Investigación y ciencia 250

5/28/2018 Investigaci n y ciencia 250

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MECANISMOS DE FORMACION DE PLASTICOS

REDES DE MEMORIA

EXISTE UN ESPACIO-TIEMPO FRACTAL?

9 770210 136004

0 0 2 5 0 COOPERACION EGOISTA DE LOS LEONES

JULIO 1997800 PTAS.


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El clima que vieneThomas R. Karl, Neville Nicholls y Jonathan Gregory

Los climatlogos han llegado a la conclusin de que, en virtud del efecto deinvernadero y otros factores, la temperatura media global subir algunos gradosel siglo que viene. Sin embargo, las predicciones simplistas que hablan deabrasadores veranos, ms huracanes y lluvias torrenciales podran andar muyerradas. Los autores del artculo ofrecen una visin ms realista.

Nuevas herramientas qumicas para crear plsticosJohn A. Ewen

Para manufacturar o inventar nuevos plsticos, los qumicos industriales hanestado a merced de las herramientas qumicas disponibles. Recientemente, unnuevo tipo de catalizadores, denominados metalocenos, han venido a su rescate.Dichas mquinas moleculares permiten un control ms efectivo del crecimientode las cadenas polimricas.

Integrinas y saludAlan F. Horwitz

Las integrinas son molculas de adhesin que mantienen pegadas las clulasa su sitio. Para sorpresa de los investigadores, cumplen una misin fundamentalen la regulacin de la mayora de las funciones del cuerpo. El autor revela elpapel de las integrinas en la artritis, cardiopatas, accidentes cerebrovasculares,osteoporosis y en la propagacin del cncer.

La cooperacin en los leonesCraig Packer y Anne E. Pusey

El len, el noble rey de las bestias, tiene un lado oculto. Estos felinos se asocian,efectivamente, para cazar presas grandes, criar a sus cachorros y ahuyentar a los

rivales. Pero detrs de la cooperacin se esconde un astuto programa de interesesegostas: slo actan de forma conjunta cuando esperan obtener un beneficioindividual.

Las galaxias del universo jovenF. Duccio Macchetto y Mark Dickinson

Viaje hacia atrs en el tiempo unos miles de millones de aos por cortesa delos telescopios ms potentes, y el universo le parecer un lugar muy diferente.En algn tiempo fue muy caliente, denso y uniforme; hoy hace fro y est enbuena medida vaco. El estudio de las galaxias ms antiguas y distantes nos est

enseando cmo tuvo lugar esa transformacin.

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12

20

42

52

Julio de 1997 Nmero 250


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El factor humano en los accidentes areosRobert L. Helmreich

Los errores cometidos por las tripulaciones de vuelo contribuyen a ms del 70por ciento de los accidentes areos. En los momentos de crisis aguda, la tensinacumulada por los pilotos puede inducirles a tomar decisiones errneas condesenlaces fatales. Para afrontar tales situaciones de emergencia, se ha ideado untipo de adiestramiento llamado gestin de recursos en cabina.

El espacio-tiempo fractalLaurent Nottale

Se contrapone hoy la fsica clsica, que se ocupa de los fenmenos a gran escala, ala cuntica, que trata de los microscpicos. El objeto de la teora de la relatividadde escala es poner fin a este antagonismo, deduciendo la mecnica cuntica de unaextensin del principio de la relatividad que gobierna la fsica clsica. Esta manerade proceder cambia profundamente el marco de nuestro pensamiento.

Redes de memoriaJoaqun M. Fuster

Tras aos de exhaustiva exploracin, la ciencia crea haber encontrado la sede decada memoria en el cerebro. Todo indica, sin embargo, que las distintas clasesde memoria estn tejidas por redes de neuronas que conectan muchos lugaresentre s. Nota caracterstica del sistema nervioso es su capacidad de almacenarinformacin sobre uno mismo y sobre el propio entorno.

60

66

74

Edicin espaola de

SECCIONES

3 HACE...

30 PERFILES 32

CIENCIAYSOCIEDAD

87 JUEGOSMATEMTICOS

Caza mayor en territorio primo.

40 DECERCA

84 TALLERYLABORATORIO

90 LIBROS

96 IDEASAPLICADAS

Dimorfismo sexual.


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INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERALFrancisco Gracia GuillnEDICIONESJos Mara Valderas, directorADMINISTRACINPilar Bronchal, directoraPRODUCCINM.aCruz Iglesias Capn Bernat Peso Infante Carmen Lebrn PrezSECRETARAPurificacin Mayoral MartnezEDITAPrensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa) Telfono (93) 414 33 44 Telefax (93) 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEFJohn RennieBOARD OF EDITORSMichelle Press, Managing Editor; Philip M. Yam, News Editor; Ricki L. Rusting, Timothy M. Beardsley y Gary Stix, Associate Editors; John Horgan, Senior Writer; Corey S. Powell,Electronic Features Editor; W. Wayt Gibbs; Kristin Leutwyler; Madhusree Mukerjee; Sasha Nemecek; David A. Schneider; Glenn Zorpette; Marguerite Holloway y Paul Wallich, Contributing EditorsPRODUCTION Richard SassoPUBLISHER Joachim P. RoslerCHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. Hanley

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Carl Brenders

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Fuente

Cameron DavidsonJennifer C. Christiansen(grficas); Warren Marr(arriba); Laurie Grace (abajo)Warren FaidleyBioGrafxFina Oil and ChemicalCompany; Dow ChemicalCompany (arriba)BioGrafxMargo Lakonishok y ChrisDoe, Universidad de IllinoisTomo NarashimaJennifer C. Christiansen(arriba); cortesa de JoanneEmerman y Mina J. Bisell(abajo izda.); Richard O.Hynes y Joy T. Yang(abajo dcha.)Jennifer C. ChristiansenRoy McClenaghan (arribaizda.); Paul Parker (arribadcha.); Jennifer C.Christiansen (abajo)Craig PackerCarl BrendersNASA, Robert Williams yEquipo de Campo Profundodel Hubble; Bryan Christie(derecha)NASA, Robert Williams yEquipo de Campo Profundodel HubbleCortesa de Mark DickinsonNASA; Observatorio Nacionalde RadioastronomaNASA; Alan Dressler; MarkDickinson; Duccio Macchetto

y M. GiavaliscoNASA; Rogier Windhorsty Sam Pascarelle(arriba); NASA; P. Madau y J.Gitlin (abajo)NASA; W. N. Colley y E.Turner; J. A. TysonJ. L. AtlanEric OConnell;Johnny Johnson (grfica)Johnny JohnsonEric OConnellR. F. SmithDocuments Pour la ScienceJoaqun M. FusterPatricia J. Wynne

Bryan ChristieJuan Velasco

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traduccin:

Manuel Puigcerver: El c lima que viene; Javier de Mendoza: Nuevas herramientas qumicaspara crear plsticos; Santiago Torres: Integrinas y salud; Joandomnec Ros: La cooperacinde los leones; Mnica Murphy: Las galaxias del universo joven; Miguel Angel Gmez Tierno:El factor humano en los accidentes areos; Juan Pedro Campos: El espacio-tiempo fractal;Ignacio Morgado: Redes de memoria; Angel Garcimartn: Perfiles; Luis Bou: Juegos matemti-cos; J. Vilardell: Hace..., Taller y laboratorioe Ideas aplicadas

Copyright 1997 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 1997 Prensa Cientfica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a08021 Barcelona (Espaa)

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Difusin

controlada


5/99INVESTIGACIN Y CIENCIA, julio, 1997 3

...cincuenta aos

GASOLINAACHORROS. Parece serque General Motors y Ford han dado

carpetazo a sus planes referentes alos vehculos ligeros, considerandoinoportuno distraer materiales ymano de obra para la fabricacin deunos automviles ligeros que con-suman menos litros de gasolina porcada cien kilmetros. Estas medidasdejan a Crostley Motors sola ante laoportunidad de conseguir una posi-cin de cabecera en el mercado delos coches baratos. [Nota de laRedaccin: Crostley Motors cerren 1952.]

ATOMOS METLICOS. Merced aexperimentos con metales calientesy fundiciones, la ciencia est desa-rrollando una teora: Dada una can-tidad de energa y unas condicionesmnimamente propicias, los tomospueden transitar de un cristal metlicoa otro, formando estructuras nuevas.Hace miles de aos que se realizansoldaduras en fro, a temperaturasinferiores al punto de fusin, sin quenadie supiera por qu los metales seunan unos a otros. Lo que los to-mos parecen necesitar es ms tiempopara moverse en vaivn dentro desus propios cristales y para emigrarde un cristal a otro. Entonces, stosparecen quedarse trabados mediantelos tomos que intercambian, creandoas una soldadura autntica.

...cien aos

BACTERIAS BENFICAS. Tanto seha dicho de las bacterias como agen-tes y difusoras de enfermedades, quees difcil conseguir que el pblicodeje de considerar esos minsculosorganismos como portadores de des-

gracias. Sin embargo, en la naturalezasu papel es benfico y contribuyentanto a nuestro bienestar y placercomo a nuestro malestar e incomo-didad. La razn por la que ciertasclases de quesos y mantequillas sabeny huelen mejor es que se desarrollaroncomercialmente diferentes especiesde bacterias.

LA CMARA MAYOR DEL MUNDO.Theodore Kytka, artista y expertoen microfotografa, ha construidouna cmara mastodntica: La por-

cin telescpica de sta mide msde siete metros y medio cuando sedespliega hasta su mxima capaci-dad. Esta cmara la ha empleado la

polica para resolver el caso de uncheque contra el Banco de Nevadaque alguien elev desde doce hastaveintids mil dlares. Para ello secoloc el cheque ante la cmara yse fotografi y ampli, resaltando noslo las fibras del papel sino tambinlas lneas sobre el mismo. La cmarapuso plidamente de manifiesto lasletras doce que haban sido borra-das con cido por los falsificadoresantes de que escribieran veintidsmil encima.

DIAMANTES SINTTICOS. Graciasal xito del profesor Henri Moissan,los diamantes pueden ya fabricarseen el laboratorio; microscpicosciertamente, pero con una forma yapariencia cristalinas, color, durezay efectos sobre la luz iguales a losde las gemas naturales. Envuelto enhierro en un crisol de carbono, intro-ducido dentro de un horno elctricoy calentado hasta ms de 4000o, fuesumergido en agua fra hasta que seenfri por debajo del calor rojo. Laexpansin del lquido al solidificarse

gener una enorme presin, bajo cuyafuerza el carbono disuelto se separen forma de diamante. [Nota de laRedaccin: los experimentos de Mois-

san se han repetido muchas veces yel nico material de dureza cristalinaque inequvocamente han producidoes espinela.]

LUDDISMO EN PARS. El doce dejulio ardieron los tal leres de la Socie-dad Constructora de Vehculos Auto-mviles, sitos en la Rue Pouchet, dePars, con la consiguiente destruccinde sesenta vehculos. Se cree que elincendio fue intencionado. Se sabeque los conductores de coches detiro se oponen a la introduccin de

vehculos automviles, de los quepiensan que estn llamados a robarlessu medio de vida.

MSCARACARTAGINESA. Un inte-resantsimo hallazgo en una necr-polis pnica de Cartago es el deuna mscara de terracota, que aquilustramos. Tiene veinte centmetrosde altura y conserva algunas trazasde pintura negra. La boca y los ojosestn recortados atravesando el espe-sor de arcilla y las orejas aparecenadornadas con aros. Sobre el puentede la nariz lleva la marca de suorigen pnico en la media luna, decuernos hacia abajo, que corona eldisco, emblema ste muy frecuente enlas estelas votivas de Cartago. Talesmscaras acostumbraban depositarsejunto a los muer tos.

...ciento cincuenta aos

PISCICULTURA EN CHINA. La crade peces con calor artificial es unaactividad normal en China y la ventade freza para ello constituye unaimportante actividad comercial en

ese pas. Los pescadores recogencon cuidado de las superficies de lasaguas todas las sustancias gelatino-sas que puedan contener freza, queenseguida colocan en una cscara dehuevo, la cual fue vaciada siendoel huevo fresco. Colocan luego lacscara debajo de un ave incubadora.Al cabo de pocos das los chinosrompen las cscara dentro de aguatemplada, donde los pececillos perma-necen hasta que se hacen lo bastantegrandes para ser introducidos en unestanque.

HACE...

Mscara de terracota cartaginesa


6/99 4 INVESTIGACIN Y CIENCIA, julio, 1997

El clima que viene

Los archivos meteorolgicos y los modelos informticos

permiten esbozar un cuadro verosmil de cules sern las caractersticas

generales del tiempo en un mundo ms clido

Thomas R. Karl, Neville Nicholls y Jonathan Gregory



E l hombre se sabe ya consciente de que podra haber alcanzado, si bien involuntariamente,una proeza de proporciones desco-

munales. Por su nmero y por latcnica desarrollada, la humanidadpodra haber inducido la alteracindel clima del planeta.

Los climatlogos sostienen, conpocas reservas, que, a lo largo delos ltimos cien aos, la temperaturamedia global ha aumentado en aproxi-madamente medio grado Celsius. Talcalentamiento se atribuye, al menosen parte, a actividades humanas; porejemplo, la combustin de carburan-tes fsiles en las centrales trmicasde produccin de electricidad y enlos automviles. Puesto que no dejande crecer la poblacin, las economasnacionales y las aplicaciones de latcnica, se espera, adems, que latemperatura media global contineaumentando en una cuanta adicionalde 1 a 3,54 grados Celsius hacia elao 2100.

Tal calentamiento es una de lasmuchas consecuencias que puedeproducir el cambio climtico. Lasdiversas formas mediante las cualesel calentamiento podra afectar alambiente del planeta y por tanto,en las formas vivas destacan en-

tre las cuestiones ms apremiantesque tienen abiertas las ciencias dela Tierra. Por desgracia se cuentantambin entre las ms difciles depredecir. Los efectos derivados detal calentamiento, amn de comple-

jos, variarn considerablemente deun lugar a otro. Revisten particularinters los cambios operados en elclima regional y el tiempo local;sobre todo, los fenmenos extremos:temperaturas muy altas o muy bajas,olas de calor, lluvias muy fuerteso sequas, episodios que muy bienpodran producir efectos azarosos enlas sociedades, agricultura y eco-

sistemas.Si nos adentramos en los estudios

de la variacin del tiempo terrestre enlos ltimos cien aos en funcin delascenso paulatino de la temperaturamedia global, y nos apoyamos encomplicados modelos informticosdel clima, extraeremos la conclusinverosmil de que el calentamientovendr acompaado de cambios enel tiempo regional. Por ejemplo, unasolas de calor ms largas e inten-sas probable consecuencia de unaumento de la temperatura media

global o de la variabilidad de lastemperaturas diarias comportaranuna grave amenaza contra la saludpblica (altsimo nmero de bajas)y provocaran importantes daosmateriales (combado de las carrete-ras) junto con exigencias no menoscostosas (aumento de consumo pararefrigeracin, lo que podra inclusoobligar a cortes parciales o totalesdel suministro elctrico).

El cambio climtico tambin afec-tara a la distribucin de lluvias yotras precipitaciones; en unas zo-nas aumentaran, para disminuir enotras, con la consiguiente alteracinde la distribucin global y la apa-ricin de sequas e inundaciones.Asimismo, esa mayor variabilidady ese incremento de los extremosde precipitacin pueden exacerbarproblemas todava irresueltos de ca-lidad y depuracin del agua, erosiny descarga urbana de precipitacionesbreves e intensas, entre otros. Antetamaa perspectiva, resulta imperiosoque se conozcan las consecuenciasdel efecto de la especie humanasobre el clima global.

Dos puntas

Los estudiosos disponen de dos m- todos principales y com-plementarios para investigar loscambios climticos. El archivo mi-nucioso de los fenmenos meteo-rolgicos cuenta ms o menos conun siglo de historia, que coincidecon el perodo durante el cual latemperatura media global aumenten medio grado. El anlisis de talesmediciones y registros permite a los

climatlogos comenzar a esbozar uncuadro de los momentos y lugaresen que se produjeron los extremosde tiempo y clima.

Pero a los cientficos lo que real-mente les interesa es la relacinentre extremos y aumento generalde temperatura. Para lo cual necesi-tan el concurso de otra herramientacrtica de investigacin: los modelos

globales ocenicos y atmosfricos delclima. Estos modelos informticosde altas prestaciones simulan losprocesos importantes de la atmsferay los ocanos; en ellos se basan losinvestigadores para hacerse una ideade las relaciones entre las actividadeshumanas y los sucesos principalesde la temperie y el clima.

Fijmonos, por ejemplo, en loscarburantes fsiles. Su combustinaumenta la concentracin en la at-msfera de ciertos gases de inver-nadero, los agentes fundamentales

del calentamiento global imputablesal hombre. Estos gases, entre losque se citan el dixido de carbono,metano, ozono, halocarburos y xidonitroso, dejan pasar la luz solar, perotienden a aislar el planeta contra laprdida de calor, cual si conforma-ran el vidrio de un invernadero. Amayor concentracin, pues, climams clido.

De todos los gases de invernaderoproducidos por la actividad humana(antropognicos), el dixido de car-bono es, con diferencia, el que ejercemayor impacto en el balance globalde calor (diferencia entre la cantidadde calor absorbida por el planeta yla devuelta al espacio en forma deradiacin). La persistencia de dichogas refuerza su eficacia aislante:hasta un 40 por ciento de dixidode carbono tiende a permaneceren la atmsfera durante siglos. Laacumulacin de dixido de carbonoatmosfrico viene favorecida no slopor la combustin, sino tambin porla deforestacin tropical.

Entre los efectos causados por loshumanos en el balance de radiacin

de la Tierra le siguen en influencia,probablemente, los aerosoles. Estasdiminutas partculas slidas, recubier-tas a veces de una pelcula lquida,se hallan dispersas por la atmsfera.Proceden de la combustin, aunqueemanan tambin de fuentes naturales,sobre todo de erupciones volcnicas.Al bloquear o reflejar la luz, losaerosoles mitigan el calentamientoglobal a escalas globales o regionales.A diferencia del dixido de carbono,los aerosoles no permanecen muchoen la atmsfera (con un tiempo de

THOMAS R. KARL, NEVILLE NI-CHOLLS y JONATHAN GREGORYhan pertenecido al Comit Interguber-namental de Cambio Climtico, encar-gado de asesorar y valorar la influenciade las actividades humanas sobre elclima global. Karl trabaja en el CentroNacional de Datos Climticos de laAdministracin Nacional Atmosfricay Ocenica de los EE.UU. Nicholls

desarrolla su labor cientfica en elCentro de Investigacin del ServicioMeteorolgico australiano. Gregory,experto en construccin de modelosclimticos, se halla adscrito al CentroHadley de la Oficina Meteorolgicadel Reino Unido.

1. ESTA FINCA INUNDADA cerca delro Mississippi en 1996 ilustra una con-secuencia verosmil de la tendencia alcalentamiento. No slo aumentar lapluviosidad general; alcanzarn tam-bin una intensidad mayor los episodiosaislados.



residencia inferior a una semana); enconsecuencia, estn concentrados enla vecindad de sus fuentes. Hoy, losexpertos abrigan ms dudas sobre losefectos radiativos de los aerosolesque sobre los causados por los gasesde invernadero.

Al tomar en consideracin losaumentos de los gases de inverna-dero, los modelos climticos globalesdel ocano y la atmsfera puedenproporcionar ciertas indicacionesgenerales de lo que podramos an-ticipar sobre las variaciones en los

episodios meteorolgicos y enlos extremos. Pero las pres-taciones que ofrecen inclusolos ordenadores ms rpidosy nuestro mediocre conoci-miento de las relaciones entrelos diversos fenmenos atmos-fricos, climticos, terrestresy ocenicos limitan nuestracapacidad para modelar pro-cesos importantes en las es-calas a las que se producen.Atendamos, por ejemplo, alas nubes. Cumplen stas una

funcin capital en el balance decalor atmosfrico. Sin embargo, losprocesos fsicos que forman las nubesy determinan sus caractersticas ope-ran en escalas demasiado pequeaspara poder tenerlas directamente encuenta en las simulaciones a escalaglobal.

Cun clido y frecuente?

Las limitaciones de los modelos informticos aparecen con noto-

ria claridad al pretender recrear ypredecir la frecuencia de extremos(cualesquiera que sean) del clima ydel tiempo. De estos extremos, seha estudiado con notable empeo latemperatura, lo que resulta explica-ble habida cuenta de su incidenciaen la salud y la mortalidad, ascomo en el aumento de consumopara refrigeracin y otros factores.Los expertos han podido hacerseuna imagen del comportamiento deesos extremos analizando decenios

de registros meteorolgicos. Por ra-zones estadsticas, basta un ligeroincremento de la temperatura mediapara que aparezcan grandes saltosen el nmero de das muy clidos[vase la figura 2).

Por qu cuesta tanto modelar losextremos de temperatura? Entre otrasrazones, por su sensibilidad a varia-ciones espordicas de la circulacin ylas masas de aire, que ocasionalmentepueden hacerlas seguir un curso in-verso al de la temperatura media. Amodo de botn de muestra: en la

TEMPERATURA (GRADOS CELSIUS)

NUMEROD

EDIAS

DISTRIBUCION DE TEMPERATURA CORRIDA

0 12 24 36 48

1900 1920 1940 1960 1980

AO

0

10

20

30

40

50

60

TENDENCIALINEAL

DIAS DE ESCARCHA (ROMA, AUSTRALIA)

NUMEROD

EDIASDE

ESCARCHA

SIMULACION CON CO2

SIMULACIONCON CO2

Y SULFATOS

1900 1950 2000 2050 2100-1

0

1

2

3

4

5

AO

TEMPERATURA GLOBAL DEL AIRE

AUMENTOD

ETEMPERAT

URA

(GRADOSCELSIUS)

2. PEQUEOS CORRIMIENTOS en la tempe-ratura diaria ms frecuente originan aumentosdesmesurados en el nmero de das extremada-mente clidos. La razn es que las distribucionesde temperatura se aproximan a curvas de Gauss.Por ello, cuando el punto ms alto de la curvade campana o gaussiana se corre hacia la de-recha (arriba), se produce un aumento bastantegrande (regin en amarillo) de la probabilidadde que se excedan umbrales de temperaturaextremadamente altos. Una mayor probabilidadde altas temperaturas aumenta la probabilidadde olas de calor (derecha).

3. EL AUMENTO de la tem-peratura media global se si-mul (arriba, a la izquierda)mediante un modelo climticoen el Centro Hadley de laOficina Meteorolgica del ReinoUnido. La lnea azul corres-ponde a una simulacin basadaexclusivamente en el dixido decarbono; la lnea amarilla tienetambin en cuenta el aerosolde sulfato. Conforme creca latemperatura media global, dis-minua el nmero de das contemperaturas mnimas bajo cero.Este ejemplo (a la izquierda)muestra el nmero anual de dasde escarcha en la australianaRoma, Queensland.



antigua Unin Sovitica, el mnimoabsoluto anual de temperatura ha au-mentado en grado y medio, mientrasque la mxima absoluta anual no haexperimentado cambio.

El Centro Nacional de DatosClimticos, integrado en la Adminis-tracin Nacional Atmosfrica yOcenica (NOAA) de los EE.UU.,ha desarrollado un modelo estadsticoque simula las temperaturas mximay mnima diarias a partir de trespropiedades de la grfica de tempe-ratura en funcin del tiempo. Esastres propiedades son la media, suvariancia diaria y su correlacin deun da a otro (la correlacin reflejala persistencia de las temperaturas:por ejemplo, la frecuencia con queun da clido sigue a otro da c-lido). Dados nuevos valores de media,variancia y persistencia, el modelopronosticar la duracin y rigor delos extremos de temperatura.

Algunas de sus predicciones sonllamativas. Chicago, por destacar

una urbe, muestra una variabilidadconsiderable de una semana a otra.Aun cuando la temperatura mediade enero subiera cuatro grados (loque puede realmente ocurrir a fina-les del prximo siglo), mientras lasotras dos propiedades se mantuvieran

constantes, seguira habiendo das detemperatura mnima inferior a 17,8grados Celsius. Y as incluso variosdas seguidos. Debera tambin pro-ducirse una disminucin del nmerode heladas precoces y tardas, a tenorde la estacin. No debera provocarsorpresa que, durante el verano, me-nudearan ms los agobiantes perodosmuy clidos, incluidas olas de calor

asfixiantes. Con slo un incrementode tres grados Celsius en la tempe-ratura media de julio, la probabilidadde que el ndice de calor (un valorque comprende la humedad y midela sensacin de incomodidad) exceda49 grados Celsius alguna vez duranteel mes aumenta de uno cada 20 auno cada cuatro.

Por su incidencia en la agricultura,los aumentos en la temperatura m-nima revisten particular inters. Deacuerdo con los registros anotadosen zonas rurales a lo largo de la

segunda mitad de este siglo, la tem-peratura mnima ha aumentado a unritmo ms del 50 por cien mayorque el seguido por la mxima. Esteaumento ha dilatado el perodo exentode heladas en muchas partes de losEE.UU.; en el nordeste, por ejemplo,el perodo sin heladas comienza ahora11 das antes de lo que acontecaen los aos cincuenta. Un perodoexento de heladas ms largo puederesultar beneficioso para muchas co-sechas cultivadas en lugares dondelas heladas no son muy corrientes,pero tambin afecta el crecimientoy desarrollo de plantas perennes yde plagas.

Se nos escapan las razones porlas que las temperaturas mnimascrecen ms deprisa que las mximas.Ese fenmeno podra, quiz, guardarrelacin con la cobertura nubosa yel enfriamiento por evaporacin, quehan aumentado en muchas regiones.

Las nubes tienden a mantener losdas ms frescos, al reflejar la luzsolar, y las noches ms clidas, albloquear la prdida de calor delsuelo. El incremento de humedad enel suelo gracias a la precipitaciny nubosidad adicionales inhibe lasubida de temperatura durante el daporque parte de la energa solar seinvierte en la evaporacin de esta

humedad. Para alcanzar una explica-cin ms concluyente, as como poderpredecir si continuar la asimetradel calentamiento diurno y nocturno,deberemos esperar la elaboracin demejores modelos informticos.

Los pronsticos de los cambiosde temperatura da a da son menosseguros que los de la media. Contodo, los registros sugieren que, alhacerse el clima ms clido, estavariabilidad ha decrecido en granparte de las latitudes medias delhemisferio septentrional. La variabi-

lidad, que depende de la estacin yla situacin, est tambin relacionadacon las caractersticas de la superfi-cie, tales como la nieve cada y lahumedad del suelo. En las latitudesmedias, los cambios de la variabili-dad diaria de las temperaturas hanvenido, asimismo, asociados a cam-bios de la frecuencia e intensidad detemporales y cambios de la posicinde las trayectorias comnmente se-guidas por ellos. Estas trayectoriasde los temporales son una sucesinde depresiones de latitudes mediasque avanzan hacia el este y cuyopaso determina el tiempo.

La relacin entre esos temporales yla temperatura es complicada. En unmundo ms caliente, la diferencia detemperatura entre los trpicos y lospolos cubrira con toda probabilidadun menor intervalo, por la sencillarazn de que en los polos se esperamayor calentamiento. Este factor ten-

20% 0% 20%

DISMINUCION AUMENTO

CAMBIO APROXIMADO DE PLUVIOSIDAD4. EL CURSO de la precipitacin en-tre 1900 y 1994 revela una tendenciageneral hacia mayor precipitacin enlas latitudes ms altas y menor, en lasms bajas. El verde indica ms lluvia;el castao, menos.



dera a debilitar los temporales. Porotra parte, en la alta atmsfera seinvertira la diferencia, lo que influi-ra de manera opuesta. Tambin seproduciran cambios en los tempo-rales si los aerosoles antropognicoscontinuasen enfriando regionalmentela superficie, alterando los contrasteshorizontales de temperatura que con-trolan la posicin de las trayectorias

de los temporales.

Ms precipitacin

La complejidad aludida en la relacin entre temporales y dis-tribucin de temperaturas constituyeuna de las razones por las queresulta tan difcil simular los cam-bios climticos. Los componentesprincipales del clima temperatura,precipitacin y temporales se ha-llan en tan intensa interrelacin,que es imposible entender uno al

margen de los otros. En el sistemaclimtico global, por ejemplo, elciclo de evaporacin y precipitacintransporta no slo agua de un lugara otro, sino tambin calor. El calorconsumido en el suelo por la eva-poracin del agua se libera a ciertaaltura en la atmsfera cuando el aguavuelve a condensarse en forma denubes y precipitacin, calentando elaire circundante. La atmsfera pierdedespus este calor por radiacinhacia el espacio.

Con o sin gases de invernaderoadicionales, la Tierra absorbe lamisma cantidad de energa solar yradia de nuevo la misma cantidadhacia el espacio. Sin embargo, conuna mayor concentracin de gases deinvernadero, la superficie est mejoraislada y puede radiar menos calordirectamente desde el suelo hacia elespacio. Decae la eficacia con que elplaneta radia calor hacia el espacio,lo que significa que la temperaturadebe subir para que se pueda radiarla misma cantidad de calor. Y amedida que la temperatura aumenta,se produce ms evaporacin, lo que

conduce a mayor precipitacin globalen promedio.Ahora bien, la precipitacin no

aumentar en todas partes y a lolargo de todo el ao. (Por contra,todas las regiones del globo debe-rn registrar temperaturas ms altashacia fines del prximo siglo.) Ladistribucin de las precipitacionesviene determinada no slo por pro-cesos locales, sino tambin por lavelocidad de evaporacin y las co-rrientes atmosfricas que transportanhumedad.

Vemoslo aplicado. La ma-yora de los modelos predicenuna disminucin de la preci-pitacin en Europa meridionalen verano como resultado delaumento de los gases de in-vernadero. En esta regin, unafraccin notable de la lluviaproviene de la evaporacin lo-cal; el vapor que no precipita

localmente se exporta a otrasregiones. Por tanto, con unclima ms clido, el aumentode la evaporacin en primaveradesecara el suelo y conduciraa una menor disponibilidad deagua para la evaporacin y lalluvia en verano.

A mayor escala, los mode-los prevn un aumento de laprecipitacin media en invierno enlas latitudes altas. Lo atribuyen almayor transporte de humedad ha-cia el polo, instado por el aumentode evaporacin en las bajas latitu-des. Desde comienzos de siglo, laprecipitacin ha aumentado en lasaltas latitudes del hemisferio norte,principalmente en la estacin fra,conforme subieron las temperatu-ras. Pero en las regiones tropicalesy subtropicales, la precipitacin hadecrecido en los ltimos decenios,lo que se ha comprobado de manerapatente en el Sahel y, en direccineste, hasta Indonesia.

En la franja ms septentrional deNorteamrica (al N de 55 grados) yEurasia, con temperaturas por debajo

de cero durante gran parte del ao,las nevadas han aumentado desdehace varios decenios. Es probableque en estas regiones se produzcaun ulterior incremento de la preci-pitacin en forma de nevadas. Mshacia el sur, en el S de Canad yN de los EE.UU., la razn de nievea lluvia ha disminuido; aunque, envirtud del aumento de precipitacintotal, ha habido poca variacin ge-neral en la cantidad de precipitacinen forma de nieve. En los cinturonesde transicin de la nieve, donde las

nevadas son intermitentes durantetoda la estacin fra, la precipitacinmedia en forma de nieve tender adisminuir con el calentamiento delclima, antes de anularse por com-pleto en algunos lugares. Importaadvertir que, desde 1986, la superfi-cie cubierta por la nieve durante laprimavera y el verano ha menguadobruscamente en casi un 10 por ciento.Esta disminucin de la coberturanival ha contribuido a la subida delas temperaturas de primavera en laslatitudes medias y altas.

Adems de las cantidades totalesde precipitacin, hemos de tomaren consideracin la frecuencia conque se producen copiosos aguaceroso rpidas acumulaciones, de enorme

inters en sus secuelas. Las preci-pitaciones intensas pueden provocarinundaciones, erosionar los suelos ycausar bajas humanas. Qu variacinse espera de su frecuencia?

La precipitacin depende de lahumedad relativa, que es, a su vez,la relacin entre la concentracin devapor de agua y su mximo valorde saturacin. Cuando la humedadrelativa alcanza el 100 por ciento,el agua se condensa en forma denubes y puede arrancar a llover.Los modelos informticos sugieren

5. LOS HURACANES, ciclones tro-picales, conocern a buen segurodistribuciones globales diferentesen virtud del calentamiento; loque no significa, sin embargo,que su influencia general haya decambiar. El huracn Andrew, queaparece aqu rugiendo en Miami,afect a la costa suroriental de losEE.UU. en 1992, causando prdi-das por valor de 30.000 millonesde dlares.



que la distribucin de la humedadrelativa no se alterar mucho alcambiar el clima.

Sin embargo, la concentracin devapor de agua necesaria para alcanzarla saturacin en el aire sube rpi-damente con la temperatura, a unarazn aproximada de 6 por cientocada grado Celsius. As, en un climams clido, la frecuencia de la pre-cipitacin (que est relacionada conla frecuencia con la que humedadrelativa llega al 100 por cien) variarmenos que la cantidad de precipita-cin (relacionada con la cantidad devapor de agua presente en el aire). Yno slo un mundo ms clido tendrmayor precipitacin; probablemente,el episodio medio de precipitacin

tender a ser ms copioso.Diversos anlisis apoyan la tesisdel aumento de la intensidad. En losEE.UU., por ejemplo, un promediode aproximadamente el 10 % de laprecipitacin total anual se producedurante fuertes aguaceros en los queal menos caen 50 milmetros en unda. A principios de siglo, esa propor-cin no llegaba al 8 por ciento.

Por increble que parezca con todaesta precipitacin, es de esperar queen Norteamrica, sur de Europa yotros lugares el suelo se torne ms

seco en los prximos dece-nios. Una perspectiva nadahalagea, si pensamos en larepercusin que un suelo secotiene sobre las cosechas, re-cursos freticos, ecosistemasde ros y lagos y sobre losmismos cimientos de los edi-ficios. Las altas temperaturasresecan el suelo acelerando

las velocidades de evapora-cin y de transpiracin porlas plantas. Varios modelosprevn ahora notables incre-mentos en el rigor de lassequas. Atemperando esaspredicciones, sin embargo,hay estudios de la frecuenciae intensidad de las sequas eneste siglo que sugieren que,al menos en las primeras fa-ses del calentamiento global,otros factores han predomi-nado sobre los efectos dese-

cadores de una temperie msclida. Por ejemplo, en losEE.UU. y la antigua URSS,los aumentos de nubosidaddurante los ltimos decenioshan conducido a una dismi-nucin de la evaporacin. Enel occidente ruso la humedaddel suelo ha aumentado.

Tempestades

Por cuantiosos que sean, los costesde las sequas y las olas de calorparecen menos evidentes que los deotra clase de tiempo extremado: losciclones tropicales. Estos tempora-les, conocidos como huracanes enel Atlntico y tifones en la parteoccidental del Pacfico norte, produ-cen daos ingentes en las regionescosteras y en las islas tropicales.Conforme el clima se vaya haciendoms clido, se prevn cambios en laactividad de ciclones tropicales quevariaran de unas regiones a otras.No todas las consecuencias serannegativas: en algunas regiones bas-tante ridas, la contribucin de los

ciclones tropicales a la lluvia resultavital. En el NW de Australia, porejemplo, del 20 al 50 por cientode la lluvia anual est asociada aciclones tropicales. Pero los daosproducidos por un cicln arrasadorpueden ser tremendos. En agosto de1992, el huracn Andrew mat a 54personas, dej sin vivienda a 250.000y caus daos por valor de 30.000millones de dlares en el Caribe yen la costa SE de los EE.UU.

En los primeros debates sobre elimpacto presumible de una intensi-

ficacin del efecto de invernaderosola aludirse a ciclones tropicalesms frecuentes e intensos. Puestoque estas tempestades dependen deuna superficie caliente con provisinilimitada de humedad, se formanslo sobre ocanos con tempera-tura superficial de 26 o ms gradosCelsius. Por tanto, se aseguraba, elcalentamiento global conducira a

temperaturas ocenicas ms altasy, presumiblemente, a ms ciclonestropicales.

Para la investigacin actual, fun-dada en modelos climticos y re-gistros histricos, semejante cuadropeca de un simplismo excesivo.Otros factores el empuje arquime-diano en la atmsfera, las inestabili-dades en las corrientes atmosfricasy las diferencias de la velocidad delviento a diversas alturas (cizalladuravertical del viento) intervienentambin en el desarrollo de esas

tempestades. Sin embargo, fuera deproporcionarnos esa visin ms ge-neral, los modelos climticos sloaportan una ayuda limitada en laprediccin de los cambios de laactividad ciclnica. Ello se debe,en parte, a que las simulacionesno han adquirido todava el gradosuficiente de detalle para poder mo-delar el intenssimo ncleo interiorde un cicln.

Algo mayor es el auxilio quepresta el archivo histrico, incom-pleto. Cierto es que ha resultado im-posible establecer un registro globalfidedigno de la variabilidad de loshuracanes tropicales a lo largo delsiglo XX, por un doble motivo: loscambios operados en los sistemas deobservacin (introduccin de satli-tes a finales de los aos sesenta) ylas variaciones de poblacin en lasregiones tropicales.

Contamos, sin embargo, con bue-nos archivos de la actividad ciclnicaen el Atlntico norte, donde losaviones meteorolgicos han venidorealizando labores de reconocimien-tos desde los aos cuarenta. Chris-

topher W. Landsea, del LaboratorioOceanogrfico y Meteorolgico delAtlntico, de la NOAA, infiere delos registros consultados una dis-minucin en la intensidad de loshuracanes, as como en su cuanta.Entre 1991 y 1994 se produjo unintervalo de suma tranquilidad porlo que se refiere a la frecuencia detempestades, huracanes y huracanesintensos; ni siquiera la estacin de1995, de inslita intensidad, pudoinvertir esta tendencia declinante.Aunque debemos anotar, por otra



parte, que el nmero de tifones en elPacfico NW parece haber subido.

En conjunto, parece improbableque los ciclones tropicales aumentende forma significativa a escala global.En algunas regiones, la actividad po-dra intensificarse; en otras, remitir.Cambios todos ellos que acontecernen un marco de grandes variacionesnaturales de un ao a otro ao y de

un decenio al siguiente.Los ciclones de latitudes medias

acompaados de copiosa lluvia, lasllamadas tempestades extratropicales,abarcan por lo comn una superfi-cie mayor que la de los ciclonestropicales; admiten, pues, una msfcil modelacin. Ya se han realizadoalgunos trabajos. Uno reciente deRuth Carnell y sus colaboradoresdel Centro Hadley, de la OficinaMeteorolgica del Reino Unido, hahallado menos tempestades, aunquems intensas, en el Atlntico norte

como consecuencia de la acentuacindel efecto de invernadero. Pero notodos los modelos concuerdan.

Los anlisis de los datos histricostampoco conducen a una conclusinclara. Algunos estudios sugieren que,desde finales de los aos ochenta, laactividad ciclnica de invierno en elAtlntico norte ha sido ms extremade lo que nunca fue durante loscien aos que les precedieron. A lolargo de los ltimos decenios se haobservado tambin una tendencia devientos ms fuertes y mayores alturasde olas en la mitad septentrional delAtlntico norte. Otros anlisis, reali-zados por Hans von Storch y sus co-laboradores del Instituto Max Planckde Meteorologa en Hamburgo, nohan hallado prueba de cambios enel nmero de tempestades en el Mardel Norte. En general, como ocurracon los ciclones tropicales, la infor-macin disponible pone de manifiestoque carecemos de base slida parapoder predecir aumentos globalesde las depresiones extratropicales,aunque no pueden descartarse lasvariaciones regionales.

El futuro

Aunque esas clases de huecos de- nuncian las limitaciones denuestro conocimiento del sistemaclimtico, de la valoracin de laspruebas se infiere que las activida-des humanas han ejercido ya unainfluencia discernible sobre el climaglobal. En el futuro, para reducirla incertidumbre respecto al cambioclimtico antropognico, sobre todo aescalas menores, ser necesario me-

jorar nuestra potencia informtica deconstruccin de modelos, al par queprosiguen las observaciones minucio-sas de los factores climticos.

Sern, asimismo, de ayuda nuevasiniciativas, citemos el Sistema deObservacin Climtica Global, y lainvestigacin exhaustiva de ciertosprocesos climticos importantes; losern tambin los superordenadores

de creciente potencia. No debe ol-vidarse, sin embargo, la compleji-dad del sistema climtico, razn deque en cualquier momento puedansurgir sorpresas. Las corrientes delAtlntico norte podran sufrir bruscasmodificaciones y producir cambiosbastante rpidos del clima en Europay parte oriental de Norteamrica.

Entre los factores que intervienenen nuestras predicciones del cambioclimtico antropognico, y una denuestras mayores incgnitas, est lacantidad futura de emisiones globales

de gases de invernadero, aerosolesy otros agentes de inters. El de-terminar esas emisiones trasciendela mera labor cientfica: le importaa toda la humanidad.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

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sessment, 1991.POLICY IMPLEMENTATION OF GREEN-HOUSEWARMING: M ITIGATION, ADAP-TATION AND THE SCIENCE BASE. Na-tional Academy of Sciences. NationalAcademy Press, 1992.

GLOBALWARMINGDEBATE. Nmero es-pecial de Research and Exploration:A Scholarly Publication of the Na-tional Geographic Society, volumen9, n.o 2; primavera 1993.

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Los alquimistas de la poca me-dieval trataron de convertir elplomo en oro. Los qumi-cos actuales saben que se trata de

una causa perdida, pero muchos denosotros an nos ganamos la vidadescubriendo cmo convertir materiasprimas baratas en productos valiosos.El equivalente moderno de la pocinmgica de los alquimistas es un ca-talizador, es decir, una sustancia queinicia una reaccin qumica deseada oque acelera una reaccin que de otraforma ira tan lenta, que no tendrainters econmico. El impacto socialde esta magia de nuestros das nopuede ser despreciado.

Los catalizadores han hecho po-sible entre otras cosas el de-sarrollo de varios plsticos mo-dernos. Los plsticos se sintetizanpersuadiendo a pequeas molculasorgnicas a que se unan entre sformando largas cadenas denomi-nadas polmeros. Dichos materialeshan encontrado tan vasta aplicacin,que es difcil concebir la vida sinellos. Ligeros, resistentes al agua ya la corrosin, constituyen la primeraeleccin del proyectista, ocpese de

tuberas de agua, bolsas de basura,peines para el pelo, fibras para ropao para construir carreteras o envasesde alimentos o medicamentos. Los

millones de toneladas de plsticosvendidos anualmente han hecho deesta industria un sector vital de laeconoma.

A pesar de su ubicuidad, algunospolmeros sintticos de importanciase han sintetizado, desde la dcadade los cincuenta, mediante cataliza-dores cuyo control sobre la longitudde las cadenas polimricas, as comosobre otros aspectos estructurales queinfluyen en las propiedades del ma-terial obtenido, resulta ser solamentelimitado.

Desde hace un tiempo los qumicoshan pensado que con catalizadoresmejorados, que permitan un mejorcontrol de la polimerizacin, se po-dran crear plsticos con propiedadesfsicas adaptadas a usos concretos.Por ejemplo, un plstico para unarueda dentada debera ser de granduracin, mientras que el materialpara tuberas debera ser diseadopara soportar altas temperaturas. Sinembargo, sin una clara comprensinde la catlisis tradicional, los investi-gadores slo podran conseguir levesmejoras mediante el procedimiento de

prueba y error.A lo largo de los ltimos veinteaos, descubrimientos cruciales hanmostrado cmo crear catalizadores quecontrolen de forma extraordinaria elcrecimiento polimrico. La industriade plsticos produce ya centenaresde millones de toneladas empleandodichas sustancias, denominadas me-talocenos. Los analistas de empresapredicen que, en pocos aos, losplsticos sintetizados con metalo-cenos se encontrarn en casi todoslos hogares.

Catalizadores de antao

Los catalizadores tradicionales tu-vieron su origen a mediados delos cincuenta, cuando Karl Ziegler yGiulio Natta inventaron en Europaprocesos para polimerizar etileno y

JOHN A. EWEN obtuvo su doctoradoen qumica por la Universidad deTulane en 1979. De 1980 a 1984trabaj como qumico de catlisis enla Exxon Chemical Company en Ba-ytown, Texas, y un ao ms tarde seincorpor a Fina Oil and Chemicalen Deer Park, Texas, donde investigsobre produccin de polipropileno y enqumica de catalizadores de zirconio.Desde 1991 Ewen es presidente dela Catalyst Research Corporation enHouston, que asesora a empresas sobreaspectos comerciales de la catlisis.

Nuevas herramientas qumicaspara crear plsticos

Unas pequeas mquinas molecularesdenominadas catalizadores metalocenos han revolucionado

la sntesis industrial de valiosos plsticos

John A. Ewen

12 INVESTIGACIN Y CIENCIA, julio, 1997

POLIETILENO


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propileno en polietileno y polipropi-leno. Ziegler y Natta compartieron elpremio Nobel de qumica de 1963 porsu trabajo, y dichos simples plsticosconstituyen hoy da pilares de estaindustria. El etileno y el propilenoson pequeas molculas de carbono ehidrgeno producidas en grandes can-tidades por la industria del petrleo;el etileno tiene dos tomos de carbono

y el propileno tres. Ambos poseenun reactivo doble enlace que conectados carbonos adyacentes. Los catali-zadores de Ziegler-Natta son mezclasde compuestos slidos y lquidos quecontienen tomos metlicos y atacanal doble enlace, transformndolo enun enlace sencillo. Al propio tiempo,permiten a los carbonos afectadosunirse a molculas de etileno o pro-pileno cercanas.

El resultado es un polmero quese alarga rpidamente. El polietilenopresenta un esqueleto carbonado en

forma de zigzag tachonado de to-mos de hidrgeno. El polipropilenose diferencia en que posee gru-

pos, distribuidos regularmente a lolargo del esqueleto, formados porun tomo de carbono y tres dehidrgeno. Es ms rgido que elpolietileno y sus aplicaciones sonms diversas.

Uno de los estmulos comercialesque propulsaron la mejora de losprocesos de fabricacin de polietilenonaci de la necesidad de controlar

mejor las cadenas laterales. El po-lietileno puro de cadena larga (olineal) puede tornarse quebradizo. Elpolmero puede controlar mejor lasfuerzas que lo rompen, como lasexistentes en una bolsa de basura,si las cadenas incluyen de cuandoen cuando una corta cadena lateral.Las cadenas laterales favorecen launin entre s de los microcristalesdel plstico. Sin embargo, los cata-lizadores de Ziegler-Natta tradicio-nales no resultan eficientes para laincorporacin de cadenas laterales

en la forma deseada, por lo quelos fabricantes que emplean tcnicaantigua encuentran dificultades para

obtener un polietileno resistente aldesgarramiento.

En el caso del polipropileno el retoera que, a diferencia del polietileno,el propileno puede agregarse a lacadena en dos orientaciones, que sonimgenes especulares. Se puede haceruna comparacin con las diversasformas de apilar libros. Podramoscolocar todos los cantos al mismo

lado de una montaa de libros, ocolocar alternativamente un canto ala izquierda y otro a la derecha. Laestabilidad del conjunto sera com-pletamente distinta en cada caso. Dela misma forma, las propiedades delpolipropileno varan segn como estninsertados los monmeros, es decir,las molculas individuales que formanel polmero. Ello dificulta el empleode los catalizadores de Ziegler-Nattatradicionales para la fabricacin depolipropileno.

Mquinas moleculares

Mi implicacin en esta historia seremonta a 1980, cuando fuicontratado por Exxon como expertoen catlisis para trabajar cerca deHouston en un amplio y ambiciosogrupo investigador. Los catalizadoresfuncionan como mquinas, y resultaesencial comprender cmo operanantes de empezar a pensar en cmomejorarlos. Dado que la frmula parahacer catalizadores de Ziegler-Natta

FORMAS DE POLIPROPILENO

INVESTIGACIN Y CIENCIA, julio, 1997 13

1. PLASTICOS MODERNOS CLAVE,que pueden construirse con metalocenos.Comprenden el polietileno (izquierda) y elpolipropileno (las tres cadenas de arriba).La disposicin aleatoria de las cadenaslaterales carbonadas (rosa) conduce auna estructura dbil (arriba), pero lospolipropilenos isotcticos y sindiotcticos(centro y abajo) son valiosos.



se haba ido modificando medianteprocesos de ensayo y error, nadiesaba en realidad qu tipo de estructu-ras rodeaban a los tomos metlicos.Sin embargo, la estructura de uncatalizador es la que dicta su formade accin y predetermina, por tanto,las propiedades de los polmeros quefabrica. Por tanto, mi primera tareafue la de averiguar algo sobre losmecanismos de accin de los cata-lizadores tradicionales.

Si bien a los qumicos les resultadifcil manipular macromolculas,pueden ejercer un detallado controlsobre la sntesis de otras menores.La estructura y simetra presentesen el diseo de cantidades minscu-las de un catalizador se reflejan ymultiplican millones de veces en laestructura de los polmeros que pro-duce. Este es en esencia el principioque la naturaleza emplea cuando lasenzimas sintetizan las complejas mo-lculas de los organismos vivos. Miidea fue construir pequeas molcu-las de catalizadores con estructuras

bien definidas y estables, y con unnico centro cataltico. Podramos,en consecuencia, determinar su modode accin, estudiando los polmerosresultantes.

Sobre mi pensamiento ejercierongran influencia las teoras de PietCossee en torno a los catalizadoresde Ziegler-Natta. En los aos sesenta,Cossee, del Royal Shell Laboratoryde Amsterdam, propuso que un tomometlico forma temporalmente enlacesde forma simultnea con una cadenapolimrica creciente y con el doble

enlace del monmero. Dichos en-laces facilitan la atraccin elctricadel extremo de la cadena hacia elmonmero. Cossee propona que elextremo de la cadena migraba y sefusionaba con el monmero. La ca-dena se haca as algo ms larga, ysu anterior posicin quedaba vacante.Al repetirse el proceso, la cadena seva extendiendo.

Eleg investigar sobre metaloce-nos, molculas sintetizadas por JohnBirmingham, que trabajaba en el la-boratorio del premio Nobel britnicoGeoffrey Wilkinson. Al igual que loscatalizadores de Ziegler-Natta tradi-cionales, los metalocenos contienenun metal, aunque un tomo slo, engeneral titanio o zirconio. El tomometlico est unido a dos anillos decinco carbonos, y a otros dos grupos,en general simples carbonos unidos ahidrgenos. Los anillos desempeanun papel esencial, encerrando par-cialmente al metal como si estuvieradentro de una almeja semiabierta.Los electrones de los anillos actan

tambin sobre el metal, modificandosu propensin a atacar dobles enlacescarbono-carbono.

Desde 1957, los qumicos saban,por los trabajos de Natta y de otros,como David Breslow, Wendell P. Longy Norman Newburg, de la HerculesPowder Company, que el metalocenode titanio catalizaba la polimerizacindel etileno. Sin embargo, la reaccinera tan lenta, que careca de interscomercial. Pero en 1976 HansbergSinn y Walter Kaminsky, de la Uni-versidad de Hamburgo, observaron

algo importante: adicionando cantida-des controladas de agua, la catlisispor metalocenos transcurra muchoms rpidamente.

Record que con anterioridad, en1967, F. Dyachovskii, A. K. Shilovay A. E. Shilov, de la Academia deCiencias de la URSS, haban publi-cado un artculo en ingls en el quesuscriban la teora de los qumicosde Hercules segn la cual el tomometlico de un metaloceno lleva unacarga positiva y funciona bsicamentecomo el metal de un catalizador deZiegler-Natta tradicional. Por ello,los resultados de Sinn y Kaminskyme sugirieron que los metalocenosmodificados podran revestir interscomercial.

Una razn adicional para investigarsobre metalocenos era que los dosanillos de cinco tomos de carbonodel sistema bsico de metalocenocontenan un total de 10 tomos dehidrgeno. Era de esperar que, alreemplazar alguno de dichos hidr-genos por otros tomos o grupos,

se modificaran las propiedades delmetaloceno. En definitiva, se abraun mundo de posibilidades a explotar,sobre todo porque, sorprendentemente,dichas modificaciones nunca se habanabordado de forma sistemtica.

De la teora a la prctica

Confirmamos pronto que cantida-des del orden del miligramode un metaloceno de zirconio en unreactor de alta presin proporcionabancientos de gramos de plstico en una

2. EL POLIPROPILENO SINDIOTACTICO (bloques a laizquierda y el centro de la fotografa izquierda) presentanumerosas ventajas con respecto al polipropileno tradicional(bloque derecho), como su mayor transparencia. El polie-

tileno (fotografa derecha) sintetizado con una variante decatalizador metaloceno se obtiene comercialmente; es msresistente al desgarramiento que el polmero preparado conun catalizador al uso.



hora. Sin embargo, para hacer catali-zadores de utilidad, algunas mejoraseran necesarias. Sospech que el trucoera variar el grado de congestin entorno a los anillos de cinco carbonosque rodean al tomo metlico: buenaparte de la qumica consiste en vercunto espacio hay disponible paraque ocurran cosas.

Con un asistente escptico y des-

confiado a remolque, experiment pri-mero con polietileno. Comenzamosde forma modesta, preparando yprobando metalocenos en los quereemplazbamos un tomo de hi-drgeno por un simple grupo dehidrocarburo. Aparecieron tendenciasdefinidas. Por ejemplo, aadiendoun grupo que diera carga negativaa los anillos, era de esperar que elcatalizador fuera ms reactivo frenteal etileno y, al trabajar ms rpido,condujera a polmeros ms largos.Muchos grupos, sin embargo, ocupa-

ban demasiado espacio alrededor delos anillos y hacan al catalizadormenos reactivo, por lo que las ca-denas eran ms cortas. Este tipo deobservaciones nos proporcionaron uncontrol directo, sin precedentes, sobrelas propiedades de los polmeros.Hoy en da, los metalocenos permi-ten hacer cadenas de polietileno que

contengan de unos pocos a cientosde miles de carbonos.

En cierto momento, probamos meta-locenos en los que habamos colocadoun grupo de un carbono sobre cadauno de los 10 tomos de hidrgeno deambos anillos. Dicho catalizador, queera mucho ms congestionado espacial-mente que la molcula inicial, mostruna importante propiedad. En mezclas

de etileno y propileno, era 250 vecesms reactivo frente al etileno que alpropileno, ms voluminoso. Esta selec-tividad hacia el monmero menor eramucho mayor que con el metalocenooriginal. La preferencia resultaba tanpronunciada, que el catalizador po-da generar polietileno cristalino decadena larga incluso en presencia degrandes cantidades de propileno o demolculas mayores. El descubrimientotena consecuencias prcticas, ya quemezclando catalizadores con diferentegrado de congestin, los qumicos

industriales podran llevar a caboreacciones diversas, perfectamentecontroladas, en un nico reactor y si-multneamente. Podran, por ejemplo,sintetizar en una sola etapa mezclasde polietileno cristalino y polmerosms flexibles, con cadenas lateralesincorporadas por el catalizador menoscongestionado.

A continuacin emprendimos unaetapa ms arriesgada. Colocamos unpuente con un tomo de silicio paraunir ambos anillos de cinco carbonospor uno de sus lados. Suponamosque dicha modificacin mantendra losanillos hacia un lado, como si forz-ramos las dos conchas de la almejaa permanecer abiertas. El efecto fueespectacular: el metaloceno resultante

era mucho ms reactivo frente al pro-pileno y molculas mayores que losmetalocenos originales. Catalizadorescon esta modificacin estructural seemplean industrialmente hoy da paraincorporar molculas mayores en unpolmero, como cadenas laterales.

Aunque ya estaba claro que losmetalocenos posean valiosas pro-piedades, un grave problema tcnicolimitaba su uso. A menos que loscatalizadores se fijaran sobre unamatriz, tendan a producir un polvopolimrico que se aglomeraba y pe-

gaba por todas partes. El azar resolvieste problema, aunque unos aos mstarde: en 1990 James C. Stevens, dela compaa Dow Chemical, ensayun catalizador de titanio que estababasado en un metaloceno pero conun tomo de nitrgeno en lugar deuno de los anillos de cinco carbonos.Dicho catalizador rpidamente gene-

LOS METALOCENOS

PUEDEN MODIFICARSE

...

... CON UN ATOMO

DE NITROGENO

(AZUL OSCURO)

... CON SIMETRIA

REY DE DIAMANTES

... CON

SIMETRIA

TABLERO

DE AJEDREZ... Y CON ACUMULACION

DE GRUPOS

EN UN LADO

ETILENO

GRUPO CON

UN CARBONO

3. ATOMO METALICO (gris) de un meta-loceno activo (arriba), unido a una molculade etileno y a un grupo con un carbono queiniciar una cadena polimrica. (Los tomosde hidrgeno no estn indicados.) Una variantecon un nitrgeno en lugar de un anillo fun-ciona bien a altas temperaturas. La molcularey de diamantes presenta simetra rotacional,por lo que conduce a polmero isotctico. Laversin tablero de ajedrez presenta simetraespecular y conduce a polmero sindiotctico.La acumulacin de grupos en un lado da lugara un producto isotctico.



raba polietileno a las temperaturasrelativamente altas que Dow empleabapara manufacturar sus plsticos. (Dowemplea temperaturas de ms de 120grados centgrados, cuando lo habitualson temperaturas de 50 a 70 grados.)A estas altas temperaturas, el polmerodel proceso Dow es soluble, con loque se evita el problema del polvo.

Dow adopt rpidamente el cataliza-

dor. Otra sorpresa agradable fue que laestructura tan abierta del compuesto lepermita polimerizar con tanta avidez,que poda unir cadenas con cadenaslaterales para generar polmeros conun grado de entrecruzamiento con-trolado. Los materiales resultantes,flexibles, los hace especialmente ade-cuados como aislantes para recubrircables elctricos.

Metalocenos de diversos tipos seemplean hoy da en numerosos pro-cesos comerciales para la preparacinde polietileno. Los productos son

ms homogneos que los plsticospreparados con los catalizadores deZiegler-Natta tradicionales, por lo quepresentan propiedades notablementemejoradas. Los fabricantes vendenahora mezclas polimricas con cade-nas de longitudes ptimas y ptimocontenido de cadenas laterales parausos especficos.

La temible simetra

En 1982 cambi de tema para in-vestigar sobre la adaptacin delos metalocenos a la manufactura delpolipropileno, que representaba unreto ms difcil por las dos orien-taciones posibles, una reflejo de laotra, que aparecen al aadir un mon-mero. Un polipropileno en el que lagran mayora de monmeros tenga lamisma orientacin que sus vecinos sedenomina isotctico. Las cadenas depolipropileno isotctico encajan entres mejor que las de un polipropilenocuyas cadenas laterales se disponganal azar, y el polmero resulta msduro y cristalino.

Para producir polipropileno isotc-

tico de alta calidad hay que asegu-rarse de que un 99 por ciento de lasveces el monmero se inserte en elcentro activo del catalizador en unanica orientacin. Yo saba, por lostrabajos de Adolpho Zambelli de laUniversidad de Salerno, que habados formas de ejercer dicho controlcon catalizadores de Ziegler-Natta.Una, denominada control de final decadena, tiene lugar cuando determi-nados catalizadores actan entre 30y 80 grados centgrados. La bajatemperatura disminuye la velocidad

de movimiento de la cadena crecientecon respecto al catalizador, pudiendoformarse fragmentos de monmeroscon idntica orientacin. Sin embargo,los errores son frecuentes, y cuandointent aplicar esta tcnica empleandoun metaloceno, los fragmentos resul-taron demasiado cortos. El polmeroobtenido era una sustancia elsticadistendida de bajo punto de fusin,

sin ninguna utilidad.La segunda aproximacin saca par-

tido de la simetra del propio cata-lizador, de modo que un monmeroslo encaja en la orientacin deseada,como una llave en su cerradura. Encuanto orient mis esfuerzos en estadireccin, apareci un problema deno-minado reaccin de salto atrs, que ya

Cossee haba propuesto en su teorasobre catalizadores de Ziegler-Nattatradicionales. Dichos catalizadores

pueden producir polipropileno iso-tctico, lo que para Cossee implicabaque, tras migrar y fusionarse a unmonmero, una cadena deba saltarhacia atrs volviendo a la posicinsobre la que estaba unida antes dela adicin. Sin este salto atrs, comoCossee reconoca intuitivamente, lageometra de la cadena habra llevadoa una alternancia en la orientacinde los monmeros.

No estaba seguro de que el saltoatrs pudiera producirse en los me-talocenos. Por ello, para hacer un

polmero isotctico, necesitaba uncatalizador diseado de forma quela orientacin de los monmeros adi-cionados fuera idntica desde el puntode vista de cada enlace, al igual que,en los naipes del pquer, la cara deun rey de diamantes es vista de lamisma forma por jugadores situadosa lados opuestos de la mesa. As, laorientacin de cada monmero sera la

misma, ocurriera o no el salto atrs.Sin embargo, exista otra complica-cin. Los anillos de cinco carbonosde los metalocenos giran rpidamentey cambian de lugar. Necesitaba unpuente entre ambos anillos para hacerms rgida la estructura.

Un qumico organometlico, HansBrintzinger, de la Universidad de

Constanza, haba sintetizado metalo-cenos de titanio que cumplan misrequerimientos. Los anillos estaban

enlazados por una unin de dos car-bonos, y grupos orgnicos unidos alos anillos imponan restricciones que,vistas desde cada una de ellas, eranidnticas. Era una molcula con lasimetra de un naipe de baraja. Elpolmero resultante sera isotctico,independientemente de que ocurrierano no las reacciones de salto atrsde Cossee.

Las posibilidades de xito pare-can minsculas, pero la apuestafuncion. Todava recuerdo mi ale-gra al ver los primeros miligramos

4. VARIANTES DE CATALIZADOR METALOCENO presentadas como si fueranplanas, con el tomo metlico central eliminado. La molcula de la izquierdapresenta la simetra rotacional de un naipe de pquer. Da igual observarlo desdela derecha o desde la izquierda: siempre adiciona monmeros sobre la cadenacon la misma orientacin, creando polipropileno isotctico. La molcula de la

SIMETRIA

ISOTACTICA



de propileno isotctico, cristalino,formado por un metaloceno dandovueltas en un matraz de Pyrex contolueno como disolvente. En el grupode Paolo Corradini, en Miln, cal-cularon entonces que los anillos decinco carbonos modificados forzabana la cadena a alejarse de ellos,lo que ubicaba adecuadamente alpropileno para formar el polmero

isotctico. Prepar otro catalizadorque era idntico, con la salvedad deque careca de la simetra de naipede pquer. Como era de esperar,produjo material con monmerosorientados aleatoriamente, ya que losdos anillos no podan ya controlarconjuntamente la orientacin de losmonmeros.

El polipropileno preparado con elcompuesto de Brintzinger todava pro-duca numerosas inserciones errneas

como para poder competir con elmaterial de Ziegler-Natta comercial.Prob una versin ligeramente mscongestionada, que mejor algo elproducto, aunque an presentaba pro-blemas: los catalizadores de titanioque estaba empleando no durabanmucho tiempo a las temperaturasrequeridas.

Llegados a este punto, Exxon nomostr ya inters en desarrollar losmetalocenos para la produccin depolipropileno, y abandon la com-paa en 1984. Exxon me permiti

publicar mi trabajo en un artculoa finales de dicho ao. El artculoatrajo considerable inters cientfico,y en 1985 me incorpor a Fina Oiland Chemical.

Cinco aos despus, tras los avan-ces que describo a continuacin, losmetalocenos se convirtieron en eltema ms de moda de la qumica decatlisis. Tanto yo como otros est-

bamos muy cerca de comercializar lamanufactura de polipropileno con me-talocenos. Entonces, Exxon presentuna acusacin contra m, reclamandola propiedad de prcticamente todo mitrabajo sobre metalocenos. El pleitoy mi reclamacin posterior por libeloduraron cinco aos. En 1995, unjurado me absolvi por completo, y

un cientfico de Exxon fue declaradoculpable de haber mandado, de formaannima, copias de los temas en li-

tigio a cientficos de todo el mundo.Muchos de ellos me ayudaron en eljuicio. Siempre les estar agradecidopor su apoyo.

Molculas especulares

En Fina, en mi pequeo grupo deinvestigacin sobre metalocenostrabajaban Michael J. Elder y LarryJones, que hicieron prcticamente todoel apasionante trabajo que describo acontinuacin. Nos unimos al esfuerzomundial de mejorar la accin de

los metalocenos en la preparacincomercial de polipropileno.

En 1985, Kaminsky y Brintzinger,esperando producir mejores materialesisotcticos, probaron la versin dezirconio del metaloceno de titanio deBrintzinger que yo haba estudiadoanteriormente. Aunque el compuestode zirconio actuaba con rapidez, lospolmeros resultantes eran de una

longitud tan slo de una dcima partede la requerida: formaban una ceraquebradiza de bajo punto de fusin.Prob a reemplazar el zirconio porel raro metal hafnio, pero tampococonsegu incrementar significativa-mente el punto de fusin.

Logramos finalmente aumentar elpunto de fusin del polmero em-pleando catalizadores an ms rgidos,en los que ambos anillos de cincocarbonos estaban unidos mediante untomo de silicio. Introduciendo gruposatmicos voluminosos en los lados de

los anillos situados al lado opuestodel puente de silicio se mejoraronan ms los resultados, al reducirel espacio para posibles insercioneserrneas. Todos los metalocenos co-merciales actuales emplean este tipode innovaciones.

En 1987 puse a prueba simultnea-mente la teora de Cossee sobre lamigracin de cadena/salto atrs y laextensin de la misma de Dyachovskii-Shilova-Shilov al metal cargado po-sitivamente de los metalocenos. Sila reaccin de migracin de cadenaocurra realmente en los metalocenos,deberamos poder aprovechar el efectopara preparar polipropileno en el quelos monmeros estuvieran orientadosde forma alternativa. Dicha forma seconoce como sindiotctica, y albergavaliosas propiedades. Comparada conla forma isotctica, posee mayor resis-tencia al impacto, resulta ms trans-parente y es particularmente resistentea los rayos gamma empleados paraesterilizar algunos alimentos y ma-terial mdico.

Por entonces, este polmero slopoda prepararse en el laboratorio,

en cantidades minsculas. Mi ideaera que podramos prepararlo en can-tidades grandes si las dos posiblesposiciones de enlace para el propilenoimpusieran restricciones que fueranimgenes especulares una de la otra.Esa es la simetra de las piezas deajedrez al comienzo de una partida.Para las blancas, la dama est a laizquierda del rey. Para las negras,ocurre lo contrario.

Mi idea era complicada, pero selec-cion un compuesto que posea dosanillos de seis carbonos situados a

derecha presenta la simetra de imagen especular, como las piezas sobre un ta-blero de ajedrez. A medida que el polmero creciente migra de un lado al otro,el catalizador adiciona monmeros en orientaciones alternadas, creando polmerosindiotctico. Los tomos coloreados en rojo desmpean un papel importante alimpedir la terminacin prematura de las cadenas polimricas.

SIMETRIA

SINDIOTACTICA



ambos lados de uno de los anillos decinco carbonos. Un puente conectabalos dos anillos de cinco carbonos. Elxito de este experimento prob porprimera vez que tanto Dyachovskiicomo Cossee estaban en lo cierto:el tomo metlico cargado promovauna migracin de cadena que permi-ta al metaloceno producir materialsindiotctico. Al principio, algunos

qumicos veteranos se negaron acreerlo. Pero, de nuevo, el final dela cadena, junto a las restriccionesimpuestas por la simetra de tablerode ajedrez en el centro activo, dic-taban la orientacin del monmero.A medida que la cadena migraba deun lado al otro del catalizador trascada adicin, los nuevos monme-ros se insertaban automticamenteen orientaciones alternadas.

Este catalizador fue tambin elprimer metaloceno basado en zirco-nio capaz de generar polipropileno

de cualquier tipo con cadenas tanlargas como las de los polmeroscomerciales. La clave result ser queen los sustituyentes sobre el anillo decinco carbonos modificado haba dostomos de carbono situados de talforma que impedan la terminacinprematura de la cadena. Se habaresuelto, pues, de forma inesperada,el problema prctico de la longitudde la cadena, que haba complicadotanto el empleo de los metaloce-nos de zirconio. Y as, el propilenosindiotctico se ha convertido en elplstico preferido para determinadasaplicaciones crticas, en especial enel campo mdico, en donde es muyapreciado en recipientes para sangrey prendas estriles.

Un experimento adicional propor-cion nuevas pruebas a favor de lateora de Cossee. Cuando al cataliza-dor que haca polipropileno sindiotc-tico se le bajaba la concentracin depropileno, decreca el punto de fusindel producto. Esto ocurra porque,bajo estas condiciones, se omitanalgunas inserciones; la cadena tenaque saltar hacia atrs a su posicin

previa antes de que pudiera aadirseun nuevo monmero, por lo que al-gunos monmeros se incorporabanen la misma orientacin que susvecinos. La imperfeccin llevaba auna desorganizacin de la estructuracristalina.

Desde entonces, los investigado-res han realizado algunas variacio-nes estructurales sobre este valiosocatalizador que han proporcionadonueva informacin. Por nuestra parte,diseamos una versin modificada enla que, cuando la cadena estaba en

una de sus dos posibles posiciones,daba lugar a inserciones isotcticas,mientras que en la otra posicinel catalizador era efectivamente si-mtrico y, por tanto, daba lugar ainserciones aleatorias. El resultado fuela elegante molcula de polipropilenosemi-isotctico.

Otra variacin consista en incre-mentar la congestin sobre uno de

los lados del catalizador, de formaque cuando la cadena se encontraraen dicha posicin estuviera obligada asaltar atrs sin poder aadir un nuevomonmero. El resultado predecible erapolipropileno isotctico. Treinta aosdespus de que Cossee propusieraosadamente su mecanismo de saltoatrs para explicar cmo los com-plejos compuestos de Ziegler-Nattapodan producir polmero isotctico,habamos conseguido producir un cata-lizador, cabalmente conocido, basadoen el salto atrs para producir material

isotctico de la misma longitud decadena y punto de fusin.Exxon me haba contratado para

desentraar los misterios de los catali-zadores de Ziegler-Natta. No encontrningn misterio. La mayora de laspreguntas haban sido ya respondidaspor Zambelli, Cossee y Dyachovskiiy sus colegas. Demostrando sus pre-dicciones, pude agradecidamente usarsus teoras para disear nuevos cata-lizadores. Dichos catalizadores, obe-dientes, fabricaron entonces polmerosque rejuvenecieron una industria de40 aos.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

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TADIENYL GROUP 4 METAL-ALKYL

COMPLEXES. Richard F. Jordan enAdvances in Organometalic Chemis-try, vol. 32, pgs. 325-387; 1991.

METALLOCENE/PROPYLENESTRUCTURAL

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Las clulas del cuerpo se mantienen pegadas unas a otras y a unmaterial cohesivo, o matrizextracelular, que las cir-cunda. Esa cohesin es esen-cial para la supervivencia,

ya que mantiene unidos lostejidos. Resulta importantetambin para el desarrolloembrionario y toda una seriede procesos que acontecen enel organismo adulto, comola coagulacin sangunea, lacuracin de las heridas y laerradicacin de las infec-ciones. Paradjicamente, esamisma adhesividad celularpuede facilitar la aparicinde la artritis reumatoide, losataques cardacos, los accidentes cere-brovasculares y el cncer, entre otrascondiciones patolgicas.

Aunque se conoca desde tiempoatrs la importancia de las interac-ciones adhesivas que se producenen el cuerpo, slo recientemente seha empezado a desentraar sus di-versos efectos fisiolgicos. Los pri-meros resultados esclarecedores seobtuvieron hace unos 20 aos, alaislarse algunas de las molculas dela matriz que se pegan a las clulas.Las investigaciones de los ltimos15 aos han puesto de manifiestoque unas molculas presentes en

la superficie celular, las integrinas,desempean un papel fundamentalen muchos fenmenos relacionadoscon la adhesin. Como no poda sermenos, los laboratorios farmacuticosestn ya aplicando esos conocimientosal desarrollo de nuevos tratamientoscontra ciertas enfermedades.

Me cupo la fortuna de ser uno delos investigadores que identificaronlas primeras integrinas y descubrieronsu actividad. La historia de las inte-grinas, sin embargo, no es patrimoniode un solo centro. Antes al contrario,

el conocimiento de su mecanismode funcionamiento ha sido posiblegracias a la cooperacin entre equi-pos que investigaban procesos muydistintos. A unos nos interesaba eldesarrollo embrionario; a otros, elfuncionamiento del cuerpo adulto oel desarrollo de determinadas enfer-medades. Pero el flujo de informacinentre todos los comprometidos hasido incesante, lo que ha permitidoprogresar a un ritmo acelerado.

Las interacciones que se establecenentre los componentes de la matrizy las clulas del epitelio mamarioconstituyen un ejemplo espectacular

de la importancia que la adhesin en-cierra para el correcto funcionamientocelular. Las clulas epiteliales, en

general, forman la piel y elrevestimiento de la mayorade las cavidades del orga-nismo. Acostumbran dispo-nerse en una monocapa quese apoya sobre la lmina ba-sal, una matriz peculiar. Las

clulas epiteliales que recu-bren las glndulas mamariasproducen leche en respuestaa un estmulo hormonal. Sise extraen las clulas epite-liales mamarias de un ratny se cultivan en el labora-torio, pierden rpidamentesu forma cuboide regular,as como la capacidad parafabricar protenas lcteas.Sin embargo, si se cultivanen presencia de laminina (la

principal protena adhesiva de la l-mina basal), recuperan su morfologapropia, organizan una lmina basal yconfiguran estructuras pseudoglandu-lares capaces nuevamente de producircomponentes de la leche.

A principios de los aos ochenta,los empeados en descubrir de qumodo la matriz extracelular controlabala actividad de las clulas habanconseguido algunos progresos a par-tir del estudio de la propia matriz.Averiguaron que la matriz vena aser un gel formado por cadenas deazcares y protenas fibrosas interco-nectadas, si bien la cantidad de matriz

y los pormenores de su estructuravariaban de un tejido a otro. Protenasde la matriz son, por ejemplo, la

Integrinas y saludDescubiertas muy recientemente, estas molculas adhesivas presentes

en la superficie celular se han revelado imprescindibles

para el buen funcionamiento del cuerpo y para la propia vida

Alan F. Horwitz

1. CELULA coloreada para resaltar las fibras de actina(color amarillento) que forman su entramado interno y lasintegrinas (naranja) que conectan dicho entramado con laprotena fibronectina, presente en la matriz externa.

2. LAS INTEGRINAS (naranja) atraviesan las membranas celulares. Por uno de susextremos, se unen a molculas de la matriz extracelular (o a molculas presentesen otras clulas); por el otro, se anclan en el citoesqueleto o entramado internode la propia clula. De esta manera, consiguen que una clula se mantenga en sulugar. Las integrinas se traban con el entramado interno a travs de un agregadomolecular muy organizado (adhesin focal), que abarca diversos componentes delcitoesqueleto: actina, talina, vinculina y -actinina. Se ha comprobado que lasintegrinas transmiten mensajes desde la matriz hacia el interior de las clulas.En estos procesos participan tambin componentes de los sistemas de transmisinde seales presentes en las adhesiones focales (magenta). (La configuracin de lasadhesiones focales puede variar.)


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COLAGENO

FIBRONECTINAMATRIZ

EXTRACELULAR

MEMBRANA CELULA

ADHESIONFOCAL

INTEGRINA

SEALES QUE CONTROLANLAS ACTIVIDADES

CELULARES

Ras

SOS

Grb2

FAK

QuinasaSrc

Paxilina p130cas

Vinculina Tensina

Talina

Talina

Vinculina

Zixina

ACTININA

ACTINA

CITOPLASMA

Paxilina



ALAN F. HORWITZ ensea biologacelular y estructural en la Universidadde Illinois en Urbana-Champaign. Trasdoctorarse en biofsica por la de Stan-ford, en 1969, se aplic al estudio dela espectroscopa de resonancia mag-ntica en la Universidad de Californiaen Berkeley. Cinco aos despus, setraslad a la de Pennsylvania, dondeempez a interesarse por los fenme-

nos de adhesin. En 1987, Horwitzcreaba en la Universidad de Illinois supropio departamento, donde investigala adhesin en los procesos de migra-cin y diferenciacin celular.

laminina, fibronectina (otra molculaadhesiva) y el colgeno; este ltimo,aunque a veces es adhesivo, constituyeel componente estructural primario dela mayora de las matrices. Y graciasa la microscopa se saba que las mo-

lculas adhesivas de la matriz estabanligadas, presumiblemente a travs deuna o ms molculas intermediarias,al sistema de fibras intracelulares(citoesqueleto) que proporciona a lasclulas su forma tridimensional.

Tambin se saba que las unionesclula-matriz podan afectar a lasclulas de diversas maneras segn eltipo celular, el estado de la clulaen ese momento y la composicinespecfica de la matriz. Unas veces,las clulas responden cambiando suforma; otras, emigran, proliferan, sediferencian (se especializan) o mo-difican ligeramente sus actividades.

Los cambios pueden deberse a unaalteracin en la actividad de al-gunos genes. Los genes especificanla secuencia de aminocidos de lasprotenas, molculas encargadas deejecutar la mayora de las funciones

celulares. Cuando los genes se acti-van, esto es, se expresan, producenla protena especificada. Segn qugenes se hallen activos o inactivos,el contenido protenico de las c-lulas cambia y, por tanto, el tipode operaciones que dichas clulaspueden acometer.

Para acotar de qu manera la matrizextracelular provocaba tales cambiosen las clulas, haba que identificarlos receptores celulares, que son lossitios que reconocen las protenasde la matriz. Un mtodo usual deaislar el receptor para una molculadeterminada consiste en purificar los

componentes del extracto celular quese adhieren a dichas molculas. Eneste caso, sin embargo, los receptoresse resistan a la purificacin.

Culpable de ello, lo sabemos ahora,era, por un lado, cierto fenmeno:

las molculas de adhesin de la ma-triz pueden unirse a muchos tiposde sustancias, algunos de los cua-les son tambin componentes de lamatriz. El problema pudo resolverseal descubrirse el sitio por dondela fibronectina se engarzaba en lasclulas. Curiosamente, esa regin esuna secuencia de tres aminocidos:arginina, glicina y aspartato. (Se lesuele denominar RGD, por ser esasletras las correspondientes al cdigoutilizado para nombrar a los ami-nocidos.)

Por otro lado, ocurre a menudo quelos receptores, individualmente consi-derados, no se traben con fuerza a lasprotenas de la matriz. La adhesinfuerte se logra mediante una suertede efecto velcro, en virtud del cualmuchas uniones relativamente dbilesforman en conjunto una vinculacinmuy intensa. Por ello, las unionescon los receptores individuales noduraban lo suficiente para cazarlosa la primera.

3. LA MADURACION CELULAR y laembrionaria requieren el anclaje de lasclulas en la matriz extracelular, porlo comn a travs de integrinas. Lasclulas del epitelio mamario de ratncultivadas pierden su forma caracters-tica y la capacidad de producir prote-nas de la leche (arriba, a la izquierda).Recuperan su estructura (abajo, a laizquierda) y funcin slo cuando se lesproporcionan ciertas molculas de lamatriz. Un embrin normal de ratncomienza a formar la placenta (arriba,a la derecha) al noveno da de gestacin.Sin integrina 4, el embrin no formaplacenta (abajo, a la derecha) y muereal poco tiempo.



4. FORMACION DE TROMBOS, o cogulos sanguneos, cuando seproducen daos en los vasos sanguneos. Este proceso comienza encuanto las plaquetas se adhieren a la matriz que queda expuesta

cuando las clulas endoteliales que recubren los vasos sanguneosse desorganizan (a). El anclaje activa las molculas de integrina

IIb3 que estaban inactivas (b), provocando que stas seunan a ciertas protenas ambulantes, como el fibringeno,

que tienden a su vez puentes con otras plaquetas(c). Clulas y protenas tejen por fin una red de

clulas y fibras, de densidad suficiente parataponar la lesin e impedir la prdida

de sangre, hasta que la herida quederestaada (dibujo abajo).

adhesiones intercelulares y la mayorade las molculas responsables de esetipo de adhesin clula-clula perte-necen a grupos que se conocen conlos nombres de cadherinas, selectinaso inmunoglobulinas. Hallamos, asi-mismo, que las integrinas atraviesanla membrana celular. La parte de lascadenas alfa y beta que sobresalede las clulas forma el receptor dela fibronectina y de otras molculasextracelulares o ligandos.

Para que las conexiones extracelu-lares permanezcan prietas, la porcinde integrina que se insiere en el cito-plasma (o fluido interno de la clula)debe anclarse en el citoesqueleto. Valela pena exponer cmo se establecentales engarces. Cuando se producela unin molcula-receptor fuera dela clula y el receptor se agrega aotras integrinas, que a su vez se hanunido con otras molculas, se creanunos complejos muy organizados: lasformas de adhesin focales. Estasadhesiones, que pueden variar en ta-

mao y estructura, incorporan variostipos de molculas, incluidas las colascitoplsmicas de las agrupaciones deintegrinas y algunos componentes delcitoesqueleto. La unin y la agrega-cin con el receptor provocan tambinla reorganizacin del citoesqueleto;las clulas, que eran redondeadas,adoptan una estructura definida.

La unin, mediada por integrinas,de las clulas a una matriz facilitael movimiento de las clulas, sobre

todo durante el desarrollo embrio-nario de los organismos y en elcaso de los leucocitos del sistemainmunitario. La emigracin comienzacon el despliegue de una suerte depseudpodos en la regin frontalde la clula. A continuacin, lasmolculas de integrina cercanas alextremo delantero de ese pseudpodointeraccionan con la matriz sobrela que se sustentan; esa interac-cin genera una traccin que vaa permitir el movimiento celular.Contemporneamente, se sueltan

Apesar de las dificultades, a mediados de los aos ochenta sehaban aislado ya varios receptores.Se conoca la secuencia de algunosaminocidos de esas molculas. En1987, gracias a esa conjuncin de

resultados, se comprob que los recep-tores pertenecan a una gran familiade molculas estructuralmente empa-rentadas, algunas de las cuales esta-ban presentes en prcticamente todoslos tipos celulares del reino animal.En reconocimiento a la importanciade esa familia para la integridadestructural de clulas y tejidos, seimpuso a las molculas el nombrede integrinas. Andando el tiempo,y por otras razones que explicar,se vio cun pertinente haba sidotal denominacin.

Mientras tanto, las investigacionessobre la estructura y funcin de lasintegrinas empezaban a dar sus frutos.El descubrimiento de la ubicuidad delas integrinas en la mayora de lostejidos celulares nos hizo caer enla cuenta de que algunas preguntasde difcil respuesta en ciertos tiposcelulares podran abordarse en otrosde ms fcil manipulacin. Merced atamaa flexibilidad y al intercambiode resultados de muchas disciplinasdistintas, se avanz rpidamente y seabrieron nuevas perspectivas.

Comprobamos muy pronto que las

integrinas constaban de dos cadenaso subunidades. De la subunidad de-nominada alfa conocemos unas 15variantes y de la beta, unas ocho.Las cadenas, que se designan conun nmero o una letra, se combinanpara crear al menos 20 integrinasdiferentes. Tambin comprobamosque ciertas integrinas se adhieren aun solo tipo de molculas efectoras,en tanto que otras reconocen variasdianas distintas. La mayora de lasintegrinas interaccionan con la matrizextracelular. Algunas participan en las


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otros ligmenes de la regin posteriorde la clula, lo que provoca que estaparte trasera se mueva hacia delante,como si se dejara libre el extremode un resorte. Desconocemos qufuerzas son las responsables de quese liberen las conexiones de la matrizcon la regin trasera de la clula. Eignoramos qu fuerzas mecnicas ybioqumicas inducen el avance celu-

lar, desde la regin frontal o desdeel impulso trasero, en un ciclo quese repite una y otra vez.

Adems de hacer las veces

Investigación y ciencia 250

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