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MAYO 20025 EURO

IMPACTOS REPETIDOS •• LA BIODIVERSIDAD BRASILEÑA, AMENAZADA

CARBUNCO

El computadormundialInventario cósmicoNeurobiología del maltratoa la infancia

La lucha contra el

6

Mayo de 2002 Número 308

SECCIONES5

HACE...50, 100 y 150 años.

34CIENCIA Y SOCIEDAD

Leishmaniosis,diagnóstico precoz...

Canales iónicos,la fosforilación de proteínas...

Ecosistemas peninsulares,dunas de camarina...Gramática del XVII,

Caramuel.

40DE CERCAXerofitismo.

La lucha contra el carbuncoJohn A. T. Youngy R. John Collier

Las últimas investigacionessugieren la necesidad

de estrategias nuevas que mejorenla prevención y el tratamiento.

Encabeza la lista el modode neutralizar la mortífera

toxina de la bacteriadel carbunco.

La geodinamo en el laboratorioUlrich Müller y Robert Stieglitz

Tras laboriosos experimentos se ha obtenidola prueba: los fluidos en rotación y conductoresde la electricidad pueden crear un campomagnético estable. Gracias a ello se ha logradosimular el proceso de generación del campomagnético terrestre.

Impactos repetidosLuann Becker

Los impactos extraterrestres terminaroncon la era de los dinosaurios. Nuevasinvestigaciones muestran que pudieronigualmente haber sido los culpablesde otras muchas extinciones en masa.

16

24

42SECCIONES

84CURIOSIDADES DE LA FÍSICA

Juegos con tiovivos,por Wolfgang Bürger

86JUEGOS MATEMÁTICOS

Jugar con opciones y futuros,por Juan M. R. Parrondo

88IDEAS APLICADAS

Candados de combinación,por Mark Fischetti

90LIBROS

Origen del hombre... Eclipses...Un proyecto inacabado...

Los griegos y el mar.

96AVENTURAS PROBLEMÁTICAS

Testigos tornadizos,por Dennis E. Shasha

-10

-5

0

5

10

5 10 15 20 25

VALOR DEL SUBYACENTE EN LA FECHA DE VENCIMIENTO

GAN

ANC

IA

La biodiversidad brasileña,amenazadaMarcelo Tabarelli, Joelma de Fátima Marinsy José M.ª Cardoso da Silva

Brasil se encuentra entre los cinco paísescon mayor número de especies de plantas,aves y mamíferos en peligro de extinción.

50 Inventario cósmicoGünther Hasinger y Roberto Gilli

La débil radiación que inundalos cielos hace pensar que el catálogode los objetos cósmicos se completarámuy pronto.

59 Neurobiología del maltratoen la infanciaMartin H. Teicher

El maltrato puede tener efectos duraderosen el desarrollo del cerebro infantil quefrenarán el crecimiento y la actividadde áreas clave.

76 Satélites, clima y glaciaresCarmelo Alonso Jiménezy Victoriano Moreno Burgos

Los satélites de observación de la Tierraconstituyen una valiosa herramienta parael conocimiento de los fenómenos dinámicosque gobiernan el ambiente.

68 El computador mundialDavid P. Anderson y John Kubiatowicz

Un sistema operativo extendido a todala Internet pondría a nuestra disposiciónla potencia de los millones de ordenadorespersonales conectados a ella.

INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERAL José M.ª Valderas GallardoDIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal GarfellaEDICIONES Juan Pedro Campos GómezPRODUCCIÓN M.a Cruz Iglesias Capón

Bernat Peso InfanteSECRETARÍA Purificación Mayoral MartínezADMINISTRACIÓN Victoria Andrés LaiglesiaSUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado

Olga Blanco RomeroEDITA Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a – 08021 Barcelona (España)Teléfono 93 414 33 44 Telefax 93 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEF John RennieEXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristinaMANAGING EDITOR Michelle PressASSISTANT MANAGING EDITOR Ricki L. RustingNEWS EDITOR Philip M. YamSPECIAL PROJECTS EDITOR Gary StixSENIOR WRITER W. Wayt GibbsEDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, Graham P. Collins, Carol Ezzell,

Steve Mirsky y George MusserPRODUCTION EDITOR Richard HuntVICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNATIONAL Charles McCullaghPRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN Rolf Grisebach

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Jeff Johnson

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Fuente

Jason GrowMichael Abbey, PhotoResearchers, Inc.

Cortesía de CepheidBryan Christie DesignBrian Branch-Price, Ap Photo

Kamil VojnarAaron Firth (basado en el gráficode Michael Paine)Don Foley; fuente: The MistakenExtinction, por Lowell Dingus yTimothy Rowe. W. H. Freeman,1998 (ilustración); fotografías:Alan Hildebrand (cuarzo); WalterPeredery (conos de fractura); TimCuller, Univ. de California,Berkeley/Apollo 11 CREW/NASA

(microesférulas); W. Alvarez/spl/Photo Researchers, Inc. (capadepositada); Wendy S. Wolbach,DePaul Univ. (hollín)Kamil VojnarGary A. Glatzmaier y Paul H.Roberts (simulación porordenador), DLR (Foto der Erde)Reinhold Henkel/Spektrum derWissenschaft

Spektrum der Wissenschaft/Ch. Carrigan y F. BusseCentro de Investigación deKarlsruheSterne und Weltraum 4/2000, p. 231Centro de Inv. de KarlsruheM. Tabarelli, J. de Fátima Marinsy J. M.ª Cardoso da SilvaPeter Challis, CentroSmithsoniano de Astrofísica enHarvardRoger Ressmeyer, Corbis(izquierda); WFI/ObservatorioMeridional Europeo (derecha)Michael Hauser, Inst. Científicodel Telescopio Espacial y NASA

Instituto Max Planck de FísicaExtraterrestreNASA/PSU/G. Garmire,N. Brandt et al.Johnny Johnson; fuente: GüntherHasinger y Roberto GilliStuart BradfordCarol DonnerStuart BradfordCarol DonnerPhilip HoweXPlaneC. Alonso Jiménezy V. Moreno BurgosJuergen Siegmann (fotografía);Thomas Braun, SdW (dibujos)Bryan Christie Design(ilustración); Laboratorio NacionalSandia (micrografía)Sara Chen

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traducción:

M.ª José Báguena: La lucha contra el carbunco; Manuel Puigcerver: Impactos repetidos;Emilio Elizalde: La geodinamo en el laboratorio; M.ª Rosa Zapatero: Inventario cósmico;José Manuel García de la Mora: Neurobiología del maltrato en el infancia; J. Vilardell:Hace... e Ideas aplicadas; Jürgen Goicoechea: Curiosidades de la física; Luis Bou: Aventurasproblemáticas

Copyright © 2002 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

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Difusióncontrolada

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo, 2002 5

...cincuenta años

GUANTES DE ORO. «Los boxea-dores profesionales suelen proce-der de las capas de menores in-gresos. Razonaron dos sociólogosque cuando un grupo étnico sus-tituye a otro en el fondo de la es-cala social, sus miembros más jó-venes dominan los cuadriláteros.Según recogen las estadísticas, aprincipios de siglo aproximada-mente el 40 por ciento de los bo-xeadores profesionales eran irlan-deses. En los años veinte y treintatomaron la delantera judíos e ita-lianos. Y hacia 1948 casi la mi-tad de los boxeadores de todas lascategorías eran negros. Según lossociólogos, los muchachos de losbarrios bajos, al no disponer detrabajo cualificado, aislados por logeneral de la cultura de clase me-dia, se ven tentados por el sueñodel ‘dinero fácil’ y de la conside-ración pública rápida.»

MODELOS DE PLASMA. «Llenamosde mercurio un pequeño tanque.La oscilación lenta de un agitador,que remueve el mercurio del fon-do, no perturba la superficie dellíquido. En cambio, al aplicar altanque un campo magnético intensoel movimiento del fondo se co-munica con rapidez a la zona su-perior. Hemos creado un nuevo tipode onda, ya predicha teóricamentehace unos 10 años pero generadapor primera vez en este experi-mento. Esa onda resulta del aco-plamiento entre las fuerzas mag-néticas e hidrodinámicas. ¿Qué tieneque ver con las estrellas? Es po-sible demostrar que nuestro mo-delo de mercurio reproduce mu-chas de las propiedades esencialesde la materia estelar. Se ha su-puesto siempre que, en las estre-llas, el movimiento de los gasesobedece las leyes de la hidrodiná-mica. Pero si un campo magnéticocambia radicalmente las propieda-des de los gases estelares densos,como en el modelo de mercurio,esos gases se comportarán de ma-nera muy diferente de los fluidos

ordinarios.— Hannes Alfvén» [Notade la redacción: Alfvén ganó elpremio Nobel de física de 1970por sus “descubrimientos en mag-netohidrodinámica.”]

...cien años

UNA ERUPCIÓN VIOLENTA. «En latarde del 6 de mayo se interrum-pió la comunicación por cable conMartinica, y las noticias siguienteshorrorizaron al mundo. Toda unaciudad de 28.000 habitantes habíasido literalmente borrada del mapa.Se dice que la cima entera del MontPelée estalló lanzando polvo ca-liente y trozos de roca sobre laciudad de San Pedro, mientras quepor el orificio así creado manabanraudales de barro y lava. Las erup-ciones volcánicas se atribuyen, porlo general, a la expansión de hu-medad en el seno de las rocas sub-terráneas calientes. La teoría ori-ginal de que la Tierra es una masalíquida cubierta por una fina cor-teza de materia sólida está ya to-talmente descartada por los cien-tíficos.»

EL CÓMODO TRASLADO COTIDIANO.«Uno de los últimos ciudadanosdestacados que ha testimoniado a

favor de la utilidad del automóvilpara los hombres de empresa es elseñor Henry Clay Frick, el cono-cido magnate del acero de Pittsburgh.Según cuentan, el millonario cal-cula que el tiempo que le ahorrael nuevo medio de locomoción equi-vale al menos a medio millón dedólares anuales. No pasará muchotiempo antes de que el automóvilcompita con el ferrocarril y un rá-pido viaje a través del fresco ylímpido aire mañanero tonifique aquienes han de recorrer cada día,tiznados ahora de carbonilla, cin-cuenta o cien kilómetros desde sucasa en el campo hasta el lugarde trabajo. Sólo faltan unas bue-nas carreteras para que estas pro-fecías se hagan realidad.»

...ciento cincuenta años

INGENIOSO PROPULSOR. «En elgrabado se muestra un perfeccio-namiento de los propulsores de hé-lice donde las palas pueden ajus-tarse sobre el cubo al objeto deque queden en una posición tal, queno ofrezcan resistencia física alavance del navío con las velas iza-das. Además, cuando no gira lahélice, ésta puede actuar de timóny por tanto gobernar la embarca-ción mientras se navega a vela.»

CHINA E IRLANDA. «Ante laSociedad Literaria de Belfast se haleído un informe relativo a unossellos de porcelana chinos. Se hanhallado unos cincuenta, varios enciénagas profundas, uno en unacueva y otros dispersos. Nadie sabecómo llegaron hasta allá. Su anti-güedad es mucha. Presentan ins-cripciones en el antiguo lenguajechino de los sellos y el señor [re-verendo doctor Karl] Gutzlaff ha-bía traducido algunos. Cada selloes un cubo perfecto, con la figurade un mono chino a guisa de mango.Se supone que fueron llevados hastaallá por los antiguos fenicios, aun-que nuestra opinión es que fue másbien cosa de alguna de las anti-guas tribus irlandesas, que sin dudarecorrieron China.»

HACE...

Hélice de barco de palasorientables, 1852

La luchacontra el

carbuncoLas últimas investigaciones sugieren la necesidad

de estrategias nuevas que mejoren la prevención

y el tratamiento. Encabeza la lista el modo de neutralizar

la mortífera toxina de la bacteria del carbunco

John A. T. Young y R. John Collier

1. CULTIVOS DE CELULAS que han sobrevivido a la exposición ala toxina carbuncosa tras ser tratadas con una potente antito-xina. Michael Mourez, de la Universidad de Harvard, sostiene unaplaca con los cultivos.

8 INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo, 2002

La necesidad de nue-vos tratamientos frenteal carbunco quedó pa-tente el pasado otoñocuando cinco perso-nas murieron tras la

inhalación de carbunco, víctimasde la primera diseminación inten-cionada de esporas bacterianas enlos Estados Unidos. Tras pasar unosdías con síntomas inespecíficos, lospacientes empeoraron a pesar derecibir un tratamiento intensivo conantibióticos. Otras seis personas en-fermaron también gravemente an-tes de lograr recuperarse.

Por suerte, nuestros laboratoriosy también otros comenzaron a es-tudiar el agente etiológico, el Ba-cillus anthracis, y a buscar antí-dotos mucho antes del otoño de2001. Recientes descubrimientoshan llevado a la elaboración denuevos medicamentos y de vacu-nas más eficaces. Es más, sólo enel pasado año, nosotros dos y nues-tros colaboradores hemos dado aconocer tres prometedores prototi-pos de fármacos.

Un asesino esquivo

Los nuevos planteamientos en lalucha contra el carbunco sur-

gieron de las investigaciones so-

bre la patogénesis inducida porB. anthracis. El carbunco no setransmite de persona a persona. Elhombre (o el animal) enferma sólocuando una gran cantidad de es-poras penetra en su cuerpo a tra-vés de una herida o mediante ali-mentos contaminados, o por esporasesparcidas por el aire. En el inte-rior del cuerpo las esporas se trans-forman en células “vegetativas”, queacometen un proceso de multipli-cación activa.

Las bacterias carbuncosas que in-vaden la piel o el tracto digestivoproducen una alteración local quepuede quedar autolimitada: úlcerasnegras e inflamación en primer lu-gar; vómitos, dolor abdominal yhemorragia quizás a continuación.Si el crecimiento bacteriano per-siste en la piel o en el tracto di-gestivo sin ser detectado, los mi-croorganismos pueden terminar poralcanzar el torrente sanguíneo ydesencadenar una enfermedad sis-témica.

Las esporas que se inhalan e in-vaden profundamente los pulmo-nes suelen permanecer allí pocotiempo; adquieren la forma vege-tativa y se trasladan con rapideza los nódulos linfáticos situados enmitad del tórax, desde donde mu-chas células acceden a la sangre.

Mientras tanto, las bacterias quecontinúan en los pulmones provo-can un edema que dificulta la res-piración.

La masiva multiplicación de labacteria carbuncosa en la sangreconduce, por regla general, a lamuerte del enfermo. B. anthracisdebe su éxito difusor a la secre-ción de dos factores virulentos quepueden hacer fracasar por com-pleto las defensas inmunitarias,destinadas a frenar el crecimientobacteriano. Uno de estos factoresenvuelve las células vegetativas enuna cápsula polimérica que inhibesu ingestión por los macrófagos ylos neutrófilos del sistema inmu-nitario, las células carroñeras quehabitualmente degradan las bacte-rias patógenas. El segundo es unatoxina extraordinaria que realizasu acción en estas células carro-ñeras o fagocitos e impide que cum-plan su misión aniquiladora debacterias.

Se supone que la toxina car-buncosa, que también penetra enotras células, contribuye a esta mor-tal enfermedad no sólo debilitandola respuesta inmunitaria, sino tam-bién mediante una acción directa.Apoya esta idea la observación deque la toxina sola, sin presenciade bacterias, puede matar anima-les. Por el contrario, si se pro-mueve que el sistema inmunitarioneutralice la toxina, podemos evi-tar que el B. anthracis cause laenfermedad.

Una toxina letal

Harry Smith y su grupo, delCentro de Investigaciones Mi-

crobiológicas de Wiltshire, descu-brieron la toxina en los años cin-cuenta. Comprobado su papel centralen la letalidad del carbunco, mu-chos investigadores se propusierondescubrir el mecanismo en cuya vir-tud esta sustancia “intoxicaba” lascélulas, es decir, su penetración yactuación consiguiente. Ambos as-pectos ofrecen claves esenciales parabloquear sus efectos. Stephen H.Leppla y Arthur M. Friedlander, du-rante su estancia en el norteameri-cano Instituto Médico Militar de In-vestigación de las EnfermedadesInfecciosas, se centraron en estosproblemas en los años ochenta; no-

2. CELULAS DE LA BACTERIA carbuncosa en proceso de división activa quese colocan en cadenas a modo de furgones enlazados.

sotros dos y otros nos incorpora-mos a la tarea algo más tarde.

La toxina consta de tres proteí-nas: un antígeno protector, el fac-tor edematoso y el factor letal. Es-tas proteínas cooperan, si bien no

se hallan siempre en conexión fí-sica. Consideradas una por unason inocuas, hasta que atacan yentran en las células, proceso queejecutan siguiendo un patrón or-questado.

El factor edematoso y el factorletal catalizan reacciones molecu-lares diferentes en las células. Elfactor edematoso atenta contra losmecanismos de control del flujo deiones y agua a través de las mem-

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, mayo, 2002 9

Si un grupo terrorista disemina esporas carbuncosas porel aire, pueden resultar afectadas muchas personas,

aunque probablemente no se note hasta la hospitalizaciónde las víctimas. Algunas no llegarán a tiempo de salvarsecon el tratamiento clásico. No obstante, la enfermedad sepodría prevenir en buena medida si las futuras defensascontra los ataques de carbunco incluyeran sensores que hi-cieran saltar la alarma en cuanto aparecieran esporas enel medio. No se han desarrollado todavía los instrumentosnecesarios, pero se han diseñado varios prototipos que in-corporan adelantos técnicos de interés.

Los sensores ambientales deben distinguir entre los agen-tes causantes de enfermedad (patógenos) y los miles demicroorganismos inofensivos que pululan por el aire, aguay suelo. La investigación se orienta hacia la detección demoléculas específicas situadas en la superficie de los pa-tógenos o de secuencias de ADN que sólo poseen estosorganismos.

En el Canario, desarrollado en el Laboratorio Lincoln delInstituto de Tecnología de Massachusetts, tenemos un ejem-plo innovador de instrumentos que detectan organismos pa-tógenos, basados en moléculas específicas de superficie.Los sensores del Canario consisten en células vivas (célu-las B del sistema inmunitario) que han sufrido una modifi-cación genética para que emitan una luz cuando cambiensus niveles de calcio. Sobresaliendo de estas células hayunos receptores que se unen sólo a una zona concreta deuna molécula de superficie de un patógeno particular. Cuandolas células del sensor se unen a su objetivo, se liberaniones de calcio de sus depósitos celulares, con la emisiónconsiguiente de luz. El Canario puede diferenciar entre dis-tintos patógenos haciendo pasar una muestra por varios mó-dulos llenos de células, ya que cada uno de los ellos reac-ciona frente a un microorganismo determinado.

El sistema GeneXpert, desarrollado por Cepheid en la ca-liforniana Sunnyvale, es un ejemplo de planteamiento ge-nético del problema. Comienza su trabajo extrayendo el ADNde los microorganismos de una muestra. A continuación, siestá presente alguno de los patógenos en cuestión, se unenpequeños cebadores [segmentos de material genético quereconocen secuencias específicas cortas de ADN] a las ter-minaciones de los fragmentos del ADN exclusivo del pató-geno. El paso siguiente consiste en realizar la reacción encadena de la polimerasa (RCP), en la que el sistema pro-duce muchas copias del ADN así delimitado, añadiendo eti-quetas fluorescentes a las nuevas copias a lo largo del pro-ceso. A los treinta minutos, el GeneXpert obtiene ADN encuantía suficiente para detectar incluso una pequeña canti-dad de un organismo preocupante que se encuentre en lamuestra original.

Este sistema consta de múltiples cámaras de reacciónRCP con diferentes colecciones de cebadores que permi-ten detectar simultáneamente gérmenes patógenos distintos.Además, el sistema GeneXpert podría utilizarse para com-

probar si se encuentra presente la bacteria carbuncosa enun exudado nasal, extraído de un paciente, en tan sólo me-dia hora, un método mucho más rápido que las técnicasmicrobiológicas tradicionales.

Los instrumentos diseñados específicamente para detec-tar las esporas de la bacteria carbuncosa o de microorga-nismos afines (el agente del botulismo) pueden aprovecharun dato valioso: tales esporas se encuentran envueltas enácido dipicolínico (ADP), una sustancia que difícilmente sehalla en la naturaleza y que les ayuda a subsistir en con-diciones ambientales adversas. Se han obtenido resultadosesperanzadores con moléculas fluorescentes que se unenal ADP y se convierten en detectores químicos del car-bunco. Los “olfateadores electrónicos” —citaremos el sis-tema de detección Cyranose fabricado por Cyrano Sciencesde Pasadena— podrían “oler” la presencia de ácido dipi-colínico en una muestra de aire rociado con esporas car-buncosas.

El peligro real de una diseminación de carbunco resideen su carácter secreto. Si un ataque se descubre pronto ysi los individuos expuestos reciben tratamiento con rapidez,las víctimas tienen muchas posibilidades de sobrevivir. Paralograr una detección precoz, los sensores basados en lossistemas descritos o en técnicas de nuevo cuño podrían eli-minar esa arma terrible de un arsenal terrorista.

ROCCO CASAGRANDE es un investigador de Surface Logix,de Brighton, Massachusetts, en donde ha desarrollado métodose instrumentos para detectar armas biológicas.

CARTUCHO utilizado en el sistema experimental GeneXpert.Mide aproximadamente el tamaño del pulgar de un adulto(izquierda). En su interior, las ondas sonoras bombardeanmaterial de investigación, disgregan células y provocan lasalida de su ADN. Si se encuentra presente algún micro-organismo patógeno de interés, se ampliará su ADN en eltubo de reacción en forma de flecha (saliente); los bordesde la punta de flecha se iluminarán con una luz fluores-cente. La micrografía (derecha) muestra los restos de unacélula que ha regurgitado su contenido.

La detección del carbuncoLa detección rápida puede salvar vidas,por Rocco Casagrande

Los médicos clasifican el carbunco según los tejidos inicialmenteinfectados. La enfermedad se torna letal cuando el agente bacteriano,Bacillus anthracis, alcanza el torrente circulatorio y se multiplica en él,produciendo grandes cantidades de una peligrosa toxina. La investi-gación se ha centrado en la neutralización de la toxina.

EL ANTRAX EN ACCION

MACROFAGO

CELULASBACTERIANASEN MULTIPLI-CACION

MOLECULASDE TOXINA

BACTERIASEN LA SANGRE

BACTERIA

MACROFAGOLLENO DE

TOXINA

ESPORA

CAPSULA

CELULA

TRES CLASES

PATOGENESIS DEL CARBUNCOPOR INHALACION

El carbunco por inhalación es la formamás peligrosa, quizá porque las bacteriasque se depositan en los pulmones alcan-zan con mayor facilidad el torrente circula-torio y diseminan por esa vía sus toxinas.

1 Los macrófagos del sistema inmunita-rio ingieren las esporas de B. anthracis ylas conducen a los nódulos linfáticos torá-cicos. Por el camino o en los macrófagos,las esporas se transforman en células ve-getativas, de activa multiplicación.

2 Las células de B. anthracis proliferan-tes salen de los macrófagos e infiltran lasangre con rapidez.

3 En la sangre, las bacterias activas elu-den su destrucción por los macrófagos yotras células del sistema inmunitario me-diante la producción de una cápsula (endetalle) que bloquea su ingestión por lascélulas inmunitarias y mediante la secre-ción de una toxina que penetra en las cé-lulas inmunitarias e impide su labor.

4 Una vez protegidas de la destruccióninmunitaria, las bacterias se multiplicanlibremente y se propagan por todo elcuerpo.

CARBUNCO POR INHALACIONLas esporas se inhalan

CARBUNCO GASTROINTESTINALLas esporas se ingieren al comer carne contaminada

CARBUNCO CUTANEOLas esporas penetran en la piel a través de una herida