudios Ava nza dos de Prin ceton, es boz aro n un pos ible me ca nis mo . La por tilla de escape es el "e ntre laz amie nto", un fe nó meno cuá ntico qu e ma ntie ne corre lacio nes entre las propi ed ad es de dos o
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más sistemas aunque medi e entre e llos cua lquier ex te ns ión de es pa cio y ti em po. El ent re lazam ie nto pe rm ite el tel etran sp orte, proceso qu e reprodu ce la info rmac ió n de un a pa rtíc ula e n otra co n tal fide lidad , qu e, a tod os los efectos , la propia partíc ula se tran sfiere de un a posici ón a otra a la ve loc ida d de la lu z. El telet ransp ort e, que ya ha sido ver ificado en los lab oratori os, re quiere previamen te que las dos partí culas es té n entrelaza das . A co nt i nu aci ón se efect úa un a medi ci ón en un a de las part ícul as juntam ent e co n materia qu e co nte nga la in for maci ón que ha de teletran sport arse. La medi ción borra la inform ación en su ubi cación primiti va, pero de bido al entrelaz ado, esa infor mación
res ide en form a codifica da en la seg unda part ícul a, por dista nte que se hall e . La inform aci ón se puede descodificar utilizando como clave los res ultados de la s medi ci on es [véase "Teletrans po rte cuá ntico" , por Anton Zei linger ; INVESTIGACIÓN y CIENC IA, j unio de 2000] . Un proce dimiento parecid o podría valer para los ag uje ros negros. Pares de foto nes entrelazados se mate rial izan en el horizonte de sucesos . Uno de los fo to nes vuela haci a el ex terior, int egrad o en la radi aci ón de Hawk ing q ue un observado r po drá det ect ar. El ot ro cae al int e rio r y aca ba en la sing ularidad j unto co n la materia qu e for mó el agu jero negro. La aniquilación del fotón equiv ale a un a medi ci ón y tr ans fiere la info rmac ió n co ntenida en
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Evolución de la teo ría de los agujeros negros "Un objeto de tan gran densidad que nada, ni la luz , puede escapar de él"; esta defin ición de agu jero negro se ha convertido en tóp ico de artículos de periódico y clases pa ra principiantes. Pero pro bablemente es errónea . Desde hace unos 30 años se acepta que la energía se va escapando de un
la materi a a la emis ión de Hawkin g eferente . La diferencia co n el teletransporte de laboratorio es triba en que no se necesitan los resultados de es ta "me dición" par a descodifi car la infor mac ión qu e fue tel etran sp ortad a. Horowitz y Maldace na razon ar on que la a niq uilac ió n no tien e una variedad de posibl es result ados, sino solame nte uno. Un obse rvador ex terno podría determinar es te úni co resultado grac ias a métod os fís icos básico s; de ese mod o desentrañar ía la informaci ón. Es ta co njetura se sitúa a ex tramuros de la for mula ción habitual de la mecáni ca cuá n tica. Aunque controvertida, es ve rosímil. Al igual qu e puede que la
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agujero negro. Muchos físicos opinan ahora que con la información (la descripción de la forma que toma la energía) ocurre lo mismo. En los diagramas se muestra el aspecto de un agujero negro obser vado desde un punto imaginario exterior al espacio tiempo .
sing ularida d ese nc ial con qu e dio co mienzo el uni verso tuviese sólo un es tado posibl e, qui zá también las singularidades final es de l interior de los ag uje ros negros posean un úni co es tado . En junio de 2004, uno de nosotros (L1 oy d) dem ostr ó que el mecani sm o Horowitz-Mald acen a es robu st o; no dep end e de cuá l se a ex actame nte el es tado fin al , siem pre qu e haya algun o. No obs ta nte, tod av ía par ece llevar a una pequ eñ a pérdida de información . Otros han propu esto mecanism os de esc ape qu e se fundan tambi én en sing ulares fen óm enos cuá nticos . En 1996, A ndre w S tro mi nge r y Cumrun Vafa, de la Unive rsida d de Harv ard , propu sieron qu e los agu
jeras negros se co m pone n de una s es truc turas mu ltid imen sion ales, las " bra nas", qu e ap are cen en la teoría de cue rdas . La información qu e cae en el agujero negro se alma cen a en ondas de las branas y puede acab ar por filtrarse al ex te rior. A princi pio s de 2004, Samir Ma thur, de la Unive rsida d Esta tal de Ohi o, y sus col aboradores mod eli zaron un agu jero negro mediante un gigantesco ov illo de cuerdas . Es ta "bola difusa" actúa a modo de co nte nedor de la inform aci ón qu e portan los objetos qu e cae n en el agujero negro. La bola emite radiac ión que refleja es ta inform ación. Hawking, en su aná lisis reci ent e, ha razon ado que las flu ctuaciones cuánticas impiden que
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ll egu e a form arse j am ás un hori zonte de sucesos nítid am ent e defi nid o. Es tas ideas es peran aú n el vere dicto.
Ciberespaciotiempo Las propi edades de los ag ujeros ne gros es tán inex trica bleme nte imbri ca das co n las del espac io tiempo . Es decir , si los aguje ros negros pue den ser tenidos por co mputadoras, otro tanto vale para el pro pio es pacioti empo. La mecán ica cuántica predi ce qu e el espaciotiempo , igual que otros sistemas fís icos, es di s cre to. No res ulta pos ible medir co n precisión infinita ni las distancias, ni los tiempos; a escala mu y pe queña , el espacio tiene un a estructu ra espumosa, llen a de burbuj as. La cantida d máxima de in formaci ón qu e se pu ede guarda r en un a re gión del es pac io depende de lo pe queños qu e sea n los bit s, y éstos no pu ede ser menores qu e las ce l dill as es pumosas . Desde hace mucho, se cree que el tamaño de estas celdillas es la longitud de Plan ck Up), unos 10- 35 metros, la dist anc ia a la que cuen tan por igual los efec tos gravi tato rios y las flu ctu aciones cuánticas . En tal caso, la naturaleza esp umosa result ará sie mpre dem asi ado dimi nut a para que podamos observarla. Pero co mo han demos tra do He ndrik van Dam , de la Universidad de Ca rolin a del No rte en Cha pe l Hill, Frigyes Ká ro lházy, de la Unive rsi dad Lo rand Eotvos de Hungría, y uno de nosotr os (Ng), dichas cel di llas son en realidad mu cho mayo res. Carece n de tamaño fij o: cuanto mayor sea una región del espac io ti emp o, tan to mayor es se rá n las celd as qu e la co nstituye n. Esta afir ma ción se nos puede antojar pa rad óji ca a prim era vista, como si los átomos fuesen mayores en un ele fant e que en un ratón , pero Lloy d la ha dedu cid o tambi én de las le yes que limitan la potencia de los orde nadores . El proceso de car tografiar la geo metría del es pacio tie m po es una espec ie de co mputación dond e las di st an ci as se ca libra n mediante transmisión y procesami ent o de in form ación. Una de las form as de ha cerlo co nsistiría en llen ar una re gión del espac io co n un enjambre de satélites de GPS (sistema de 10
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ca lizac ión global), cada uno con un re loj y un radiotransmisor (v éase el r ec ua d ro "Cómputo del espac io tiempo" ). Para medir una distancia, un saté lite envía una señal y cro nomet ra cuánto tarda en llegar. La prec isión de la medida depende de la brevedad del tic- tac del reloj . La generación de tic-tacs es una ope ració n de com putac ión; su ritmo má xi mo viene, pues , dado por el teo rema de Margo lus-Levitin: el tiempo qu e separa dos de esas marcas tem po rales es inversament e proporcio nal a la energía. La ene rgía, por su par te, tambi én es tá lim itada. Si se les da a los sa télites dem asiada energía, o si se los agrupa demasiado juntos, for marán un ag ujero negr o y ya no podr án participar en la ca rtog rafía . (E l ag ujero seg uirá emitiendo ra diación de Haw king , pero de una lon gitud de onda igual al tamaño de l propio agujero: no valdrá para ca rtog rafiar acc identes a una escala más fina .) La energía total máxima de la co ns telación de satélites es proporcional al radio de la región que se esté cartografiando. Así pues, la energía aume nta más desp acio que el vol umen de la re gión. Al ir creciendo ésta, el cartó grafo se ha de enfre ntar a un co m prom iso inevi ta ble : o bie n red uce la densid ad de satélites (de modo que esté n más separados entre sí), o bie n red uce la energía disponib le en cada saté lite (co n lo que sus re lojes batirán más lent ament e). En uno y otro caso, la medició n se tor nará men os precisa. En el tiempo que se invierte en cartog rafiar una región de rad io R, el número tota l de tics y tacs de todos los satélites es R2/l/ . Si cada satélite ge nera ju sto un tic dura nte el cartografia do , los satélites distarán entre sí, de media, Rl/31//3. Es posible medir distancias más cortas en una sub región, pero sólo a costa de la pér dida de prec isión en otra. El razo namien to mantiene su validez aun cuando se expanda el espacio . Esta fór mula proporciona la pre cis ión co n la qu e ca be medir las dist ancias; es aplicable cuando el aparato de medi da se encuentra a punto de co nve rtirse en agujero ne gro. Po r deb ajo de la escala mí nima, la geo metría dej a de existir. Este gra do de precisión es mu ch í
simo más fino que la longitud de Planck, aunque harto exiguo todavía. La imprecisión media en la medición del tamaño del univer so obse rva ble ro nda los 10- 15 metros . Podría n de tectarl a instru men tos muy prec isos de medición de distanc ias, como los futuros obse rvatorios de ondas gra vitatorias.
Principio holográfico Desde el punto de vis ta teórico, el aspecto más import ant e de este re sultado es que proporc iona un nue vo modo de co nsiderar los aguje ros negros. Ng ha dem ostrado que la ext raña dependenci a de la escala de las fluct uacio nes espaciotempo rales con la raíz cúbica de las dis tancias lleva tam bién a la fórmula de Bekenstei n y Haw king para la memori a de los agujeros negros. Y a un a acotac ió n válida para toda co mputac ión por ag ujeros negros: el número de bits de la memori a es proporcional al cua drado de la velo cidad de cómputo. La constante de proporcionalidad es cu». lo que pone de manifiesto el vínc ulo entre la información y las teorías de la relatividad espec ial (c uyo paráme tro def initorio es la veloci dad de la luz, c), de la relatividad general (la constante de gravitac ión, G) y de la mecánica cuántica (h). El resu ltado anterior - quizás ah í res ida su mayor impor tancia- con duce directamente al pr incipi o holo gráfico, según el cual nuestro univer so tridimensional es, en un sentido profundo aún inso nda ble, bidimen siona l. La can tidad máxima de in formación que una reg ión puede al macenar parece se r pro po rcio na l no a su volumen, sino al área de la superficie que la delim ita [véase "La información en el universo holo gráfico", por Jacob D. Bekens tein; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, octubre de 2003] . Se suele co nsiderar que el principio holográfi co emana de los detalles ignorados de la grav i
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Cómputo del espaciotiempo La med ición de distancias e intervalos de tie m po co ns t it uye un a fo rma d e computaci ón y e stá so metida a la s m ism a s li m itacio nes qu e los ordenadores no rm al es . Resu lta q ue el proceso de m ed ición e s much o más e sp inoso de lo q ue se ha b ía cr eíd o .
LA INCERTIDUMBRE DE LA MEDIDA no es, por lo tanto, fija, sino que puede variar con el tamaño del objeto que se mide. Cuanto mayor sea el objeto, tanto más borrosos serán los pormenores de su estructura. No ocurre igual en la vida ordinaria, donde la imprecisión de la medida, independiente del tamaño del objeto, depende sólo de cuán finas sean las subdivi siones de nuestra regla. Es como si nuestra elección de qué se va a medir afectase a la estructura fina del espaciotiempo.
tac ión cuántica; empero , ta mb ié n procede en línea rec ta de las lim i tacio nes c uánt icas fundamentales que sufre la prec is ión de las me didas.
10 123 Los principios de compu tación pue de n apl icarse no só lo a los ord e nadores más compactos (los aguje ros negros) y dimin utos (la espuma del espac iotiempo), sino también al mayor de todos : el un iverso. Es posible que sea infinito en ex ten sión, pero ha ex istido desde hace un tiempo finito, al me nos en su for ma pre sente. El radio de la por ció n ob servab le en la actual idad mide , hoy, unas decenas de mi llo
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nes de años luz. Para que podamos co nocer e l re sul tado de un cómp uto es nece sario que haya tenido lugar. El aná lisi s anterior sobre el nú mero de tic -tacs proporcio na tam bién el número de operacio nes que han podido rea lizarse en el uni ver so de sde su co mie nzo : 10 123 . Com párese este lími te con el compor tamiento de la materia q ue nos rodea : la mat eria visib le, la mate ria oscura y una energía a la que se lla ma osc ura, que está provo ca ndo qu e e l universo se expanda a ritmo ace lerado. La de nsidad de e nergía cósmica ob servada es de unos 10- 9 joul e por metro cú bico, por lo que e l universo visib le co n tien e una energía de alrededor de 1072 jou le. De acue rdo con el teo rema de Margo lus-Levitin, puede efectuar hasta 10 106 operac iones por seg undo , lo que corresponde a un total de 10 123 desde su orige n hasta el presente. Dicho de otro modo,
e l un iverso ha efectua do e l nú mero máxim o de operacio nes qu e las leyes de la fís ica permiten. Para calc ular la capacidad tota l de memori a de la materi a ordina ria, la for mada por átomos, se pue de n aplicar los métodos normales de la me c áni c a e stadís tica y la cos mo logía. La materia puede al bergar el máxim o de información cua ndo se co nv ierte en par tíc ulas energéticas y sin masa, co mo los neu trinos o los fotones, cuya den sidad entrópica es proporc ional al cu bo de su tem peratura. La densi dad de ene rgía de las partíc ulas (que determina el núm ero de ope rac io nes que pueden efectuar) es proporc io na l a la cuarta poten ci a de su temperatura . Así pues, el nú mero tota l de bits es precisament e el núm ero de operaciones elevado a la po tencia tres cuartos. El valor co rrespond iente a la tot alidad del uni ver so es 1092 bits. Si las part í culas co ntie nen es tructura intern a,
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el número de bit s pued e ser algo mayor. Es tos bits ca mbian de es tad o más depri sa qu e se interco muni can: la materia ordinaria es una co mputado ra que funcio na en gra n medida en par alelo, lo mism o que el port átil supremo y a diferenci a del ag ujero negro. En cua nto a la energía osc ura , no se sabe qué es; no digamos ya cuánta inform aci ón almace na. Pero segú n el prin cipio holográfico, el uni ver so pu ed e almac e na r un máxim o de 10 123 bit s, núm ero cas i igu al al del total de operac iones . Esta igualdad apro xim ad a no es una co incide ncia. Nuestro uni verso se encue ntra cerca de su den sid ad crítica . Si su den sidad hubi era sido un poco ma yo r, podría haber sufrido un colapso grav itatorio, co mo la mat eria qu e cae en un ag ujero negro . Así pues, cumple (o cas i cumple) las condic iones par a ma ximi zar e l núm er o de cómputos. El número má ximo es R2/lp 2, el mismo valor que el núm er o de bit s dad o por el prin ci pio hologr áfi co. En cada era de su historia , el núm e ro máxim o de bit s qu e el uni ver so pued e co nte ner es aprox ima dame nte igu al al nú mero de operacio nes que podr ía haber efec tuado hasta ese moment o. Mie ntras qu e la ma ter ia ordina ria ex pe r ime nta un inm en so nú mero de o peracio nes, la energía os cura se comporta de mu y distinto mod o. Si codificase el núm ero má ximo de bit s autori zado por el prin ci pio hol ogr áfi co , la abrumadora mayor ía de esos bit s no hab ría te nid o tiempo par a ca mbia r de es tado más de una vez en el tra ns curso de la histori a cós mica . Así pues, estos bit s no ordinarios son mero s espe ctado res de lo s có mp u tos efec tua dos a veloc ida d mu cho mayor por un núm ero mu cho me nor de bit s ordi nario s. Sea la ma teria osc ura lo que fuere, no está llevand o a ca bo mu ch a co mputa ción . Ni tiene por qu é: suministrar al uni ver so la materia que se ec ha en falta y acelerar su expansión cons titu yen, en términos co mputac iona les, tareas senci llas . ¿Qué es tá co mputa ndo el un i ver so? Que se pamos, no está pro -
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ducien do una única respuesta a una única pregunt a. Se es tá computando a sí mismo. Conducido y prop ul sa do por el mod elo es tánda r a mod o de pro grama, el univ er so computa ca mpos cuánticos, compues tos quí micos, bact erias, seres humanos, es trellas y galaxias. Mientras computa, va ca rtograf ian do su prop ia ge o metría es paciote mpora l con la pre c isión máx ima permitid a por las leyes de la física. La computac ión es la existencia .
Estos resultad os, válidos para los ord enadores norma les, los aguj ero s negro s, la espuma espaciotemporal y la cos mo logía, dan testi monio de la unidad de la natura leza y po nen de man ifiesto las interconexio nes co nce ptuales de la física fundamen tal. Aunque no se di spone todavía de un a teoría ca bal de la gravita ción cuánt ica, sí sabemos que es ta rá íntima me nt e c one ctad a con la informaci ón cuántica. It fro m qubit ,
3. El UNIVERSO es un orda nadar que consta de compo nentes de dos ti pos. la ma teria (en rojo) es sumamente dinámica; actúa a modo de un ordenador ultrarrápido que comput a en paralelo . l a enero gía oscura (en gris) parece casi estática; procede como un ordenado r secuencial, mucho más lento. Estos componentes han atec tuado conjuntamente tantas operacio nes como consienten las leyes de la fío sica. Computo, ergo sumo
Los autores 5eth L10yd e Y. Jack Ng tienden puentes entre la teoría cuá ntica de la información y la teoría cuántica de la gravitación. lI oyd es profesor de ingeniería mecanocuántica en el Instituto de Tecnología de Massachusett s; ha diseñado la primera computadora cuántica realizable. Ng enseña física en la Universidad de Carolina del Norte en Cha pel Hill. Es tudia la naturaleza fundamen tal del espaciotiempo.
Bibliografía complementaria ULTlMATE PHYSICAL lI MITS TO COMPU TATION. Seth lI oyd en Neture, vol. 406, págs. 1047 1054; 31 de agosto de 2000. FROM COMPUTATlON TO BLACK HOLES ANO SPACE-TIME FO AM. Y. Jack Ng en Physica/ Be view l etters, vol. 86, n.o 14, págs. 2946-2949; 2 de abril de 2001. Corrección de error en vol. 88, n.O13, artículo 139.9021EI 14 de marzo de 2002. COMPUTATIONAL CAPACITY OF THE UNIVERSE. Seth lI oyd en Physica/ Review l etters, vol. 88, n.O23. artículo 237.901 Z; 10 de junio de 2002. THE BLACK HOLE FINAL STATE. Gary T. Horowitz y Juan Maldacena en Jouma/ of High Energy Physics. JHEP02(20041008; 2004.hep-th/0310281. INFORMATION: THE NEW l ANGUAGE OF SCIENCE. Hans Christian von Baeyer. Harvard llni versi ty Press, 2004.
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Estructura del cerebro humano De la investigación centrada en el tamaño y la fo rma del cerebro brotan nuevas ideas sobre el desarrollo neural, las diferencias entre sexos y la evolución humana John S. Allen, Joel Bruss y Hanna Damasio
i el lector viviera en el siglo XIX, los ras gos de su person alidad (ambición, ternura, ingeni o o valor) podrían haber sido ju zga dos en ra zón del tamaño y la form a de su crá neo. La freno logía, así se llamaba ese proceder , fue desarr oll ada por Franz Joseph Gall y Johann Spu rzheim en Viena a principios de la menci onad a centuri a. Los seg uidores de este método declaraban que las "facult ades" ment ales res idían en diferen tes regiones del cere bro, region es que serían ma yores cuanto más acentu ados fueran los rasgos corres pondi entes. Los frenó logos sostenía n tambi én que el cerebro determ inaba la forma del cráneo ; por tant o, el examen del exterior de la caja craneana detectaría el desarr ollo regional del cerebro . Pese a nuestro fundado esce pticis mo sobre esas ex ploraciones del tamaño del cerebro y sus corre latos fun cionales, hemos de reconocerle algo de razón a la vi sió n fre no lóg ica del mundo: la es tructura cerebra l constituye un aspecto fundamental de la neur ociencia, porqu e las funci ones cerebr ales se ejecutan gracias a combinaciones específicas de las regiones impli cad as. En animales com plejos, el tamaño y la for ma del ce rebro reflejan una cohorte de procesos evo lutivos, gené ticos, patológicos, fun cionales y de desarrollo, qu e in teractúan para produ cir un orga nis mo. En las estruc turas nervi osas influye n numerosos fac tores. En ju sta conso nancia, el es tudio del volumen cere bra l, o volume tría, ofrece pot enci alm ent e enfo ques desde perspecti vas diversas. En un contexto evo luti vo, el estudio comp arado del volumen cerebral de diver sas espec ies puede relacion ar datos anatómicos, conductuales y eco lógicos . Las espec ies dotadas de un
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cerebro singular e inesperado, por grande o por pe queño, resultan idónea s para est udiar la influencia de la evo lució n en el tam año cerebral. A es te respec to, Kath arin e Milton, de la Universi dad de Califo rnia en Berkele y, ha sugerido qu e los prim ates frug ívo ros manti en en una relación de cerebro a masa corpora l que es mayor que esa razón en los prim ates folí voros. La auto ra lo atribuye a una mayor exige ncia cognit iva que requi ere la búsqu eda de frutos, dispersos y esta cionales, compar ada co n la búsqued a de hoj as, casi siempre al alcance . La volumetría permite tambi én descubrir patrones de desarroll o intr a e interespecífic os, lo que a su vez su giere hasta qué punto la evolució n podría estar limi tada por reglas impl ícit as del desarroll o neurológico. El es tudio de enfe rmedades neurológicas depende, asimismo, del análisis sistemático del tamaño y la forma cerebrales. Hay niños autistas cuyo tamañ o cerebral es mayor de lo habitu al. En el polo opues to, la enferme dad de Alzheimer causa una progresiva atrofia cere bral. En ambos casos, los procesos patológicos que sub yace n bajo estas alterac iones se manifiestan a través de ca mbios en el volume n cerebral. En resum en, los est udios volumétricos co nstituye n un medi o para co m prender la función cerebral y un fin en sí mismos.
Las herramientas del cambio La neur oanatom ía ha ex per imentado una transform a ción revolu cionaria en los últimos 30 años . Ese sa lto ha sido posibl e grac ias a la intro ducc ión de nuevas técni cas de formac ión de im ágenes: tomografía com put ari zada de rayos X (TC, tambi én llam ada tomo grafí a axial co mputar izada TAC), reson ancia magnéINV ESTIGACiÓN y CIENC IA, enero, 2005
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tica (RM) Y tomografí a de emisión de positro nes (TEP) . Con estas herra mient as, podemos observar la es tru ctur a y la actividad del cerebro co n un det alle sin preced en tes. Para los es tudios es truc turales y vo lum étri cos, el TAC y la RM revis ten un a imp ortancia cruc ial. La tom ografía ax ial, la primera técn ica en desarroll arse, se basa en la disp ar abso rción de los rayos X por distintos componentes cere bra les; apoyada en ese fe nómeno, ex trae im ágen es de las es truc turas int racraneales del sujeto obse rvado . Para sacar una so la imagen, el TAC ha rea lizado mil es de medi ciones singu lares que se va n tomando a medid a que la fuente de rayos X describ e un círculo alrede do r de la cabeza. La reson ancia magnética rec urre a potentes imanes para alinear, de forma transitoria, los núcleos de áto mos de hi drógeno de los tej idos del organismo, en su mayoría corres po ndientes a mol écul as de ag ua. Cuando se desacti va el imán, los nú cleo s en ro tación (o resonancia) tor nan a su estado normal, con libe ra ción de energía en for ma de ondas de radio. La frecuencia de estas on das revela la conce ntrac ión local de hi dr ógen o , que varía de acuerdo con el tipo de tejido (óseo, adiposo, etcétera) . Este proceso ge nera un ma pa muy detallado, no menos fino a menudo que el análisis postm or temo La técnica per mite distinguir entre susta ncia gri s (somas neur o nales), sustancia blanca (fibras ner viosas ais ladas por mielina grasa, más células de sostén) y líquido ce falorraquídeo, o LCR (el líq uido que ocupa las cavidade s intern as del ce rebro y las que lo envuelve n). Ade más, las distintas resonancias mag néticas pueden conjugarse y crear así un modelo virtual tridimensio nal, que puede luego secc ionarse a lo largo de cualquier plano o ángulo.
1. LA TECNICA DE LA TOMOGRAFIA CDMPUTAR/ZADA (TC o TAC, izquierdal consti tuyó una auténtica revolución cuando se introdujo en los años setenta. Las imágenes de resonancia magnética (RM, derecha) propo rcionan una imagen mucho más detallada del cerebro y sus estructuras. Esta técnica permite diferenciar entre sustancia gris, sustan cia blanca y líquido cefalorraquídeo (que aparece en blanco). La imagen de TAC y la de RM son de sujetos distintos. "regiones de interés" (RDI). Abarcan desde exte nsas divisiones estruct u rales (los lóbul os temporal, par ie tal y occipita l, por eje mplo) hasta estructuras men ores (hipocampo o cuer po ca lloso). La locali zaci ón de act ivi dades cerebrales específicas, cuando se conocen, puede tam bié n orie ntar la parcelac ió n anatómica. La RM tridimensional se rea liza a partir de una serie de imágenes contiguas, tomad as una a una. Un aná li sis típi co de alta resoluci ón pu ede tener un grosor de corte de 1,5 milímetros ; eso significa que un cerebro medio se compilaría con un ce ntenar largo de secc io nes. So bre esa base, los programas de proce-
sa mie nto de imágenes "sacan de l cráneo al cereb ro" y nos lo presentan como un objeto sólido, que pode mos seccionar en cualqu ier pla no, rotarlo o reaj ustarlo para acomo darlo a un modelo estándar. Llegados a este punto, podemos redefi nir las reg io nes de interés de limitando el con torno de una es tructura de la superficie cerebral. Estas señales se tra nsfie ren a cor tes "coro na les" (parale los al plano que for ma el ro stro) para defi nir la regió n en cada imagen. Se suma el vo lume n de la RDI (el área mul tiplic ada por el espesor de l corte) , de cada sección, para así obte ne r el valor ge nera l. Lo s es tudios ci
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Trazando líneas Se llama parcelación a la div isión de l cere bro en regiones. Puede aco meter se de vario s modos, acordes con los objetivos de la investiga ció n y méto dos dispon ibles . En la RM , la parce lació n emplea hit os anatómicos visibles -surcos (plie gues) y giro s (protuberanc ias) de la supe rficie del cere bro- para crear INVESTIG ACi ÓN y CIENCI A, enero, 2005
2. UNA IMAGEN TRIDIMENSIONAL DE RM (izquierda ) permite observar un cerebro vivo de forma tan precisa como la visión que se tiene del mismo durante una intervención quirúrgica (derecha). En la fotografía de la intervención quirúrgica se indican los princi pales surcos (pliegues) como sigue: en amarillo la cisura de Silvio, en verde el surco temporal superior, y en azul y rojo dos partes del surco precentral.
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a
Visión lateral
Surco central
Secc ión coronal
Cingulada
Frontal
Visión medial
Surco cingulado
Temporal
3. SE DENOMINA PARCELACION al proceso de dividir una imagen de resonancia magnética en regiones de interés. El proceso se rea liza en dos pasos que se muestran en 8 . Se empieza por iden tificar los surcos y otros puntos de referencia en las superficies externa e interna de un modelo t ridimensional del cerebro . En un segundo paso, se delimitan a mano las llamadas "regiones de interés" en secciones coronales generadas por ordenador. Las líneas gruesas
tad os en este ar tícu lo, y muc hos otros en este ca mpo , se han llevad o a ca bo medi ant e el laborioso proce so de trazar manu alm en te en cada imagen las RDI. Se es tá trab aj an do so bre métodos pa ra auto matiza r el proceso, pero nin gun o de ellos
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blancas indican el plano coronal. La parte b muestra un cerebro en el que los lóbulos y la circunvolución cingulada se han marcado en color. Más abajo se muestran 10 secciones coronales (de la 8 a la ¡) que representan menos del 10% de todas las secciones en las que se ha realizado el trazado manual. El lóbulo frontal está coloreado en rojo, el temporal en azul, el parietal en verde, el occipital en amarillo y la circunvolución cingulada en morado.
alca nza to davía la prec is io n del trazado manu al de un experto ana tomist a . Por lo que co ncie rne a la repr e sentac ión vis ua l de es truc turas ce rebrales, la reso na nc ia magn éti ca tiene a su favor la nitidez co n que
del imita la sustanc ia gr is, la sustan cia blanca y el líquido cefalorra qu ídeo. Se está in vestigando la ra zón de materia gris a mat eria blan ca en di versas es tructuras, a través de métodos automá tic os (aquí sí reco mendables) qu e permiten seg me n-
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
tar im ágenes de RM en tal es ca te gorías .
Genes y cerebro Del desarroll o y la evo lución del cerebro respond en los procesos gené tico s subyacentes . Va rios grupos de investi gaci ón es tán es tudia ndo los mecani sm os ge né ticos de la es truc tur a y el vo lume n del cer eb ro hu mano. Hay qui en opta por basarse en las imágen es de RM para obse r var el vo lume n cereb ral de melli zos y ge me los . Los resultad os abona n la idea de que la ca pac ida d cra nea na es un rasgo co n un fuerte com pon ente her editario ; as imis mo, la mayoría de las va riac io nes en el vo lumen tot al o hem isféri co pued en atribuirse a factores ge né ticos. Willi am Baar é y su gr upo, del hospital clíni co de la Univers ida d de Utrec ht, sos tie ne n qu e, en el tra bajo por ellos reali zad o, los ge nes pod ían ex plicar la mayoría de las di fer en cias de vo lume n cer ebral: el 90 % para el encéfalo e n cuanto tal , el 82 % para la sus tanc ia gris y el 88 % para la sus tanci a blanca. Hay, sin e mba rgo, un par de im portant es ca rac ter ísticas neuroan a tómicas qu e se mani fi e stan exen tas de un co ntro l ge né tico es tricto. Ba aré subraya ba la tenue influen cia de la her en ci a en el tam añ o de los ve ntríc ulos later ales, cav idades internas del ce re bro llen as de lí quido cefalorra quídeo . E n otro tra bajo, Alyc ia Bartl ey y su equipo, del In stituto Nac io na l de Salud Me ntal de Es tados Unidos, decl a raron que los pat rones de surcos y giros ev ide ncia ban entre los melli zos mon oci góti cos (ge me los) una ma yor se mejanza qu e entre los di cigó ticos (me llizos di stintos). Ahora bi en , en a mbos grupos los herm a nos seguí a n sie ndo mu y difer ent es unos de otros, es pec ia lme nte e n los s urcos m ás pequ eñ os . Así pu e s, mi entras qu e el volume n glo ba l de los prin cipales secto res ce re bra les se enc ue ntra baj o un fue r te co ntro l ge né tico , las regi ones men or es pu e den se r más sens ib les a la influen cia del e nto no. Es tas observac io nes so br e la co n tribuc ió n resp ecti va de ge nes y a mbiente al fen otipo so n de gran utili dad para co mpre nde r la evo luc ió n del ce re bro human o, otro ca pí t ulo de la in ve sti gaci ón volumétri ca.
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Frentes altas sobre cejas bajas Dura nte deceni o s se ha ve nido de bati en do la hipót esi s seg ún la cua l la ex pa ns ió n del lóbulo fro ntal se acele ró en el curso evolutivo de los h om ínid o s. C ua n do co mpa ra mos nu estra fre nte alta co n la fre nte in clinad a de nuestr os pari ent es vivos más ce rca nos (los c himpa ncés) y de nuestr os parient es ex ti ntos (los nean dertales), la hipót esi s par ece obv ia. Las func io nes cere brales en las qu e el lóbul o fro nta l dese mpe ña un pap el cruc ial (le ng uaje, pr e vis ió n y jui ci o) representan di fe ren cias cog nitivas imp ortant es e ntre nosot ro s y el rest o de los anima les . Po r lo tant o, la idea de qu e el ló bul o fro nta l se expandió despro p or ci on adam en te durante la evo lu ci ón de lo s hom ín id os res ulta co herente . L a tesis qu e igu ala un lóbul o fro n tal gra nde co n la intel igen cia se hall a tambi én mu y arra iga da en la im agin ación popular. Se da por des co ntado qu e las facultades men ta les se e nc uen tra n asoc iadas a las
region es fro nta les . Pe ro, ¿qué hay en ello de cier to? En in vesti gaci on es reci ent es se han apl icado las técnicas de for mación de im ágen es al es tud io de la expans ión relativa del lóbul o fron tal en el curso de la evolución de los hom ínidos. Ka terina Se me nde fe ri, hoy en la Unive rsi da d de Ca lifo rn ia en Sa n Diego, recu rri ó a la RM par a co mparar el tamaño prop or ci on al del lóbulo fro nta l de los hum an os resp ect o al de otros pri mates. Se me ndeferi desc ubrió que la cor teza fro ntal (s ustancia gris) y el ló bul o fro nta l en su integrid ad (in cl uidas las sustanc ias gris y blanca) tenía n prop orci ones rel ati vas mu y simi lares en hum anos, ora ng uta nes, gori las y chimpa ncés . En es tas cua tro especies, el lóbul o front al con side rado en su co njunto co mp re ndía entre un 33 y un 36 % del total del volume n cerebral; la co rteza fro n tal supo nía entre un 36 y un 39 % de la sus tanc ia gr is cerebra l. Pese a que el cere bro hum an o vie ne a tr ip lica r el de un an tro po ide, los an áli si s de regresi ón de
4. LA SEGMENTACION AUTOMATICA de las imágenes de RM es una herramienta muy útil para la dete rminación del volumen de los diferentes tipos de tejido cerebral. En a se muestra la imagen de RM original;, en b, e y d, las imágenes del líquido cefalorraquídeo, de la sustancia blanca y de la sustancia gris, respectivamente, generadas por ordenador.
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Chimpancé
Gibón
5. EL CEREBRO HUMANO es notablemente mayor que el del chimpancé, pero las principa les áreas cerebrales tienen proporciones similares, a pesar de las diferencias en la funcio nalidad de dichas estructuras. Sin embargo, las proporciones relativas de los cerebros de los humanos y los chimpancés difieren de las que caracterizan a un "prima te meno r", el gibón. El surco precentral se muestra en amarillo, el su rco cent ral en rojo y la cisura de Silvia en azul. Los cerebros está n mostrados aproximadamen te a la misma escala.
los datos indicaro n que la propor ción de lóbul o fro nta l no es mayor de la es perada para un pr ima te con un ce re bro de l tamaño del nuestro. En ca mbio, las proporciones de nu estr o s ce rebro s son di stintas de las que caracterizan a un " pri mate menor" (gibo nes de cuerpo pequ eñ o) y de las proporciones de dos es pecies de mo no s (mono rhe sus y mon o cap uc hino ) que tie nen lóbul os fro ntales significativamen te men ores. Seme ndeferi sugiere que la evo lución de lóbul os fron tale s, gran des e n pr op or ción , sucedió des pués de que el lin aj e de hum anos y gra ndes pri mat es se desgajara del linaje del resto de primates an tropoid es (hace entre 20 y 25 mi llones de años), pero antes de la dive rge ncia de los homínidos du rante el Mioce no tardío (entre 5 y 10 millones de años atrás). Por tanto, la expansión del lóbu lo frontal no consti tuye una adquisición rec iente de los hum anos. Esta investigadora ofrece diver sas hip ót esi s sobre los orígenes del aume nto cerebral y del cambio cogn iti vo en la lín ea de los homí nidos. Estas características pudie ro n haber surgido tras una reorga nizaci ón cortical de determinados subsec tores del lóbulo, de un aumen to de la conectividad entre regiones concretas, de cambios en la cito arqu itectura reg ion al o de la ca m 72
binació n de tal es procesos. La s pruebas recabada s de la ana to mía comparada apoyan las tre s pos i bilida des .
Formación de lóbulos Nuestro trab ajo sobre propo rcio nes de vo lume n ha abor dado tambi én la exp ans ió n de l lóbul o fro nta l. Hemos hall ado qu e la va riac ió n del tamaño tota l del cere bro es mu cho mayor que la variació n de las proporciones de los lóbulos prin ci pales. En otras palabr as, las perso nas difiere n por el tamaño de su cere bro más que por las razo nes de proporc ión entre las princ ipales re giones cerebrales. Esto res ulta par tic ularmen te ev idente si co mpara mos varo ne s y muj er es. A pesar de l cerebro mayor del varón, las relaciones de proporción de los prin cipa les lóbul os son similares. En ambos sexos, el lóbul o frontal su po ne aprox ima dame nte el 38 % de los hemi sferios (co n una variación entre el 36 y el 43 %) ; el lóbulo tem pora l, el 22 % (co n una variació n entre el 19 y el 24 %); el lóbul o parieta l, el 25 % (co n una osc ilación entre el 2 1 y el 28 % ), Y el lóbu lo occ ipita l, el 9 % (con una osc ilación entre el 7 y el 12 %). Nóte se que estos valores divergen ligeramente de los de Semendefe ri; tal discre pancia se debe a que el pa trón de parc elac ión aquí incluye más sus tancia blanca subcortical.
La comparac ión del volumen de los lóbulo s frontal y parietal ha dado otro giro a la investigación. Según cabía esperar, las personas con ló bulos fro ntales mayores present an tambi én lóbul os parietales mayores; ambos refl ejan un tamaño cerebra l mayor. Sin em ba rgo, despu és de tener en cuenta las dimensiones glo bales, descub rim os que existe una corre lación negativa significativa en tre el volumen del lóbul o front al y el del lóbulo pariet al: las personas con lóbul os frontales mayore s tie nen lóbul os pari etales menores, y viceversa. Puesto que la frontera en tre estos dos lóbulos, el surco cen tra l, aparece en una fase precoz del desarrollo cerebra l, llegam os a la conc lusió n de que tal relación in vers a refl ej a, a buen seg uro, fac to res genético s, no fac tores ambien tales. Su curso y posición se hall an est rec hame nte determinados por la herencia. La correlación negativa indica que la ex pansió n del lóbulo front al du rante la evo lución de los homíni dos se produj o, presumiblement e, a expe nsas de un lóbul o parietal me nor. Además, la co ntracción del ló bulo parietal tiene poco sentido desde un punt o de vista cognitivo. Después de todo , las áreas asoc iativas del lóbulo parietal revisten interés sin gular para las func iones lingüí sti cas ; asimis mo, el uso de herra mientas, una peculiaridad distintiva de la evolució n de los homínid os, de pe nde de las co nex io nes e ntre los lóbul os fro nta l y parietal. En consec uencia, es posibl e que haya ex ist ido se lecc ión co ntra una ex pansión relativa del lóbulo frontal si ésta compro me tía las funciones del lóbulo pari etal. A la vis ta de estas prueb as, el lóbul o fro ntal cre cería al mism o tiempo qu e otr as reg io nes princip al es del ce re bro, en el transc urso de los dos últimos mill ones de años . Una tercera per specti va sobre la evo lució n del lóbul o fro ntal pr o viene de un estudio con TAC reali zado sobre cráneos de varios fós i les de homínid os del últim o medi o mill ón de años . El grupo enca be za do por Fre d Book stein , de la Univers idad de Michigan, comparó los cráneos de homínidos extintos co n el del hombre mod erno. Lo s miembros arcaic os del género Horno INVESTIGACiÓ N y CIENCIA, enero, 2005
alcanzan una capaci dad cr ane an a igualo superior a la del modern o Homo sapi ens sapiens. Sin embargo, los hueso s del cráneo y rostr o son mu y gruesos y robusto s; la mayorí a presenta arco s suprac iliares promi nentes, as í como cierto grado de prognati smo mesofacial (nariz pro tuberante), rasgos que, sumados, dan la impresi ón de una frente baja e inclinada. Pese a tal es diferencias ex tern as, Bookstein mostr ó, mediante el re curs o al an áli sis de Procusto, que el interi or de la bóveda cran ean a era idéntico. Este método estadís tico utili za una serie de int er valos flotantes entre puntos de referen cia anatómicos fijo s par a es tanda rizar la medición de tam año , po si ci ón , orientaci ón y, finalm ente , form a. (Proc usto fue un salteador de la mitología grieg a qu e for zaba a sus víctimas a acostar se en una mi sma cama, independi ent em ente de su estatura; para ello mutilaba o estiraba a sus víctimas según fuera necesari o. ) Lo s autores determin a ron que la forma int erior del hueso frontal (y presumiblement e la forma del propio lóbulo fro ntal ) no ha experimentado alt er aci ón en los úl timo s 500.000 año s, pese a los cam bio s sustanciales en la mor folo gía exterior del rostr o.
Sexo en el cerebro De los estudios postmortem y del análi sis de las imágenes de reso nancia magnétic a se desprend e que, en promedio, el cer ebro del varó n es may or que el de la muj er, inclu so despu és de aplicar una corre c ción seg ún el peso co rpo ra l. Al pa recer, no se trata de un dimorfismo
rec ten adquirido, puesto que otro s primates siguen patron es simila res. Pero el tamaño no es la úni ca di fe rencia. To do indi ca que la muj er tiende a tener una proporción de sus tancia gris mayor que el varón. Hemos hecho ya públicos nues tro s result ados del examen de las diferencia s entre estruc turas cere br ales de hombres y muj eres. En promedi o, los ce rebros masculinos ( 124 1 centímetros cúbicos de me di a) son apr oximadament e un 12 % mayores que los femeninos (1100 ce ntímetros cúbicos de medi a), co n un solapamie nto co nsiderable entre lo s dos grupos . La di sp aridad apreciada no pa recía impli car difer encias ligad as al sexo en el volumen hemi sféri co, puesto que la mayorí a de los varo nes y mujeres poseían hemi sferios der echos mayor es que los izqui er dos. En gener al, las diferencias se xuales en cada uno de los lóbulos cer ebral es refl ej aban las diferen cias del cerebr o co nside rado e n su globalidad. Sin embargo, el lóbul o occipital, que pro cesa la inform a ción visual, present aba un dim or fi smo sex ual menor que otras es tru cturas. Nues tra seg me ntación del cerebro en sustancias gris y blanca reveló que las muj eres tení an una prop or ción media de mat eri a gris a mate ria blan ca de 1,35 ; en los varo nes era de 1,26. Tal proporción mayor en las mujeres parece causada por un a menor ca ntida d de sus tanc ia blan ca, y no por una mayor ca nti dad de sustancia gris. Los homb res tenían, en prom edi o, un 9,3 % más de sustancia gris que las mujeres, pero el incremento en el volumen
6. LOS INVESTIGADORES PUEDEN MANIPULAR las imágenes de RM para visualizar estructuras "escondidas" bajo la superficie de la corteza cerebral. En una visión lateral !izquierda). el giro de Heschl Queda oculto (rojo). y el plano temporal (azul) apenas
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
de sus tancia bl anc a era cas i dos veces mayor (17, 4 %). Cuando ana lizamos la covarianza de este grupo de dat os, la diferenci a en la pro porci ón desapareció una vez nor mali zado el volumen de sustancia blanc a. De los análisis se desprendía que la variabilidad en el vo lumen de sus ta ncia blan ca había sido el fact or de mayor peso en las dife rencias entre sex os . A propósit o del dim orfi smo se xual, la investi gación ha prestado espec ial atenci ón al cuerpo ca lloso . Esta banda poderosa de sus tancia blanca pon e en co nex ión a los he misferios derecho e izquierd o. En un comienzo , se sugería que podía ser mayor en mujeres que en varo nes. Pero hoy se privilegia la tesis opu esta: es mayor en los varo nes, co mo refl ejo del mayor tamaño glo bal del cere bro masculino. Por nues tra part e, hemos observa do que el cuer po calloso es un 10 % mayor en el var ón; sin embargo, en la mu j er co ns tituye un porcent aje signi ficativa mente mayor del total de sus ta ncia blanca (2,4 % frente a un 2,2 %). Este detalle apunta una ex plica ción de la mayor proporción de sus tanci a bl anca en e l varó n. En imá genes de RM, la mayor part e de la sus tanc ia bl an c a inclu ye axo nes mielini zados, células de la glía y vasos sa nguíneos . Por el co ntrario, la sustancia blanca del cuerpo ca lloso co ns ta, en su ma yor part e, de fibras axó nic as . As í pu es, si el cuer po ca lloso refl eja la proporción de axones de la sustancia blan ca, entonces el varón podría tener más compone ntes no axo na les (g l ía, va sos sang uíneos) en el conj unto de
es visible a lo largo del borde inferior de la cisura de Silvio. La extracción de los lóbulos frontal y parietal (centro) deja al des cubierto estas áreas en la superficie superior de cada lóbulo temporal (derecha.)
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su sustancia blan ca. En otras pala bras, el "exceso" de susta ncia blanca en los hombres (subyacente a una prop or ción menor de sustancia gris a sus tancia blan ca) no represe nta pr ob abl em ente un gra n aume nto de la co nec tiv ida d en el ce re bro masculino.
Deshaciendo un viejo cliché ¿Qu é nos reve lan es tas di ferenci as de vo lume n sob re el funcionamien to real del ce re bro de varó n y del cerebro de mujer? Cuando, a prin ci pios de los años oc he nta, se sugi rió el dim orfismo sex ua l del cuerpo calloso, mucho s asoc iaro n el "ma yor" tamaño de la est ructura en las muj er es a un mayor grado de co mun icación entre los dos hemi sfe rios. Se rem ach aba así el es tereo tip o de que, en la muj er , la mit ad der ech a "e moc io nal" y la mit ad izqui erda "a nalítica" se hall an en un cont acto más int en so. Sa bemos aho ra qu e la muj er no tien e un cuer po ca lloso mayor qu e el del varó n. En promedi o, el ce rebro de varó n supera en más de 100 ce ntímetros cúbicos el de la muj er. ¿Repe rcute esa diferen ci a anató mica en la ca pacid ad cog nitiva? No, por varias razon es. En primer lugar, pese a que el dimorfismo sex ual en cuanto a volumen cerebral per sista tras una correcc ió n seg ún el peso corpora l, algunas de las variac io nes pued en atribui rse a las dim en siones fís i cas de las per son as. En un meti cu loso es tudio con im ágenes de RM (en el qu e se pr estó la mi sm a aten ció n al tam año cere bra l y corpo ral), Michae l Peters y su gru po, de
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7. LAS PERSONAS CON SORDERA CONGENITA presentan menos sustancia blanca que los controles en el giro de Heschl, una región primaria de procesamiento del sonido. El contorno del giro de Heschl se ha destacado en verde. La imagen original de RM se ha segmentado en sustancia gris y sustancia blanca para permitir la comparación .
la Unive rsi da d de Gue lph, enco n traron qu e la diferenci a de volu men ce rebra l entre un sexo y otro disminu ía dos tercios cuando se in cluía la altura co mo covaria ble. Además, las diferencia s de volu me n entre sexos sig uen una distri buci ón hom ogén ea a lo largo de los lóbul os ce rebra les. No ex is te una región "es pecífica del sexo" con una prop orción indebid a qu e pue da ex plica r la diferencia en el vo lum en total. Es te patrón difu so indica qu e será di fícil e nco ntrar diferencia s funcionales qu e se co rrel acion en co n di fer en ci as en el volumen tot al. Aún más, ex iste un patrón similar de dim orfi sm o se xual en otras es pec ies de prim ates: las difer enci as entre sexos en el volume n ce rebra l surg iero n antes de que se produjeran los profund os ca mbios en el tamaño ce re bral y la cog nición qu e fueron apar eciend o en el transcu rso de la evo lución de los homíni dos. Nues tro rech azo de la interpre taci ón func io na l del dimorfi sm o sex ual del volumen cerebral total - pues refleja qui zá nuestr o or ige n primate más que la adquis ición de adaptac iones cog ni tivas- no im pli ca que negu em os la ex is te ncia de difer enci as funcio na les -es truc turales entre homb res y muj eres en la anatomí a cere bral. Al co ntrario ; ca be es pe rar qu e los ca mbios se den de una form a más sutil, en re
giones o circ uitos cerebrales con cre tos que estén asociados a con ductas específicas que muestren di morfi smo sex ual (por eje mplo, las tareas opticoes pacia les) .
la marca del silencio El giro de Heschl es una pequ eñ a estruc tura en la parte superio r del lóbul o temporal, enterrada dentr o de la cisura de Si lvio. Es important e por qu e marca la posición aprox i mada de la corteza aud itiva prim a ria, la región cerebral donde se pro ces an inicialmente los sonidos. Pero, ¿cómo se desarrolla el giro de Heschl en las personas qu e nunca han oído nin gún sonido en su vida? El exa men del giro de Heschl en indi vidu os sordos se relac iona co n una serie de est udios, ya clásicos, en ani ma les qu e evi de nc ia ro n la necesidad de la presencia de infor maci ón senso rial dur ant e períod os cruc iales del desarrollo del sistema ner vioso. Cuando se bloqueaba la aferencia de información sensorial a los animales (por eje mplo, tapán doles un ojo), no se desarrollaban las estructuras cere brales que reci ben esas proyecciones. Ni que de cir tien e qu e ese tip o de ex pe ri mentos no pued e rea lizarse e n hum anos. Y de hecho di sponemo s de escasa información dir ecta so bre el efec to de la privación se n sorial sobre el desarrollo del cere bro humano. En busca de una salida,
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
colaboramos con Karen Emmorey , del Instituto Salk , para es tudiar, me diante im ágenes de RM de alta re solución, los volúmenes de las sus tanci as gris y blan ca en el giro de Heschl de indi viduos con so rde ra congénit a y en indi vidu os de audi ción norm al. Medimos el vo lumen del giro de Heschl y de otras regiones en ce rebros de 25 indi vidu os con sordera co ngénita y en 25 controles, de igual sexo y edad que los anteriores . Una de estas áreas, el plan o temporal, bord e a e l giro de Heschl y es tá implicada en el procesami ent o se cundario del sonido. Esta estructura constituye una de las re giones más asimétricas del ce rebro, siendo ma yor en el hemi sferi o izqui erd o que en el derecho. Antaño se pensó in clu so que es ta asim etría podía ha ber evolucionado con e l len guaje hablado. Pero enco ntra mos un pa trón simila r en los chimpancés; por tanto, las funciones lin gü ísti cas de lo s hemi sferios debi eron hab er se desarrollado en el co ntex to de una lat erali zación preexistent e (al me nos en es ta áre a) . El pl an o temporal fu e igual en los suje tos sordos y oyent es. De eso se despr endía que la estructura de es ta región no parec e ve nir co ndi cionada por la entrada de informa ción sens orial. Si n embargo, en el giro de Heschl sí obse rva mos di ferencias: la ra zón de sus tancia gr is a sus tancia blan ca era bastant e ma yor en lo s suje tos sor dos qu e en los co ntroles . El aumento obedecí a a una reducción del volume n de la
susta ncia blanca, puesto que la can
tidad de sustanc ia gr is (des pués de
la norm ali zación ) varió muy poco
entre los sujetos sordos y de audi
c ión norm al.
Cree mos que la pri vación audi
tiva desde el nacimi ent o puede ha
ber co nducido a una co mbinac ión
de una menor mielini zación, núm ero men or de co nex iones co n la cor teza auditiva y una desaparición gra du al de las fibras axo nales en de suso. Esta parte del ce rebro no está mu ert a, pues respond e a es tímulos no auditivos. Pero nuestros res ulta do s indi can qu e la ex pos ic ió n al sonido podr ía repercutir en el de sa rro llo anatóm ico de es ta región se nsorial prim ari a.
Llenando el vacío Dada la co mplej idad de la cues tió n y el núm ero de aspectos que deben se r investi gad os, los es tudios vo lum étr icos del cerebro hum ano se encuentran todav ía en sus inic ios. N i siq uie ra hem os es ta blec ido el rango de variabilidad del cer ebro humano. Se necesita más investi gación norm ati va. A pesar de que las imágenes de RM han sido uti lizadas en cientos de estudios so br e es q uizofre n ia, la enfe rme da d de Alzhei mer y el autismo, la in formación volumétrica no constituye aún un co mpo nente estándar en la dia gnosis clínica. Co nfiamos en que la próxim a ge nerac ión de trabajos de RM de alta resolución añadirán más capac idad analítica para ahon dar en la vinc ulación entre est ruc tura y función cerebral.
ha publicado sobre el tema, entre otros, los siguientes artículos:
Reconsideración del cerebelo, deJames M. Bower y Lawrence M. Parsons Octubre 2003
Fármaco s potenciadores del cerebro, de Stephen S. Hall Noviembre 2003
El control del est rés, de Robert Sapolsky Noviembre 2003
Bases moleculares de la esquizofre nia, de Daniel C.Javitt y Joseph 1. Coyle Marzo 2004
El cerebro adicto, de EricJ. Nestler y Robert C. Malenka Mayo 2004
El shock y sus cau sas,
Los autores John S. Allan enseña en el departamento de neurología de la facultad de medicina de la Universidad de lowa, en cuyo laboratorio de neuroanatomía y neuroimagen inves tiga Joel Bruss. Hanna Damasio, directora de dicho laboratorio, comparte esa tarea con la docencia universitaria. © American
Scientist Magazine.
de Donald W andryy Juan A. Oliver Junio 2004
Lipotoxicidad y diab etes, de Gema Medina-Gómez, Chris Lelliot y Antonio Vidal Puig Septiembre 2004
Bibliografía complementaria
Detección de la enfe r me dad de las vacas locas,
HU MANS AND GREAT AP ES SH ARE A LARGE FRDNTAL CDRTEX. K. Semendeferi, A. lu , N. Schenker y H. Oamasio en Nature Neuroscience, vol. 5, págs . 272·276; 2002.
de Stanley B. Prusiner Septiembre 2004
SEXU AL OIMDRPHISM AND ASYMMETRIES IN THE GRAY-WHITE CDMPDSITIDN DF THE HU MAN CE· REBRUM. J. S. Allen, H. Damasio, T. J. Grabowski, J. Bruss y W. Zhang en Neuro Image, vol. 18, págs. 880·894; 2003. A MDRPHDMETRIC ANALYSI S DF AUDITDRY BRAIN REGIDNS IN CDNGENITALLY OEAF ADULTS. K. Em morey, J. S. Allen, J. Bruss, N. Schenker y H. Oamasio en Proceeding of the National Academy of Scíences of the U.S.A., vol. 100, págs. 10.049·10.054; 2003.
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Prensa Científica, S.A.
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Brechas en la defensa antimisil Es dudosa la eficacia del sistema defensivo antimisiles desplegado por los Estados Unidos Richard L. Garwin Fotografía de Paul Shambroom
a Age ncia de Defensa Antimisil (MDA , "M issile Defense Agency") del Pentágono ha instala do en los últimos meses seis co hetes int erceptores - dise ñados para a lcanza r misil es balísti cos en plen o vue lo- en silos emplaz ados en Fo rt Gree ly (A las ka). En el moment o en que se cerra ba este número, se acababa de instalar otro en la base aérea de Va nde nberg (California). Está previ sto que para finales de 2005 se hayan despl egado al gunos misil es más en ambos lugares. [El 15 de dici embre, una prueba de este sistema de int er ce pción fracasó . Se desconoce aún có mo afectará a los plan es.] En el tran scu rso de los próxim os años, la MDA pretend e reforzar ese rudimenta rio sistema de defensa e n pleno vuelo co n más interceptor es, rad ares ava nzados y satélites de vi gilancia. T al despli egue pretend e co ntrarres tar la amenaza de ataques co n arm as nucl ear es o bioló gicas lanzada s medi ant e misil es balísti cos inter continentales (ICBM) po r algún enemigo poten cial (Co rea del Norte o Irán). Pero, pese a los más de 80.000 mill on es de dó lares invertidos en el esc udo antimisil es tado uni dense desd e 1985, este sistema no podr á ofrece r una defen sa só lida du rant e mu chos año s, si es
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qu e lo co nsigue algún día . Las presiones políti cas por afirmar la seg uridad de EE .UU . fre nte al ataque de un ene migo poten cial han desemb o cado en un sistema de defen sa incapaz de res pond er ni siquiera a las amena za s más inm edia tas , pro ced entes de las pot enci as misilísti ca s emerge ntes. El sistema de ataque en plen o vue lo de la MDA está co nstr uido para intercept ar mi siles de largo alcance disp arados a miles de kil ó metros de EE.UU., pero nada pu ede hacer para detener un misil de co rto o medi o alcance lan zado desde un bar co frent e a las cos tas estado u nid enses. Lo que es más, es prob able que dicho s co hetes int ercept or es no resulten eficaces ni si qui era co ntra los misil es de largo alca nce, puesto qu e el ene migo podría fác ilme nte equipar sus ICB M co n sencillas contramedidas, hart o efec ti vas para burlar el actual sistema de defen sa . La necesidad de un siste ma de defen sa anti misil es ro bus to result a inc ues tiona ble. La cap a cida d destru cti va de las ojivas nucl eares es tan atroz, qu e sería irr esp on sabl e no desarrollar pro ce dimie ntos para ev itar su alcance . Pero, en vez de apres urarse a despl egar un sis tema inefi ca z, más valdría que los es tados may or es y los pol í ticos se ded ica ran a eva luar la magnitud de las
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amenaz as y a es ti mar la capac idad de las es tra teg ias defen si vas pro puestas. E l Pent ágon o deb er ía ce n tr arse en los misiles de cruce ro y balísticos de corto y medi o alca nce, peli gro s és tos más próximos. Los fo ndos qu e se dedi can al actua l sis tema de defen sa en plen o vue lo de la MDA deber ían destin ar se al de sarro llo de progr amas alt ern ati vos co n po sibilidades reales de det e ner un IC BM .
Lo esencial de la defensa antimisil Los sistemas de int erceptación de misiles se agrupan en tres catego rías básica s: termin al, en fase de pro pul sión y en pleno vue lo. La de fensa termin al tiene por obje to de tener la oj iva en la fase final de su trayectoria, cuando se halla a me nos de un minut o de di stancia del bl anco ; reviste suma imp ort anci a aseg urar qu e la int er ceptación se produ zca antes de que la oj iva esté tan cerca del obje tivo qu e termine por dañarlo. Por tanto, proteger los edificios y habit antes de una ciu dad entra ña mayor difi cultad que co nse rva r misil es en silos de hor mi gón endurecido para co ntraa ta car al prim er env ite (y dis uadir así al enemigo) . Para defend er un nú cleo urbano, los int erceptores deben excluir de la ex plos ión nucl ear un área más ex tensa y destruir la oj iva a una altitud mayor. Además, puesto que una ciudad resulta harto más valios a que un silo de misil es, la fiabilidad de la int erceptación debe ser tambi én mayor. Por dar cifras : una cabeza nucl ear de un megatón debería int ercept arse a un a altitud mínim a de 10 kil ó metros para evita r que el calor de la bomb a de hidrógeno incin era se la ciudad. Asi mis mo, el cohete in tercept or no podría lanzarse hasta que la oj iva penetr ase en la atmós fera; sólo así el sistema de defensa podr ía distin guir entre el arma ver dadera y los señuelos inocuos que la acom pañan. Tantas limitaciones se traducen en que los int ercept o res no pu ed en emplaza rse a más de 50 kil ómetros de la pobl ación . Así, a menos que el Pe ntágo no esté pre par ado para alfo mbrar el país de interceptores, result a man ifiesto que la defen sa terminal no ofrece una respuesta adec uada a la ame naza que
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1. UN MISIL MINUTEMAN MODIFICADO operó como cohete interceptor en una serie de controverti dos ensayos del sistema estadounidense de defensa antimisiles entre 1997 y 2002. Disparados desde el atolón de Kwajalein, en el Pacífico central, los interceptores destruyeron las falsas ojivas en cinco de los ocho intentos. Sin embargo, se trataba de una simulación del ataque de misiles balísticos poco realista.
supondría n unos cuantos ICBM co n carga nucl ear. Inc luso el despli e gue de un esc udo antimisil hermé tico de varias ciudades imp lica ría dej ar otras al descubierto y, por tant o, co nvertirlas en blanco de fá cil alca nce .
En el caso de la intercept ación en fase de propul sión, el misil debe inu tilizarse dur ante los primeros minu tos de su vuelo, cuando todavía está ascendie ndo . Ello se traduce en com pleja s ex ige ncias téc nicas para el in tercept or. Tras des pegar, un ICBM
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típico describ e un arco asce ndente con una aceleración medi a de unas tres g (tres veces la aceleración de la grave dad en la superficie terr es tre), alca nza ndo una velocidad de siete kil ómetros por seg undo en 250 seg undos . Supongamos que el in terceptor dispone de 200 seg undos para atrapar al lCBM (es decir , que se lan za despu és de menos de un minuto del despegue del lCB M) y qu e deb e recorrer 500 kil óm et ros desde su base hasta impactar co n tra el misil enemigo. Para cubrir esa di stancia deb er ía despl azarse co n una aceleración co ns tante de unas 3,5 g durante los 100 primeros segun dos y a una veloc idad tras el apa gado del cohete de 3,33 kilóm etros por seg undo durante los 100 se gundos siguientes . Si el intercept or necesitara volar 1000 kilómetros, de bería dobl ar la aceler aci ón y la ve locidad de extinción. Para derribar lCBM lanzados desde cualquier punto de Corea del Nor te, los int erceptores en fase de propul sión apo stado s frente a la cos ta de este país o en una nación vec ina, de berí an recorrer hasta 1000 kilóme tro s, po r lo qu e ne cesit ar ían una velocidad tra s el apagado de seis a ocho kil ómetros por seg undo . Para derribar misiles lanzados desde Irán, sin embargo, dado que se trata de un país más extenso , los intercep tores requer irían veloc idades tras el apagado de unos 10 kilómetros por seg undo . Puesto que deben alcan zar esa velocidad en tan sólo 50 se gundos, deberían mantener una ace leración medi a de 20 g . El ejé rcito norteam ericano ya tiene ex perien cia en este tipo de int erceptores; en los años sese nta, ensayó un pequeño
misil que alcan zaba en pocos se gundos una aceleración medi a de 260 g. La intercepta ción en fase de propulsión se mue stra más prome tedora qu e el láser aerotranspo r tado, una plataforma de defensa al ternati va que intentaría inutilizar los lCBM enfocándolos con haces de lá ser durante su ascenso. De con s trucción y operación carísim as, este láser a bordo de aviones resultaría inútil para derribar misile s a di s tancias superiores a 300 kilómetro s. La intercept ación en fase de pro pulsión entraña mayores dificultades cuando se trata de lCBM lanzados desde China o Ru sia . Esos países son tan vastos que los interc eptor es apostad os fre nte a la costa no lo grarían alcanza r los misiles durante su ascenso. Los interceptores deberían instalarse en órbita, con el con si guiente incr emento de los costes. Aunque lo s inter ceptores es pa cia les en fa se de propulsi ón for mab an part e de la Iniciati va de Defensa Estratég ica ori ginal , pro puesta hace veinte años por el pre side nte Reagan , a fin ales de los no venta el Pent ágono decidi ó centrar su ate nción en los sistemas de in terc ept ación en plen o vue lo, con ce bidos para destruir la oj iva del misil mientras és te se hall a por en cima de la atm ósfera, abal an zándose sobre la tierra desde el vértice del arco de su trayectoria . Por esta razón, el sistema de defen sa antimisil que es tá de spl egando la MDA cons ti tuye la técni ca más madura, pero no la más eficaz .
Destrucción por impacto ¿Có mo operaría el sistema defen sivo de la MOA? Para emp ezar,
• El actual sistema estadounidense de defensa antimis iles se basa en in terceptar los misiles balísticos intercontinentales cuando éstos se hallan en pleno vuelo, mientras la ojiva empieza a precipitarse sobre la Tierra, a centenares de kilómetros de su superficie. • El punto más débil de este sistema de defensa es la facilidad con que el enemigo podría burlarlo. Cargando cada misil balístico con docenas de señuelos, por ejemplo, los interceptores quedarían desbordados en poco tiempo, puesto que no consegu irían discriminar entre éstos y la ojiva. • Mayor eficacia ofrece la destrucción de los misiles balísticos mientras ascienden. Asimismo, EE.UU. debería desplegar un sistema de defensa contra misiles de corto y medio alcance, disparados desde buques amarrados frente a las costas del país.
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cualquier lan zami ento de un lCBM contra EE .UU. sería descubi erto me diante satélites militares que detec tan la llamarada del motor de lo s cohe tes . En servicio desde los años sete nta, esos satélites del Pro grama de Apoyo a la Defensa (DSP, de "Defe nse Support Program ") están situados en órbitas geos íncronas a 36.000 kil óm etros por encima de la Ti erra - dado que su perí odo orbi tal es de 24 hora s, permanecen fi j os sobre su punt o del ecuado r. En conjunto, los satélites obse rvan cas i la tot alidad del plan eta en la zona infrarroja del es pec tro; ello les per mite detectar el lanzami ento de cual qui er misil balí sti co de tamaño y alcance cons ide ra bles. Cada uno barre la supe rficie terrestre ca d a 10 seg undos; deducen así la ubica ción del lCB M co n una preci sión de un kil ómetro, de sde el momento en que el misil atr aviesa la capa de nub es a una altura de unos 10 kiló met ro s hasta la extinció n del co hete de 200 a 300 seg undos después. En algunas zonas de la T ierra, el DSP ofrece cobertura estereográfica. El sistema de la MOA dispararía varios interceptores contra cada mi sil par a derribarlo en pleno vuel o, much o despu és de que el motor de aqué l se hubi era apaga do y su ojiva nu cl ear se para do del cohe te pro pul sor. La int ercept ación tendría lu ga r en el vacío es pacial, a cient os de kilómetros de la superficie terr es tre; el blanco sería la oj iva, que se encierra en un vehículo que la pro tege del cal or abrasa do r producido durante la reentrad a en la atm ós fe ra. Puesto que los int erceptores nece sitan co nocer la posición exacta de su objetivo y requi eren tiempo para diri gir se hacia la oji va, y los saté lites del DSP no pueden detec tar un misil tra s la ex tinción del mo tor de su cohete, la interc eptación en pleno vuelo requi ere un radar que siga la tra yectori a del misil co n gran preci sión . Par a cubrir las tra yectoria s del Pacífico Norte - las que con ma yo r prob abilidad utili za rían lo s ICB M norcorean os- , en un prin cipio el Pent ágono planeó ase ntar una estac ión de radar ava nzada, en el e xtre mo de la ca de na de isla s Ale utianas, en Alas ka. Pero el mar embravecido y el viento hurac anad o qu e reinan e n aqu ell a zo na di fi -
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cultaro n la co nstrucción in sit u, En la act ualida d, la MDA está cons tru yend o dicho radar , de 900 mi llones de dólares, en una plataforma flotante fre nte a la cos ta de Texas . A su terminac ión, prevista para fi nales del año en curso, se remol cará hasta su emplaza miento ope rati vo cerca de la cadena Aleutiana. (Has ta entonces, el sis te ma de la MDA dep end er á del rad ar Co bra Dane de alerta precoz que la Fuerza Aérea tiene en la isla Shey ma .) El nuevo radar emit irá microondas en la banda X del espec tro . Con una longitud de unos tres ce ntíme tros, esas ondas so n más cortas qu e las empleadas por los radar es al uso. Permiten es trec har el haz de l ra dar , de form a que éste apunta con mayor exac titud a la oj iv a del mi sil en medi o de la " nube amenaza dora" . Ade más de la última etapa del cohete, és ta incluye, con toda probabilid ad, docenas de globos hin cha bles id ead os para rem ed ar la ojiva y engañar así al ra dar e in cluso a se nso res de espectro visi ble o infrarr ojo. Por supues to, el nuevo ra dar de banda X instalado en la veci ndad de las Aleutia nas res ulta ría del todo inútil para proteger EE .UU . de los ICBM lan zados desde Irá n, que so brevol arían Euro pa y el Atlántico norte. La MDA planea corregir esa deficie nc ia durant e los próxi mos años con el despli egue de una red más ex tensa de se nsores e inter ceptores . Por fin , el sistema del DSP será remplaza do por un nuevo sistema espacia l infrarrojo de satélites en ór bit as geosíncro nas qu e prop orcio narán un mejor seg uimiento de los ICBM dur ante su asce nso . Además, el Pe ntágo no está desarroll and o una conste lac ión de saté lites de órbita terrestre baja , capaces de seg uir los misiles durante la fase de pleno vuelo medi ante sensores infrarrojos y de luz visi ble . La red de co munica ciones qu e enlaz a saté lites, radares e int er cept ores co n el ce ntro de mand o y contro l en las montañas Cheyenne (Co lora do) ta mb ié n se moderni zar á por etapas. Los prim eros sistemas de defen sa anti misil - el Safeguard, emplea do por EE. UU. a media dos de los se tenta para proteger 150 silos de rCBM en Dako ta de l Nor te, y el INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
2. UN PROTOTIPO DE RADAR DE BANDA X emplazado en el atolón de Kwajalein se em pleó en las pruebas del sistema estadounidense de defensa antimisiles para seguir las tal sas ojivas. Dada la limitada capacidad de rastreo del prototipo, los interceptores recibían también datos de posición procedentes de balizas de radar instaladas en las ojivas.
sis tema ruso de defensa de Moscú, aún opera tivo- dependía n de in terceptores equipados con disposi ti vos nucleares diseñados para de to nar cua ndo se enco ntra ra n lo bas ta nte cerca del misil ene migo como para des tr uirlo. Pero los sis tem as de guiado se han perfeccio n ado tant o e n los úl tim os dece nios, que los inte rce ptores está n ya capacitados para destruir los mi si les balísti cos simp lemente co lisio nand o con ellos. Esta técnica elude la necesidad de rec urrir a deto na ciones nucleares, en el espac io o en la atmósfera, que trastorn arían las comunicac iones y conllevarían riesgos ambientales. En el siste ma de la MDA, cada interceptor cue nta co n un ve híc ulo destru ct or, un a ca rga útil que se sirve de senso res infrarrojos para enca minarse hacia la ojiva del lCBM. Cuando el des truc tor se ha acercado y la ojiva qu eda ya en el ca mpo de vis ió n del sensor, se or ienta para la co li sió n mediant e pequ eños propulso res laterales. El Pentágono ha mos tra do la eficac ia de la dest rucc ión por impacto en varios ensayos desde 1999; sin embrago, la MDA y al gunos críticos co inciden en que las representaci on es que el Dep art a ment o de Defensa ha utili zado para sim ular el ataq ue de misil es balís ticos era n poco reali stas.
En la técnica de des trucc ión por impacto, la velocida d de aprox ima ció n en la int ercep taci ón es tan eleva da, que el vehíc ulo destru ctor res ulta devastador , un ve rda de ro proyectil. Aun en el caso de un ve hícul o destructo r es tac iona rio, si chocase co n un a oj iva de ICB M que viajase a sie te ki lómetros por seg undo se liberaría una tremend a descarga de energía ci nét ica : cas i 25 mill ones de j oules por cada ki logramo de masa del vehíc ulo . En cambio, la densidad energética de un alto explosivo es sólo de unos cuatro mill ones de j oul es por kilo gra mo. Por tanto, añadir ex plosi vos al vehíc ulo des truc tor result a del tod o in necesario . Mejor sería añadir sistemas de guiado perfec cionados que aumentaran la prob a bilidad de acertar en el blanco.
Contramedidas El sistema de defen sa antimisiles se enfre nta a un adve rsario tenaz. Redundaría en perjuicio de la se guridad cualquier sistema que no tu viera en cuenta la aplicación de con tramedid as por parte del enemigo. Sencillas y efectivas, ex isten varias for mas de anular un esc udo anti misiles. Por ejemplo, reducir la señal que el misi l bal íst ico y su oj iva produce n en los rada res y sensores infrarroj os para dificultar el direc
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ciona mie nto de los int er cept or es ; e llo se logra co loca ndo la ojiva en un vehículo de reentrada, de form a có nica ag uza da, fo rrado de mate rial refrin gent e al radar, que merma de fo rma notabl e la visibilidad de un rada r de banda X . As imis mo, pue de enf ria rse e l re vestimient o opaco de la oj iva medi ant e nitr ó ge no líquido; la torna invisibl e a los senso res de infrarroj o del vehíc ulo destru ctor. Otra contramedida consiste en car ga r cada rCB M co n doc en as de señue los que remed en la apa riencia de la oj iva. Si el IeBM suelta los señue los y la oj iva al fina l del vuelo propul sado, el camino que los señue los li vian os definen cuand o avan za n por el vacío es pacial resulta indi stin guible de la trayectoria de la ojiva, dotada de mayor peso. Podrían
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tambi én co loc arse calefac tores en los señuelos para que produj eran la misma seña l infr arr oja que la oj iva . Para facilitar la construcc ió n de di chos señue los, podría recurrirse a una oji va anti simulación: un arma disfrazada de se ñuelo . Dic ha ojiva se ocuitaría en el interior de un globo aluminizado antirradar del mism o aspec to qu e el de las do cenas de señuelos vac íos. Si los destructores no distinguieran entre ojivas y señue los, habrí a que disparar ce ntenares de int ercepto res y el sistema de de fensa antimisiles se desbordaría en seg uida . Es tas y o tras co ntra medidas , que, dad a su si mplic ida d, es tá n al al cance de cua lquier enemigo poten cial, co nstituye n el prin cip al punto débil de la intercept ación en pleno vuelo. Los recur sos eco nó micos y
técni cos necesari os para im pl an tarl as result an insigni ficantes co m par ados co n el esfuerzo que se re qui er e pa ra di señ ar , co nstru ir y man ten er los rCBM. Por desgr a cia, la "as tuta" M DA part e de la supos ició n de que Corea del No rte (que aún no ha ensayado un rCBM co n ca rga nuclear, si bien la Cl A lle va es perando tal ensayo desd e 1998) no pondrá en j uego nin guna co nt ra me dida ca paz de ve ncer a los interce pto res es tado unide nses . Pe rso nalmente, es toy tan co nve n cido de la ef icacia de esa s co ntra medidas -en co nc reto, señ uelos y glo bos antisimulac ión- que a co mi en zos de 1999 recomend é enca recidam ent e a la Organizac ión de Defensa contra los Misiles Balísticos (pre decesora de la MDA) que aban donara la defensa en plen o vuelo y
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se concentrara en la int erceptación e n fase de pr opul si ón . L a úni ca fo rma seg ura de es qui var las co ntra me didas es int er cep tar el mi sil al comie nzo de su vue lo. De nada se rv iría al atacante lan zar se ñue los desd e un ICBM mi entras el co hete s iguie ra ence ndido; no tar darí an e n q ue da r atrás y, por tant o, resultarían in efica ces. Tal int ercep taci ón podría burlar se co n mi sil es fi cti ci os , di señad os par a parecer ICB M portadores de oji vas; sin em bar go, dad o qu e ca da un o de es tos fa lsos proyect iles deb er ía in corpo rar al men os dos eta pas par a resul tar creíbles, esta contramedida re sultaría dem asiado ca ra. Otra ventaja de la int erceptaci ón en fase de pro pul si ón es la posibilidad de ev itar e l lan zami ento de armas biol ógi cas, co nte nidas probabl e men te en
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ce nte na res de pequeñas bombas qu e se so lta ría n desde el ICBM just o después de su ascenso. Dado qu e esos pro yectil es se precipit arí an cada un o por se parado haci a EE.UU ., un a defen sa termina l o en plen o vue lo se ría in cap az de det en er el at aq ue . Los par tidarios del sis te ma de la MDA han decl ar ado qu e tien en la inten ci ón de incorporar la inte rce p tació n en fase de propul sión a la defen sa antimisil. Si n emba rgo, la creac ió n de un a defen sa es tra tifi ca da qu e int er cepta los mi sil es en las di stintas fases de su tr ayect ori a no co ns tituye un a es tra teg ia nece sa r iame nte re nta ble . Ca da escaló n defen si vo ti en e un coste; in vertir e n la int er ceptaci ón en fase de pr o pulsi ón har á mu ch o más por la se g ur ida d de EE.UU. qu e emplea r los mis mos fo ndos en co nst ru ir o am
pli ar el defectu oso siste ma de plen o vuelo . Por desgra ci a, el desarro llo técni co de la int er ceptación en fase de pr opulsi ón se hall a aún en sus etapas prel im in ar es. Las co nve rsa c io nes qu e e n 1999 mantu ve co n respon sables de la defen sa anti mi si l no prosig uieron y la MDA se dem or ó var ios años an tes de ini ciar un progr ama ofici al para la fase de pro pu lsión . En 2003, la So ciedad es ta do uni den se de Fís ica (A PS) publicó un in form e qu e an ali zab a el po te ncia l dc la inter cep taci ón en fase de pr o pul sión. El doc ume nto fue red act a do por un a comi sión de cie ntíficos e in geni eros a lta me nte c ua lifica dos, mu ch os de ellos co n años de ex pe rie ncia en la defe nsa antimisil. A unq ue la pr en sa lo prese ntó co mo un informe negativo, un a lectura cui
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bería seg uir cons iderándose exitosa si la oj iva ree ntrara en la atmósfera so bre algú n otro lugar de EE.UU. distinto del núcl eo pobl acional bus cado. Puesto que la den sid ad media de la población es tado unide nse es só lo del orde n del I por ciento de la densid ad urbana máxim a, dich a intercepta ción redu cirí a la fuerza mi silística atacante a la centésima parte, suficiente para di suadir al enemigo .
Guerra en el espacio
dadosa muestr a que las co nc lus io nes co nc uerda n co n las es timac io nes c ualitativas que yo mismo rea licé en 1999. Seg ún mis cálc ulos, se requ erirían interceptores de 14 to nel ad as co n una ve loc ida d tra s el apag ado de ocho a once kilóm etr os por seg undo . El siste ma de guiado los diri giría haci a la llamarada del rCBM y luego hacia el fuse laje; el inter cept or se es trella ría contra el misil co n fuerza sufic iente para inu tili zar los motores. El es tudio del APS analiza ba co n gra n detalle las posibl es mani obr as de evas ión del
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rCBM y las prestaci on es qu e re queriría el intercept or qu e preten dier a hacerl e fre nte. El inform e de la APS mostr aba las dificultad es qu e entrañ aría in tercept ar un rCBM procede nte de Co rea del No rte, de forma qu e se evitara el imp acto de la ojiva - que podr ía perm anecer útil tras la co li sión- en EE .UU . u otro país . (Si el ICB M se alcanzara cerca del fi nal de su fase de propul sión , la oj iva aún podría co ntar con suficie nte ím petu par a llegar a No rtea mér ica .) En mi opinió n, la interceptación de
Mie ntras la MDA se decid e por cuál de las fases de propul sión decan tarse, alg unos miembros de la ad ministración es tá n desemp ol vando los viej os planes para intercept or es es pac ia les qu e fo rma ba n part e de la anti gu a Ini ci ati va de Defen sa Estratég ica . El proyecto denominado Guij as Brill ant es preveía una co ns tel aci ón de int ercep tor es de baja órbita, dotado cada uno de suficiente co mbustible par a propul sarse ha ci a un rCBM en ascen so y neutrali zar cu alqui er mani obra evas iva qu e el misil pudi er a intent ar. El diputado de Pennsy lvania Curt We ldo n, firme part idario del sistema estadounidense de de fensa antimis iles, adve rtía re cie nte mente a los impulsores de los inter ceptores es pac iales para que no se opusieran a los interceptores apos tados en tierra y mar, pues una pugna int ern a no har ía más qu e dem or ar ambos programas. Par a muchos par tid arios de la defen sa antimisil de lo qu e se trata, a la postre, es de despl egar un siste ma ca paz de neu trali zar los rCB M chinos y, en úl tima instan cia, rusos, algo qu e sólo podrían lograr los intercept ores es pac iales . Un sistema apos tado en el espa cio , empero, resultar ía ex tre mada ment e ca ro y vulne rable. Si los in terce ptores se situa ran en una órbita terr estre baja , darían la vue lta al pla neta cada 90 minutos, más o meno s; ello obli garí a a EE .UU . a despl e gar más de un mill ar, para gara nti zar la presencia de un núm ero su fic iente de ellos en las proximidades de Co rea del Norte, incluso aunque só lo se lan zar a un misil. Si bien ta les inter cept ores es pac iales no ne ces itaría n ser tan gra ndes co mo los lanzados desde tierra o mar, deberían equipar se co n cohe tes propul sores que les permitier an atrapar a tiempo los ICBM en ascenso . La APS es -
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2DD5
timó que los interceptores de berían pesar entre 600 y 1000 kg. Por tanto, si poner en ór bita un solo kilogr a mo cues ta 20 .000 dólares, el precio final del sis tema de interceptació n es pac ia l se elev aría fáci lme nte a decen as de mil es de mill ones de dólares. Ade más, al sentirse ame nazados por este siste ma es pac ial, quizá los go biernos chino y ruso decidi eran to mar med idas preven tivas. China pu ede parecer es pec ialme nte vul nerable porque cuenta sólo co n unas dos docenas de ICBM equipados con di spositivos nucleares ca paces de alca nzar Nor tea mérica . Si EE .UU . pu siera en órbita mil es de inte r ceptores en fase de prop ulsión, sin duda Chi na co nstruiría más misil es de largo alcance: el sis tem a esp a cial puede reb asarse lan zand o un gran número de ICBM a la vez desde una zo na redu cid a. Además, China tendría todos los al icient es para destruir los intercept ores en órbita. A diferencia de un go lpe preven tivo sobre los sis temas co n base en tierra o mar , el ataq ue cont ra un arma espac ial no ca usa ría baj as hu man as y la co munidad int ern acio nal no podrí a co nsi derarlo un acto de guer ra . Un satélite de órbita terr estre baja puede inutili zarse lanzando una nube de perdigon es hasta la altura orbi tal para qu e el intercep tor se des tr oce al atravesa rla. Los chi nos podría n emplear co hetes emplaza dos en tierra para derrib ar los in tercept ores uno a uno. Podría n tam bién poner en órbita pequeñas minas espacia les, cada una a pocos ce n tenares de metros de un intercep tor , list as pa ra deton ar al pri mer aviso . Las mism as co ntra medidas podr ían emplea rse, incluso co n ma yor rent abilid ad, para anular al lá ser espac ial, otro sistema de defensa en fase de propulsión, de mayor ta maño y más vulnera ble que los in tercept ores.
El punto más débil Incluso los responsables de la MDA habl an poc o en favo r de l ac tua l sistema de defensa antimisiles. En su co mparecenc ia de marzo del año pasado ant e el Co mité de Servicios Armados de la Cá mara, el ten ient e general Ronald Kadish, durante largo tiempo director de la MDA y de su INVESTIGACiÓN y CIENC IA, enero, 2005
age nc ia antecesora, adv irt ió qu e las acc iones emprendidas en 2004 y 2005 co ns tituye n só lo el punto de partida, e l ini cio, e impli car án úni cam ente capaci dades básicas. En mi opinión, sin e mbargo, el enfo qu e ac tual de la defe nsa antimisi l res ulta totalm ent e inútil frent e a los ICBM de las nu evas o ex iste ntes po tencias nucl eares, dada la efec ti vida d de las co ntra med idas en ple no vue lo. Ade más, los ICBM no co nsti tu yen la prim era am enaza misilísti ca co ntra Es tados Unid os. Si países co mo Corea del No rte o Irá n deci dieran atacar una ciudad estado u nidense, res ulta más probabl e qu e utili zasen misil es de cor to alcance lan zados desde buques próxim os a las cos tas de EE .UU . En una rueda de prensa de 2002, el Sec retario de Defensa Do nald H. Rumsfeld de claró: "La insta lac ió n de mi sil es balísticos a bordo de buques co ns titu ye una práctica harto extendida entre todos los países del mund o. Co nsta ntemente, var ios de estos bu ques se pasean fre nte a nuestras cos tas. En cualquier moment o pueden prep arar el lanzador, disparar un mi sil, guard ar la plataform a y escon derl a. La señal que produce n en un rada r no muestr a nin gun a diferen cia res pec to de los otros 50 buqu es civi les que navegan por allí cerca" .
Pese a tales co ns ide racio nes , el De parta me nto de Defe nsa carece de un sis tema diseñado para hacer frente a esos misil es. La inoperancia del ac tual sis tema de defen sa antimis iles result a ev i dent e incluso para los que hab ían apoyado el proyecto dur ante largo tiemp o. El co lumnista co nservado r George Will escr ibía en fec ha recien te: "Es más probable qu e un arma nucl ear llegue a EE .UU . dentro de un co ntenedo r marítimo, un camión, una malet a, una mochila o cualquier otro obje to co mún, que a bordo de un ICBM, que llevarí a rem itent e". Pero incluso en el caso, improb a ble, de un lanzamiento temerario por parte de un enemigo potencial irres ponsabl e, el sistema de intercepta ción en pleno vuelo no ofrece la me jor defensa. Los esfuerzos de la MDA deben reorientarse haci a la inte r ceptac ión en fase de propulsión; si el pro pósito es detener los ICBM norcoreanos e iraníes, ento nces re sultan más pro metedores los inter ceptores apos tados en tierra o mar . En todos esos casos, de be tenerse en cuenta la vulnerabilidad del sis tema defe nsivo , lo que desde luego descarta las armas es paciales. En la defensa antimisil, lo mismo que en tant os otros campos, la robustez de un sistema viene limitada por su punt o más débil.
El autor Richard L. Garwin ha colaborado con el gobierno de EE.UU. desde 1950 en proyec tos relac ionados con armas nucleares, misiles, defensa antiaérea y defensa antimisiles. Físico experimenta l, posee una amplia formación en física nuclear y de partículas, físi· ca de la materia condensada y detección de ondas gravitatorias. Presidió de 1994 a 2001 el Comité Consu ltivo del Departamento de Estado para el Control y la No Proli· feración de Armas.
Bibliografía co mplementaria COOPERATIVE BALLlSTIC MISSILE OEFENSE. Rich ard L. Garwin. Presentado en el Foro Abier to de la Secretaría de Estado, 18 de noviembre de 1968. EL SISTEMA OE OEFENSA ANTlMISILES. George N. Lewis, Theodore A. Postal y John Pike en In vestigación y Ciencia, octubre 1999. COUNTERMEASURES: A TECHNI CAL EVALU ATION OF THE OPERATIONAL EFFECTIVENESS OF THE PLAN NEO U.S. NATlONAL MISSILE OEFENSE SYSTEM. A. M. Sessler y otros, Unión de Científi cos Comprometidos y MIT, abri l 2000. REPO RT OF THE APS STU OY GROUP ON BOOST,PHASE INTERCEPT SYSTEMS FOR NATlONAL MIS· SILE OEFENSE. 0_ Kleppner y otros en Review of Modern Physics, vol. 76, n.? 3, págs S1-S424; julio 2004. TECHNICAL RE ALl TIES: AN ANALYSIS OF THE 2004 OEPLOYMENT OF A U.S. NATI ONAL MISSILE OEFENSE SYSTEM. L. Gronlund, O. C. Wright, G. N. Lewis y P. E. Coyle 111. Unión de Científicos Comprometidos, mayo 2004.
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URIOSIDADES DE LA FíSICA
Jean-Michel Courty y Edouard Kierlik
A través del espejo uando Narciso vio su reflejo en la fuente, admi róse tan largo tiempo, que cayó al agua y se ahogó. La reflexión le había costado la vida... En la Antigüedad , hábiles artesanos pulían esmerada mente espejos de plata o bronce macizos. Esa técnica perduró hasta que en el siglo XIX se descubrió cómo depositar capas metálicas en el vidrio. Los metales, todos ellos buenos conductores eléc tricos, son también buenos reflectores. ¿Por qué? Porque contienen un gran número de "electrones li bres". Los electrones libres de un trozo de metal in merso en un campo eléctrico estático sufren una fuerza que los pone en movimiento. Si el metal forma parte de un circuito eléctrico, resulta una corriente. Si está aislado, los electrones libres quedan confinados en el interior de su volumen y los que llegan a la superfi cie se acumulan en ella; crean así un campo eléctrico hasta que compensa en el interior del material el campo eléctrico estático. Un fenómeno análogo se produce cuando se ilumina un metal. La luz es una onda electromagnética cons tituida por un campo eléctrico y un campo magnético que se propagan y actúan de consuno. El campo eléc trico de la onda hace oscilar a los electrones libres que encuentra en la superficie. Ahora bien, toda carga eléctrica acelerada emite una onda electromagnética. Así, los electrones libres superficiales se comportan como minúsculas antenas que reciben y reemiten luz. En el interior del metal, la onda electromagnética ree mitida se compensa con la onda incidente, de suerte que, como en el caso de un campo estático, el campo eléctrico resultante se anula: el metal no es transpa rente. Al emitir hacia el exterior, los electrones libres
C
superficiales reflejan la onda incidente. Si la superfi cie del metal es plana, la señal emitida por el conjunto de los electrones oscilantes será una reproducción simé trica, respecto a la superficie, de la señal incidente, "su imagen" obtenida por la interferencia constructiva de la emisión de cada uno de los electrones. Las vibraciones de los electrones Los mejores conductores no son, sin embargo, los es pejos más fieles. Más conductor que la plata, el oro refleja mal el azul, y de ahí su color amarillo. Este fenómeno es general: los conductores reflejan sólo las ondas de frecuencias inferiores a un límite específico, vinculado al modo en que los electrones pueden os cilar en el seno del metal. En el equilibrio, los elec trones libres se reparten uniformemente por todo el volumen metálico de tal modo que sus cargas negati vas compensan las cargas positivas de los iones del cristal. Así, las intensas fuerzas electrostáticas que unas ejercen sobre otras se compensan. Si dentro del material se desplazan un poco algu nos electrones libres, el desequilibrio local de carga inducirá unas fuerzas eléctricas que "repelerán" a los electrones hacia sus posiciones de equilibrio. Los electrones, de manera similar a la masa de un pén dulo, oscilarán a una frecuencia característica del ma terial, la frecuencia de corte llamada también "frecuencia de plasma". Mientras la frecuencia luminosa no so brepase esa frecuencia, el campo eléctrico pondrá a oscilar a los electrones libres. Estos, en cambio, de jarán de reaccionar para frecuencias superiores a la de corte; entonces la onda seguirá propagándose a través del material, pues ya no se reflejará merced a
1- -
-
Superficie reflectora - - de alu mi nio
Azogue de cobre o plomo
Soporte liso
y protecto r de vidrio
1. Una onda luminosa (en rojo) pone a vibrar los electrones libres de la superficie metálica (f1echitas naranja). A baja frecuencia, la onda emitida (en verde) por la combinación de los electrones y la incidente en el material se compensan exactamente: en el metal no se propaga luz alguna. A frecuencia más alta, los electrones
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no pueden seguir las variaciones del campo electromagnético de la onda luminosa y una parte de alta frecuencia de la luz atra viesa el metal. Los espejos comerciales llevan una capa reflectora de aluminio intercalada entre una capa de vidrio transparente pero fectamente lisa y una capa metálica opaca.
INVESTIGAC iÓN y CIENCIA,
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las vibraciones de los electrones libres: el material será transparente para esas frecuencias altas. En 1906, Lord Raleigh demostró que la frecuencia de corte es proporcional a la raíz cuadrada de la den sidad de electrones libres. En la ionosfera, situada a una altitud de entre 60 y 300 kilómetros, las molécu las de aire están ionizadas y la densidad electrónica varía de 100 millones a 1 millón de electrones por centí metro cúbico; la frecuencia de corte va de 600 kilo hertz a 60 megahertz. La luz visible, de frecuencias mucho mayores, atraviesa fácilmente la ionosfera. En cambio, las radioondas de frecuencia inferiores a 60 megahertz se reflejan en ella como en un espejo y de rebote en rebote circundan el planeta; de ahí que nos sea posible escuchar la radio de onda corta. La Marina aprovecha esta propiedad para comunicarse con los submarinos estratégicos, que deben recibir las órde nes nucleares gracias a antenas que funcionan a de cenas de kilohertz . La frecuencia de corte Sólo los medios que ofrecen densidades electrónicas muy altas, como los metales, reflejan en el intervalo visible de frecuencias. La plata y muchos otros meta les comunes, como el aluminio o el estaño , contienen del orden de 1023 electrones libres por centímetro cú bico, lo que sitúa su frecuencia de corte en el ultra violeta. Esos metales reflejan perfectamente toda la luz visible. Cuando se pulen, adquieren un aspecto ca racterístico: el "brillo metálico". Los metales con la misma densidad de electrones libres que la plata deberían también comportarse como buenos espejos para el visible. Sin embargo, algunos, como el oro o el cobre, contienen, además de elec trones libres, un gran número de "electrones cuasili bres". Estos electrones, débilmente ligados a los nú cleos de la red metálica, interactúan también con la luz, lo cual rebaja la frecuencia de corte. Así, en el caso del oro o del cobre, se encuentra en el centro del espectro visible. Con sus frecuencias más altas, las longitudes de onda cortas (el azul, el violeta) se transmiten hacia el interior del metal, donde van siendo absorbidas. Iluminados con luz blanca, esos metales adquieren los colores vivos de las longitudes de onda largas (el amarillo, el naranja) que reflejan. No obs tante, aunque amarillee la luz visible, el oro refleja el
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2. La Marina se comunica con los submarinos mediante ondas de baja frecuencia que se reflejan en la ionosfera, la tierra o el mar, que son medios conductores. Esos navíos reciben los mensajes elevando hasta la superficie una antena flotante.
99 por ciento de la radiación infrarroja. Se aprovechó esta propiedad en el diseño de los cascos de los as tronautas de las misiones Apolo. La fina capa de oro que los revestía reenviaba la casi totalidad de la ra diación infrarroja , y limitaba así el calentamiento del interior del casco. Esa capa era asimismo lo bastante tenue para que fuese transparente en el visible: los astronautas se presentaron en la Luna tras un espejo sin azogue. ¿Con qué espesor de plata o aluminio se hace un espejo? Si esos metales fueran conductores perfec tos , ese espesor sería nulo. Sin embargo , son con ductores reales y el movimiento de sus electrones li bres está frenado por las fallas e impurezas de la red cristalina. Esas fricciones microscópicas, que causan la resistencia eléctrica , limitan también la amplitud de los movimientos de los electrones con que se topa la onda incidente, que luego penetra en el metal. Los electrones más profundos participan también en la re flexión. A mayor resistencia eléctrica , menos eficaces son los electrones y más profundamente penetra la luz. La profundidad máxima de penetración de la onda es pro porcional a la raíz cuadrada del producto de la resis tividad del metal por la longitud de onda. Para las fre cuencias de la luz visible (del orden de 5 x 1014 hertz) y para un conductor muy bueno como la plata o el co bre, ese espesor es del orden de tres nanómetros (va rias decenas de distancias interatómicas). Así, basta una capa de plata de un vigésimo de micra para con seguir un buen espejo. Con un conductor pobre como el agua de mar y para las grandes longitudes de onda , el espesor llega a la quincena de metros. Hecho éste feliz para los submarinistas , que pueden así captar los men sajes que se les envían sin acercarse demasiado a la superficie. Si, por precaución, desean permanecer a más profundidad , les basta con elevar una antena flotante.
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UEGOS MATEMÁTICOS
Juan M. R. Parrondo
El número mayor y la información misteriosa •
e puede obtener información de la nada? Hay un sencillo problema de probabil idad en el V que uno tiene la impresión de que algo se mejante es posible. El problema es el juego del número mayor y consiste en lo siguiente. Alguien elige dos nú meros al azar, pero distintos entre sí, escribe cada uno de ellos en un papel y nos da a elegir uno de los dos papeles. Nosotros tomamos uno de los papeles y lee mos su contenido. Con esta información, tenemos que adivinar cuál de los dos números es el mayor. ~
s
1. El juego: debemos adivinar cuál de dos números aleatorios es el mayor, conocido uno sólo de ellos.
Lo único que conocemos para adivinar cuál de los números es mayor es el número escrito en nuestro papel. No sabemos nada acerca de cómo se han ele gido los números. Puede que sean positivos , negati vos , entre 1 y 100 o entre 10.000 Y 40.000. Parece entonces que leer el número de nuestro papel no nos puede aportar ninguna información. El otro número , el oculto , puede ser cualqu iera y, por tanto , tenemos una probabilidad 1/2 de acertar, tanto si apostamos por nuestro número como si lo hacemos por el nú mero oculto. Sin embargo, se puede aumentar esta probabilidad con un truco sorprendentemente sencillo. Basta para ello que elijamos antes del juego un número umbral APOSTAMOS POR NUESTRO NUMERO
APOSTAMOS POR EL NUMERO OCULTO
=
<E- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ..- - - - - - - - - - - -
•
<E:- - -----•---------..
2. Los tres casos posibles en la estrategia del umbral: el mayor de los dos números, a, se representa con un punto morado y el menor, b, con uno azul. Cuando a está por encima del umbral y b
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Xumb' Si el número que leemos en nuestro papel lo su pera, diremos que dicho número es el mayor y si no lo supera , diremos que el número oculto es el mayor. ¿Es capaz esta estrategia de aumentar la probabilidad de ganar el juego? Llamemos a al mayor de los dos números y b al menor. En nuestro papel estará a con probabilidad 1/2 y b con probabilidad 1/2. Pueden darse tres casos: que tanto a como b estén por encima del umbral , que estén por debajo, o que a esté por en cima y b por debajo (véase la figura 2). No sabemos con qué probabilidad se da cada uno de estos casos , pero lo que es seguro es que si se da el tercero de ellos, nuestro método del umbral acertará . En los otros dos casos el método del umbral tiene una probabili dad 1/2 de acertar. Por tanto , la probabilidad media de acertar es mayor que 1/2, siempre que el tercer caso (a> xumb> b) se dé alguna vez , y es igual a 1/2 si no se da nunca. Es decir , hemos conseguido aumen tar la probabilidad de ganar, siempre que coloquemos el umbral de modo tal que el caso a> xumb > b se dé en alguna ocasión. El lector puede pensar que aquí no hay nada mis terioso. Podemos acertar con probabilidad mayor que 1/2, pero necesitamos algo de información para colo car el umbral adecuadamente. Si tomamos 100 como umbral y los números se eligen tirando un dado de seis caras o al azar entre 1000 Y 2000 , la estrategia no tiene ningún efecto. Para cuantificar mejor la in fluencia del umbral sobre la probabilidad de acertar , supongamos que cada uno de los dos números se elige al azar, de forma independiente, y tal que P(x) es la probabilidad de que el número elegido sea me nor que x. Entonces , la probabilidad del primer caso (a, b > xumb) es P1 = [1 - P(xumb)]2 ; la probabilidad del segundo caso (a, b < xumb) es P2 = P(xumb)2; y la del tercer caso (a> xumb > b) es P3 2P(xumb)[1 - P(xumb)]' La probabilidad de acertar es entonces :
~---------------
por debajo (caso intermedio], se acierta siempre, mientras que, si ambos están por encima o por debajo (caso superior e inferiorl se acierta con probabilidad 1/2.
INVESTIGACiÓN y CIENCIA, enero, 2005
Q (y) La probabilidad de acertar más alta es Pacertar =3/4 Y se alcanza si ponemos el umbral de forma que P(X umb) = 1/2. Por ejemplo , si los 1 -- -- ---- --- - - - - --- - - - - --- - - - -- - - --- - - - ~ - -~~ -- - .. --.. - -~ - ............
números se escogen al azar entre -------------------------~ I P(a) - P(b) 1 y 100, P(x) =x/1 00 y el umbral I I óptimo será 50. En general , si los I I números se escogen al azar en un I cierto rango , el umbral óptimo será a y b el punto medio de dicho rango. Por 3. Estrategia aleatoria: si y es el número que encontramos en nuestro papel, apostamos el contrario, si P(xumb) = O o 1, los por él con una probabilidad O(yl (curva rojal. dos números elegidos siempre es
tarán por encima o por debajo del
umbral, respectivamente , y, por tanto , el método del um
cima o por debajo del umbral, pero es 1 si a está bral no ofrece ninguna ventaja (Pacertar= 1/2). Necesitamos por encima y b por debajo. por tanto conocer cómo se eligen los números para en
Es cierto que la ventaja sobre la elección aleatoria contrar un umbral adecuado.
(Pacertar es 1/2) puede ser mín ima. Téngase en cuenta que Q(y) tiene que crecer de O a 1 cuando y crece de Sin embargo, una modificación del truco del umbral menos inf inito a infinito. Por tanto, en algunos tramos permite acertar con probab ilidad mayor que 1/2 sin co Q(y) tiene que crecer muy despacio, como ocurre para nocer nada acerca de cómo se han elegido los nú valores pequeños o grandes de y en la curva roja de meros inicialmente. En lugar de un umbral que nos la figura 3. Si el rango de valores que pueden tomar dice por qué número apostar, elijamos una probabili los dos números elegidos está en una zona en donde dad Q(y) entre O y 1 de apostar al número y que hay Q(y) crece muy despacio, entonces la ventaja de nues en nuestro papel. La estrategia es en sí misma alea tro método será muy pequeña. Aun así, lo sorpren toria, es decir, no nos dice por qué número apostar dente es que si Q(y) crece siempre, dicha ventaja será sino que nos da la probabilidad de hacerlo por uno u mayor que cero , admitido que los números iniciales se otro : si el número que leemos en nuestro papel es y, diremos que es el mayor con una probabilidad Q(y). han obtenido al azar y de forma independiente , pero Lo asombroso es que esta probabilidad puede ser sin importar su distribución de probabilidad. cualquiera, con tal de que aumente cuando lo haga y, ¿De dónde hemos sacado la información que nos como la curva roja de la figura 3. Esto es razonable: permite predecir cuál de los dos números es el mayor cuanto mayor sea y con más probabilidad diremos que con una probabilidad superior a 1/2? En mi opinión , es el número mayor . es un auténtico misterio. Creo que la pregunta "¿cuál Como antes, llamemos a al número mayor y b al es el número mayor? " es extremadamente sensible a menor. El número y en nuestro papel será a con pro cualquier pequeña información acerca de cómo se ob babilidad 1/2 y b con probabilidad 1/2. Acertamos si tienen los números. Si conocemos la distribución de y = a y decimos que es el mayor , algo que ocurre con probabilidad con la que se han obtenido, podemos acer tar con una probabilidad 3/4, utilizando el método del probabilidad Q(a)/2; o bien, si y = b Y decimos que el número oculto es el mayor, algo que ocurre con pro umbral óptimo. Bastaría inc luso conocer el rango en babilidad [1 - Q(b)]/2. Por tanto, la probabilidad de acer el cual pueden estar los números para escoger un um bral adecuado (aunque no el ópt imo). La estrategia de tar es: Q(y) parece utilizar simplemente el hecho de que los números elegidos están en un cierto rango , o, lo que P= Q(a) + 1-Q(b) =.:!.-+ Q(a)-Q(b) acertar 2 2 2 2 es lo mismo , [utiliza el simple hecho de que los nú meros existen! Por último , conviene recordar que las probabilidades que es mayor que 1/2 , puesto que a > b y, por tanto, Q(a) > Q(b), como se muestra en la figura 3. [Obsérvese no tienen mucho sentido cuando se aplican a un solo turno del juego. Habr ía que aplicar la estrategia de que el resultado es válido para cualquie r par de nú meros elegidos y para cualquier probabilidad Q(y)! Q(y) a un gran número de turnos para observar la ven Lo único necesario para demostrar que la probabili taja de la que hemos estado hablando. Pero, en el dad de acertar es mayor que 1/2 es que Q(y) crezca caso de jugar varios turnos, y siempre que se nos per cuando crece y. Aunque parezca incre íble, el argu mita cambiar de estrategia en cada uno de ellos, podría mento es correcto. Es cierto que , para encontrar la mos util izar la información de turnos anteriores para mod ifica r Q(y). Mi impresión es que la mejor estrate verdadera probabilidad de acertar, habría que pro gia sería utilizar como umbral la mediana de los nú mediar sobre los posibles valores de a y b (con a mayor que b), pero dicho promedio será siempre ma meros que han salido hasta el momento, es decir, un yor que 1/2, por ser Q(a) - Q(b) una cantidad posi umbral que esté por debajo de la mitad de dichos nú meros y por encima de la otra mitad. De todos mo tiva para cualqu ier par de valores a, b con a mayor que b. Para la elección concreta "Q(y) es igual a 1 dos, quizá los lectores encuentren una estrategia me cuando y supera xumb y O si no lo supe ra" recupe jor o puedan arrojar algo de luz sobre el enigmático ramos el método inicial del umbral, y vemos que origen de la ventaja proporcionada por la estrategia de la figura 3. <parr @seneca .fis.ucm.es> Pacertar es 1/2 si a y b están ambos o bien por en-
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DEAS APLICADAS
Mark Fischetti
MARCAPASOS
Mantener el ritmo
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erca de cuatro millones de personas en el mundo llevan marcapasos. Estos dispositivos empezaron a utilizarse de forma experimental hace 50 años para estimular los corazones que latían demasiado lento. En un corazón sano , células musculares de con ducción de electricidad provocan la contracción de la aurícula y los ventrículos. Si el latido se altera , un marcapasos envía un impulso eléctrico a puntos elegidos del corazón para recuperar o coordinar la contractilidad. Los primeros marcapasos operaban a un único ritmo. Los modernos, en cambio, ofrecen mayor versatilidad y sensibilidad : ajustan el ritmo cardíaco guiados por el seguimiento de la actividad eléctrica y el movimiento corporal. En la actualidad , existen también marcapasos especiales que estimulan directamente cada ventrículo , resincronizando los que se contraen a destiempo -alteración que suele pro ducirse en los corazones debilitados por un infarto. El tamaño de los marcapasos ha disminuido hasta el de una caja de cerillas. Ello se ha logrado mer ced a los avances en electrónica e informática, pero también a la incorporación de una cápsula de este roides, que se sitúa en el extremo del cable que con duce las descargas eléctricas al corazón; reduciendo la inflamación tras el implante, ese fármaco man tiene el electrodo en contacto con el músculo cardíaco viable , rebajando así el voltaje que debe generar el marcapasos y facilitando la miniaturización de los componentes. Según Toby Markowitz, supervisor de la investigación sobre marcapasos que Medtronic lleva a cabo en Minneapolis , la acción de los esteroides ha resultado crucial. Cuando se agotan las baterías, al cabo de entre seis y diez años, el aparato se cam bia entero (excepto los cables) por dos motivos: por un lado, la batería está unida a la funda; por otro, los marcapasos suelen evolucionar de forma notable durante ese lapso. Desde la década de 1980, un producto derivado del desarrollo técnico ha ganado protagonismo: el desfi brilador cardioversor implantable (DCI). Del tamaño de un busca, estimula las aurículas o los ventrículos que tiemblan o se contraen incontroladamente (fibri lan) para que el corazón del paciente se reajuste por sí mismo a la normalidad ; se evita así la parada car díaca repentina que acaba con la vida de millones de personas cada año. En 2003 se implantaron, sólo en Estados Unidos, unos 80.000 DCI. Estos dispositivos incorporan también la función de marcapasos; en opi nión de Markowitz, algún día podrían incluso susti tuirlos, si se redujeran su tamaño y coste - y las com pañías de seguros médicos aprobaran el cambio.
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1. LA CONDUCCION ELECTRICA activa cada latido del corazón. Las células musculares del nódulo sinoauricular se despolarizan conform e la aurí cul a se llena de sangre, produciendo una despolari zació n en cadena - una onda de impu lso eléc trico- hacia el nódulo auriculoventricular (AV) . Este reta rda el impulso hasta que la aurícula llena los vent rículos. Entonces , envía el impulso en torno a los ventríc ulos , haciendo que éstos se contraigan simultánea mente . El nódulo sinoauricular ajusta el ritmo cardíaco en respuesta a cambios en la concentración de oxígeno en la sangre que retorna del cue rpo ; el oxígeno decrece durante el esfuerzo fís ico.
Células de conducción -
---=-iiiiii;;l,
Ventrículo derecho
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~ EQUIPO DE RESERVA: Tod as las célul as ca rdíacas lle van su prop io ritmo. El de las cél ulas de l nódu lo sinove n tricular, sin embargo, es el más rápido; po r tanto, éstas de sencade na n los imp ulsos contractiv os que recorren to do el corazón, estab lecie ndo un pulso de 60 a 100 pulsac io nes por min uto (ppm) . Si el nódulo se daña, las célu las auricula res se hacen ca rgo de la función directo ra, pero sólo logran esta blecer un ritmo de 40 a 80 ppm . Si éstas fallan , las células del nódulo aur iculoventricular (AV) reúnen fuer zas pa ra alcanzar entre 30 y 40 ppm - suficiente para man tener viva a una persona.
.~
~ LLAME USTED MISMO: Cada paciente puede examinar su prop io marca pasos . Para ello se pone una muñeq uera en cada brazo y aprieta una va rilla magnética co ntra su pe cho, sob re el marcapasos. A continuación, pone el auric ular de su teléfono en un so porte tra nsm isor co nectado a las muñeq ueras y a la vari lla y llama a su médico, que com
prueba el fu ncionam iento de l marcapasos y el estado de la batería. Los últimos mode los envían los datos directamente al ordenador del médico. ~ ZONAS PROHIBIDAS: Según Medtron ic , los implanta dos con marca pasos no deben preocuparse por las interfe rencias electromagnéticas de hornos de microondas, man tas eléctricas o detectores de metales . Tampoco constituyen ningún peligro los arcos antirrobo que encuentren a la salida de algunas tiendas, siemp re que se mantengan a una dis tanc ia prudencial. Pueden surgir problemas al acercarse de masiado a gra ndes altavoces estéreo, moto res de gaso lina u ot ros dispositivos o ins ta laciones que ge neren camp os magnéticos intensos . El teléfono móvil no debe guardarse en ningún bolsillo cercano al co razón. Los aparatos de reso nancia magné tica están abso lutamente prohibidos. Para ter minar co n cua lquier complicac ión bas ta co n alejarse de l foco . Los marcapasos se aver ían en raras ocas iones .
2. EL CIRCUITO DEL MARCAPASOS emite un impulso de 1 a 5 volt si el procesado r de seña l detecta que el pu lso de l co razón es demasiado lento, descompensado o se para . Un ace leró metro indica al dispositivo que avive el latido si detecta actividad fís ica. Un técnico recupe ra información de la memoria med iante una va rilla mag nét ica que, a través de la piel , envía señales de rad iofrecuencia a una antena. Los des fibriladores cardiove rsores implan tab les co rrigen los temb lo res (fibrilación) de las au rí culas o de los ventrícu los , que puede n causar una parada cardíaca , mediante una descarga de 30 joules o más, restau rando el sistema cond uct ivo del corazón .
El dispositivo puede también de tener un lat ido ace lerado (taqui
card ia) y ejercer las func iones de
marcapasos.
Antena
3 . LOS MARCAPASOS COMUNES cue nta n con dos ca bles para ace le rar un lat ido lento. Los mode los especiales, con un tercer cable (no aparece en la ilustración) al ventr ícu lo izq uierdo , sincron izan las co ntracciones descoord inadas de los ventrícu los - una alteració n habitual en perso nas con el corazón de licad o o da ñado po r un infa rto .
Reserva de esleroides
4. EL EXTREMO de un cable conductor se fija en el tejido cardíaco; emite un pequeño impulso eléctrico que act iva las cé lulas de cond ucción . El cable detecta tam bién el latido del co razó n - que el marcapasos regis tra- . Durante varios meses tras la im plantación, una cápsula de esteroides libera poco a poco su con tenido, minimizando la inf lama ción y el riesgo de rechazo .
INVE STIG ACiÓN y CIENCI A, enero, 2005
5 . EL DESFIBRILADOR ca rdioversor (DCI) se implanta en el tórax ; los cab les se hacen llegar al corazó n a través de las venas.
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IBROS
Estudios zoológicos Instantáneas THE KINGS AND THEIR HAWKS. FALCONRY IN MEDIEVAL ENGLAND, por R obin S . O ggins . Y al e U nivers ity Press ; New Haven , 2004. LA MIGRATION DES ANIMAUX: CONNAISANCES ZOOLOGIQUES ET EXPLOI TATIONS ANTHROPOLOGIQUES SELON LES ESPECES, LES LIEUX ET LES ÉPO QUES. COLLOQUES D'HISTOIRE DES CONNAISSANCES ZOOLOGIQUES, 15. Diri gido por Lili an e Bodso n. Uni ve rs ité de Liege; Liege, 2004. ANTONIO V ALLISNERI. QUADERNI DI OSSERVAZIONI. VOLUME 1. A c ura di Co nce tta Permut o. Leo S . O lschki Edita re; Flo re nc ia, 2004 . CORRUZIONE E GENERAZIONE. JOHN T. NEEDHAM E L'ORIGINE DEL VIVENTE, por Mar ta S te fa ni. Leo S . O lsc hki Ed itare ; F lo re nc ia, 2002 . VON DER "ENTWICKELUNGSMECHANIK" ZUR ENTWICKLUNGSBIOLOGIE. BEITRÁGE ZUR II .JAHRESTAGUNG DER DGGTB IN NEUBURG A.D. DONAU 2002 . D irig ido por Ekke ha rd Ho xt errn ann , Joachim Kaasch y M ic hael K aa sch . VWB- Verlag für Wi ssen schaft und B ild u ng ; Berlín, 2004 .
ad ie se imagina hoy un lab o rat ori o de in vesti ga ci ón bási ca o apli cada sin su anima la rio aso cia do . A m uy poco s le s ha llegad o qu e lo s p rime ro s expe rime ntos con rat a s se rem ontan a 1664 , cua ndo R ob ert Hoo ke observa ba s u re ac ció n e n los e nsayos co n "a ire s" . L o cie r to es qu e la hi s toria de nu estro s co nocimie ntos bi o lógi cos vi en e , e n mu ch os puntos, pautad a por el avan ce d e la zoología . Se nos abrió és ta, co ns tit uida ya en cie nc ia, co n los cin co tratad o s aristoté licos: Sobre la
N
historia de los anima les , Sob re las p artes de los an ima les, So bre la ge neración de los an ima les, So bre el p aso de los animal es y So bre el mo vim ien to de los an ima les . D e é poca ro mana proc ed e ya un a sín tesi s pr ácti ca , e l Physiologus, fu ente de los av iarios, un gé nero qu e gozó de sec ula r apreci o hast a mu y ade n tr ad a la baj a E dad Media. Con los mimbre s aris to té licos se e ntre lazaro n e n bu en a medida lo s ca p ít u los zoo lógic os de las e nc i cl o p edias medi e val es, qu e to maro n por pro to ti po e l al-Sifa de Av ice na y se propu si er on com pilar, sobre to do , los ex pues tos en el Líb er ani malium del estagirita , qu e ag rupa ba
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los tr es primer os tr at ad o s men cio nad os. Pero no tod o lo medi ev al es co pia. Bas ta fijarse e n do s ve rtie n tes qu e apresurad am ente p odrían re putarse marginale s, a sabe r, la ce tr ería y la mi gr aci ón es tac io nal (The
King s and Their Hawks. Falco nry in Mediev al Eng land, La migr ati on des an ima ux : conna isa nces zoolo giques el exploi ta tions an thropo lo gi ques selon les esp éces, les lieux el les époque s). Robin S . Ogg ins ha dedicado cua renta a ños a co mpo ne r la primer a hi stori a de la ce tre ría británi ca desd e G ui lle rmo I ha sta la mu erte de Edua rdo I en 130 7. No o bs tante, el alcance de su obra tr asp asa lo s co n tornos de las islas y beb e e n fu en tes co ntine nta les de tod o tip o , do c ume ntales, lite rarias, a rtís ticas y arqueo lógi ca s. El primer manuscrito id ent ificado ha sta la fecha , e l Anó nim o de Ve rce lli , data de medi ad os del sig lo X. U n seg undo text o, del sig lo XI, e l Lib er acc ip itrum d e Grimaldo, pudiera dep ender de un orig ina l caro ling io pr ecedente . Igu al qu e en otras materias, los manu scrito s de ce tre ría e m piezan a ab undar d esd e e l sig lo XII. Se reco noc en ha st a oc ho text os rel ati vo s
al tem a . Dos a parece n firmad o s por halcon er os, G uille lm us Falc o na ri us y G erardus Fa lco na rius. T res se at ri b uye n a médi cos, Grisofus Me dic us y A lex ande r Med ic us e Hipócrat es . U na a Dancu s, legendari o rey de Ar m eni a . O tro, e n fo rma de ca rta a pó c rifa escrita por A qu ila, Sy m mac hus y Th eod oti on al rey Pt ol om eo de Eg ipto, qu e co nte nía un a secció n so bre d ive rso s tip o s ("gene ra") de ra pa ce s y halc on e s . Y, por fi n, un te xt o de la figura máxima del sa ber de ese tiempo , Ade la rdo de B ath. E n gene ra l, co m b ina n e l arte de la c aza co n in formaci ón ve te r ina ria acorde con la teoría ga lé nica de los humores . E l m anu scri to asig n ado a Da nc us , por ejem p lo, es pec ifica qu é rem edi os co nv ie ne n a los hal co nes negros, qu e so n melancóli cos, qu é o tros a los halcones bl an c os , de co ns tituc ió n fl em áti ca y seca, y c uáles a lo s halcone s roj o s, s a n guí neos de te m pe ra me nto. A l a bor dar la s e nferme da des de las ra pa ces y su trat amiento Ade la rdo sig ue e l patrón , escue to y did ácti co de su obra natu rali sta , ya co me ntada e n es tas páginas. E n e l sig lo XIII e nco nt ra mos e l primer text o ve rnac ular so bre ce tre rí a : el poem a proven zal DeIs auzels ca ssado rs , esc r i to por D aud e de Pradas . P or su parte, los e nc iclo pedi st as de esa é poca -A lexande r Neckam, Bartho lo mae us A ng lic us, Thomas de Cantim pré, V ince nt de Beauvais, A lbe rto Magno y B ru ne t to L atini- incluían ex te nsas di gres io nes so bre los halcon e s e n e l a pa rta do dedi cad o a las aves . As í, e l De natu ris re ru m y , so bre todo , De utensilibus, de Necka m , quien tr as fo rmarse e n París vo lv ió a su In gl at er ra nat al y llegó a a ba d de Cirences ter; o el De proprietatibus re rum, de Bartho lo mae us A ng lic us (fI.l230-5 0), fra ile fra nc is ca no, na c ido e n In gl aterra , qu e v iv ió e n Oxford, París y M ag de b urgo . D e ca te go ría mu y sup erior, fu e la e nci cl op ed ia de Th omas de C anti m pré. Mas a los habitu al e s pr ést am os de autores preced entes qu e carac te ri za n a lo s e nc ic lo pe d is tas mencio-
INVESTIGACiÓN
y CIENCIA, enero,
2005
nados, hemos de agregar las va lio sas observac iones y de sc ripc io nes person ales de san Alberto en su De animalibu s y de Federico II Ho he n staufen ( 1194- 1250), em perador de Alemania y rey de l reino norm and o de Sic ilia , en su monumen tal De art e venandi cum avibus . Del fe nó me no de la migr aci ón , tan unid o a la suce sión estacional y al ima gin ario de una pob lac ión agríco la, habl ó ya Aristó te les , qui en la distin guí a de la hibern aci ón y de la metamorfosis, amén de rep arar en la oleada mi gratoria de peces en el Ponto Euxino . Con el tiemp o el hom bre ha ido co noc iendo un númer o crec iente de especie s que, instada s por variac iones de te mperatura, dis poni bili dad de nu tr ien te s o ciclo reprodu ctor , ca mbian de ubicación de una forma estac iona l o perm a nente. A las go londrinas y cigüe ñas, la gente común ha ido suma ndo rep ti le s (to rtuga s), in sect os (Da na us
Ha lcón sobre pato . Psalterio de Alfonso, c. 1284.
p lexippusy, peces (Sa lmo salar) o
mamíferos (Ran gifer tarandus). Lo s e nc iclo pe dista s sig ue n a Aristó te les en sus incur siones so bre la migración. No sólo. Otros ins pi rad or es son Plini o el Viejo, el Physiologus y So lin, aunque Isidoro sinte tiza ra esa tradici ón de suerte
tal , qu e la hi ciera incom pren sibl e. El carácter cíc lico, el orden y la orie ntac ió n de estos despl azami en tos permiten a menudo una inter pretaci ón moral y espiritua l. En la Vida de san Columba, del siglo oc tavo, leem os que la llegada de la gr ulla a la isla de lona constitu ía
Superconductividad THE COLO WARS: A H ISTORY OF S UPERCONOUCTlVITY, por Jean Matricon y Georg es Waysand . Rutgers Unive rsity Press ; New Brunsw ick, 2003 .
l fenómeno de la supe rconduct ividad resulta especial mente interesante desde varios puntos de vista. Es atrayente en sí mismo , porqu e ayuda a compr ender me jor la constitución íntima de la materia . Dentro de la fí sica de la materia condensada , guarda estrecha relación con algunos apartados fundamentales de la especia lidad , como las transicion es de fase o la teor ía de los metale s. Hay expl icaciones , métodos y teorías nacidas al estudiar la superconductividad - las ecuaciones de Ginzburg-Landau, por eje mplo- que se han extendido a otros ámbitos. Además , a este tema le consagraron sus afanes algunos de los mejores físicos del siglo xx , lo que garanti za una calidad exc epcional de los trabajos científicos. Las técni cas criog énic as, de gran relevancia, guardan estrecha re lación con la superconductividad . Sin olvidar la candente cuestión de las posibles aplicaciones que - se predice revolucionarán la sociedad y han despertado una enorme curiosidad por parte del públ ico en general. Est a recapitul ac ión , bien dispuesta , es sugerente y amena . Los autor es abo rdan el tema desde una pers pectiva histórica y sociológica, por decir así. No es una obra de divulgación en la que se presente el tema con un esquema racional, de lo simple a lo comple jo , de lo concr eto a lo abstracto . Entran los sucesos , los experi mentos , las teorías , por orden cronol ógico ; se incluy en interpretaciones que más tarde se revelaron incorrectas, las dudas de los propios investigadores y sus yerros más aparatosos. Se analiza muchas veces el avance del sa ber a la luz de algunas teorías de la cien cia, de modo que a veces la interpretación de los hecho s ocupa un lu gar prepond erante.
E
INVESTIGACiÓN y CI ENCI A, enero, 2005
Al adoptar este enfoque se dejan de lado otros as pectos igualmente interesantes; así , no es la mejor obra a la que acud ir para buscar conocim ientos básicos sobre la superconductividad , ni siqu iera en un nivel divulga tivo. Quizás uno de los defectos que se le pueden afea r sea precisamente el escaso conten ido est rict amente cientí fico. Bien es verdad que no hay errores ni malen tend idos - los autores son espec ialist as en superconductividad- , pero con eso no es suficiente . Los recuadros con acla raciones marginales o las abundantes notas , que se hu bieran podido aprovechar para ofrecer una explicación científica divulgativa, resultan decepcionantes e incohe rentes (si los autores se creen obligados a defini r el gra diente en una nota, ¿cómo es que luego no brindan la más mínima aclaración sob re lo que son los fonon es blandos , por poner un caso?). Con tales expos icion es, el profano seguirá encontrando dificultad es para compren der los conceptos , mientras que al espec ialista le pare cerán ingenuas. Lego y experto , sin embargo , pueden pasar por alto este punto y recrearse en la narración . Se desc riben am bientes, personajes y situac iones; la polít ica de la inves tigación científica a lo largo de los años y en los dife rentes países ; la génesis de los avances más relevantes en la superconductividad ; el marco en el que se produ jeron esos avances, que muchas veces sólo se dan si las condic iones son propicias ; las relacion es de los investi gado res entr e sí y con la sociedad en general; y otros asuntos que tocan a la ciencia en cuanto actividad hu mana . Es un acie rto centrarse en una especialidad , y tra tar todos estos temas en el caso conc reto que se consi dera. Así el relato resulta mucho más vivo . Como además la obra está escrit a con pulcr itud y corr ección , la lectura es comprensib le y entretenida. - Ange l Gare/mart ín
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Halcón presto para remontar el vuelo. Tapiz del año 1500, aproximadamente.
una ocas ión para que el santo prac ticar a la car idad y eje rce r la hos pital idad co n los viaje ros, fuera n personas o aves migrad oras. No fal ta n, sin embargo, atin adas observa cio nes natur ali stas. Bru netto Latini adv ierte su llegad a en prim avera y su partid a otoñal; su vuelo en for mación , tras el guía o piloto de la band ada. Thomas de Ca ntimpré se ñala que migran cigüeñas, grullas y go lo ndrinas . Pro pio de las mi grada ras, recuerd a san Alberto, es volar alto . Sa bido es que la capacidad mi grato ria es tac io nal de lo s Lepi dópt eros no se co noc ió hasta co mien zo s del siglo xx. Per o en la belleza exót ica de las especies in migr ant es habían reparado ya lo s pintor es flamencos de los siglos XVI y XV II. Lo ha es tudiado Vi nce nt Fagniart a través de las represe nta
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ciones de Vanessa atalanta, Pieris brassicae, Abraxas gross ulariata y otras marip osas en los cuadros de Daniel Seghes, Jan van Kessel o Joris y Ja cob Hoefn agel. En co mpara ció n co n es pec ies sede ntarias, es sobre todo en la pintura de flores típica de la época donde se descu bren la mayoría de estos lepid ópte ros. Desde el siglo XV los artistas se han esforza do por repr esentar las marip osas con un afán de realismo creciente. Vanessa atalanta confir mada hoy co mo el migrador más frec uente en Bélgic a, es la espec ie preponderant e en los cuadros . Cie rto es qu e la ento mo log ía científica no había permanecid o es tancad a en su búsqueda de un do minio más hondo de la anatomía, fisi ología y sis te mática. Antes de la obra culminante de los grandes natur ali stas del siglo XV III, no fue
in sólit o aco mpañar a una descrip ción precisa del insecto caz ado el dibuj o cuidadoso de su morfología externa. En De animalibus insecti s, de Ulisse Aldrovandi, publi cada en 1602, se trazan lo s rasgos identi fi cadores de Papilio machaon, Sa tur nia pyri y Achaerontia atropos . Unos deceni os antes, Konrad Gess ner había aco metido la redacción de una monum ental Hist oria anima lium; su mu ert e precoz le impidió dar fin al volumen consag rado a los insectos; los materi ales llegaron a manos de Tho mas Penn y, qu ien tampo co pu do terminar su deseada enciclope dia entomológica . Prosiguió Thomas Mo ufe t con el proyect o, tomando dato s de la obra de Wotton y suman do observaciones personales. Tam bién él muri ó antes de ver publi cada su obra. Esta fue finalme nte editada en 1634 , en Londres, con el título Insectorum sive Minimo rum Animalium Theatrum olim ab Edoar do Wott on , Conrado Gesne ro, Tho maqu e Pennio, Co piosa mente ilus trado , ofrece excelentes grabados de mariposas sobre madera. A medi o camino entre el ento mólogo profesional y el arti sta, Jo hann es Godaert ofrecía en Metamor ph osis naturali s, publicado en 1665, la descrip ción y el dibuj o de unas 140 espec ies de insecto s, cuyos mo delos procedían, en su mayorí a, de su propia caza y cuidado. Expo ne el desarrollo del insect o en cada uno de sus estadios (huevo , orug a, crisá lida ). A prop ósito de las ilustracio nes de marip osas adultas, las capta en diferent es posturas. En el domi nio meram ente pictórico, Daniel Se ghers, vástago de un extenso linaj e de arti stas, rodeaba sus cuadros con un fes tón floral; en su obra "Guir land a de flores con la educación de la Virgen" aparecen cinco maripo sas ; una de ellas, con las alas ple gadas, es el inevitable lepid ópt ero migrador ya mencion ado: Vanessa ata lanta, posada sobre una flor. En "Maripos as e in sect os so bre una ramita", de Jan van Kessel, apare cen cuatro lepid ópte ros: Papilio ma chaon, Abraxas grossularia, Vanessa atalanta y Loma spilis marginata, de la familia de los geométridos. De la precisión del dibuj o se deduce una ob serv ación directa . El estudio de los insectos, aso ciado en el siglo XVIII al origen de INVESTIGAC iÓN y CIENCIA, enero, 2005
la vida, tom a un nuevo giro con la esc uela de Mal pighi (A ntonio Va llis ne ri. Qua dern i d i Osse r vazionii . Recibi da una rig urosa form ación hum an ística con los j esuitas de Móde na, Va llisneri comienza sus estudios uni versi tari os en 1682. Alumno de Ma l pighi , qui en lo acoge bajo su di recta protección y lo introdu ce en el ambie nte cultura l de Bo loni a. De e ntre las pri nc ipa les corrientes filosóficas de su tiem po - de mocrítea, ca rtes iana y atomista-, Vallis neri se siente atraído por la últim a, sobre la que escribe Titi Lucretii Ca ri philo sop h, ac poetae ves tus tissimi p ul chriora ex sex libri s de rerum na tura enuc leata hi c alp ha betico ordine resc rip ta sunt, fec ha do en 1687, es decir, concluido el pe Mosquito del Sangallo (Ouaderni di Osservazioni, ríodo universitario y antes del co de Vallisneri) . mien zo del trab ajo ex perime ntal co n las aga llas, que le permitirán re batir la teoría de la ge neración agallas de todo tip o, esca rabajos y espontá nea de los insectos encerra hormi gas, parásit os del hombre y dos en las misma s. A sus Quaderni parásitos de insectos. Le guía un ob di osservaz ioni y de los Giornali so jetivo de fondo : exponer las carac te rísticas y el co mportamiento de los p ra gl'insetti se dedicó entre 1694 insec tos según el método experimen y 1701 , aunque las primeras anota cio nes, realizadas en Sca ndiano yal tal representado por Ga lileo, Redi rededores, se remontan a 1690 y una y Ma lpig hi. Ac aba ndo co n la ge ne de las últimas oc urre en Pad ua, en rac ión espontánea, pensaba, se daría las postrim erías del verano de 1713. el go lpe de gracia a la filosofía na Los Qua de rn i amasan observa tural aristotélica . Co ntra la cienc ia ciones personales co n ex trac tos sa ex dicto recl ama repetir una y otra vez el exper imen to ratificad or. cados de libros y artículos aje nos. Se Signo del nuevo modo de hacer apoya en Redi , primero . Co ntrasta su trab ajo de ca mpo co n lo decla ciencia es el uso frec uente del mi croscopio . En los Qua dern i su em rado por Aldrova ndi en el D e anima pleo sis te mát ico se co ns idera in libu s insectis por Moffet en el In sectorum sive minimo ru m anima lium dispensable para mejor co mpre nde r las estruc turas finas y distintivas en the at rum, por J. John ston e n el His tori ae na tu ra lis de insecti s liber , por tre insectos. Rec urre tambi én al sa Se nner t en la Hy po m nemata phy ber prácti co de pescadores, ca mpe sinos y artesa nos . Cualquiera puede sica, y por Goe daert en e l De in apo rtar observac iones dir ectas va sectis . Dialoga tambi én co n Lister liosas, en parti cul ar del co mpo r y Swa mmer da m. De especia l interés para ente nde r el progreso de los tamiento . Abunda n aquí las not as sobre distintos aspectos eto lógicos: Qua de rni so n las referencias a los ensayos y tr ab ajos aparec idos en vue lo nup cial y aco pla miento, ni publicac io nes per iódicas con te m dos y peculi arid ad es de su co ns trucción, alimentac ión de las lar vas poráneas, así las "Acaderni ae Cesa y mantenimient o de las presas . Se reo-Leopoldi nae Caro linae Nat urae enmarca todo ello en un entramado Curiosorum Ephemer ides" , que co doctrina l cuya idea nucl eadora es teja co n sus propi as aproximacio nes a l abigarrado mund o de las la tesis de la gran cade na de los se res, animados por supues to. Discre avispas, orugas, larvas, huevos, crisá lidas, mariposas diurn as y nocturnas, pa, pues, de Descartes. Para Vallis de todos los tamaños y colores, en neri , ex iste e l al ma anima l; más verano y primavera, gri llos, cigarras, aún rec haza aplicar el mecan icism o INVESTIGA CiÓN y CIENCIA, enero, 2005
siquiera a los insectos más ele ment ales, en los cuales advierte un "no sé qué indu strioso, mu cho más que una máquina" . De la aplicac ión ten az del mi crosc opio se sirv ió tambi én Jo hn Toberv ille Need ham para refor zar sus ideas sobre otro capítulo incipient e de la zoo logía del si glo XV III , la embriogénes is y re generac ión (Cor ruzione e Genera zionei . Cuando entra en esce na, predomina en la ciencia una po derosa corriente, representada por Christia n Wolff, que explica el orden, la existencia y el desarrollo de los cuerpos vivos a través de leyes mecá nicas . Relojes y edifi cios servirá n de modelos causa les de los organismos vivos . Nee d ham nació en Lo ndres en 171 3 e n el seno de un a fa milia católica . Estudió en el continente y se hi zo sacerdote. Pese a ello fue nombrado, en 1741 , miem bro de la Regia Soc iedad de Lo n dres, en cuyo seno fome ntó los tra bajos biol ógicos y microscóp icos. En ese mism o deceni o abor da sus primeros ensayos de regeneración de es tre llas de mar. Mag nífica su minu ciosa descripción anatómica y morfológi ca del ca la mar, en An ac co unt 01 so me discove ries fo unded on an exami na tio n 01 th e Ca lamary and its wo nde rfu l miltvessels (1745). Co n la mism a fuerza que Vallis neri pu gn ó co ntra la ge nerac ió n es pon tán e a se mani fest ó Nee d ha m co ntra e l preform aci onism o. Los animá lcu los que bullían ante la lente del micro scopi o (espermatozoides, gra nos de polen , moh os, gusanos de la harin a) no es tán co mpues tos por gérme nes caídos del cielo, sino por "átomos vivos" o se m en ces uni verselles , que se destru yen por pu trefacción. Los animálculos tard aron todavía años en perder su carácter misterioso. Karl von Bae r em pezó por impo nerles un nuevo nombre, orientador: espermatozo ides, y R. von Koelliker pergeñó su función. La fec undac ión co mo unión de pronúcleos no la de mostró Osear Hertwig hasta 1875 . Las investigaciones micro scópicas de fluido espermático de casi todos los grupos de met azoos conduje ron a G. Retziu s, en los albores del si glo XX, a la creac ión de una nueva discipl ina, la espermatolog ía. Pero, 95
Humanistas matemáticos
MATHEMATICS AND CULTURE. Dirigido por Michele Emmer. Springer Verlag ; Be rlín , Nuev a York , 2004 .
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l libro recoge las actas de un cong reso (Venec ia 1999) , que reunió a matemáticos con intereses hu man ísticos (hay muchos más de lo que comúnmente se cree) y humanistas con intereses matemáticos (son des g raciadamente muy pocos) . El resu ltado de su trabajo en común es valioso y, aún más , importa no só lo a los ma temáticos profesionales, sino también a un sector muy am plio de la llamada gente de la cultura . Como es habitual en este tipo de congresos , los ma temáti cos rea lizan, en general , un enorme esfuerzo para hacer comprensib les los conceptos que utilizan (hemos de reconocer que con éxito dudoso la mayoría de las ve ces) y los no matemáticos parecen pensar que un poco de aritmética o estadística descriptiva introduce en su trabajo un auténtico sabo r a matemática profunda . Pese a ello , el libro me rece ser leído . Los veintisiete textos de las co nferencias se ofrecen ag rupados en once secciones . De ellas, só lo dos pre sentan un contenido puramente matemático. La primera cons ta de un texto de Procesi que , aunque está ded icado a investigación y enseñanza en matemáticas, constituye una magnifica reflex ión sobre lo que hay que enseñar y una exposición de la programación no lineal por uno de sus creadores , H. Kuhn, carente de atractivo para los inex pertos. La segu nda contiene un artículo sobre visualiza ción, de Polthier, y otro sobre criptografía, de Languasco y Perelli. Las bellas artes aparecen en cua tro secciones : pintura , cin e, música y literatu ra. Capi Corrales, única españo la part icipa nte en la ob ra, escribe un exce lente trabajo en el que ana liza la evolución del concepto de espacio en la geome tr ía y la pintura. Ofrece una significativa col ec ción de vidas para lelas: Gauss y Goya (geometr ías no euclídeas), Cantor y Seurat (dimensionalidad) , Volterra y Mon et (inicios de la topo logía) Hauusdorff y Kad insk y (fo rmalización de los espacios abstractos) . Este texto se complementa con el de un creador italiano, Perili , que uti liza la geometría como fuente de inspiración para su obra a rtística . El cin e está representado por un crítico , Emmer, y dos realizado res, Mosquera y Greenaway; los dos primeros hab lan de la película Moeb ius. El tercero estab lece una
a su paso, se fuero n estableciendo las bases de la embriología moderna a tra vés de las investi gaciones de Heinri ch Rath ke y Christian Pande r. Rathke prestó particular atención a la organogé nes is del sistema uro ge nital de los verte brados , así co mo al desarrollo embrionario precoz de las aves , reptiles, mamífero s y hu man os (Va n der "Entw ickelungsme chani k" zur Entw icklungsbiologie) . El progreso de la teoría celular permiti ó aho ndar en la fisio logía del desarr ollo, inici ada por August Weismann y estruc tura da por Wil helm Roux, Hans Dries ch y Han s
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serie de reg las de carácter empí rico , importantes para hacer una buena pelícu la. Aunque pueda parecer aven turado imponer reglas de este tipo , hay reglas , como la célebre ley de Bode, que se han establecido con menos ejemp los. Relacio nado con la mús ica es el trabajo sobre la mo delización de algunos instrumentos de percus ión (Tedeschini Lalli) y el dedicado a las claves numéricas de la música asiática (Quang Hai). La literatura está representada por las co labo racio nes de Odifreddi (la numerología no puede faltar en este tipo de eventos) y Russo, que hace una cur iosa comparación entre la retórica y la demostración matemática. La sección de matemáticas e historia contiene tres ar tículos ded icados, respectivamente, a las matemáticas en la Italia fascista, en la Alemania nazi y en la Rusia a fi nes del zarismo. El segundo se ciñe a una exposición su mar ia de algu nas biografías de matemáticos afines al na zismo o perseguidos por éste. El primero, el más discutible, man ifiesta unas opin iones que no enca jan mucho co n el co noc imiento que el auto r de estas líneas tiene de esa época , a través de persona tan poco sospechosa como Osear Zar iski, que vivi ó en ese mome nto y estuvo ínti mamente ligado a algu no de los protagon istas más no tables de la historia , Severi de un lado y Enriques y Caste lnuo vo de l otro . La eco nomía es uno de los campos que admi ten que las matemáticas son herramienta esencial para su de sa rrollo . Lamentablemente el artícu lo general sob re el tema se limita al per íodo 1494 -1969, omit iendo los últimos cua renta años , en los que la relación ent re ambas discip li nas ha crecido expone ncialmente y alcanzado campos de las matemáticas que en 1969 se co ns ideraban en el úl timo ext remo de la abstracción; el trabajo del español Mas Colell es un buen ejemplo de el lo. El segundo ar tículo, de los mismos autores Bas ile y Li Calzi que el pri mero, da noticia de la obra de algunos matemáticos ga nadores del Nobel (en economía) : Debreu , Arrow, Nash y Kantorovich . Completan la obra secciones sobre matemáticas y me dicina, matemáticas y Venecia y centros matemáticos. En resumen un lib ro que nos hace pregunta rnos por qué razón la ciencia, y en parti cu lar las matemáticas , no se con si deran, espec ialme nte en nuestro país, como parte de la cultura. -José Manue l Aroca Fernández
Spemann. La teorí a de Weismann sobre el plasma de la heren cia se basa en su descubrimi ento mor fológico de las lín eas ge rminales co mo linaje ce lular. Postul aba que la herencia se funda en la tran smi sió n de un sustrato material , do tado de un a estructura molecular es pecífica. Introdujo la separación entre plasma ge rminal y soma. Sin embargo, sería la investiga ción en insecto s lo que permitirí a avanzar co n paso firme en el estu dio de la embriología co mpara da . Se refl ej a en las co municac io nes present ad as e n la und é cim a reu -
nión anual de la Sociedad Alemana de Histor ia y Teo ría de la Bio logía, dond e se hom en ajeó a un experto e n di ch o campo , Kla us Sander. Descubri ó és te que las ca usas fi siológicas del patr ón embrionario se originan, en forma de gradiente, a partir de los pol os del huevo del insecto, no a partir de la porción ce ntra l. En torn o a esa misma cues tión de la información posici on al, e n los años setenta Lewi s Wolpert prop uso el mod elo de la "bandera fr ancesa" y Anto nio Ga rcía -Bellido un modelo de "c ompartimentos " . -LUIS A LONSO
INVESTIG ACiÓN y CIENCI A, enero, 2005
