352 - Enero 2006 Rodamientos de Bolas

8/12/2019 352 - Enero 2006 Rodamientos de Bolas

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

ENERO 2006

6,00 EUROS

EL ESPACIO,¿UNA ILUSION?

LA NEUROBIOLOGIA DEL YO

EVERSION Y CIERREDE LOS DISCOS IMAGINALES

FARMACOS TRANSGENICOS

NANOCOMPUTADORES

DE BARRAS CRUZADAS

9 7 7 0 2 10 1 3 6 0 04

0 0 3 5 2



Enero de 2006Número 352

3HACE...50, 100 y 150 años.

4

APUNTESAstronomía...Conservación...Arqueología...Estadística...Biología...Física.

32CIENCIA Y SOCIEDADCuarzo en los suelos...El golfo Dulce de Costa Rica.

36

DE CERCASentido y sensibilidaden el salmonete.

Preparadospara una pandemiaW. Wayt Gibbs y Christine Soares

Una variedad de gripe altamente contagiosay letal azotará la humanidad algún día. Seaesta amenaza inminente o remota, ¿estamospreparados para combatirla?

6

¿Vino de otro mundo la vida? David Warmflash y Benjamin Weiss

Torna la hipótesis de la panespermia.¿Hubo microorganismos transportados por meteoritos?

24

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

Redes de nanohilos conductores entrecruzadosy propensos a los fallos podrían sucedera los actuales circuitos de silicio.

38

Rescate de proteínas aberrantes P. Michael Conn y Jo Ann Janovick

Consideradas durante largo tiempo inoperantes, las proteínas mutantespatológicas recuperan su funcionalidad si se repliegan con la ayuda de un moldefarmacológico.

46

Los antiguos reactoresnucleares de Oklo Alex P. Meshik

Hace dos mil millones de años,partes de una mina africana de uranioexperimentaron fisiones nucleares espontáneas.Los detalles de este notable fenómeno

se empiezan a esclarecer ahora.

56



Fármacos transgénicosGary Stix

Se han modificado genéticamente cabraspara que produzcan una proteína terapéuticaen su leche.

Eversión y cierre de los discos imaginales José Carlos Pastor Pareja, Enrique Martín Blanco y Antonio García-Bellido

El ensamblaje del cuerpo de Drosophila adulta, a partir de 21 discos imaginales,está dirigido, en cada disco, por una población especializada de células que,en el proceso, adquieren capacidad invasiva y migratoria.

72

La neurobiología del yoCarl Zimmer

La biología empieza a elucidarde qué modo engendra el cerebroel constante sentimiento de nuestra

propia identidad.

64

El espacio, ¿una ilusión? Juan Maldacena

La fuerza de gravedad y unade las dimensiones espaciales

quizá procedan de las peculiaresinteracciones, entre partículasy campos, existentes en un espaciocon menos dimensiones.

16

82

86CURIOSIDADES DE LA FÍSICAEl helicóptero de motor humano,por Jean-Michel Courtyy Edouard Kierlik

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

90IDEAS APLICADASRodamientos de bolas,por Mark Fischetti

92

LIBROSCiencia viajeraAzar y método.



DIRECTOR GENERAL José M.a Valderas GallardoDIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal GarfellaEDICIONES Juan Pedro Campos Gómez Laia Torres CasasPRODUCCIÓN M.a Cruz Iglesias Capón Albert Marín GarauSECRETARÍA Purificación Mayoral MartínezADMINISTRACIÓN Victoria Andrés LaiglesiaSUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado Olga Blanco RomeroEDITA Prensa Científica, S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a

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SCIENTIFIC AMERICAN

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Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN John Sargent

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traducción:

M.a José Báguena: Preparados para una pandemia; Jaume Garriga: El espacio, ¿una ilusión?; M.a Rosa Zapatero: ¿Vino de otro mundo la

vida?; José Manuel González Mañas: Rescate de proteínas aberrantes;Ramón Pascual: Los antiguos reactores nucleares de Oklo; Luis Bou: Laneurobiología del yo; Felipe Cortés: Fármacos transgénicos; J. Vilardell: Hace..., Apuntes, Ideas aplicadas y Curiosidades de la física

Portada: Phil Saunders, Space Channel Ltd.

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INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2006 3

HACE

...cincuenta años

LAS ALGAS DE LOS SARGAZOS. «Generaciones de cientí-ficos se hicieron a la mar para estudiar el mar de losSargazos. Contrariamente a lo que su nombre puedasugerir, no se trata de una jungla rebosante de vida,sino de uno de los desiertos marinos más extensosdel globo. ¿De dónde proceden los sargazos? Teori-zó Colón sobre si esas masas vegetales a la derivase habrían desprendido de praderas submarinas delas Azores; pero tales bancos nunca se han hallado.Esos vegetales ofrecen todas las pruebas posibles deque se desarrollan, se reproducen y medran de for-ma independiente en las aguas donde se encuentran.Numerosos oceanógrafos sus-

tentan hoy la teoría de que laenorme masa vegetal de losSargazos es autóctona. Quizásus antepasados procedían degrandes praderas, pero hoy yaha desarrollado la capacidadde vivir una existencia libre ya flote en la superficie.»

...cien años

UN ESCEPTICISMO SALUDABLE. «El aeroplano Wright y sus le-gendarias hazañas: Una revis-ta automovilística parisiensepublicó en fecha reciente unacarta de los hermanos Wrightal capitán Ferber, del ejércitofrancés. Las afirmaciones queallí aparecen requieren sinduda una confirmación públi-ca por parte de los hermanosWright. Si, en algún lugar nomuy remoto del país [Dayton,Ohio], se están realizando tansensacionales e importantesexperimentos [sobre el vuelo

de los aeroplanos], del másprofundo interés general, ¿esposible que el emprendedorperiodista americano, quien,como es bien sabido, es capaz de bajar por la chi-menea cuando se le da con la puerta en las narices(aunque tenga que escalar un rascacielos de quincepisos) no lo haya averiguado y publicado todo sobrelos hechos? Desde luego, deseamos más luz sobreeste asunto.» [Nota de la redacción: Los hermanosWright desvelaron ligeramente el secreto en una de- claración pero retrasaron el vuelo en público hastaagosto de 1908 .]

FORZAR CAJAS FUERTES. «Hoy los ladrones de cajas fuer-tes ya no necesitan de aquellos útiles tan bellamentemodelados, delicados y poderosos, que en tiempos fue-ran la admiración a la par que la desesperación de losfabricantes de cajas de caudales. La introducción dela nitroglicerina, “sopa” en lenguaje técnico, no sólo haobviado un oneroso esfuerzo, sino que ha permitido queel arte de forzar cajas fuertes adelantara al de fabricarlas.El forzador de cajas fuertes moderno es, no obstante, uninestético y desaseado operario, pues suele ocurrir que,cuando la puerta se separa bruscamente de la caja, selleva consigo la fachada del edificio. El bombardeo delas calles circundantes con pedazos del Banco NacionalAgrícola despierta al más profundamente dormido de los

labradores.»

AUTOMOVILISMO. «La exposiciónautomovilística anual neoyor-quina señala un claro progresorespecto a su predecesora encada punto que se compare.Nos congratulamos de que laindustria se haya desarrolladoen tal medida que los fabrican-tes son capaces de producir uncoche de serie que es a la vezde mayor calidad y menor pre-cio. En este número, ilustramosy describimos cada uno de losvehículos que representan elprogreso actual del arte defabricar automóviles [véase lafigura ].»

...ciento cincuenta años

PÉRDIDA NACIONAL. «La divi-sión del trabajo, pese a quehasta cierto punto pueda opti-mizar la producción de un país,termina por perjudicar a lostrabajadores. Para mejorar la

fabricación de alfileres, podríaser necesario dividir el procesoen veinte fases. Hagamos quecada hombre concentre toda

su atención en una única tarea, por ejemplo, la manu-factura de cabezas de alfiler, y que a ello dedique todoel tiempo. Resulta sorprendente la perfección y rapidezque adquirirá en la ejecución de esa operación. Pero,¿cual es el resultado para la persona? Su potencia mentalmenguará y su cabeza se tornará, a efectos prácticos,tras unas cuantas generaciones, no mayor que la delos alfileres que fabrica. Deja de ser un hombre paraconvertirse en una simple herramienta.»

Automóviles: Se extiende su aceptación, 1906



4 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero, 2006

APUNTES

ASTRONOMIA

En el horizonte

Los telescopios jamás llegarán a escudri- ñar el interior de los agujeros ne-

gros, sumideros de luz, pero podríanno tardar en observar el horizonte desucesos. La luz que atraviesa esasuperficie inmaterial que circundael agujero queda irremediablemen-te atrapada en éste. El horizonteabsorbe la luz originada detrás delagujero negro y crea así una sombravisible con una resolución telescópi-ca suficiente. En torno a la sombraaparecerá un anillo brillante de luz con-centrada, como la corona en un eclipse.La Red de Telescopios de Muy Larga Base,sistema de diez telescopios dispersos a lo

largo de 8000 kilómetros, ha tomadola imagen más nítida hasta ahoradel agujero negro central de nuestra

galaxia. Con que la resolución de esostelescopios se multiplicase sólo por cua-

tro, observarían el horizonte de sucesos.

Podría ocurrir en este decenio. —J. R. Minkel

CONSERVACION

Los cóndores y el mar

Los conservacionistas crían el cóndor americano, ave carro- ñera, con terneros nacidos muertos. Sin embargo, si se

nutriese con cadáveres de mamíferos marinos muertos quizásobreviviría sin ayuda humana. Un equipo de la Universidadde Stanford ha reconstruido las fuentes alimenticias de loscóndores antiguos y modernos midiendo las concentracionesde isótopos de carbono y de nitrógeno en restos de plumas y

huesos. Parece que después del último período glacial los cón-dores introdujeron los mamíferos marinos en su dieta. Se handescubierto también señales de un segundo cambio, que lesllevó de nuevo a una alimentación sólo terrestre; ocurrió cuandolos pobladores humanos empezaron a cazar focas y ballenas.Si se acostumbrase a los cóndores a alimentarse con carroñadel mar, podrían crearse poblaciones autosuficientes, sugiere elgrupo de investigadores.

—J. R. Minkel

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

El agujero negro del centro de la Vía Lácteapodría parecerse a este modelo. Su

horizonte de sucesos absorbe la luz quehay detrás del agujero y crea así unasombra (disco oscuro), desviada porqueel agujero negro gira.

ARQUEOLOGIA

Simbología religiosaEn octubre del año pasado, presidiarios que trabajan en la fundamenta-

ción de una nueva cárcel en lo que durante el período clásico fue laciudad romano-bizantina de Kefar-Otnai, descubrieron un mosaico sorpren-dente. Pertenecía a una iglesia cristiana del siglo III, la más antigua delas conocidas en Tierra Santa. El mosaico portaba dos leyendas en griego,dibujos geométricos y dos peces. (El pez constituía el símbolo de los cris-tianos anterior a la cruz. El término griego que designa al pez se formabacon las iniciales de la divisa: “Jesús, Cristo, Hijo de Dios, Salvador”.) Enese tiempo los cristianos celebraban todavía su culto en la clandestinidad.

Mosaico del suelo de la iglesia. C O R T E S I A

D E

E R I C

A G O L

U n i v e r s i d a d d e W a s h i n g t o n

( a r r i b a ) ; Y V A

M O M A T I U K

Y

J O H N

E A S T C O T T

M i n d e n P i c t u r e s ( c e n t r o ) ;

D E

S C I E N C E , V O L . 3 1 0 , 9

D E

D I C I E M B R E

D E

2 0 0 5 , P

A G . 1 6 1 2

( a b a j o )




M E H A U

K U L Y K

P h o t o R e s e a r c h e r s ,

I n c . ( a b a j o )

FISICA

Exceso de velocidad subacuáticoUnos experimentos realizados en 1982 demostraron que la velocidad de grupo de un impulso luminoso —la velocidad del pico del impulso,

no la del paquete de ondas—, podía superar la velocidad de la luz. No sevulnera la relatividad: en ese caso, ninguna información se transmitía conla velocidad de grupo. Ahora, Joel Mobley, de la Universidad de Missis-sippi, sostiene que un impulso ultrasónico se dispersa en una mezcla deagua y cuentas de plástico de modo que la velocidad de las distintas fre-cuencias que componen el impulso varían grandemente. La suma de estascomponentes podría llegar a crear una velocidad de grupo mayor que lade la luz. Los primeros experimentos de Mobley, en los que no se ha pro-ducido ese efecto superlumínico que predice, aunque sí grandes aumentosde la velocidad de grupo acústica, respaldan de momento sus cálculos.

—J. R. Minkel

Hipersupersónico: Podría conseguirse que lavelocidad de grupo de las ondas sonoras fuese

mayor que la de la luz.

ESTADISTICA

Países y ciudades

La probabilidad de que una ciudad tenga más que un número dado de habitantes es, con bastante aproxima-

ción, inversamente proporcional a ese número. A esta rela-ción, que se cumple empíricamente bastante bien —acaba,por ejemplo, de publicarse una investigación que la verificapara las poblaciones brasileñas de más de 30.000 habitan-

tes—, se la llama ley de Zipf de las ciudades (hay leyesde Zipf parecidas para fenómenos muy dispares). Otra ley,la de Gibrat, dice que el ritmo de crecimiento de las ciuda-des es independiente de su población. También se cumplebien. Ambos resultados se conocen desde hace mucho. Loque no se sabía era que los países los cumplen tam-bién. Andrew K. Rose, de la Universidad de California en

Berkeley, ha efectuado el análisis estadístico. Se han dadoalgunas explicaciones económicas de que las poblacio-nes de las ciudades cumplan la ley de Zipf. Sin embargo,comenta Rose, esos intentos de explicación no valen paralos países. La razón económica de su distribución estadís-tica es un misterio. Ahora bien, la ubicuidad de las leyes

que ligan más o menos la probabilidad de los valores deun parámetro a su inverso hacen pensar en alguna causamás profunda y universal. No sólo buscan explicaciones alas leyes de Zipf los economistas, como Rose, sino tam-bién los físicos —entre ellos los llamados econofísicos—,con un arsenal de conceptos diferente, propio de la físicaestadística.

El número de ciudades con una población mayor que N puede considerarse proporcional a 1/N.Parece que lo mismo se cumple con los países.

BIOLOGIA

Corte y empalme en las dendritasEl núcleo no es el único lugar donde se recombina la información genética. El ARN mensajero (ARNm), que imparte las

instrucciones del ADN al resto de la célula, se compone de secuencias genéticas que, tras cortes y empalmes adecua-dos, codifican proteínas. La multitud de formas en que las secuencias de ARNm se pueden recombinar crea la gran diver-sidad de las proteínas del cuerpo. Se cree que el proceso de corte y empalme sólo sucedía en el núcleo. Sin embargo, seha encontrado que ocurre también en las dendritas, las ramificaciones por las que las neuronas reciben mensajes eléctricos.Pudiera ser que las dendritas guardasen ARNm sin cortar aún para que no se fabriquen las proteínas que codifica antes deque se las necesite.

—Charles Q. Choi




Cuando los diques de Nueva Orleáns cedieronen agosto de 2005, la fe de los estadouni-denses en la capacidad de sus gobernantespara protegerles de las catástrofes naturales sederrumbó. Los responsables políticos califica-

ron al huracán Katrina y a las inundaciones que ésteocasionó de “ultracatástrofe que superaba las previsionesde los expertos”.

Pero, a decir verdad, la catástrofe nada tuvo que vercon una falta de previsión. Las autoridades federales,estatales y locales disponían de un plan de actuaciónque debía guiar la respuesta del gobierno en el caso deque un huracán alcanzara Nueva Orleáns con vientosde 200 kilómetros por hora, tormentas que levantaranolas que sobrepasaran los diques y las bombas de agua,y que dejara inmovilizadas a miles de personas en laciudad inundada. En 2004 incluso lo habían ensayado.Pero cuando el Katrina llegó, la ejecución de este planresultó catastrófica.

Ante tan lenta, mal coordinada e insuficiente respues-

ta, crece la preocupación sobre cómo se enfrentaríanlas naciones a un desastre natural de mayor alcance ysiniestralidad que, según los expertos, quizá no tarde enllegar: una pandemia de gripe. El paralelismo de estaamenaza con el Katrina es mayor de lo que a simplevista parece. La periodicidad estacional de brotes degripe y huracanes produce una familiaridad que conducea una falsa sensación de seguridad y, por tanto, a unapreparación insuficiente para la llegada, anunciada, deuna pandemia.

Excepto a escala molecular, una gripe pandémicaguarda escasa semejanza con la gripe que todos hemospadecido alguna vez. Se origina cuando el virus experi-

menta una mutación que lo convierte en un cuerpo peli-grosamente desconocido para nuestro sistema inmunitarioy que se transmite con facilidad de un individuo a otro,a través de un estornudo, la tos o el contacto.

Las pandemias de gripe surgen de forma imprede-cible, aunque con una cadencia casi generacional: lastres últimas ocurrieron en 1918, 1957 y 1968. Aparecencuando una de las numerosas cepas que circulan entrelas aves salvajes y de corral evoluciona hacia una formaque resulta infecciosa también para el hombre. Luego, elvirus se adapta o intercambia sus genes con una cepa degripe humana para producir un nuevo germen patógenoaltamente contagioso para las personas.

Algunas pandemias son leves. Otras, de gravedad ex-trema. Si el virus se replica más deprisa de lo que elsistema inmunitario aprende a defenderse del mismo (esdecir, a producir anticuerpos), provoca una enfermedadgrave y, en ocasiones, letal. Ello da lugar a una pes-tilencia que causa más muertes en un solo año que elsida en veinticinco. Los epidemiólogos han advertido

que la próxima pandemia afectará a una de cada trespersonas del planeta, obligará a hospitalizar una fracciónextensa y matará de decenas a centenares de millones. Lainfección no respetará ninguna nación, raza, ni posicióneconómica. No habrá modo de pararla.

Los expertos no pueden predecir qué cepa del virusde la gripe causará la próxima pandemia, ni cuándoestallará. Tan sólo pueden advertir que habrá otra yque las circunstancias actuales parecen favorables: unacepa del virus de la gripe aviar de poderosa virulenciaha matado a varias personas en Asia e infectado avesen una rápida embestida que avanza en dirección oestehacia Europa. Esta cepa del virus de la gripe A (H5N1)

Preparados

para una pandemiaUna variedad de gripe altamente contagiosa y letal azotará la humanidad algún día. Sea esta

amenaza inminente o remota, ¿estamos preparados para combatirla?

W. Wayt Gibbs y Christine Soares

JASON JAROSLAV COOK (fotomontaje);NIBSC/PHOTO

RESEARCHERS,INC.(virusSEM);VINCENTYU

APP

hoto(gentehaciendocola);

H O A N G

D I N H

N A M / A F P / G E T T Y

I M A G E S

( n i ñ o c o n m a

s c a r i l l a y m é d i c o c o n u n a r a d i o g r a f í a ) ; J U A N

V R I J D A G

E P A

( T a m i f l u ) ; B Y U N

Y O U N G - W O O K

E P A

( m o n i t o r d e e x p

l o r a c i ó n )




no se transmite todavía de una per-sona a otra, pero no ha suspendidosu curso evolutivo. Además, algunasde las especies de aves afectadas hancomenzado su migración invernal.

Conforme la situación se torna másperentoria, los gobiernos y los exper-tos en salud trabajan para reforzarcuatro líneas básicas de defensa: la vi-gilancia epidemiológica, las vacunas,las medidas de contención y los tra-tamientos médicos. Habrá planes deemergencia que supervisen la firmezade tales barreras. Algunos fallos re-sultarán inevitables, pero cuanto másrobustas sean estas medidas, menorserá el impacto de la pandemia. Entodo caso, ¿podrán las autoridadesemprender las tareas asignadas cuan-do la mayor parte de sus efectivoshayan contraído la gripe?

Vigilancia epidemiológicaLa capacidad de detectar su llegadaconstituye la primera barrera defen-siva frente al ataque de una nuevaforma de gripe. Tres agencias inter-nacionales coordinan un proyecto quesigue la pista del H5N1 y otras cepasdel virus de la gripe. La Organiza-ción Mundial de la Salud (OMS),que cuenta con 110 centros de lagripe en 83 países, vigila los casoshumanos. La Organización Mundialpara la Salud Animal (OIE, antañoOficina Internacional de Epizootias)y la Organización de Alimentos yAgricultura (FAO) siguen los brotesen aves y otros animales. Con todo,estas redes de vigilancia son todavíademasiado porosas y lentas.

La prontitud resulta esencial parahacer frente a un virus que se trans-mite por vía aérea a un ritmo devasta-

Con todo, el sistema no es lo sufi-cientemente rápido como para llevara cabo el aislamiento o la cuarente-na necesarios para controlar la gripeaviar; por ello, las redes de informa-ción se han extendido a un mayornúmero de médicos y veterinarios.

En varias docenas de casos de

viajeros llegados a los EE.UU. pro-cedentes de países asiáticos afecta-dos por el H5N1 que desarrollaronsíntomas graves semejantes a los dela gripe, se tomaron muestras paraenviarlas de inmediato al CDC.Tras 40 horas de hospitalización sesabe si el paciente está infectadocon H5N1. Seis horas después, seanaliza la secuencia del gen de lahemaglutinina para conocer la viru-lencia de la cepa (el virus utiliza lahemaglutinina para penetrar en lascélulas del huésped). Luego, median-te una prueba que requiere dos días,se determina la resistencia ante losfármacos antivirales.

Aunque la próxima pandemia pue-de declararse en cualquier lugar, losexpertos se inclinan por Asia, puntode origen de la mayoría de las cepasde gripe que causan las epidemiasanuales. Patos, gansos y otras avesacuáticas constituyen los huéspedeshabituales del virus de la gripe; en ungran número de poblaciones asiáticasse convive estrechamente con estos

animales. La vigilancia epidemio-lógica en esta zona es aún escasa,a pesar del lento goteo de ayudasprocedentes de la OMS, el CDC yotras organizaciones.

Un reciente brote de H5N1 enIndonesia pone de manifiesto lascarencias preventivas. También losprogresos. En junio de 2005, en unbarrio acaudalado de Yakarta, unaniña de ocho años (hija de un in-terventor del gobierno) enfermó. Unmédico le recetó antibióticos, pero su

dor. Quizá resulte imposible deteneruna pandemia naciente si no se lograsu contención en menos de 30 días.La cuenta atrás empieza en el mo-mento en que la cepa pandémicacontagia a la primera víctima.

El seguimiento constante de lapropagación de los brotes y de laevolución de las propiedades de cadavirus constituye la forma eficaz deafrontar a tiempo la emergencia.La OMS se basa en ambos factorespara determinar en qué fase del ciclopandémico nos hallamos. Este ciclo,descrito en abril de 2005, se divideen seis fases.

Los brotes autolimitados de gri-pe H5N1 humana detectados hastala fecha han aumentado el nivel dealerta a la fase tres, tres escalonespor debajo de la auténtica pandemia(fase seis). Los virólogos se aprestan

a recoger muestras de cada nuevopaciente de H5N1 para determinar elgrado de adaptación del virus aviary, por tanto, el riesgo de que infectea los humanos. Un virus evolucionahacia una cepa pandémica a travésde dos procesos: uno gradual, me-diante mutaciones aleatorias, y otrode celeridad mayor, cuando cepasdistintas intercambian sus genes enel interior de un animal o de unapersona.

En EE.UU. cuentan con un com-plejo sistema de vigilancia de la gri-pe que canaliza información sobrevisitas hospitalarias por enfermeda-des similares a la gripe, muertes porenfermedades respiratorias y cepasde virus de la gripe identificadas enlaboratorios de salud pública hacialos Centros de Prevención y Controlde Enfermedades (CDC) de Atlanta.

■ Los expertos advierten que la aparición de una epidemia de alcanceglobal causada por una nueva cepa del virus de la gripe es inevitable.

Ello supone un grave peligro para la salud pública.■ La pandemia puede aparecer pronto o dentro de unos años. Las

alarmas se han disparado después de que la gripe aviar H5N1 hayaocasionado la muerte de 60 personas en Asia. Aunque este brote remi-tiera, debe mantenerse en alerta una red mundial de vigilancia epide-miológica frente a la amenaza de otras cepas peligrosas.

■ Las vacunas contra el nuevo virus gripal llegarán demasiado tarde paraprevenir o retrasar las primeras fases de la pandemia. Sin embargo, losfármacos antivirales permitirían detener de forma temporal una nuevacepa; así se ganaría tiempo para preparar una respuesta global.

■ La gravedad de la enfermedad dependerá de la cepa pandémica. Enmuchos lugares, el suministro de fármacos y otros recursos sanitariosse verán desbordados.

La cepa H5N1 de gripeaviar hace enfermara 18 personas y mataa 6 en Hong Kong

1918 1957 1968 1997 1999

EVOLUCION DE

UNA EPIDEMIA

Una pandemia(cepa H1N1) mataa 40 millones depersonas en todoel mundo

Una pandemia(cepa H2N2) mataentre 1 y 4 millonesde personas entodo el mundo

Una pandemia(cepa H3N2)mata a 1 millónde personas etodo el mundo

Resumen/Plan contra una nueva gripe




cuadro febril empeoró. El 28 de juniofue hospitalizada. Una semana mástarde, su padre y una hermana un añomayor fueron asimismo ingresadoscon fiebre y tos. La niña murió el9 de julio; el padre, el día 12.

Al día siguiente, un médico avispa-do alertó a las autoridades sanitarias.

Envió muestras de sangre y tejidosa una unidad de investigación médi-ca de la armada estadounidense enYakarta. El 14 de julio, la hermanade la primera víctima también murió.Aquel mismo día, técnicos indone-sios del laboratorio naval determina-

ron que dos de los tres miembros dela familia eran portadores del virusde la gripe H5N1. El gobierno, sinembargo, no informó de los hechoshasta el 22 de julio, después de queun laboratorio de la OMS en HongKong aislara el virus.

Se dispusieron entonces más salas

hospitalarias para atender a pacientescon gripe. I Nyoman Kandum, res-ponsable del control de enfermedadesen Indonesia, solicitó la ayuda de laOMS para investigar el brote. Dehaber sido el principio de una pan-demia, en ese momento la ventana

de contención de 30 días ya se habíacerrado. Kandun suspendió la investi-gación dos semanas más tarde, al nohallar el foco de la infección.

Las costumbres locales impidieronque se les practicara la autopsia. Estacasi total ausencia de autopsias encasos de H5N1 humana ha dejado

un gran número de preguntas sinresponder: ¿Qué órganos infecta elH5N1? ¿Cuáles resultan más daña-dos? ¿Cuán intensa es la respuestainmunitaria?

También la información sobre latransmisión aviaria de la enfermedada través de las fronteras es escasa.En julio de 2005, aparecieron avesde corral infectadas con H5N1 enSiberia, después en Kazakhstán yluego en Rusia. Se ignora su víade infección.

Ante tal desconcierto, Klaus Stöhr,del Programa Mundial de la Gripede la OMS, y otros expertos hansolicitado la creación urgente de ungrupo de trabajo global que superviselos preparativos ante la pandemia.En agosto de 2005, la OIE pidiómás fondos para los programas devigilancia epidemiológica que ha ini-ciado en colaboración con la FAOy la OMS.

En la opinión de Bruce G. Gellin,coordinador de la planificación paralas pandemias en EE.UU. y jefe de

la Oficina del Programa Nacionalde Vacunas del Departamento es-tadounidense de Salud y ServiciosHumanos (HHS), la mejora de losmétodos de detección del virus cons-tituye una necesidad urgente.

Las vacunasAntaño, las pandemias de viruela yde polio hacían estragos. Las campa-ñas de vacunación lograron erradicarcasi por completo ambas enferme-dades. Para nuestro infortunio, esta

Abril de 2005Sept03 Enero de 2004 Junio Julio Agosto Septiembre

La cepa H9N2infecta a 2niños en HongKong

Mientras la cepa H5N1 se extiendeentre las aves de corral en 8 paísesasiáticos, la H7N7 infecta a milpersonas en Holanda

El presidente G. Bushautoriza la cuarentenapara las personas expuestasa la gripe pandémica

Rusia ordena elsacrificio de pollosconforme la cepa H5N1se propaga hacia Siberia

Se detecta gripeH5N1 en bandadasde gansos enKazakhstán

En Mongolia seencuentran gansosy cisnes muertospor el H5N1

La epidemiaafecta a las avesde corral de losUrales rusos

En los EE.UU. seordena la fabricaciónde dos millonesde dosis de vacunacontra el H5N1

Se confirman casosde H5N1 humanaen Vietnam yTailandia

6000 aves salvajesmueren de gripeH5N1 en un lagodel centro de China

Tres miembros de unafamilia de los suburbiosde una ciudad indonesiamueren de H5N1

Comienza en Vietnamla vacunación de veintemillones de aves decorral contra el H5N1

Desde 2003, el H5N1ha infectado avesde 13 países ypersonas de 4

Las cepas del virus de la gripe aviar A (H5N1, por ejemplo) evolucionan haciaun virus pandémico (capaz de unirse rápidamente al ácido siálico de células hu-manas) a través de dos vías. Por un lado, las mutaciones génicas y la selección

natural pueden aumentar la capacidad del virus para entrar en células humanas(vía rosa) . Por otro, dos cepas pueden infectar la misma célula (a ) y liberar ARNvírico, que se replica en el interior del núcleo celular (b ) (vía amarilla ). El ARNde las dos cepas se mezcla luego para dar lugar a un grupo de genes “re-combinados” (c ), que conducen a la aparición de una cepa pandémica nueva ycontagiosa.

Núcleo

Virusde la gripe

H5N1

Cepa pandémicaaltamentecontagiosaARN viral

a

d c

Genesrecombinados

b

Célula huésped

Mutacióngénica

Virus mutante H5N1

Virusde la gripe

H3N2

Acidosiálico

ASI APARECE UNA CEPA PANDEMICA

W .

W A Y T

G I B B S

( c r o n o l o g í a ) ; A L I C E Y .

C H E N

( i l u s t r a c i ó n )




estrategia resultaría inútil frente ala gripe (por lo menos hasta que selogren mayores avances en las técni-cas de producción de vacunas). Si laaparición de una pandemia de gripefuera inminente, las vacunas contrala cepa responsable llegarían conexasperante lentitud y escasez. Lasactuales técnicas de producción devacunas, la economía y la autocom-placencia complican el problema.

Existe un gran número de cepasdel virus de la gripe en circulación.Cada una de ellas se encuentra enevolución constante. Para mejorar laespecificidad de la vacuna contra elvirus, y potenciar así la respuestadel sistema inmunitario, cada añose fabrica una nueva vacuna contralas tres cepas de mayor peligrosidad.Primero se aísla el virus. Luego semodifica mediante genética inversa

para obtener un virus para cultivo.En los laboratorios farmacéuticos, losrobots inyectan el virus de cultivoen huevos fecundados, puestos porgallinas criadas bajo control higié-nico. El patógeno se reproduce engrandes cantidades en el interior delos huevos.

La vacuna inyectable de la gripe sefabrica a partir de los antígenos del

virus, que se extraen por vía química.Estos estimulan en el sistema inmu-nitario humano la producción de loscorrespondientes anticuerpos. La va-cuna inhalable, en cambio, contienevirus atenuado, que infecta sin causarla enfermedad. La transformación delos virus aislados en viales de vacunarequiere unos seis meses.

Dado que la población no se habráexpuesto con anterioridad a la cepadel virus pandémico, cada individuonecesitará dos dosis: una primera yotra de refuerzo, cuatro semanas des-pués. Por tanto, la primera tanda devacunas no conferirá inmunidad hastaal menos siete u ocho meses despuésdel comienzo de la pandemia.

Además, habrá que guardar turno.La producción mundial de vacuna dela gripe ronda los 300 millones dedosis anuales. La mayor parte se fa-

brican en Europa (en EE.UU. operansólo dos plantas). El invierno pasado,cuando las instalaciones de Chironen Gran Bretaña tuvieron que cerrarpor contaminación, Sanofi Pasteur yMedImmune desplegaron todos susrecursos en sus plantas estadouni-denses y produjeron 61 millones dedosis. El CDC recomienda aplicarla vacunación anual contra la gripe

a los grupos de riesgo, que, en losEE.UU., suponen más de 185 millo-nes de personas.

Sanofi mantiene sus plantas apleno rendimiento los 365 días delaño. En julio de 2005 comenzó laconstrucción de nuevas instalacio-nes en Pennsylvania, que en 2009 lepermitirán doblar la producción. Lacompañía asegura que estos plazosno podrían acortarse, ni en caso deemergencia. La transformación de lasfábricas para adaptar la producción aotro tipo de vacunas, distintas de lasinyectables, no resultaría factible.

Pascale Wortley, del ProgramaNacional de Vacunación del CDC,pone el acento en otro problema:las pandemias suelen coincidir conla estación habitual de gripe, perolas plantas que fabrican la vacunaantigripal preparan sólo una cepa por

vez. ¿Debería entonces suspender-se la producción anual de vacunaspara empezar a fabricar la vacunapandémica?

MedImmune se propone aumentarla producción de su vacuna inhala-ble y pasar de dos millones de do-sis anuales a cuarenta millones en2007. Sin embargo, advierte Gellin,la distribución de una vacuna vivaderivada de una cepa pandémica en-traña riesgos: el virus de la vacunapodría intercambiar genes con losdel virus de la gripe “normal” enuna persona y crear entonces unacepa aún más peligrosa.

Ya que no es posible aplazar niacortar el tiempo de producción dela vacuna contra una pandemia, urgedecidir qué grupos serán los prime-ros en recibirla y cómo se aplicaráel racionamiento. El comité nacio-nal de asesoramiento sobre vacunasde los EE.UU. recomendó en juliode 2005 que los primeros en inocu-larse debían ser los miembros delgobierno, los responsables médicos,

los trabajadores de fábricas de va-cunas y medicamentos, las mujeresembarazadas y sus hijos, los ancia-nos y los enfermos que ya integranel grupo prioritario en las campañasde vacunación anual. En total: unos46 millones de estadounidenses.

Australia, Gran Bretaña, Francia yotras naciones europeas han estable-cido los primeros contactos con losfabricantes para negociar la comprade vacunas suficientes que les ga-rantice una distribución equitativa.

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

I A I D




Los EE.UU., por ahora, no lo hanhecho.

En principio, los gobiernos haríanfrente a estas carencias del suministromediante el acopio de vacunas. Ten-drían que actualizar las existenciasconforme nuevas cepas del virus dela gripe amenazaran la salud mun-dial. Aun así, las reservas se hallaríansiempre un paso o dos por detrásde la enfermedad. Con todo, dispo-ner de una vacuna contra el H5N1tiene sentido porque, aunque no seala específica para la nueva cepa, pro-porcionaría cierta protección en elcaso de que H5N1 evolucionara hastaconvertirse en pandémico.

Con esta finalidad, en 2004 el es-tadounidense Instituto Nacional deAlergia y Enfermedades Infecciosas(NIAID) distribuyó virus H5N1 paracultivo, obtenido en el Hospital de

Investigación Infantil St. Jude deMenfis a partir de una víctima pro-cedente de Vietnam. El HHS encargóentonces a Sanofi que fabricara dosmillones de dosis de vacuna contraesta cepa. Los ensayos clínicos conhumanos comenzaron en marzo de2005. A tenor de los resultados pre-liminares, la vacuna conferiría pro-tección. Ahora se está negociando laproducción de 20 millones de dosis.Según Gellin, los fabricantes de vacu-nas contribuirían al menos con unos15 a 20 millones de dosis anuales alas reservas estadounidenses.

Sin embargo, estas cifras podríanpecar de optimistas. Se ensayaroncuatro concentraciones de antígeno.La vacuna antigripal anual típicacontiene 45 microgramos de proteí-nas y abarca tres cepas del virus.Se esperaba que 30 microgramos delantígeno H5N1 (dos inoculaciones de15 microgramos) resultarían suficien-tes para inducir inmunidad. Pero losresultados preliminares sugieren queserían necesarios 180 microgramos

de antígeno.Por tanto, 20 millones de dosis es-

tándar de vacuna H5N1 alcanzaríansólo para 3,3 millones de personas.La cifra real sería incluso menor,pues las cepas H5 apenas crecenen huevos; cada lote produce me-nos cantidad de antígeno activo quelo habitual. Este sombrío panora-ma quizá mejore cuando el NIAIDexamine los resultados finales delensayo. Cabría incluso aumentar elsuministro de vacunas mediante la

utilización de adyuvantes (sustanciasque se añaden a las vacunas parapotenciar la respuesta inmunitaria)o de nuevas formas de inmunización(inyección intradérmica en vez deintramuscular, por ejemplo).

El acopio abundante de vacuna pre-pandémica constituye todo un reto.

Las vacunas caducan a los pocosaños. Con las cifras de producciónactuales, las reservas nunca alcanza-rían los 228 millones de dosis ne-cesarias para cubrir los tres grupospoblacionales de mayor riesgo enEE.UU., lejos de los casi 600 millo-nes de dosis necesarios para vacunara todos los estadounidenses. Otrasnaciones se enfrentan a limitacionessimilares.

Para Matthew, tales insuficienciasobedecen a intereses comerciales de

los fabricantes de vacunas, que noven en la pandemia una oportunidadde negocio. Su objetivo empresarialse centra en cubrir tan sólo la de-manda anual de inmunizaciones.

Para estimular el interés de losfabricantes es necesario ofrecer in-centivos: por ejemplo, seguros de

riesgo, mayores márgenes comercia-les y otras medidas que garanticenlas ventas. En el futuro, las innova-ciones técnicas podrían aportar so-luciones de nuevo cuño: métodos deobtención de vacunas más eficaces yproductivos, dosis eficaces menoreso vacunas que cubran por igual todaslas cepas del virus de la gripe.

Medidas de contenciónEn 1999, el criterio que la OMSempleaba para detectar el inicio de

Nuevos métodos de inmunización se están ensayando para ampliar el suministrode vacunas. Ello permitiría proteger a una mayor parte de la población. Se es-tán desarrollando también técnicas dirigidas a aumentar la velocidad de síntesisde vacunas en caso de emergencia.

Técnica Beneficios Disponibilidad Compañía

Inyecciónintradérmica

La administración de la vacuna dela gripe en el interior de la piel ydel músculo podría reducir cincoveces la dosis necesaria en cadainyección

Los ensayos clínicos semuestran prometedores.Sin embargo, hay pocosmédicos y enfermerascapacitados para aplicareste procedimiento

Iomai,GlaxoSmithKline

Sustanciasadyuvantes

La adición de adyuvantes a lavacuna aumenta la respuestainmunitaria; así se reduce lacantidad de proteínas necesariasen cada inyección

Una vacuna de este tipoha obtenido el permisode fabricación en Europa.Otras se hallan en fasede desarrollo

Iomai, Chiron,GlaxoSmithKline

Vacunasde cultivos

celulares

El crecimiento del virus de la gripeen células, en vez de en huevos,permitiría aumentar la producción

de la vacuna en caso de brotepandémico

Chiron está acometiendoun ensayo a granescala en Europa.

Sanofi Pasteur y Crucellpreparan una prueba enlos EE.UU.

Chiron, Baxter,Sanofi Pasteur,Crucell,

Protein Sciences

Vacunasde ADN

Partículas de oro cubiertas conADN vírico se inyectarían en lapiel mediante un chorro de aire. Laproducción de vacunas de ADNfrente a una cepa nueva empezaríaa las pocas semanas de la apariciónde ésta, no meses después. Lasreservas se conservarían duranteaños sin necesidad de refrigeración

Hasta la fecha, ningunavacuna de ADN haresultado eficaz enhumanos. Powder-Medespera para finales de2006 los resultados de unensayo a pequeña escalacon una vacuna de ADNpara H5N1

PowderMed,Vical

Vacunasde amplio

espectro

Una vacuna que aumentara lainmunidad contra una proteínavírica que apenas mutara ofrecería

protección frente a todas las cepasdel virus de la gripe. Las reservaspermitirían defendernos de unapandemia

Acambis empezó adesarrollar una vacunacontra el antígeno M2e el

verano de 2005

Acambis

NUEVAS TECNICAS DE OBTENCION DE VACUNAS




una pandemia de gripe era sencillo:la pandemia empezaba cuando seconfirmaba que un nuevo virus dela gripe se extendía entre la pobla-ción de un país, al menos. Desdeese momento, detener la rápida ex-pansión de la gripe era impensable,o eso parecía entonces. En cambio,la última versión de la guía de laOMS, que ha incorporado los recien-tes avances sobre la vigilancia de laenfermedad y los fármacos antivíri-cos, utiliza criterios más precisos yútiles: hace referencia a un períodode la pandemia en que el virus de lagripe está preparado para estallar entodo el mundo, pero todavía puedeinterceptarse y contenerse, o inclusoeliminarse.

Las medidas de contención debe-rían operar con rapidez y eficacia.Así lo demuestran los modelos infor-

máticos. La gripe avanza a un ritmodevastador porque tiene un períodode incubación muy corto: a los dosdías de ser infectado, un individuopuede comenzar a manifestar sín-tomas y difundir partículas víricasque propaguen la infección. Algunaspersonas pueden tornarse infecciosasun día antes de presentar síntomas.En cambio, los infectados por el co-ronavirus del SARS, que surgió enChina en 2003, tardan 10 días en serinfecciosos; ello amplía el margen

de tiempo para encontrar y aislar laspersonas que han estado en contactocon ellos antes de que éstas, a suvez, propaguen la enfermedad.

Según los expertos en salud públi-ca, la localización y el aislamientode esas personas nunca resultaríansuficientes para detener la gripe. Sinembargo, estudios basados en simu-laciones por ordenador muestran quesi a estas medidas se añaden unos30 millones de dosis de fármacosantivirales y una vacuna de baja efi-cacia, la detención de la pandemiadeja de ser una utopía.

A partir del modelo de una po-blación de 85 millones de habitan-tes, basado en datos demográficosy geográficos de Tailandia, Neil M.Ferguson, del Colegio Imperial deLondres, dedujo que los trabajado-res sanitarios tenían un máximo de

30 días a partir del comienzo dela transmisión vírica de persona apersona para administrar fármacosantivirales como prevención y trata-miento, dondequiera que se detectaraun brote.

No obstante, pese a conocer los re-sultados de este estudio, los responsa-bles de la OMS cuestionan la eficaciade la vigilancia epidemiológica enalgunas zonas de Asia para detener atiempo una epidemia en ciernes. Enla práctica, la confirmación de unos

casos humanos de H5N1 ha llevadomás de 20 días. Ello deja un margende tiempo muy estrecho para hacerllegar los fármacos a zonas remotasy distribuirlos a más de un millónde personas.

Según Ira M. Longini Jr., de laUniversidad de Emory, esta venta-na de contención se ampliaría si lapoblación estuviera parcialmente in-munizada. A partir de la simulaciónde una intervención con antiviralesen una comunidad de menor tamañobasada en datos demográficos tai-landeses, Longini obtuvo resultadossimilares a los de Ferguson. Pero elmodelo de Longini incluía zonas enlas que la población se había vacu-nado con anterioridad. Teniendo encuenta que una vacuna ya existente(el prototipo H5N1 desarrollado enalgunos países, por ejemplo) no re-

sultaría plenamente eficaz contra unanueva variante del virus, consideróque los individuos vacunados conta-rían sólo con un 30 por ciento menosde probabilidades de ser infectados.Aun siendo una ventaja inmunitariareducida, contuvo en las simulacio-nes una posible cepa del virus dela gripe altamente infecciosa. LosEE.UU. y otros países que dispo-nen de la vacuna H5N1 están con-siderando todavía la posibilidad deutilizarla para prevenir la infección

Simulación de una gripe pandémicaUna simulación creada por exper-

tos del Laboratorio Nacional deLos Alamos y de la Universidad

Emory muestra la primera ola deuna pandemia en EE.UU. que se

expande con rapidez sin que seempleen vacunas o fármacos anti-

virales para retenerla. Los coloresrepresentan el número de casos

sintomáticos por 1000 habitantes

(véase la escala ). El primer día,infectaría a 40 personas; alrededordel día 60, se produciría su expan-

sión máxima por todo el país y laremisión de la ola cuatro meses

después, habiendo enfermado el33 por ciento de la población. Se

están diseñando también modelosde posibles intervenciones con

fármacos y vacunas para saber sipodrían evitarse cuarentenas, res-tricciones de la movilidad y otras

medidas de control molestas parala ciudadanía.

Día 15

Día 45

Día 30

Día 60≤0,3Casos sintomáticos de gripe

(por 1000 habitantes)

≥30

T I M O T H Y

C .

G E R M A N N ,

K A I K A D A U

Y

C A T H E R I N E

A .

M A C K E N

L a b o r a t o r i o

N a c i o n a l d e

L o s A l a m o s ; I R A

M .

L O N G I N I , J R .

U n i v e r s i d a d

d e

E m o r y / E s t u d i o s o b r e

l o s m o d e l o s d e l a g e n t e d e l a s e n f e r m e d a d e s i n f e

c c i o s a s ,

I n s t i t u t o N a c i o n a l d e C i e n c i a s M é d i c a s G e n e r

a l e s




en las regiones del planeta donde laprobabilidad de que surja una versiónde este virus adaptada al hombre esmayor, aunque ello implique disponerde menores reservas para sus con-ciudadanos.

A partir de la experiencia de pan-demias pasadas, los expertos estimanque una vez aparezca una nueva cepadel virus de la gripe, dará la vuelta almundo en dos o tres olas, de variosmeses de duración cada una, paraalcanzar su máxima intensidad encada comunidad a las cinco semanasde su llegada. Las oleadas seguiríanuna frecuencia estacional: si la pri-mera apareciera en primavera, lasegunda no llegaría hasta finales deverano o principios de otoño. Dadoque los laboratorios farmacéuticos

no dispondrán de vacunas contra elvirus pandémico en cantidad sufi-ciente hasta seis meses después desu aparición, la primera ola es lamás temida.

Una vez la pandemia alcance di-mensiones globales, las respuestasvariarán localmente en función delos recursos que cada gobierno apli-que según sus prioridades, políticaso científicas. El uso preventivo delos antivirales constituye una opciónpara aquellos países que pueden dis-

poner de reservas de fármacos, perosu eficacia es limitada. Ningún paísdispone en estos momentos de fár-macos suficientes para proteger a unaparte significativa de la poblacióndurante meses. Además, su utiliza-ción prolongada no se ha ensayado ypodría causar problemas imprevistos.Por esta razón, Gran Bretaña declaróen julio de 2005 que las reservas defármacos se destinarían en primerlugar al tratamiento de los enfermos,más que a la protección de los noinfectados. Los EE.UU., Canadá yotros países están aún estudiandoquiénes serán los primeros en recibirlos antivirales y cuándo.

A la mayoría de los países no lesqueda otra elección que basar suprimera barrera defensiva en lo que

la OMS denomina “intervencionesno farmacéuticas”. Ante la falta deinvestigaciones sobre la eficacia detales medidas, la OMS reunió a ungrupo de expertos en gripe en Gine-bra en marzo de 2004 para determi-nar qué actuaciones médicas debíanacometerse. Llegaron a la conclusiónde que la exploración de los viajerosque entran en un país con síntomasde gripe no garantiza beneficios parala salud pública (aunque sí podríallevarse a cabo para aumentar la con-

fianza de la población). Cuestionarontambién que la investigación de loscasos de fiebre, la habilitación deteléfonos de información o la aper-tura de clínicas para enfermos confiebre retardaran la propagación dela enfermedad.

Los expertos recomendaron el usode mascarillas quirúrgicas para losenfermos de gripe y el personal sa-nitario en contacto con ellos. Paralos individuos sanos, lavarse lasmanos ofrece mayor protección quela utilización de mascarillas en es-pacios públicos, pues la gente puedeexponerse al virus en su casa o enel trabajo, mediante el contacto consuperficies contaminadas, incluida lade una mascarilla.

La prohibición de reuniones públi-cas, la suspensión de los transportescolectivos u otras medidas tradiciona-

les de “distanciamiento social” debenaplicarse en función de la naturalezade la pandemia (por tanto, este tipode decisiones no pueden tomarse has-ta que ha empezado la epidemia). Silos niños resultan especialmente sus-ceptibles al virus (como ocurrió en1957 y 1968) o si se comprueba queconstituyen una fuente importante depropagación de la enfermedad, puedeconsiderarse la posibilidad de cerrarlos centros de enseñanza.

Tratamientos médicosSi dos mil millones de personas en-fermaran, ¿morirían diez millones?¿O cien millones? La cuantificaciónde las víctimas de una futura pan-demia de gripe entraña dificultadesnotables. Hasta que la pandemiano se declare, resultará imposiblesaber si la cepa responsable serádébil como la del virus de 1968,moderada como la de 1957 o letaly siniestra como la de 1918.

Los expertos se guían por reglaselementales. Ya que nadie tendrá

inmunidad frente a la nueva cepa,se espera que el virus infectará elcincuenta por ciento de la población.Según su virulencia, entre uno y dostercios de este grupo de personasenfermará, alcanzando una tasa deataque clínico del 15 al 35 por ciento.Por ello, un gran número de paísesse preparan para atender a una mediaestimada de casos de gripe del 25 porciento de la población.

En la actualidad, ningún gobiernoestá preparado. En los EE.UU., en

2. DESDE EL CENTRO DE CONTROL del Departamento estadounidense de Salud y Ser-

vicios Humanos (HHS) se realizaría el seguimiento de la propagación de una pandemiade gripe en Estados Unidos. El HHS coordinaría las actividades de sus secciones, entreellas el Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) y el InstitutoNacional de la Salud (NIH). Compartiría información con el Departamento de SeguridadNacional y otras agencias gubernamentales, estatales y federales.

D E P A R T A M E N T O

D E

S A L U D

Y

S E R V I C I O S

H U M A N O S




insólita de las citoquinas. Pero el vi-rus no opera siempre de la mismaforma. En algunos pacientes pareceque se multiplica también en el in-testino, produciendo diarrea grave.Se cree que infectó el cerebro dedos niños vietnamitas que murieronde encefalitis sin presentar síntomasrespiratorios.

Los fármacos antivirales que lu-chan directamente contra el virusconstituyen el tratamiento óptimo.Pero deben administrarse a tiempo(muchos enfermos de H5N1 lleganal hospital demasiado tarde para queles resulten eficaces). La variante dela cepa que ha infectado a la mayoríade las víctimas humanas es resistentetambién a las amantidinas (un tipoclásico de antivirales), quizá porqueéstas se administraron a las aves decorral en algunas regiones de Asia. El

H5N1 podría atacarse con un nuevotipo de antivirales: los inhibidores dela neuraminidasa (IN). En el mercadohallamos dos de estos productos: eloseltamivir (Tamiflu) y el zanamivir(Relenza); el primero se presenta enforma de comprimidos; el segundose administra mediante un inhalador.Para combatir con eficacia las cepasde la gripe estacional, ambos debentomarse en las primeras cuarenta yocho horas tras la aparición de lossíntomas.

Sin embargo, la acción de estosfármacos contra la infección porH5N1 se ha estudiado sólo en rato-nes. Según los resultados de RobertG. Webster, del Hospital de Investi-

E P A

( a r r i b a ) ; J U A N

V R I J D A G

E P A

( a b a j o )

donde cada estado es responsableen primera instancia de la salud de

sus habitantes, la Agencia Americanapara la Salud (TFAH) calcula que unvirus pandémico grave, que hicieraenfermar al veinticinco por ciento dela población, provocaría la hospitali-zación de 4,7 millones de estadouni-denses (el país cuenta con menos deun millón de camas hospitalarias).

Para los que trabajan en la líneade fuego de la atención sanitaria,la gravedad de una pandemia vienemarcada por el número total de pa-cientes y por las enfermedades queéstos sufren. Las enfermedades, asu vez, dependen de las propieda-des inherentes al virus y de la sen-sibilidad de diversas subpoblacionesfrente al mismo. Una pandemia leve,por ejemplo, podría parecerse a unagripe estacional, pero con un númeromayor de infectados.

Los más afectados por la gripe es-tacional suelen ser individuos que su-fren complicaciones de enfermedadescrónicas, los jóvenes, los ancianos ypersonas con el sistema inmunita-rio debilitado. La causa principal de

muerte relacionada con la gripe esta-cional es la neumonía, producida porbacterias que invaden el organismouna vez la infección ha agotado lasdefensas orgánicas, no por el virusde la gripe en sí. A partir de simula-ciones por ordenador, expertos de laagencia nacional de salud holandesahan concluido que la hospitalizaciónpodría reducirse en un 31 por cientosólo mediante la previa vacunaciónde los grupos de riesgo contra laneumonía bacteriana.

La cepa pandémica de 1918, encambio, resultó más letal para los

adultos jóvenes sanos de entre 20 y30 años, debido, en parte, a la mayorresistencia de su sistema inmunitario.Ahora sabemos que este virus supri-me respuestas inmunitarias innatascomo la liberación de interferón (queprepara a las células para resistir elataque), a la vez que provoca unahiperreacción inmunitaria, mediadapor las citoquinas (moléculas seña-lizadoras), contra los pulmones.

Los médicos que se enfrentabanal mismo problema en los pacientescon SARS intentaban contener estatormenta mediante la administraciónde interferón y corticosteroides supre-sores de las citoquinas. Si la cascadadevastadora no se detenía a tiempo,los pulmones del enfermo comen-zaban a inflamarse y a obstruirsecon tejido muerto hasta el punto derequerir respiración artificial paragarantizar el aporte de oxígeno altorrente sanguíneo.

En la opinión de Frederick G.Hayden, virólogo de la Universidadde Virginia y asesor de la OMS en

el tratamiento de las víctimas de lagripe aviar, no hay nada en la formahabitual del virus H5N1 que induzcaa pensar en el desencadenamiento deuna pandemia moderada. A menosque la patogenicidad del virus cambiede un modo drástico, nos enfrenta-remos a una cepa letal. En muchasde las víctimas del H5N1, el propiovirus ha causado una neumonía agudaen la parte inferior de los pulmo-nes; en algunos casos, los análisisde sangre indicaban una actividad

3. PACIENTES CON GRIPE AVIAR en un hospital de Hanoi (Vietnam) en marzo de 2005:un varón de 21 años en situación crítica ( izqu ierda) y su hermana, de 14 años. El H5N1ha causado enfermedades graves y muertes sobre todo entre adultos jóvenes y niños.

4. EL OSELTAMIVIR (principio activo delTamiflu) se fabrica según un proceso com-plejo que comprende varias etapas y duracasi un año. Los pedidos actuales tarda-rán varios años en servirse. Las versionesgenéricas serían de difícil obtención encaso de emergencia.




gación Infantil St. Jude, la cantidadequivalente en un ratón a una dosisnormal en humanos de dos comprimi-dos de Tamiflu diarios acaba con elvirus, pero el tratamiento debe pro-longarse en los múridos ocho días,en vez de los cinco habituales. LaOMS se propone llevar a cabo es-tudios de futuras víctimas del H5N1para determinar la dosis necesariaen humanos.

Sin embargo, aun con la dosisestándar, el tratamiento del 25 porciento de la población estadouniden-se requeriría una cantidad mayor deTamiflu, o su equivalente, que losveintidós millones de ciclos de tra-tamiento que el Departamento es-tadounidense de Salud y ServiciosHumanos planeó almacenar en sep-

tiembre de 2005. Un consejo asesorha sugerido una reserva mínima paralos EE.UU. de cuarenta millones deciclos de tratamiento (400 comprimi-dos). Con 90 millones de ciclos seatendería a un tercio de la población;con 130 millones, se protegería tam-bién al personal sanitario y a otrossectores básicos.

Hayden espera que antes de quese declare una pandemia, un tercerinhibidor de la neuraminidasa, el pe-ramivir, se haya aprobado para ad-

ministración intravenosa en pacientescon gripe hospitalizados. Los inhibi-dores de la neuraminidasa de acciónprolongada serán algún día los másindicados para el almacenamiento,ya que bastaría una sola dosis parael tratamiento o para ofrecer unasemana de prevención.

Estos fármacos, así como otrosnuevos diseñados para luchar contrala gripe, deben superar los ensayosclínicos antes de administrarlos encaso de pandemia. Pendientes de es-tudio se encuentran también otrostratamientos que modulan directa-mente la respuesta del sistema in-munitario en los pacientes con gripe.Si el enemigo resulta tan mortíferocomo el H5N1, el personal sanitarionecesitará todo tipo de armas para

hacerle frente.La proporción de fallecimientos

entre las víctimas del H5N1 rondael cincuenta por ciento. Aunque dis-minuyera hasta el cinco por ciento,conforme el virus perdiera virulenciapara ganar transmisibilidad entre laspersonas, su tasa de mortalidad do-blaría la que tenía en 1918, pese aque hoy disponemos de antibióticos,respiración asistida y otros avancesmédicos. Hayden advierte que noshallamos lejos de contar con la in-

fraestructura que se requiere parahacer frente a semejante amenaza.

Nunca como ahora el mundo habíapodido divisar una pandemia de gripeen el horizonte, ni contado con tantasherramientas para atenuar su impac-to. Pero quedan todavía cuestionespor resolver. La amenaza, sea éstainminente o remota, existe: aunqueel temible H5N1 nunca evolucionarahacia una forma capaz de expandirseentre los humanos, otro virus de lagripe lo hará. Cuanto más fortalez-camos nuestras defensas, más airosossaldremos. Nuestro único enemigo esla autocomplacencia.

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

NUEVOS FARMACOS ANTIGRIPALES

THE GREAT INFLUENZA. Edición revisa-da. John M. Barry. Penguin Books,2005.

JOHN R. LAMONTAGNE MEMORIAL SYMPOSIUM ON PANDEMIC INFLUENZA RESEARCH: MEET -ING PROCEEDINGS. Institute of Medicine.National Academies Press, 2005.

WHO GLOBAL INFLUENZA PREPAREDNESS PLAN. WHO Department of CommunicableDisease Surveillance and Response GlobalInfluenza Program, 2005.

Bibliografía complementaria

Acción Fármacos Beneficios Disponibilidad

Inhibición de laneuraminidasa, proteínaque el virus utiliza parasepararse de una célulae infectar otra

Peramivir (BioCrystPharmaceuticals);CS-8958(Biota/Sankyo)

Los inhibidores de la neuraminidasa causan pocosefectos secundarios y generan menos resistenciasque las antiguas amantadinas. El CS-8958 sebasa en una formulación de acción prolongadaque se adhiere a los pulmones durante al menosuna semana

Las pruebas clínicas han demostrado que,administrado en forma de comprimidos, el Peramivirno llega a los pulmones; pronto se ensayará laadministración intravenosa. Las pruebas inicialescon CS-8958 se han completado de formasatisfactoria

Inhibición de la unión delvirus a la célula

Fludasa (NexBio) Dado que bloquea e l receptor del ácido s iá lico quelos virus gripales utilizan para entrar en las célulashuésped, Fludasa debería resultar eficaz frente atodas las cepas

Hay previstos ensayos clínicos inmediatos

Estimulación delmecanismo de interferenciadel ARN

G00101 (Galenea);sin nombre (AlnylamPharmaceuticals)

Utiliza el ADN para activar un mecanismode defensa interno de las células; ordena ladestrucción del virus. La eficacia del G001498frente a los virus de la gripe aviar H5 y H7 se hademostrado en ratones

Están previstos ensayos clínicos en 2007

ADN antisentido bloquealos genes víricos

Neugene(AVI BioPharma)

Fragmentos de ADN sintético se unen a ARNvírico que da instrucciones a la célula huéspedpara que fabrique más copias del virus. Laestrategia debería resultar eficaz contra la mayoríade las cepas del virus

Hay previstos ensayos con animales en breve plazo



1. LA TEORIA HOLOGRAFICA relaciona las leyes físicas válidasen un volumen a otro conjunto de leyes, definidas en una su-perficie, la frontera que rodea a ese volumen. Representan estaidea la juglar y su imagen bidimensional polícroma. Las leyesde la superficie se aplican a partículas cuánticas que tienencargas de “color” e interaccionan como los quarks y gluones de

la física de partículas ordinaria. Las leyes del interior son unaforma de teoría de cuerdas; abarcan la fuerza de la gravedad(experimentada por la juglar), de la que cuesta mucho dar unadescripción cuántica. Y, sin embargo, la física de la fronteray la física del interior son en todo equivalentes, pese a susdescripciones tan diferentes.





El espacioespacio, ¿una ilusión?La fuerza de gravedad y una de las dimensiones espaciales

quizá procedan de las peculiares interacciones, entre partículas

y campos, existentes en un espacio con menos dimensiones

Juan Maldacena

C A R Y

W O L I N S K Y

( f o t o g r a f í a ) ; B R Y A N

C H R I S T I E

D E S I G

N

( f o t o m o n t a j e )

V

emos tres dimensiones del espacio: arriba yabajo, derecha e izquierda, delante y detrás.Añadimos el tiempo, y tenemos la mezclatetradimensional a la que llamamos espacio-

tiempo. Vivimos, pues, en un universo con cuatrodimensiones. ¿O no?

Nuevas teorías físicas predicen que una de las tresdimensiones del espacio es una especie de ilusión:las partículas y campos que componen la realidadresidirían en un espacio bidimensional, como laPlanilandia que imaginó en el siglo XIX Edwin A.Abbot. También la gravedad sería parte de la ilu-sión, una fuerza, ausente del mundo bidimensional,que se manifiesta sólo cuando emerge la terceradimensión.

O mejor dicho, las teorías predicen que el nú-mero de dimensiones de la realidad depende de la

perspectiva: cabría escoger entre una descripcióndonde la realidad obedeciese un conjunto de leyes(entre ellas las de la gravedad) formuladas en tresdimensiones o, de modo equivalente, una descripciónen la que rigiese otro grupo de leyes, que operaríaen dos dimensiones (y sin gravedad). A pesar desu radical diferencia, las dos teorías describiríanpor igual todo lo que vemos y cualquier dato quepudiésemos recoger sobre el funcionamiento del uni-verso. No tendríamos manera de saber cuál de lasdos teorías era “realmente” la cierta.

Esta propuesta desafía la imaginación. Pero en lavida cotidiana sucede algo parecido. Un holograma

es un objeto bidimensional; en condiciones lumíni-cas adecuadas, sin embargo, produce una imagentridimensional. Toda la información que describela imagen tridimensional está codificada en el ho-lograma bidimensional. Pues bien, según las nuevasteorías físicas, el universo entero sería un tipo deholograma [véase “Información en el universo ho-lográfico”, de Jacob D. Bekenstein; INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, octubre 2003].

La descripción holográfica trasciende la mera cu-riosidad intelectual o filosófica. Un cálculo demasiadodifícil en una descripción puede resultar mucho mássimple en la otra; problemas físicos inabordables enla primera se resolverían con facilidad en la segunda.Es más, quizás hayan encontrado ya los experimen-tos de física de partículas de altas energías indiciosde la validez del principio holográfico. Además, las

teorías holográficas muestran una vía nueva parala construcción de una teoría de la gravedad querespeta los principios de la mecánica cuántica. Sinuna teoría cuántica de la gravitación, caería por tierracualquier esfuerzo de unificación de las fuerzas dela naturaleza. Sin ella, no se podría explicar lo quesucede en los agujeros negros ni lo que pasó en losnanosegundos que siguieron a la gran explosión.

Un matrimonio difícilPara un cierto tipo de físicos, no hay objetivo mayorque una teoría cuántica de la gravedad. Las leyescuánticas describen todos los fenómenos físicos, me-




nos con la gravedad. Sin embargo, lamecánica cuántica debería ser válidapara todas las fuerzas. No es consis-tente tener una teoría en donde partede las fuerzas obedecen un tipo deleyes (las cuánticas) mientras que lagravedad obedece leyes clásica. Lamecánica cuántica se concibió haceochenta años para describir el com-portamiento de partículas y fuerzasen los dominios atómico y subató-mico, las escalas de longitud dondelos efectos cuánticos resultan signi-ficativos. En la mecánica cuánticalos objetos no tienen posiciones yvelocidades bien definidas; se losdescribe con probabilidades y ondas.En un mundo cuántico, en el nivelmás fundamental, todo se halla en unestado de cambio constante; inclusoel espacio “vacío” está plagado departículas virtuales que aparecen y

desaparecen sin cesar.La mejor teoría de la gravedad,la relatividad general, es clásica: esdecir, no cuántica. Según la obramaestra de Einstein, la relatividadgeneral, la materia o energía curvael espaciotiempo y esa curvatura des-vía las trayectorias de las partículas.La relatividad general es una teoríade gran belleza, y muchas de suspredicciones se han verificado congran precisión.

En una teoría clásica, como la re-latividad general, los objetos tienenposiciones y velocidades definidas,como los planetas alrededor del Sol.Si se introducen esas posiciones yvelocidades (y las masas de los ob-

jetos) en las ecuaciones de la rela-tividad general, éstas producen una

curvatura del espaciotiempo, que asu vez determina los efectos de lagravedad sobre las trayectorias de losobjetos. El espacio vacío clásico esperfectamente liso, por muy de cercaque se lo examine: un escenario biendefinido donde actúan la materia yla energía.

Que cueste tanto concebir una ver-sión cuántica de la relatividad generalno se debe sólo a que en la escalade los átomos y los electrones laspartículas carezcan de posiciones yvelocidades definidas. Para empeorarlas cosas, los principios cuánticos es-tablecen que a una escala muchísimomenor, definida por la longitud dePlanck (10–33 centímetros), el espa-ciotiempo mismo ha de ser una es-puma efervescente, similar al océanode partículas virtuales que llena elespacio vacío. Cuando la materia y

el espaciotiempo son tan cambiantes,¿qué predicen las ecuaciones de larelatividad general? Nada, porquepierden su validez. Si suponemosque la materia obedece las leyes dela mecánica cuántica, y la gravedadlas leyes de la relatividad general,acabaremos teniendo contradiccionesmatemáticas. Resulta imprescindibleelaborar una teoría de la gravedadque encaje en el paradigma de lasteorías cuánticas.

En la mayoría de las situaciones,los requisitos contradictorios de lamecánica cuántica y de la relatividadgeneral no producen un problema,porque o bien los efectos cuánticos,o bien los gravitatorios son tan pe-queños, que se los puede despreciaro tratar con una aproximación. Pero

cuando el espaciotiempo se curvamucho, ya los aspectos cuánticos dela gravedad no se pueden ignorar.Para que el espacio se curve tanto,se necesita una masa o concentra-ción de masas muy grande. Inclusola curvatura producida cerca del Solresulta muy pequeña, comparada conla exigida para que los efectos de lagravedad cuántica se manifiesten.

Hoy en día se pueden despreciarpor completo estos efectos. Por otrolado, en la gran explosión, al co-mienzo del universo, fueron crucia-les. Para describir el comienzo deluniverso se requiere, pues, una teoríacuántica de la gravedad. También sela requiere para saber qué pasa en elcentro de los agujeros negros, porqueallí la materia se comprime en unaregión de curvatura extraordinaria-mente elevada. Como la gravedad

está ligada a la curvatura del espa-ciotiempo, una teoría cuántica de lagravedad será también una teoría delespaciotiempo cuántico, que deberíaaclarar en qué consiste la “espumade espaciotiempo” mencionada antes.Casi con toda seguridad, nos daríauna perspectiva inédita de la natu-raleza del espaciotiempo en el nivelmás profundo de la realidad.

Teoría de cuerdasLa teoría de cuerdas ha abierto unavía prometedora hacia una teoríacuántica de la gravedad. Se la vieneexplorando desde los años setenta. Lateoría de cuerdas supera algunos delos obstáculos con que se tropiezaal formular una gravedad cuánticalógicamente coherente. Pero aún estáen construcción. No la entendemosbien: contamos con algunas ecuacio-nes aproximadas para las cuerdas,pero no con las ecuaciones exactas.Tampoco conocemos el principioguía subyacente que explicaría laforma de las ecuaciones; hay, ade-

más, innumerables cantidades físicasque no sabemos calcular a partir delas ecuaciones.

En años recientes se han obtenidomuchos resultados sorprendentes quenos han ofrecido nuevas formas deentender el espaciotiempo cuántico.No describiré aquí la teoría de cuer-das con mucho detalle [véase “Elpaisaje de la teoría de cuerdas”, porRaphael Bousso y Joseph Polchinski;INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, noviem-bre 2004]. Me centraré en uno de los

■ Según la teoría que se describe en este artículo, un universo espa-cialmente bidimensional y sin gravedad es por completo equivalente acierto tipo de universo con gravedad y una dimensión espacial más.El universo tridimensional guardaría con la física del bidimensional

una relación parecida a la que hay entre una imagen holográfica y elcorrespondiente holograma.

■ El universo bidimensional existe en la frontera del universo tridimen-sional. La física de la frontera se parece a la de los quarks y gluo-nes, con su interacción fuerte. La física del interior incluye una teoríacuántica de la gravedad, que viene ocupando a los físicos desde hacemuchos años.

■ La equivalencia proporciona una nueva manera de enfocar las propie-dades de los agujeros negros. Para su cabal comprensión, se requiereque la mecánica cuántica se combine con la teoría de la gravedad. Laequivalencia no se ha probado matemáticamente, sin embargo pareceresultar útil para describir un experimento reciente de la física de altasenergías.

Resumen/Mundos equivalentes




desarrollos más apasionantes que lateoría de cuerdas haya engendrado enlos últimos tiempos: una descripcióncompleta y lógicamente coherente dela gravedad para un tipo de espa-ciotiempos, los de curvatura nega-tiva. Para dichos espaciotiempos,parece que las teorías holográficasson ciertas.

Espaciotiemposcon curvatura negativaA todos nos es familiar el espacioplano de la geometría euclídea, lageometría de las figuras dibujadasen una hoja de papel. Esta es unabuena aproximación a la geometríadel mundo que nos rodea: la geome-tría donde las líneas paralelas nuncase cruzan y se cumplen los demásaxiomas de Euclides.

Tampoco nos resultan extraños

algunos espacios curvos. Hay dosclases de curvatura: positiva y ne-gativa. El espacio más simple concurvatura positiva es la superficie deuna esfera. Su curvatura es constantey positiva; es decir, tiene la mismacurvatura en todos los sitios (mien-tras que en un huevo, por ejemplo,la curvatura es mayor en el extremopuntiagudo).

El espacio más sencillo con cur-vatura negativa es el hiperbólico, elespacio de curvatura constante y ne-gativa. Este tipo de espacio ha fasci-nado desde hace tiempo a científicosy artistas por igual. M.C. Escher creóhermosas representaciones del espa-cio hiperbólico. La que se reproduceen la figura 2 es un mapa plano deese espacio. Que los peces se vayanempequeñeciendo más y más es sólouna consecuencia de que el espaciocurvo tenga que comprimirse paraencajar en una hoja plana de papel.También se dilatan en un planisferioterrestre los países más cercanos alos polos.

Cuando se añade el tiempo, setienen espaciotiempos con curvaturapositiva o negativa. El espaciotiem-po más simple con curvatura positivase conoce por espacio de De Sitter(en homenaje a Willem de Sitter, elfísico holandés que lo introdujo).Muchos cosmólogos creen que eluniverso primordial se parecía mu-cho al espacio de De Sitter. Quizátambién se le parezca nuestro uni-verso en un futuro lejano, debidoa la aceleración de la expansión. C

I R C L E

L I M I T I I I , B Y

M . C . E S C H E R

©

2 0 0 5 T H E

M . C

. E S C H E R

C O M P A N Y - H O L L A N D . T O D O S

L O S

D E R E C H O S R

E S E R V A D O S

( a r r i b a ) ; A L F R E D

T . K A M A J I A N

( a b a j o )

2. ESTA REPRESENTACION DE UN ESPACIO HIPERBOLICO fue creada por el artistaholandés Maurits Cornelis Escher (arriba). Los peces tienen el mismo tamaño real; lafrontera circular se halla infinitamente lejos del centro del disco. La proyección delverdadero espacio hiperbólico sobre esta representación aplasta los peces distantes paraencajar el espacio infinito dentro del círculo finito. Sin ese aplastamiento, el espacio se

curvaría de manera peculiar y cada pequeña sección (debajo) adquiriría la forma de sillade montar, con pliegues adicionales.




El espaciotiempo más simple curva-do negativamente es el de anti-DeSitter. Se asemeja al espacio hi-perbólico, con la salvedad de quecontiene una dirección temporal. Adiferencia de nuestro universo, quese está expandiendo, el espacio deanti-De Sitter no se expande ni secontrae. Permanece igual al trans-currir el tiempo. Pese a esta carac-terística, resulta bastante útil en labúsqueda de teorías cuánticas delespaciotiempo y la gravedad.

Si imaginamos el espacio hiper-bólico bidimensional como un dis-co parecido al dibujo de Escher, el

correspondiente espaciotiempo deanti-De Sitter se representará me-diante una pila de esos discos, queformará un cilindro sólido (véase

el recuadro “Espacio negativamentecurvado”). El tiempo corre a lo largodel cilindro. El espacio hiperbólicopuede contar con más de dos dimen-siones. Las secciones transversalesdel “cilindro” que representaría el es-paciotiempo de anti-De Sitter de tresdimensiones espaciales tendrían un“dibujo de Escher” tridimensional.

Las propiedades de la física delespaciotiempo de anti-De Sitter sonun poco extrañas. Flotando libremen-te en cualquier parte de ese espacio,nos parecería hallarnos en el fondode un pozo de potencial gravitato-rio. Cualquier objeto que lanzásemosvolvería a nosotros, como un boome-rang. Para nuestra sorpresa, el tiempoque un objeto tardaría en volver nodependería de la fuerza con que loarrojáramos. Eso sí, cuanto más fuer-te lo lanzásemos más lejos llegaríaantes de volver a nosotros.

Si emitiéramos un rayo de luz—fotones que se mueven a la máxi-

ma velocidad posible (la velocidadde la luz)—, llegarían al infinito yregresarían en un tiempo finito. Talfenómeno es posible porque los obje-tos experimentan en un anti-De Sitteruna especie de contracción temporalde magnitud creciente a medida quese alejan.

El hologramaEl espaciotiempo de anti-de Sitter,aunque infinito, tiene una frontera,situada en el infinito. Para dibujar-

la, se utiliza una escala de longitu-des distorsionada, parecida a la deEscher, que comprime una distanciainfinita en una finita. La frontera escomo la circunferencia exterior deldibujo de Escher o la superficie delcilindro sólido del que hablamos an-tes. En el ejemplo del cilindro, lafrontera posee dos dimensiones: unaespacial (que rodea el cilindro) y otratemporal (a lo largo del cilindro). Enel espaciotiempo de anti-De Sittertetradimensional, la frontera tienedos dimensiones de espacio y unade tiempo. Así como la frontera deldibujo de Escher es una circunferen-

cia, la frontera del espaciotiempo deanti-De Sitter tetradimensional es, encualquier instante, una esfera. Allí,en esa frontera, reside el hologramade la teoría holográfica.

Dicho de manera sencilla: una teo-ría cuántica de gravedad en el interiorde un espaciotiempo de anti-De Sitterequivale, en un modo preciso, a unateoría de partículas ordinaria en lafrontera. De ser cierta, esta equi-valencia nos permitiría valernos dela teoría cuántica de partículas, que

Trayectoria

de la pelota

Láser

label

Frontera

T i e m p o

A L F R E D

T . K A M A J I A N ; S I L V I O

L E V Y Y

L A

U N I V E R S I D A D

D E

M I N N E S O T A

( p e z d e E s c h e r )

ESPACIO NEGATIVAMENTE CURVADOLa teoría holográfica se refiere a un espaciotiempo negativamente curvado, el espaciotiempo de anti-de Sitter.

La versión tridimensional del anti-De Sitter se puede visualizar mediante un cilindro sólido(izquierda ) cuyas secciones transversales representan espacios hiperbólicos proyectados, comoen el dibujo de Escher, sobre discos finitos; cada uno de éstos corresponde a un instante deltiempo, que corre a lo largo del cilindro. La frontera, en cada instante, es la circunferencia deldisco correspondiente. Toda partícula lanzada desde el centro ( trayectoria gris ) volverá al punto

de partida pasado el mismo lapso finito. Un haz láser ( naranja ) llegará hasta la frontera, perovolverá transcurrido el mismo tiempo. La versión tetradimensional, como el universo real, noadmite una representación gráfica tan inmediata: en cada instante de tiempo, la frontera seríauna esfera, no un círculo.




conocemos bastante bien, para definiruna teoría cuántica de la gravedad.

Una analogía: un par de copiasde una película, una en rollos de70 milímetros y otra en DVD. Losdos formatos no pueden parecersemenos: el primero es una cinta li-neal de celuloide donde la relaciónde cada fotograma con las escenasde la película salta a la vista, el se-gundo una placa metálica con unaespiral de marcas que expresa unasecuencia de ceros y unos, o pozosy llanos, si pudiésemos percibirlos.Sin embargo, ambos “describen” lamisma película.

De igual manera, las dos teorías,que tan diferentes se nos presen-tan, describen el mismo universo.El DVD parece un disco de metalirisado. La teoría de partículas enla frontera “parece” una teoría de

partículas en ausencia de gravedad.Sólo cuando los bits se procesan demanera apropiada, el DVD genera lasimágenes. Y sólo cuando se analizande manera apropiada las ecuacionesde la teoría de partículas de la fron-tera, emergen la gravedad cuántica yuna dimensión extra.

¿Qué significa realmente la equi-valencia de las dos teorías? Primero,que todas las entidades de cada teoríatienen su correspondiente en la otra.La caracterización de esos entes aso-ciados difiere mucho de una teoría ala otra: una entidad del interior, unasola partícula de un cierto tipo, diga-mos, se describe en la frontera con unconjunto de partículas de otro tipo.En segundo lugar, las prediccionespara entes correspondientes deben seridénticas. Así, si dos partículas tienenel 40 % de probabilidades de colisio-nar en el interior, los dos conjuntosde partículas correspondientes en lafrontera deben tener también el 40%de probabilidad de colisionar.

Precisemos la equivalencia. Las in-

teracciones entre partículas que vivenen la frontera guardan una estrechasemejanza con las interacciones entrequarks y gluones (los quarks son losconstituyentes de protones y neutro-nes; los gluones generan la interac-ción nuclear fuerte que une a losquarks entre sí). Los quarks poseenun tipo de carga, con tres variedades,o “colores”; la interacción asociadaa esa carga se llama cromodinámi-ca. La diferencia entre los quarks ygluones ordinarios y las partículas

de la frontera consiste en que éstasposeen un gran número de colores,no sólo tres.

Gerard ‘t Hooft, de la Universidadde Utrech, estudió estas teorías ya en1974 y predijo que los gluones forma-rían cadenas cuyo comportamientosería semejante al de las cuerdas dela teoría de cuerdas. No se sabía lanaturaleza precisa de esas cadenasgluónicas, pero en 1981 AlexanderM. Polyakov, ahora en la Universidadde Princeton, comprendió que estascuerdas efectivamente residían en un

espacio con más dimensiones que elespacio donde residen los gluonesque las forman. Como veremos, enlas teorías holográficas dicho espaciode dimensión mayor es el interior delespacio de anti-De Sitter.

Para entender de dónde aparecela dimensión extra, empecemos porlas cuerdas gluónicas residentes enla frontera. Su grosor está relacio-nado con el grado de dispersión desus gluones por el espacio. Cuandose calcula la interacción de estascuerdas entre sí en la frontera del

Partículas equivalentesen la superficie frontera

Objeto en elespacio interior

Estado de cuerdaen la frontera

La distancia hacia elinterior es proporcionalal grosor de la cuerdaen la frontera

Estado equivalenteen el interior

UNA DIMENSION MAS O MENOSLa teoría holográfica describe la equivalencia entre los quarks y gluones que in-teraccionan en la frontera de un espaciotiempo de anti-De Sitter por una parte,y, por la otra, las partículas que residen en el interior del espacio, interior conuna dimensión más que la frontera.

Los quarks y gluones seunen, sobre la superficieesférica del anti-De Sitter,para formar cuerdas devarios grosores. Según lainterpretación holográfica,esas cuerdas representanpartículas elementales (quetambién son cuerdas) cuyadistancia a la frontera corres-ponde al grosor de la cuerda

de la frontera.

Nubes de quarks y gluonesen la superficie de la fronteradescriben, pues, objetoscomplejos equivalentes —lamanzana de la figura— delinterior. La ventaja de lateoría holográfica consiste enque los objetos del interiorse hallan sujetos a gravedad,aun cuando no exista una in-teracción gravitatoria genuinasobre la superficie.

A L F R E D

T . K A M A J I A N




teoría de cuerdas se creó a finalesdel decenio de 1960 para descri-bir las interacciones fuertes, perose abandonó, en lo que se referíaa su propósito original, al aparecerla teoría de la cromodinámica. Lacorrespondencia entre la teoría decuerdas y la cromodinámica indicaque aquellos primeros esfuerzos noandaban del todo desencaminados;las dos descripciones son diferentescaras de la misma moneda.

Variando la teoría cromodinámica,efectuando cambios de detalle de lasinteracciones entre las partículas dela frontera, se obtiene un surtido deteorías en el interior: las hay sólocon fuerzas gravitatorias, o con lagravedad más alguna fuerza extra,como la electromagnética, y así su-cesivamente. Por desgracia, no cono-cemos aún ninguna teoría de frontera

que dé lugar a una teoría interior queincluya justo las cuatro fuerzas queobservamos en nuestro universo.

Conjeturé que la correspondenciaholográfica podría ser válida parauna teoría específica (una cromodi-námica simplificada en una fronteratetradimensional del espacio-tiempo)en 1997. Mi propuesta despertó deinmediato un gran interés entre losteóricos de cuerdas. Desde entonces,muchos han contribuido a explorarla conjetura y a generalizarla a otrasdimensiones y otras teorías cromodi-námicas; las pruebas indirectas que la

respaldan no han cesado de aumentar.Pero no se ha conseguido todavíala demostración rigurosa de ejemploalguno; las matemáticas resultan de-masiado difíciles.

Misterios de los agujeros negros¿En qué medida ayuda la descripciónholográfica de la gravedad a expli-car ciertos aspectos de los agujerosnegros? Se cree que los agujeros ne-gros emiten radiación de Hawking,así llamada en honor de quien lopredijo, Stephen W. Hawking, de laUniversidad de Cambridge. Esa ra-diación sale de los agujeros con unatemperatura específica. La mecánicaestadística explica la temperatura detodos los sistemas físicos ordinariosa partir del movimiento de los cons-tituyentes microscópicos. Se aplicaa un vaso de agua o al Sol. Pero,

¿y a un agujero negro? Para enten-der su temperatura, necesitaríamossaber cuáles son los constituyentesmicroscópicos del agujero negro ycómo se comportan. Sólo una teo-ría de la gravedad cuántica podríaenseñárnoslo.

Algunos aspectos de la termodiná-mica de agujeros negros han levan-tado dudas acerca de si una teoríacuántica de la gravedad es siquierafactible. Daba la impresión de quequizá fallase la mecánica cuánti-ca misma, debido a lo que sucedeen los agujeros negros. Pero ahora

Agujero negro

Stephen Hawking razonó en 1973que los agujeros negros, a losque se les podía atribuir unatemperatura, emitían radiación. Latemperatura es una propiedad deun conjunto de partículas. Ahorabien, ¿en qué consiste el conjuntoque define un agujero negro? Lateoría holográfica da una respues-

ta: un agujero negro equivale aun enjambre de partículas queinteraccionan entre sí en unasuperficie, una “frontera” del espa-ciotiempo.

Frontera

Partículasque interaccionan

LOS AGUJEROS NEGROS

A L F R E D

T . K A M A J I A N

espaciotiempo de anti-De Sitter, seobtiene un resultado extraño: doscuerdas de diferente grosor apenasinteraccionan entre sí. Vendría a sercomo si se hallaran separadas espa-cialmente. Se puede reinterpretar elgrosor de la cuerda como una nuevacoordenada espacial que se aleja dela frontera.

Así, una cuerda delgada en la fron-tera es como una cuerda cercana ala frontera, mientras que una cuer-da gruesa en la frontera sería unacuerda alejada de la frontera (véase

el recuadro “Una dimensión más omenos”). La coordenada extra es pre-cisamente la coordenada necesariapara describir el movimiento en elespaciotiempo de anti-De Sitter te-tradimensional. Desde la perspectivade un observador en el espaciotiem-po, cuerdas de diferente grosor en

la frontera aparecerán como cuerdas(todas ellas delgadas) en distintasposiciones radiales. El número decolores en la frontera determina eltamaño del interior (el radio de laesfera de Escher). Para abarcar unespaciotiempo de la magnitud deluniverso visible, la teoría debe contarcon alrededor de 1060 colores.

Resulta que un tipo de cadena degluones se comporta en el espacio-tiempo tetradimensional del mismomodo que el gravitón, la partículacuántica fundamental de gravedad.Según esta descripción, la gravedadde cuatro dimensiones es un fenó-meno emergente, que surge de inte-racciones de partículas en un mundotridimensional carente de gravedad.La presencia de gravitones no de-bería sorprendernos: desde 1974 sesabe que la teoría de cuerdas originasiempre gravedad cuántica. Las cuer-das formadas por gluones no son laexcepción, pero la correspondientegravedad opera en un espacio conuna dimensión más.

Por consiguiente, la corresponden-cia holográfica no es una nueva yexcéntrica hipótesis más acerca deuna teoría cuántica de la gravedad,sino un nexo fundamental entre lateoría de cuerdas, el enfoque másestudiado de la gravedad cuántica,y las teorías de quarks y gluones,piedras angulares de la física de par-tículas. La teoría holográfica pareceiluminar además esas ecuacionesexactas de la teoría de cuerdas quedesde hace tanto se nos escapan. La




sabemos, gracias a la teoría de lafrontera, que la mecánica cuánticapermanece intacta ante los agujerosnegros del espaciotiempo de anti-DeSitter. Esos agujeros corresponden auna configuración de partículas en lafrontera. El número de estas partícu-las es muy grande y se encuentranen movimiento; por consiguiente seles puede calcular una temperaturamediante las reglas usuales de lamecánica estadística. El resultadocoincide con el que halló Hawkingpor medios muy diferentes, lo cualindica que la relación entre las dosteorías tiene sentido. Y, sobre todo,la teoría de la frontera obedece lasreglas ordinarias de la mecánicacuántica, sin que se produzca in-congruencia alguna.

La correspondencia holográfica seha utilizado también en la dirección

opuesta: a partir de las propiedadesconocidas de los agujeros negros enel espaciotiempo interior, se ha de-ducido el comportamiento de quarksy gluones a temperaturas muy ele-vadas en la frontera. Dam Son, dela Universidad de Washington, y suscolaboradores estudiaron una pro-piedad, la viscosidad. La viscosidades pequeña para una sustancia quefluya con facilidad y grande paralas melazas. Hallaron que los agu-

jeros negros tienen una viscosidadbajísima, menor que la de cualquierfluido conocido. Por lo tanto, segúnla equivalencia holográfica, quarks ygluones apenas si deberían ser visco-sos a temperaturas elevadas.

En el Colisionador de Iones Pe-sados Relativistas del LaboratorioNacional de Brookhaven se han ve-nido produciendo choques de núcleosde oro a energías muy elevadas. Un

análisis provisional de estos expe-rimentos indica que las colisionescreaban un fluido con una viscosi-dad muy baja. Aunque Son y suscolaboradores estudiaron una versiónsimplificada de la cromodinámica,parecen haber dado con una propie-dad del mundo real. ¿Quiere ello de-cir que el colisionador de iones deBrookhaven está creando pequeñosagujeros negros pentadimensionales?Es demasiado pronto para decirlo,tanto por lo que se refiere a los expe-rimentos como a la teoría. (No habríaque temer nada de esos diminutosagujeros negros: se evaporan con larapidez con que se forman, y “viven”en cinco dimensiones, no en nuestromundo tetradimensional.)

Quedan pendientes muchas cuestio-nes sobre las teorías holográficas. Enparticular, los resultados expuestos

aquí, ¿valdrían, no ya en un espaciode anti-De Sitter, sino en un universocomo el nuestro? Un aspecto crucialdel espacio de anti-De Sitter es sufrontera, donde el tiempo está biendefinido, una frontera que ha exis-tido y existirá siempre. Un universoen expansión, como el nuestro, queviene de una gran explosión, no tieneuna frontera así. En consecuencia, noqueda claro cómo se definiría unateoría holográfica para nuestro uni-verso; no existe un lugar apropiadodonde poner el holograma.

Con todo, cabe sacar una lecciónimportante de la conjetura holográ-fica. La gravedad cuántica, que tantaperplejidad ha causado durante años,resulta, en ciertas circunstancias, muysimple si encontramos las variablesadecuadas. Ojalá demos pronto conuna descripción simple de la granexplosión.

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

ANTI–DE SITTER SPACE AND HOLOGRAPHY. Edward Witten en Advances in Theoretical and Mathematica l Physics, vol. 2, págs. 253–291; 1998.

GAUGE THEORY CORRELATORS FROM NON-CRITICAL STRING THEORY. S. Gubser, I. Klebanov yA. Polyakov en Applied Physics Letters B, vol. 428, págs. 105-114; 1998.

LA TEORÍA M. Michael J. Duff en Investigac ión y Ciencia, n.o 259, abril 1998.

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

El autor




D U N G

H U A N G





Crick, entre otros, han abogado porformas diversas de panespermia.Aunque la proponen también otrosautores de menos respetabilidad, setrata de una idea que no podemosignorar a la hora de estudiar la dis-tribución y evolución de la vida en eluniverso y cómo ésta apareció sobrela Tierra.

En su formulación actual, la hipó-tesis de la panespermia se centra enlos medios empleados por el materialbiológico para alcanzar nuestro pla-neta, no en el propio origen de lavida. Donde quiera que empezara,la vida surgió de materia inerte. Laabiogénesis pasó del dominio filosó-fico a la experimentación científicadurante los años cincuenta del siglopasado, cuando Stanley L. Miller yHarold C. Urey, de la Universidadde Chicago, demostraron que los

aminoácidos y otras moléculas deimportancia biológica se generabana partir de compuestos simples que,se suponía, existieron en la Tierraprimitiva. Ahora se cree que tambiénlas moléculas de ácido ribonucleico(ARN), cruciales para el desarrollode la vida, se ensamblaron a partirde componentes más elementales.

En las células actuales, moléculasespecializadas de ARN participan enla síntesis de las proteínas. Algunosácidos ribonucleicos actúan de men-sajeros entre los genes (hechos deácido desoxirribonucleico, o ADN)y los ribosomas (las fábricas deproteínas de la célula). Otros ARNtransportan aminoácidos (los consti-tuyentes de las proteínas) a los ribo-somas, que a su vez contienen otraclase de ARN. Los ARN trabajan ala par con enzimas que catalizan launión de los aminoácidos, pero losARN ribosómicos realizan la etapacrucial de la síntesis proteica por símismos. Durante las primeras fasesde la evolución de la vida, las en-

zimas pudieron haber sido ARN, noproteínas. Puesto que estas enzimasde ARN habrían fabricado las prime-ras proteínas sin la existencia previade enzimas proteínicas, la abiogéne-sis escapa del viejo problema sobrela prioridad del huevo o la gallina,al que se le había atado con ante-rioridad. Un sistema prebiótico deARN y proteínas habría desarrollado,andando el tiempo, la capacidad dereplicar sus constituyentes molecu-lares, de una forma basta en un co-

■ Según la hipótesis de la panespermia, las células o sus precursoreshabrían aparecido en otro planeta o satélite hace miles de millones deaños y viajado a la Tierra transportados por un meteorito.

■ Una pequeña fracción de las rocas expulsadas de Marte por impactosde asteroides o cometas habrían llegado a la Tierra en unos pocosaños.

■ Para evaluar la viabilidad de la panespermia, los expertos estudiarán silos microorganismos sobreviven a un viaje interplanetario.

Resumen/Vida llegada del espacio

Durante largo tiempo sehabía venido admitiendoque la vida en la Tierraconstituía un fenómenolocal. De acuerdo con lahipótesis más extendida,

las células vivas primitivas surgieronde la evolución química en nuestroplaneta, hace miles de millones deaños, en un proceso de abiogénesis.La posibilidad de que las células, osus precursores, llegaran del espa-cio pertenecía al reino de la fantasíacientífica. Pero los avances logradosen el curso de los últimos diez añosabonan la idea de que la biosfera denuestro planeta habría surgido de unasemilla extraterrestre.

Sabemos que en las primerasetapas de la historia de nuestro sis-tema solar habrían existido nume-rosos mundos con agua líquida, el

ingrediente esencial para la vida taly como la conocemos. Datos recien-tes obtenidos de las exploracionesque la NASA ha realizado en Martecorroboran las antiguas sospechas: elagua fluyó alguna vez por el planetarojo, al menos de forma intermiten-te. No es descabellado, pues, pensarque la vida existió en Marte largotiempo atrás y que quizá continúaallí. La vida pudo haberse desarro-llado también en Europa, satélite deJúpiter (el cuarto en razón del tama-ño), que parece albergar agua líquidabajo su helada superficie. El mayorsatélite de Saturno, Titán, abunda encompuestos orgánicos; habida cuentade las temperaturas gélidas de dichaluna, la posibilidad de hallar formasde vida allí es escasa, pero no debedescartarse. La vida podría habersedesarrollado incluso en el tórrido Ve-nus. Aunque la superficie venusianaestá sometida a una temperatura ypresión atmosférica excesivas paraser habitable, el planeta podría haberalbergado vida microscópica en las

capas altas de la atmósfera. Además,

puede que en la superficie de Ve-nus no hayan reinado siempre esascondiciones durísimas. Quizá Venuspresentara antaño un ambiente simi-lar al de la Tierra primitiva.

Por otra parte, la extensión del es-pacio interplanetario no constituye labarrera infranqueable que aparenta.En el curso de los últimos veinte añosse ha descubierto, a partir de la com-posición de los gases atrapados enciertas rocas, que una treintena largade meteoritos hallados en la Tierraproceden de la corteza de Marte. Alpropio tiempo, se han hallado orga-nismos aptos para sobrevivir en elinterior de tales meteoritos, al menosdurante un viaje corto. Aunque ellono significa que fueran los mismosorganismos que viajaron, demuestraque otros podrían haberlo hecho. Lavida habría aparecido en Marte y lue-

go venido a la Tierra, o viceversa.Los expertos estudian ahora con te-nacidad el transporte interplanetariode materiales biológicos para averi-guar si el viaje pudo haber ocurridoalguna vez. Estos trabajos arrojaránnueva luz sobre algunas cuestionescandentes: ¿Dónde y cómo surgió lavida? ¿Caben otras formas de vida?¿Hay vida en alguna otro lugar deluniverso?

De la filosofía al laboratorioA los primeros filósofos, la creaciónde vida a partir de materia inerte lesparecía algo tan mágico, exclusivo delas deidades, que algunos optaron porsuponer que las formas vivas llega-ron a la Tierra procedentes de otrolugar. Anaxágoras, filósofo griego dehace 2500 años, formuló la hipóte-sis de la “panespermia” (“semillaspor doquier”). De acuerdo con lamisma, la vida, todas las cosas enrealidad, surgieron de la combinaciónde semillas sutiles y dispersas porel cosmos. En la era moderna, Lord

Kelvin, Svante Arrhenius y Francis




mienzo, para ir adquiriendo eficaciacreciente.

Esta nueva concepción del origende la vida ha obligado a replantear-se el debate científico sobre la pa-nespermia. Ya no se discute si losprimeros microorganismos surgieronen la Tierra o llegaron del espacio.Durante los comienzos caóticos delsistema solar, nuestro planeta estuvosometido a un intenso bombardeo demeteoritos que contenían compuestosorgánicos simples. La Tierra jovenpudo haber recibido también molé-culas de mayor complejidad con fun-ciones enzimáticas; moléculas que,si bien prebióticas, formaban partede un sistema que podía conducir ala vida. Tras aterrizar en un medioadecuado, éstas habrían continuado

evolucionando hasta formar célulasvivas. Cabe, pues, un escenario inter-medio en el que la vida hundiera susraíces en la Tierra y en el espacio.Pero, ¿cuáles fueron las etapas quecondujeron al desarrollo de la vida ydónde se dieron? Y, una vez la vidaarraigó, ¿hasta dónde se extendió?

Los investigadores acostumbra-ban centrarse en la plausibilidad dela idea de panespermia. Han dadoun paso al frente, para calcular laprobabilidad de que los materialesbiológicos realizaran el viaje a laTierra desde otros planetas y satéli-tes. Para iniciar el viaje interplaneta-rio, los materiales (rocas y partículasde polvo) habrían sido expulsados desu planeta de origen tras el impactode un cometa o un asteroide. Du-

rante el viaje espacial, el campogravitatorio de otro planeta o de unsatélite los habría capturado. Luego,habrían decelerado hasta caer haciala superficie cruzando la atmósfera,si la hubiera.

Transferencias de ese tipo ocurrencon frecuencia por todo el sistemasolar, aunque para el material expul-sado resulta más fácil viajar desdelos cuerpos más alejados del Solhacia los más cercanos y terminaren un objeto de mayor masa. Dehecho, las simulaciones realizadaspor Brett Gladman, de la Universidadde Columbia Británica, sugieren quela masa transportada de la Tierra aMarte es muy inferior a la transferidade Marte a la Tierra. El escenariopanespérmico más estudiado se basa,

La mayoría de las rocas que alcanzan laTierra pasan largos períodos en el espacio.El meteorito marciano ALH84001 (arriba )viajó durante 15 millones de años. Pero unode cada 10 millones de objetos llega a laTierra en menos de un año, minimizando laexposición a la radiación interplanetaria.

La entrada en la atmósfera terrestre calentaría(debido a la fricción) la superficie del meteorito,pero no su interior. Cualquier microorganismosobreviviría dentro de la roca. Las partículasde polvo se frenan en la atmósfera alta de laTierra, evitando así el calentamiento.

Incluso en los impactos más violentos, algunasrocas y partículas de polvo cercanas a lasuperficie de Marte se expulsan del planeta sinsufrir calentamientos que pondrían en peligro lavida de los microorganismos “polizones”.

Trayectoriainterplanetaria rápida

Tierra

Marte

Sol

A L F R E D

T . K A M A J I A N ; C E N T R O

E S P A C I A L

J O H N S O N

D E

L A

N A S A

( m e t e o r i t o

A L H 8 4 0 0 1 )

EL EXPRESO INTERPLANETARIOA una cadencia de pocos millones de años, un asteroide o un cometa choca contra Marte con la energía suficiente parahacer que material rocoso escape de la gravedad del planeta rojo y, con el tiempo, llegue a la Tierra. Si la vida evolucionóen Marte hace miles de millones de años, pudo darse el fenómeno de que unas rocas portadoras de material biológicohicieron el viaje interplanetario con celeridad tal, que trasplantaron las semillas extraterrestres.




pues, en el transporte de microorga-nismos, o sus precursores, de Martea la Tierra.

Las simulaciones de impactos deasteroides y cometas en Marte indicanque los materiales salen lanzados enmúltiples direcciones. Para Gladmany sus colaboradores, cada pocos mi-llones de años Marte sufre un impacto

de violencia suficiente para eyectarrocas que, con el tiempo, alcanzaríanla Tierra. El viaje interplanetario sue-le ser bastante largo: gran parte dela casi tonelada de rocas marcianasque aterrizan en la Tierra anualmenteha pasado varios millones de años enel espacio. Sólo una diminuta frac-ción (una de cada 10 millones) habrápermanecido menos de un año en elespacio. A los tres años del impac-to, han completado el viaje Marte-Tierra unas 10 rocas del tamaño de

un puño con un peso superior a los100 gramos. Guijarros y partículas depolvo tienden a realizar viajes inter-planetarios con mayor rapidez; conrocas, sin embargo, esos recorridosmenudean menos.

¿Sobrevivirían las entidades bio-lógicas a estos viajes? Analicemosprimero si los microorganismos re-

sistirían la eyección desde el cuerpoceleste progenitor del meteorito. Enel laboratorio se ha observado, a tra-vés de ensayos de choque, que ciertascadenas de bacterias sobreviven a lasaceleraciones y sacudidas (cambiosde aceleración) que sufrirían en unatípica eyección de altas presiones enMarte. Resulta de vital importancia,no obstante, que durante el impactoy la expulsión los meteoritos no secalienten hasta el punto de destruirel material biológico que portan.

En un principio se creyó que cual-quier material expulsado con una ve-locidad superior a la velocidad deescape de Marte terminaría, si no con-vertido en vapor, fundido del todo.A raíz del posterior descubrimientode meteoritos totalmente intactos (sinfundir) procedentes de la Luna y deMarte, se desechó esa idea. H. Jay

Melosh, de la Universidad de Ari-zona, calculó que un pequeño por-centaje de las rocas eyectadas seríanexpulsadas de Marte sin sufrir ningúncalentamiento. Según Melosh, cuan-do la onda de presión que, debidaal impacto, se propaga del interioral exterior alcanza la superficie delplaneta, lo hace con una diferenciade fase de 180 grados, lo que can-cela la presión en una fina capa derocas justo por debajo de la superfi-cie. Dado que esta capa apenas sufre

Radiación

ultravioleta

Radiaciónsecundaria

Máxima penetraciónde la luz ultravioleta

Electrón

Atomodel meteorito

Partículas

dotadasde cargaeléctrica

Protón

Núcleo de helio

Deinococcus radiodurans

ARNRibosoma

A L F R E D

T . K A M A J I A N

EL ARCA DE NOE COSMICALos materiales biológicos sortearían mejor los peligros del espacio interplanetario si viajaran en el interior de los meteoritos.La radiación constituye la principal amenaza.

La radiación solar ultravioleta penetraen la roca sólo escasos micrometrosde profundidad (línea discontinuaamarilla ); en cambio, las partículasdotadas de carga, los rayos X dealta energía y la radiación gammase infiltran más adentro produciendolluvias de radiación secundaria.

La panespermia podría haberse desarrolladoen distintas situaciones. Las moléculas deácido ribonucleico (ARN) podrían haberseensamblado en Marte a partir de componentesde menor tamaño y viajado a la Tierra.También, el ARN podría haberse combinadopara crear fábricas de proteínas similares alos ribosomas actuales, antes de realizar elviaje interplanetario. Asimismo, cabría quelos meteoritos de Marte hubieran vehiculadocélulas como Deinococcus radiodurans ,

una bacteria moderna, muy resistente a laradiación.

Radiacióngamma

y rayos X




compresión, mientras que las capasinteriores se hallan sometidas a unaenorme presión, las rocas cercanasa la superficie se expulsan a gran-des velocidades y sin sufrir apenasdeformación.

¿Qué decir de la capacidad de losmicroorganismos de sobrevivir a laentrada en la atmósfera terrestre? Ed-ward Anders, adscrito por entonces alInstituto Enrico Fermi de la Univer-sidad de Chicago, demostró que laspartículas interplanetarias se frenanen la atmósfera alta de la Tierra,evitando así el calentamiento. Losmeteoritos, en cambio, sufren unafricción fortísima: su superficie sefunde cuando atraviesan la atmósfera.Pero el pulso térmico tiene tiempo depenetrar unos milímetros meteoritoadentro, de forma que los organismosencerrados en la profundidad de la

roca sobrevivirían.En el curso de los últimos cin-

co años, uno de los autores (Weiss)ha venido analizando con sus cola-boradores dos tipos de meteoritosmarcianos: los nakhlites, un conjuntode rocas expulsadas de Marte porun impacto cometario o de asteroidehace unos 11 millones de años, yALH84001, que abandonó el planetarojo cuatro millones de años antes.(ALH84001 se hizo famoso en 1996,cuando un grupo de científicos lide-rados por David McKay, del CentroEspacial Johnson de la NASA, anun-ció el hallazgo de trazas de microor-ganismos fósiles que recordaban alas bacterias terrestres. Un deceniodespués continúa el debate sobre sieste meteorito contiene o no huellasde vida marciana.)

A partir del estudio de las pro-piedades magnéticas de los meteo-ritos y la composición de los gasesatrapados dentro de éstos, el equipode Weiss halló que ALH84001, y almenos dos de los siete nakhlites des-

cubiertos hasta la fecha, apenas sehabían calentado unos pocos cientosde grados Celsius desde que forma-ron parte de la superficie marciana.Es más, el hecho de que los nakhlitessean rocas casi prístinas, inaltera-das por los efectos de las ondas dechoque de altas presiones, significaque el impacto en Marte no elevósu temperatura por encima de los100 grados centígrados.

No todos, pero sí buena parte delos procariotas terrestres (organis-

mos unicelulares simples como lasbacterias, cuyo núcleo carece demembrana) y los eucariotas (orga-nismos con núcleos bien definidos)sobrevivirían dentro de ese intervalode temperaturas. Este resultado ofre-ció la primera prueba experimentalde que los materiales viajarían deplaneta a planeta sin experimentaresterilización térmica en ningún mo-mento, desde la eyección hasta elaterrizaje.

El problema de la radiaciónCon todo, para que la panespermiaresulte viable los microorganismosdeben sobrevivir no sólo a la ex-pulsión del planeta de origen y laentrada en la atmósfera del cuerpo dellegada, sino superar también el viajeinterplanetario. Los meteoroides y laspartículas de polvo estarían expuestos

al espacio vacío, a temperaturas ex-tremas y a varios tipos de radiación.La de mayor peligro para la vidapor ellos portada sería la luz solarultravioleta (UV) de alta energía, querompe los enlaces que unen los áto-mos de carbono de las moléculas or-gánicas. Pero no resulta complicadoprotegerse de esa radiación: bastanunas micras de material opaco pararesguardar a las bacterias.

Un proyecto europeo realizado enlas instalaciones que la NASA utilizapara el estudio de exposiciones delarga duración (“Long Duration Ex-posure Facility”, o LDEF, un satélitedesplegado por la lanzadera espacialen 1984 y rescatado de su órbita seisaños después) demostró que con unafina capa de aluminio se podía prote-ger de la radiación UV a esporas dela bacteria Bacillus subtilis. De lasesporas protegidas por el aluminio,aunque expuestas al vacío y a lastemperaturas extremas del espacio, un80 por ciento sobrevivió (se reanima-ron como células bacterianas activas

al final de la misión). En cuanto alas esporas que no estaban protegidaspor el aluminio y, por tanto, quedabana merced de la radiación UV directadel Sol, la mayoría se destruyeron.No todas, sin embargo: una de cadadiez mil permaneció viable (la pre-sencia de sustancias como la glucosay las sales aumentaron la tasa de su-pervivencia). Incluso en cuerpos delas dimensiones de una partícula depolvo, la radiación solar ultraviole-ta no tendría por qué esterilizar a

una colonia microbiana entera. Enel interior de un cuerpo de mayortamaño (un guijarro, por ejemplo),la protección frente a la radiaciónultravioleta sería todavía mayor.

Este estudio de las radiacionesse llevó a cabo en una órbita bajaterrestre, dentro de la protección delcampo magnético de nuestro planeta.Por tanto, los resultados nada dicensobre los efectos de las partículasinterplanetarias dotadas de carga queno atraviesan la magnetosfera de laTierra. De vez en cuando, en el Solse registran estallidos que produceniones y electrones de alta energía;además, las partículas dotadas decarga constituyen una de las com-ponentes principales de la radiacióncósmica galáctica que bombardeasin cesar el sistema solar. Prote-ger a los organismos de radiacio-

nes tan energéticas como los rayosgamma entraña mayor complejidadque apantallarlos ante la radiaciónultravioleta. Una capa de roca desólo unos micrometros de espesorbloquea la radiación ultravioleta. Sinembargo, a mayor escudo, mayor esla dosis de otros tipos de radiación,por una razón clara: la interacciónentre partículas dotadas de carga yfotones de alta energía, por un lado,y material rocoso del escudo, porotro, produce una auténtica lluvia deradiación secundaria en el interiordel meteorito.

Esa lluvia alcanzaría a cualquiermicroorganismo del interior de laroca, salvo que ésta midiera dos omás metros de diámetro. Ahora bien,según hemos avanzado, ese tipo derocas no suelen emprender viajesinterplanetarios rápidos. En conse-cuencia, además de la protecciónultravioleta, importa sobremanera laresistencia del microorganismo a to-dos los componentes de la radiaciónespacial y la celeridad con la que

el meteorito portador se desplaza deplaneta a planeta. Cuanto más cortosea el viaje, menor será la dosis deradiación y, por tanto, mayor el ín-dice de supervivencia.

En términos de resistencia a laradiación, B. subtilis es bastante ro-busta. Deinococcus radiodurans, unabacteria que Arthur W. Anderson des-cubrió en los años cincuenta del siglopasado, lo es todavía más: sobrevive alas dosis de radiación que se aplicanpara esterilizar los productos alimen-




ticios y prospera incluso en el inte-rior de los reactores nucleares. Losmismos mecanismos celulares quereparan el ADN de D. radiodurans fabrican paredes celulares extragrue-sas, que protegen a la célula de laradiación, a la vez que mitigan losefectos de la deshidratación. En teo-ría, si los organismos con estas pro-piedades se hallaran incluidos en unmaterial catapultado desde Marte dela forma en la que los nakhlites yALH84001 lo fueron (es decir, sinsufrir un calentamiento excesivo), unafracción de los mismos permanece-ría viable tras viajar por el espaciointerplanetario durante varios años,quizá decenios.

Pero no se ha investigado el pe-ríodo de supervivencia de organismosactivos, esporas o moléculas orgáni-cas complejas más allá de la mag-

netosfera terrestre. Los experimentos,que se basarían en introducir losmateriales biológicos en simuladoresmeteoríticos sometidos al entorno delespacio interplanetario, se realizaríanen la superficie de la Luna.

De hecho, se llevaron muestrasbiológicas a bordo de las misionesApollo en el marco de un estudiopreliminar europeo sobre efectos delas radiaciones. Sin embargo, la mi-sión más longeva no duró más de12 días; las muestras permanecieronen todo momento dentro de la nave,sin quedar expuestas a la radiaciónespacial. En el futuro, los simula-dores meteoríticos se instalarían enla superficie lunar o se lanzarían entrayectorias interplanetarias duran-te varios años, antes de traerlos devuelta a la Tierra para analizarlos enel laboratorio. (Hablamos de posibi-lidades hoy en estudio.)

Sí se ha acometido el proyectoMARIE (“Martian Radiation Envi-ronment Experiment”), un estudio alargo plazo de las condiciones deradiación en Marte. Lanzado por la

NASA en 2001 a bordo de la nave Mars Odyssey, el dispositivo MARIEmide la dosis de rayos cósmicos ga-lácticos y de partículas energéticassolares, conforme el satélite orbitaalrededor del planeta rojo. Aunque

MARIE no transporta material bio-lógico, sus sensores operan en elrango de radiación más dañino parael ADN.

Futuras investigacionesEn teoría, la panespermia resultaviable. Algunos de los aspectos másimportantes de la hipótesis han pa-sado de la validez teórica a la con-firmación experimental. El estudiode los meteoritos muestra que se hatransferido material de un planetaa otro en el transcurso de la his-toria del sistema solar y que esteproceso se sigue produciendo a unritmo conocido. Es más, los análisisdemuestran que una fracción consi-derable de microorganismos en elinterior de la materia eyectada deplanetas como Marte sobreviviría ala expulsión hacia el espacio y a la

entrada en la atmósfera terrestre.Otros aspectos de la hipótesis pa-

nespérmica, en cambio, son de difícilcomprobación. Para determinar si losorganismos resistentes a la radiación( B. subtilis y D. radiodurans) sobre-vivirían a un viaje interplanetario, serequieren más datos. Y aunque ellose demostrara, tampoco probaría queasí hubiera sucedido en el caso de labiosfera de la Tierra, puesto que losexperimentos se realizan con formasde vida terrestre actuales. Los orga-nismos de hace miles de millones deaños podrían haber sobrevivido conmayor éxito, o menor.

Además, es imposible cuantificarla probabilidad de que la vida existao haya existido alguna vez en plane-tas distintos de la Tierra. Los conoci-mientos sobre el origen de cualquierforma de vida (incluida la terrestre),todavía demasiado escasos, no per-miten extraer conclusiones sólidasacerca de la probabilidad de que laabiogénesis haya sucedido en otromundo. Dadas las condiciones y los

ingredientes adecuados, si la vidapodría emerger en cientos de millo-nes de años o en cinco minutos loignoramos. Lo único que sabemoscon certeza es que hace 2700 mi-llones de años, si no varios cientosde millones de años antes, la vidaprosperó en la Tierra.

Por ahora ni podemos cuantificartodas las etapas de la panespermia,ni estimar cuánto material biológi-co o cuántas células vivas llegarona la superficie de la Tierra en un C

E N T R O

D E

I N V E S T I G A C I O N

L A N G L E Y

D E

L A

N A S A ; T O N Y

B R A I N

P h o t o

R e s e a r c h e r s ,

I n c . ( i n s e r t o )

El LDEF (“Long Duration Exposure Facility”), ingenio que la NASA utiliza para el estudiode exposiciones de larga duración, puso en órbita esporas de la bacteria Bacil lus subtili s

(inserto) durante seis años. Se comprobó que una fina capa de aluminio era suficientepara protegerlas de la radiación ultravioleta dañina, permitiendo que el 80 por ciento delas mismas sobreviviera.




ocurre con facilidad por todo elcosmos. Es más, podrían compararseorganismos terrestres con formas devida alienígena para elaborar unadefinición más general de la vida.Por fin, comenzaríamos a entenderlas leyes de la biología igual quecomprendemos las de la física y laquímica: como propiedades funda-mentales de la naturaleza.

período determinado. Ni siquiera latransferencia de organismos viablesgarantiza el éxito de la germinaciónen el planeta que los recibe, sobretodo si ya hay vida anterior.

Caben varias situaciones imagi-nables. Los microorganismos deMarte llegaron a la Tierra despuésde que la vida surgiera de formaindependiente en nuestro planeta yno lograron reemplazar las especieslocales ni coexistir con ellas. Lavida marciana encontró en la Tierraun nicho apropiado, que no se haidentificado todavía; de hecho, deltotal de especies bacteriológicas quehabitan nuestro planeta apenas se hacatalogado un pequeño porcentaje;incluso pudiera ser que pervivieran,sin identificar, grupos de organismoscarentes de relación genética con lavida terrestre conocida.

Mientras no se descubra vida enotro planeta o satélite, seguiremosignorando si hubo panespermia yen qué grado. En el supuesto deque las futuras misiones espacialeshallaran vida en el planeta rojo yllegaran a la conclusión de que labioquímica marciana difiere de laterrestre, quedaría demostrado quela vida terrestre no procede de Mar-te. Pero si las bioquímicas fueransimilares, cabría preguntarse sobrela posibilidad de una fuente comúnpara ambas biosferas. Para abordaresta cuestión, y suponiendo que lasformas de vida marcianas utilizabanel ADN para almacenar la informa-ción genética, deberían estudiarselas secuencias de nucleótidos. Si lassecuencias de ADN marcianas nosiguieran el código genético que lascélulas vivas terrestres utilizan parala síntesis de proteínas, la hipótesispanespérmica entre Marte y la Tierraperdería fuerza.

No se agotan ahí las situacionesplausibles. Quizá la vida de Marte

utilizara el ARN o una estructura pa-recida para su replicación. De hecho,podría ser que algunos organismosde la Tierra, aún por descubrir, seajustaran a esa categoría, en cuyocaso tales criaturas terrestres exó-ticas se hallarían emparentadas conlas formas de vida marcianas.

A modo de resumen: la vidaterrestre pudo originarse en el pro-pio planeta, resultar de una semillabiológica procedente del espacio osurgir de una combinación de ambos

procesos. Cualquiera de esas situa-ciones fue posible. La confirmaciónde una panespermia entre Marte y laTierra sugeriría que la vida, una veziniciada, se esparciría con prestezapor todo un sistema estelar.

Si, por el contrario, se hallaranorganismos marcianos surgidos conindependencia de la vida terrestre,ello indicaría que la abiogénesis

Sensorde radiacióngamma

Antenade ganancia alta

MARIE

Panelsolar

MONITORIZACION DEL ENTORNO MARCIANO

A L F R E D

T . K A M A J I A N

David Warmflash y Benjamin Weiss han seguido caminos distintos, aunquecomplementarios, en el estudio del origen extraterrestre de la vida. Astrobiólogo dela Universidad de Houston y del Centro Espacial Johnson de la NASA, Warmflashparticipa en el desarrollo de métodos de análisis moleculares que faciliten la búsquedade microorganismos en Marte y en Europa, un satélite de Júpiter. Weiss es profesorde ciencias planetarias en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Ha estudiadovarios meteoritos marcianos.

WORLDS IN THE MAKING: THE EVOLUTION OF THE UNIVERSE. Svante Arrhenius. Harper; 1908.THE STRUCTURAL BASIS OF RIBOSOME ACTIVITY IN PEPTIDE BOND SYNTHESIS. P. Nissen,

J. Hansen, N. Ban, P. B. Moore, y T. A. Steitz en Science, vol. 289, págs. 878-879;11 de agosto 2000.

RISKS THREATENING VIABLE TRANSFER OF MICROBES BETWEEN BODIES IN OUR SOLAR SYSTEM.C. Mileikowsky, F. A. Cucinotta, J. W. Wilson, B. Gladman, G. Horneck, L. Lindegren,H. J. Melosh, H. Rickman, M. Valtonen y J. Q. Zheng en Planetary and Space Science ,vol. 48, tomo 11, págs. 1107-1115; septiembre 2000.

MARTIAN SURFACE PALEOTEMPERATURES FROM THERMOCHRONOLOGY OF METEORITES. D. L. Shustery B. P. Weiss en Science, vol. 309, págs. 594-600; 22 de julio 2005.

ORIGINS OF THE GENETIC CODE : THE ESCAPED TRIPLET THEORY. M. Yarus, J. G. Caporasoy R. Knight en Annua l Review of Biochemis try , vol. 74, págs. 179-198; julio 2005.

Los autores


La nave Mars Odyssey evalúa los peligros del entorno interplanetario medianteel dispositivo MARIE (“Martian Radiation Environment Experiment”), que mide losrayos cósmicos galácticos y las partículas solares de alta energía conforme elsatélite orbita alrededor del planeta rojo.




ponga nuevas huellas a las anteriores.Imaginemos que, tal como ha ocurri-do durante las glaciaciones, se retirala línea de costas y la playa quedaseca e inactiva. Desde ese momento,los granos quedarían sometidos a otrorégimen de modelado. En suma, laspartículas de cuarzo llevan impresauna valiosa información, a modo dehuellas dactilares, que permite iden-tificar y reconstruir su historia.

Cerca de las costas de Almería, ¿existió no hace mucho una

playa a 1500 m de altitud, o tal vezhabía un desierto? ¿Tienen algúngrado de semejanza la alta montañamediterránea y las zonas tropicales?Estas preguntas se pueden responderestudiando el cuarzo de los suelos.

El cuarzo (SiO2) es un mineralimportante para la civilización. Unade sus propiedades, la piezoelectri-cidad, ha dado origen a numerosas

innovaciones técnicas. Aporta a laciencia una información substancio-sa, que facilita la clasificación de lasrocas y el conocimiento del medionatural. Algunas de sus variedadesse emplean en joyería como piedrassemipreciosas. Inhalado como polvopuede producir silicosis.

Los procesos que actúan en losmedios superficiales de la cortezaterrestre esculpen los granos de cuar-zo en ella presentes; la corteza estáconstituida en un 12 % por ese mi-neral. Adquieren así los granos formay rasgos de superficie característicos.Con frecuencia, su tamaño final es elde las arenas (50 a 2000 micras, mi-lésimas de milímetro). Por ejemplo,en una playa, el continuo movimientodel agua desgasta los granos porqueprovoca su mutua fricción y se gene-ran así formas con aristas suavizadas,superficies pulidas y brillantes y mar-cas mecánicas (véase la figura 1a).En un desierto cálido, las partículasde cuarzo se modelan por la abrasiónque se produce al golpear unos gra-

nos contra otros cuando los arrastrael viento, y también por alteraciónquímica; muestran forma redondeaday superficie rugosa (véase la figu-

ra 1b). Por su dureza (7 en la esca-la de Mohs), tenacidad y resistenciaa la alteración química, el cuarzomantiene los rasgos de modelado mu-cho más tiempo que otros minerales,permitiendo, incluso, que un cambioen las condiciones del medio super-

C IENCIA Y SOCIEDAD

Cuarzo en los suelos Huella de los procesos medioambientales

1. Ejemplos de modelado del cuarzo(tomados con un microscopio electrónico

de barrido): a) grano de arena procedentede una playa de la península del Yucatán,las flechas indican marcas mecánicas;

b) grano de arena procedente del desiertodel Sahara (Túnez).

100 µm

100 µm

a

b




Para estos estudios resulta impres-cindible el microscopio electrónicode barrido, acoplado a un sistema demicroanálisis de rayos X que garan-tice que la composición química de

los granos observados es SiO2. Tam-bién se obtiene información mediantelas imágenes de electrones retrodis-persados, los estudios isotópicos, lacatodoluminiscencia, etcétera.

Nuestro grupo investiga en el surde España el origen de las arenas decuarzo en suelos formados sobre ro-cas sedimentarias y metamórficas. Noexisten muchos trabajos al respecto,posiblemente porque se considerabaque el cuarzo de los suelos medi-terráneos era poco informativo. Sin

embargo, hemos demostrado connuevos datos que debe revisarse estesupuesto.

Gracias a la información contenidaen los granos de cuarzo presentes enlos suelos rojos de la sierra de Gádor,cercana a las costas meridionales deAlmería, hemos establecido diversosorígenes. Encontramos granos de cuar-zo de formas irregulares, aristas vivasy fracturas concoides típicas de estemineral (véase la figura 2a), en la roca

y en el suelo. Proceden de la altera-ción-disolución de las rocas que danorigen al suelo (calizas y dolomías);son por tanto granos heredados in situ.También tenemos en el suelo, y no enlas rocas, granos de forma aerodiná-mica, con superficie desgastada, ca-racterísticos de los medios desérticos(véase la figura 2b). Han alcanzadoel suelo por vía eólica desde las zo-nas áridas almerienses, desde el nortede Africa o desde ambos. Téngaseen cuenta que Africa dista sólo unos

200 km de la sierra de Gádor (re-cuérdense las frecuentes tormentascargadas con polvo atmosférico pro-cedentes de Africa que arriban a lapenínsula Ibérica). Hemos registrado,además, la presencia de granos decuarzo con superficies pulidas, típi-cas del modelado costero (véase la figura 2c). También el viento se losaporta a los suelos; el área de proce-dencia de los granos son las playasmediterráneas almerienses, situadas

a unos 25 km de la zona estudiada.Respondemos así una de las preguntasplanteadas al principio: es el viento elresponsable de la presencia de partícu-las minerales modeladas en playas odesiertos en nuestros suelos de monta-ña, sin necesidad de que esos medioshayan existido sobre las cumbres dela sierra de Gádor.

Los procesos ambientales sonmuchos y complejos. Conocerlos esesencial para la gestión y la conserva-ción del entorno. Se ha considerado

a

00 µm

100 µm

10 µm

Qz

Sp

h

hh

Sp

b

c

2. Arenas de cuarzo de los suelos de lasierra de Gádor (Almería) (microscopioelectrónico de barrido): a) grano heredado(Qz ) con fracturas concoides; b) granoeólico, “aerolito”. c) Grano eólico conmodelado de playa. Marcas mecánicas: h,orificios de impactos; Sp, líneas paralelasy escalones. Reproduc ida con permiso de

Blackwel l Publ ishing Ltd.

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

Reproducida con permiso de Elsevier .

a

b

10 µm

oep

cg

cg

cg

10 µm




E

n 1519, a los pocos días de zar- par con rumbo noroeste de la

recién descubierta costa pacífica delcontinente americano, los navegan-tes españoles Juan de Castañeda yHernán Ponce de León se internaronen una gran ensenada, hoy conocidacomo golfo Dulce, en el litoral surdel océano Pacífico de Costa Rica.Pese a haber transcurrido casi cincosiglos desde entonces, buena parte deese estuario conserva aún la mismaapariencia. Una importante secciónde la península de Osa ha sido de-clarada área protegida: el Parque

Nacional de Corcovado.El golfo Dulce se encuentra a unalatitud norte de entre 8o 23’ y 8o 45’,y a una longitud oeste de entre 83o 5’y 83o 29’. Su estructura geomorfoló-gica guarda semejanza con la de losfiordos de las latitudes septentriona-les: paredes de gran pendiente surgendel mar y conforman una costa mon-tañosa. Una barrera rocosa situada a

60 metros de profundidad restringela entrada del agua del mar. En elinterior se alcanzan profundidadesde hasta 200 metros.

El golfo se extiende a lo largode unos 50 kilómetros en direcciónsureste-noroeste; su anchura se man-tiene entre los 10 y 15 kilómetros.Las primeras investigaciones sobrelas características oceanográficas deeste cuerpo de agua, llevadas a cabopor expertos de la Universidad deWashington, datan de 1971. En elperíodo comprendido entre 1990 y1992, Jorge Cortés, de la Universidad

de Costa Rica, analizó la situación delos corales de la región. Entre 1993

y 1994, en una expedición conjuntaentre el Centro de Investigación enCiencias del Mar y Limnología de laUniversidad de Costa Rica (CIMAR)y el Centro de Ecología TropicalMarina (ZMT) de la Universidad deBremen, la investigación del golfo seamplió a varios aspectos biogeoquí-micos; se utilizó como plataforma elbuque oceanográfico Victor Hensen.

La naturaleza estuarina del golfoDulce se halla asociada a la intensi-dad de las lluvias, al sistema de ríosque desagua en él, a las corrientesmarinas y a las ondas de marea quepueden superar los 3 metros de al-tura. Bajo la acción del viento, lasolas y las corrientes, el agua dulcese mezcla con el agua del mar; deello resulta una estratificación de lacolumna de agua: en la zona super-ficial las temperaturas son más altas

y las salinidades son más bajas queen las capas más profundas.Coincidente con la morfología sub-

marina a la entrada del golfo, másallá de los 60 metros de profundidadlas aguas del Dulce permanecen es-tancadas por algún tiempo. Los se-dimentos acarreados por los ríos yparte de la materia orgánica que elfitoplancton produce en las aguas su-perficiales precipitan lentamente ha-cia el fondo; ello propicia el consumoy, a menudo, la eliminación del oxí-geno disuelto en las aguas por debajode los 100 metros de profundidad.Se forma así una columna de aguaanóxica, de notables consecuenciaspara la química, la vida marina y lasactividades antrópicas del golfo.

En fecha reciente, Tage Dalsgaardy su grupo del Instituto Nacionalde Investigación Ambiental de Di-namarca, la Universidad del Surde Dinamarca y la Universidad deCosta Rica, estudiaron la posibilidadde que en esa región anóxica delgolfo tuviera lugar una eliminación

del nitrógeno oceánico alternativaa los habituales procesos de desni-

que el medio de superficie de SierraNevada exhibe escasa alteración quí-mica de las rocas y los suelos; pre-dominarían allí los procesos físicosde fragmentación y de movimientode materiales por el agua, el vientoy la gravedad. Veamos lo que “dice”el cuarzo. En suelos situados entre1500 y 2000 m de altitud, los cuarzos(véanse las figuras 3a y 3b) muestranrasgos de intensa alteración quími-ca actual: huellas de disolución deformas piramidales, golfos de corro-sión, pérdida de masa intergranular,redondeamiento de bordes, etc. Otroindicio de alteración es la presen-cia en su composición química deproporciones notables de elementosdistintos del silicio o del oxígeno,cuyo contenido se incrementa des-de el centro de los granos hacia laperiferia (el cuarzo inalterado es un

mineral muy puro, formado casi ex-clusivamente por silicio y oxígeno,sólo superado en pureza por el dia-mante, el grafito y el hielo). Estoshechos, nunca descritos, acercan lossuelos de Sierra Nevada a los tropica-

les, en los que el cuarzo se disuelveactivamente y se altera. Queda, pues,en entredicho el axioma de que elcuarzo es en el medio mediterráneoun mineral inerte.

En la actualidad seguimos avan-zando en el conocimiento de lasmorfologías de los granos de cuarzopresentes en los suelos mediterráneosy de su significado. Detectamos, almenos, trece morfotipos diferentesde granos, con fórmulas distintas delas del cuarzo químicamente puro einalterado. Nos encontramos, pues,abriendo un libro en cuyas páginasestán las respuestas a muchos de losenigmas que plantean los suelos y elmedio ambiente.

RAFAEL DELGADO CALVO-FLORES,GABRIEL DELGADO CALVO-FLORES

y ROCÍO MÁRQUEZ CRESPO

Depto. de Edafologíay Química Agrícola,Universidad de Granada

JUAN MANUEL MARTÍN GARCÍA

Depto. de Geología,Universidad de Jaén

El golfo Dulce de Costa RicaSumidero de nitrógeno oceánico

1. Fotografía de una sección del golfoDulce, Costa Rica.




trificación cuestión fundamentalpara la comprensión del ciclo bio-geoquímico global del nitrógeno—.Nos referimos a la oxidación anae-róbica del amonio mediante nitrito

(reacción denominada “anammox”),que las bacterias llevan a cabo paraconvertir parte del nitrógeno fijadoen nitrógeno gas (N2):

NH4+ + NO2

– → N2 + 2 H2O

Mediante técnicas de análisis connitrógeno marcado en sales de nitratoy amonio (15NO3

–, 15NH4+), confir-

maron las sospechas: en efecto, enlas aguas anóxicas del golfo Dulceel nitrógeno oceánico se elimina através del proceso de anammox (se

trataba de la primera demostraciónde que una tal reacción ocurría enaguas oceánicas anóxicas).

Las aguas del golfo Dulce se carac-terizan por contener altas concentra-

ciones de nitrato y bajas concentracio-nes, o incluso ausencia, de sulfuro dehidrógeno. Esta composición es simi-lar a la de las aguas subsuperficialesanóxicas de algunas de las regionesoceánicas más productivas: por ejem-plo, la costa pacífica de Chile, Perúy México, y el mar de Arabia. Deesta similitud entre la composiciónde las aguas se infiere que el procesode anammox podría participar en laeliminación de nitrógeno también enestas regiones.

A tenor de estos descubrimientos enel golfo Dulce, y a partir de las con-centraciones estimadas de las distin-tas especies químicas que intervienenen el ciclo del nitrógeno, se establecela hipótesis de que la reacción deanammox da cuenta del 30 al 50 porciento de la producción de N2 esdecir, de la eliminación de nitrógenofijado en los océanos.

El nitrógeno constituye un nutri-mento limitante para el crecimientodel fitoplancton y, por ende, funda-mental en la iniciación de la cade-na trófica marina. El descubrimientode un nuevo sumidero del nitrógenooceánico ha arrojado luz sobre nues-tra comprensión de la regulación dela productividad marina.

JENARO ACUÑA GONZÁLEZ

Escuela de Química

y Centro de Investigación en Cienciasdel Mar y LimnologíaSan José, Costa Rica

TAGE DALSGAARD

Departamento de Ecología Marina,Instituto Nacional de Investigación

Ambiental, DinamarcaBO THAMDRUP

Centro Danés de Cienciadel Sistema Tierra,

Universidad del Sur de Dinamarca

FE DE ERRATAS

Artículo: “Los quipus incas”, por LoïcMangin, publicado en diciembre de2005, página 41

Donde dice:“Un servicio de correo a caballo trans-portaba los mensajes a través de unared viaria. El sistema funcionaba deforma similar al Pony express (la prime-ra línea de correo exprés estadouniden-se, inaugurada en 1860, que operabaentre Missouri y California): los jinetesse relevaban de posta en posta hastael destino final.”

Debe decir:“Los mensajes eran transportados poruna red viaria recorrida por corredores,un poco a la manera de los jinetesdel Pony express: los correos se ibanrelevando de posta en posta hasta eldestino final.”

Artículo: “Una Tierra primigenia fría”, porJohn W. Valley, publicado en diciembre de2005, página 28Hay que intercambiar los textos de los ejesde la gráfica izquierda del recuadro.

PENINSULA DE OSA

83O30’ W 83

O05’ W

84O00’ W

10O00’ N

08O40’ N

08O40’ N

08O30’ N

COSTA

RICA

OCEANO

PACIFICO

GOLFITO

0 m

50 m

100 m

200 m

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




DE CERCAAntoni Lombarte

Sentido y sensibilidad en el salmonete

1. Grupo de salmonetes de roca, Mullus surmuletus . Las barbascaracterísticas de esta especie se sitúan debajo de la mandíbulainferior. Se pliegan con el desplazamiento del pez.

2. Otolito sacular, o sagitta, del oído interno de un salmonetede roca observado a través de una lupa estereoscópica. Mideunos 4 milímetros de longitud. En él se observa una zona exca-vada, el surco acústico, que se halla en contacto con las célulassensoriales. J

O S E P - M A R I A

G I L I ( a r r i b a ) ; A N T O N I L O M B A R T E

( a b a j o )

En el mundo marino no reina precisamente el silencio. Las ondas sonoras se desplazan a través del agua a una velocidad de mil quinien-

tos metros por segundo (4,5 veces mayor que en elaire). La celeridad de la transmisión sonora en el me-dio acuoso permite la comunicación a larga distanciaentre organismos marinos.

La capacidad de emitir y detectar sonidos es bienconocida en los cetáceos. Pero los mamíferos marinosno son los únicos que utilizan las ondas sonoras paracomunicarse bajo el agua. También los peces óseoshan desarrollado sistemas de generación de sonidos,en general asociados a la vejiga natatoria (que opera-ría como una caja de resonancia), y de detección. En

su oído interno se encuentran los otolitos, tres paresde estructuras calcáreas rodeadas de un epitelio don-de residen células sensoriales. Cuando un pez percibeun sonido, los otolitos se mueven de forma distintaque el resto del cuerpo. Este movimiento diferenciadoproduce una inclinación de los cilios de las célulassensoriales que están en contacto con el otolito. Estasenvían entonces una señal nerviosa al cerebro, queprocesa el sonido. Los peces se sirven de las ondassonoras para detectar presas, huir de los depredado-res, defender un territorio o encontrar pareja, comohacen las corvinas. Lo mismo que las aves, que sedistinguen por el canto, en este grupo de peces cadaespecie emite un sonido distinto.

Pero no sólo en el sonido se basa la percepciónsensorial del entorno. Los peces disponen de una am-plia gama de sentidos: a los más conocidos por loshumanos (oído, vista, olfato, tacto y gusto) se añadenla detección de campos eléctricos, de corrientes ma-rinas y de campos electromagnéticos. Para cada sen-tido cuentan con un receptor sensorial característico.Pensemos en las barbas del salmonete, estructurascompletamente tachonadas de papilas gustativas (simi-lares a las que cubren nuestra lengua) con las quedetecta las presas. Dada la extrema riqueza sensorialdel mundo submarino, las estructuras desarrolladas enel curso de la evolución presentan una gran variedad.

El estudio de la forma y la función de los órganossensoriales de un organismo puede arrojar luz sobrelas características y la amplitud del entorno ecológicoque percibe cada especie.




3. Microscopía electrónica de barrido de las célulasdel epitelio sensorial del oído interno. La superficieestá cubierta con haces de cilios, de 8 micras delongitud, que transmiten el movimiento que realizaun otolito al percibir un sonido.

4. Microscopía electrónica de barrido de una barbade salmonete de roca. La superficie está tachonadade papilas gustativas.

5. Detalle de dos papilas gustativas según aparece enel microscopio electrónico de barrido. Cada una,de 30 micras de diámetro, encierra en su interiordiversas células sensoriales sensibles a distintassustancias (sales y aminoácidos). J

O S E

M A N U E L

F O R T U Ñ O




S L I M

F I L M S

1. LAS UNIONES DE CRUCE entre los nanohilos de un disposi-tivo conmutador cambian de “activado” (verde) a “desactivado”( rojo ) en respuesta a una señal de voltaje, como se representaen esta recreación artística. Las interconexiones redundantesentre hilos compensan los defectos microscópicos ( los bultos)debidos a la fabricación a escala tan diminuta.

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

Philip J. Kuekes, Gregory S. Snider y R. Stanley Williams




En poco más de medio siglo, el número de tran-sistores de un chip de silicio ha crecido desdeuno hasta cerca de mil millones, en cumplimientode la llamada ley de Moore. Semejante logroha elevado asombrosamente la capacidad de tra-

tamiento numérico, ejecución de operaciones lógicas yalmacenamiento de datos de las máquinas digitales, altiempo que ha transformado nuestros hábitos cotidianos ydesarrollado una de las mayores industrias mundiales.

A medida que, a lo largo de los próximos quince años,se integren cada vez más transistores en los chips desilicio, las dimensiones mínimas del chip se contraeráncasi hasta la escala molecular. Incluso los más optimistascreen que se necesitarán grandes innovaciones para queel transistor de silicio llegue a sus límites operativos:unas longitudes características en torno a los 10 na-nómetros (o sea, unos 30 átomos). Para continuar elprogreso habrá que encontrar soluciones técnicas quepermitan achicar más aún los dispositivos de compu-tación. Pero el deslumbrante historial de los circuitosintegrados de silicio ha colocado tan alto el listón, queal menos se tardará diez años en desarrollar técnicas

que los sustituyan.Por todo el mundo se exploran alternativas interesan-

tes. La novedosa computación cuántica, por ejemplo,aprovecha las “misteriosas” propiedades de la mecánicacuántica para el procesamiento de la información. Habráque esperar décadas, sin embargo, para que se haga rea-lidad, y ni siquiera está claro que sirva entonces para lamayoría de las aplicaciones. Por ello numerosos gruposde investigadores buscan una alternativa que pudieracomercializarse a medio plazo, en unos diez años. Unatécnica económicamente viable habría de mantener unabuena compatibilidad con la actual infraestructura de losmicroprocesadores, incluidos los programas informáticosy las plantas de fabricación.

Nuestro equipo, radicado en los laboratorios Hewlett-Packard (HP), ve en la arquitectura de barras cruzadas elcamino de progreso más viable. El conmutador de barrascruzadas se compone de dos conjuntos de nanohilos con-ductores paralelos (de anchura inferior a 100 átomos) quese cruzan entre sí. Entre ambos conjuntos se intercala unmaterial que conduce más o conduce menos bajo la acciónde estímulos eléctricos. En cada punto de intersección delos hilos se formará así un conmutador capaz de retenersu estado de “activado” o “desactivado”.

El entrecruzamiento de los nanohilos ofrece una seriede ventajas. Por su regularidad, la fabricación resultabastante sencilla, sobre todo comparada con las complejas estructuras de los microprocesadores. Su estructurareticular permite dotar a los circuitos, sin gran dificultad,de tolerancia a los defectos. En su elaboración puede

utilizarse una amplia gama de sustancias y procesos; setiene así una enorme flexibilidad a la hora de adaptarlos diseños existentes a materiales nuevos. Por último,esta disposición geométrica proporciona memoria, lógicae interconexión, con gran adaptabilidad.

EntrecruzadoIniciamos la marcha por esta senda de investigación en1995, cuando uno de los autores, Williams, se trasladóa HP desde el departamento de química de la Universi-dad de California en Los Angeles (U.C.L.A.). Aunqueno era un experto en computación, sí sabía algo deelectrónica: primero, que el correcto funcionamientode un ordenador exige unos circuitos perfectos; y se-gundo, que las fluctuaciones erráticas de los átomos(causadas por la entropía) a temperaturas iguales ysuperiores a la del ambiente impedirían construir unamáquina perfecta con miles de millones de componentesque sólo constasen de unos pocos átomos. Incluso lasirregularidades a escala atómica impondrían notablesvariaciones de tamaño a los nanodispositivos, con laconsecuencia de que se destruyesen sus propiedadeseléctricas y dejaran de funcionar en proporciones apre-ciables. La conclusión natural de Williams fue que lananoelectrónica era imposible. Valdría, pues, la penainvestigar otras técnicas.

Un año más tarde, el encuentro casual con un arquitec-

to de ordenadores de HP (Kuekes) cambió radicalmenteeste horizonte e hizo a ambos tomar una ruta inespe-rada. Kuekes habló a Williams de un superordenadorllamado Teramac que él y otros (Snider entre ellos)habían construido. Teramac funcionaba perfectamenteaunque tuviera 220.000 componentes defectuosos (al-rededor de un 3 por ciento del total). El quid, segúnKuekes, estaba en diseñar los circuitos de interconexióncon una notable redundancia. Una vez localizados ycatalogados todos los fallos, los programas a ejecutaren el ordenador se compilaban de manera que evita-sen las partes averiadas: se los desviaba a conexionessuplementarias.

■ Superar la técnica actual de los chips de silicioexigirá unos circuitos lógicos y de memoria reduci-dos hasta unos pocos nanómetros. Grandes redesde nanohilos que se cruzan sirven de base auna de las técnicas que mejor puede garantizarel éxito de la computación a escala nanométrica.

■ Los nanohilos que se cruzan son tan pequeños,que los defectos atómicos y de fabricación resultaninevitables y graves. Pero la incorporación deredundancia en los circuitos y el uso de técnicasde codificación compensan las numerosas imper-fecciones.

G . - Y . J U N G

Y

B . B A U S K

H P

L a b s

Resumen/Nanoelectrónica

2. MEMORIA DE BARRAS CRUZADAS con sus conexionesde prueba.




Williams comprendió al instante que la tolerancia delTeramac a los defectos ofrecía un modo de construir

ordenadores de funcionamiento correcto aun con unagran cantidad de piezas nanométricas “averiadas”. Enaquel verano, Williams y el químico James R. Heath,visitante en la UCLA, se esforzaron en aplicar a losordenadores las técnicas del ensamblaje de nanopartí-culas (la formación de estructuras complejas a partir debloques constructivos diminutos). Tras un largo debatecon Kuekes y Snider sobre la tolerancia a los defectosde los sistemas de computación ensamblados por mediosquímicos, Williams y Heath redactaron un artículo sobreel tema, como ejercicio pedagógico. Para sorpresa detodos los que habían intervenido, fue tomado en serioy se publicó en Science en 1998.

Exigencia de resultados rápidosEn aquel mismo año, Bruce E. Gnade y William L.

Warren, por entonces directores de programa en laAgencia de Proyectos de Investigación Avanzada parala Defensa (DARPA), reconocieron que era esencial dis-poner de una arquitectura eficaz para el desarrollo delas nuevas técnicas a escala nanométrica que patrocina-ba la Agencia. Renacía en esa época el interés por laelectrónica molecular, años después de que, en 1974,la propusieran Avi Aviram, de IBM, y Mark A. Ratner,de la Universidad del Noroeste. Sin embargo, hasta losprimeros años noventa no empezaron realmente MarkA. Reed, de la Universidad de Yale, y James M. Tour,de la Universidad Rice, a medir las propiedades eléctri-cas y a sintetizar nuevas moléculas para la electrónica.

Conectado

Desconectado

Nanohilos

Conmutadormolecular

Conexión

monomolecular

J A N A

B R E N N I N G

( i l u s t r a c i o n e s ) ; C O R T E S I A

D E

W . W U

Y

G . M E D E I R O S - R I B E I R O

H P

L a b s

( m i c r o g r a f í a s )

LA RED DE BARRAS CRUZADAS de un dispositivo computador,que aquí se ve en una micrografía de fuerzas atómicas (arriba),tiene 34 nanohilos (de 30 nm de ancho cada uno) que se cruzancon otros 34. El detalle (abajo) muestra cómo se cruza un conjunto de nanohi los sobre el otro. La unión de los dos nanoh ilos esmás pequeña que un virus corriente.

ESTADOS ACTIVADO Y DESACTIVADO EN LOS PUNTOS DE CRUCEEl componente esencial de la arquitectura de barras cru-zadas es un conmutador nanométrico que puede activarseo desactivarse por aplicación de un voltaje apropiado a losnanohilos que conecta.

En la versión de los laboratorios de Hewlett-Packard (HP),el conmutador se forma en la unión de dos nanohilos

que se entrecruzan separados por una sola capa monomo-lecular. Inicialmente el conmutador presenta alta resistenciay bloquea el flujo de electrones entre sus dos nanohilos(estado desactivado, en rojo, abajo ). Pero cuando se leaplica un voltaje positivo suficiente y con la polaridad ade-cuada (nanohilos amarillo y naranja ), el conmutador pasabruscamente a tener una resistencia mucho más baja, quepermite a los electrones circular con facilidad (estado activa-

do, en verde, abajo ). El conmutador continúa en ese estadode baja resistencia hasta que se aplique un voltaje negativosuficiente para que vuelva al estado original. Mientras el vol-taje se mantenga entre esos umbrales positivo y negativo, elconmutador no cambiará el último estado que haya tomado.Los autores han examinado conmutadores que mantienen

su estado desde hace ya tres años. Los conmutadores ca-paces de bascular muchas veces en uno y otro sentido sonreconfigurables y pueden utilizarse en memorias de accesoaleatorio o en circuitos lógicos reprogramables.




Gnade y Warren comprendieron que si los dispositivoselectrónicos carecen de una arquitectura que los conectea un circuito útil, no pasan de ser meras curiosidadesintelectuales. El reto que plantearon a la comunidadinvestigadora, definir una arquitectura útil, fue un acicatepara numerosos grupos y promovió varios importantesproyectos en colaboración.

Nuestro grupo mixto de HP y U.C.L.A. aceptó inme-diatamente el desafío, pero nos tuvimos que enfrentar aun dilema. La arquitectura que proponíamos, inspiradaen el Teramac, habría requerido un desarrollo de cincoaños, pero DARPA precisaba resultados tangibles (unamemoria de 16 bit) en sólo dos. Tras semanas de intensareflexión, Heath, Kuekes y Williams concibieron una

idea con la que se podría cumplir el plazo. Kuekes yWilliams sabían que el proyecto de memoria magnéticade acceso aleatorio de HP se basaba en una sencilla es-tructura entrecruzada, una estilización suprema de cómoestaba configurado el Teramac.

Heath señaló que una red de hilos entrecruzados seasemejaba a una estructura cristalina, y que por tantodebiera poder construirse por medios químicos. Lo quehacía falta era resolver la conexión de cada par de hilosen los puntos de cruce mediante un conmutador quese activase y desactivase a voluntad. Williams sugirióintercalar un material electroquímicamente activo entrelos dos nanohilos de tal modo que, aplicando entre éstos

los voltajes apropiados, se produjera un cambio, sustancialy reversible, de la resistencia eléctrica de los contactos.Es decir, el conmutador se cerraría al contraerse elec-troquímicamente la brecha cuántica que los electroneshan de saltar, por medio del efecto túnel, para pasar deun electrodo a otro. El conmutador volvería a abrirseaplicando un voltaje de polarización opuesta, que ensan-charía el túnel y elevaría la resistencia eléctrica.

Heath proporcionó el material que necesitábamos.Hizo conocer a quienes colaborábamos en el proyectolas moléculas que había diseñado J. Fraser Stoddart,entonces recién llegado a la U.C.L.A., para que secomportasen como conmutadores mecánicos activadoselectroquímicamente. La idea era que cualquier cosa

que alterase la conformación entre los hilos afectaríatambién la capacidad de los electrones de ir por efectotúnel de un hilo a otro. Un paso esencial fue persuadiral atareado Stoddart de que modificase químicamente susmoléculas —que él bautizó como “rotaxanos”— parahacerlas aceitosas. De ese modo, Heath pudo verteruna gotita de rotaxanos sobre una superficie de agua,a fin de que se extendieran en una película de unamolécula de espesor. Esta película se transfirió luegoa un sustrato (proceso llamado de Langmuir-Blodgett)sobre el cual se había formado el conjunto de hilosinferior. Seguidamente, depositamos el conjunto dehilos superior por evaporación del metal a través de

El campo de la fabricación a escala nanométrica muestrahoy una extrema actividad, con numerosas técnicas competi-doras en estudio. Existen dos tipos de enfoques: la construc-ción de arriba abajo y la de abajo arriba ( fotografía inferior ).Los del primer tipo se asemejan a la fabricación de circuitosintegrados, una fotolitografía seguida de grabación químicao deposición de materiales para crear las característicasrequeridas. Los del segundo tipo se basan en ampliacionesde procesos químicos o bioquímicos por los cuales los áto-mos o las moléculas se autoensamblan en una configuración

deseada gracias a sus propiedades inherentes, previstasde antemano. La mayoría de los especialistas coinciden enque, para construir en el futuro circuitos nanométricos, serápreciso combinar ambos enfoques.

Nuestro grupo de HP utiliza litografía por impresión paracrear las redes de cruces. Empleamos litografía por hazde electrones para construir moldes de los circuitos. Es unproceso lento y costoso, pero permite hacer duplicados delproducto final que luego se utilizarán para estampar circuitosen grandes cantidades, de modo muy parecido a comose fabricaban los discos de vinilo. Se recubre un sustratocon una fina capa de un polímero o precursor de políme-ro, sobre esa capa suave se prensa un molde, y el patrónimpreso se endurece por exposición al calor o a los rayosultravioleta. La ventaja de este enfoque es que, mediantelitografía por haz electrónico, puede imprimirse en el moldecualquier configuración de hilos. Por desgracia, en estemomento la resolución de los elementos de un conjunto dehilos paralelos no puede rebajar un semipaso de 30 nanó-metros, si bien trabajamos en varias técnicas que permitanreducir ese límite.

D . A . A . O H L B E R G

Y

G . M E D E I R O S - R I B E I R O

H P

L a b s

LOS FALLOS Y DEFECTOS ATOMICOS de un nanohilo desiliciuro de erbio, crecido en una superficie de silicio medianteun método químico (de abajo hacia arriba), aparecen en estaimagen obtenida por microscopía de efecto túnel con barrido.Los bultos en la superficie del nanohilo, que mide unos tresnanómetros (o 10 átomos) de ancho, son átomos individuales.El abultamiento en un lado del nanohilo es un defecto deéste, que pasa de 10 átomos de ancho a solamente 9.

¿DE ARRIBA ABAJO O DE ABAJO ARRIBA?




una máscara, con lo que se completó el circuito. Estasprimeras experiencias dieron lugar a varias solicitudesde patentes en EE.UU., una propuesta a DARPA y otrapublicación en Science.

Un paso decisivoPese al escepticismo de parte de la comunidad investi-gadora, DARPA aceptó incluir nuestro conmutador elec-troquímico de barras cruzadas, junto con otros varios, enun ensayo de dos años. Muy pronto, los grupos de Heathy Stoddart demostraron que las moléculas de rotaxanosintercaladas entre los electrodos podían bascular entre losestados de alta y de baja resistencia. Desde entonces, va-rios grupos —el nuestro, el de Charles Lieber en Harvardy los de Reed y Tour— han ido viendo toda una gamade mecanismos de conmutación a escala nanométrica.Aunque la diversidad de observaciones y de métodosha creado cierta confusión, y todavía deben cribarselos distintos fenómenos conmutadores, la conmutacióneléctrica es hoy una realidad generalmente reconocida.Por todo el mundo se trabaja en el desarrollo de na-noconmutadores eléctricos fiables basados en átomos o

moléculas (véase el recuadro “Investigaciones en cursode las arquitecturas de barras cruzadas”).

Nuestros asociados de la U.C.L.A. fueron, en 2000, losprimeros en presentar una memoria operativa de 16 bitde barras cruzadas para el programa DARPA. Su éxitoanimó a la Agencia a financiar un programa sucesormucho más ambicioso: la fabricación de una memoriade 16 kilobit con una densidad de 100.000 millones debit por centímetro cuadrado. Este objetivo pone el listónmuy alto: no cabe esperar que la industria de semicon-ductores cuente con los medios de fabricación necesariosantes de 2018.

Nuestro grupo de HP sigue inventando nuevos tiposde circuitos basados en hilos entrecruzados, sobre todomemorias tolerantes a fallos y diferentes familias decircuitos lógicos. También han desarrollado interesantesmodificaciones de la arquitectura original André DeHon,del Instituto de Tecnología de California, en colaboracióncon el grupo de Lieber, y Konstantin K. Likharev, de laUniversidad de Stony Brook. Aunque la arquitectura deconmutación por entrecruzados arrancara en el puestode cola en la competición de DARPA, es hoy aceptada,con las adaptaciones oportunas, por numerosos inves-tigadores de todo el mundo, entre ellos los grupos deMasakazu Aono, en el Instituto Nacional de Ciencia delos Materiales japonés, y de Rainer Waser, del Centrode Investigación Jülich en Alemania.

Para comprender el enfoque que proponemos, habráque analizar la naturaleza del conmutador y las estruc-turas entrecruzadas, así como la fabricación de estascon hilos nanométricos (véase el recuadro “¿De arribaabajo o de abajo arriba?”) y la posibilidad de construircircuitos fiables con componentes que no lo son.

De micro a nano y vuelta a microUna idea inspira el entrecruzado nanométrico: debemosaprender a tolerar las imperfecciones inevitables y en-contrar la forma de eludirlas. La estrategia “localizar yevitar” de Teramac dará resultado siempre que sea posiblecomunicar con los nanohilos. Pero aquí se plantea otra

cuestión: ¿Cómo se salva la brecha que separa, tanto enel tamaño como en el número de hilos, la nanoelectrónicade los circuitos integrados de silicio ordinarios que han decontrolar los puntos de cruce? Si las conexiones tuvieranque hacerse una a una, las barras cruzadas nanométricasno ofrecerían ventajas sustanciales. Pero el problema losolucionamos realizando las conexiones eléctricas a tra-vés de un demultiplexor, circuito secundario que aceptacomo entrada un número binario (1010, por ejemplo) yselecciona un solo nanohilo identificado inequívocamentepor esa secuencia (véase la figura 3). En nuestro caso,el demultiplexor es un tipo especial de entrecruzado enel que una gran cantidad de nanohilos se conecta a un

reducido número de hilos ordinarios.Para introducir una dirección binaria se requieren

tantos hilos como dígitos contengan las identificacio-nes digitales, pero la cantidad de nanohilos controlableses igual al número de direcciones exclusivas que esenúmero de dígitos pueda codificar. Por ejemplo, unasecuencia de cuatro bits (0000, 0001, 0010, etcétera)puede especificar 16 direcciones. Por tanto, cuatro hilosde dimensión micrométrica controlarán 16 nanohilos.Esto es importante porque la construcción de circuitosnanométricos rentables exige controlar un gran númerode ellos con poca electrónica corriente. En general, sien el demultiplexor entran k hilos convencionales se

CODIFICADOR

DEMULTIPLEXOR

AND

k + d hilos ordinarios

2k nano-hilos

Inversor

Hilosordinarios

000

011

101

110

OR exclusivo

0

1

0 1 1

S L I M

F I L M S ; F U E N T E : W A R R E N

R O B I N E T T

3. EL DEMULTIPLEXOR permite que los hilos de chips de silicio

ordinarios controlen un número de nanohilos mucho mayor. Undemultiplexor con k entradas habituales podrá controlar 2 k nano-hilos. Si se añaden d hilos a la entrada, la redundancia obtenidapodrá mantener el control pese a los fallos de conexión entreunos y otros hilos. En el diagrama simplificado, k =2 y d =1;dos hilos de dimensión micrométrica controlan cuatro nanohiloscon un bit de redundancia. Se ilustra como ejemplo la introduc-ción de la dirección 01 por los hilos ordinarios ( rojo ), a la queañade un bit de redundancia el circuito codificador y la convierteen la dirección 011. A continuación, esta dirección codificadaactiva el nanohilo designado 011 en el demultiplexor.




podrán controlar individualmente 2k nanohilos, lo quesupone una escala exponencial muy favorable.

Se tiene, sin embargo, un serio problema cuando serompe una de las conexiones entre un nanohilo del de-multiplexor y un hilo ordinario. Ya no se podrá distinguirentre los k nanohilos que comparten ese bit erróneoen su dirección. (Por ejemplo, si el último bit de lasecuencia falla, 0000 y 0001 parecerán idénticos, asícomo 1110 y 1111 y otras parejas.) De ahí que unamala conexión en el demultiplexor provoque la pérdidade todos los nanocircuitos que siguen a esos k nanohilos,fallo a todas luces catastrófico. La consecuencia seríaque los demultiplexores, en su mitad formados por na-nocircuitos, habrían de ser perfectos, y ello contravienenuestro principio rector: la tolerancia de fallos en lananoelectrónica.

Encontramos una solución a este dilema en la teoríade la codificación, aplicada cuando se quiere transmitirinformación digital a través de entornos afectados porel ruido (como en las comunicaciones de los satélitesen órbita). En líneas generales, se empieza por dividirel mensaje en bloques de datos binarios (secuencias de

ceros y unos). Seguidamente, se añaden algunos bitsde código a cada bloque para formar otro más exten-so. Los bits añadidos se han calculado mediante unaexpresión algebraica que toma como entradas los bitsdel bloque de mensaje original. Cuando este mensajeampliado se envía por el aire o cualquier otro entornoruidoso, algunos bits del mensaje codificado puedentrastocarse (un 0 en vez de 1 o viceversa). Sin embar-go, el mensaje original podrá recobrarse exactamenteejecutando el código a la inversa en el extremo receptor,en el supuesto de que el número de bits alterados nodesborde la longitud del código.

Aconsejados por Gadiel Seroussi, Ronnie Roth yWarren Robinett, de HP, hemos aplicado esta idea paraque las roturas de conexiones en nuestro demultiplexorno afecten a los nanohilos. En vez de numerar éstosconsecutivamente, utilizamos una zona de direccionesampliada en la que el número de hilos entrantes al de-multiplexor supera (en d hilos adicionales) el mínimonúmero necesario para especificar unívocamente cadananohilo. En este caso, aunque cada nanohilo tenga

varias conexiones interrumpidas con los hilos normales,el demultiplexor aún podrá direccionar correctamentetodos los nanohilos. El grado de redundancia requeridodepende de la probabilidad de los defectos de conexión;para un índice de fallos de las conexiones de 0,01, unaredundancia no muy grande (entorno al 40 por ciento)mejorará el rendimiento de fabricación de un demulti-plexor desde 0,0001 hasta 0,9999.

Construcción de memoriasDesde aquella primera memoria de 16 bit, el grupo deHeath y el nuestro de HP han presentado, con diferentestratamientos de hilos y conmutadores, unas memorias de64 bit con 62 nm de “semipaso” (estándar de fabricaciónequivalente a la mitad de la distancia entre los centrosde dos hilos adyacentes) en 2002, y en 2004 una de unkilobit en entrecruzado con semipaso de 30 nm. (Com-párese con el semipaso de 90 nm de los microcircuitosde semiconductores más avanzados de 2005.) En esasmemorias, cada nanohilo estaba conectado a un contactoindividual. Se escribía un 1 (estado de resistencia baja)o un 0 (resistencia alta) sin más que aplicar entre los

hilos cruzados un voltaje polarizador, superior al um-bral, que hiciera bascular directamente el conmutadorque une ese par de hilos. Siempre que el umbral devoltaje sea lo bastante definido para registrar un 0 oun 1, y la variación en los voltajes de “escritura” entrelas uniones de la red de cruces no llegue a la mitad delvoltaje de conmutación, este procedimiento aseguraráque sólo se escriba en la red el bit deseado y no seescriban ni borren otros accidentalmente. Para leer elbit almacenado en el conmutador aplicamos un voltajemucho más bajo entre los hilos cruzados seleccionadosy medimos la resistencia en su unión. Los resultadosiniciales fueron alentadores: en la memoria de 64 bitde HP, la relación de resistencias entre el 1 (activado)y el 0 (apagado) fue mayor de 100, lo que permitía lafácil lectura de los bits.

Con la memoria nanométrica ya al alcance (el retode DARPA implica un semipaso de 16 nm), la siguientemeta a superar es la computación a escala universal concircuitos lógicos nanométricos. Con ayuda de DuncanR. Stewart, de HP, hemos configurado redes de hilosentrecruzados para ejecutar operaciones lógicas senci-llas (AND y OR) mediante el ajuste de los valores dela resistencia de los conmutadores de cruce. La lógicaejecutable, sin embargo, queda limitada por la falta dela operación NOT (la inversión de la señal), que cambiade 1 a 0 y de 0 a 1. Además, en la lógica cableada los

niveles de voltaje dejan necesariamente un rastro, y sise intenta realizar demasiadas funciones lógicas en uncircuito en serie, los 1 y los 0 llegarán a confundirsey la computación será imposible.

En los circuitos integrados de silicio, tanto la restaura-ción como la inversión de la señal es obra de transisto-res. Por eso los grupos de Heath y Lieber han decididofabricar transistores con nanohilos de silicio. DeHon,igual que nosotros, ha descrito unos circuitos lógicoscon topología de “embaldosado”, que se construiríancon transistores y otros elementos en una estructuraentrecruzada. Sin embargo, dado que ahí se utilizaríala microelectrónica actual, se impondrían, al fin y al Y

. C H E N

Y

B . B A U S K

H P

L a b s

4. DESPLIEGUE DE HILOS desde los entrecruzados hastalas conexiones de prueba.




cabo, las limitaciones antes señaladas y no se podríasobrepasar la Ley de Moore. Como alternativa, investi-gamos una inversión y restauración de la señal que noutilice transistores.

Estamos construyendo un circuito lógico de barrascruzadas de forma no habitual, con redes de conmu-tadores y puertas cableadas AND y OR. En este casolos conmutadores funcionan mediante operaciones de“cerrojo” (latching). Hemos demostrado su funciona-miento hace poco, con Stewart. Definimos como “1” elnivel de voltaje necesario para activar el conmutador, ycomo “0” el que lo desactiva. Cualquier hilo trasladaráforzosamente su estado presente a un conmutador acuya entrada esté conectado, transfiriendo así un bit deinformación de la “lógica” a la “memoria”.

Almacenado ya como estado de memoria, ese bit puedeutilizarse en operaciones lógicas posteriores: para ello seconectará el hilo de salida del conmutador a una fuentede voltaje (en nuestro caso, un hilo procedente del relojque controla los tiempos de las operaciones). Esta nuevaconexión sirve para restaurar el voltaje del estado lógicoa su valor deseado cuando se haya degradado. Otro trucoconsiste en intercambiar los voltajes que representan 1y 0 en los hilos de salida; se invierte así la señal lógicay se obtiene la operación lógica NOT que, combinada

con las AND o las OR, es suficiente para cualquiercomputación. Nos las hemos arreglado, pues, para crearlas funciones de restauración e inversión de la señal enun circuito lógico en entrecruzado sin utilizar transistoresni sus propiedades semiconductoras.

Más allá de los microcircuitos de silicioEl camino hacia una computación universal que superelos circuitos integrados de transistores es todavía incierto,pero durante los últimos años la arquitectura de barrascruzadas ha aparecido como principal competidora paraestablecer un nuevo paradigma de la computación. Cier-tamente queda mucho por hacer. Hay que avanzar con

rapidez y al unísono en tres campos diferentes de la in-vestigación: la arquitectura, la física de los dispositivos yla fabricación nanométrica. Tan importante como resolverlas cuestiones técnicas será garantizar que se mantengauna buena comunicación entre las disciplinas fronterizas.El éxito requerirá que múltiples grupos de investigadorescompitan entre sí y al mismo tiempo cooperen, comohacen los participantes en el reto de DARPA.

La tolerancia a los defectos será elemento imprescin-dible de cualquier estrategia futura en nanoelectrónica.La arquitectura de barras cruzadas es una solución idealpara establecer un sistema en el que se localicen y evitenlos componentes imperfectos y se compensen los erroresmediante la codificación. Los circuitos del futuro puedenrealmente ser más fiables que los electrónicos actuales,aun cuando comiencen con una elevada proporción decomponentes defectuosos. La redundancia incorporadalos hará resistentes a las radiaciones, que en los circui-tos comunes acarrean fallos catastróficos. En estos sólodegradarían paulatinamente las prestaciones.

Los conmutadores de efecto túnel, que operan den-tro de la mecánica cuántica, son muy apropiados para

los circuitos de escala nanométrica. A medida que secontraen las dimensiones características de los disposi-tivos, sus electrones interiores se comportan cada vezmás como objetos cuánticos. Debería ser posible reducirestos conmutadores hasta dimensiones cercanas a la delos átomos sueltos. Da una idea de hasta dónde podríallegar la miniaturización de los circuitos electrónicosen el futuro.

Philip J. Kuekes, Gregory S. Snider y R. Stanley Williams

están desarrollando la próxima generación de técnicas decomputación dentro del programa de Investigación Cuántica(QSR) de los laboratorios de Hewlett-Packard (HP) en PaloAlto, California. Kuekes, arquitecto jefe del programa, llevamás de 30 años diseñando y construyendo computadoresavanzados; además investiga en mecánica cuántica. Snider hatrabajado en diseño de circuitos lógicos, compiladores, sistemasoperativos, síntesis lógicas, procesamiento de señales, seguri-dad y redes informáticas, y actualmente busca mejorar el dise-ño estructural nanoelectrónico como consultor de HP. Williams,director del programa QSR, encabeza el grupo multidisciplinarque diseña, construye y prueba nuevos nanocircuitos.

COMPUTACIÓN CONFIGURABLE. John Villaseñor y William H. Man-gione-Smith en Investigac ión y Cienc ia, n.o 251, págs. 10-16;agosto de 1997.

A DEFECT-TOLERANT COMPUTER ARCHITECTURE: OPPORTUNITIES FOR NANOTECHNOLOGY. J. R. Heath, P. J. Kuekes, G. S. Snider yR. S. Williams en Science, vol. 280, págs. 1716-1721; juniode 1998.

COMPUTACIÓN MOLECULAR. Mark A. Reed y James A. Tour en Inves-tigación y Ciencia, n.o 287, págs. 56-63; agosto de 2000.

FEYNMAN LECTURES IN COMPUTATION. Edición en rústica. RichardP. Feynman. Edición de Tony Hey y Robin W. Allen. PerseusBooks Group, 2000.

Los autores


Investigaciones en cursode las arquitecturas de barras cruzadas

GRUPO(S) INSTITUCION(ES) CONMUTADOR

J. R. Heath/ J. F. Stoddart

Caltech/U.C.L.A.Monocapa de rotaxa-nos entre nanohilosde silicio y titanio

C. Lieber/ A. DeHon

Universidadde Harvard/Caltech

Transistores de efectocampo con nanohilode silicio

M. AonoInstituto Nacionalde Ciencia deMateriales, Japón

Conductor iónicode sulfuro de plata(conmutador atómicode plata)

R. WaserCentro de Inves-tigación Jülich,Alemania

Movimiento dedefectos en películasferroeléctricas

K. K. LikharevUniversidadStony Brook

Transistor molecularde un solo electrón

Quantum ScienceResearch

LaboratoriosHewlett-Packard

Oxidación/reducciónde nanohilo

metálico




Numerosas enfermedades se deben a mutaciones del ADN. Alteranéstas la composición aminoacídica de las proteínas que los genescodifican. En el estudio de enfermedades genéticas se experimentacon células que contienen una mutación y, por tanto, producen unaproteína defectuosa, que suele presentar alteraciones funcionales;

pensemos, por ejemplo, en un receptor celular que no se une a su ligando ouna enzima sin capacidad catalítica. Se dice que estas mutaciones provocanuna “pérdida de función”.

Hasta ahora se consideraba defectuosas e inservibles las proteínas correspon-dientes, lo que resulta cierto en algunos casos pero de generalidad cuestionablea tenor de la investigación reciente. De acuerdo con los resultados obtenidos endiversos laboratorios, el nuestro incluido, las mutaciones patológicas provocana menudo que la proteína adopte un plegamiento defectuoso y se extravíe; a lamanera de una carta con el código postal equivocado y una dirección ilegible,la proteína aberrante no alcanza su destino en el interior de la célula. Estedescubrimiento entraña repercusiones terapéuticas de interés: resulta muchomás fácil corregir el rumbo de una proteína mutada en el interior de la célulaque reemplazar, mediante terapia génica, un gen mutante.

Las proteínas se extravían cuando se pliegan de forma incorrecta, un yerrofrecuente incluso en células normales. Y ello a pesar de las chaperonas, mo-léculas que ayudan a las proteínas a adoptar la estructura tridimensional, oconformación, correcta. Cuando el mecanismo celular de control de calidad

(CC) identifica una proteína mal plegada (entre las que se incluyen la mayoríade las mutantes), la marca, para luego destruirla o reciclarla.

En nuestro laboratorio hemos experimentado con chaperonas farmacológicas.Las farmacoperonas en cuestión, así las hemos llamado, corrigen la asignaciónde la ruta intracelular de una proteína que, aunque mal plegada, conserva, enpotencia, la funcionalidad. De ese modo se revierte, en células en cultivo, unade las causas del hipogonadismo hipogonadotrópico, un trastorno hormonal.Los resultados sugieren una vía terapéutica basada en la reposición de proteínasaberrantes. (La terapia génica procede con idéntico enfoque, aunque entrañamayores riesgos.) Se aplicaría, en principio, a cualquier enfermedad provocadapor un plegamiento proteico defectuoso: desde la fibrosis quística hasta enfer-medades de aparición tardía (alzheimer, cataratas y algunos tipos de cáncer),pasando por retinitis pigmentaria y otros trastornos congénitos.

escate de proteínasRescate de proteínas

aberrantesaberrantesConsideradas durante largo tiempo inoperantes, las proteínas mutantes patológicas

recuperan su funcionalidad si se repliegan con la ayuda de un molde farmacológico

P. Michael Conn y Jo Ann Janovick




“Papiroflexia” molecular asistidaEl plegamiento de las proteínasconstituye un proceso complejo,difícil de llevar a cabo en el abi-garrado interior de la célula. Segúnla proteína y su destino, el polipép-tido se sintetiza en los ribosomas

del citoplasma o en los ribosomasque residen en el retículo endoplas-mático (RE). El plegamiento de losproductos proteicos se acomete deforma inmediata o al cabo de variosdías, mientras flotan libremente enel citoplasma o permanecen confi-

nados en el interior del RE u otrosorgánulos.

Con independencia de la velocidado lugar de síntesis, la mayoría de lasproteínas adoptan su conformación através de diversas etapas. Según losmodelos actuales, el esqueleto protei-

1. EN EL ARTE JAPONES DEL ORIGAMI (papiroflexia) se creancomplejas esculturas tridimensionales a partir de una simple hojade papel mediante una serie de precisos pliegues y torsiones. Asílo muestra la pareja de la imagen: plantilla y producto termina-

do. De forma análoga, una proteína empieza siendo una hilera(unidimensional) de aminoácidos, que, a través de un procesode plegamiento asistido por chaperonas, se convierte en unacompleja estructura tridimensional, capacitada para desempeñar

las funciones celulares. Sin embargo, las mutaciones en el ADNprovocan cambios en la secuencia aminoacídica que frustran elplegamiento normal de la proteína. Estas alteraciones resultan, amenudo, patológicas. La investigación reciente nos indica que un

gran número de mutantes defectuosos de una proteína receptorarecuperan su funcionalidad cuando se pliegan con la ayuda dedeterminada “farmacoperona”. La estrategia se nos ofrece prome-tedora para el tratamiento de enfermedades genéticas.

O R I G A M I D E L

P E C E C I L L O

D E

P L A T A

Y

P L A N T I L L A

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O R T E S I A

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R O B E R T

J .

L A N G / A m e r i c a n

S c i e n t i s t




co se pliega en grupos de cuatro omás aminoácidos para evitar interfe-rencias con las regiones voluminosaso dotadas de carga. Se cree que elproceso que lleva a las proteínas aadoptar su conformación activa finalno es espontáneo.

En células vegetales y animales,las proteínas destinadas a ser secre-tadas o a residir en la membranacelular se sintetizan en el retículoendoplasmático, donde una espesasopa de moldes, enzimas y azúca-res favorecen unas conformacionese inhiben otras. Estos guías ejecutantandas sucesivas de complejas mo-dificaciones, bajo la mirada atentadel sistema celular de control decalidad. El sistema vigila las proteí-

ensamblajes proteicos incompletos,potencialmente tóxicos para la célula,escapen prematuramente del retículoendoplasmático.

La eficacia del sistema de controlde calidad depende, en gran medi-da, de su capacidad para detectarlas proteínas procesadas de formaincompleta o incorrecta. Una de lasnotas distintivas de una proteínamal plegada estriba en la presenciade regiones hidrofóbicas expuestas.Las chaperonas del retículo endo-plasmático interaccionan con dichasregiones y retienen las proteínas quelas poseen.

El mecanismo de control de cali-dad se sirve también de la adicióny sustracción de azúcares a la pro-teína. La conjunción crea estructurasque facilitan la identificación de lasmoléculas aberrantes.

Antaño se suponía que las pro-teínas defectuosas y los fragmentosproteicos se digerían en el retículoendoplásmico. Sabemos ya que lasmoléculas mal plegadas se expulsandel retículo endoplasmático para serdegradadas por el proteosoma , unsistema de eliminación de residuosque fragmenta las proteínas indesea-das. También la exportación de unaproteína aberrante unida a chapero-nas está asociada al reclutamiento deun proteosoma. En ambos casos, laadición covalente de múltiples copiasde ubiquitina (proteína de tamañoreducido) señala a las proteínas can-didatas a ser destruidas. Un cúmulode estas señales podría facilitar laextracción del polipéptido de la mem-brana del RE mediante la entradade moléculas auxiliares; al propiotiempo, opera como baliza para elproteosoma.

El sistema de control de calidadencuentra una limitación determinan-te en el reconocimiento de proteínascon conformación defectuosa, que se

basa en criterios químicos, no funcio-nales. La presencia de una superficiehidrofóbica expuesta, característicahabitual de proteínas mal plegadas operjudiciales, no informa de la ope-ratividad de las mismas. Cuando setrata de comprender la relación entreel sistema de control de calidad y losdatos obtenidos en los experimentoscon farmacoperonas, conviene teneren cuenta que no todas las proteínasmutantes destinadas a ser destruidascarecen de actividad.

nas nuevas desde que se sintetizanhasta que alcanzan su destino enel interior de la célula y marca alas mal plegadas o mal procesadasmediante chaperonas endógenas ysensores que reconocen conforma-ciones anómalas.

Mediante la eliminación de lasproteínas defectuosas, el sistema decontrol protege a la célula de la ac-tividad aberrante de aquéllas y man-tiene el equilibrio entre la síntesis,la maduración y la degradación deproteínas. Impide también la acumu-lación de proteínas descarriadas ydirige el transporte de las proteínassintetizadas a otros compartimentoscelulares. Asimismo, evita que lasproteínas parcialmente plegadas o los

T O M

D U N N E / A m e r i c a n

S c i e n t i s t

ADN

ARN

Núcleo

Ribosomas

Proteína

Retículoendoplasmático

El ARN se traducea proteína

La proteína se formay se pliega

en el retículoendoplasmático

El ADN se transcribeen ARN

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




A las mutaciones, hemos de agre-gar otros factores causantes de ple-gamientos anómalos. Recordemosel exceso de proteínas, los cambiosde temperatura, el estrés oxidativo yalgunas señales celulares.

La célula interpreta el plegamien-to defectuoso de algunas proteínascomo una pérdida de funcionalidad,dado que ninguna de éstas escapa al

sistema de control de calidad. Puedeocurrir también que las proteínas malplegadas se peguen unas a otras y,por esa vía, formen agregados poten-cialmente tóxicos en el interior de lacélula o produzcan una acumulaciónextracelular de placas amiloides.

En el curso de los últimos diezaños, la investigación se ha propuestoaclarar la vinculación de un plega-miento anómalo con la aparición deciertas enfermedades. Se han venidobuscando también terapias que evi-

ten o corrijan las anomalías estruc-turales. En este sentido, el rescate,mediante chaperonas farmacológicas,de proteínas mal plegadas y extravia-das constituye una de las vías másprometedoras.

Extravíopor plegamiento incorrectoNuestro interés por el plegamiento

proteico comenzó con el descubri-miento de una mutación en el genque cifra un receptor de la hormonaliberadora de gonadotropina. El genmutante procedía de un paciente quesufría hipogonadismo hipogonadotró-pico. Esta enfermedad impide quese produzca una liberación suficientede testosterona, lo que imposibilitauna espermatogénesis normal. En lamayoría de los varones, el hipotá-lamo libera hormona liberadora degonadotropina al torrente sanguíneo,

provocando que la glándula pituitariasegregue la hormona luteinizante yla posterior secreción de testosteronapor parte de las gónadas.

Los que padecen hipogonadismohipogonadotrópico, en cambio, sue-len contar con una cantidad reducida,si no nula, de hormona luteinizantey, por tanto, presentan niveles es-casos de testosterona. En este caso,los niveles de hormona luteinizantedel paciente no aumentaron cuan-do su médico, Juan Pablo Méndez,del Instituto Mexicano de SeguridadSocial, le suministró una dosis dehormona liberadora de gonadotro-pina. Ello nos hizo sospechar queel fallo se encontraba en el receptorpara esa hormona. Cuando en el la-boratorio de Méndez secuenciaron elgen, descubrieron una mutación enel aminoácido 90 que reemplazaba

un ácido glutámico dotado de car-ga negativa por una lisina dotada decarga positiva. Apoyándonos en las

T O M


S c i e n t i s t

Proteína

Las chaperonascolaboran

en el plegamiento

Incorporación de azúcares

Degradación

Conformaciónincorrecta

Conformacióncorrecta

Conformaciónincorrecta

E l i m i

n a c i ó n

d e a z úcares

A d i c i ó n d e a z ú c a r e s

3. LAS CHAPERONAS SE UNEN A LAS PROTEINAS NACIENTES, a medida que se vansintetizando para facilitar el plegamiento. El sistema de control de calidad de la célulautiliza también las chaperonas para reconocer rasgos que suelen indicar un plegamientoerróneo (regiones hidrofóbicas expuestas, por ejemplo). En función del diagnóstico, laschaperonas añaden o sustraen azúcares y, en última instancia, distinguen las conforma-ciones correctas de las incorrectas. Las proteínas que superan el control se encaminanhacia su lugar de destino, donde deberán llevar a cabo su función en el interior de la

célula. Las que fracasan podrían incorporarse a la lista de candidatas a la degradacióno sufrir un reprocesamiento, en un intento por corregir su alteración estructural.

Ubiquitina

Proteosoma

Chaperona

Proteína mal plegada

4. LAS PROTEINAS MAL PLEGADAS semarcan, mediante la adición covalente deubiquitina, una proteína de escaso tamañoreducido, para su posterior destrucción.Una vez se ha unido la primera molécula

de ubiquitina, se le incorporan otras,creando un agregado de ubiquitinas queatrae al proteosoma; en el interior de estaestructura en forma de barril se corta laproteína en pedazos. La ubiquitina marcatambién proteínas transmembrana, así losreceptores de hormonas, para que se ex-traigan de la membrana, interviene, pues,en el reciclaje continuo de las proteínascelulares. Como su nombre indica, la ubi-quitina se encuentra en todas las célulaseucariotas, casi sin excepción.




letras que designan los aminoácidosintercambiados, denominamos a estemutante E90K.

Cuando nuestro equipo de Oregónintrodujo el gen clonado en células encultivo, las que portaban la versiónmutante no se unían a la hormonaliberadora de gonadotropina y nogeneraban las señales intracelularesapropiadas. Dedujimos que el mu-tante estaba incapacitado para dichaunión (una interpretación coherentela información disponible en aquelmomento).

A modo de divertimento acometi-mos un experimento adicional. Mo-dificamos el receptor E90K para quedirigiera la proteína hacia la membra-na plasmática, el lugar más indicadopara el buen funcionamiento de unreceptor. Estas “secuencias señal”se encontraban alejadas del ami-

noácido 90; era poco probable queinteraccionasen con él. Para nuestrasorpresa, el mutante E90K redirigidooperó de forma correcta. De hecho,funcionó incluso mejor que la versiónsilvestre (no mutada). Por tanto, el

receptor mutante no era defectuo-so, sino sólo incapaz de alcanzar lamembrana plasmática.

Farmacoperonas al rescate¿Cómo rescatar las proteínas extravia-das y mal plegadas? Para responder,se nos ocurrió utilizar compuestospeptidomiméticos (estructuras queremedan los ligandos peptídicos delreceptor, aunque de un tamaño menory, a diferencia de los péptidos, se in-troducen en las células). Empleamosantagonistas porque no queríamosque el receptor se activase duranteel proceso de “salvamento”.

Necesitábamos una molécula detamaño reducido e hidrofóbica (dosrequisitos para acceder al interiorcelular), cuya estructura operara amodo de molde y sobre el cual elmutante se plegara de forma correcta,

hurtándose así al sistema de controlde calidad. Nuestra molécula idealdebería unirse al receptor de la hor-mona liberadora de gonadotropinacon especificidad y afinidad eleva-das. La especificidad minimizaría

las interacciones con otras proteí-nas del interior de la célula; si elagente se empleara algún día en lapráctica clínica, tales interaccionesprovocarían efectos secundarios. Laafinidad maximizaría los efectos delfármaco. Sin embargo, éste debía po-der separarse del receptor una vezrescatado; por tanto, la unión teníaque ser, además, reversible. Y unacondición más: la molécula debíaser estable en el medio celular. Lainterpretación de los datos sería mássencilla si no hubiera que tomar enconsideración la posibilidad de queel compuesto se degradase duranteel experimento.

Wallace T. Ashton y Mark T. Gou-let, de los Laboratorios Merck, hanobtenido una molécula que reúne justamente estos atributos. En unprincipio la denominada IN3 se creó

mientras se buscaba un fármaco detamaño reducido que se incorporaseal sistema circulatorio y se uniese alreceptor de la hormona liberadora degonadotropina.

Para comprobar el efecto de nues-tro molde exógeno, lo añadimos acélulas en cultivo portadoras de la ver-sión mutante del receptor de la hor-mona liberadora de gonadotropina.Esperábamos que IN3 penetrara enlas células y en el retículo endoplás-mico, se uniera a la proteína mutanteconforme se iba sintetizando e instarasu plegamiento correcto. Si E90K seplegara de forma adecuada, sortearíael control de calidad y proseguiríasu camino hacia la membrana. Unavez en la superficie, los siete seg-mentos del receptor que atraviesan lamembrana deberían mantenerlo conla conformación apropiada, de suerteque pudiéramos retirar el fármaco yquedarnos con un receptor operativo.La eliminación del IN3 constituía unpaso crítico: se trataba de un anta-gonista y, por tanto, bloquearía el

receptor e inhibiría su respuesta aniveles normales de hormona libe-radora de gonadotropina.

Funcionó. El molde farmacológicorescató con éxito el receptor mutantede entre los residuos que no habíansuperado el control de calidad. De-mostramos así que, en presencia deIN3, el receptor siguió su caminohacia la superficie de la célula. Pero,¿se comportó el receptor mutanteigual que el normal? Comprobamosque el mutante redirigido reconocía T

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S c i e n t i s t

Membrana

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5. EL RECEPTOR HUMANO DE LA HORMONA liberadora de gonadotropina constituye unaproteína transmembrana formada por 328 aminoácidos (representados por letras en elesquema de la figura). Varias sustituciones aminoacídicas de esta proteína ( las marcadas

en negro) se han relacionado con el hipogonadismo hipogonadotrópico, una enfermedadcaracterizada por niveles muy bajos o nulos de ciertas hormonas que se activan enrespuesta a la hormona liberadora de gonadotropina. Se sabe que el receptor atraviesala membrana siete veces y que determinadas regiones se proyectan hacia los espaciosintracelular y extracelular. Sigue sin conocerse su estructura molecular exacta.




los mismos agonistas y antagonistasque la forma silvestre y que se uníaa ellos también con idéntica afinidad.La tasa de recambio de la proteínamutante era la misma; una vez incor-porada a la membrana plasmática, sereciclaba con normalidad. Además,pareció que el receptor mutante seacoplaba sin problemas con sus pro-teínas efectoras, puesto que generaba,en respuesta a la hormona, mensa-

jeros intracelulares similares a losoriginados por el receptor silvestre.En cada ensayo, la versión rescata-da operaba exactamente igual que lanormal. El mutante nunca perdió sufunción, sólo el rumbo.

Al rescate de otras mutacionesPor la fecha en que terminamos esteestudio, otros laboratorios habían yadescrito 17 mutaciones más en genesdel receptor de la hormona liberado-ra de gonadotropina procedentes de

pacientes con hipogonadismo hipo-gonadotrópico. Queríamos saber sinuestra técnica de rescate para estereceptor resultaba eficaz sólo con elmutante E90K o si funcionaría tam-bién con los otros. Los 17 erroresse encontraban dispersos por todoel gen: quince de ellos ocasionabancambios en un solo aminoácido dela proteína, uno provocaba el cor-te y empalme incorrecto del ARN

mensajero y otro hacía que el recep-tor fuese más corto de lo habitual.Nuestra técnica no consiguió salvarlos dos últimos, porque originabanuna proteína incompleta.

Reconstruimos todos los genesmutantes en el laboratorio, los in-trodujimos en células en cultivo yacometimos la síntesis de la proteínareceptora; quedó demostrada la in-capacidad de la célula para unirsea la hormona liberadora de gona-dotropina. Cuando añadimos IN3,

se rescataron trece de ellos. De losquince mutantes con un aminoáci-do cambiado, los dos que fallaronse encontraban muy cerca uno deotro. Tal vez los cambios afectasena una región crítica para la unión alligando o para la activación de losefectores de forma que silenciaran auna proteína perfectamente plegada yubicada; eso era lo que se presumíapara las mutaciones que provocabandisfunción. O quizá los dos que norespondieron al tratamiento estabantan mal plegados, que IN3 se veíaincapaz de rescatarlos.

Llamó nuestra atención el fenó-meno siguiente: 11 de las 15 sus-tituciones aminoacídicas alterabanla dotación de carga eléctrica; porejemplo, de carga positiva a negati-va o de ausencia de carga a carga,positiva o negativa. Tales modifica-

ciones, si bien resultan irrelevantespara la carga global de la proteína,alteran la estructura del receptor dela hormona liberadora de gonado-tropina. Nos sorprendió que bastarauna sola carga de un total de 328aminoácidos para causar tamaño cam-bio. Los resultados sugerían que elreceptor de la hormona liberadora

T O M


S c i e n t i s t

Proteínasmal plegadas

Escasa o nula cantidadde proteínas alcanzan

la membrana

La chaperona IN3rescata

a las proteínasO

Me MeMe

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O

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N

IN3

6. EL COMPUESTO IN3 guarda semejanza con un péptido. Sin embargo, es lo bastantepequeño e hidrofóbico como para atravesar la membrana celular y alcanzar el retículoendoplasmático. En ausencia de IN3, los receptores de la hormona liberadora de gona-dotropina portadores de la mutación E90K se pliegan incorrectamente; son degradadosantes de alcanzar su destino en la superficie celular. El IN3 se une al receptor de lahormona liberadora de gonadotropina a medida que se va sintetizando en el retículoendoplasmático, lo que ayuda al receptor naciente a adoptar un plegamiento correcto, in-cluso en presencia de algunas mutaciones; le faculta también para superar el control decalidad de la célula. IN3 compite con la hormona liberadora de gonadotropina del propioorganismo en la unión al receptor; ello significa que interaccionan con la misma región

de la proteína, si bien el lugar específico al que se une IN3 no se ha determinado.

I n o s i t o l f o s f a t o p r o d u

c i d o

0 –12 –10 –8 –6

Concentración de buserelina

(molaridad, escala logarítmica)

E90K + IN3

Normal

E90K

7. LOS E90K MUTANTES RESCATADOSCON IN3 alcanzan la membrana plasmá-tica, donde operan incluso mejor que sushomólogos normales. La actividad delreceptor se mide en razón de la produc-ción de inositolfosfato (la señal intrace-lular que emite el receptor de hormonaliberadora de gonadotropina) en respuestaa la buserelina, un compuesto que remedalos efectos de hormona liberadora degonadotropina.




de gonadotropina humana era muysensible a las perturbaciones.

Ninguna de las mutaciones ob-servadas en los pacientes con hipo-gonadismo hipogonadotrópico eraconservativa, es decir, cambiaba unaminoácido por otro con propieda-des semejantes: por ejemplo, alani-na por glicina o treonina por serina(ambas parejas sólo difieren en ungrupo metilo —CH3). Asimismo, noobservamos ningún ejemplo en el quela simple sustitución de un aminoá-cido hidrofóbico por otro tambiénhidrofóbico (valina por alanina), deuno dotado de carga positiva por otrodotado de carga positiva (lisina porarginina) o de uno con carga negativapor otro con carga negativa (aspartatopor glutamato) resultase patológico.Algunas de estas mutaciones se pro-ducen, sin la menor duda: pero, obien se encuentran silenciadas desdeel punto de vista clínico (no causanenfermedad) o provocan la muerte(o infertilidad) de cualquier embrión

que las porte.

Efecto negativo dominanteEl traslado de las proteínas trans-membrana, incluido el receptor de lahormona liberadora de gonadotropi-na, desde el retículo endoplasmáticohasta la membrana plasmática entra-ña cierta complejidad. Las proteínasque se encuentran cómodas en unamembrana lipídica no son solubles enlos contenidos acuosos del resto dela célula. En el caso de una proteína

con siete dominios transmembrana(el receptor de la hormona liberadorade gonadotropina, por ejemplo), laalternancia de dominios hidrofílicose hidrofóbicos dificulta el despla-zamiento a través del citoplasma.Parece que la célula soluciona esteproblema mediante el transporte conjunto de un grupo numeroso (oligó-mero) de receptores. Los dominioshidrofóbicos se orientan, enfrentadosentre sí, hacia el interior el oligómeroy se ocultan del citosol; los hidrofí-licos, en cambio, quedan expuestoshacia el exterior, para que interac-cionen con el agua circundante. Estaasociación molecular facilita, desdeel punto de vista termodinámico, eltransporte de los receptores hasta lamembrana plasmática.

Pero la oligomerización puede re-sultar perjudicial, pues la “manzanapodrida” termina por corromper todoel “cesto”. Este escenario se pone demanifiesto en las personas portadorasde una copia normal y una copia

defectuosa del gen. A pesar de queen un oligómero pueden mezclarseproteínas plegadas correctamente yproteínas mal plegadas, ocurre confrecuencia que el sistema de controlde calidad reconoce a los mutantes ymarca toda la estructura para su pos-terior eliminación. Así, se destruyela proteína mutante, pero también lasilvestre. Es el llamado efecto “nega-tivo dominante”: la mutación provocadaños que no se producirían por lasimple ausencia de ese gen.

Para hacer visible ese efecto re-

currimos a la microscopía confocal.Fusionamos el gen del receptor de lahormona liberadora de gonadotropinacon el gen que codifica la proteínafluorescente verde (PFV). La “pro-teína quimérica” resultante reveló laubicación intracelular de los recepto-res de la hormona liberadora de gona-dotropina, mediante los destellos queemitía al ser irradiada con luz de unalongitud de onda determinada. Lascélulas portadoras del receptor qui-mérico mostraban parte de la señalverde en el retículo endoplasmático,pero la mayoría siguió su ruta haciala membrana externa. Sin embargo,cuando añadimos el mutante E90Ka la vez que la quimera, la señalfluorescente aparecía confinada enel retículo endoplasmático, incapazde alcanzar la superficie. La farma-coperona IN3 revertía el esquema:devolvía la proteína quimérica a suemplazamiento correcto en la mem-brana externa, incluso en presenciadel receptor mutante. Por tanto, IN3rescataba ambas versiones, la mutan-

te y la normal.

Normas de salvamentoEl rescate de proteínas mediantefarmacoperonas puede aplicarse,en potencia, al tratamiento de cual-quier enfermedad provocada por unaproteína mal plegada o descarriada.Nuestros experimentos han corro-borado la hipótesis para el hipogo-nadismo hipogonadotrópico. Pero,¿cuáles son los principios generalesaplicables a terapias contra la enfer-

8. MODELO DEL RECEPTOR de hormonaliberadora de gonadotropina. Se trata deuna estructura hipotética de la confor-mación correcta, según se vería desdeel exterior de la célula. Se piensa que lahormona liberadora de gonadotropina seune a la cavidad formada por los siete do-minios transmembrana ( heli coides en rojo ).

Además, es probable que interaccione tam-bién con los bucles extracelulares (azul y

verde) y con una región con estructura dehoja beta antiparalela (flechas amarillas).Cabe señalar que esta estructura se hallaincompleta; la determinación estructuralde las proteínas de membrana entrañasuma dificultad porque resultan inadecua-das para los métodos de difracción derayos-X.

C O R T E S I A

D E

R A L P H

T

. M O S E L Y

, M E R C K

&

C O M P A N

Y / A m e r i c a n

S c i e n t i s t




medad de Parkinson, la enfermedadde Creutzfeldt-Jacob (versión huma-na de la enfermedad de las vacaslocas), la cardiomiopatía hipertróficay otras alteraciones del plegamientoproteico?

Para comprobar si nuestros resul-tados se limitaban al IN3, busca-mos otras moléculas que pudiesentambién rescatar a mutantes del re-ceptor de la hormona liberadora degonadotropina. Ensayamos con uncompuesto semejante, aunque conuna baja constante de afinidad: nofuncionó. Los antagonistas proteicosfracasaron también, pese a unirse alos receptores silvestres alojados enla superficie de las células en cultivo.A tenor de los resultados, las pro-teínas aparecían demasiado grandeso demasiado cargadas (dotadas deun exceso de carga eléctrica) para

introducirse en la célula y unirse alreceptor.

Sí se mostraron eficaces, sin em-bargo, antagonistas que, igual queIN3, eran petidomiméticos. Variosindoles, quinolonas y eritromicinasuperaron la prueba: se unían al re-ceptor de la hormona liberadora degonadotropina. Todos ellos rescata-ron E90K en mayor o menor gra-do. Apoyados en ese conocimiento,establecimos unas “normas básicasde salvamento”: la eficacia de lasmoléculas de un mismo grupo quí-mico era proporcional a su afinidadpara con el receptor de la hormonaliberadora de gonadotropina; dentrode cada grupo, los ligandos con ma-yor afinidad funcionaban mejor; entregrupos, el factor más determinanteera la solubilidad relativa, vale decir,la capacidad para atravesar la mem-brana celular y alcanzar la proteínanaciente.

¿Y si una farmacoperona estabili-zara una proteína sin unirse al mismolugar que el ligando natural? Tal con-

tingencia resultaría ventajosa, puesno exigiría la eliminación del fárma-co previa a la actuación del receptorrescatado. Esta hipótesis nos recor-daba la miríada de compuestos quelas compañías farmacéuticas analizanen busca de propiedades específicas.Su interés se centra en moléculasque operen como agonistas o anta-gonistas de la diana de interés. Perose trata de un criterio de búsquedademasiado restrictivo; se olvidaríade toda una farmacoperona que no

fuese ni agonista ni antagonista. Enlos archivos de los laboratorios far-macéuticos podría haber multitud deestructuras útiles que se han descar-tado en razón de unos criterios pocoexhaustivos.

Si el rescate de proteínas mutantesbasado en la asistencia de su ple-gamiento puede convertirse en unanueva vía terapéutica, ¿por qué noimaginar fármacos que aplicasen lamisma estrategia a proteínas norma-les? Si una farmacoperona alterasela velocidad de plegamiento de unaproteína normal, provocaría un ple-gamiento defectuoso y su posteriordegradación. Este “naufragio proteí-nico” podría facilitar la inhibición degenes cancerígenos descontrolados o

aportar nuevas perspectivas para laanticoncepción.

Otras proteínas recuperablesCon los resultados obtenidos con elreceptor de la hormona liberadora

de gonadotropina, especulamos sobrequé mutantes patológicos serían óp-timos candidatos para el rescate me-diante compuestos peptidomiméticosde tamaño reducido y permeables.

De entrada la proteína aberranteno debería portar mutaciones enaminoácidos esenciales para la uniónal ligando (en el caso de proteínasreceptoras), la unión al sustrato o acofactores (en el caso de enzimas),la unión a iones (en el caso de ca-nales iónicos) o para la interacción

Sin fármaco IN3

Normal

MutanteE90K

+normal

9. EN CELULAS EN CULTIVO, el IN3 rescata al receptor de la hormona liberadora degonadotropina mutante e incrementa la eficacia del plegamiento de la proteína normal.En ausencia del fármaco, el receptor normal (verde) aparece sobre la superficie de lacélula y en el retículo endoplasmático (teñido de azul ). Cuando están presentes el recep-tor normal (verde) y el mutante E90K (sin marcar ), en cambio, casi todas las proteínasreceptoras (normales y mutantes) se degradan y pocas, si alguna, alcanzan la membranaexterna. En ambos casos, la adición de IN3 incrementa la cantidad de proteína receptora

presente en la superficie celular y la cantidad total de proteína receptora, quizá porqueun plegamiento más eficaz se traduce en un aumento del número de receptores dehormona liberadora de gonadotropina que superan el sistema de control de calidad de lacélula. Estas imágenes representan apilamientos de múltiples secciones ópticas a travésde la célula.

P .

M I C H A E L

C O N N

Y

J O

A N N

J A N O V I C K / A m e r i c a n

S c i e n t i s t




con otros efectores (en el caso delas proteínas G y otras moléculasde señalización). Estas mutacionescomportan una pérdida de función,incluso en los mutantes que estáncorrectamente plegados y alojados.

En segundo lugar, las delecionesy los truncamientos notables generanuna proteína irrecuperable, debido ala ausencia de elementos necesariospara restablecer estructuras de ordensuperior.

En tercer lugar, la pérdida o ga-nancia de ciertos aminoácidos puederepresentar un obstáculo insalvablepara el rescate farmacológico. Elaminoácido cisteína forma enlacescovalentes con otras cisteínas de laproteína, enlaces de suma impor-tancia para el mantenimiento de laconformación. La ausencia o la for-mación inadecuada de tales unionespuede resultar tan perjudicial, quela proteína no se pliegue correcta-

mente ni siquiera en presencia deun molde. De manera análoga, lapérdida o ganancia de prolina pue-de limitar o bloquear el rescate delmutante, porque fuerza la apariciónde giros en el esqueleto proteico. Laestructura nativa de algunas proteínaspuede exigir un giro brusco que lasfarmacoperonas no pueden corregir.Otros candidatos dudosos para elrescate son los mutantes en los quelas sustituciones de aminoácidos im-piden o favorecen la formación de

puentes de hidrógeno, interaccionesdecisivas para el mantenimiento dela estructura de las proteínas.

En cuarto lugar, también las mu-taciones que introducen residuos detamaño reducido (glicina o alanina)dan lugar a candidatos propicios paralas terapias con farmacoperonas. Adiferencia de los problemas derivadosde la introducción de un aminoáci-do voluminoso (valina, triptófano otreonina), la incorporación de ami-noácidos de menor tamaño dota demayor libertad de movimiento y, portanto, facilita el plegamiento asistidopor un molde y aumenta la eficaciade un rescate farmacológico.

Plegamientos aberrantespatológicosAmén de las mutaciones en genesespecíficos, todo tipo de estrés ce-lular causa errores generalizadosen el plegamiento, modificación o

direccionamiento de las proteínas;cualquiera de estas alteraciones pro-vocan su degradación en manos dela maquinaria del control de calidad.Sin embargo, es de suponer que unexceso de moléculas defectuosas enel interior de la célula anularía elsistema de eliminación de residuosy provocaría la acumulación de pro-teínas aberrantes en el retículo en-doplasmático. Se piensa que la acu-mulación y agregación de proteínasmal plegadas son las responsables

de trastornos neurodegenerativoscomo la enfermedad de Alzheimerde aparición temprana, la enferme-dad de Parkinson y las patologíaspriónicas, así como las cataratas deaparición temprana, la deficiencia deα1-antitripsina, la diabetes mellitusde tipo II y la amiloidosis sistémica.En todos estos trastornos, intervienenproteínas o fragmentos proteicos queconvierten su conformación solublenormal en fibras insolubles y pegajo-sas (amiloides). Como ocurre con elβ-amiloide en el caso de la enferme-dad de Alzheimer o la α-sinucleínaen la enfermedad de Parkinson, estasproteínas se aglutinan para formaragregados fibrilares. Los agregadosinsolubles se forman en el interiory en el exterior celular.

A diferencia de los amiloides queforman agregados, la mayoría de las

enfermedades relacionadas con elplegamiento proteico están causadas,simplemente, por la degradación de laproteína mutante o por su ubicaciónerrónea en el interior de la célula.Un gran número de estos trastornos,entre ellos la retinitis pigmentaria, lafibrosis quística, la diabetes insípiday algunas formas de hipercolestero-lemia familiar, afectan a proteínasde membrana. En el caso de la hi-percolesterolemia familiar, diversasmutaciones del receptor de la lipopro-teína de baja densidad engendran unprocesamiento defectuoso que atraela atención del sistema de control decalidad, que luego marca al recep-tor para su degradación. La fibrosisquística se debe a mutaciones en elgen CFTR, codificador de un canalque transporta iones cloruro a travésde la membrana celular externa. Lamutación más frecuente es la desa-parición del aminoácido en posición508. Provoca la retención, mediadapor chaperonas, en el retículo endo-plasmático y la rápida proteolisis de

la proteína CFTR incompletamenteprocesada (aunque operativa). Así,el canal no alcanza la membranaplasmática y, por tanto, la célula nopuede regular el flujo de iones clo-ruro. Mecanismos similares explicancasos de diabetes insípida nefrogénica(mutaciones en el gen que codificael canal de agua acuaporina-2) y deretinitis pigmentaria (mutaciones enel gen de la rodopsina).

Ante el número de enfermedadesanimales y humanas causadas por

Extravío

Agregación

Negativo dominante

Fibrosis quística

Amiloidosis sistémica

Diabetes insípida nefrogénica

Cáncer

Hipogonadismo hipogonadotrópico

Retinitis pigmentaria

Enfisema

Deficiencia hepática de α1-antitripsina

Enfermedad de Alzheimer

Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob

Encefalopatías espongiformes

Anemia falciforme

Enfermedad de Parkinson

Cataratas

Cardiomiopatía hipertrófica

CFTR (canal de iones cloruro)

Fibrillas amiloides

Acuaporina-2, receptor V-2

Supresor tumoral p53

Receptor de hormona liberadora

de gonadotropina

Rodopsina, receptores carotenoides

α1-antitripsina

α1-antitripsina

Amiloide, proteína tau

Amiloide

Glicoproteína prion

Hemoglobina

α-sinucleína, parkina, ubiquitina C,

proteínas del cristalino

Proteínas del cristalino

Troponina T

Proteína(s) responsable(s)TrastornoAnomalía proteica

10. LAS PROTEINAS MAL PLEGADAS se hallan en el origen de numerosas enfermeda-des, algunas de las cuales se listan. El ejemplo del receptor de la hormona liberadora degonadotropina sugiere que las terapias basadas en farmacoperonas rescatarían algunasde estas proteínas aberrantes y recuperarían su funcionalidad.

T O M


S c i e n t i s t




proteínas mal plegadas, se ha desper-tado el interés por desarrollar trata-mientos correctores de este mecanis-mo patogénico. Las farmacoperonas,moléculas de tamaño limitado quepenetran fácilmente en la célula, seunen a la proteína mutante y pro-mueven su plegamiento correcto,parecen aplicables a todo el espec-tro de trastornos relacionados conel plegamiento proteico. Además, ennuestra opinión, compartida por otrosexpertos, presentan notables ventajassobre vías terapéuticas conocidas.Los ensayos clínicos que utilizan far-macoperonas para el tratamiento delhipogonadismo hipogonadotrópico,la fibrosis quística o la deficiencia deα1-antitripsina empezarán pronto. Yes muy probable que otros compues-tos con propiedades similares figurenen el futuro panorama del desarrollo

farmacológico.

P. Michael Conn es director adjuntoe investigador del Centro Nacional deInvestigación de Primates en Oregón.Ocupa una cátedra en el departamen-to de fisiología y farmacología deldepartamento de biología celular ydel desarrollo de la Universidad deCiencias y Medicina de Oregón. Jo

Ann Janovick, experta en diseño de

fármacos, lleva 20 años en el equipoque dirige Conn.©American Scient ist Magazine.

FOR WHOM THE BELL TOLLS: PROTEIN QUA-LITY CONTROL OF THE ENDOPLASMIC RE-TICULUM AND THE UBIQUITIN-PROTEASOME CONNECTION. Z. Kostova y D. H. Wolfen EMB O Journal 22, vol. 2309-2317; 2003.

QUALITY CONTROL IN THE ENDOPLASMIC RETICULUM. L. Ellgaard y A. Helenius en Nature Reviews Molecu lar Cell Biology ,vol. 4, págs. 181-191; 2003.

PHARMACOLOGIC RESCUE OF CONFORMATION-ALLY-DEFECTIVE PROTEINS: IMPLICATIONS FOR THE TREATMENT OF HUMAN DISEASE.A. Ulloa Aguirre, J. A. Janovick, S. P.Brothers y P. M. Conn en Traffic, vol.5, págs. 821-837; 2004.

BEYOND THE SIGNAL SEQUENCE: PROTEIN ROUTING IN HEALTH AND DISEASE. C. Castro-Fernández, G. Maya-Núñez y P. M. Connen Endocrine Reviews, vol. 26, n.o 4;págs. 479-503; 2005.

Los autores





1. LA MINA de uranio a cielo abiertode Oklo, en Gabón, presenta más de unadocena de puntos donde alguna vez hubofisiones nucleares en cadena.




F R A N Ç O I S

G A U T H I E R - L A F A Y E

Los antiguos

reactoresnuclearesde Oklo

Hace dos mil millones de años,

partes de una mina africana de uranioexperimentaron fisiones nucleares

espontáneas. Los detalles de este notablefenómeno se empiezan a esclarecer ahora

Alex P. Meshik




La primera condición de Kurodaera que el tamaño del depósito deuranio excediese la longitud mediaque viajan los neutrones capaces deprovocar la fisión, unos dos terciosde metro. Este requisito garantiza quelos neutrones emitidos por un núcleoque se fisiona puedan ser absorbidospor otro antes de escapar de la vetade uranio.

Un segundo prerrequisito es queel uranio 235 abunde lo suficiente.Hoy en día, ni la más concentrada ygrande veta de uranio podría conver-tirse en un reactor nuclear, porque laconcentración actual del uranio 235,menos de un 1 por ciento, resultademasiado baja. Pero este isótopo esradiactivo y se desintegra unas seisveces más deprisa que el uranio 238:abundaba mucho más en el pasadolejano. Hace dos mil millones de

años (aproximadamente cuando seformó el depósito de Oklo), el uranio235 constituía cerca del 3 por cien-to del uranio total, más o menos elnivel que se provoca artificialmenteen el uranio enriquecido que sirvede combustible en la mayoría de lascentrales nucleares.

El tercer ingrediente importante esun “moderador” de neutrones, unasustancia que frena los neutronesemitidos cuando un núcleo de ura-nio se rompe a fin de que induzcanmejor la rotura de otros núcleos deuranio. Finalmente, no debía habercantidades significativas de boro, litioo de otros “venenos”, que absorbenneutrones y paran enseguida cual-quier reacción nuclear.

Sorprendentemente, las condicio-nes reales que prevalecieron hace dosmil millones de años en 16 áreasseparadas de Oklo y de las contiguasminas de uranio de Okelobondo esta-ban muy cerca de las señaladas porKuroda. Estas zonas se identificaroncon exactitud hace décadas. Pero sólo

hace poco mis compañeros y yo he-mos aclarado detalles importantes delo que sucedió en el interior de unode esos antiguos reactores.

La prueba,en los elementos ligerosMuy poco después de que se descu-briese esa deficiencia de uranio 235,se confirmó que se debía a reaccionesde fisión naturales. La prueba in-cuestionable llegó del examen de loselementos más ligeros que se crean

ciento del total. Pero en estas mues-tras, que venían del depósito de Oklo,en Gabón (antigua colonia francesaen el Africa ecuatorial occidental),el uranio 235 constituía apenas el0,717 por ciento. Esta minúsculadiscrepancia bastaba para alertar alos científicos franceses de que habíasucedido algo extraño. Otros análisisdemostraron que el mineral de unazona, al menos, de la mina tenía pocouranio 235: parecían faltar unos 200kilogramos, con los que se podríanhaber fabricado media docena debombas nucleares.

Durante semanas, los especia-listas de la Comisión Francesa deEnergía Atómica permanecieronperplejos. Se dio con la solucióncuando alguien recordó una predic-ción publicada 19 años antes. En1953, George W. Wetherill, de la

Universidad de California en LosAngeles, y Mark G. Inghram, de laUniversidad de Chicago, indicaronque algunos depósitos de uranio pu-dieron haber sido otrora versiones

naturales de los reactores nu-cleares de fisión que, porentonces, comenzaban aconstruirse. Poco después,Paul K. Kuroda, químicode la Universidad de Ar-kansas, calculó las condi-ciones necesarias para queuna mina de uranio experi-

mentara espontáneamente lafisión automantenida, proceso

en el que un neutrón perdidoprovoca la rotura de un núcleode uranio 235, el cual emite másneutrones, causando que otros nú-cleos de uranio 235 se rompan, yasí sucesivamente, en una reacciónnuclear en cadena.

■ Hace algo más de treinta años, se descubrió que varios lugares de unamina de uranio de Gabón habían sido reactores de fisión nuclear natu-rales, hace unos 2000 millones de años.

■ El autor y dos colaboradores dedujeron de sus mediciones del gasxenón (un producto de la fisión del uranio) que uno de esos reactoresdebió de funcionar conforme a un ciclo, en el que permanecía encendi-do media hora y apagado dos horas y media, por lo menos.

■ Quizá futuros estudios del xenón conservado en minerales hallaránviejos reactores nucleares naturales en otros parajes. Pero, por ahora,los de Gabón son los únicos testigos de los cambios que las constantesfísicas fundamentales hayan podido experimentar en los últimos dos milmillones de años y modelos ideales del comportamiento, a lo largo degrandes períodos de tiempo, de los residuos nucleares enterrados.

Resumen/Reactores fósiles

En mayo de 1972, un opera-rio de una planta francesade procesado de combus-tible nuclear observó algoextraño. Había estado rea-lizando un análisis rutina-

rio del uranio proveniente de unafuente aparentemente ordinaria delmineral. Como ocurre siempre con eluranio natural, el material conteníatres isótopos, es decir, tres formascon masas atómicas diferentes: ura-nio 238, la variedad más abundante;uranio 234, la más rara, y uranio235, el isótopo más codiciado porquepuede alimentar una reacción nuclearen cadena. En cualquier parte de lacorteza terrestre, en la Luna e in-cluso en los meteoritos, los átomosde uranio 235 forman el 0,720 por

J E N

C H R I S T I A N S E N

A F R I C A

Gabón

GABON

Oklo

Okelobondo

Bangombe

200 kilómetros

2. SOLO SE HAN ENCONTRADO REAC-TORES NATURALES DE FISION en Okloy Okelobondo, dos minas contiguas deGabón, y en Bangombe, a unos 35 kilóme-tros de distancia.




cuando un núcleo pesado se rompe endos. La abundancia de estos produc-tos de la fisión resultó tan elevada,que no se podía sacar ninguna otraconclusión. Sin lugar a dudas, unosdos mil millones de años antes habíatenido lugar una reacción nuclear encadena, muy parecida a la famosaque Enrico Fermi y sus colaboradoreslograron en 1942.

Tras ese asombroso descubrimien-to, físicos de todo el mundo exami-naron las pruebas de la existencia detales reactores nucleares naturales.En 1975 se reunieron para compartirsus trabajos sobre “el fenómeno deOklo” en un congreso celebrado en

Libreville, la capital de Gabón. Elaño siguiente, George A. Cowan, querepresentó a los Estados Unidos enesa reunión (y que, dicho de sea depaso, es uno de los fundadores delconocido Instituto Santa Fe), escri-bía en julio un artículo para Scien-tific American en el que explicabalas conjeturas sobre esos antiguosreactores.

Explicaba que el uranio más abun-dante, el 238, al capturar neutro-nes liberados durante la fisión del

uranio 235, se convertía en uranio239 y, tras emitir dos electrones, enplutonio 239. Se generaron más dedos toneladas de este isótopo delplutonio en el depósito de Oklo.Aunque casi todo ese material, quetiene un período de semidesintegra-ción de 24.000 años, ha desaparecidodesde entonces (sobre todo por de-sintegración radiactiva natural), partedel propio plutonio experimentó lafisión, según lo atestiguado por lapresencia de sus productos de fisióncaracterísticos. La abundancia deesos elementos más ligeros permitióque se dedujera que las reaccionesde fisión debieron de durar centena-

res de miles de años. A partir de lacantidad de uranio 235 consumidocalcularon la energía total liberada,15.000 megawatt-año; de ésta y deotras pruebas infirieron la potenciamedia producida, que no debió dellegar a 100 kilowatt.

Es verdaderamente asombroso quese pusieran en marcha casi veintereactores naturales espontáneamentey que pudieran mantener una modestaproducción de energía durante quizásunos cientos de milenios. ¿Por qué

estas partes del depósito no estalla-ron y se autodestruyeron en cuantoempezaron las reacciones nuclearesen cadena? ¿Qué mecanismo pro-porcionó la autorregulación nece-saria? Esos reactores, ¿funcionaronconstantemente o de manera inter-mitente? Las respuestas emergieronlentamente tras el descubrimiento delfenómeno de Oklo. La última cues-tión permaneció abierta más de tresdécadas, hasta que mis compañeros yyo la abordamos en la Universidad deWashington en St. Louis. Para ello,examinamos un pedazo del enigmá-tico mineral africano.

La lección de los gases noblesNuestro reciente trabajo sobre uno delos reactores de Oklo se centró en unanálisis del xenón, gas inerte pesadoque puede permanecer confinado enel interior de los minerales durantemiles de millones de años. El xenóntiene nueve isótopos estables, creadosen distintas proporciones por diver-sos procesos nucleares. Al ser ungas noble, resiste el enlace químicocon otros elementos; por ello es fácilpurificarlo y someterlo a análisis iso-

Neutrónlibre

Neutrónliberado

Moderador

Las reacciones nuclea-

res en cadena empie-

zan cuando un único

neutrón libre choca

contra el núcleo de un

átomo fisionable, como el uranio 235

(arriba a la izquierda ). Este núcleo se

rompe, creando dos átomos más peque-

ños y liberando otros neutrones, que salen

a gran velocidad y deben frenarse antes

de que puedan inducir la rotura de otros

núcleos fisionables. En el depósito de

Oklo, igual que en los reactores nucleares

actuales de agua ligera, el agente “mode-rador” que frena los neutrones fue el agua.

Pero los reactores de Oklo se diferencian

de los actuales en su regulación. Las

centrales atómicas absorben los neutrones

con barras de control. Los reactores de

Oklo se calentaban hasta que el agua se

evaporaba.

235U

Productode fisión

Productode fisión

J E N


LA FISION NUCLEAR




tópico. Merced a su rareza, el xenónpermite detectar y rastrear reaccionesnucleares, incluso las que ocurrieronen meteoritos primitivos antes de queexistiera el sistema solar.

El análisis de la composición iso-tópica del xenón requiere un espec-trómetro de masas, instrumento quesepara los átomos según su peso ató-mico. Tuve la suerte de contar conuno sumamente preciso, construidopor mi colega de Washington CharlesM. Hohenberg. Pero antes de em-plearlo, hubo que extraer el xenón dela muestra. Para lograrlo, se calientael material, a menudo por encimadel punto de fusión, de modo quepierda su estructura cristalina y nopueda mantener atrapado el xenón. Afin de obtener la mayor informaciónsobre la génesis y la retención deeste gas, adoptamos un método más

delicado, la extracción por láser, quelibera el xenón selectivamente de unsolo grano de mineral y deja intactaslas áreas adyacentes.

Aplicamos esta técnica a muchospuntos minúsculos de nuestro úni-co fragmento disponible de roca deOklo, de sólo un milímetro de gro-sor y cuatro milímetros de diámetro.De entrada había que decidir dóndeteníamos que apuntar el rayo láser.Hohenberg y yo confiamos esa labora nuestra colega Olga Pravdivtseva,que había construido un mapa mi-nucioso de la muestra con rayos Xe identificado los minerales constitu-yentes. Después de cada extracción,purificamos el gas resultante y pasa-mos el xenón por el espectrómetrode masas de Hohenberg. Nos dio elnúmero de átomos de cada isótopoen la muestra.

Nuestra primera sorpresa fue lalocalización del xenón. No lo en-contramos en cantidades significati-vas, como habíamos esperado, en losgranos de mineral ricos en uranio.

La parte del león estaba atrapadaen minerales de fosfato de aluminio,que no contenían uranio. Es notableque estos granos mostraran la con-centración más alta de xenón jamásencontrada en un material natural.La segunda revelación asombrosafue la composición isotópica delgas extraído, distinta de la que seproduce en los reactores nucleares.Había perdido, parecía, una granporción del xenón 136 y 134 quese creó durante la fisión, mientras

que las cantidades de las variedadesmás ligeras del elemento se hallabanmenos alteradas.

¿Cómo pudo suceder semejantealteración de la composición isotó-pica? No se debió a las reaccionesquímicas: los isótopos son química-mente idénticos. ¿Quizá la produjeron reacciones nucleares, en con-creto la captura de neutrones? Trasun análisis meticuloso rechazamostambién esta posibilidad. Pensamosademás en la separación física de los

isótopos. Ocurre a veces: los átomospesados se mueven más lentos quelos ligeros y se separan de estos.Las plantas industriales de enriqueci-miento de uranio, cuya construcciónrequiere bastante habilidad, se valende esa circunstancia para producir elcombustible de los reactores. Peroaunque la naturaleza pudiera crearmilagrosamente un proceso similara escala microscópica, la mezcla deisótopos del xenón habría diferidode la que medimos en los granos

de fosfato de aluminio. Por ejemplo,medida con respecto a la cantidad dexenón 132 presente, la disminucióndel xenón 136 (cuatro unidades demasa atómica más pesado) habríadoblado la del xenón 134 (sólo dosunidades atómicas más pesado) encaso de que hubiese habido una se-paración física. Y no fue eso lo queobservamos.

Comprendimos el porqué de lacomposición anómala del xenón alreflexionar sobre cómo había apare-

cido ese gas. Ninguno de los isóto-pos del xenón que medimos procedíadirectamente de la fisión del uranio;eran productos de la desintegraciónde isótopos radiactivos del yodo, quea su vez se había formado del telu-rio radiactivo, y así sucesivamente,según una secuencia bien conocidade reacciones nucleares que generanxenón estable.

Dimos con la clave del problemacuando reparamos en un fenómeno:los diversos isótopos de xenón de la

235U

Neutrónfrenado

132I

Granosde uranio

Poro llenode agua

136I

134I

Flujode agua

134Xe

136Xe

132I

131I

131I

Productosde la fisión

Moderador

1 El agua subterránea que impregnaba el depósito actuó como

moderador, con lo que la fisión en cadena del uranio 235 se

puso en marcha. La desintegración de ciertos productos radiactivos

de la fisión dio lugar rápidamente al xenón 134 y al 136, pero el

calentamiento del reactor eliminaba estos átomos de gas. Los

precursores del xenón de vida más larga, el yodo 131 y el 132, se

disolvían en el agua, que se los llevaba tan pronto como se creaban.

L a fi s i ó n a u

m e n t a

l a t e m p e r a t u r a

EL XENON REVELA UN FUNCIONAMIENTO CICLICOPara explicar

la composición

isotópica del xenón

de Oklo hubo que

tomar en cuenta

otros elementos. El

yodo mereció una

atención especial

porque el xenón

surge de su desin-

tegración radiactiva.

El modelo de la

creación de los pro-

ductos de la fisión

y de su desinte-

gración radiactiva

reveló que la pe-

culiar composición

isotópica del xenón

era el resultado del

funcionamiento cí-

clico del reactor. Elciclo se representa

en los tres paneles

de la derecha.

J E N





muestra de Oklo se fueron creandoen momentos distintos, que depen-dían de los períodos de semidesin-tegración de sus progenitores deyodo y sus antepasados de telurio.Cuanto más vive un determinadoprecursor radiactivo, más tarda enproducirse el xenón que deriva deél. Por ejemplo, empezó a producir-se xenón 136 en Oklo alrededor deun minuto después del inicio de lafisión autosostenida. Una hora des-pués, se creaba el siguiente isótopo

estable más ligero, el xenón 134.Transcurridos unos días aparecieronel xenón 132 y el 131. Finalmente,pasados millones de años, y mu-cho después de que las reaccionesnucleares en cadena terminaran, seformó el xenón 129.

Si el depósito de Oklo hubie-ra permanecido como un sistemacerrado, el xenón acumulado duranteel funcionamiento de sus reactoresnaturales habría preservado la com-posición isotópica producida por la

fisión. Pero no hay razón alguna parapensar que el sistema fuese cerrado.Sí para creer todo lo contrario: elsimple hecho de que los reactores deOklo se autorregularan. El mecanis-mo de control más probable se basaen la acción del agua subterránea,que debía de evaporarse cuando latemperatura alcanzaba un cierto nivelcrítico. Sin agua que moderase losneutrones, las reacciones nuclearesen cadena cesaban temporalmente.Sólo se restablecía la fisión después

de que la veta se enfriara y se impreg-nase de nuevo la zona de la reaccióncon agua subterránea.

Esta descripción verosímil de losreactores de Oklo resalta dos puntosimportantes; a saber, los reactoresdebieron de funcionar a intervalosy atravesaron las rocas grandes can-tidades de agua, suficientes en todocaso para arrastrar consigo algunosde los precursores del xenón, el te-lurio y el yodo, solubles en agua. Lapresencia del agua también explica

por qué la mayor parte del xenón seencuentra hoy en granos de fosfatode aluminio y no en los mineralesricos en uranio donde la fisión creólos precursores radiactivos. El xenónno emigró de un conjunto de mine-rales preexistentes a otro. Es pocoverosímil que hubiera minerales defosfato de aluminio antes de quelos reactores de Oklo comenzarana funcionar; esos granos de fosfa-to de aluminio los crearía la accióndel agua calentada nuclearmente, una

vez se hubo enfriado hasta unos 300grados de temperatura.

Durante cada período activo de fun-cionamiento de un reactor de Oklo, yluego en el transcurso de cierto lapsode tiempo, mientras la temperaturaseguía siendo alta, se eliminaba bue-na parte del gas xenón (en sus formas136 y 134, que se generaban pronto).Cuando el reactor se enfriaba, losprecursores del xenón de vida larga(que más tarde producirían el xenón132, el 131 y el 129 que encontra-

Aguaresidual

Neutrón

rápido

132I

131IFosfato

de aluminio129I

132I

131I

L a t e m p e r a t u r a

a l c a n z a

e l m á x i m o y

b a j a

L a t e m p e r a t u r a

a l c a n z a

e l m í n i m o y

s u b e

2 Unos 30 minutos después de que comenzara la fisión nuclear,

la temperatura alcanzó el punto en que la mayor parte del

agua subterránea se evaporaba. El reactor se quedaba así sin

moderador y la fisión se apagaba. Algunos átomos de yodo 131 y

132, creados en la media hora anterior, quedaban encerrados en el

agua subterránea residual retenida entre los granos de mineral de

uranio. Sin reacciones de fisión que la mantuviesen, la temperatura

de la veta bajaba poco a poco.

3 Unas horas más tarde, la temperatura había caído lo

suficiente como para que volviera a fluir agua subterránea. Las

sustancias que llevaba el agua caliente dejaban de estar disueltas

y formaban minerales de fosfato de aluminio que incorporaban

el yodo 131 y el 132, precursores del xenón 131 y 132. (Estos

minerales también incorporaron yodo 129, que dio lugar al xenón

129 muchos millones de años después). Al haber de nuevo un

moderador, la fisión se reanudaba.




mos con una abundancia mayor de laesperada) se incorporaban sobre todoa los granos crecientes de fosfato dealuminio. A medida que iba llegandomás agua a la zona de la reacción, losneutrones se moderaban y la fisión sereanudaba; el ciclo de calentamientoy enfriamiento se repetía. El resulta-do era la peculiar segregación de losisótopos del xenón que descubrimos

en nuestras mediciones.No está muy claro qué fuerzas han

mantenido este xenón dentro de losminerales de fosfato de aluminiodurante casi la mitad de la vida delplaneta. En particular, ¿por qué elxenón generado durante un períodode funcionamiento no se eliminabadurante el siguiente? Cabe suponerque quedaba atrapado en la estruc-tura de los minerales de fosfato dealuminio y que estos pudieron reteneren su interior el gas xenón, incluso

a altas temperaturas. Los detalles si-guen resultando confusos, pero seancuales sean las respuestas finales, deuna cosa no hay duda: la capacidaddel fosfato de aluminio para capturarel xenón es asombrosa.

Los tiempos naturalesUna vez establecidas las líneas gene-rales de la creación del conjunto de

isótopos del xenón que se observadentro de los granos de fosfato dealuminio, nos propusimos esbozarun modelo matemático del proce-so. Con este ejercicio aprendimosmucho sobre los tiempos de fun-cionamiento del reactor. Todos losisótopos del xenón proporcionaroncasi la misma respuesta. El reactorde Oklo que estudiamos funcionabadurante treinta minutos y se deteníadurante dos horas y media, por lomenos. Esta pauta no es muy distinta

de la que se ve en algunos géiseres,que se van calentando lentamente,evaporan su suministro de aguasubterránea durante una exhibiciónespectacular, se rellenan y repitenel ciclo sin cesar, año tras año. Estasemejanza respalda la idea de que elagua subterránea que circulaba por eldepósito de Oklo no sólo moderabalos neutrones: su evaporación pe-riódica regía la autorregulación queimpidió que aquellos reactores natu-rales se destruyesen. En este papelregulador, el agua no pudo ser máseficaz: ni una sola vez en centenaresde millares de años se fundieron oestallaron los reactores.

Los ingenieros nucleares podríanaprender de Oklo, aunque no tantosobre el diseño de los reactores comosobre los residuos nucleares. Al finy al cabo, Oklo sirve como buen

análogo de un depósito geológico alargo plazo. Por eso se ha estudiadocon gran detalle cómo los varios pro-ductos de la fisión han ido emigrandode estos reactores naturales a lo largodel tiempo. Se ha escudriñado otrazona parecida, donde también tuvolugar una antigua fisión nuclear. Lahallaron en unas perforaciones ex-ploratorias realizadas en Bangombe,a unos 35 kilómetros de distanciade Oklo. El reactor de Bangombereviste especial interés porque estáenterrado a menos profundidad quelos descubiertos en las minas deOklo y de Okelobondo; por eso loha atravesado más agua en épocasrecientes. En conjunto, las observa-ciones ratifican la fe en que muchasclases de residuos nucleares peligro-sos se pueden guardar con seguridadbajo tierra.

Oklo muestra además un modo dealmacenar algunas formas de resi-duos nucleares de las que se creíaque han de contaminar el entornocasi sin remedio. Desde que existen,

las centrales nucleares han arrojadoa la atmósfera enormes cantidadesde xenón 135, criptón 85 y otrosgases inertes radiactivos. Los reac-tores de fisión naturales nos ense-ñan que esos productos residualespodrían encerrarse en minerales defosfato de aluminio, con su singularcapacidad de apresar y de retenertales gases durante miles de millonesde años.

Los reactores de Oklo podríanguardar también la huella de los

2 3 5 U

( p o r c e n t a j e d e l u r a n i o t o t a l )

Edad en miles de millones de años

30

20

10

0

Uranio para armamento

Veta de Oklo

22

20

18

16

14

12

10

8

6

42

0 N ú m e r o d e m u e s t r a s d e m i n e r a l

235U (porcentaje del uranio total)

Veta de Oklo

0,7180,717

4 3 2 1 0

0,719 0,720

2. LOS ATOMOS DE URANIO 235 constituyen cerca del 0,720 por ciento del uranionatural, casi universalmente. Por eso se sorprendieron los operarios que descubrieron queel uranio de la mina de Oklo contenía poco más del 0,717 por ciento. Este resultadocae fuera del intervalo encontrado en otros minerales de uranio (arriba). La explicaciónreside en que, en el pasado, la razón del uranio 235 al uranio 238 era más alta, segúnse deduce del brevísimo período de semidesintegración del uranio 235. Esta razón máselevada hizo posible la fisión, que consumió gran parte del uranio 235. Cuando se formóel depósito de Oklo, hace mil ochocientos millones de años, el nivel natural del uranio235 se acercaba al 3 por ciento, valor similar al que ahora se utiliza como combustibleen muchos reactores nucleares. Cuando se formó la Tierra, hace unos 4600 millones deaños, la cifra superaba el 20 por ciento; a esa composición isotópica se la consideraríahoy “uranio para fines militares”.

J E N

C H R I S T I A N S E N ; F U E N T E

D E L H I S T O G R A M A : “ T H

E

V A R I A B I L I T Y

O F

T H E

N A T U R A L

A B U N D A N C E

O F 2

3 5 U , ” P O R

G E O R G E

A . C O W A N

Y

H A N S

H . A D L E R

E N

G E O C H I M I C A

A N D

C O S M O C H I M I C A

A C T A , V O L . 4 0 ; 1 9 7 6




cambios que quizá haya sufrido α,

en los últimos dos mil millones deaños; de esa cantidad adimensionaly antaño supuesta constante físicafundamental, dependen magnitudesuniversales, como la velocidad dela luz. Durante treinta años, Okloha sido una prueba en contra deque α haya cambiado, al menos enel tiempo transcurrido desde que seencendieron los reactores. Pero en2004 Steven K. Lamoreaux y JustinR. Torgerson, del Laboratorio Na-cional de Los Alamos, dedujeronde los datos de la mina que dicha"constante" ha variado en ese lapsosignificativamente (y en el sentidoopuesto del propuesto por otros a

partir de observaciones de supernovas

mucho más antiguas que los reactoresde Gabón). Los cálculos de Torgersony de Lamoreaux se apoyan en cier-tos detalles del funcionamiento deOklo. El trabajo que hemos llevadoa cabo podría ayudar a aclarar estacuestión.

¿Fueron esos antiguos reactoresen Gabón los únicos que se hayanformado en la Tierra? Hace dos milmillones de años las condiciones ne-cesarias para la fisión sostenida nodebieron de ser muy raras. Quizá sedescubran más reactores naturales.Espero que algunas pizcas de xenónsirvan de pista extraordinaria en esabúsqueda.

Alex P. Meshik comenzó sus estudios de física en la Universidad de San Petersbur-go. Se doctoró en el Instituto Vernadsky de la Academia de Ciencias rusa en 1988.Su tesis doctoral versó sobre geoquímica, geocronología y química nuclear de losgases nobles xenón y criptón. En 1996 se incorporó al Laboratorio de Ciencias delEspacio de la Universidad de Washington, en St. Louis, donde hoy investiga sobre losgases nobles del viento solar recogidos a tierra por la nave Génesis.

ON THE NUCLEAR PHYSICAL STABILITY OF THE URANIUM MINERALS. Paul Kazuo Kuroda en Journal of Chemical Physics, vol. 25, n.o 4, páginas 781–782; 1956.

A NATURAL FISSION REACTOR. George A. Cowan en Scientific American , vol. 235, n.o 1,páginas 36–47; julio 1976.

NEUTRON MODERATION IN THE OKLO NATURAL REACTOR AND THE TIME VARIATION OF ALPHA.S. K. Lamoreaux y J. R. Torgerson en Physical Review D , vol. 69, n.o 12, Trabajo121701(R); junio 2004.

RECORD OF CYCLING OPERATION OF THE NATURAL NUCLEAR REACTOR IN THE OKLO/OKELOBONDO AREA OF GABON. A. P. Meshik, C. M. Hohenberg y O. V. Pravdivtseva en Physi cal

Review Letters , vol. 93, n.o 18, Trabajo 182302; 29 de octubre, 2004.

El autor


Composición isotópica

del xenón en el fosfatode aluminio de Oklo


del xenónen la atmósfera


del xenón en la fisióndel uranio 235

136

134

132

131

130

129

128

Isótoposdel xenón

J E N


3. El GAS XENON extraído de los minerales de fosfato de aluminio de una muestra deOklo mostró una composición isotópica curiosa ( izquierda). El patrón no se ajustaba alo que se espera de la fisión del uranio 235 ( centro), ni se asemeja a la composiciónisotópica del xenón atmosférico (derecha). Las cantidades de xenón 131 y 132 son másaltas y las cantidades de xenón 134 y 136 más bajas que lo habitual. Aunque estasobservaciones dejaron en un principio al autor bastante desconcertado, más tarde com-prendió que contenían la clave del funcionamiento del reactor nuclear africano.




Nada nos es más inmediato que nosotros mismos. En palabrasde Todd Heatherton, psicólogo de la Universidad de Darmouth:“Cuando bajamos la mirada y nos vemos el cuerpo, sabemosque es el nuestro. Cuando alargamos la mano para asir algo,sabemos que es nuestra mano lo que controlamos. Cuando re-

cordamos, sabemos que los recuerdos son nuestros, no de otros. Cuandonos despertamos, no hemos de preguntarnos quiénes somos”.

Nuestra propia identidad puede resultarnos obvia, pero también enigmática.El propio Heatherton esquivó durante muchos años abordarla de frente, apesar de que había estado investigando el control de uno mismo y la auto-estima, amén de otros problemas afines, ya desde los días de sus estudiosdoctorales. Todo lo que le interesaba, explica, tenía que ver con el yo, perono con el problema filosófico de qué es el yo. Eludía las especulacionesrelativas a su significado. O, al menos, lo intentaba.

Ya no es así. En la actualidad, Heatherton y un creciente número decientíficos encaran la cuestión sin rodeos. Quieren averiguar de qué modoaflora el sentimiento de la propia identidad en el cerebro. En estos últi-mos años se han ido encontrando determinadas actividades cerebrales quequizá resulten esenciales para la producción de diferentes aspectos de laconciencia de uno mismo. Están ahora tratando de averiguar de qué modoesas actividades hacen surgir el sentimiento unificado que todos tenemosde constituir un solo ente. La investigación está proporcionando indiciosacerca del modo en que pudo haber evolucionado la sensación de la propiaidentidad en nuestros ancestros homínidos. Es posible incluso que ayudeen el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer y de otras dolencias queerosionan el conocimiento del yo, y que, en algunos casos, llegan a des-truirlo por completo.A

ARON GOODMAN

La biología empieza a elucidar

de qué modo engendra el cerebro

el constante sentimiento de nuestra propia identidad

La neurobiología

del yo

Carl Zimmer




El yo es especialEl psicólogo norteamericano WilliamJames puso en marcha el modernoestudio del yo en 1890, con su libro Los principios de la psicología, unauténtico hito. En él proponía: “Co-mencemos con el yo en su acepciónmás amplia, y sigámoslo hasta suforma más sutil y delicada”. Sosteníaque aunque el yo pueda dar la im-presión de ser un ente unitario, poseemuchas facetas, desde la concienciade nuestro propio cuerpo y los recuer-dos que tenemos de nosotros mismoshasta la percepción de nuestro puestoen la sociedad. Pero James confesabasu desconcierto sobre cómo producíael cerebro estos pensamientos relati-vos a sí mismo y lograba entretejerlosen un único ego.

Desde entonces, una serie de expe-rimentos psicológicos han proporcio-

nado indicios elocuentes. Investiga-dores interesados en los recuerdos dela propia identidad, por ejemplo, leshan formulado a voluntarios pregun-tas acerca de sí mismos y de otros.Posteriormente les pasaban un cues-tionario, para ver hasta qué puntose acordaban de las preguntas. Lossujetos acertaron más en las pregun-tas concernientes a ellos mismos queen las referidas a otros. Como diceHeatherton, lo que se etiqueta comoreferente a nuestro yo se recuerdamejor.

Ciertos psicólogos han objetadoque tales resultados significan, sólo,que estamos más familiarizados connosotros mismos que con los demás.Otros, en cambio, han concluido queel yo es especial, que el cerebro sevale de un sistema distinto y máseficiente para procesar la informa-ción concerniente al yo. Pero losensayos psicológicos no han podi-do determinar la vencedora en esta

de sí mismo conservaba, le presenta-ron una lista de 60 rasgos psicológi-cos y le preguntaron si creía poseer-los en alguna medida, bastante, porcompleto o en absoluto. El mismocuestionario le fue presentado a lahija de D.B., a quien se le pidió quese valiera de la lista para describira su padre. Las respuestas elegidaspor D.B. y por su hija presentaronuna correlación significativa. Se po-dría concluir que el paciente habíaconservado una cierta noción de símismo a pesar de no tener acceso alos recuerdos de quién era.

Indicios en cerebros sanosLos avances técnicos de la toma deimágenes cerebrales han posibilitadoque la investigación no se limite acerebros lesionados y pueda reali-zarse sobre cerebros sanos. En el

Colegio Universitario de Londres sehan utilizado escáneres del cerebropara tratar de averiguar de qué formaadquirimos conciencia de nuestroscuerpos, lo que constituye el nivelmás elemental, “la parte más básica,lo primero en el nivel más bajo delyo”, como dice Sarah-Jayne Blake-more, una investigadora de ese centrolondinense.

Cuando nuestro cerebro emite unaorden destinada a mover alguna par-te de nuestro cuerpo, se envían dosseñales. Una se dirige a las regionescerebrales que controlan aquellas par-tes del cuerpo que han de moverse,la otra va a regiones que supervisanlos movimientos. La información enambas es exactamente la misma, peroremitida a diferentes destinos.

Nuestros cerebros se valen deesa copia para pronosticar qué tipode sensación nos va a producir laacción. Al guiñar un ojo tendremosla impresión de que los objetos semueven a través del campo de visión.Al hablar, oiremos nuestra voz. Al

asir el pomo de una puerta sentire-mos la frialdad del metal. Pero si lasensación realmente percibida no seciñe mucho a nuestra expectativa, elcerebro se percatará de la diferencia.Tal desajuste hará que prestemos másatención a lo que estamos haciendoo nos inducirá a reajustar nuestrasacciones con el fin de lograr los re-sultados deseados.

Pero si la sensación no concuerdaen absoluto con lo previsto, nues-tros cerebros interpretarán que no

confrontación de opiniones, porqueen muchos casos las hipótesis ha-cían iguales predicciones sobre losresultados experimentales.

Las lesiones que afectan a las re-giones cerebrales que intervienen enla formación del yo han aportadootros indicios. El caso más famoso talvez sea el de Phineas Gage, ocurridoen el siglo XIX. Este capataz de obrasferroviarias se encontraba en el lugarindebido en el momento inadecuadocuando una explosión fortuita hizoque el hierro con que apretaba lacarga de dinamita en un barreno sa-liera disparado. La barra atravesó lacabeza de Gage, quien, para generalasombro, sobrevivió.

Ya curado, sus amigos observaronque había cambiado. Antes del acci-dente, Gage era un trabajador eficazy con buena vista para las cosas del

negocio. Tras el percance se volviómalhablado, mostraba poco respetopor los demás y le costaba mucho tra-zar planes para el futuro. Sus amigosdecían que “ya no era Gage”.

Casos como el de Gage han he-cho ver que no es lo mismo el yoque la conciencia. El sentimiento deuno mismo puede quedar mermadosin que el sujeto pierda la concien-cia. Asimismo, las lesiones cerebra-les han permitido observar que laconstrucción de la propia identidades complicada. Véase, si no, el casode un paciente amnésico conocidocomo D.B., estudiado en 2002 porStan B. Klein y sus colaboradoresde la Universidad de California enSanta Bárbara. Este paciente contaba75 años cuando sufrió una lesión ce-rebral tras un infarto cardíaco. Perdióla facultad de recordar cosa algunaque hubiera hecho o experimentadoantes del ataque. Tratando de averi-guar qué capacidad de conocimiento

■ Cada vez hay más neurobiólogos que exploran cómo forma y mantieneel cerebro el sentimiento de la propia identidad.

■ Se ha observado que varias regiones del cerebro responden de mododistinto a la información concerniente al propio yo que a la concer-niente a otros, aun cuando se trate de personas muy cercanas a unomismo. Tales regiones se mantendrán más activas cuando el individuopiense en lo que le caracteriza a él que en lo que caracteriza a otros.Quizá formen parte de una red cerebral de la que dependa la propiaidentidad.

■ Para algunos investigadores, el objeto de estos trabajos consiste encomprender mejor la demencia y encontrarle nuevos tratamientos.

Resumen/Mi cerebro y yo




somos nosotros quienes las provo-can. Blakemore y sus compañeroshan documentado este desplazamien-to efectuando escáneres de cerebrosde sujetos hipnotizados. Cuando seles dijo que les estaban alzando losbrazos con una cuerda y una polea,levantaron los brazos. Pero sus ce-rebros respondieron como si otro lesestuviera levantando los brazos, no

como si los alzaran por sí mismos.Puede que tras ciertos síntomas

de la esquizofrenia se esconda unacarencia similar de conciencia desí. Algunos esquizofrénicos llegana convencerse de que no puedencontrolar sus cuerpos. Como expli-ca Blakemore, extienden el brazopara asir un vaso, con movimientostotalmente normales; sin embargo,dicen: “No he sido yo. La máquinaque está allí me ha controlado y meha obligado a hacerlo”.

Los estudios realizados con esqui-zofrénicos inducen a pensar que elorigen de estas creencias ilusoriaspudiera ser la errónea previsión desus propios actos. Dado que las sen-saciones no casan con sus expecta-tivas, tienen la impresión de que laresponsabilidad corresponde a otracosa. Tal vez se puedan achacara la previsión errónea las alucina-

ciones acústicas que experimentanalgunos esquizofrénicos: incapacesde pronosticar el sonido de su vozinterior, piensan que pertenece a otrapersona.

Una de las razones de que la no-ción del yo pueda ser tan frágil pudie-ra ser que la mente humana procurasin cesar introducirse en la mente deotras personas. Se ha descubierto quelas llamadas “neuronas especulares”remedan las experiencias de otros.Cuando vemos, por ejemplo, que otro

recibe un pinchazo doloroso, se nosestimulan neuronas en la región cere-bral responsable del dolor. El grupode Blakemore ha observado que in-cluso la visión de que a otro lo tocanpuede activar neuronas especulares.Mostraron a un grupo de volunta-rios vídeos en los que se tocaba avarias personas en uno u otro ladode la cara o del cuello. Los vídeossuscitaron en ciertas áreas cerebra-les de los voluntarios las mismasrespuestas que se producían cuandoeran ellos los tocados en las corres-pondientes partes de sus cuerpos. Lainspiración para este estudio le llegóa Blakemore cuando conoció a unamujer de 41 años, llamada C., quellevaba esta empatía hasta extremossorprendentes: la visión de que al-guien era tocado provocaba que C.sintiera que la tocaban a ella en el

mismo lugar de su cuerpo. Esta mujercreía que a todo el mundo le pasabalo mismo.

Blakemore escaneó el cerebro de lamujer y comparó sus respuestas conlas de voluntarios normales. CuandoC. veía que se tocaba a otra persona,las regiones tactosensoriales de su ce-rebro reaccionaban más vigorosamen-te que las de los sujetos normales.Además, la ínsula anterior (regiónsituada en la superficie cerebral, nolejos de la oreja) se tornaba activaen C., pero no en los voluntariosnormales. A Blakemore le parece re-velador que la ínsula anterior tambiénexhibiese actividad en los barridoscerebrales de personas a quienes seles mostraban fotografías de sus ros-tros, o que estaban identificando suspropios recuerdos. Cabe en lo posibleque la ínsula anterior contribuya amarcar que ciertas informaciones noaluden a otros, sino que se refierena nosotros mismos. En el caso deC., esa asignación de la informaciónresulta incorrecta.

Los escáneres cerebrales tambiénhan arrojado luz sobre otros aspectosdel yo. Heatherton y sus colegas deDartmouth han venido utilizando es-tas técnicas para sondear el misteriode por qué recordamos mejor la in-formación relativa a nosotros mismosque los detalles sobre otras personas.En concreto, obtuvieron imágenes delos cerebros de voluntarios que es-taban viendo una serie de adjetivos.Los investigadores, en algunos casos,le preguntaban a los sujetos si una A

A R O N

G O O D M A N




de esas palabras se les podía aplicara ellos mismos. En otros, les pregun-taban si concordaba bien con GeorgeW. Bush. Y en otros casos todavía,les preguntaban sencillamente si lapalabra estaba escrita en mayúsculaso en minúsculas.

Tras comparar los patrones de ac-tividad cerebral desencadenados porcada tipo de pregunta, se observóque las preguntas concernientes al yoprovocaban la activación de regionesque no se excitaban con preguntasrelativas a otras personas. Los re-sultados dieron mayor fuerza a lahipótesis de que el yo es “especial”frente a la de que es “familiar”.

Un denominador comúnEl equipo de Heatherton descubrióque la corteza prefrontal media esuna región importante para el pensa-

miento sobre uno mismo. Se trata deuna parcela de neuronas emplazadaen la hendidura que separa los doshemisferios cerebrales, justo detrásde los ojos. Esa misma región habíaya merecido la atención de estudiossobre el yo realizados por otros labo-

ratorios. Heatherton está intentandoahora averiguar cuál es el papel quedesempeña.

Heatherton recalca que es ridículopensar que exista en el cerebro unpunto concreto que sea el yo. Loque sí sospecha es que la cortezaprefrontal media puede ligar entresí todas las percepciones y recuerdosque contribuyen a producir la idea deser uno mismo, a crear un sentimien-to unitario de quiénes somos.

Si Heatherton está en lo cierto,puede que la corteza prefrontal me-dia desempeñe con respecto al yo elmismo papel que el hipocampo parala memoria. Aunque el hipocampo esesencial para la formación de nuevosrecuerdos, se pueden retener todavíarecuerdos antiguos incluso despuésde que el hipocampo haya sufridouna lesión. Se cree que el hipocam-

po no almacena información en símismo, sino que crea recuerdos alconectar entre sí regiones cerebralesmuy alejadas.

Pudiera ser que la región pre-frontal media estuviera hilvanandocontinuamente un sentimiento de

quiénes somos. Debra A. Gusnard,de la Universidad de Washington, ysus colaboradores han investigado loque ocurre en el cerebro cuando seencuentra en reposo, es decir, no estáocupado en ninguna tarea concreta.Resulta que la corteza prefrontal me-dia se torna más activa que durantemuchos tipos de pensamiento. Nospasamos casi todo el tiempo, explicaHeatherton, con ensoñaciones, pen-sando en lo que nos ha ocurrido, oen lo que otros nos parecen, y ambascosas entrañan una reflexión sobreuno mismo.

Otros están investigando cuáles sonlas redes cerebrales que quizá esténcontroladas por la corteza prefrontalmedia. Matthew Lieberman, de laUniversidad de California en LosAngeles, se ha valido de escánerescerebrales para resolver el misterio

de D.B., el paciente que se conocíaa sí mismo a pesar de sufrir amne-sia. Su equipo barrió los cerebrosde dos grupos de voluntarios: futbo-listas y actores. Los investigadoresescribieron seguidamente dos listasde palabras, cada una de las cua-

RostrosComo señala Carl Zimmer en el artículo, los

investigadores discrepan acerca de si el cere-bro trata al yo como un ente especial, es de-cir, si procesa la información concerniente alyo de distinta forma que procesa lo referentea otros aspectos de la vida. Hay quienes adu-cen que, si bien algunas partes del cerebrocambian su actividad cuando pensamos ennosotros mismos, lo hacen así sencillamentepor nuestra familiaridad con nosotros mismos, no porque altratarse de nuestro yo se le otorgue un tratamiento específi-co: cualquier cosa que nos fuera muy conocida suscitaría lamisma reacción.

Para investigar esta cuestión, se fotografió a un hombre,al que se conoce por J. W., cuyos hemisferios derecho e iz-quierdo actuaban con plena independencia tras una operación

quirúrgica que había seccionado las conexiones interhemis-féricas (debida una epilepsia intratable por otros medios).Fotografiaron también a alguien a quien J. W. conocía bien:

Michael Gazzaniga, famoso investigador del

cerebro que había pasado mucho tiempo conJ. W. Prepararon seguidamente una serie deimágenes en las que la cara de J. W. iba con-virtiéndose en la de Gazzaniga (abajo ), y selas mostraron a aquél en orden aleatorio. Elsujeto, al serle presentada una imagen, teníaque responder a la pregunta: “¿Soy yo?”. Serepitió el proceso haciendo que respondiera a

“¿es Mike?”. El experimento se repitió también con los rostrosde otras personas a quienes J. W. conocía bien.

Se observó que el hemisferio derecho de J. W. se activabamás cuando reconocía a personas que le eran familiares;en cambio, el hemisferio izquierdo exhibía máxima actividadcuando J. W. se veía en las fotografías. Estos hallazgosparecen respaldar la conjetura de que “el yo es especial.”

Pero la cuestión dista de estar resuelta, pues ambas posturascuentan con indicios en su favor.—Ricki Rusting

J. W. Gazzaniga

“ M I K E

O R

M E ?

S E L F - R E C O G N I T I O N

I N

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S P L I T - B R A I N

P A T I E N T ” , D E

D A V I D

J . T U R K

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A L . E N

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N E U R O

S C I E N C E , V O L . 5 , N . o

9 ; S E P T I E M B R E

D E

2 0 0 2

90 por ciento

J.W.Transformación 10 por ciento

J.W.




les valía mejor para uno de los dosgrupos (atlético, recio, rápido, paralos jugadores; intérprete, dramático yotras por el estilo, para los actores.)Compusieron también una tercera lis-ta de palabras que no se aplicabanespecíficamente a ninguno de losdos grupos (desordenado y fiable,por ejemplo). Después presentaronlas palabras a sus sujetos y les pi-

dieron que decidieran, una a una, siles eran aplicables o no.

Se observaron diferencias en los ce-rebros de los voluntarios al respondera las distintas palabras. Las asociadasal fútbol tendieron a aumentar la ac-tividad de una determinada red de loscerebros de los futbolistas, la mismaque se activó en los actores con laspalabras de su profesión. Cuando lesfueron presentadas palabras corres-pondientes al otro grupo, se activóuna red distinta. Lieberman denomi-

na a dichas redes el sistema reflectivo(o sistema C) y el sistema reflexivo (osistema X).

El sistema C se conecta con elhipocampo y con otras regionesdel cerebro de las que ya se sabeque recuperan recuerdos. Tambiénincluye regiones capaces de alojar,de forma consciente, datos e infor-maciones. Cuando nos encontramos

en circunstancias nuevas, nuestrosentimiento del yo se funda en pen-samientos explícitos sobre nuestrasexperiencias.

Pero Lieberman sostiene que, conel tiempo, el sistema X toma lasriendas. El sistema X, en lugar derecuerdos, codifica intuiciones; co-necta con regiones que generan rápi-das respuestas emotivas basadas, noen razonamientos explícitos, sino enasociaciones estadísticas. El sistemaX tarda en formar su conocimiento

de sí mismo, pues hacen falta mu-chas experiencias para formar esasasociaciones. Pero en cuanto tomaforma, se vuelve muy poderoso. Losfutbolistas saben si son atléticos,fuertes o veloces sin tener que con-sultar sus recuerdos: tales cualidadesestán visceralmente imbricadas enquiénes son. En cambio, no tienenese mismo instinto por lo que se

refiere a sus cualidades dramáticas,y ante las palabras correspondienteshabían de pensar explícitamente ensus experiencias. Los resultados deLieberman pueden resolver el miste-rio del paradójico conocimiento desí mismo que tiene D.B., pues resul-ta concebible que su lesión cerebraleliminase su sistema reflectivo, perono su sistema reflexivo.

La neurociencia del yo tiene en laactualidad un verdadero auge, perono carece de críticos. Según Martha

Las regiones cerebrales resaltadas en la figura se cuentan entre las implicadas, al menos según algunos estudios,en el procesamiento o recuperación de información específicamente relacionada con el yo, o en el mantenimiento,en cualquier situación, de un sentimiento cohesivo del yo. Para mayor claridad, se ha omitido el hemisferio izquierdo,a excepción de la ínsula anterior.

INSULA ANTERIORSe torna especialmenteactiva cuando observamosfotografías de nuestro rostro

PRECUNEOParticipa en la recuperación derecuerdos sobre la propia vida

VISTA FRONTAL

CORTEZA PREFRONTAL

MEDIALEs posible que conjuguepercepciones y recuerdosdel yo, y los combine enuna sensación permanentede ser uno mismo

COMPONENTES DE UNA RED DE PROPIA IDENTIDAD

3 F X , I N C .




Farah, neurocientífica de la cogniciónde la Universidad de Pennsylvania,muchos de estos estudios no estánsometidos a ninguna restricción, porlo que no pueden enseñar nada. Losexperimentos —objeta— no se handiseñado con el cuidado necesariopara evitar otras explicaciones, como,por ejemplo, que ciertas regiones delcerebro se utilizan para pensar en cual-quiera, incluso en nosotros mismos.

Heatherton y otros científicosimplicados en esas investigacionesconsideran que Farah critica condemasiada dureza una especialidadque aún es demasiado joven. De to-dos modos, están de acuerdo en quetodavía tienen mucho que averiguarsobre la red de la propia identidady su funcionamiento.

El yo evolutivoMejor conocida, esa red ayudaría acomprender la evolución del senti-miento de nuestra propia identidad.Es probable que los primates an-tepasados de los humanos tuvieranuna conciencia corporal básica desí mismos como la que está inves-tigando Blakemore con su equipo.(Estudios realizados en monos in-dican que predicen sus actos.) Perolos seres humanos han desarrolladoevolutivamente un sentimiento de supropio yo sin par por su complejidad.La corteza prefrontal media es una delas regiones más característicamen-te humanas del cerebro. Liebermanconsidera que algo especial debe dehacer. No sólo es más grande en loshumanos que en los primates no hu-manos, sino que cuenta también conmayor concentración de unas neuro-nas que presentan una forma ahusadamuy singular. No se sabe todavía cuáles la función de estas neuronas, perose sospecha que desempeñan un pa-pel importante en el procesamientode la información.

Heatherton opina que la red del yohumana pudo haber evolucionado enrespuesta a la compleja vida socialde nuestros ancestros. Los homínidosvivieron durante millones de años enpequeñas hordas, cooperando parabuscar alimento y compartir lo quehallasen. Según Heatherton, esa for-ma de vida requiere de autocontrol.Ha de haber cooperación y ha dehaber confianza, conductas, sostiene,que exigen una fina conciencia deuno mismo.

Que el yo humano en su plenitudfuese un producto de la sociedad ho-mínida explicaría por qué existe tantaconcordancia entre cómo pensamossobre nosotros mismos y cómo lo ha-cemos sobre otros, y que no se limitaa la empatía física que Blakemoreestudia. Los humanos tenemos asimis-mo una destreza única para inferir lasintenciones y pensamientos de otrosmiembros de nuestra especie. Se hanescaneado los cerebros de algunas

personas mientras se valían de esa“teoría de la mente”: algunas de lasregiones del cerebro que se activanentonces forman parte de la red uti-lizada al pensar en uno mismo (entreellas, la corteza prefrontal media).Ambas capacidades, la de entender aotros y la de entendernos a nosotrosmismos, son imprescindibles paranque un ser humano funcione comotal, piensa Heatherton.

El yo, para desarrollarse por com-pleto, necesita tiempo. Los psicólo-

gos saben desde hace mucho quelos niños tardan bastante en adquirirun sentimiento estable de quiénesson. Chocan sus conceptos de símismos, pero no les crea el menorproblema, observa Lieberman. Losniños pequeños no intentan decirsea sí mismos que siguen siendo lamisma persona. “Da la impresiónde que no integran en uno los frag-mentos que componen el conceptode sí mismo.”

Lieberman y sus colaboradoresse preguntaron si no sería posiblerastrear el mudable concepto de suyo que tienen los niños mediantetécnicas de toma de imágenes delcerebro. Han comenzado a estudiarun grupo de niños; proyectan rea-lizarles escáneres cada 18 meses,desde los nueve hasta los 15 añosde edad. Les piden que piensen ensí mismos y en Harry Potter. Hancomparado la actividad cerebral encada tarea y comparado a su vez los A

A R O N

G O O D M A N




resultados con los correspondientesa adultos.

Al examinar a niños de 10 añoshan observado la misma activaciónprefrontal media que en los adultos.Pero con respecto a otra región quese activa en los adultos, la precuneal,la historia es diferente: cuando losniños piensan en sí mismos, exhibenmenos actividad que cuando piensanen Harry Potter.

Lieberman sospecha que en losniños la red del yo está todavía en-trando “en línea”. “Tienen lo quehace falta, pero no lo están aplicandocomo los adultos.”

Sobre el AlzheimerSin embargo, en cuanto la red delyo entra “en línea”, trabaja a des-tajo: pueden cerrarse los ojos, perono resulta posible dejar de vivir en

el cuerpo o de representarse que sees el mismo que hace diez segundoso diez años, razona William Seeley,neurólogo de la Universidad de Cali-fornia en San Francisco: nunca, dice,se puede escapar del propio yo; enconsecuencia, la red tiene que estartrabajando siempre.

Cuanta más energía consume unacélula, tanto mayor es el riesgo deque productos secundarios tóxicosla dañen. Seeley sospecha que lasneuronas que realizan los trabajosmás pesados son particularmentevulnerables a lesiones de este tipoa lo largo de su vida. Esa vulnera-bilidad, argumenta, podría ayudar acomprender mejor las dolencias delyo; así, añade, resulta curioso queno hayamos podido encontrar cier-tos cambios patológicos debidos alAlzheimer o a otras demencias enlas especies no humanas.

Según Seeley, los resultados derecientes tomas de imágenes cere-brales son coherentes con lo queél mismo y otros han observado

en pacientes de Alzheimer y otrasdemencias. Las neuronas de losenfermos de Alzheimer presentanproteínas enmarañadas. Entre lasregiones que primero se deterio-ran están el hipocampo y la regiónprecuneal; ambas participan en losrecuerdos autobiográficos. Contribu-yen a traernos imágenes de nuestropasado y de nuestro futuro, y a que juguemos con ellas, explica Seeley:“Quienes sufren de Alzheimer tienenmenor capacidad de trasladarse sin

brusquedad por el tiempo en uno yotro sentido”.

Por angustioso que resulte vercómo un ser querido sucumbe ante elAlzheimer, hay demencias que tienenefectos más violentos todavía sobreel yo. En la demencia frontotemporal,partes de los lóbulos frontal y tem-poral degeneran. En muchos casos,también resulta lesionada la cortezaprefrontal media. Con los primerosestragos de la enfermedad en la reddel yo, los pacientes pueden expe-rimentar desconcertantes cambios depersonalidad.

Una paciente, que Seeley y otrosdescribieron en 2001, en la revista Neurology, había estado coleccionan-do joyas y cristalería fina durantegran parte de su vida. De pronto, alos 62 años, empezó a reunir ani-males disecados. Esta mujer, con-

servadora de toda la vida, empezóa insultar en las librerías a quienescompraban libros de esa tendencia ya manifestar que “los republicanos(el partido conservador en EE.UU.)tendrían que ser erradicados de laTierra.” Algunos enfermos se hanconvertido súbitamente a otras re-ligiones o se obsesionaron por lapintura o la fotografía. Y sin em-bargo, este tipo de paciente apenascomprende por qué ya no son losmismos que eran. Se limitan a de-cir que ahora son así. La demenciafrontotemporal les puede llevar a lamuerte en pocos años.

Michael Gazzaniga, director delCentro de Neurociencia Cognitiva deDarmouth y miembro del ConsejoPresidencial de Bioética de EstadosUnidos, cree que la descodificacióndel yo puede plantear un problemaético de nuevo cuño.

Ese desciframiento, cree, consis-tirá en la elucidación de los cir-cuitos de la identidad: la memoriaautorreferente, la autodescripción,

la personalidad, la conciencia de símismo. De ese modo se tendrá unconocimiento de lo que se requierepara que el yo permanezca activo.Es posible incluso —apunta— quellegue el día en que un escáner ce-rebral determine si el Alzheimer oalguna otra demencia ha destruidoel yo de una persona. Bastará to-mar imágenes que demostrarán queciertos circuitos no funcionan ya.Gazzaniga se pregunta si no habráentonces quienes tomen en cuenta

la eventual destrucción de su yoal redactar sus testamentos vitales.Habrá que aprobar directrices queestablezcan si a una persona que seencuentre en esas circunstancias se latrata, de una neumonía, por ejemplo,o si se deja que muera.

Seeley ofrece un vaticinio más con-servador. Aduce que no es probableque vaya a haber alguien a quien unescáner cerebral, por sí solo, le hagatomar decisiones que conciernan a lavida y la muerte. Seeley opina que elverdadero valor de la ciencia del yoquedará patente en los tratamientosde la enfermedad de Alzheimer yotras demencias. Del conocimien-to de las regiones que intervienenen la representación de uno mismose pasará al de las células que lascomponen, y de ahí al de sus mo-léculas constituyentes. Entonces se

estará cerca de los mecanismos dela enfermedad. “Esa es”, dice, “lamejor razón para seguir con estasinvestigaciones. No se trata sólo deinformar a los filósofos.”

Carl Zimmer es autor, entre otros, deSoul Made Flesh: The Discovery of the Brain —and How It Changed the World .

A SELF LESS ORDINARY: THE MEDIA PRE-FRONTAL CORTEX AND YOU. C. NeilMacrae, Todd F. Heatherton y WilliamM. Kelley en Cognitive Neurosciences III , dirigido por Michael S. Gazzaniga.MIT Press, 2004.

IS SELF SPECIAL? A CRITICAL REVIEW OF EVIDENCE FROM EXPERIMENTAL PSYCHOLOGY AND COGNITIVE NEUROSCIENCE. Seth J.Gillihan y Martha J. Farah en Psycho- logical Bulle tin , vol. 131, n.o 1, págs.76-97; enero de 2005.

THE LOST SELF : PATHOLOGIES OF THE BRAIN AND IDENTITY. Dirigido por Todd E.Feinberg y Julian Paul Keenan. OxfordUniversity Press, 2005.

CONFLICT AND HABIT: A SOCIAL COGNITIVE NEUROSCIENCE APPROACH TO THE SELF .Matthew D. Lieberman y Naomi I.Eisenberger en Psychological Perspec-tives on Self and Identity , vol. 4.Dirigido por A. Tesser, J. V. Word yD. A. Stapel. American PsychologicalAssociation (en prensa).

El autor





Uno de los aspectos más fascinantes de los seres vivos reside en la variedadde cambios de forma que experimentan durante su desarrollo. La transforma-ción de una semilla en un árbol o de un embrión en un hombre constituye

un proceso complejo, cuyas etapas se suceden siguiendo un programa codificado enlos genes.

La metamorfosis de los insectos constituye quizás uno de los procesos que mejorejemplifican los cambios de forma en los organismos. El desarrollo metamórficosupone una rápida transformación del individuo juvenil (la larva) en una formaadulta radicalmente distinta. Esta estrategia de desarrollo permite la adaptación delas formas juvenil y adulta de un mismo organismo a ambientes y funciones muydistintos dentro del ciclo biológico ( figura 1).

Los primeros insectos en la escala evolutiva son ametábolos, esto es, carentes demetamorfosis. Hasta nosotros han llegado algunos representantes: los colémbolos ylos pececillos de plata. En ellos, el organismo juvenil es, en líneas generales, idénticoal adulto, aunque de menor tamaño y sin genitales funcionales.

Los insectos hemimetábolos, entre los que se cuentan saltamontes, chinches ocucarachas, sufren una metamorfosis parcial. En sus estadios inmaduros, o de ninfa,se asemejan a la forma del adulto y suelen portar primordios alares externos desdeel primer estadio ninfal.

Los insectos holometábolos, por último, acometen una metamorfosis completa trasvarios estadios larvarios en los que la forma y biología de la larva son perfectamentedistinguibles de las del adulto. Durante la metamorfosis, para dar lugar al adulto oimago, la mayoría de las estructuras de la larva se reemplazan por estructuras ima-ginales. Al grupo de los holometábolos, todos descendientes de un antecesor común

en el linaje de los insectos, pertenecen las mariposas, las abejas, las hormigas, losescarabajos, los mosquitos y las moscas, entre ellas, Drosophila melanogaster , lamosca del vinagre.

Los discos imaginalesEn los insectos holometábolos la epidermis del adulto crece únicamente durante elúltimo estadio larvario y la metamorfosis. Pese a ello, muchas especies han adelan-tado el crecimiento de su epidermis adulta y la han desarrollado en forma de discosimaginales. Estos son sacos epiteliales conectados a la epidermis que proliferan enel interior del animal a lo largo de todo el desarrollo larvario. Esta modificacióndel modo de crecimiento ancestral ha aparecido de manera independiente hasta seisveces en el transcurso de la evolución de los holometábolos. Un holometábolo condiscos imaginales es Drosophila.

Eversión y cierre

de los discos imaginalesEl ensamblaje del cuerpo de Drosophila adulta, a partir de 21 discos imaginales,

está dirigido, en cada disco, por una población especializada de células que, en el proceso,

adquieren capacidad invasiva y migratoria

José Carlos Pastor Pareja, Enrique Martín Blanco y Antonio García-Bellido




Los discos imaginales de Droso- phila provienen de grupos de célu-las que se especifican en posicionesprecisas de la epidermis del embrión.Una vez establecidos, los primordiosde los discos se invaginan y proli-feran en etapas larvarias, en formade bolsas aplanadas, conectados ala epidermis por un tallo ( figura 4).Existe un disco imaginal para cadauna de las seis patas, dos discos deala, otros dos de halterio (el segundopar de alas modificadas de mosquitosy moscas), dos discos compuestos deojo-antena, un disco de genitalia yasí hasta un total de 21 discos.

A partir de los discos imaginalesse genera la epidermis entera de lamosca adulta, excluida la abdominal,cuyos segmentos derivan de gruposde células imaginales (histoblastos),no invaginados, que crecen siguiendo

el patrón ancestral; proliferan sólodurante la metamorfosis.

En las primeras horas de la meta-morfosis, los discos imaginales deltórax (principalmente patas, alas yhalterios) evierten y se expandenpara acabar fusionándose entre sí,sustituyendo a la epidermis larvaria.Horas más tarde, evierten los discosimaginales de la cabeza, fusionadosde antemano.

Por último, con la fusión de losnidos de histoblastos del abdomendurante el segundo día de metamor-fosis se completa la sustitución de laepidermis larvaria por la epidermisimaginal.

Dos hipótesisLos mecanismos responsables de laespecificación y subdivisión de cadauno de los discos en territorios condistintos destinos adultos son am-pliamente conocidos. Sin embargo,cómo se efectúa y regula su procesode eversión y fusión continúa siendomateria de debate. Estudios tempra-

nos realizados en los años treintay cuarenta del pasado siglo por lospioneros de la genética del desarro-llo Charlotte Auerbach y Conrad H.Waddington sugieren que el incre-mento de tamaño de los discos en lasprimeras horas de la metamorfosis,ejerce una presión sobre la membra-na peripodial, epitelio escamoso queocupa la mayor parte de una de lascaras del disco, que acaba rompién-dola permitiendo la evaginación deltejido imaginal.

Una proposición alternativa basadaen experimentos de evaginación in

vitro realizados principalmente porJames y Dianna Fristrom en los añossetenta sugiere que la eversión de losdiscos vendría mediada por cambiosde forma celular que provocarían lacontracción del epitelio peripodial yla apertura del lumen del tallo, permi-tiendo la salida de los discos. Estoscambios de forma celular vendríanmediados por la acción de la ecdi-sona, hormona esteroidea que coordi-na la progresión de la metamorfosis.A este modelo corresponde la expre-

sión coloquial de que el disco se dala vuelta como un guante.

Los dos mecanismos propuestos, elde rotura y el de ensanchamiento deltallo, presentan diversas incertidum-bres. Por un lado, la rotura epitelialconstituye, en sí misma, un fenóme-no drástico. No se conocen ejemplossimilares en el desarrollo normal deningún otro organismo. Por otro lado,un mecanismo basado sólo en cam-bios de forma celular debe postularnecesariamente cambios drásticos enel tallo, que sólo posee unas diezcélulas en su perímetro. J

O S E

C A R L O S

P A S T O R

P A R E J A , E N R I Q U E

M A R T I N B

L A N C O

Y

A N T O N I O

G A R C I A - B E L L I D O

MACHO

9o DIA

1o DIA

5o DIA

HEMBRA

PUPA

PREPUPA

EMBRION

1o ESTADIOLARVARIO

2o ESTADIOLARVARIO

3o ESTADIO LARVARIO

M E T A M O R F O S

I S

1. CICLO BIOLOGICO DE DROSOPHILA MELANOGASTER . Nuestro conocimiento sobre los

mecanismos del desarrollo procede en buena medida de la investigación sobre la mosca delvinagre, Drosophila melanogaster . Su facilidad de cultivo, manejo y manipulación genéticahan propiciado su adopción como organismo modelo en multitud de laboratorios. El ciclobiológico de Drosophila melanogaster se desarrolla a través de varias fases. El huevoeclosiona un día después de la puesta. Tras la eclosión, el animal atraviesa tres estadioslarvarios, separados por mudas de la cutícula externa. Cuatro días después de la eclosióndel huevo, la larva de tercer estadio deja de moverse y endurece su cutícula formando elpupario, en cuyo interior tiene lugar la metamorfosis. Finalmente, del pupario emerge elimago o individuo adulto.




Reexaminar el mecanismo celularque conduce a la eversión de los dis-cos imaginales es, pues, clave parauna mejor comprensión de la biolo-gía y evolución de la metamorfosis.Además, la eversión y cierre de losdiscos pudieran servir de mode-lo para el estudio de movimientosmorfogenéticos complejos en otrosorganismos en los que el abordajegenético resulta más difícil que en

Drosophila.

Eversióndel disco imaginal de alaEl disco de ala es el mayor y másaccesible de los discos imaginales.De este modo, secciones histoló-gicas y de microscopia confocal,técnica esta última con la que seobtienen imágenes tridimensionalesde muestras teñidas con marcadores

fluorescentes, y filmaciones in vivo en animales transgénicos expresandoproteínas verdes fluorescentes (GFP,green fluorescent protein) de discosde ala han permitido diseccionar elmecanismo celular de la eversión.En éste, parecen tener una funciónprincipal las células del tallo y lamembrana peripodial identificablespor la expresión del gen puckered(puc), que desempeña un importantepapel en el proceso.

En el inicio de la eversión, lascélulas del tallo y el epitelio pe-ripodial del disco se adhieren a lacara interna de la epidermis larvaria( figura 5). El contacto entre ambosepitelios (epidermis larvaria y disco)se produce a través de sus superfi-cies basales, donde se observa unaelevada concentración de fibras delcitoesqueleto de actina y desaparecela lámina basal.

A esta adhesión le sucede la in-filtración de células peripodiales ydel tallo en la capa epitelial larvariaadyacente. Tal infiltración se produce

en varios puntos próximos al sitio deinserción del tallo. Se asiste así a unasustitución progresiva de la epider-mis larvaria por células del disco,de su tallo y su epitelio peripodial.Este proceso podría describirse comouna invasión de una capa epitelialpor otra.

El segundo paso en la eversióndel disco es su apertura al exterior.Hacia las tres horas y media despuésde la formación del pupario, y comoconsecuencia de su invasión de la

2. PROCESOS DE MORFOGENESIS EPITELIAL. Las células de los discos imaginales, al igualque las de la epidermis larvaria a la que han de sustituir, están organizadas en forma deepitelio. Los epitelios son capas constituidas por uno o más estratos de células morfológicay funcionalmente polarizadas en el eje ápico-basal, el perpendicular al plano del epitelio. Enel animal los epitelios recubren superficies exteriores (la epidermis, por ejemplo) o limitan cavi-dades internas. Cada una de las células de un epitelio se encuentra conectada a sus célulasvecinas, por uniones de adhesión intercelular, y a una lámina basal, compuesta por matriz

extracelular. Muchos procesos morfogenéticos son, de un modo específico, procesos de morfo-génesis epitelial. La capacidad de los epitelios de constituir un número limitado de estructurasespaciales, como pliegues, sacos y tubos, es uno de los principales determinantes de la formaanimal y de la evolución de planes corporales complejos. En un proceso de morfogénesisepitelial, las células implicadas ejecutan una serie de acciones que conforman un repertorio deoperaciones básicas. La división y muerte celulares contribuyen a la morfogénesis de epitelios,pero también intervienen otras acciones que suponen la reorganización del citoesqueleto y delas estructuras de adhesión de las células, y que son la base de los movimientos morfogenéti-cos. Así, las células de una capa epitelial pueden dispersarse por transición epitelio-mesénqui-ma, delaminarse individualmente, cambiar la forma o el tamaño celular de manera coordinadae intercalarse en el plano unas con otras. Además, un epitelio completo puede migrar yfusionarse con otro epitelio a través de un borde libre o en el plano. J

O S E

C A R L O S

P A S T O R


M A R T I N B

L A N C O

Y

A N T O N I O


INTERCALACIONPLANAR

MIGRACIONPOR EPIBOLIA

FUSIONPOR UN BORDE LIBRE

FUSION EN EL PLANO

CAMBIO DE FORMACELULAR COORDINADO

DELAMINACION

TRANSICIONEPITELIO-MESENQUIMA

MUERTE CELULAR(APOPTOSIS)

DIVISION CELULAR




epidermis larvaria ( figura 6-3), partedel epitelio del disco ha colonizadoya la superficie del animal. En estemomento se inicia la apertura dellumen del disco al espacio existenteentre la pupa y el pupario.

La comunicación del interior deldisco con el exterior se produce através de varias perforaciones simul-táneas en el epitelio peripodial ( figu-ra 6-4) que coalescen rápidamente enuna sola ( figura 6-5). Por tanto, laapertura por donde el disco evierteno es el tallo dilatado, sino una per-foración producida ex novo.

Una vez el lumen del disco se haabierto, comienza un tercer y últimopaso: el ensanchamiento de la aperturainicial, que permite la eversión totaldel disco. Se crea dicho ensancha-miento gracias a la incorporación denuevas células peripodiales al contor-

no de la apertura. Para ello, las célulasperipodiales se intercalan en el planoy pasan a formar parte del borde incre-mentando su perímetro ( figura 6-6 ).(En la gastrulación de los vertebradosencontramos un fenómeno similar enel proceso de extensión convergente,por el cual las células epiteliales sereordenan, intercalándose en el plano,cambiando las dimensiones del tejidoagrupándose en un eje.)

Merced a la intercalación planar,se ensancha la apertura inicial. Eldisco entero la franquea y se exter-naliza. De ese modo, se completa laeversión con la relocalización de lascélulas del epitelio peripodial y eltallo a una banda proximal rodeandoal disco.

El mecanismo descrito para laeversión del disco de ala asegura,en contraste con los mecanismos pro-puestos con anterioridad, una apertu-ra ordenada del lumen del disco alexterior ( figura 7 ). En ningún mo-mento se rompe la continuidad entrela epidermis larvaria y la imaginal,

produciéndose la eversión no sólocomo consecuencia de cambios deforma celular sino por la intercala-ción gradual de células peripodialesal borde de la apertura.

La función primordial del epitelioperipodial en los discos imaginalesde Drosophila consistiría en facilitarsu eversión y cierre. Se trataría deun reservorio de células que, en elmomento de la metamorfosis, suple-mentan las del tallo, cuyo númeroresulta insuficiente para generar la

a

b

a

EPIDERMISLARVARIA

LUMEN

CELULAS IMAGINALES

CELULASEPITELIALES

TALLO

NOTUM

LADO IMAGINAL LADO PERIPODIAL

ALA

EPITELIO

PERIPODIAL

MUSCULOSCELULASPERIPODIALES b

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

O T O G R A F I A S

C O R T E S I A

D E

M A R I A

L E P T I N

( a r r i b a ) ;

J O S E

C A R L O S

P A S T O R


M A R T I N B

L A N C O

Y

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3. MOVIMIENTOS MORFOGENETICOS EN DROSOPHILA. En los últimos años se hainiciado el abordaje genético de varios movimientos morfogenéticos en la mosca delvinagre Drosophila melanogaster , así como en otros organismos modelo. En Drosophila el primer movimiento morfogenético estudiado fue la gastrulación (a). Durante la misma,el ectodermo ventral del embrión se invagina; las células invaginadas sufren luego unatransición epitelio-mesénquima y se dispersan en el interior del animal, para dar lugar al

mesodermo [las fotografías representan secciones transversales de un embrión en etapassecuenciales de la gastrulación. El ectodermo ventral expresa la proteína Twist ( marrón )].Otro movimiento morfogenético bien estudiado es el cierre dorsal ( b), que ocurre al finalde la embriogénesis. Los lados derecho e izquierdo de la epidermis avanzan hacia lalínea media dorsal; se fusionan y sustituyen en la parte más dorsal del embrión a unepitelio transitorio, la amnioserosa (las fotografías presentan una visión dorsal de etapassucesivas del proceso de cierre; el polo anterior del embrión se sitúa a la izquierda y elposterior a la derecha; las células más grandes de la amnioserosa son eliminadas progre-sivamente de la superficie coordinadamente con el avance del epitelio lateral).




apertura por la que el disco evierte.El epitelio peripodial, adquirido pro-bablemente en el curso de la evolu-ción, permitiría, pues, la eversión dediscos de gran tamaño posibilitandosu externalización.

El cierre de los discosLa banda de células peripodiales ydel tallo que rodea al disco de alaevertido contrae una función caracte-rística. Es la región que va a dirigir elproceso de expansión del disco y su

fusión con los otros discos del tórax,para sellar la epidermis adulta.

Antes de que concluya la eversión,las células que forman el borde de laapertura del disco de ala en su parteventral y lateral se encuentran ya encontacto con las células del borde delos discos de pata y halterio ipsilate-rales (de su mismo lado, izquierdo oderecho). En la parte dorsal del ani-mal, sin embargo, los discos contra-laterales de ala se encuentran tras laeversión a considerable distancia.

La fusión en la línea media dorsalpara cerrar el notum se produce porepibolia, nombre genérico que recibela migración de un epitelio con unborde libre sobre otra capa epitelial.Los discos migran sobre las célulasepidérmicas larvarias que los sepa-ran; en el proceso, la región dorsaldel borde de la apertura actúa comoun frente de avance ( figura 8).

Las células del perímetro del discoacumulan actina filamentosa y de-sarrollan estructuras (lamelipodios yfilopodios) que les permiten moversey avanzar hacia la línea media dorsal.El movimiento dorsal de los discos deala concluye hacia las cinco horas ymedia desde la formación del pupariocon el cierre de la epidermis imaginaldel tórax. Tras el cierre, las células

EPIDERMIS LARVARIA

PUPARIO

LUMEN NOTUM

CELULASPERIPODIALES

5. INVASION DE LA EPIDERMIS LARVARIA. Seccióntransversal de una pupa temprana que muestra el epitelioperipodial (coloreado en rosa) adherido a la epidermislarvaria. La adhesión entre las caras basales de ambosepitelios constituye el primer paso en el proceso deeversión del disco. El epitelio imaginal aparece coloreadoen sepia.

CELULAS PERIPODIALES

BORDEDE LA APERTURA

EPIDERMIS LARVARIA

NOTUM

PUCKERED

6. APERTURA DEL LUMEN DEL DISCO AL EXTERIOR. Las célulasperipodiales y del tallo invaden la epidermis larvaria gradualmente(1 a 3). Entre estas células que ahora se encuentran en la super-ficie de la pupa se abren varios agujeros que comunican el lumendel disco con el exterior (4). Los agujeros coalescen rápidamenteen una sola apertura (5). Esta apertura se ensancha luego con la

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

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del borde empiezan a perderse de ma-nera gradual y muy pocas sobrevivenen la epidermis del adulto.

El mecanismo de eversión y cierrede los discos de ala es similar en

los de pata y halterio. Los discosde pata del primer segmento toráci-co (T1) presentan, sin embargo, unapeculiaridad: las células peripodialesde ambos discos, izquierdo y dere-cho, entran en contacto en el estadiode larva 3 y, como consecuencia, lacoalescencia de las perforaciones ini-ciales produce una sola apertura paralas dos patas, que se comportan en sueversión como un único disco.

Los dos discos compuestos de ojo-antena, que poseen también un epi-

telio peripodial que expresa puc, sefusionan entre sí y con otros de me-nor tamaño en el interior del animalpara constituir la cabeza que evierte,tal como sucede con los discos depata T1, como una sola unidad.

Por último, la expresión del gen puc en una población de células apla-nadas en el disco genital, tanto enmachos como hembras, da a entenderque su eversión podría obedecer a unmecanismo similar al descrito.

En resumen, todos los discos ima-ginales de Drosophila parecen evertiry fusionarse por un mecanismo pro-movido por las células peripodialesy del tallo, similar, con variacionesmenores, al que hemos expuesto parael disco de ala.

Transición epitelio-mesénquimaparcialDurante el proceso de eversión ycierre de los discos se observan im-portantes cambios de forma celular,aunque los sucesos más relevantes sonlos relacionados con la modulaciónde las propiedades de adhesión en lascélulas peripodiales y del tallo.

La aposición entre las células pe-ripodiales y la epidermis larvaria através de sus superficies basales yla posterior infiltración celular tie-nen las características de un procesoinvasivo; se observa una acumula-

ción de actina a ambos lados de lasmembranas plasmáticas en la zonade contacto y la degradación de lalámina basal. A ese respecto, im-porta señalar que los mutantes paralas metaloproteasas encargadas de ladegradación de matriz extracelulardescubiertas en Drosophila, mmp1

y mmp2, presentan, entre otras ano-malías, defectos en la eversión delos discos y el cierre del tórax. Enlos procesos del desarrollo normalen otros organismos y en las me-tástasis tumorales metaloproteasashomólogas a éstas participan en ladisolución de la lámina basal.

Avanzado el proceso, la intercala-ción celular evidencia una flexibiliza-ción de los contactos celulares, queno ocurre en ningún otro momentoo lugar del disco de ala. Las célu-las peripodiales y del tallo pierden

sus zonula adherens y sus unionesseptadas ( figura 9), las principalesestructuras apicales de adhesión in-tercelular en epitelios de artrópodos(la zonula adherens se encuentra entodos los animales).

Finalmente, para producir el cierreen la línea media dorsal, las célulasdel frente de avance adoptan un feno-tipo migratorio. Dichas células emitenlamelipodios y filopodios de actina, asemejanza de los fibroblastos y otrostipos de células migratorias. J

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PUPARIONOTUM

ALA DORSALALA VENTRAL

PLEURA

EPIDERMIS LARVARIA

MEMBRANA PERIPODIAL

Y TALLO

LARVA 3 PUPA

7. EVERSION DEL DISCO DE ALA. En esteesquema se resume la externalización deldisco en las primeras horas de la meta-morfosis. Las células peripodiales y deltallo invaden y sustituyen en la superficiede la pupa a la epidermis larvaria; secomunica el lumen del disco con el exteriorpor medio de varios agujeros; los agujeroscoalescen en una sola apertura; el discoacaba de evertir cuando todas las célulasperipodiales pasan, por intercalación planar,a formar parte del borde de la apertura.

El disco evertido queda así rodeado, en sucontacto con la epidermis larvaria, por unabanda de células del epitelio peripodial ydel tallo. Mediante estas células se unirádespués al resto de los discos para sellarla epidermis adulta.




Todas estas acciones que células

peripodiales y del tallo protagonizanen la eversión y cierre de los discosno son propias de células epiteliales.Los comportamientos descritos indi-can que las células peripodiales y deltallo pierden, a lo largo del proceso,su carácter epitelial y adquieren unfenotipo mesenquimal, fenómenoconocido como transición epitelio-mesénquima.

Procesos similares han sido des-critos para explicar la formacióndel mesodermo en la gastrulación,la migración de las células de lacresta neural de vertebrados y parala adquisición de fenotipo invasivoen carcinomas.

Con todo, la pérdida de carácterepitelial que sufren las células peripo-diales y del tallo no es una transiciónepitelio-mesénquima completa. Esascélulas invaden la epidermis larvariasin haber abandonado su distribuciónepitelial. Por tanto, mantienen unafluidez en su adhesión intercelular,al tiempo que cierta cohesión, tantoen el borde de la apertura como en

el frente de avance de la línea mediadorsal. Además, estas células reco-bran su carácter epitelial al finalizarel proceso de fusión.

Aunque la transición epitelio-me-sénquima suele describirse como unarespuesta todo o nada, con sólo dosestados posibles, estas observacionesponen de relieve que células instala-das en un estado intermedio de tran-sición epitelio-mesénquima puedendesempeñar papeles relevantes enprocesos morfogenéticos.

Además del cierre de los discos

imaginales, existen numerosos pro-cesos de migración y fusión de epi-telios a través de bordes libres. Porsu interés clínico destacan el cierrede heridas y la fusión del paladaren vertebrados. Es de resaltar que,en ambos casos, las células impli-cadas exhiben análogamente el tipode plasticidad en su carácter epitelialque se observa en la fusión de losdiscos.

Cascada de señalización de JNKEl proceso de eversión y cierre delos discos imaginales ha de ser con-trolado espacial y temporalmente encoordinación con el resto de los me-canismos morfogenéticos que tienenlugar durante la metamorfosis. Enparticular, los cambios de forma ce-lulares y las propiedades de adhesiónde las células peripodiales han de serreguladas de una forma altamenteprecisa.

Uno de los mecanismos de trans-ducción de señales utilizados en elproceso de fusión de discos imagina-

les es el de la ruta de señalización deJNK (kinasa amino-terminal de Jun).En Drosophila, el núcleo de la víade transducción de señales de JNKlo componen el homólogo de JNKcodificado por el gen basket (bsk), unmiembro de la familia de las MAP-kinasas ( figura 11), y la kinasa que laactiva por fosforilación, la JNK-kina-sa codificada por el gen hemipterous(hep). Bsk, a su vez, fosforila y activaa los factores de transcripción Juny Fos, que regulan la transcripción

de genes diana. No se conocen las

señales por las que la actividad dela cascada se regula.

La expresión del gen puc, en lascélulas peripodiales y del tallo quevan a dirigir la eversión y fusión delos discos depende de la actividad dela cascada de señalización de JNK yen su ausencia, en discos mutanteshepr75, es suprimida. El gen puc co-difica una enzima, la JNK-fosfatasa,que defosforila e inactiva a la JNK,producto del gen bsk . Así pues, puc media un bucle de retroalimentaciónnegativa que controla el nivel de laseñal de JNK.

La reducción de actividad de lacascada de señalización de JNK encondiciones mutantes para distintosde sus componentes provoca defectosen la fusión de los discos imaginalesen diverso grado. Se trata de muta-ciones letales o que producen moscasadultas cuyos discos de ala no se hanfusionado en la línea media dorsal ono han llegado siquiera a evertir yse encuentran todavía en el interiordel animal. Así, por ejemplo, los

mutantes hepr75 6 horas después dela formación del pupario, momentoen que el cierre de los discos deltórax se ha completado ya en pu-pas silvestres, muestran defectos quevan desde la falta total de eversióndel disco hasta defectos de fusiónen la línea media dorsal. En rarasocasiones el animal alcanza el estadioadulto, en cuyo caso presenta gra-ves defectos en el cierre de la líneamedia ( figura 10). Alternativamente,la sobrexpresión de puc produce los

puc E691-GAL4 >UAS GFP

FRENTEDE AVANCE

LINEA MEDIA

DORSAL

NOTUM

IZQUIERDO

NOTUM

DERECHO

8. CIERRE DEL TORAX. Fotogramas de una filmación del cierredel notum en una visión dorsal, entre las cuatro y las cinco horasy media después de la formación del pupario (anterior es arriba yposterior es abajo). Una vez producida la eversión, los discos de ala

izquierdo y derecho migran sobre la epidermis larvaria hacia la líneamedia dorsal, donde se fusionan. Las células del frente de avance,procedentes del epitelio peripodial y del tallo, expresan el gen

puckered (marcadas por la expresión de GFP–en blanco).

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mismos efectos. De esta forma, elproceso puede ser bloqueado abso-lutamente desde su primera etapa, laeversión de los discos, activando esteregulador negativo de la cascada. Lafunción de la cascada de JNK, pues,parece requerirse en todos los pasosdel proceso.

Los defectos que provoca la reduc-ción de actividad de la señalizaciónde JNK revela que ésta es necesariaen las células peripodiales y del tallopara la eversión y cierre de los dis-cos. De este modo, la localización decomponentes de la zonula adherens en las células del frente de avancedurante el proceso de eversión y fu-sión en discos mutantes hepr75 , a di-ferencia de lo que acontece en discossilvestres, no se modifica. Esto vienea indicar que la pérdida de polaridadápico-basal y el carácter epitelial de

las células peripodiales y del tallo(transición epitelio-mesénquima) noocurre en la misma medida que seobserva en individuos silvestres.

Un efecto opuesto se observa cuan-do se incrementa el nivel normal deactividad de JNK. En condicionesmutantes en que esto ocurre, losdiscos imaginales tampoco se fusio-nan, pero en este caso las célulasdel frente de avance adoptan unaforma redondeada y se despegan delos discos. Así se observa en moscas

mutantes puc E69-F , en las que se ha-lla reducida la función del reguladornegativo de la ruta y que presentanun cierre defectuoso del notum en lalínea media dorsal ( figura 10). Nose trata de una incapacidad de lascélulas para migrar, sino de una tran-sición epitelio-mesénquima excesivaque limita la capacidad de fusión delos discos.

Por tanto, la actividad de la cas-cada de JNK dicta el grado de latransición epitelio-mesénquima queexperimentan las células peripodialesy del tallo durante la eversión y cierrede los discos. El mantenimiento deun nivel adecuado de señalizaciónpor JNK es necesario para que el pro-ceso se desarrolle de forma correcta.

Cómo la actividad de la JNK afectaal desensamblaje de las zonula ad-herens para flexibilizar la adhesiónintercelular y hacer perder a estascélulas su polaridad ápico-basal y sucarácter epitelial, es desconocido.

Función de JNK en otrosprocesos de cierre epitelialLa primera función identificada en

Drosophila para la cascada de JNKfue su contribución al cierre dorsalembrionario. Este movimiento mor-

fogenético es un proceso de fusiónepitelial mediante el cual la epider-mis del embrión se cierra en la lí-nea media dorsal sustituyendo a laamnioserosa, un epitelio transitorio.La actividad local de la cascada deJNK se requiere en el cierre dorsalpara la correcta función del bordelibre del epitelio, lo mismo que enla eversión y cierre de los discosimaginales.

La intervención de la vía de JNKen estos dos procesos de cierre epi-telial ha llevado a postular que elcierre de los discos imaginales enholometábolos recapitula el procesomás general y temprano de cierredorsal del embrión de los artrópo-dos (insectos, crustáceos, arácnidos

y miriápodos). Un módulo conser-vado de genes —incluidos los dela cascada de JNK— habría sidocooptado al aparecer en los insec-tos la metamorfosis para regular laexpansión y fusión de los discos. Sinembargo, no hay pruebas suficientespara que esta recapitulación se pue-da considerar como una cooptaciónde un mecanismo preexistente. Laepidermis dorsal del embrión y ladel adulto son homólogas secuen-cialmente, siendo los mismos genes

NOTUM

Dlg

FALOIDINA

EPIDERMISLARVARIA

FRENTE

DE AVANCE

9. TRANSICION EPITELIO-MESENQUI-MA PARCIAL. Las células del frente deavance de los discos, aunque se mantienencohesionadas, pierden sus zonula adherens y uniones septadas. Dichas estructurasforman un cinturón alrededor de cadacélula epitelial y la mantienen estrecha-mente unida a sus vecinas. En la imagen

se muestra la expresión, detectada con unanticuerpo, de la proteína Discs large (Dlg,en verde), que forma parte de las unionesseptadas. Las fibras del citoesqueleto deactina que se concentran en gran cantidaden el frente de avance están marcadas confaloidina en la imagen superior ( rojo). Lasflechas señalan la dirección de migracióndel notum hacia la línea media dorsal. Lalínea de puntos indica el borde libre delepitelio. En esta imagen se observa que lascélulas correspondientes al frente de avan-

ce carecen de Dlg y, por tanto, de unionesseptadas, indicando que han perdido sucarácter epitelial.

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los que confieren identidad en el ejedorsoventral en ambas; constituyendos versiones sucesivas de la mismaregión del animal.

Donde sí se manifiesta que lacascada de JNK forma parte de unmódulo funcional cooptado es en elcierre de heridas de Drosophila. Lomismo que en el cierre dorsal y elde los discos imaginales, la cascadade JNK se activa en el borde libre dela herida y es requerida para la cica-trización del epitelio. En este, comoen los procesos de cierre epitelial, elgen puc se conserva como un gen

diana de la activación de JNK. Otrosefectores potencialmente conservadosque pudieran regular la actividad delcitoesqueleto y la motilidad celularson desconocidos. Tampoco se cono-ce, en ninguno de los tres procesos,qué señales inician la actividad de lacascada de JNK.

La vía de JNK es también nece-saria en vertebrados para procesosepiteliales de fusión (cierre del tuboneural, cierre de la fisura ótica, cierreocular y cicatrización de heridas).Esta conservación reafirma la existen-cia, preservada por la evolución, de

un módulo de actividades genéticasespecializado que incluye la casca-da de JNK. Resultaría del máximointerés averiguar si, en procesos deldesarrollo de otros organismos enque también se forma un borde li-bre (por ejemplo, epibolia de avesy peces teleósteos), interviene estemodulo funcional.

Las vías de transducción de se-ñales, pese a su conservación en elcurso de la evolución, generan res-puestas celulares muy distintas endiferentes organismos y en contextosdispares en un mismo organismo. La

HEMIPTEROUS(D JNK-KINASA)

Kayak(D Fos)

BASKET(D Jun-KINASA)

D Jun

PUCKERED

PUCKERED(D JNK-FOSFATASA)

11. VIA DE JNK. La ruta de transducción de señales de la kinasa ami-no-terminal de Jun (JNK) es una de las vías de señalización implicadasen la eversión y cierre de los discos. La JNK pertenece a la familia delas MAP-kinasas (MAPK), que los organismos eucarióticos han mante-nido en el curso de la evolución. Las cascadas de señalización de las

MAPK median la respuesta de las células ante señales muy dispares:factores de crecimiento, citoquinas y diversos tipos de estrés. LasMAPK son fosforiladas por MAPK-kinasas (MAPKK), activadas éstasa su vez por MAPKK-kinasas. El núcleo de la cascada en Drosophila lo componen los homólogos de la JNK-kinasa y la JNK, codificadosrespectivamente por los genes hemipterous ( hep) y basket ( bsk) . Losfactores de transcripción D Jun y D Fos (Kayak), fosforilables porBasket, median los efectos de la cascada sobre la expresión génica. Ungen cuya expresión depende de la actividad de esta vía es puckered .Este gen codifica para una JNK-fosfatasa que defosforila e inactiva aBasket, mediando un bucle de control por retroalimentación negativasobre la actividad de la ruta.

hep r75 puc E69-F WT

–JNK +JNKNORMAL

10. MUTANTES JNK. Tanto la falta como el exceso de señalizaciónde la vía de JNK en las células peripodiales provocan defectos enla eversión y cierre de los discos. En el tórax adulto silvestre ( panel

central superior –WT) se observa que la fusión de los dos discos en lalínea media se realiza con total precisión (anterior es arriba y poste-rior es abajo). En mutantes hemipterous ( panel izquierdo) y puckered

( panel derecho) la fusión no se completa y se observa un surco en lalínea media dorsal del tórax adulto. Ello es debido (esquema inferior ) aque la capacidad migratoria de las células del frente de avance depen-de de la actividad de JNK: si no es suficiente (mutantes hep r75 ), lascélulas son incapaces de migrar; si es excesiva (mutantes puc E69-F ),las células se desprenden y el frente de avance deja de ser funcional.

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conservación de la función de JNKen todos estos procesos de fusiónepitelial encarna un caso extraordi-nario de asociación de una actividadmolecular a una respuesta morfoge-nética concreta.

Cuestiones pendientesQuedan muchos interrogantes queresponder sobre la fusión de epiteliosdurante el desarrollo de los orga-nismos. El estudio de la eversión ycierre de los discos imaginales, fácil-mente abordable a nivel genético en

Drosophila, puede ser determinanteen la comprensión de los mecanismosbásicos reguladores y efectores enestos procesos.

El mecanismo funcional por elque la cascada de JNK controla laeversión y cierre de los discos esdesconocido. Se ignora cómo las cé-

lulas del frente de avance modulan ysostienen el equilibrio entre motili-dad y adhesión y cómo la adhesióncelular es regulada en respuesta ala JNK. Igualmente, la señal o se-ñales que determinan la activaciónde la cascada de JNK en las célulasperipodiales y del tallo no han sidoidentificadas; ésta no parece ser unarespuesta hormonal a la ecdisona,hormona esteroidea que desencadenala metamorfosis.

La identificación de otras vías deseñalización complementarias a lade JNK, como las identificadas enel proceso de cierre dorsal embrio-nario, que pudieran intervenir en elproceso, permanecen sin resolver,así como los componentes estructu-rales y reguladores de la adhesióny el citoesqueleto en la eversión yel cierre.

Una importante característica delos procesos de fusión es la necesariaexistencia de un mecanismo de re-conocimiento que permita el correc-to ordenamiento espacial de tejidos

originados a considerable distancia.En el proceso de cierre, los discosimaginales, cuyo patrón básico sepreestablece durante el desarrollo lar-vario, no sólo han de contactar, sinoque deben alinearse ajustadamentedurante su fusión.

De la existencia de este tipo demecanismo dan prueba las fusionescruzadas ocasionales de segmentos(figura 12), que se producen enanimales mutantes con identidadsegmental alterada [triples mutantes

Bithorax presentan una transforma-ción homeótica del tercer segmentotorácico (T3) en un segundo seg-mento torácico adicional (T2’)]. Enestos animales mutantes en los quese desarrollan dos mesotórax y cuatroalas, a baja frecuencia, los segmentosse fusionan de manera escalonadaaberrante: un disco T2 con el T3contralateral transformado a T2’.A pesar del error, el alineamientode los discos en la línea media del

notum es correcto. Así pues, existeun mecanismo de reconocimiento alo largo de la línea media dorsal ne-cesario para el alineamiento de lascélulas con idéntico valor posicionalen el eje antero-posterior del notumdel animal. Dicho mecanismo podríaparticipar en la guía de la migraciónde los discos, ajustar su fusión tras sucontacto o quizás ambos procesos. Sucaracterización permanece pendientede ser investigada.

Antonio García-Bellido es profesor de investigación del CSIC y dirige el Laboratoriode Genética del Desarrollo del Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, en Madrid,dedicado al estudio del desarrollo de los discos imaginales de Drosophila . EnriqueMartín-Blanco, científico titular del CSIC, coordina el grupo de Señalización Celularen Desarrollo del Instituto de Biología Molecular de Barcelona en el Parc Cientific deBarcelona. José Carlos Pastor ha estudiado la eversión y cierre de los discos imagi-nales en los laboratorios de ambos. Actualmente es un investigador postdoctoral en la

Universidad de Yale.

WG AND EGFR SIGNALLING ANTAGONISE THE DEVELOPMENT OF THE PERIPODIAL EPITHELIUM IN D RO -

SOPHILA WING DISCS. L. A. Baena-López, J. C. Pastor-Pareja y J. Resino en Development ,vol. 130, págs. 6497-6506; 2003.

D ROSOPHILA MATRIX METALLOPROTEINASES ARE REQUIRED FOR TISSUE REMODELING, BUT NOT EMBRYONIC DEVELOPMENT. A. Page-McCaw, J. Serano, J. M. Sante y G. M. Rubin en Developmental Cell , vol. 4, págs. 95-106; 2003.

INVASIVE CELL BEHAVIOR DURING D ROSOPHILA IMAGINAL DISC EVERSION IS MEDIATED BY THE JNKSIGNALING CASCADE. J. C. Pastor-Pareja, F. Grawe, E. Martín-Blanco y A. García-Bellido,en Developmental Cell , vol. 7, págs 387-399; 2004.

Los autores


T2 IZQUIERDA

a b

T2 IZQUIERDA

T2’ IZQUIERDAT2’ IZQUIERDA

T2 DERECHA

T2 DERECHAT2’ DERECHA

T2’ DERECHA

12. RECONOCIMIENTO DE VALORES POSICIONALES. En mutantes bithorax postbitho-

rax , con dos lesiones distintas en el gen de identidad segmental Ultrabithorax , el tercersegmento torácico (T3), que en moscas silvestres es de tamaño reducido y no porta alas,se transforma en un segmento torácico 2 adicional (T2’) (a). En ocasiones ( b), en estosmutantes, los discos se fusionan de forma cruzada (flechas) que producen, no obstante,un notum con sus dos mitades izquierda y derecha perfectamente alineadas a lo largo dela línea media ( línea). Dado que el patrón del notum se ha establecido ya en la larva, lasfusiones cruzadas indican la existencia de un mecanismo de reconocimiento implicado en el

alineamiento de las células de idéntico valor posicional a lo largo del eje anterior-posterioren el notum de la mosca.

E D W A R D

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( i z q u i e r d a ) ; J O S E

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Las proteínas vienen a serel petróleo en bruto dela biotecnología. Durantegran parte de sus 30 añosde historia, la industria seha esforzado por hallar una

fuente de suministro de tales macro-moléculas en células de ovario dehámster y otras similares. A finalesde los años noventa del siglo pasa-do, con la llegada de los anticuerpos

monoclonales (una nueva clase defármacos basados en proteínas), lademanda superaba la producción.Durante decenios, los investigadoresque crearon la eritropoyetina recom-binante, para renovar los hematíes, ylos anticuerpos monoclonales, paracombatir el cáncer, han buscado for-mas alternativas de producción.

Tras una larga espera, podría entraren funcionamiento un nuevo biorreac-tor, un animal modificado por in-geniería genética para que produzca

una proteína terapéutica en su leche.La Agencia Europea de Evaluaciónde Medicamentos (EMEA) está so-metiendo a ensayo la aplicación deuna proteína anticoagulante, la an-titrombina humana, producida en laleche de cabra, para el tratamientode una enfermedad hereditaria. Laautorización de ATryn, el fármacoen cuestión, culminaría un tortuosocamino de 15 años para los labora-

torios GTC Biotherapeutics, empresade Framingham.

La posibilidad de obtención demedicamentos transgénicos arran-ca de mediados de los ochenta. Laindustria biotecnológica se planteófabricar proteínas complejas, en par-ticular, desarrollar un proceso de ob-tención de estas macromoléculas quegarantizara la conformación correctade las mismas así como el aloja-miento apropiado de sus azúcaressuperficiales.

Fármacos

transgénicosSe han modificado genéticamente cabras

para que produzcan una proteína terapéutica en su leche

Gary Stix

B R A D

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Las células de ovario de hámsterchino realizan ya la tarea, pero conun rendimiento escaso. Además, loscultivos celulares de mamífero noofrecen siempre un medio ideal; enocasiones, la producción de proteínasresulta inviable.

Al tratar de mejorar la eficienciadel proceso, los expertos se hanpercatado de que las glándulas ma-marias de vacas, conejos y cabras,entre otros, constituyen centrales deproducción de proteínas en potencia:poseen una notable capacidad de fa-bricar grandes volúmenes de proteí-

nas complejas. Además, las glándulassecretoras de leche no necesitan elcuidado constante que requieren loscultivos celulares.

Los laboratorios Genzyme, matrizde GTC Biotherapeutics, había co-menzado a interesarse por el asun-to tras la adquisición de IntegratedGenetics en 1989. Contaba ésta conun elenco de fármacos y elementosde diagnóstico. Para su dirección, secontrató a Harry Meade, quien, juntocon Nils Lonberg, había patentado unmétodo de extracción de proteínasterapéuticas de ratones.

A principios de los años noventa,Genzyme introdujo entre sus obje-tivos la producción de fármacos enla leche de cabra. Decidió dejar lostransgénicos en manos de su filialGenzyme Transgenics (rebautizadaluego como GTC Biotherapeutics),que se encargaría de la producción demedicamentos para otras firmas.

Cabras productorasde medicamentosAl principio, GTC creó cabras trans-génicas mediante la microinyeccióndel gen que codifica la proteína hu-mana de interés (junto con el ADNque promueve la activación de esegen en la leche) en el núcleo endesarrollo de un embrión unicelu-lar. Los embriones se implantabanentonces en las hembras, cuya pro-genie se analizaba para determinarla presencia del nuevo gen. La lechede esos animales “pioneros” contienela proteína terapéutica, que luego

1. ORDEÑO DE UNA CABRA TRANSGE-NICA. El animal segrega en su leche unaproteína de interés farmacológico.




debe someterse a un proceso de pu-rificación.

A continuación, se cruzaban cabrastransgénicas maduras con machos notransgénicos para formar un rebaño.Pero la eficacia de la microinyec-ción dejaba mucho que desear: sóloentre el 1 y el 5 por ciento de los

embriones se convertían en animalestransgénicos.

Para la obtención de sus fármacosmás recientes, GTC ha aplicado otratécnica, que asegura que el animalportará el transgén deseado: la trans-ferencia nuclear en células somáticas,o clonación. (La propia oveja Dollyse clonó para desarrollar un métodode obtención de animales transgéni-cos con rasgos de interés.)

GTC escogió las cabras porquese reproducen más rápidamente que

GTC necesitaba demostrar el po-tencial de esta técnica. A finales delos años noventa, empezó las pruebasclínicas con antitrombina humana enpacientes sometidos a revasculariza-ción quirúrgica (bypass) que habíandesarrollado resistencia a la heparina(un anticoagulante). Con la antitrom-

bina transgénica se buscaba mejorarla disponibilidad de la misma y ob-viar las reticencias ante el fármacoaislado de sangre humana. La com-pañía culminó los ensayos clínicos.Pero cuando la Agencia Federal deFármacos y Alimentos (FDA) es-tadounidense solicitó más datos afinales de 2000 (lo cual requeríaexperimentación adicional), SandraNusinoff Lehrman, responsable delproyecto, descartó realizar el esfuer-zo. A Lehrman le sucedió, a media-

las vacas y ofrecen un rendimientoproteico superior al de los ratones olos conejos. Otras iniciativas, inclui-do un nuevo proyecto de GTC, hanoptado por las vacas. Pharming, unacompañía con sede en Holanda, sepropone obtener fármacos en lechede vacas y conejos. Otros han deci-

dido producirlos a partir de huevosde gallina. Después de llevar a caboel desarrollo básico de la técnicadurante los años noventa, GTC sepresentó ante el mercado como unaplataforma biotécnica para compa-ñías interesadas en la fabricación deproteínas farmacológicas de difícilobtención o demandadas en cuantíaelevada y coste bajo. Pero se en-frentaba a un problema espinoso,el de la aprobación de un fármacotransgénico.

+

3 La progenie se analizapara determinar la

presencia del transgén.

GTC Biotherapeutics ha desarrollado un método de producción de fármacos mediante animales transgénicos. Paraello ha empleado dos técnicas básicas de obtención de animales transgénicos. La más clásica, la microinyección (quese apoya en la inserción de un gen en un embrión), se ha empleado en la fabricación de un fármaco anticoagulante

2 En la microinyección(arriba ), el paquete génico,

o constructo, se inyecta enel núcleo de un embriónunicelular. En la clonación

(abajo ), el constructo setransfiere (transfecta) a otrascélulas; entonces una célulaseleccionada que contiene elconstructo se fusiona con unóvulo al que se le ha extraídoel núcleo, formando unembrión. En ambos métodos,los embriones se transfierenluego a una hembra receptora.

1 En la microinyeccióny en la clonación,

el activador de un gende producción de leche(un promotor de labeta caseína) se une aun gen de la proteínaterapéutica.

Microinyección

Clonación

Célulaseleccionada

Células expuestasal constructo

Hembra receptora

Embrión inyectadocon el constructo génico

Cría transgénica

Célula fusionadacon un óvulo enucleadode cabra

Constructogénico(transgén)

ADNpromotor

ADN quecodificael fármacoproteico

3 meses 2 meses 5 meses

Cría transgénica

CABRAS TRANSGENICAS: BIORREACTORES PARA LA PRODUCCION DE FARMACOS




dos de 2001, Geoffrey Cox, quiendecidió proseguir con el desarrollode la antitrombina transgénica, estavez mediante pruebas clínicas reali-zadas en Europa con pacientes condeficiencia hereditaria de antitrom-bina. (Las autoridades reguladoraseuropeas acababan de establecer los

requisitos para obtener la aprobaciónde la antitrombina.)

GTC Biotherapeutics cuenta ahoracon un programa preliminar de fa-bricación de la alfa-1 antitripsina yotras proteínas sanguíneas. El ATrynse está sometiendo a ensayos clínicosen los EE.UU.; pero su futuro pendede la aprobación europea.

Las dificultades técnicasGTC no ha sido la única compañíade transgénicos con una trayectoria

accidentada. La escocesa PPL Thera-peutics, que participó en la clonaciónde Dolly, se enfrentó a dificultadesy tuvo que vender su patrimonio in-telectual a Pharming en 2004. Estaúltima ha reaparecido en escenatras presentar suspensión de pagosen 2001. Espera obtener pronto la

aprobación para un tratamiento delangioedema hereditario, una enfer-medad genética que causa hinchazóndebido a la ausencia de la proteínainhibidora de C1.

Si GTC sobrevive, se convertiríaen el líder del sector de los trans-génicos. Una planta de producciónde fármacos a partir de células dehámster requiere una inversión anualde entre 400 y 500 millones de dó-lares; un rebaño de cabras, en cam-bio, produce una cantidad similar de

droga por 50 millones de dólares.Además, se requieren métodos defabricación alternativos. Algunas pro-teínas son difíciles de obtener me-diante los métodos tradicionales. Lasaplicaciones del ATryn se ampliaríanpara abarcar varios tratamientos (parapacientes que hubieran sufrido revas-cularización coronaria, quemaduraso sepsis).

Hasta la fecha, el fármaco ha su-perado un importante escollo técnico:no ha provocado ninguna respuestainmunitaria adversa en los pacientes.Sin embargo, la preocupación porlos posibles efectos secundarios vaa estar siempre presente. El transgé-nico alfa-1 antitripsina obtenido deovejas criadas por PPL (administradopor inhalación) provocó en algunospacientes síntomas pulmonares queles obligaron a abandonar el ensayo,

una posible reacción inmunitaria aproteínas animales residuales que nose habían eliminado en la purifica-ción del medicamento. El fármaco dePPL, pues, precisaba de una mejorpurificación.

Los medicamentos producidos porcabras transgénicas han provocadomenos críticas que los cultivos mo-dificados genéticamente. En GTC,las cabras libres de encefalopatíaespongiforme ovina (scrapie, o tem-bladera) traídas de Nueva Zelanda sehallan confinadas en un cercado de77 hectáreas dentro de una explota-ción de 120 hectáreas en Charlton,Massachusetts. No se les permitepastar. Se les proporciona el alimen-to adecuado para disminuir la po-sibilidad de contraer enfermedadesdebidas a contaminantes presentesen otros animales. Treinta cabras,de un rebaño de más de 300, sededican a la producción de ATryn;otros 1200 animales no transgénicosse reservan para la reproducción.

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

4 Cuando las crías maduran, seinduce la producción de leche.

Las que producen cantidadesnotables de fármaco en su leche secruzan con cabras no transgénicaspara asegurar la integridad génicade los animales. La descendenciafemenina transgénica constituyeentonces un rebaño que se ordeñacon regularidad. Mediante un

proceso de purificación se aísla elfármaco proteico de la leche.

Buena productora del fármaco

Cabra productora de leche

Leche transgénica

Rebaño de productoras del fármaco

Fármaco purificado de la leche

Macho

7 meses

PRODUCTION OF GOATS BY SOMATIC CELL NUCLEAR TRANSFER. Alexander Baguisi etal. en Nature Biotechnology , vol. 17,págs. 456–461; mayo de 1999.

TRANSGENIC ANIMALS: GENERATION AND USE.Dirigido por Louis Marie Houdebine.Harwood Academic Publishers, 1997.


L U C Y

R E A D I N G - I K K A N D A




En 1977, el americano Paul Mcready consiguió el premio Kremer por haber concebido el Gossa- mer Albatros , un avión movido sólo por la fuerza

humana. Hoy, el constructor de helicópteros Sikorski ofrece 20.000 dólares a quien logre el primer helicópterode propulsión muscular. ¿Es posible un aparato así?Examinar cómo funciona un helicóptero nos permitiráevaluar la potencia necesaria para el vuelo estacionario.Y de ahí deduciremos por qué es difícil que el reto deSikorski obtenga respuesta.

Principio del vuelo estacionarioUn helicóptero, como cualquiera habrá observado, no es

sino un enorme ventilador, cuyas palas aceleran haciaabajo aire en un principio inmóvil. Según el principiode acción y reacción, la fuerza ejercida por el airesobre las palas es igual, pero de sentido contrario, ala fuerza que las palas ejercen sobre el aire. Cuandoesa fuerza de reacción compensa al peso del ingenio,éste se cierne.

¿A qué velocidad proporciona el aire la sustentación?Valiéndonos del concepto de “disco de sustentación”,podemos calcularla sin que nos estorben los detallesaerodinámicos. Tomamos en cuenta sólo el aire queatraviesa el disco de sustentación, ese disco borrosoque se distingue cuando las palas del helicóptero giranrápidamente. La cantidad de aire que atraviesa ese discoen un segundo es la contenida en un cilindro vertical dealtura igual a la velocidad v del aire aspirado y de sección

la superficie S del disco de sustentación. La masa M de aire correspondiente es el producto de ese volumenSv por la densidad ρ del aire. La hélice imparte, pues,cada segundo a M kilogramos de aire una cantidad demovimiento Q igual al producto de M por la velocidaddel aire, es decir, Sv 2ρ. Esa cantidad de movimientocedida por segundo es la fuerza de sustentación, quedebe ser igual al peso P del helicóptero. Así, cuandose establece la sustentación, la velocidad del aire esla raíz cuadrada del peso dividido por el producto delárea S del disco de sustentación y la densidad ρ delaire (v = √P/S ρ).

El Colibrí , último producto de Eurocopter , eleva su

tonelada y media gracias a unas palas de 5 metros delongitud. Resulta así que, en vuelo estacionario, impulsael aire a 12 metros por segundo (a ras del suelo, unmetro cúbico de aire pesa 1,3 kilogramos). ¿Qué po-tencia mecánica desarrolla un helicóptero? Si el vueloes estacionario, sólo el aire se pone en movimiento. Laenergía suministrada por el motor se transmite al aire enforma de energía cinética. La energía suministrada porunidad de tiempo (la potencia) es igual a la mitad de lamasa de aire M (igual a Sv ρ) puesta en movimiento porsegundo multiplicada por el cuadrado de la velocidad v de ese aire. La potencia (Sv 3ρ /2) es, pues, proporcionalal cubo de la velocidad. Para el Colibrí obtenemos 90kilowatt, la cuarta parte de los 374 kilowatt del motor quelleva el helicóptero. No asombra tal disparidad: el Colibrí debe también subir, acelerar y virar, cualquiera que sea

CURIOSIDADES DE LA FÍSICAJean-Michel Courty y Édouard Kierlik

El helicóptero de motor humano

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

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




el viento. ¡Se entiende que haya que disponer de unapotencia muy superior a la mínima de sustentación!

Así, el vuelo estacionario es posible aportando la ener-gía necesaria para acelerar el aire hacia abajo. En elcaso del helicóptero humano, los parámetros sobre losque podemos actuar son el peso del aparato y el áreadel disco de sustentación. Eliminando la velocidad pormedio de la condición de equilibrio del helicóptero, seobtiene una potencia mínima necesaria de 1/2√(P 3 / S ρ) (laestimación se mejora multiplicando por 1,4 el resultadoanterior). La consigna es aumentar el área S del discode sustentación y disminuir el peso P .

Pero vamos a ver que, para las personas, hay ademásuna limitación inesperada: ¡la evacuación del calor!

Del colibrí al hombrePara averiguar si será posible algún día el vuelo esta-cionario mediante músculo humano, examinemos el casodel colibrí, ave capaz de cernirse. Como el helicóptero,se mantiene estacionario impulsando aire hacia abajo ytiene también un disco de sustentación, de área iguala la cubierta por las alas. Nuestra fórmula indica una

potencia mínima necesaria de 200 miliwatt para un co-librí de garganta rubí de 8,4 gramos y 8,5 centímetrosde envergadura.

Un pájaro de proporciones similares pero el doblede grande, ¿podría practicar el vuelo estacionario? Supeso, proporcional al volumen, sería ocho veces superiormientras que la superficie cubierta por las alas seríacuatro veces más extensa. La potencia de sustentaciónquedaría multiplicada por la raíz cuadrada de 83 /4, quevale 11,3. ¿De cuánta energía muscular se dispondría?Como el rendimiento muscular es del orden de 20 porciento, el grueso de la energía muscular debería disi-parse en forma de calor, que se evacuaría por la su-

perficie del cuerpo. Ese sería el factor limitador, puesla potencia muscular máxima de un animal de sangrecaliente crece más con la superficie del cuerpo que conel volumen de los músculos: un pájaro con las mismasproporciones de nuestro colibrí pero el doble de gran-de y de morfología similar dispondría de una potenciamuscular como mucho cuádruple. Por lo tanto, cuando eltamaño aumenta, la potencia de sustentación necesariacrece más rápido que la disponible y sólo un cambiode morfología puede paliar esa merma: si la longitud delas alas no se dobla, sino que se multiplica por 5,6, lapotencia de sustentación crece en la misma proporciónque la potencia muscular disponible.

El hombre pesa 10.000 veces más que el colibrí. Unhombre de 75 kilogramos, que, como Icaro, quisiera imitaral colibrí recubriéndose de plumas los brazos (una enver-gadura de unos dos metros) necesitaría 7 kilowatt parael vuelo estacionario. Ahora bien, la potencia muscularútil que desarrolla un deportista durante un esfuerzoprolongado es de unos 500 watt; temporalmente puedealcanzar 1 kilowatt. El hombre debe alargar las palas desu helicóptero. Para conseguir los 500 watt que necesita

un aparato de 40 kilogramos, hacen falta unas palas decerca de 30 metros de diámetro.

¿Es inalcanzable el premio Sikorski ? No es seguro.Una esperanza reside en las condiciones fijadas porel constructor de helicópteros: ejecutar un vuelo de 60segundos dentro de un cuadrado de 10 metros de ladoy alcanzar 3 metros de altura en un momento del vuelo.La proximidad del suelo aumenta considerablemente lasustentación, pues el aire no puede atravesarlo. Ese“efecto suelo”, que algunos aparatos aprovechan, de-vuelve la esperanza. Un equipo japonés ha conseguidopermanecer en el aire 20 segundos con el helicópterode motor humano Yuri I . B

R U N O

V A C C A R O

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




Imagine la siguiente lotería. Usted elige un númerodel 1 al 100 y lo anota en un papel. A continuaciónse extrae un número de un bombo con 100 bolas,

numeradas de 1 a 100. Usted gana si el número queanotó es menor o igual que el número que sale delbombo, pero gana la cantidad anotada en euros. Si elnúmero en el papel es mayor que el que ha salido enel sorteo, entonces usted no gana nada.

¿Cuál es la mejor elección inicial? Si elegimos unnúmero bajo, la probabilidad de ganar es mayor perola ganancia será pequeña. Por el contrario, al elegirun número grande aumentamos la ganancia, pero re-ducimos las probabilidades de ganar. Llamemos M alnúmero elegido inicialmente. La probabilidad de ganares (101– M )/100, puesto que, de los 100 números que

hay en el bombo, 101– M son mayores o iguales queM . La ganancia media al elegir M es por tanto:

Como cabría esperar, si elegimos M = 1, la gananciamedia es de un euro. Si elegimos M = 100, también laganancia media es de un euro, porque ganamos 100euros pero sólo un 1 % de las veces. El número M quehace mayor la ganancia media es M = 50 o 51. En amboscasos, la ganancia media es 50 × 51/100 = 25,5.

Si consideramos una variante de la lotería anterior en laque lo que usted gana es la cantidad que ha aparecido enel bombo, en lugar de la que anotó en el papel, entoncesla estrategia sería bastante más sencilla. Puesto que eneste caso la ganancia no depende de lo que ponga usteden el papel, la mejor elección es M = 1. Con ello siempreganamos y la ganancia media será de 50,5, que es elvalor medio de todos los números del bombo.

Pero el título de la columna de hoy hace referencia auna subasta. ¿Qué tienen que ver estas extrañas loteríascon una subasta? Cuando participamos en ciertos tiposde subasta, nos encontramos en una situación similar,aunque inversa, al primero de los sorteos que acabamosde discutir. Si pujamos por una cantidad demasiado alta,probablemente ganemos la subasta pero pagaremos unprecio excesivo por el artículo subastado. Si queremos

pagar menos, tendremos que pujar con cantidades me-nores disminuyendo así la probabilidad de adquirir elartículo. Hay un compromiso obvio entre el deseo deganar la subasta y el precio a pagar. Esta es la prin-cipal característica de una subasta y, en cierto modo,su razón de ser. Sin embargo, a pesar de la aparentesencillez de estos mecanismos, su análisis matemáticopuede depararnos alguna que otra sorpresa. El estudiode las subastas que el norteamericano William Vickreyrealizó en los años sesenta, y su posterior extensión aotras situaciones, le hizo merecedor, en 1996 y junto conJames A. Mirrlees, del Premio del Banco de Suecia, elmal llamado Nobel de economía.

En primer lugar, existen varios mecanismos de subasta.En la subasta inglesa o de oferta creciente, los partici-pantes, que están presentes en el proceso de subasta,anuncian públicamente sus pujas en orden ascendentey gana la mayor. En las lonjas de nuestros puertos selleva a cabo un sistema diferente y bastante espectacular,la subasta de precio decreciente. En ella el director vacantando precios en orden descendente hasta que algunode los participantes le interrumpe gritando “¡mío!”, con loque consigue el artículo subastado por el último preciocantado. Se llama también holandesa porque era ésteel método que utilizaban desde el siglo XVII los mayoris-tas de flores en Holanda para distribuir sus existencias.¿Cuál de los dos métodos es mejor para el subastadory para el comprador? La subasta de precio descendente

es bastante más estresante para el comprador. Al fin yal cabo, en la subasta de oferta ascendente uno sabesiempre que puede quedarse con el artículo subastadosi supera la puja de los demás. Sin embargo, en la deprecio descendente, hay una incertidumbre considerable:si espero para conseguir un mejor precio me arriesgoa que otro gane la subasta; si me planto en un precioalto quizá haya perdido la oportunidad de ahorrarmeuna buena cantidad.

En muchas ocasiones se necesita realizar una su-basta sin la presencia física de los participantes. Si,por ejemplo, queremos que el número de participantessea el máximo posible, es mejor utilizar algún métodoen el que se pueda pujar “a distancia”. Ocurre así enlas subastas de Internet, cada vez más populares. Peroya en el siglo XIX se realizaban subastas de sellos decorreo en donde se pujaba por carta. Es también elcaso de algunas grandes operaciones financieras o delas adjudicaciones de licencias de telefonía móvil, queen muchos países (pero no en España) se realizaronmediante subastas de este tipo. No sé cuál es la razónde no usar en estos casos subastas con presencia delos licitadores. Quizá sea porque da mala impresión queuna gran empresa decida gran parte de su futuro en elcalor de una puja pública.

En estas subastas, llamadas de oferta sellada, laspujas se envían en un sobre cerrado al director de la

subasta quien, una vez recibidas todas las ofertas opujas, decide el resultado. Lo más común es que ganela subasta quien ha realizado la oferta más alta y quepague por el artículo subastado la cantidad que ofertó.Este sistema se llama “de primer precio”.

Vickrey mostró que la subasta de oferta sellada deprimer precio es equivalente a la de precio descendente.No es difícil entender por qué. Supongamos que hace-mos un simulacro de subasta de precio descendentecon las ofertas recibidas. Cada oferta es el precio queestá dispuesto a pagar quien la remitió. Por lo tanto, sicomenzamos a cantar precios en orden descendente, elprimero en gritar “¡mío!” será quien envió la oferta más

JUEGOS MATEMÁTICOSJuan M.R. Parrondo

¿Hay quien dé más?

101 – M × M

100




alta. Ganará la subasta y adquirirá el artículo subastadopor el precio ofertado, es decir, el precio final será elde la oferta más alta.

¿Tiene la subasta más habitual, la inglesa o de ofertaascendente, su equivalente de oferta sellada? Volvamosa imaginar un simulacro, esta vez de subasta inglesa,realizado con las ofertas recibidas. Imaginemos que cadaoferta tiene un “representante” dispuesto a pujar tanalto como indique su oferta correspondiente. Comienzala subasta y las pujas van subiendo, digamos de euroen euro,... ¿hasta la oferta más alta? No. Supongamosque la oferta más alta, llamémosla A, es de 1000 eurosy que la segunda oferta más alta, B, es de 900 euros.Cuando la puja llega a 900, el representante de A será elúnico capaz de superarla pujando 901 euros. Pero ahoranadie subirá a 902. Por lo tanto, A gana la subasta ysólo tiene que pagar por el artículo el precio ofertadopor B (más la pequeña cantidad de un euro o mínimoincremento de puja), es decir, la segunda oferta más alta.Esta subasta de oferta sellada, en la que gana el queofrece más pero paga no lo que ofertó, sino la segundaoferta más alta, se llama “subasta de Vickrey” o “de se-

gundo precio”. A primera vista, es una variante un tantoextraña porque parece que el subastador está tirandopiedras contra su propio tejado: si A estaba dispuestoa pagar 1000 euros, ¿por qué venderle el artículo por900? Vickrey, sin embargo, demostró que tiene virtudesconsiderables, utilizando un argumento estrechamenterelacionado con nuestros sorteos iniciales.

Supongamos que se subasta un objeto por el queestá usted dispuesto a pagar como máximo 1000 euros.Tenemos primero que precisar qué entendemos por esteprecio máximo. No es un precio determinado por susvicisitudes económicas, su presupuesto mensual o supatrimonio. Es decir, no es 1000 euros la cantidad máxi-ma a pagar porque no se pueda permitir un desembolsode 1001 euros, sino, simplemente, porque para ustedel objeto subastado no vale 1001 euros. No tiene undeseo especial de poseerlo ni emociones de ningúntipo. Es sólo pura cuantificación del valor del objeto.Puede considerar la subasta como un juego o loteríaen donde, si consigue el objeto por un precio p , gana1000 – p euros, y no gana nada si pierde la subasta.Por lo tanto, le es absolutamente indiferente ganar lasubasta por un precio p = 1000 euros o irse a casa conlas manos vacías.

Con esta premisa, que es consecuencia de la llamada“teoría de la utilidad”, una de las bases de la economíaclásica, podemos analizar los distintos tipos de subasta

de oferta sellada. ¿Cuál es su mejor estrategia cuandoparticipa en una subasta de primer precio? Para sim-plificar, supongamos que la oferta máxima del resto departicipantes es un número aleatorio entre 900 y 1000euros. En este caso, la subasta es similar a nuestroprimer sorteo. Si su oferta es p* , la probabilidad deganar la subasta es (p* – 900)/100. La ganancia mediaserá entonces:

y resulta ser máxima si p* = 950 euros. Esta es por tantola oferta que debe realizar. Por otro lado, si participara

en una subasta de Vickrey, el precio no dependería desu oferta, como en nuestra segunda lotería. Le interesaentonces maximizar la probabilidad de ganar, lo que seconsigue ofertando exactamente 1000 euros. La subas-ta de Vickrey tiene una virtud importante: la estrategiaóptima de todos los participantes es “decir la verdad”,ofertar lo que para ellos vale el objeto subastado. Asíocurre también en la subasta inglesa. Observen la di-ferencia con la subasta de “primer precio”, en la quedecir la verdad no produce ningún beneficio, porque,como hemos dicho, ganar la subasta por 1000 euros esigual que perderla. Hay que pujar un poco por debajo,al igual que los participantes en la subasta holandesaesperan, con nervios de acero, a que el precio esté pordebajo de lo que estarían dispuestos a pagar.

¿Qué ocurre con el subastador? Con la subasta deprimer precio obtiene ofertas más bajas pero vendeel artículo por el precio más alto. Con la de Vickrey,consigue las ofertas máximas, pero vende por la se-gunda más alta. ¿Cuál de los dos sistemas le reportaun mayor beneficio? Esta pregunta es más difícil decontestar y depende de cuántas personas participen en

la subasta. Podemos resolver parcialmente el problemaen un caso muy simplificado en el que los precios p deN participantes se encuentran distribuidos al azar entre,por ejemplo, 900 y 1000 euros. Supondremos tambiénque esta información es conocida por todos los partici-pantes. En este caso, la oferta óptima en la subasta deprimer precio para un participante que valore el artículosubastado en un precio p se puede encontrar por unargumento similar al anterior y resulta

Luego las ofertas en la subasta de primer precio seránN números distribuidos al azar entre 900 y 950. En elcaso de la subasta de Vickrey, las ofertas coinciden conlos precios: serán por tanto, N números distribuidos alazar entre 900 y 1000. Para comparar los precios finalesen las dos subastas necesitamos saber cuánto vale elmáximo de N números distribuidos entre 900 y 950 yel segundo número más alto de N números distribuidosentre 900 y 1000. Aunque este cálculo es complicado,no es difícil convencerse de que, si N es suficientementegrande, es más probable que el precio final en la subastade Vickrey sea mayor que en la de primer precio.

Por lo tanto, parece que Vickrey tiene todo a su favor:por un lado los participantes no tienen que estrujarse elcerebro para calcular su oferta ni tienen que adivinar o

espiar las intenciones de sus contrincantes; en cuantoal subastador, tiene una alta probabilidad de conseguirun precio de venta más alto. Si es así, ¿por qué no seutiliza con más asiduidad? Una de las reticencias encontra de la subasta de segundo precio es que, si losparticipantes no son muy numerosos, el precio final deventa puede ser mucho menor que en la subasta de pri-mer precio. Pero hay otra razón más sutil, que tiene quever con la confianza de los participantes en la integridaddel proceso. Si ganamos una subasta de Vickrey, perono conocemos al resto de los participantes ni las ofertasque han enviado, ¿cómo sabemos que el segundo precioha sido realmente el que nos dice el organizador?

p * – 900G = (1000 – p *)

100

p + 900p * =

2




IDEAS APLICADAS

RODAMIENTOS DE BOLAS

Ocultos a la vista, los rodamientos constituyen piezas fundamentales en todos los mecanismos que rotan o ruedan: turbinas

de centrales eléctricas, columnas de dirección,norias, monopatines, yo-yos, tornos de dentistay motores eléctricos de todo tipo de artilugios,desde frigoríficos y abrelatas hasta el disco durode ordenadores y reproductores de discos com-pactos. En cada caso, las bolas reducen el roza-miento del movimiento de las piezas rotatorias.Cada esfera debe ser perfecta; de lo contrario,el movimiento que propicia acabará agarrotán-

dose. Aun así, se fabrican por millones a pocoscéntimos la pieza. ¿Cómo se consiguen unasbolas de tan increíble redondez y lisura?

De metal, cerámica o plástico, todas las bolascuyo peso oscila entre unas decenas de gramoshasta centenares de kilos siguen un proceso deproducción similar. Se parte de un taco cilíndricocortado de un alambre o extrudido, que se pasapor una prensa de estampación que le confiereuna forma aproximadamente esférica. Esta ad-quiere una mayor redondez por fricción entre dosplacas pesadas y luego se rectifica hasta la es-fericidad y lisura exactas por rodadura entre dosmuelas por las que cada bola pasa centenares,si no millares, de veces. Así se obtienen tambiénlos balines de pistolas y escopetas de aire, y lasbolas de bolígrafos y desodorantes.

Esta precisión causa mayor impresión todavíasi se consideran los volúmenes de producción.En Hartford Technologies, de Rocky Hill (Con-necticut), cada lote de producción parte de casi230 kilos de alambre con los que se fabrican300.000 bolas de 6,35 mm de diámetro o 2,5 mi-llones de bolas de 3,20 mm de diámetro. Elmayor coste del proceso recae en el desgaste delas placas y muelas, que exige un mantenimientocontinuado del revestimiento. La fabricación de

rodamientos constituye una actividad de granvolumen, aunque escaso margen económico.

Pese a sus numerosas aplicaciones, los roda-mientos de bolas soportan sólo un peso o unempuje limitado, ya que en cada bola el contactoes puntual. Para aguantar cargas mayores, comoen los diferenciales de los automóviles, debenemplearse rodamientos de rodillos; éstos susti-tuyen a las bolas y el contacto se ejerce sobreuna línea. Cuando se requiere un rozamiento ex-tremamente reducido bajo cargas ligeras, puedeoptarse por los cojinetes líquidos.

Alivio de fricciones

Mark Fischetti

Alambrede acero

PrensaCuchilla

Muela

Metal

Arena

G E O R G E

R E T S E C K

1. TRONZADO: El alambre de acero setrocea. Una prensa conforma cada trozoen esfera basta. Si el diámetro final de labola debe ser 6,350 mm, tras esta opera-ción debe medir unos 6,604 mm.

3. AMOLADO SUAVE: Una muela ranurada

guarnecida de arena de amolar aplica unaleve presión a la vez que gira. Las bolassufren otra vez varios centenares de pa-sadas, tardando quizá seis segundos paradesplazarse desde arriba hasta el fondo encontra de una piedra que rota a 80 vueltaspor minuto. (Diámetro: 6,426 mm.) TRA-

TAMIENTO TERMICO: Las bolas ruedanpor el interior de un horno giratorio (no

representado ), que las recuece a la durezaespecificada. AMOLADO FUERTE: Unanueva muela (no representada ) con unaarena más fina bruñe las bolas aplicandouna presión mayor.(Diámetro: 6,375 mm.)




Metal blando

¿ S A B

I A

U S T E D

Q U E . . . ?

CUESTION DE GRADO: La redondez de una bola de rodamien-to se expresa mediante el grado de esfericidad. Así, una bola degrado 10 debe ser esférica dentro de un margen de 10 milloné-simas de pulgada o de dos diezmilésimas de milímetro. Una bolade grado 10 de seis milímetros nominales debe tener un diámetrocomprendido entre 5,9998 mm y 6,0002 mm; el diámetro inferiordebe diferir en menos de dos diezmilésimas de milímetro delsuperior. Los grados más corrientes son 1000 (254 diezmilésimasde margen, para árboles de cosechadoras y trilladoras), 100 y 25(25 y 6 diezmilésimas de margen, para columnas de dirección deautomóviles). A los rodamientos de “precisión” les corresponden

los grados 10, 5 y 3 (para tornos de dentista de alta velocidad).

EN EL ORDENADOR: El disco duro se acciona mediante unpequeño motor eléctrico montado en el centro (lo mismo que enun reproductor de discos compactos). Merced a unos diminutos

rodamientos de precisión, el motor gira a gran velocidad y conescaso rozamiento. Aun así, las bolas generan un leve ruidoy cierta vibración, con la limitación consiguiente de la densidada la que los datos pueden comprimirse en el disco sin perderfiabilidad. Por ello, IBM y otras empresas se están pasando alos cojinetes líquidos, más silenciosos, basados en una rosquillarellena de fluido en vez de bolas.

PUNTA FINA: En 1943, el periodista húngaro Laszlo Biroy su hermano Georg, químico, solicitaron la patente europea paraun nuevo tipo de pluma con una bola diminuta en la punta, que

taponaba el depósito de tinta pero que permitía a ésta fluir sobreel papel. Las plumas de Biro no tardaron en salir a la venta. Hoy,como entonces, cuanto más rugosa es la bola, mayor el flujo detinta. Es el acabado de la superficie lo que diferencia una “puntafina” de una “punta media”.

2. DESBARBADO: Las bolas penetranal azar en las ranuras formadas por

dos placas metálicas paralelas, quecasi se tocan. La placa derechapermanece inmóvil. La izquierdagira, friccionando las bolas comosi fueran arcilla, aumentando suredondez conforme avanzan hacia

el fondo. Aquí, las cuentas saleny retornan para pasar de nuevo.Las bolas pasan varios cente-nares de veces por entre lasplacas, con lo que se consigueun tamaño uniforme, aunque lasranuras varíen levemente. El con-

junto está refrigerado por agua.(Diámetro final: 6,530 mm.)

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

5. EL FLUJO DEL LIQUIDO enbolígrafos, desodorantes de bolay botellas de rociado está contro-lado por una bola de cojinete. Estase encaja en una copa del mismodiámetro durante la manufactura,pero al presionarla gira levemente,extrayendo un poco de líquido.

6. UN COJINETE DE BOLAS

encierra esferas que se muevenentre una pista interior y otra exte-rior. Los separadores impiden quese pongan en contacto; el rozamien-to se aminora con aceite o grasa(ruedas de bicicleta, patines enlínea).

7. UN COJINETE DE EMPUJE

soporta un peso a la vez quegira (bandejas giratorias, taburetesde bar).

8. UN COJINETE DE RODILLOS

soporta cargas mayores; empleacilindros en vez de bolas paraaumentar la superficie de contacto(ruedas de automóviles y trenes,cintas transportadoras).




El estudio científico de la naturaleza, renovado en la baja Edad

Media con la entrada de los librosbiológicos de Aristóteles, que sus-tituyeron a los bestiarios preceden-tes, conoció en el Renacimiento unnuevo impulso con la investigacióndirecta de los tres reinos, su repre-sentación realista y la impresión dela Historia Natural de Plinio. Muypronto esta segunda etapa recibió unulterior empuje con la noticia de laexistencia de un Nuevo Mundo, esdecir, de una naturaleza exótica,nuevos paisajes, nuevos minerales,nuevas plantas y nuevos animales.Como demuestran los autores de A New World of Animals, la sorpresainicial ante lo inesperado y descono-cido cedió paso a una aproximacióncientífica y aplicada.

No tardó en establecerse un fluido

intercambio de especies vegetales,aclimatadas las americanas en jardi-nes botánicos de la península, paraentrar en la dieta o adornar alféizares.Faltó, sin embargo, un equivalente in-tercambio de especies animales. FueEspaña la que llevó allí sus animalesdomésticos. Pero el reto intelectualprocedía de otros ámbitos: ¿No ha-bía Adán puesto nombre a todos losanimales según su naturaleza? ¿Cuálera la naturaleza y el nombre de losque se encontró Colón? El navegante

no vio en su supuesta Cathay leones,elefantes, unicornios y camellos. Demuchos de los que le salían al pasono hablaba Plinio, ni san Agustín, nilas enciclopedias de Tomás de Can-timpré o Bartolomeo Anglico.

De la reacción primera de los colo-nizadores nos hablan, con autoridad,dos cartas escritas por sendos médi-cos, Diego Alvarez Chanca y NicolòScillacio. Relativas al segundo viajede Colón, el médico sevillano narrasus propias experiencias en las In-dias, en tanto que el profesor de laUniversidad de Pavía se basaba entestimonios de marinos. Muy signi-ficativa, la aportación de Vicente Yá-ñez Pinzón, acompañante de Colónen su primer viaje a las Indias, paraluego protagonizar su propia aven-tura exploradora. En Pavía, Pinzónencontró una bestia “monstruosa”:

el opossum. La describe a retazosanalógicos, para que el lector se vayaconstruyendo su propia imagen dela misma: cuadrúpedo con su mitadanterior “como de zorra” y su mitadposterior “como de mono”, con losdedos libres “como los humanos”;atiende, entre otros rasgos morfoló-gicos al marsupio, en sus palabrasalgo así como una bolsa donde seescondían las crías.

Con los médicos, los misionerosrepresentaban la fracción mejor for-

mada. De la pluma de franciscanos,dominicos, jesuitas y otros salieronlos textos más fiables. No sólo inci-dentalmente, como en la Historia delas Indias de Bartolomé de las Casas.La proliferación de tratados de histo-ria natural, que abarcaba la geografía,la etnología y la antropología, con lacreación de gramáticas y diccionariosde lenguas aborígenes, facilitaba lainformación necesaria para que sumensaje religioso y de promociónhumana alcanzara mayor eficacia.

Con acierto, los autores traen aprimer plano la labor realizada enBrasil, desde el trabajo pionero de

Francisco Soares en su De algunascousas mais notáveis do Brasil. Fer-nando Cardim divide, en una enci-clopedia singularísima, las serpientesbrasileñas en venenosas y no veneno-sas. De entre las venenosas destacala giboia (boa), que alcanza 20 piesde largo y es capaz de tragarse unciervo entero; puesto que carece dedientes, se aproxima sigilosa a supresa y salta sobre ella de repente, ro-deándola con tanta fuerza que rompelos huesos de su víctima, ensaliva elcuerpo yacente y se lo traga. Habitaen los ríos la sucurijuba (anaconda)y en tierra determinados crótalos. Semaravilla ante loros y papagayos. Delos guainumbí (colibríes) afirma quetienen dos modos de generación, poreclosión del huevo o por “formaciónde burbujas”. Describe numerososanimales marinos.

Aunque André Thevet y Clauded’Abbeville fueran franciscanos desólida formación, el primero habla-ba de simpatías, de afinidades entrecosas, de maravillas y monstruos,

así como de la capacidad ilimita-da de la naturaleza en crear nuevosorganismos y de la correspondenciaentre animales marinos y animalesterrestres, mientras que el segundo,Abbeville, creía en las influenciasastrológicas y en los “poderes ocul-tos” como una expresión de la om-nipotencia de Dios. Thevet escribióSingularités de la France Antarcti-que, un libro de viajes, donde porsingularité se designa el carácterpeculiar que adopta la naturaleza en

L IBROS

Ciencia viajera Azar y método

A NEW WORLD OF ANIMALS. EARLY MODERN EUROPEANS ON THE CREA-TURES OF IBERIAN AMERICA, por Miguel de Asúa y Roger French. Ashgate;Aldershot, 2005.

VIAGGI E SCIENZA. LE ISTRUZIONI SCIENTIFICHE PER I VIAGGIATORI NEI SECOLI XVII-XIX. Dirigido por Maurizio Bossi y Claudio Greppi. Leo S.Olschki Editore; Florencia, 2005.

THE COMMERCE OF CARTOGRAPHY, por Mary Sponberg Pedley. The Uni-versity of Chicago Press; Chicago, 2005.

THE MALASPINA EXPEDITION 1789-1794. THE JOURNAL OF THE VOYAGE

BY ALEJANDRO MALASPINA. VOLUMES I-III. Dirigido por Andrew David,Felipe Fernández-Armesto, Carlos Novi y Glyndwr Williams. The HakluytSociety; Londres, 2001.




cada país, la forma en que se expresaa sí misma. Abbeville, por su parte,relata en Histoire de la mission des pères Capucins en l’isle Maragnanen terres circonvoisins las extraordi-narias condiciones en que viven losanimales, en una atmósfera pura ypastos óptimos, consecuencia de locual se multiplican abundantemente;la ausencia de vacas, ovejas y caba-llos queda compensada por animalesdesconocidos en Francia, como elagouti, tatú y tapyrousson.

En esos autores y en muchos másbebe el jesuita español Juan Euse-bio Nieremberg, profesor del ColegioImperial, autor de una memorable Historia naturae maxime peregri-nae, que contiene un sumario defilosofía e historia natural centradoen los animales. Aborda éstos desdela perspectiva de las cuatro causas.

Resulta paradigmática su descripcióndel armadillo: tras mencionar los di-versos nombres con que se le conoce,atribuye la discrepancia entre la des-cripción del armadillo (aiatochtlus)de Hernández y la de Oviedo a quese refieren a dos especies distintasde animalia loricata, que viven endistintas provincias del Nuevo Mundo(explicación tomada de Clusius).

A Carlos II de España, entonces de12 años, dedica Athanasius Kirchersu Arca Noe in tres libros digesta,de carácter eminentemente didácti-co. Ante la cuestión de si todos losanimales entraron en el arca, Kircherresponde que existen metamorfosis,en cuya virtud una especie puedeconvertirse en otra, fenómeno que seda principalmente en la Zona Tórrida.Allí el calor estimula la producciónde vapores, que excitan las micelasde las razones seminales (rationesseminales) que, a su vez, generanla variedad de animales imperfectoscaracterísticos de los trópicos (insec-tos, serpientes, etcétera). No pasarían

muchos años, sin embargo, hasta queRedi acabara con tal generación es-pontánea.

La ciencia moderna asume comoparte importante de su desarrollo lasexpediciones. Se sobreentiende quelos protagonistas exploran el globopara conocer mejor el suelo propio.Lo mismo que el razonamiento cien-tífico necesita un método, tambiénimporta sistematizar los procesosde observación, el ars peregrinan-di. Ningún conocimiento libresco

podía sustituir a la observación di-recta (Viaggi e Scienza. Le istruzioniscientifiche per i viaggiatori nei se-coli XVII-XIX ). Y se crea un nuevogénero literario, incoado por ThomasErpenius, quien en 1624 publicó su De peregrinatione gallica instituendatractatus, item brevis admodum trac-tatus in totius Galliae, que recoge elmaterial indispensable para anotary el orden en que debe redactarseel informe.

En el curso del Setecientos se vaasentando un arte en el que se sien-ten comprometidas las instituciones y jerarquías de los estados. Por Europaseptentrional se difunden los textosde James Howell ( Instructions for forreine travell , 1642) y RichardBlome ( A treatise of travel, 1670).Porque el viaje supone una ocasiónreal de conocimientos sobre topogra-fía, historia, arte, ciencia y religióndel país que se visitará y la lenguaque se habla, el viajero debe con-

centrarse en lo que encuentre a lolargo del itinerario y aplicar cuantoaprendió en la fase preparatoria. Ade-más debe llevar consigo instrumentosde medición, cartas geográficas y unequipo que le permita desplazarsecómodamente.

El apogeo del género abarca unacenturia entera, entre 1750 y 1840.Con la terminación de la guerra delos Siete Años y la pérdida consi-guiente, por Francia, de la India,

Canadá y otras colonias en favor deInglaterra, se produce un movimientosistemático de exploración del globoque, iniciado con la circumnavega-ción de John Byron, Bougainville,Wallis y Cateret, Cook y La Pé-rouse, prosigue con intensidad has-ta el descubrimiento en 1840 de laúltima terra incognita, el continenteaustral por James Clark Ross y Du-mont d’Urville. El océano Pacíficoconstituye el teatro de acción. Lasgrandes empresas llegan al continente

1. Alejandro Malaspina, Museo Naval, Madrid.




antártico, al paso del Noroeste y alinterior de Africa, con empeños nomenores de levantamiento de cartasnáuticas y mapas terrestres fiables(The Commerce of Cartography).

Desde mediados del Setecientos semultiplican las mémoires y fascículostécnicos sobre recogida de especíme-nes, métodos y procedimientos parasu mejor conservación y expediciónde los ejemplares. Marca la pautael Avis pour le transport par mer(1753), de H. L. Duhamel de Mon-ceau. Al que siguen, entre otros, el Avviso per lo transporto per mare,di Alberi, Piante vivaci e Semi, loroscelta e tempo de cavarli (1756) y,sobre todo, la Instructio peregrina-toris (1759) de Linneo. Propone ésteuna jerarquización precisa en las ob-servaciones a acometer, modelo quesigue vigente: latitud y longitud de

la zona explorada, descripción (ríosy cadenas montañosas), composicióndel suelo y de la atmósfera, así comoclimatología local. Tras esas indica-ciones generales, se especifican losaspectos relativos a los tres reinos.Tras muchas de esas iniciativas se en-cuentran las instituciones científicas.La Academia de Ciencias y el Museode Historia Natural en Francia, laRegia Sociedad de Joseph Banks enInglaterra, la Academia de Cienciasde San Petersburgo y el Real Jardín

Botánico de Madrid con CasimiroGómez Ortega a la cabeza, se en-cargan de supervisar la preparaciónde los grandes viajes.

A esas condiciones objetivas yprotocolarias de trabajo, había queañadir el arrojo del viajero. Jean Se-nebrier, en su tratado sobre el arte deobservar aparecido en 1775, reclama-ba que, para investigar la naturaleza,se requería un espíritu decidido, unestado de ánimo resuelto (Éssai surl’art d’observer et de faire des ex- périences). En las instrucciones deDéodat de Dolomieu de 1791 parala expedición a los mares australesde Baudin ( Notes à communiquer à Messieurs les naturalistes qui font levoyage de la mer du Sud ) se resaltala renuncia al confort de la civili-

zación, la abnegación, el coraje, eldeseo de extender el dominio sobrela naturaleza, el ansia de nuevos co-nocimientos y el derecho de gratitudde quien emprende la aventura por elbien de su patria. Las mismas exi-gencias que volverán a aparecer enla Mémoire sur les qualités et lesconnaisances que doit avoir un Natu-raliste Voyager, de 1820, de Bourdetde la Nièvre.

Por razones de seguridad y eco-nomía, uno de los objetivos funda-

mentales de los viajes era lograr unacartografía fiable para la flota. Esearte constituyó durante los siglos XVI y XVII una especialidad de los geó-grafos de Amsterdam y Amberes. Setrataba, por supuesto, de mapas queno entrañaban ninguna revelación dederrotas secretas. Su demanda crecióen la población urbana con la di-fusión de los nuevos conocimientosgeográficos. De suerte tal que, enel siglo XVIII, la prosperidad, la ex-pansión comercial y el desarrollo deFrancia e Inglaterra promovieron elapogeo de los cartógrafos de París yLondres. Mapas, planos, cartas, atlasy globos ennoblecían las bibliotecas,las paredes y los gabinetes de lospoderosos.

En el marco de la revolución

científica, la cartografía conoció dosmomentos decisivos. Se inicia el pri-mero en 1650 con la publicación delas obras de Galileo y la Geograffia Riformata de G. B. Riccioli. Se de-sarrollaron unos métodos más riguro-sos de triangulación y de medición dela longitud, para resolver problemasde tamaño y forma global. Un si-glo más tarde, y ése fue el segundomomento, empezaron a actuar losrecién creados servicios de inspec-ción, cuyos miembros procedían de

2. Expedición de Malaspina, 1789-1794.




unas escuelas de ingenierosde nuevo cuño y donde lacartografía constituía unaasignatura central.

¿Qué se esperaba de unmapa? El contenido de losmapas reflejaba la situaciónde la ciencia en un momen-to en que, merced al micros-copio, se dilató la fronterade lo orgánico y, gracias altelescopio, el firmamento.Había cambiado la formade entender el hombre ysu instalación en el mundo.La fundación de observa-torios astronómicos para lainvestigación y la recogidade datos y el uso habitualde la trigonometría para latriangulación facilitaron laconstrucción de mapas de

una precisión creciente, quereflejaban las nuevas ideas de la posi-ción, forma y medición de la Tierra.Concurría ello con la aceptación gra-dual del sistema solar copernicano, ladifusión de las leyes de la gravedadde Isaac Newton (que establecían quela Tierra era un esferoide achatado)y la determinación de la longitud encualquier lugar del planeta.

En Francia, se erigió en 1747 la“Oficina de proyectistas”, convertidaen Escuela de Canales y Caminos en1775. La Escuela Real de Ingenieríade Mézières (1748) se estableció paraadiestrar a los ingenieros y exper-tos en fortificación. César-FrançoisCassini de Thury elaboró su propioprograma de formación para los in-genieros que trabajaban en el Mapade Francia desde 1750. En Inglaterra,la enseñanza dada en la AcademiaReal Militar de Woolwich y en laAcademia Naval de Portsmouth, asícomo el trabajo del Observatorio deGreenwich y la Sala de Dibujos dela Torre de Londres reflejaron una

tendencia sostenida de cartografíamilitar. De la cartografía civil sehizo responsable la Sociedad para elFomento de las Artes, Manufacturasy Comercio.

Entre los viajes de exploración einspección de la segunda mitad delsiglo XVIII, el de Alejandro Malas-pina fue el que mejor representó losideales y el interés científico de laIlustración (The Malaspina Expedi-tion 1789-1794). La empresa se pro-ponía superar los tres famosos viajes

del capitán James Cook, que habíaestudiado con detenimiento. Llegabael turno de España. En septiembrede 1778, Malaspina y José Busta-mante sometían un plan al ministrode marina Antonio Valdés, para unviaje de exploración e inspección delos territorios españoles de Américay las Filipinas. La expedición pro-puesta levantaría mapas hidrográficospara uso de los buques mercantes ybuques de guerra españoles e infor-maría sobre el estado político, eco-nómico y defensivo de las posesionesespañolas de ultramar. El plan fueaprobado. Al capitán de navío TomásMuñoz, comandante de los astillerosde La Carraca en la bahía de Cádiz,y experto en ingeniería naval, se leencomendó la construcción de lascorbetas, gemelas, la Descubierta,a cuyo frente iba Malaspina, y la Atrevida, comandada por Bustaman-te. Cada nave desplazaba 300 tone-ladas, con una eslora de 120 pies yuna manga de 31 pies.

Malaspina nació el 4 de noviembrede 1754 en Mulazzo, al noroeste deItalia. En 1762 su padre lo lleva aPalermo y lo matricula, tres años mástarde, en el selecto Colegio Clemen-tino. En esa etapa escolar redacta susTheses ex Physica Generali (1771).Una vez terminada su formación, en1773, escogió la carrera militar, no laeclesiástica que prefería su familia.Se afilió a la Orden de san Juan deMalta, que tenía su propia flota, yde allí pasó a la marina española en

1774. En dos meses era yaalférez de fragata. Pese a suorigen italiano, fue escalan-do los grados de la marinaespañola. Realiza variosviajes a Filipinas y alcan-za el empleo de teniente defragata. La participación envarias acciones contra losbritánicos le facilita el as-censo a teniente de navío.

Nacido el 1 de abril de1759 en Ontaneda, provin-cia de Santander, Bustaman-te se alistó a los 11 años enel departamento naval de ElFerrol. De joven participóen varias acciones de guerray a los quince años ya eraalférez de fragata. Viajó aAmérica y a las Filipinas.Fue herido en campaña, he-

cho prisionero por los ingle-ses; liberado, intervino en la batallade Trafalgar en 1782. Un año despuésse le puso al frente de un mercantede mercurio, rumbo a Veracruz, En1784 recibió el empleo de capitán defragata, al tiempo que se afiliaba ala Orden de Santiago.

En julio de 1789 Malaspina y Bus-tamante partían de Cádiz. A bordoiban científicos, artistas y toda unabatería de instrumentos topográficosy astronómicos de última generación. En términos generales, Malaspina te-nía la responsabilidad de los aspectoscientíficos del viaje, Bustamante dela gestión del viaje y de las corbetas.Pero no era una empresa personal,sino de la marina española. De los168 tripulantes autorizados para lasdos corbetas, Felipe Bauzá y Cañasse ocupó de la jefatura de cartas ymapas. En el tiempo de su reclutaBauzá era profesor de fortificación ydibujo en la escuela naval de Cádiz.Iba en la Descubierta.

Entre los botánicos se enrolaría

Tadeo Haenke, aunque la responsa-bilidad de la historia natural recaíaen Antonio Pineda. Haenke, forma-do en las universidades de Praga yViena, poseía una buena preparaciónen los tres reinos. Extravagante e in-disciplinado, su obra murió con él,aunque envió algunos especímenes,artefactos y colecciones a diversoscentros y amigos. Nunca se preocupóde separar lo público de lo privado,ni respetó la obligación de remitirlas cajas a su destinatario natural, el

3. Tadeo Haenke




Juan Ravenet y Fernando Brambila,quienes se agregaron en Acapulco.La expedición acumuló una cantidadingente de material: la colección deespecies botánicas y minerales, asícomo de observaciones científicas(llegaron a trazarse setenta nuevascartas náuticas) y dibujos, croquis,bocetos y pinturas; era impresionantey, sin duda, la mayor que habrían dereunir en un solo viaje navegantesespañoles en toda su historia.

El viaje duró más de cinco años.A su vuelta, Malaspina fue nombra-do brigadier de la Real Armada, ycomenzó a trabajar en un relato delviaje en siete volúmenes. Entre otrosmuchos asuntos, contendría recomen-

daciones para acometer reformasdrásticas en el gobierno del impe-rio español ultramarino. No contentocon ello, Malaspina se vio implicadoen intrigas políticas. Durante los ca-torce meses que transcurrieron entresu vuelta a Cádiz (21 de septiembrede 1794) y su repentino arresto en lanoche del 23 de noviembre de 1795,no parece haber tenido tiempo paraponer en orden la masa de documen-tos relacionados con la expedición.Arrestado, degradado de su rango y

Gabinete Real de Ciencias Naturalesde Madrid. Entrado en sus cincuenta,Luis Neé era probablemente el cien-tífico de mayor edad. Había trabajadocon Gómez Ortega en el Real JardínBotánico y herborizado en Navarray en las Vascongadas. A él debemosel grueso de la colección botánicade la expedición de Malaspina quenos ha llegado.

Algunos miembros de la tripu-lación se interesaron por aspectoscientíficos del viaje, incluidas la pes-ca, la caza y la herborización. Elcirujano de la Atrevida, Pedro MaríaGonzález, evidenció tal dominio dela zoología que se le relevó de algu-nas obligaciones. Contribuyeron a las

tareas propias de la historia naturaly otras los seis artistas de la tripula-ción. Los dos artistas originales, Josédel Pozo, de Sevilla, y José Guio,de Madrid, fueron sustituidos en elcurso de la expedición, el primeroen Lima y el segundo en Acapulco.A Pozo le sustituyó José Cardero,un criollo, y a Guio, Tomás de Su-ria, un grabador de México. Amboscontribuyeron significativamente alregistro pictórico del viaje, lo mismoque los artistas de origen italiano

sentenciado a cadena perpetua, fueliberado en 1803. Malaspina pasó lossiete últimos años de su vida en unobscuro retiro de Italia. Nunca reto-mó el trabajo sobre la gran ediciónde su viaje que había planeado; supropio diario no se publicó en espa-ñol hasta 1885. De todo el cúmulode conocimientos adquiridos y de lainsuperable experiencia, apenas sepublicó un atlas con 34 cartas náuti-cas. Durante el proceso de Malaspinaen 1795 se había pretendido elimi-nar los materiales de la expedición,que sin embargo fueron preservadosen la Dirección de Hidrografía delMinisterio de Marina. El grueso deaquel trabajo habría de permane-

cer inédito hasta 1885, cuando elteniente de navío Pedro de NovoColson publicó su Viaje político-científico alrededor del mundo delas corbetas Descubierta y Atrevidaal mando de los capitanes de navío D. Alejandro Malaspina y D. José Bustamante y Guerra desde 1789a 1794 (algunos materiales, comociertas observaciones astronómicas yde historia natural se habían perdidopara siempre).

—LUIS ALONSO

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



E N

E L P R O X I M O

N U M E R O . . ....DE FEBRERO 2006

PREVENCION Y TRATAMIENTODE LA MALARIA,por Claire Panosian Dunavan

Mientras se avanza en el desarrollo de

vacunas contra la malaria, la enfermedad

puede combatirse mediante mosquiteras,

insecticidas y nuevos fármacos.

La aplicación de estas medidas dependerá

de la prioridad que se asigne a la

erradicación de la epidemia. UN USO MAS EFICAZDE LOS RESIDUOS NUCLEARES,por William H. Hannum,Gerald E. Marsh y George S. Stanford

Los reactores de neutrones rápidos extraeríanMEDICION DE RADIACIONES EN SERES VIVOS,

EVOLUCIONDE LOS TETRAPODOS,por Jennifer A. Clack

Descubrimientos fósiles

recientes vierten luz sobrecómo los tetrápodos terrestres

surgieron a partir de los peces,

sus ancestros acuáticos.

352 - Enero 2006 Rodamientos de Bolas

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