jueves, 30 de junio de 2011

Químicos Modernos: Agnes Pockels, la química física del agua de fregar.



Agnes Pockels nació en Venecia (hoy, Italia) el 14 de febrero de 1862, donde su padre estaba destinado como oficial del ejército austriaco (Venecia perteneció a Austria hasta 1866) y donde enfermó de malaria. En 1871 la familia se asentó en Brunswick, en la Baja Sajonia, que ese mismo año entró a formar parte del II Reich alemán. Agnes, a lo largo de su vida viviría más cambios políticos sin salir de su casa: la I Guerra Mundial, la proclamación de la República de Weimar en la que Brunswick fue un estado libre, y la llegada al poder de Hitler y el advenimiento del III Reich. Agnes se dedicó a cuidar de sus padres y a su hermano pequeño, nunca se casó y nunca tuvo otro empleo que el de ama de casa. Y sin embargo, llegó a ser una pionera de la química, publicó repetidamente en Nature, se codeó con científicos de primer nivel, recibió un doctorado honoris causa, un homenaje de Wilhelm Ostwald, y sentó las bases para que otros profundizaran en su trabajo y llegasen a ganar un premio Nobel de química.

Una vez la familia asentada en Brunswick, Agnes se las ingenió para asistir al Instituto Municipal para Niñas mientras seguía ayudando en casa. En este colegio Agnes adquiriría “un entusiasta interés en las ciencias naturales, especialmente la física”. Cuando terminó sus estudios las universidades alemanas no admitían mujeres; cuando un poco más adelante sí lo hacían, sus padres no le permitieron matricularse.

En parte por inclinación propia y capacidades innatas, en parte por la influencia de su hermana mayor, Friedrich Pockels terminó estudiando física. Fue a través de los textos de su hermano, que Agnes devoraba, incluidos los de doctorado, como adquirió los conocimientos que ansiaba. Pero mientras que a su hermano le atraían las matemáticas y los aspectos más teóricos de la disciplina, Agnes era una mujer práctica, tenía que serlo por necesidad, y le encantaba la experimentación. Pero, ¿con qué experimentaría?

Su cuñada nos da la respuesta: “Esto es realmente cierto y no ninguna broma o licencia poética: lo que millones de mujeres ven todos los días sin placer ninguno y están ansiosas por tirar, esto es, el agua grasienta de fregar los platos, llevó a esta chica a hacer observaciones y en última instancia a la investigación científica.”

Agnes terminaría desarrollando un dispositivo que le permitía medir la tensión superficial de monocapas de sustancias hidrofóbicas (aceites y grasas) y anfipáticas (jabones y detergentes) y el tamaño de las moléculas. Consistía en un recipiente hecho a partir de una sartén de estaño (hojalata) con inserciones también de hojalata: una de las inserciones era fija, la otra, móvil, se usaba para comprimir una capa de jabón, por ejemplo, depositada sobre agua; las moléculas ocupan todo el espacio disponible, y se usa la inserción móvil para comprimir la capa; la presión necesaria, que cambia suavemente, se va registrando y llega un momento en que cambia bruscamente (el punto de Pockels), en ese momento las moléculas están en el máximo de compresión; sabiendo la superficie y el número de moléculas de jabón depositadas, sabes el área que ocupa una molécula. El dispositivo incorporaba una balanza con un disco de hojalata de 6 mm: determinando la fuerza necesaria para que el disco atraviese la monocapa se obtiene una medida de la tensión superficial. Con este dispositivo Agnes describió el comportamiento general de la tensón superficial con diferentes concentraciones de aceite y las cantidades de distintos aceites necesarias para constituir una monocapa de superficie conocida.

Sus estudios sólo eran conocidos por su hermano. Éste, consciente de la valía de los mismos y conocedor del mundo académico alemán y de la imposibilidad de que su hermana los publicase, podría haberlos publicado él mismo. En lugar de eso la animó a escribir al único hombre capaz de apreciar su trabajo, el mejor químico/físico experimental de la época, John William Strutt, tercer barón Rayleigh. Después de todo, un artículo de Lord Rayleigh que trataba algunos aspectos del trabajo de Agnes habían aparecido en 1890 en la Naturwissenschaftlichen Rundschau, a la que Agnes estaba suscrita.

El 10 de enero de 1891, Agnes escribió: “Milord: Habiendo tenido conocimiento de las fructíferas investigaciones llevadas a cabo por usted el año pasado sobre las poco conocidas propiedades de las superficies acuosas, he pensado que podría interesarle conocer mis propias observaciones sobre el asunto. Por varias razones no estoy en posición de publicarlas en los periódicos científicos, y por lo tanto he elegido este medio para comunicarle las más importantes de ellas...”

Lord Rayleigh no sólo era noble por nacimiento y, si ella no estaba en posición de publicar, el sí tenía el poder de hacer que se publicase un trabajo que tenía mérito. El 2 de marzo escribió al editor de Nature: “Le estaría muy agradecido si pudiese encontrar espacio para la traducción [realizada por Lady Rayleigh] adjunta de una interesante carta que he recibido de una dama alemana, quien con aparatos muy hogareños ha llegado a resultados valiosos con respecto al comportamiento de las superficies acuosas contaminadas. La primera parte de la carta de la señorita Pockels cubre casi el mismo terreno que parte de mi trabajo reciente y, en lo principal, está en armonía con él. Las secciones posteriores me parecen muy sugerentes, suscitando, si no las responden, muchas cuestiones interesantes. Espero encontrar pronto una oportunidad para repetir algunos de los experimentos de la señorita Pockels”.

La carta de Agnes aparecería publicada en Nature ese mismo año con el título de “Surface Tension” [Nature, vol. 43, pp. 437-439 (1891)]. Con ella Agnes Pockels había establecido las bases de la investigación cuantitativa de las películas superficiales, un nuevo campo científico que alcanzaría su reconocimiento con la concesión del premio Nobel de química a Irving Langmuir en 1932.

Al principio el mundo científico alemán no reparó demasiado en ella. Eso sí, recibió una invitación a hacer uso del laboratorio de física de la Universidad de Gotinga. Pero no la pudo aceptar. Sus responsabilidades familiares ahora incluían llevar la casa de la estrella de la familia, su hermano Friedrich, nombrado catedrático de física teórica en Heidelberg.

Pero Agnes no se quedó quieta. Todavía publicaría dos veces más en Nature (en 1892 y en 1894). También publicaría en lo que hoy llamaríamos revistas de divulgación científica alemanas, como Naturwissenschaftlichen Rundschau, y ocasionalmente también aparecería en revistas más especializadas. Mantuvo correspondencia con Georg Quincke, Herbert Teubner, Arnold Sommerfeld o Charles G. Darwin (no confundir con su abuelo). Incluso tras la muerte de su hermano en 1913 y su madre en 1914, continuó publicando casi anualmente el resultado de sus investigaciones. Todo cambió para ella con el fin de la Primera Guerra Mundial, sobre todo en lo que respecta al acceso a la literatura científica. Ya sólo publicaría de nuevo en 1926 y finalmente, sobre la adhesión de los sólidos, en 1933.

Sólo después de cumplir los 70 años empezó a ser reconocida la importancia de su trabajo en su país natal. 1932 sería su año. La Universidad Politécnica de Brunswick le concedió un doctorado honoris causa, el primero concedido a una mujer, en ingeniería, como inventora del método cuantitativo para medir la tensión superficial (y cuyo perfeccionamiento y los trabajos asociados le valdrían el Nobel de química a Langmuir, pero de esto ya hablaremos). Ese mismo año la Kolloid Gesellschaft le concede el premio Leonard (junto a Devaux). Finalmente, Wilhelm Ostwald publicaría un artículo en Kolloid Zeitschrift ponderando la importancia de su trabajo acompañado por una autobiografía de Agnes.

Agnes Pockels moriría el 21 de noviembre de 1935 en su hogar de Brunswick. El mundo la olvidaría poco después.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VI Edición del Carnaval de Química que acoge Divagaciones de una investigadora en apuros.




miércoles, 29 de junio de 2011

Los problemas NP-complejos de los abejorros.




Los humanos tenemos tendencia a buscarnos problemas. Y a un conjunto de éstos lo llamamos problemas NP-complejos. Pero en la naturaleza los humanos no somos los únicos en enfrentarnos a las situaciones que los generan. Un ejemplo típico de este tipo de problemas es el denominado del viajante de comercio, o quizás deberíamos decir, para no ser tan antropocéntricos, el problema del abejorro recolector. Los abejorros revelan que su inteligencia y memoria van más allá de lo que sospechábamos encontrando soluciones óptimas a problemas con 120 opciones y dos variables empleando un cerebro del tamaño de una cabeza de alfiler.

El problema del viajante de comercio (PVC) se puede expresar en términos matemáticos más formales (así, por ejemplo) pero a nosotros nos bastará con una descripción sencilla para después entender rápidamente el problema del abejorro recolector.

Un viajante de comercio debe viajar entre N ciudades, la suya incluida. El orden en el que las visite no importa siempre que visite cada una durante su viaje y finalice éste en el lugar donde empezó, la sede de su empresa. Cada una de las ciudades, o nodos, está conectada con los otros nodos por distintos medios de transporte (aviones, trenes o carreteras). Cada una de estas conexiones tiene unos costes asociados. En términos más matemáticos diríamos que la dificultad de atravesar esta arista del grafo vendría expresada por el coste, que es monetario (el precio del billete o el combustible) y temporal (tiempo invertido en el traslado). El objetivo del viajante es conseguir que los costes del viaje, en dinero desembolsado y tiempo, sean mínimos.

No parece demasiado difícil si pensamos en 4 ó 5 ciudades. Lo podemos resolver a lo bruto. La dificultad está en que conforme aumenta N la complejidad se dispara, ya que el número de permutaciones es (N-1)!, leído ene-menos-uno-factorial, si no consideramos la sede de la empresa. Un ejemplo numérico nos dará idea de la magnitud del problema: si hay que visitar 12 ciudades el número de opciones a considerar es superior a ¡479 millones! El PVC es un ejemplo típico de un conjunto de problemas de optimización considerados “difíciles” o “complejos” a los que los matemáticos e informáticos llevan dándole vueltas desde hace decenios por sus implicaciones en ciencia e ingeniería (piensa en la fabricación de un circuito integrado y el orden en el que un láser tiene que realizar miles de perforaciones). El uso de la fuerza bruta para resolver uno de estos problemas implica el uso de superordenadores.

Otra característica interesante del PVC es que se considera particularmente difícil de resolver. Si se encuentra una forma de descomponerlo en problemas menores, estos problemas son al menos tan complejos como el original; esto es lo que se llama un problema NP-complejo.

Pero a poco que nos fijemos nos daremos cuenta de que el PVC es idéntico en planteamiento a la situación a la que se enfrentan las abejas, los pájaros y los primates que recolectan su alimento de lugares que están fijos en el espacio y que se recuperan con el tiempo (flores, granos, frutas). Estos animales tienden a visitar estos lugares en secuencias repetitivas. La cuestión es, ¿están optimizadas estas secuencias para conseguir la máxima cantidad de alimento con el menor gasto energético posible? O dicho de otra forma, resuelven estos animales el ¿problema del abejorro recolector?

Para encontrar un indicio de lo que puede ser una respuesta a estas preguntas un grupo de investigadores de la Universidad Queen Mary (Reino Unido) encabezados por Mathie Lihoreau ha estudiado los movimientos de los abejorros (Bombus terrestris) al recolectar néctar de 5 flores artificiales de distinta rentabilidad alimenticia. En un artículo publicado en diciembre de 2010 en The American Naturalist [1], este equipo de investigadores demostró que los abejorros saben encontrar la distancia mínima (óptima) cuando se trata de visitar flores de igual rentabilidad alimenticia. Ahora, han encontrado que resuelven el problema de encontrar la ruta óptima entre 120 posibles y considerando las dos variables. Publican sus resultados en Functional Ecology [2].

El equipo marcó numéricamente los abejorros que se alojaban en un nido artificial para poder diferenciarlos cuando visitaban cinco flores también artificiales dispuestas en los vértices de un pentágono regular. En primer lugar confirmaron sus estudios anteriores con flores de igual rentabilidad alimenticia (definida como la cantidad de néctar que se puede recolectar en una visita). Pero al hacer a una flor mucho más rentable que las demás forzaron en una segunda fase a los abejorros a decidir entre seguir la ruta más corta o visitar la flor más rentable primero, o cualquier combinación intermedia.

Los abejorros después de explorar la nueva disposición unas cuantas veces terminaron ajustándose a distintos patrones en función de la posición de la flor más rentable. Si visitarla primero suponía un incremento en la distancia sobre el óptimo del 18% o menos, los abejorros ponían la flor más rica la primera de la lista. Si la desviación sobre la distancia óptima era superior al 42% los abejorros se ceñían al recorrido más corto. Entre ambas cifras, soluciones intermedias que tendían a maximizar la rentabilidad alimenticia del recorrido.

Esto quiere decir que los abejorros intentaban optimizar tanto la distancia recorrida como la recogida de néctar conforme ganaban experiencia con las flores. Pero démonos cuenta de lo que significa cognitivamente además de matemáticamente resolver el problema del abejorro recolector: imagina que quieres recoger lo máximo con el mínimo esfuerzo; para ello necesitas recordar tanto la localización como la rentabilidad de cada flor así como las rutas conocidas en tu intento de resolver un problema NP-complejo. Ahora añade que eres un abejorro con cerebro de abejorro y que no puedes usar un ordenador...

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición 2.5 del Carnaval de Matemáticas que acoge Juegos topológicos, y en la V Edición del Carnaval de Biología que organiza Feelsynapsis.

Referencias:

[1] Lihoreau, M., Chittka, L., & Raine, N. (2010). Travel Optimization by Foraging Bumblebees through Readjustments of Traplines after Discovery of New Feeding Locations The American Naturalist, 176 (6), 744-757 DOI: 10.1086/657042

[2] Lihoreau, M., Chittka, L., & Raine, N. (2011) Trade-off between travel distance and prioritization of high-reward sites in traplining bumblebees Functional Ecology DOI: 10.1111/j.1365-2435.2011.01881.x
 

martes, 28 de junio de 2011

De vesículas sinápticas y cubos con tapa.



Imagina que existe un gran riesgo de incendio espontáneo en algunas casas de la ciudad y que el único medio que existe para apagarlo en el caso de que se declare son cubos con agua. Los vecinos de los distintos barrios se congregan y comienzan a preparar los cubos que tienen. Cada cubo tiene una tapa para evitar que el agua se derrame, ya que el terreno es muy accidentado. En la organización de los vecinos se tiene en cuenta que la cantidad de cubos disponible es un factor crítico en la eficiencia y velocidad con la que se pueda aportar agua al incendio, por lo que tan importante es llevar el agua como devolver los cubos vacíos y ponerles la tapa. Aparentemente cualquier tapa de los tres tipos de los que disponen los vecinos sirve. Los vecinos de distintos barrios se organizan de formas ligeramente diferentes. ¿Te imaginas la situación? Bien, hablemos de cambiar lo que dicen los libros de texto sobre cómo se regeneran las vesículas de neurotransmisores en la célula presináptica.

A la hora de pasar señales químicas entre neuronas, los mensajeros de esa transmisión, los neurotransmisores, se almacenan en la neurona presináptica en vesículas a la espera de que llegue la señal de activación. Los neurotransmisores se liberan en el espacio sináptico, fundiéndose las vesículas con la pared de la neurona. Pero las vesículas existen en un número limitado, por lo que deben recomponerse, llenarse de neurotransmisor y cerrarse a la espera de la siguiente intervención. En nuestro símil las vesículas son los cubos, los neurotransmisores el agua y el cierre, del que hablaremos más abajo, la tapa. Si la neurona se queda sin vesículas es como si en el incendio nos quedamos sin cubos: alguien lo lamentará.

En un estudio publicado en Nature Neuroscience [1] por Moritz Armbruster y Timothy Ryan, ambos de la Universidad de Cornell (EE.UU.), se demuestra que las neuronas individuales controlan de alguna forma, aún desconocida, la velocidad a la que se reciclan las vesículas sinápticas una vez han liberado los neurotransmisores en el espacio sináptico. En nuestro símil, se constata que los barrios difieren a la hora de organizar cómo se devuelven los cubos vacíos para ser llenados y, además, que la velocidad a consecuencia de esa organización es igual en todos los incendios que ocurren en el barrio, o dicho de otra forma, no importa cómo sea el incendio que en un barrio dado se reacciona siempre igual.  

Armbruster y Ryan querían averiguar qué controlaba la velocidad de recuperación de las vesículas. Esta velocidad ha sido considerada durante mucho tiempo uno de los límites que marcan la velocidad a la que puede comunicarse continuamente una neurona, especialmente en situaciones de alta demanda. 

Los autores usaron una medida óptica de los movimientos de las vesículas en 84 neuronas del hipocampo de ratas para medir sus distintas velocidades de reciclado o, dicho en jerga, la cinética de la endocitosis en las neuronas. Encontraron que cada célula marca a qué velocidad se produce este reciclado en sus axones terminales, pero que la velocidad podía variar un 400% (cuatrocientos por ciento) de una neurona a otra incluso si las neuronas estaban realizando funciones idénticas, incluso segregando el mismo neurotransmisor.

No se sabe qué gobierna este regulador neuronal ni si tiene importancia a la hora de abordar las neuropatías asociadas a los problemas de comunicación sináptica.

Armbruster y Ryan también son coautores del artículo que aparece en Neuron [2], encabezado por Andrea Raimondi, de la Universidad de Yale (Estados Unidos), y en el que se demuestra que todo lo que se sabía de las tapas de los cubos está equivocado, esto es, sobre las proteínas que cierran las vesículas durante su formación.

Raimondi y sus colaboradores, entre los que se encuentra Pietro de Camilli, se centraron en el proceso de recuperación de la vesícula a partir de la membrana de la neurona o, para ser precisos, en el momento en que se separa la vesícula recién formada y hay que cerrarla. Se pensaba hasta ahora que una proteína, la dinamina, que se presenta en tres formas, I, II y III, era crítica en el momento de la fisión.

En 2007 el grupo de de Camilli comprobó que la supresión de la dinamina I, que supone el 90% de la dinamina, no afectaba de forma significativa al comportamiento de ratones, con lo que la proteína que se consideraba clave en el proceso de fusión resultó que no lo era. El resultado tuvo relevancia suficiente como para aparecer en Science [3].

En el trabajo que nos ocupa, los investigadores usaron el mismo método óptico del estudio de Armsbruster y Ryan para ver qué pasaba cuando se suprimían las dinaminas I y III, que suponen el 99% de la dinamina disponible, y cómo afectaba esta ausencia a la velocidad de recuperación de las vesículas.

Los resultados muestran que ahora la recuperación de las sinapsis se ve muy dificultada, con lo que se sabe que la dinamina III juega un papel principal en esta función presináptica. Pero, lo llamativo es que, en contra de lo que cabía esperar, la función de reciclado continúa, pero no se sabe si esto lo hace la dinamina II, ya que es sólo un 1% de la dinamina presente. Parecería más lógico que hubiese otra proteína o proceso biomecánico que también participe en el proceso. Es decir, que el 90 % de las tapas no sirven, los vecinos usan realmente las de un tipo que representa el 9% del total de tapas para poder tapar los cubos y si no hay ni una ni otra se las arreglan para que el agua no se salga de alguna manera desconocida. En términos humanos diríamos que la gente se adapta a las circunstancias creativamente; en términos neuronales hablamos de sorprendente plasticidad neuronal.

Estos dos estudios cambian la visión que se tenía de la comunicación sináptica y apuntan a que hay al menos dos mecanismos intervinientes y críticos que son completamente desconocidos. Si tenemos en cuenta que el Alzheimer, el Parkinson, la esquizofrenia y bastantes más trastornos neurodegenerativos y psiquiátricos se pueden considerar sinaptopatías, comprenderemos la importancia que tienen estos resultados. Y lo antediluvianos que parecen ya los textos de neurociencia con más de 5 años de antigüedad.

Referencias:

[1] Armbruster, M., & Ryan, T. (2011). Synaptic vesicle retrieval time is a cell-wide rather than individual-synapse property Nature Neuroscience DOI: 10.1038/nn.2828

[2]  Raimondi, A., Ferguson, S., Lou, X., Armbruster, M., Paradise, S., Giovedi, S., Messa, M., Kono, N., Takasaki, J., Cappello, V., O'Toole, E., Ryan, T., & De Camilli, P. (2011). Overlapping Role of Dynamin Isoforms in Synaptic Vesicle Endocytosis Neuron, 70 (6), 1100-1114 DOI: 10.1016/j.neuron.2011.04.031

[3]  Ferguson, S., Brasnjo, G., Hayashi, M., Wolfel, M., Collesi, C., Giovedi, S., Raimondi, A., Gong, L., Ariel, P., Paradise, S., O'Toole, E., Flavell, R., Cremona, O., Miesenbock, G., Ryan, T., & De Camilli, P. (2007). A Selective Activity-Dependent Requirement for Dynamin 1 in Synaptic Vesicle Endocytosis Science, 316 (5824), 570-574 DOI: 10.1126/science.1140621

lunes, 27 de junio de 2011

¿De dónde vino el nitrógeno pesado de la Tierra?



La sonda Génesis fue una misión de la NASA que tenía como objetivo traer a la Tierra muestras del viento solar recogidas más allá de la órbita lunar. Todo fue bien excepto en el momento del despliegue del paracaídas, lo que terminó con la sonda estrellándose en el desierto de Utah (Estados Unidos). Los científicos se ponían en lo peor, pero las muestras contenidas en los colectores del Concentrador de Viento Solar sobrevivieron al impacto (véase Los científicos de Génesis por fin tienen algo de suerte)

Los análisis de los elementos nitrógeno y oxígeno han sido publicados en sendos artículos en Science. De esta noticia se ha hecho eco Europa Press y los medios que han reproducido la nota de prensa, que puede verse aquí. Nosotros no vamos a reproducir lo ya dicho pero sí vamos a puntualizar unas cuantas cosas.

- Los estudios indican que la composición isotópica de oxígeno y nitrógeno del Sol difiere de la de la Tierra, de ahí que la conclusión a la que llega Europa Press en su titular sea un espectacular y huero “El Sol y los planetas pudieron formarse de forma diferente”. Hasta donde sabemos (y ese “hasta” es importante) lo diferente es la Tierra.

- La diferencia en la composición isotópica del oxígeno presenta una variación positiva del 7% en el 16O en el Sol. La radiación ultravioleta por sí misma puede explicar esta diferencia en los planetas rocosos, por un proceso denominado autoapantallamiento fotoquímico que afectó al polvo que terminaría formando dichos planetas, enriqueciéndolos en 17O y 18O.

- Pero la diferencia de la composición del nitrógeno ya es otro cantar. La variación es de casi el 40%, en el sentido de que el Sol tiene menos 15N que la Tierra pero sus proporciones isotópicas son muy similares a las de Júpiter. De donde se deduce que la composición química al menos en N era homogénea en el interior y el exterior del Sistema Solar. Por lo que el apantallamiento fotoquímico no nos sirve como explicación.

¿De dónde vino el nitrógeno pesado que hay en la Tierra? Esta es la pregunta. ¿De los cometas? Sería una posibilidad y una forma de diferir la respuesta. ¿De la materia orgánica que llegaba con los meteoritos? También diferimos la respuesta pero se hace más interesante. Imagina que hubiese bacterias en las lunas de Júpiter y que algún asteroide las portase ¿Podríamos reconocer un organismo vivo extraterrestre por su composición isotópica? No hay respuesta correcta de momento, la especulación puede dar lugar a un bonito relato de ciencia ficción.


Imagen:  Formación del Sistema Solar de Panoramic Universe Pictures.


Referencias:

[1] Marty, B., Chaussidon, M., Wiens, R., Jurewicz, A., & Burnett, D. (2011). A 15N-Poor Isotopic Composition for the Solar System As Shown by Genesis Solar Wind Samples Science, 332 (6037), 1533-1536 DOI: 10.1126/science.1204656

[2] McKeegan, K., Kallio, A., Heber, V., Jarzebinski, G., Mao, P., Coath, C., Kunihiro, T., Wiens, R., Nordholt, J., Moses, R., Reisenfeld, D., Jurewicz, A., & Burnett, D. (2011). The Oxygen Isotopic Composition of the Sun Inferred from Captured Solar Wind Science, 332 (6037), 1528-1532 DOI: 10.1126/science.1204636

viernes, 24 de junio de 2011

Formación de azúcares en las fumarolas hidrotermales prebióticas.



Aleksandr Mijailovich Butlerov (1828-1886) es uno de esos químicos que no suelen aparecer nombrados en los libros de texto, demasiado influenciados, quizás, por la impronta francesa o anglosajona. Butlerov está, sin embargo, entre los grandes (cráter en la Luna incluido). Ruso, fue, entre otras cosas, uno de los creadores de la teoría de la estructura química, el primero en incorporar los dobles enlaces en las fórmulas estructurales, el descubridor de la hexamina (hexametilentetramina, para los iniciados) y, razón por la que lo traemos hoy aquí, el descubridor de la reacción de la formosa.

La reacción de la formosa [en la imagen] es importante en la cuestión del origen de la vida porque explica parte de la ruta sintética que, partiendo de una molécula sencilla como el formaldehído, lleva a azúcares complejos como la ribosa, o a moléculas en la que los azúcares son fundamentales como el ARN. Tanto el formaldehído [en la imagen las moléculas iniciales, arriba a la izquierda] como el gliceraldehído [en la imagen marcado con un 2] han sido observados espectroscópicamente en el espacio exterior, lo que hace a la reacción de la formosa especialmente interesante para la astroquímica y la astrobiología.

Hasta ahora, para que la reacción tuviese lugar se pensaba que eran imprescindibles tanto unas condiciones básicas como la presencia de un catalizador. En experimentos que simulaban la Tierra prebiótica y en el que obtenían pentosas el papel de catalizador lo jugaban minerales de boro. Pero, en un estudio que se publica en el New Journal of Chemistry, Daniel Kopetzky y Markus Antonietti, ambos del Instituto Max Planck (Alemania), informan de que han conseguido reproducir la reacción de la formosa sin catalizador y prácticamente sin alcalinidad en unas condiciones que pudieron darse en la Tierra prebiótica.

Kopetzki y Antonietti replicaron las condiciones presentes en las fumarolas hidrotermales, en las que se alcanzan temperaturas de 200 ºC y la presión, debido a encontrarse en el lecho marino, puede llegar a 100 bar. Encontraron que en estas condiciones también se producían azúcares, sin catalizador y con un pH muy ligeramente alcalino. Es importante recalcar el hecho de que no encontraron especificidad por ningún carbohidrato concreto, aunque sí detectaron la presencia en los productos de desoxirribosa (famosa por ser parte del ácido desoxirribonucleico, ADN) y en general de mayor cantidad de pentosas que en la reacción de la formosa, llamémosla, estándar.

A lo mejor lo anterior produce algún tipo de entusiasmo en el lector, en el sentido de “se ha encontrado la ruta sintética de algunos bloques de la vida” o “una parte importante de la abiogénesis explicada”, por lo que hemos de enfatizar que cualquiera de estas conclusiones sería, cuanto menos, precipitada. Desde el momento en el que el experimento no muestra selectividad y especificidad, como sí tienen las moléculas biológicas, esto no deja de ser un modelo interesante pero que, estrictamente hablando, no explica nada. Ni siquiera da más posibilidades a la hipótesis hidrotermal pare que sea la correcta. Lo que sí hace, por si hiciera falta, es confirmarnos en la idea de que la abiogénesis es factible, en el nuestro y en otros mundos.

Esta entrada participa en la V Edición del Carnaval de Química que acoge Scientia y en la V Edición del Carnaval de Biología que organiza Feelsynapsis.  

Referencia:

Kopetzki, D., & Antonietti, M. (2011). Hydrothermal formose reaction New Journal of Chemistry DOI: 10.1039/C1NJ20191C

miércoles, 22 de junio de 2011

Amazings.es: ¿Una segunda juventud para el acero?

Hubo una época en la que las aportaciones de los aficionados (militares, cerveceros, caballeros ociosos, amas de casa, etc.) a la ciencia y a la técnica eran importantes, si no fundamentales. Hoy, cuando hablamos de nuevos materiales pensamos en nanotecnología, fulerenos, fibras de esto y lo otro y centros de investigación hiperdotados en recursos humanos y materiales, lo que aparentemente ya no deja espacio para aportaciones significativas de los “no profesionales”. Por ello es mucho más llamativo el caso de Gary Cola, dueño de un pequeño taller de estampación de acero, y que ha desarrollado un proceso que puede marcar el futuro próximo en el uso de materiales de alto rendimiento: hablamos de un tratamiento térmico que hace al acero un 7% más fuerte que cualquier otro acero conocido (y la mayoría de las aleaciones de titanio) y que emplea menos de 10 segundos. Los que lean esto que entiendan de metalurgia ya deben de estar con la boca abierta, los demás espero que lo estéis al terminar de leer.

Sigue leyendo en Amazings.es

lunes, 20 de junio de 2011

El iridio y los dinosaurios.




A las 13:45 horas del 21 de junio de 1978, Helen introdujo la muestra en el detector y activó la fuente de neutrones. No tardó Frank en aparecer por el laboratorio, después de todo era un favor que un amigo suyo había pedido para su hijo. A los 224 minutos de iniciado el experimento decidieron parar. Algo no iba bien, o el detector se había descalibrado o había una contaminación en la muestra o algo raro ocurría, allí había una cantidad de iridio inconcebiblemente alta.

Helen y Frank repasaron todo el dispositivo. Aunque el análisis por activación neutrónica lo habían descubierto Hevesy y Levi allá por 1936, eran ellos lo que lo habían elevado a la categoría de herramienta útil para la detección de trazas de elementos. El principio era sencillo: los neutrones bombardean los núcleos de los elementos presentes, creándose isótopos radioactivos; como se conoce cómo se desintegra cada uno de éstos, el análisis del espectro de las radiaciones emitidas te permite saber qué concentraciones de qué elementos hay, independientemente de la estructura química en la que participen. Una medida limpia y precisa, pero un dispositivo experimental extremadamente sensible. Helen y Frank lo comprobaron todo al estilo de Frank: tres veces cada uno por separado y después otra más los dos juntos. El aparato estaba bien.

Luis y Walter Álvarez en Umbría (Italia)
Helen y Frank repasaron las notas que tomó Frank cuando su amigo y colega en Berkeley Luis y el hijo de éste, Walter, le llevaron la muestra hacía ocho meses ya. Se trataba de una muestra de arcilla que Walter, que era un geólogo interesado en la evolución de la cuenca del Mediterráneo, había tomado en una garganta de Umbría, en Italia. La capa de arcilla de sólo un centímetro de espesor se encontraba al parecer entre dos capas de caliza. Averiguar el porqué existía esa capa de arcilla era importante pues tenía una edad de 65,5 millones de años y correspondía a la transición entre el Cretácico y el Paleógeno y esto era de alguna manera relevante para Walter.

Luis había expuesto una hipótesis, digna de su genio, para averiguar cuánto tiempo había tardado esa capa en formarse: el iridio es un elemento químico pesado, que se forma en el corazón de las estrellas que explotan en forma de supernova (proceso r de nucleosíntesis); son estas explosiones las que lo diseminan por el universo. De esa forma estaba presente en los materiales que formaron la Tierra original, pero al ser tan pesado acompañó al hierro hacia el interior del planeta (el iridio es un elemento siderófilo), con lo que en la corteza hay muy poco, de hecho es uno de los elementos químicos menos abundantes en la corteza terrestre: por cada gramo de iridio hay 10 de platino ó 40 de oro. Sin embargo, la Tierra se ve bombardeada cada año por cantidades conocidas de polvo proveniente del espacio exterior (esférulas cósmicas) que contienen unas proporciones de iridio mayores que las de la corteza terrestre. Si sabes cuánto iridio tiene la muestra por encima de lo normal puedes calcular cuantos años tardó esa capa en formarse, si tenía mucho habría empleado muchos años y si poco, pocos años, concluía Luis.

Tras repasar sus notas, Helen y Frank volvieron a medir a lo largo de los siguientes días en varias ocasiones y los resultados eran consistentes : la cantidad de iridio era enorme, 30 veces más que el entorno. Frank decidió comunicar sus resultados a Luis y Walter. Aunque Luis lo empezaba a ver claro, tras mucho meditar decidieron analizar muestras de la misma capa que aparecía en Dinamarca y Nueva Zelanda. Obtuvieron 160 y 20 veces, respectivamente, la cantidad de iridio del entorno. Ya no cabía duda. Publicaron sus resultados en Science.

Hace 65 millones de años un asteroide de aproximadamente 10 kilómetros de diámetro impactó contra la Tierra. Unas 60 veces la masa del asteroide se proyectó a la atmósfera en forma de polvo de roca, una parte del cual se mantendría en la atmósfera varios años distribuyéndose por todo el globo, y llevando consigo el iridio. La oscuridad resultante eliminaría buena parte de la fotosíntesis con las consecuencias previsibles para la fauna del planeta, dinosaurios incluidos. El polvo terminaría depositándose en una fina capa rica en iridio de menos de un centímetro de espesor. Luis y Walter Álvarez junto a Frank Asaro y Helen Michel, un físico, un geólogo y dos químicos, acababan de dar la explicación más convincente a la extinción masiva del Cretácico-Terciario.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la II Edición del Carnaval de Geología que organiza GeoCastAway, en la XX Edición del Carnaval de la Física que alberga Resistencia Numantina y en V Edición del Carnaval de Química que acoge Scientia.

Referencia:

Alvarez LW, Alvarez W, Asaro F, & Michel HV (1980). Extraterrestrial cause for the cretaceous-tertiary extinction. Science (New York, N.Y.), 208 (4448), 1095-108 PMID: 17783054


domingo, 19 de junio de 2011

Amazings.es, la revista.



En nuestro afán por conocer el mundo que nos rodea a veces es necesario pararse y reflexionar sobre qué sabemos realmente acerca de algunos temas clave. Para ello nada hay más útil que un artículo de fondo que nos explique en lenguaje sencillo y tono divulgativo cuál es el estado de la cuestión. Con este espíritu nace la nueva aventura del proyecto Amazings.es, una revista en formato papel.

En el primer número, diez colaboradores de Amazings.es, abordamos diez cuestiones básicas a la luz de los conocimientos científicos actuales:
  1. La relatividad, por Daniel Marín.
  2. La consciencia, por César Tomé.
  3. ADN y genética, por Lucas Sánchez.
  4. Teoría de cuerdas, por Francis Villatoro.
  5. Singularidades, por Mario Herrero.
  6. La energía, por Ambrosio Liceaga.
  7. La gravedad, por Miguel Rodríguez.
  8. Materia / Energía oscura, por Ismael Pérez.
  9. La evolución, por Pepe Cervera.
  10. El cambio climático, por Txema Campillo.
Los artículos, aparte de estar escritos por especialistas en cada materia [el autor del segundo es el de este blog], han sido sometidos a un exigente proceso de revisión: el resto de colaboradores de Amazings.es, a su vez especialistas en divulgación y en sus propios campos, han verificado que los artículos cumplían los objetivos marcados de amenidad, profundidad y rigor. Por otra parte, el aspecto visual de la publicación es de primer nivel, realizado por grandes profesionales. Todo ello hace a la revista, que tiene más de 100 páginas y no lleva publicidad, un recurso que mantendrá su valor en una biblioteca durante mucho tiempo.

Si tienes interés en adquirir la revista para ti, para los tuyos o para tu centro, encontrarás toda la información en Amazings.es y en Lánzanos.

viernes, 17 de junio de 2011

Un neurochip que restaura y mejora la memoria.



Un grupo de científicos encabezado por Theodore Berger, de la Universidad del Sur de California, ha desarrollado un sistema por el cual los recuerdos están o dejan de estar, literalmente, accionando un interruptor. Se trata de un dispositivo electrónico que duplica las señales neuronales relacionadas con la memoria y que el equipo ha conseguido que reproduzca la función cerebral implicada en el comportamiento aprendido a largo plazo, incluso cuando las ratas han sido drogadas para que olviden. Gráficamente: interruptor ON, las ratas recuerdan; interruptor OFF, las ratas olvidan. Los resultados aparecen publicados en el Journal of Neural Engineering.

Como los lectores de este blog saben sobradamente, el hipocampo es esa zona del cerebro relacionada fundamentalmente con el aprendizaje, esto es, con la transformación de los recuerdos a corto plazo por otros a largo plazo. En concreto son dos sub-regiones del hipocampo, CA3 y CA1, las que interactúan para crear los recuerdos a largo plazo.

Los investigadores trabajaron con el hipocampo de ratas. En el experimento, los científicos hacían que las ratas aprendiesen una tarea, presionando una palanca en vez de otra para recibir una recompensa. Las ratas tenían sondas implantadas en el hipocampo midiendo la actividad eléctrica entre CA3 y CA1.

Posteriormente, los experimentadores bloquearon las interacciones neuronales normales entre las dos áreas del hipocampo usando fármacos. Las ratas que habían sido entrenadas previamente ya no mostraban el comportamiento aprendido a largo plazo. Todavía recordaban sin embargo que tenían que presionar una palanca si querían agua, pero sólo recordaban entre 5 y 10 segundos si habían presionado ya una u otra palanca.

Los investigadores desarrollaron un dispositivo electrónico, un neurochip, el equivalente a un sistema del hipocampo artificial que duplicaba los patrones de interacción entre CA3 y CA1. La capacidad para la memoria a largo plazo volvía a las ratas bloqueadas farmacológicamente cuando el equipo activaba el dispositivo.

Además, los investigadores también comprobaron que si el neurochip y sus electrodos asociados se implantan en animales con un hipocampo con un funcionamiento normal, el dispositivo puede realmente reforzar el recuerdo que se está generando en el cerebro y mejorar la capacidad de memoria de las ratas normales.

No podemos dejar de mencionar en este punto al pionero en los chips cerebrales, el malagueño José Manuel Rodríguez Delgado.

El siguiente paso será experimentar con primates, con la idea de reproducir los resultados con el objetivo último de desarrollar neurochips que podrían ayudar a las víctimas de la enfermedad de Alzheimer, de los infartos cerebrales o heridos en general a recuperar esta función crítica.

Imagen:

Neuronas piramidales de la subregión CA3 del hipocampo de una rata (Mark West).

Referencia:

Berger, T., Hampson, R., Song, D., Goonawardena, A., Marmarelis, V., & Deadwyler, S. (2011). A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory Journal of Neural Engineering, 8 (4) DOI: 10.1088/1741-2560/8/4/046017

jueves, 16 de junio de 2011

Una reacción química que tiene lugar gracias al efecto túnel.



Imagina una molécula orgánica rodeada de un gas inerte a temperaturas cercanas al cero absoluto, y nada más. ¿Cómo estará dentro de una hora? El razonamiento estándar diría que cinéticamente (por velocidades de las posibles reacciones) no habría cambio y termodinámicamente (por las barreras de energía potencial tan grandes que tendría que superar) tampoco. Un grupo de investigadores encabezados por Peter Schreiner, de la Universidad Justus Liebig (Alemania), ha sintetizado una molécula que hasta ahora no había sido posible conseguir, el metilhidroxicarbeno, rodeado de argón a 11 K (-262 C), sólo para darse cuenta de que no sólo se descompone en esas condiciones, sino que además lo hace para dar la molécula que no debería. La conclusión: la reacción no está controlada por la cinética o la termodinámica en el sentido clásico, sino por un efecto mecanocuántico, el efecto túnel. Los resultados se publican en Science.
Si nos fijamos en la imagen de arriba la molécula que aparece en el centro es el metil-hidroxi-carbeno. A la izquierda vemos una bola gris más grande enlazada a otras tres más pequeñas, la primera es un carbono y las segundas hidrógenos, y el conjunto es el metil. A la derecha una bola oscura está unida a una gris más pequeña, la primera es un oxígeno que con la segunda (hidrógeno) forma el grupo hidroxi. Ambos grupos, metil e hidroxi están unidos a un átomo central de carbono. Si te fijas el átomo de carbono central sólo tiene dos enlaces en vez de los cuatro habituales, es decir, tiene dos electrones “sueltos”, con lo que la estructura queda así CH3-C:-OH, formando un carbeno, una de las especies intermedias más reactivas de la química orgánica.
El objetivo del grupo de investigadores era precisamente este, conseguir esta molécula. Pero mientras realizaban los análisis de comprobación se dieron cuenta de que conforme pasaba el tiempo iba apareciendo otra especie. Unos cálculos rápidos de barreras de potencial (hasta dónde tiene que subir la energía de la molécula como para poder descomponerse en otra cosa) mostraban que la barrera a superar para que se transformase en alcohol vinílico era menor (22, 6 kcal/mol) que la correspondiente al acetaldehído (28 kcal/mol), por lo que lo más probable era que la nueva especie fuese el alcohol. [En la imagen vemos esto gráficamente: la gráfica es una representación de la energía potencial, la molécula central es el carbeno, a la izquierda vemos el alcohol y a la derecha el aldehído, en las crestas las especies intermedias. Cada especie lleva asociado su valor energético]. Análisis posteriores indicaron que el carbeno no se descomponía en alcohol, sino en acetaldehído. ¿Cómo era posible?
Como vemos la única diferencia en las dos reacciones posibles es qué hidrógeno cambia de lugar: en el caso del alcohol un hidrógeno del metilo “se va” al carbono central que a su vez forma un doble enlace con el carbono del metilo; en el caso del aldehído es el hidrógeno del hidroxilo el que se va al carbono central que forma doble enlace con el oxígeno. Viendo estos mecanismos podemos intuir por qué la reacción a aldehído es más difícil que se produzca, requiere más energía, que la que da alcohol: el oxígeno es más electronegativo que el carbono por lo que atrae más al protón (el hidrógeno) de lo que lo hace el carbono, y le costará más soltarlo.
Acabamos de nombrar la clave del asunto, los hidrógenos son protones. ¿Qué pasaría si usamos deuterones? Es decir si en vez de los átomos de hidrógeno más comunes con un protón en el núcleo usamos átomos con un protón y un neutrón, doblando de esta forma su masa. Este es precisamente el experimento que realizaron los investigadores. Y encontraron que el carbeno deuterado no se descomponía, tal y como predice la teoría química clásica. Por lo tanto, la masa de los núcleos de hidrógeno era un factor importante, claro indicio de que era un efecto cuántico el que estaba determinando la reacción, el efecto túnel.
Volvamos a la gráfica de arriba y la considerémosla como el perfil de una cordillera montañosa. Los  cicloturistas Carbeno y su primo rico Carbeno-Deuterado están en un valle entre dos montañas, están cansados, tienen poca energía y las montañas a uno y otro lado se les hacen infranqueables; si no tuviesen más remedio que ir a uno de los dos pueblos cercanos, Villalcohol y Corrales de Aldehído, se decantarían por la subida menor y elegirían Villalcohol. Pero resulta que existe un túnel hacia Corrales de Aldehído que, por extraño que parezca, tiene una limitación de masa. Carbeno que viaja más ligero lo puede atravesar y Carbeno-Deuterado se queda donde está.
¿Por qué ocurre esto? Simplificando, el protón es lo suficientemente pequeño como para que la dualidad onda-corpúsculo tenga efectos significativos en su comportamiento, mientras que en el núcleo de deuterio la masa ya es un poco demasiado grande. Si se describe la posición de un protón que se desplaza hacia la montaña (que representa la barrera de potencial) en términos de su función de onda existe una probabilidad muy pequeña, pero no nula, de que se encuentre al otro lado de la barrera de potencial, es decir, de que la atraviese; esto es el efecto túnel.
Pero la forma de las barreras también influye en la probabilidad de que sean atravesadas por el efecto túnel. La capacidad de poder penetrar una barrera depende de la “subida”, la diferencia en energía entre el carbeno y las crestas (para ser precisos de su raíz cuadrada), y la anchura de la barrera. Haciendo los cálculos para ambas barreras, la del alcohol es del orden de un 20% más ancha. Cuando se consideran todos los factores es más de mil veces más probable el efecto túnel hacia el aldehído que hacia el alcohol.
Para que nos hagamos una idea de los órdenes de magnitud que estamos hablando, consideremos que la probabilidad de pasar por el túnel hacia el aldehído es de 10-18, es decir, que de cada 1018 veces que un protón se dirija hacia la barrera solo 1 la atravesará. En la matriz de argón y a 11 K un protón se dirige hacia la barrera un numero suficiente de veces como para que resulte una vida media para el carbeno de alrededor de una hora, en concordancia con las observaciones.
A los que hemos estudiado química en algún momento de la carrera, en concreto cuando se plantea la teoría de los estados de transición, se nos menciona que pueden ocurrir fenómenos mecanocuánticos, pero que, a efectos prácticos, siempre se descartan. Este estudio muestra un caso en el que el efecto cuántico es crítico. Y seguro que hay muchos más si se buscan.
Puede que algún día a los estudiantes de grado se les enseñe que una reacción puede estar bajo control termodinámico, cinético o de túnel.


Esta entrada es una participación de Experientia docet en la V Edición del Carnaval de Química que alberga Scientia y en la XX Edición del Carnaval de Física que alberga Resistencia Numantina.
Referencia:
Schreiner, P., Reisenauer, H., Ley, D., Gerbig, D., Wu, C., & Allen, W. (2011). Methylhydroxycarbene: Tunneling Control of a Chemical Reaction Science, 332 (6035), 1300-1303 DOI: 10.1126/science.1203761

miércoles, 15 de junio de 2011

Una nueva forma de plasticidad neuronal.



Ya hemos dejado claro en este blog que la idea de que el encéfalo humano adulto no cambia es un mito. De hecho, hace ya años que se sabe que la neurogénesis tiene lugar a lo largo de toda la vida adulta en el hipocampo del encéfalo de los mamíferos. Ahora, un equipo de investigadores encabezado por Alex Dranovsky, de la Universidad de Columbia (EE.UU.), ha encontrado que, en condiciones de estrés, las células madre neuronales no sólo pueden producir neuronas sino también más células madre. El hipocampo almacenaría estas nuevas células madre que más tarde producirían más neuronas cuando las condiciones sean favorables. Esta respuesta a las condiciones del entorno representa una nueva forma de plasticidad neuronal. Los resultados se publican en Neuron.

El hipocampo interviene en la memoria, el aprendizaje y la emoción. El equipo de investigadores comparó la generación de células madre neuronales y neuronas en el hipocampo en dos grupos de ratones, uno mantenido en aislamiento y otro en un entorno rico en estímulos. El equipo siguió mediante linaje las células madre desde su formación hasta su diferenciación en tipos celulares concretos, con el objeto de comprobar qué porcentaje de las células madre producía neuronas.

Los distintos entornos tuvieron efectos opuestos. Los cerebros de los ratones socialmente aislados acumularon células madres neuronales pero no neuronas. Los cerebros de los ratones expuestos a entornos ricos en estímulos produjeron muchas más neuronas, pero no más células madre. Para darnos una idea de lo que hace un entorno enriquecedor consideremos que el giro dentado promedio de un ratón, el área del hipocampo donde tiene lugar la neurogénesis, tiene alrededor de 500.000 neuronas; los ratones del ambiente enriquecedor tenían de media 570.000.

Pongamos estos resultados en contexto. Ya se sabía que los entornos ricos son neurogénicos, pero este es el primer estudio en el que se constata que las células madre se pueden acumular en un animal vivo. Dado que esto ha ocurrido simplemente cambiando el entorno en el que vive el animal, los investigadores creen que es una adaptación a ambientes estresantes. Cuando las condiciones se vuelvan más favorables estas células madres acumuladas tendrían su oportunidad de convertirse en nuevas neuronas. Sería un mecanismo para producir neuronas según la demanda.

Pero este estudio también aporta más datos interesantes que nos invitarían a buscar entornos estimulantes desde el punto de vista intelectual, lo que incluye charlar con amigos, dominar un videojuego de estrategia o aprender algo que ofrezca alguna dificultad.

Los investigadores también encontraron que el aislamiento no causaba una disminución en la supervivencia neuronal. Por otro lado, ya se sabía, y Dranovsky et al. confirman, que los entornos ricos incrementan la supervivencia neuronal, lo que incrementa más la población de neuronas.

La edad también afecta a los resultados. Tras tres meses, los cerebros de los ratones aislados dejaron de acumular células madre neuronales. Pero los ratones de los ambientes ricos continuaron produciendo más neuronas.

Como es habitual, este trabajo genera más preguntas de las que responde. ¿Es la respuesta del hipocampo específica al aislamiento? ¿O es una respuesta general al estrés?¿Todas las células madre neuronales tienen/mantienen la misma capacidad de generar neuronas?¿Cómo influye su antigüedad? Serían algunas. Los investigadores ya están en ello.

Referencia:

Dranovsky A, Picchini AM, Moadel T, Sisti AC, Yamada A, Kimura S, Leonardo ED, & Hen R (2011). Experience dictates stem cell fate in the adult hippocampus. Neuron, 70 (5), 908-23 PMID: 21658584

lunes, 13 de junio de 2011

La acción del agua en los asteroides como causa de la variabilidad de la materia orgánica prebiótica.



El amplio espectro de compuestos orgánicos que se encuentran en las condritas carbonáceas puede variar significativamente de meteorito a meteorito. Una nueva investigación llevada a cabo por un equipo encabezado por Christopher Herd, de la Universidad de Alberta (Canadá), muestra que la mayor parte de estas variaciones se debe a la acción del agua unos pocos millones de años después de la formación del Sistema Solar, cuando las condritas formaban parte de cuerpos más grandes, probablemente asteroides. Los resultados se publican en Science.

Algunos asteroides podrían haber sido, según algunos investigadores, una especie de cocinas moleculares que habrían producido los ingredientes necesarios para la vida y los habrían enviado a la Tierra en forma de impactos de meteoritos. Los meteoritos analizados por el equipo de Herd indicarían que una de estas cocinas en vez de servir un menú fijo habría tenido la flexibilidad de la de un restaurante a la carta.

En enero de 2000 se produjo la explosión de un gran meteorito en el norte de la Columbia Británica (Canadá) que hizo que lloviesen fragmentos sobre la superficie helada del lago Tagish. Los testigos del acontecimiento tuvieron el buen juicio de no tocar las muestras y fueron los científicos los que las recogieron congeladas en las horas siguientes [en la imagen]. Esto aseguró una mínima contaminación por la vida terrestre, haciendo de los fragmentos del lago Tagish el meteorito mejor preservado del que se tiene noticia, lo más cercano que existe a una muestra de asteroide traída por una misión espacial en términos de limpieza.

Las condritas carbonáceas son un tipo de meteorito rico en carbono que contienes muestras de los materiales que tomaron parte en la creación de los planetas del Sistema Solar hace unos 4.600 millones de años, incluyendo compuestos anteriores a la formación el propio sistema, y que podrían haber sido claves para la aparición de la vida en la Tierra.

Los productos orgánicos que se encuentran en las condritas carbonáceas comparten muchas características con la materia orgánica que se encuentra en otras muestras primitivas, incluyendo partículas de polvo interplanetario, el cometa 81P/Wild-2 y los micrometeoritos antárticos. Hay quien afirma que esta similitud supone que la mayoría de los compuestos orgánicos existentes en el Sistema Solar se ha originado a partir de una fuente común, posiblemente el medio interestelar.

Al igual que el resto de condritas carbonáceas, los fragmentos del lago Tagish contienen un amplio surtido de compuestos orgánicos. Lo verdaderamente llamativo es que cada fragmento tiene composiciones muy diferentes y diferentes cantidades de compuestos orgánicos. Así, por ejemplo, algunos de los trozos tienen entre 10 y 100 veces las cantidades de aminoácidos específicos presentes en otros fragmentos, una variabilidad que sólo se ha encontrado en otro meteorito fragmentado de un mismo asteroide, el llamado Almahata Sitta, pero este asteroide parece ser un aglomerado de diferentes asteroides. También se encontró variabilidad en la concentración de ácidos monocarboxílicos, que son esenciales para la bioquímica. Por otra parte estos ácidos presentan una concentración extremadamente alta en general, lo que se atribuye a la forma en que se recogieron las muestras ya que desde su recogida las muestras se han mantenido congeladas.

El equipo de investigadores sometió a las muestras a un análisis isotópico que reveló una alta concentración de carbono-13, en vez del biológico carbono-12, lo que confirmaba el origen espacial de las moléculas.

La identificación de los distintos minerales presentes en cada fragmento ha permitido al equipo de científicos dar una posible explicación al fenómeno: el agua. Los minerales están alterados por la presencia de agua en distintos grados, y la presencia de agua podría explicar la diversidad de aminoácidos producidos.

Este resultado apoya la teoría de la fuente común de materia orgánica en el Sistema Solar pues introduce un mecanismo para la variabilidad de concentraciones y compuestos, y pone de relieve además el papel que juega el agua en esta variabilidad. También nos habla del tipo de química que estaba teniendo lugar en los asteroides hace 4.600 millones de años, poco tiempo después (en términos geológicos), de que se formase la Tierra.

Pero este resultado, de ser cierto que la variabilidad del meteorito de Tagish es lo común, también nos dice que el resto de planetas fueron bombardeados por asteroides que contenían concentraciones significativas de los componentes básicos de la vida. Y lo mismo se puede aventurar de los exoplanetas...

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la V Edición del Carnaval de Química que organiza Scientia, y en la V Edición del de Biología que organiza Feelsynapsis.

Referencia:

Herd, C., Blinova, A., Simkus, D., Huang, Y., Tarozo, R., Alexander, C., Gyngard, F., Nittler, L., Cody, G., Fogel, M., Kebukawa, Y., Kilcoyne, A., Hilts, R., Slater, G., Glavin, D., Dworkin, J., Callahan, M., Elsila, J., De Gregorio, B., & Stroud, R. (2011). Origin and Evolution of Prebiotic Organic Matter As Inferred from the Tagish Lake Meteorite Science, 332 (6035), 1304-1307 DOI: 10.1126/science.1203290


jueves, 9 de junio de 2011

Químicos Modernos: Gladys Anderson Emerson, todo doble.



Gladys Anderson fue la hija única de unos padres de ascendencia sueca. Aunque había nacido en Kansas (EE.UU.), en 1903, doce años después llegó a Oklahoma tras haber vivido en Texas. Gladys era una estudiante ávida, todo le atraía y todo lo devoraba, y brillaba en matemáticas, historia, latín, química y música. Sus padres querían que fuese maestra, una profesión honorable y adecuada para una señorita, por lo que se matriculó en el Oklahoma College for Women (lo que ahora es la Universidad de Artes y Ciencias de Oklahoma), donde obtendría dos títulos, uno en química (BSc) y otro en historia (A.B.)

Gladys deslumbró en la universidad y se encontró, entre otras ofertas, con que dos departamentos de Stanford, química e historia, le ofrecían puestos de profesora asistente. Gladys escogió historia: en 1926, con 23 años, recibía un máster doble de Stanford, en historia y economía. Pero entre sus obligaciones de asistente y sus estudios, a Gladys le quedaba tiempo libre, que dedicaba a asistir a cursos de química física, por aquello de que era una asignatura que combinaba matemáticas, química y física y le permitía seguir en contacto con la ciencia. En 1927 le surge la oportunidad de estudiar el doctorado en Berkeley en nutrición y bioquímica. Y es que Gladys cada vez se veía más atraída por la bioquímica.

En 1932 Gladys obtenía, como ya era tradicional en ella, un doctorado doble, en nutrición animal y bioquímica, que era el que se suponía tenía que hacer, y en química orgánica, que se encontró por el camino. Ese mismo año se casaría con un colega, Oliver Emerson. Desde ese momento Gladys usaría su apellido de casada.

Los Emerson estuvieron 18 meses en la Universidad de Göttingen (Alemania) con una beca postdoctoral, donde Gladys tuvo la fortuna de trabajar con Adolf Windaus y Adolf Butenandt, el primero ya con un premio Nobel de química (1928) y el segundo que trabajaba en esos momentos en la investigación que en unos años le proporcionaría el suyo (1939), que la iniciaron en el mundo de las vitaminas. Si bien profesionalmente la estancia fue muy fructífera, en lo personal no lo fue tanto ya que, durante ella, el Partido Nacionalsocialista llegaría al poder, partido al que se afiliaría Butenandt poco después (1936).

Tras la estancia alemana Gladys vuelve a Berkeley, al laboratorio de Herbert Evans, que era director del Instituto de Biología Experimental de la Universidad de California. Evans había identificado y nombrado la vitamina E en 1922 pero no había conseguido aislarla.

Durante tres años Gladys y su marido trabajaron con Evans en el aislamiento de la vitamina E a partir de sus fuentes naturales. Finalmente, en 1936, el equipo consiguió su objetivo a partir del aceite de germen de trigo, obteniendo una forma pura de la vitamina E a la que llamaron tocoferol. Gladys y Evans continuaron con el trabajo hasta identificar dos formas más en las que puede aislarse, alfa-tocoferol y beta-tocoferol. Sus investigaciones allanaron el camino para que posteriormente se pudiese determinar la estructura de la vitamina E y, de ahí, su síntesis artificial.

Que la deficiencia de vitamina E afecta a los niveles de fertilidad de los animales de laboratorio era algo conocido años antes de que Gladys comenzase su investigación. Durante su etapa en Berkeley, Gladys (ya divorciada de Oliver Emerson) lleva a cabo estudios para confirmar la relación entre vitamina E y fertilidad. Fue Gladys quien demostró que una privación controlada en la dieta de vitamina E provoca una reacción en los conejos de laboratorio muy similar a la distrofia muscular.

Su trabajo empieza a valerle el reconocimiento que merecía. En 1942 recibió una oferta para unirse al Instituto Merck para la Nutrición Terapéutica, localizado en Nueva Jersey, al otro extremo del país. Allí ella dirigiría un laboratorio en el que investigaría todo el complejo de vitaminas B. Gladys probó que existía una conexión entre las dietas con déficit de vitamina B y problemas en el desarrollo, los ojos, la piel, el hígado, los riñones y otros órganos internos (hoy día las madres gestantes suelen tomar un suplemento de vitamina B9, ácido fólico). También se centró en métodos más efectivos de administrar las vitaminas.

Gladys ya tenía una sólida reputación a sus espaldas y la Universidad de California en los Ángeles (UCLA) quería llevarla de vuelta a California. Para ello le ofrece la jefatura de un departamento, pero claro, de uno del que pueda ser jefe una mujer sin que nadie se escandalice. En 1956 Gladys se convierte en la nueva jefa del departamento de economía doméstica de UCLA, además de profesora de nutrición. Allí vuelve a enseñar y continúa investigando. En 1962, Gladys dobla una vez más y simultanea su cargo en el departamento de economía doméstica con el de subdirectora del de salud pública.

A pesar de su enorme carga lectiva y administrativa Gladys siguió investigando, reconocida por sus iguales y empezando a cosechar multitud de premios y reconocimientos. Impartió conferencias en universidades de todo el mundo y fue autora de más de 120 artículos que todavía hoy se citan en la literatura sobre nutrición y cuyos resultados aparecen en los libros de texto. Admitía más estudiantes de postgrado que cualquier otro profesor, especialmente asiáticos, que acudían a ella por su serenidad, amabilidad, rigor y ética de trabajo (hay toda una escuela japonesa de nutricionistas que empieza con ella).

Murió, de cáncer, en 1984 en California. Fue enterrada en Oklahoma junto a sus padres.

Como dijo Thomas Jukes, nutricionista en Berkeley y amigo de muchos años de Gladys: “Recordamos a Gladys primero como un gran científico, después como una pionera entre las mujeres científicas”. Científica y pionera, en la vida de Gladys Anderson Emerson, todo doble.


Como homenaje a Gladys, esta entrada participa doblemente:
en la V Edición del Carnaval de Biología que organiza Feelsynapsis.
en la V Edición del Carnaval de Química que organiza Scientia.





miércoles, 8 de junio de 2011

El cerebro abstracto: ¿obedecen matemáticas, lenguaje y música las mismas reglas sintácticas?




Imagínate por un segundo que la estructura de la ecuación matemática que acabas de resolver condicione el tipo de frase que vayas a decir a continuación. Ello indicaría que existe una conexión profunda entre matemáticas y lenguaje. Pues bien, esto es lo que acaba de demostrar experimentalmente un equipo de investigadores encabezado por Christoph Scheepers, de la Universidad de Glasgow (Reino Unido). Sus resultados aparecen en Psychological Science.

Reflexionemos un momento sobre nuestro uso del idioma (no digamos ya si eres políglota): no tenemos manera de poder anticipar o memorizar todas las combinaciones posibles de palabras, grupos de palabras u oraciones. Y sin embargo no tenemos ninguna dificultad a la hora de construir y comprender una enorme cantidad de expresiones diariamente. ¿Cómo lo hacemos? Los lingüistas dicen que de forma natural e inconsciente empleamos unas reglas abstractas. Es lo que llamamos sintaxis.

Pero, ¿hasta qué punto es abstracto el lenguaje? ¿Cuál es la naturaleza de estas representaciones abstractas? ¿Se aplican estas reglas a distintos dominios cognitivos? El trabajo de Scheepers et al. apunta a que el proceso de almacenamiento y reuso de la sintaxis funciona transversalmente en los distintos dominios cognitivos.

El estudio hizo uso de un proceso cognitivo llamado primado estructural. Simplificando, si usas una determinada estructura en una oración es probable que la uses de nuevo en la siguiente. Para averiguar hasta qué punto es abstracto este proceso, además de general desde el punto de vista cognitivo, los experimentadores le dieron a los sujetos, que eran estudiantes con el inglés como lengua nativa, un test que consistía en una serie de problemas matemáticos emparejados con frases incompletas.

Cada problema matemático podía tener tres estructuras posibles:
· 80-(5+15)*5, denominada de conexión “larga” porque la última operación (*5) se aplica a un trozo largo anterior (5+15).
· 80-5+15*5, conexión “corta” (*5 sólo se aplica a 15)
· 80-5, control

Tras cada ecuación cada participante encontraba una oración que podía completar usando una conexión larga o una corta. Por ejemplo, “El guía turístico mencionó que las campanas de la iglesia que...” puede completarse con una conexión larga que hace referencia a “las campanas de la iglesia” como “las campanas de la iglesia que sonaban en la distancia”; o con una conexión corta que haría referencia solamente a “la iglesia”, como “la iglesia que está en la plaza”.

Los resultados (a pesar de un par de inconvenientes que apuntamos a continuación) muestran de foma estadísticamente significativa que los problemas matemáticos de conexión larga primaban oraciones de conexión larga, y los de conexión corta hacían más probables que las frases se completasen con conexiones cortas.

Aunque parece que los autores han sabido discriminar adecuadamente, hemos de mencionar dos factores que pueden afectar a la robustez de los resultados. Uno es la habilidad matemática de los probandos: hubo un número suficientemente alto de respuestas incorrectas como para tener un efecto en las conclusiones. Otro es el idioma nativo, el inglés, que prima las conexiones cortas.

El resultado es muy interesante y, por ello mismo, debería repetirse el experimento con personas de habilidad matemática suficiente y con un amplio espectro de lenguas nativas, con objeto de universalizar los resultados. Si, efectivamente, nuestros procesos cognitivos operan con un alto nivel de abstracción y esta abstracción afecta a todos nuestros dominios cognitivos, como concluyen los autores, quizá también merecería la pena una tanda de experimentos en los que en vez de matemáticas y lengua se sustituya una de ellas por música.  

Referencia:

Scheepers C., Sturt P., Martin C.J., Myachykov A., Teevan K., Viskupova I. (2011). Structural priming across cognitive domains: From simple arithmetic to relative clause attachment Psychological Science : In Press