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Ciencia de lo cotidiano: el experimento en una cocina que se publicó en ‘Nature’

Por Alberto Martín Pérez (CSIC)*

¿Has visto que hay insectos capaces de caminar sobre el agua? Es un fenómeno cotidiano pero muy sorprendente. Y, aunque parezca magia, no lo es. Si lo fuera, al preguntarnos por qué ocurre, la única respuesta que obtendríamos sería un frustrante “porque sí”. Por suerte, la ciencia nos proporciona respuestas mucho más gratificantes.

‘La gota que colma la moneda’, fotografía seleccionada en FOTCIENCIA13, en la modalidad La ciencia en el aula / Aránzazu Carnero Tallón y Mª de los Ángeles de Andrés Laguillo

Lo que hacen estos insectos es aprovechar un fenómeno conocido como tensión superficial del agua. El agua (y cualquier otro líquido) tiene una propiedad muy curiosa: su superficie se comporta como un sólido elástico. Si recibe fuerza sobre su superficie, se deforma y, cuanta más fuerza recibe, mayor es su deformación. Dicho con otras palabras: la superficie del agua se comporta igual que una cama elástica.

Pero, ¿por qué los insectos pueden obrar el ‘milagro’ de caminar sobre las aguas y los seres humanos nos tenemos que conformar con aprender a nadar? La analogía de la cama elástica nos vuelve a dar la respuesta. Si en una cama elástica depositamos un peso demasiado grande, la lona se romperá y caeremos al suelo. Ocurre lo mismo en el agua, aunque el peso mínimo para romper su superficie es mucho menor que en el caso de la lona. Como los insectos tienen un peso minúsculo, pueden caminar sobre el agua sin romper su superficie mientras que las personas, al tener un peso mayor, rompemos la superficie del agua al rozarla.

Los insectos tienen un peso minúsculo que les permite caminar sobre el agua sin romper su superficie

La tensión superficial del agua en un experimento de Agnes Pockels

Ahora que conoces una posible explicación a este hecho cotidiano, ¿te lo crees o intentarías comprobarlo? Puede que mucha gente no se moleste en hacerlo pensando que para hacer una demostración científica se necesita utilizar máquinas y métodos muy complejos. Sin embargo, esta idea está tan equivocada como extendida. Aunque es cierto que no podemos construir en casa un acelerador de partículas como el LHC del CERN o un súper telescopio como el James Webb, lo cierto es que puede haber ciencia en todo lo que hacemos, hasta en las acciones y objetos más simples del día a día (cocinar, hacer deporte, escuchar música…). Podemos hacer y aprender mucha ciencia a partir de los fenómenos cotidianos; solo tenemos que fijarnos un poco en aquello que nos rodea. De hecho, la científica que en el siglo XIX sentó las bases del estudio de la física y química de las superficies fue Agnes Pockels, que utilizó exclusivamente objetos de su cocina.

Pockels era una científica poco convencional. No pudo estudiar en la universidad y su ocupación no era la que esperarías, ya que no era profesora ni investigadora, sino ama de casa. Pero consiguió superar las barreras para dedicarse a la ciencia e ideó el siguiente experimento. Llenó una cubeta con agua hasta hacerla rebosar y, después, depositó una lámina de metal muy fina sobre la superficie, que quedaba flotando –igual que los insectos que hemos mencionado antes–. Al mirar la cubeta de frente, se apreciaba a simple vista cómo la superficie del agua se deformaba cerca de la lámina.

Este experimento sería suficiente para probar que lo que ocurre con los insectos es cierto, pero Pockels quiso ir más lejos y decidió estudiar cómo cambia la tensión cuando se disuelven distintas sustancias en el agua. Utilizó azúcar, sal o alcanfor que encontró en su cocina-laboratorio, y con una regla midió cuánto se deformaba la superficie del líquido al depositar la lámina. Si la deformación es más grande en el caso de la disolución que en el agua pura, la sustancia disuelta disminuía la tensión superficial del agua y viceversa. Gracias a este sencillo método, Pockels llegó a conclusiones de gran importancia en física y química relacionadas con la estructura de la materia a escala atómica. Las investigaciones de Pockels fueron tan relevantes que acabaron publicándose en la revista Nature y sentaron las bases para investigaciones posteriores.

Este no es un caso aislado. Hay muchísimos fenómenos físicos y químicos que se pueden observar y comprobar fácilmente a través de situaciones y objetos de uso cotidiano. La ciencia no es algo reservado en exclusiva a las universidades y los laboratorios de investigación. Olvidarse de esta faceta cotidiana significa perderse la mejor parte de la ciencia.

*Alberto Martín Pérez es investigador en el grupo de Optomecánica del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) del CSIC. Con el objetivo de romper la equivocada idea de que la ciencia es algo opaco e inaccesible, lleva a cabo el proyecto de divulgación ‘La mejor parte de la ciencia’. Con vídeos breves (Tik Tok, Instagram, Twitter y YouTube) muestra que la ciencia se encuentra en nuestra vida cotidiana a través de preguntas aparentemente simples: ¿te has fijado que cuando caminas, conduces o vas en bicicleta utilizas las tres leyes del movimiento de Newton?, ¿sabías que al practicar fútbol, tenis o baloncesto usas el tiro parabólico? o ¿te has parado a pensar que al cocinar preparas disoluciones y se producen reacciones químicas?

FOTCIENCIA18: descubre en un minuto las mejores imágenes científicas de 2021

Por Mar Gulis (CSIC)

Una dalia artificial de carbonato cálcico, la intrincada red de nanofibras de una mascarilla FFP2 o el volcán de colores creado por un singular organismo conocido como ‘huevas de salmón’ son algunos de los temas retratados en las imágenes seleccionadas en la 18ª edición de FOTCIENCIA, una iniciativa organizada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) con el apoyo de la Fundación Jesús Serra.

En esta edición, a las modalidades de participación habituales –Micro, General, Alimentación y nutrición, Agricultura sostenible y La ciencia en el aula– se ha sumado una modalidad especial para recoger imágenes que hayan plasmado la importancia de la ciencia y la tecnología frente al COVID. Un comité formado por doce profesionales relacionados con la fotografía, la microscopía, la divulgación científica y la comunicación ha valorado y seleccionado las imágenes más impactantes y que mejor describen algún hecho científico.

De izquierda a derecha y de arriba abajo: ‘Ser o no ser’, ‘Jeroglíficos del microprocesador’, ‘Volcán de mixomicetos’, ‘Pequeña Gran Muralla’, ‘Metamorfosis floral’, ‘El bosque de parasoles’, ‘El arcoíris digital’ y ‘Todo es polvo de estrellas’.

De izquierda a derecha y de arriba abajo: ‘Ser o no ser’, ‘Jeroglíficos del microprocesador’, ‘Volcán de mixomicetos’, ‘Pequeña Gran Muralla’, ‘Metamorfosis floral’, ‘El bosque de parasoles’, ‘El arcoíris digital’ y ‘Todo es polvo de estrellas’.

Los transistores con forma de jeroglífico de un microprocesador, la transformación de las flores de girasol en frutos o el envés de la hoja del olivo son otros de los temas retratados. El objetivo es acercar la ciencia a la sociedad a través de fotografías que abordan cuestiones científicas mediante una perspectiva artística y estética.

Con estas imágenes, que puedes ver en el vídeo que acompaña a este texto, y una selección más amplia de entre las 556 recibidas en esta ocasión, próximamente se realizará un catálogo y una exposición itinerante, que será inaugurada en primavera de 2022 y recorrerá diferentes salas expositivas por toda España a lo largo del año.

En esta 18ª edición, FOTCIENCIA se ha sumado nuevamente a los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible declarados por Naciones Unidas. Más información en www.fotciencia.es

Para saber más sobre las imágenes escogidas, pincha aquí.

Imágenes seleccionadas:

Modalidad Micro:

– ‘Ser o no ser’. Autoría: Isabel María Sánchez Almazo. Coautoría: Lola Molina Fernández, Concepción Hernández Castillo

– ‘Jeroglíficos del microprocesador’. Autoría: Evgenii Modin

Modalidad General:

– ‘Volcán de mixomicetos’. Autoría: José Eladio Aguilar de Dios Liñán

– ‘Todo es polvo de estrellas’. Autoría: David Sánchez Hernández Modalidad

La ciencia frente al COVID:

– ‘Pequeña gran muralla’. Autoría: Alberto Martín Pérez. Coautoría: Raquel Álvaro Bruna, Eduardo Gil Santos

Modalidad Alimentación y nutrición:

– ‘Metamorfosis floral’. Autoría: David Talens Perales

Modalidad Agricultura Sostenible:

– ‘El bosque de parasoles’. Autoría: Enrique Rodríguez Cañas

Modalidad La ciencia en el aula:

– ‘El arcoíris digital’. Autoría: Carlota Abad Esteban, Lourdes González Tourné

La enfermedad de la orina negra: un enigma genético que resolvió el CSIC

Por Mar Gulis (CSIC)

A comienzos del siglo XX, el médico inglés Archibald Garrod se interesó por el extraño trastorno que sufrían algunos de sus pacientes, cuya orina se teñía de color oscuro al entrar en contacto con el aire. La alcaptonuria, nombre con el que se lo conocía, era considerada entonces una curiosidad sin mayor trascendencia clínica, pero con el tiempo se hizo patente que las personas afectadas padecían síntomas mucho más graves: a partir de los 20 años, la mayoría comenzaban sufrir dolor de articulaciones, una molestia que solía ir en aumento hasta acabar convirtiéndose en una artrosis incapacitante.

El estudio de estos síntomas llevó a Garrod a aventurar dos audaces hipótesis para su época. La primera fue que el patrón de herencia de la enfermedad respondía a las leyes que Mendel había formulado en sus experimentos con guisantes, en ese tiempo aún poco conocidas. Y la segunda, que su origen era el mal funcionamiento de una enzima, provocado por un defecto en las instrucciones para producirla; lo que supuso una aproximación muy acertada a la función que realizan los genes en los seres vivos.

Gracias a Garrod, esta enfermedad rara que afecta a una de cada 250.000 personas en el mundo pasó a la historia como la primera patología de origen genético descrita. No obstante, las ideas del médico inglés necesitaron casi un siglo de avances genéticos para ser confirmadas: hubo que esperar a 1996 para que el gen responsable del trastorno fuese identificado por un equipo del CSIC liderado por Santiago Rodríguez de Córdoba y Miguel Ángel Peñalva. Este hito, del que se cumplen ahora 25 años, puso fin al enigma de la alcaptonuria y a una trepidante competición internacional por localizar y describir el gen que la producía.

Miguel Ángel Peñalva en su laboratorio del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC) mientras observa una placa del hongo ‘Aspergillus nidulans’ con el gen de la alcaptonuria. / Mónica Fontenla y Erica Delgado (CSIC).

El descubrimiento de los errores congénitos

La historia de este hallazgo comienza en el Hospital de St. Bartholomew en Londres. Allí Garrod no tardó en darse cuenta de que la enfermedad que padecían sus pacientes era congénita, ya que todos habían teñido los pañales de negro desde el nacimiento, mucho antes de que el resto de síntomas comenzaran a aparecer.

El médico inglés observó además que la alcaptonuria solía darse en descendientes de matrimonios entre primos, lo que reforzaba la idea de que tuviera un origen hereditario, y que era relativamente frecuente incluso cuando ambos progenitores estaban sanos. Con ayuda de su amigo William Bateson, advirtió que este tipo de herencia se ajustaba a la de un carácter recesivo mendeliano: es decir, que para que la enfermedad se expresara en un individuo, era necesario que heredara dicho carácter tanto del padre como de la madre. En caso de heredar un carácter ‘normal’ y otro mutado, una persona no sufría la enfermedad, pero sí era portadora y podía transmitirla a su descendencia. Era la primera vez que las leyes de Mendel, por aquel entonces prácticamente desconocido en el mundo angloparlante, se utilizaban para explicar una patología humana.

Esquema de la herencia de un caracter recesivo en el caso de que ambos progenitores sean portadores no afectados.

Sin embargo, la aportación más importante de Garrod fue formular una idea bastante cercana a lo que hoy entendemos por gen. Lo hizo razonando a partir de sus conocimientos de química. Garrod se había dado cuenta de que el motivo por el que la orina se tornaba oscura era el ácido homogenístico, una sustancia que podía ser producto del metabolismo humano. Esto le llevó a pensar que las personas con alcaptonuria no lograban descomponerlo porque, a diferencia de lo que ocurre con las sanas, el catalizador que debía hacerlo no funcionaba correctamente. En el cuerpo humano lo único que podía actuar como un catalizador era una enzima. Y, si una enzima funcionaba mal como consecuencia de la herencia, esto significaba que lo que nos transmiten nuestros antepasados son instrucciones específicas para fabricar esta y el resto de sustancias químicas de nuestro organismo. De manera intuitiva pero acertada, Garrod se había aproximado mucho a la definición de gen que usamos en la actualidad: una unidad de información que codifica una proteína (la mayoría de las enzimas son proteínas).

En la actualidad, hay listados más de 4.000 genes cuyas mutaciones producen enfermedades o “errores congénitos del metabolismo”, la expresión que Garrod utilizó para referirse a la alcaptonuria y también al albinismo y la cistinuria. Esto da una idea del impacto médico y social de sus trabajos, que sin embargo pasaron desapercibidos durante varias décadas.

Un siglo de avances

No fue hasta 1956, casi 20 años después de su fallecimiento, cuando se descubrió la enzima que funciona incorrectamente en la alcaptonuria: la enzima HGO, cuya función es realizar uno de los pasos necesarios para la degradación de dos aminoácidos –la fenilalanina y la tirosina– que obtenemos de los alimentos que contienen proteínas. Cuando esta enzima está ausente, se acumulan en la sangre compuestos que se van depositando en los cartílagos, lo que provoca una degeneración progresiva de las articulaciones.

La identificación del gen responsable de la alcaptonuria tuvo que esperar aún más. A mediados de los 60 ya se conocía la estructura del ADN y a inicios de los 80 comenzaron a secuenciarse los primeros genes. Aun así, la primera secuencia del genoma humano solo pudo completarse en el año 2000. Hasta ese momento las técnicas para identificar los genes de nuestra especie fueron bastante más rudimentarias y costosas que en la actualidad. Esto explica que los primeros esfuerzos en este ámbito se centraron en patologías más graves y frecuentes que la alcaptonuria.

Archibald Garrod.

El hongo que abrió la puerta del descubrimiento

La historia que se había iniciado en Londres a comienzos de siglo iba a cerrarse en Madrid y en Sevilla más de noventa años después. Por aquel entonces, dos investigadores del CSIC, Miguel Ángel Peñalva y José Manuel Fernández Cañón, trabajaban en su laboratorio del Centro de Investigaciones Biológicas (CIB-CSIC) con el moho Aspergillus nidulans. Su objetivo distaba mucho de descubrir el origen de la alcaptonuria: buscaban un nuevo modo de producir penicilina que generase menos residuos contaminantes. Sin embargo, pronto descubrieron que la ruta de descomposición de la fenilalanina era muy similar en el hongo y en el hígado humano, por lo que se les ocurrió la idea de tratar de identificar genes humanos que interviniesen en este proceso comparándolos con los del hongo.

El primer gen fúngico que lograron caracterizar fue el de una enzima cuyo déficit causa tirosinemia de tipo 1 en el organismo humano, una enfermedad que sufren una de cada 100.000 personas y afecta gravemente al hígado. Llegaron tarde: el gen humano de esta enfermedad había sido caracterizado años antes; pero esto les sirvió para compararlo con el del hongo y constatar su parecido.

El siguiente paso consistió en mutar el gen que suponían que producía la enzima HGO en el hongo. El resultado fue, de nuevo, alentador: los hongos con la mutación acumulaban el pigmento característico de la alcaptonuria, igual que los pacientes humanos y los ratones de laboratorio. A continuación, caracterizaron el gen del hongo, al que denominaron AKU, y tomándolo como referencia empezaron a buscar el gen humano en bases de datos públicas. Con los fragmentos de ARN mensajero del gen que encontraron, publicaron sus primeros resultados.

Muestra del hongo ‘Aspergillus nidulans’ con el gen de la alcaptonuria. / Mónica Fontenla y Erica Delgado (CSIC).

El primer gen humano completamente secuenciado en España

Comenzó entonces una carrera con otros laboratorios del mundo por ser los primeros en caracterizar el gen AKU humano. En ella jugaron un papel decisivo Santiago Rodríguez de Córdoba y Begoña Granadino, también del CIB-CSIC, quienes reconstruyeron el ARN mensajero completo y, a partir de él, consiguieron reconstruir el gen humano. El gen, que se convirtió en el primer gen humano completamente secuenciado en España, estaba formado por 54.000 pares de bases; un número mayor que las aproximadamente 30.000 que contiene todo el genoma del coronavirus SARS-CoV-2.

El avance era importante, pero todavía había que probar la relación del gen con la alcaptonuria. Para ello, el equipo logró demostrar que el gen estaba situado en la misma región del cromosoma tres en la que la causa de la enfermedad había sido cartografiada meses antes. Poco después, con la ayuda de Magdalena Ugarte, directora del Centro de Diagnóstico de Enfermedades Moleculares de la UAM, localizaron en Sevilla a tres hermanos que sufrían la enfermedad y compararon su gen AKU con el de sus familiares sanos. En efecto, los enfermos tenían en ambos cromosomas una mutación del gen que prácticamente anulaba la actividad de la enzima HGO. El resto de integrantes de la familia tenían dos versiones ‘normales’ del gen o bien una versión mutada y otra sana.

Miguel Ángel Peñalva sostiene el número de ‘Nature Genetics’ en el que se publicó el hallazgo. / Mónica Fontenla y Erica Delgado (CSIC).

El CSIC había ganado la carrera. Los resultados se publicaron en la portada de la prestigiosa revista Nature Genetics, que trató el hallazgo como un verdadero acontecimiento. Poco después, el divulgador británico Matt Ridley afirmaría que la historia del hallazgo del gen de la alcaptonuria encerraba “la historia de la genética del siglo XX en miniatura”.

Por desgracia, todavía no existe una cura para esta enfermedad. El tratamiento consiste en controlar sus síntomas por medio de una dieta baja en proteínas y de la terapia física, destinada a fortalecer la musculatura y la flexibilidad. Cuando el dolor articular es muy severo, es necesario recurrir a la cirugía. La buena noticia es que, a principios de este año, la Agencia Europea del Medicamento ha aprobado un fármaco, denominado Orfadin, que mejora notablemente la sintomatología y alivia el progreso de la enfermedad. Garrod y sus pacientes estarían contentos.

Si quieres saber más sobre este hallazgo del CSIC, puedes ver la conferencia virtual ‘Alcaptonuria: 25 años de la clonación molecular del gen responsable de la enfermedad que dio origen a la genética humana’, que Santiago Rodríguez de Córdoba y Miguel Ángel Peñalva ofrecerán el jueves 23 de septiembre, a las 18:30, desde la Librería Científica del CSIC.

Referencias científicas:

Fernández-Cañón, J.M., Granadino, B., De Bernabé, D., Renedo, M., Fernández-Ruiz, E., Peñalva, M.A. & Rodríguez de Córdoba, S. The molecular basis of alkaptonuria. Nat Genet 14, 19–24 (1996). https://doi.org/10.1038/ng0996-19

Fernández-Cañón, J.M. & Peñalva, M.A. Molecular characterization of a gene encoding a homogentisate dioxygenase from Aspergillus nidulans an identification of its human and plants homologues. J. Biol. Chem 270. 21199-21205 (1995).

Fernández-Cañón JM & Peñalva MA (1995) Fungal metabolic model for human type I hereditary tyrosinaemia. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 92: 9132-9136 (1995)

Granadino B, Beltrán-Valero de Bernabé D, Fernández-Cañón JM, Peñalva MA, Rodríguez de Córdoba S (1997) The human homogentisate 1,2-dioxygenase (HGO) gene. Genomics 43: 115-122

Siete libros de ciencia para tu maleta veraniega

Por Mar Gulis (CSIC)

Las deseadas y merecidas vacaciones están cerca, por eso nos gustaría proponerte unas lecturas de divulgación con las que disfrutar del verano. Las colecciones ¿Qué sabemos de? y Divulgación (CSIC-Catarata) cuentan con más de 150 títulos de libros fáciles de llevar y leer. Aquí te presentamos algunos de los números más recientes.

¿Existe una filosofía en español?

Decía Heidegger que pensar, lo que se dice pensar, solo es posible en griego y en alemán. Entonces, ¿no es factible la existencia de un pensamiento filosófico en nuestro idioma? El investigador del CSIC Reyes Mate aborda esta cuestión el libro Pensar en español, el primer volumen de estas colecciones dedicado a la filosofía. En un mundo dominado por el inglés, el autor trata de “crear un marco de referencia que nos sitúe frente a otros pensares en otras lenguas y, también, establezca vínculos entre nuestros propios intentos de pensamiento, en el primer caso para diferenciarnos, y en el segundo caso para unirnos”.

Para los que gusten de la reflexión en nuestra lengua, este texto es más que recomendable. Además, viene con contenido extra: un vídeo resumen de un minuto y una entrevista al autor en el nuevo pódcast del CSIC ‘Ciencia para leer’.

La enfermedad de las mil caras

La esclerosis múltiple es una enfermedad crónica, inflamatoria y neurodegenerativa del sistema nervioso central. Tiene un marcado componente autoinmune, y aparece generalmente en personas de entre 20 y 40 años, lo que supone un enorme impacto en su calidad de vida, importantes repercusiones sociales, y un elevado coste sanitario. Esta patología afecta a 2,5 millones de pacientes en el mundo y, a pesar de la investigación desarrollada desde su descubrimiento en el siglo XIX, aún presenta muchos interrogantes.

La esclerosis múltiple afecta a 700.000 personas en Europa. En España, la incidencia es de 100 casos por 100.000 habitantes, en su mayoría mujeres. / CSIC-Catarata

Las científicas Leyre Mestre y Carmen Guaza del Instituto Cajal del CSIC se adentran en su evolución, sintomatología, tratamientos y líneas futuras de estudio en La esclerosis múltiple, un libro que da a conocer una enfermedad muy heterogénea y difícil de tratar.

Los entresijos de la ciencia

Desde que alguien formula una hipótesis en un despacho o laboratorio de cualquier parte del planeta hasta que esa idea aparece publicada en una revista científica en forma de nueva teoría, tecnología o producto existe un largo y complicado proceso poco conocido más allá de los campus universitarios y los centros de investigación. Por qué y cómo se hace la ciencia está escrito “desde dentro” por Pere Puigdomènech, un profesional que ha dedicado su vida a esta labor. “Condensar en un libro de bolsillo un texto sobre la ciencia en sí misma no era tarea fácil, pero esta actividad tiene tal impacto tanto por los millones de personas que se dedican a ella como por su influencia en cómo vivimos y en las decisiones que toman los gobiernos, que merecía la pena intentarlo”, comenta el autor.

Con este libro, el investigador del Centro de Investigación en Agrigenómica adscrito al CSIC pretende describir la evolución histórica de la actividad investigadora, qué papel cumple en nuestra sociedad y cuál es su funcionamiento interno. Sus páginas, idóneas para curiosos y curiosas de los vericuetos científicos, responden a preguntas como quién investiga, dónde lo hace, qué método y reglas sigue o con qué financiación cuenta.

Nanotecnología y desarrollo sostenible

Desde 2010 se han publicado más de un millón de artículos científicos sobre descubrimientos o desarrollos relacionados con la nanotecnología y se han concedido cinco premios Nobel de Física o Química a personas que han realizado aportaciones significativas en este ámbito. Estos dos datos son solo una muestra de la relevancia que ha adquirido la llamada ‘ciencia de lo pequeño’ en los últimos años. Objetos o partículas que miden la milmillonésima parte de un metro (10-9) se perfilan como una de las soluciones para lograr la supervivencia de la especie humana en imprescindible equilibrio con el planeta que habita.

Por su carácter transversal, la nanotecnología impacta en la mayoría de los objetivos de la Agenda 2030. 

El investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Pedro Serena firma Nanotecnología para el desarrollo sostenible, un libro que explica cómo el conocimiento acumulado sobre el nanomundo puede ayudar a mejorar nuestra calidad de vida sin comprometer el futuro de nuestros descendientes. El autor introduce los aspectos fundamentales de la nanotecnología y su salto de los laboratorios al mercado, para luego conectar las aplicaciones existentes y las futuras con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecidos por la ONU en su Agenda 2030.

¿Qué tienen en común la niebla y la cerveza?

Rodrigo Moreno, investigador del CSIC en el Instituto de Cerámica y Vidrio es autor de Los coloides, el libro que responde a esta pregunta. El arcoíris, un flan, la ropa deportiva impermeable que transpira y no pesa, la espuma con la que rizamos nuestro pelo o el famoso gel hidroalcohólico que nos aplicamos continuamente. Los coloides están presentes en muchos procesos y productos cotidianos, aunque la mayoría no hayamos oído hablar nunca de ellos. Son mezclas no homogéneas de dos o más fases (gas, líquido o sólido) en las que una de ellas tiene un tamaño menor a un micrómetro (0,001 milímetros) y que hacen posible la existencia de muchos materiales que usamos a diario. También se encuentran detrás de complejas tecnologías que en el futuro podrían permitir reutilizar materias primas o eliminar microplásticos de ríos y océanos. Este texto describe las características, técnicas de preparación y algunas de las numerosas aplicaciones de los sistemas coloidales.

La espuma de la cerveza es un coloide en el que partículas de gas, las burbujas, se encuentran dispersas en un medio líquido. 

La sorprendente vegetación de Atacama

Entre el océano Pacífico y la cordillera de los Andes se extiende un territorio de unos 178.000 kilómetros cuadrados donde predominan los tonos rojizos y, a simple vista, no se percibe rastro alguno de vegetación. Atacama, ubicado en el norte de Chile, es el desierto cálido más árido del mundo. Allí hay lugares donde no llueve en años, incluso en décadas, y otros en los que la media anual de precipitaciones no llega a los 5 milímetros de agua. Las temperaturas oscilan unos 30 grados entre el día y la noche, y la radiación solar es implacable. A pesar de las condiciones climáticas tan extremas, en este desierto se han descrito miles de especies de plantas que el investigador del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC Carlos Pedrós-Alió nos invita a descubrir.

El ‘desierto florido’ es uno de los fenómenos más llamativos que suceden en Atacama. Solo algunos años, y en zonas diferentes, la superficie se transforma en un campo de flores de distintas especies que dura varios meses. / Gerhard Hüdepohl

“Después de veinte años visitando este territorio para estudiar microorganismos, vi que en algunos sitios había plantas. Quise saber de qué especies se trataba, cómo se las arreglan para vivir en este entorno, qué adaptaciones tienen a la aridez, de dónde sacan el agua, cómo se distribuyen y cuánto tiempo hace que aparecieron en la evolución”, cuenta el científico. El resultado de esta investigación es el libro Las plantas de Atacama. El desierto cálido más árido del mundo, un recorrido por una de las zonas naturales más espectaculares del planeta.

La expedición Magallanes-Elcano

El 10 de agosto de 1519 partían desde Sevilla cinco naves con unos 250 tripulantes a bordo. Era el comienzo de la famosa expedición capitaneada por Fernando de Magallanes y finalizada gracias a Juan Sebastián Elcano. Financiada por la Corona de Castilla, su objetivo principal era llegar por occidente a un lugar llamado La Especiería – en el archipiélago de Las Molucas, ubicado en Indonesia– y crear así una ruta marítima alternativa a la establecida por Portugal para controlar el comercio de especias como el clavo de olor, la canela, la nuez moscada y la pimienta negra.

Terra Brasilis y el Atlántico Sur (Atlas Miller, 1519). Imagen del mapa que forma parte de la portada del libro. / CSIC

Más de tres años después, el 6 de septiembre de 1522, 18 europeos y 3 orientales enfermos y agotados arribaron a Sanlúcar de Barrameda. Después de recorrer 14.460 leguas, habían conseguido culminar la primera vuelta al mundo. En la conmemoración de su quinto centenario, Las plantas de la expedición Magallanes-Elcano (1519-1522)  rinde tributo a esta hazaña promovida por la búsqueda de nuevas plantas y nos propone viajar a través de unas páginas impregnadas de olores y sabores exóticos. El libro de la colección Divulgación está coordinado por el investigador del CSIC en el Real Jardín Botánico Pablo Vargas y escrito por una veintena de investigadores e investigadoras procedentes de aquellos países por los que transcurrió esta azarosa singladura.

Te contamos por qué son tímidos los árboles

Por Mar Gulis (CSIC)

Hace décadas apareció en la literatura científica el concepto de “timidez de los árboles” para referirse a un curioso fenómeno que se puede observar en los bosques: los árboles de la misma especie y, en ocasiones, de especies diferentes, mantienen sus copas a una distancia prudencial de los ejemplares adyacentes. Es decir, las copas de determinadas especies de árboles frondosos crecen dejando unos espacios o grietas, a modo de canales, entre sí y los otros ejemplares. Así, se desarrollan sin afectar (y casi sin tocar) al resto de individuos.

En una fotografía aérea presentada en la 17ª edición de FOTCIENCIA, su autor, Roberto Bueno Hernández, señala en el texto que la acompaña que aún no hay una explicación definitiva para esta curiosidad botánica. De hecho, hoy se tiende a pensar que quizá no hay una sola y única causa para la “timidez” de los árboles, sino que en cada especie en la que se da (pues no se da en todas), ese mecanismo adaptativo se desarrolla de diversas maneras y por razones diferentes. En este texto vamos a resumir las principales hipótesis que explican este fenómeno.

La imagen 'La timidez de los árboles' forma parte de la exposición y el catálogo de FOTCIENCIA17. / Roberto Bueno Hernández

La imagen ‘La timidez de los árboles’ forma parte de la exposición y el catálogo de FOTCIENCIA17 (CSIC-FECYT). / Roberto Bueno Hernández

  1. Hipótesis de la fricción o de la abrasión mecánica

Esta hipótesis fue presentada por el botánico australiano Maxwell Ralph Jacobs, quien por vez primera utilizó, en los años 50 del pasado siglo, la palabra “timidez” para referirse a esta manera en la que algunos árboles se retraen ante otros. Según su planteamiento, la abrasión o el roce que producen unas hojas contra otras cuando se ven azotadas por los vientos o las tormentas sería la causa de este fenómeno, pues se produciría una especie de “poda recíproca” debido a la fricción. Ahora bien, en la actualidad la comunidad científica baraja otro tipo de explicaciones que veremos a continuación.

  1. Hipótesis de los fotorreceptores

Los árboles, y las plantas en general, deben adaptarse a las condiciones de luz para sobrevivir y asegurar su fotosíntesis y desarrollo. A diferencia de los animales, las plantas no pueden trasladarse de lugar ante las condiciones adversas o en busca de ambientes que les sean más favorables, por lo que parece que han desarrollado mecanismos, a través de fotorreceptores o “sensores de luz”, mediante los cuales pueden detectar y sentir diferentes intensidades y longitudes de onda para optimizar su crecimiento. De este modo, tienen la posibilidad de minimizar los posibles daños por exceso o defecto de radiación adaptándose a las diferentes condiciones del entorno. Así, según esta explicación, la acción de los fotorreceptores haría que los brotes más cercanos al dosel arbóreo crecieran menos al acercarse a sus vecinos, pues es donde menos cantidad de luz recibirían.

El fenómeno de la "timidez de los árboles" se puede observar fundamentalmente en los bosques con especies de eucaliptos, pinos y hayas.

El fenómeno de la «timidez de los árboles» se puede observar fundamentalmente en bosques con especies de eucaliptos, pinos y hayas.

  1. Hipótesis de la alelopatía

La tercera explicación relaciona este fenómeno con la alelopatía, mecanismo por el cual los organismos cercanos, de una misma especie o de especies diferentes, se envían señales químicas. Estos compuestos bioquímicos, o aleloquímicos, pueden tener efectos (positivos o negativos) sobre su crecimiento, reproducción o incluso sobre su supervivencia. El envío de compuestos químicos entre árboles, generalmente de la misma especie (aunque no solo) supone algún tipo de comunicación entre ellos, como explicaban en una entrada anterior de este blog los investigadores Rafael Zas y Luis Sampedro, de la Misión Biológica de Galicia del CSIC. Según la científica forestal canadiense Suzanne Simard, esta “comunicación química de los árboles” se daría en mayor parte bajo tierra a través de las redes micorrizales (es decir, de la simbiosis entre los hongos y las raíces de los árboles y las plantas) y formaría parte de toda una compleja red de cooperación entre especies para asegurar el beneficio mutuo. Esto es, Simard plantea un escenario donde los árboles, más que competir, cooperan para su supervivencia, formando parte de una simbiosis mutualista. Actualmente, esta tercera hipótesis parece ser la más respaldada por la comunidad científica.

Aunque probablemente no haya una explicación única para la timidez de los árboles, es indudable que estamos ante un mecanismo adaptativo que puede hacernos ver los bosques con otros ojos; al margen de nuestros problemas humanos, incluso de nuestra timidez.

Viajar en avión, ¿cómo afecta a la calidad del aire?

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Cuándo fue la última vez que viajaste en avión? Es posible que tu respuesta se remonte a casi un año (o más) por la situación en la que nos encontramos, pero ahora piensa cuántos vuelos realizaste antes… En 2019, por los aeropuertos españoles pasaron 275,36 millones de pasajeros y las aerolíneas españolas movieron a 113,83 millones de personas, el 41,4% del tráfico total, según datos del Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana. Además, como recoge AENA, España recibió 83,7 millones de turistas internacionales, 900 mil más que el año anterior, y de ellos el 82% (más de 68,6 millones) utilizaron el avión como medio de transporte.

¿Sabes lo que suponen estas cifras en contaminación? En este sentido, un estudio de la revista Global Environmental Change estima que “un 1% de la población del mundo es responsable de más de la mitad de las emisiones de la aviación de pasajeros que causan el calentamiento del planeta”.

Un avión puede llegar a emitir hasta veinte veces más dióxido de carbono (CO2) por kilómetro y pasajero que un tren.

Un motor de avión emite principalmente agua y dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, dentro de él tiene lugar un proceso de combustión a muy alta temperatura de los gases emitidos, lo que provoca reacciones atmosféricas que a su vez producen otros gases de efecto invernadero, como el óxido de nitrógeno (NO). Por ello, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) estima que el efecto invernadero de los aviones es unas cuatro veces superior al del CO2 que emiten. Según Antonio García-Olivares, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Mar (CSIC), esto eleva el efecto global de los aviones a aproximadamente la mitad del efecto del tráfico global de vehículos.

¿Cuándo contamina más?

Un avión puede llegar a emitir hasta veinte veces más dióxido de carbono (CO2) por kilómetro y pasajero que un tren. Según un estudio de la Agencia Europea del Medio Ambiente de 2014, el tráfico aéreo es el que mayores emisiones produce (244,1 gramos por cada pasajero-km), seguido del tráfico naval (240,3 g/pkm), el transporte por carretera (101,6 g/pkm) y el ferroviario (28,4 g/pkm).

“Esto es, el transporte por avión y por barco emiten en la Unión Europea más del doble de CO2 por pasajero-km que el transporte por carretera, y el transporte por tren es casi 4 veces más limpio que por carretera, y casi 9 veces más limpio que el transporte por avión”, comenta Antonio García-Olivares.

El CO2 y el resto de gases que emite la aviación se añaden a la contaminación atmosférica “que afecta a la salud humana solo en los momentos de despegue, y en menor grado, en el aterrizaje”, señala el investigador. Durante la mayor parte del viaje, el avión vuela en alturas donde al aire está estratificado (en capas) y la turbulencia vertical es mínima. Esto hace que la difusión de los contaminantes hacia la superficie terrestre sea prácticamente nula. Pero, “los contaminantes permanecen en altura, donde sufren distintas reacciones fotoquímicas, contribuyendo algunos de ellos al efecto invernadero”, añade.

En cualquier caso, el tráfico aéreo también incide en el aire que respiramos. En los aeropuertos no solo los aviones emiten gases contaminantes, sino también otros medios de transporte como los taxis, los autobuses y los vehículos de recarga, que en su mayoría son diésel. Al quemar combustible y rozar sus ruedas con el suelo, todos ellos liberan partículas ultrafinas a la atmósfera consideradas potencialmente peligrosas para la salud, explica Xavier Querol, del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua del CSIC.

El grado en que estas emisiones aumentan los niveles de partículas contaminantes en una ciudad, dependerá de la distancia del aeropuerto con respecto al núcleo de población y al urbanismo. En grandes ciudades con altos edificios (streetcanions), la dispersión es muy mala y el impacto en la exposición humana es mayor que en otras; a diferencia de lo que suele ocurrir en un aeropuerto, donde las emisiones se pueden dispersar y contaminar menos, indica Querol.

En grandes ciudades con altos edificios (streetcanions), la dispersión es muy mala y el impacto en la exposición humana es mayor.

¿Sería posible viajar en avión sin contaminar?

“La tendencia del tráfico aéreo es a crecer en las próximas décadas un 30% más que en la actualidad, pero en la presente década es probable que la producción de petróleo y líquidos derivados del petróleo comiencen a declinar. Ello, unido a la posible presión legislativa por disminuir el impacto climático, podría frenar esa tendencia al crecimiento del tráfico aéreo”, reflexiona Antonio García-Olivares.

Un estudio en el que ha participado el investigador concluye que, si la economía fuese 100% renovable, el coste energético de producir metano o combustibles de aviación a partir de electricidad y CO2 sería mucho más elevado que en la actualidad y desencadenaría una fuerte subida de los precios de los viajes en avión y, por tanto, una reducción del transporte aéreo hacia valores en torno al 50% de los actuales.

Reducir la contaminación implica, como resume el investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias del Mar Jordi Solé, cambiar los modos y la logística del transporte, así como reducir su volumen y la velocidad (cuanto más rápido vamos, más energía consumimos y más contaminamos). “La navegación aérea a gran escala y el transporte en general se tienen que rediseñar en un sistema con cero emisiones; por tanto, el transporte aéreo tiene que estar armonizado en un modelo acorde con un sistema socio-económico diferentes y, por supuesto, ambiental y ecológicamente sostenible”, concluye Solé.

¿Qué ocurre en un cerebro esquizofrénico?

Por Jesús Ávila (CSIC)*

En el mundo hay aproximadamente 25 millones de personas con esquizofrenia, un trastorno cuya edad media de aparición se sitúa en torno a los 25 años.

El término ‘esquizofrenia’ es la combinación de dos pala­bras griegas, schizo (dividir) y phrenos (mente), y se refiere a un trastorno en el que la división de funciones mentales da lugar a un comportamien­to social anómalo, pues el paciente confunde lo que es real con lo imaginario. La persona afectada puede sufrir alucinaciones, fundamentalmente auditivas, que pueden derivar en un estado de psicosis, es decir, en la pérdida temporal del contacto con la realidad. En muchos casos, la esquizofrenia se asocia también a estados de depresión y de ansiedad o a una capacidad reducida para sentir placer. Además, los pacientes suelen tener problemas de interacción social y profe­sional.

La esquizofrenia es un trastorno mental grave que afecta a determinadas funciones cerebrales.

La esquizofrenia es un trastorno mental grave que afecta a determinadas funciones cerebrales.

Aunque en la esquizofrenia la mente cambia una situación real por otra ficticia, lo cual implica un funcionamiento de la mente fuera de ‘lo normal’, existen casos de personajes geniales que han sufrido esta enfermedad. Este es el caso de Van Gogh, que pintaba con colores que podían mejorar la misma naturaleza; de Edgar Allan Poe, cuyos relatos imaginarios exageraban (pero casi perfeccionaban) la realidad; o de otro paciente de esquizofrenia, John Nash, que obtuvo el Nobel de Economía en 1994 por el enfoque distinto que supo dar a los hechos.

A finales del siglo XIX y principios del XX había gran interés en Alemania por conocer las causas de la(s) demencia(s). Fundamentalmente, en el laboratorio del doctor Kraepelin, en Baviera, se buscaban causas de demencia diferentes a la provocada por la bacteria T-pallidum, que daba lugar a la neurosífilis, un tipo de demencia (infecciosa) bastante prevalente en aquellos tiempos. Así, buscando otros orígenes para la demencia, fue Kraepelin, que más tarde sería mentor de Alois Alzheimer, quien describió la esquizofrenia como demencia precoz. También fue quien realizó una clara distinción entre esquizofrenia y trastorno bipolar.

El cerebro esquizofrénico

Las causas de este trastorno todavía se desconocen con exactitud. En cualquier caso, en la esquizofrenia aparecen algunas áreas cerebrales afectadas, como el nucleus accumbens, en donde una alta cantidad de secreción de dopamina puede dar lugar a alucina­ciones. Dado que la esquizofrenia va acompañada, a veces, con alucinaciones, un posible mecanismo para la aparición de las mismas podría estar basado en cambios en la transmisión dopaminérgica. Dicha transmisión depende de la dopamina y de los receptores celulares a los que asocia. Se ha sugerido que, en la esquizofrenia, la cantidad o la presencia de variantes de estos receptores dopaminérgicos puedan tener una función en el desarrollo de la patología.

Los pacientes de esquizofrenia tienden a empeorar con el uso de sustancias tóxicas como el alcohol o la cocaína. De hecho, estas sustancias pueden llegar a causar en personas no esquizofrénicas la aparición de una psicosis similar a la encontrada en este trastorno.

Los pacientes de esquizofrenia tienden a empeorar con el uso de sustancias tóxicas como el alcohol o la cocaína. De hecho, estas sustancias pueden llegar a causar en personas no esquizofrénicas la aparición de una psicosis similar a la encontrada en este trastorno.

Recientemente, además, se ha señalado que una elevación anormal de un tipo específico de receptores de dopamina (DRD2) en regiones del tálamo puede estar relacionada con las alucinaciones audi­tivas. De hecho, muchos estudios apuntan a una variante del gen que expresa dichos receptores DRD2 como un importante factor de riesgo.

Otra área afectada es la corteza prefrontal, donde tiene lugar una deficiente secreción de dopa­mina, la cual se ha relacionado con los problemas de an­siedad o con la aparición, en ocasiones, de conductas violentas o de desarraigo social. Aun­que no muy específica de esta enfermedad, otra posible característica son los niveles elevados de homocisteína. Se cree que este aminoácido puede interac­cionar con determinados receptores de glutamato (receptores tipo NMDA) y provocar estrés oxidativo, es decir, un desequilibrio entre la producción y la eliminación de especies reactivas del oxígeno o radicales libres, y muerte neuronal. Es un hecho constatado que la esquizofrenia comparte con las demencias seniles la pérdida de comunicación neuronal (sinapsis), que puede observarse parcialmente por la pérdida de espinas dendríticas.

En busca de las causas

Respecto a las causas de la esquizofrenia, es posible que en algunos casos tenga un origen familiar. Es lo que ocurre con el gen implicado en la expresión de DRD2 y, posiblemente, en una familia escocesa en la que se ha encontrado una baja expresión de un gen –provocada por una translocación entre los cromosomas 1 y 11– denominada DISC-1 (disrupted in schizo­phrenia 1) y que puede inducir a la aparición del trastorno. Eso sí, aunque el nombre del gen se ha relacionado con la esquizofrenia, algunos portadores de la translocación pueden su­frir otros problemas como, por ejemplo, la enfermedad maníaco-depresiva.

 

Hay bastante consenso en que convergen tanto factores genéticos como ambientales en la aparición de la esquizofrenia.

Hay bastante consenso en que convergen tanto factores genéticos como ambientales en la aparición de la esquizofrenia.

Por otro lado, además de los factores genéticos, se cree que el modo de vida durante el desarrollo de una persona puede afectar a la aparición de la enferme­dad. Así, se ha señalado que un defecto en la cantidad de vitamina D en la infancia o problemas de nutrición durante el desarrollo fetal pueden suponer riesgos para padecer esquizofrenia cuando se llega a la edad adulta.

 

* Jesús Ávila es neurocientífico y profesor de investigación en el Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” del CSIC (centro del que fue director), además de autor del libro La demencia’ de la colección de divulgación ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial CSIC y Los Libros de la Catarata.

 

Tres teorías para explicar el origen de la asimetría en los seres vivos

Por Luis Gómez- Hortigüela (CSIC) *

La quiralidad es la propiedad que tienen ciertos objetos de no ser superponibles con su imagen especular. Así, cada una de las imágenes especulares constituyen entidades diferentes. El mundo que nos rodea está lleno de objetos quirales, como el clásico ejemplo de nuestras manos (la izquierda se convertirá en la derecha si la ponemos frente a un espejo), u objetos que posean ejes helicoidales, como tornillos o escaleras de caracol.

La trascendencia más fundamental de la quiralidad tiene lugar en el nanomundo de las moléculas, en particular en las que conforman el funcionamiento de los seres vivos. Esto es así porque, ya desde su más remoto origen, la vida decidió funcionar de manera asimétrica, empleando compuestos quirales para construir las biomoléculas funcionales: aminoácidos para formar proteínas y azúcares para los ácidos nucleicos. En una entrada anterior, ya hablábamos de la asimetría como una propiedad esencial para la vida. Por alguna misteriosa razón, de las dos posibles formas especulares de estos compuestos quirales, la vida decidió comenzar su andadura empleando exclusivamente la forma zurda (L) de los aminoácidos y la forma diestra (D) de los azúcares, fenómeno que se conoce como homoquiralidad.

El pez platija con su extravagante asimetría en la posición de los ojos es un claro ejemplo de quiralidad.

A su vez, consciente de su eficiencia, la evolución trasmitió esta caprichosa selección quiral a todos los seres vivos, al menos en lo que concierne a nuestro planeta. Ahora bien, una vida imagen especular de la existente, con aminoácidos diestros y azúcares zurdos, en principio debería ser igualmente viable. ¿Por qué entonces la naturaleza se decantó por la vida basada en L-aminoácidos y D-azúcares? ¿Fue fruto de una mera casualidad o existe un imperativo cósmico detrás? ¿Podría existir vida imagen especular de la nuestra en otros planetas? Hasta el momento, hay tres posibles teorías que responden esta cuestión.

La homoquiralidad surgió por azar

Al ser las dos formas especulares (enantiómeros) de compuestos quirales igualmente estables, en principio existen en igual proporción (50% de cada uno). La senda hacia la homoquiralidad requiere el establecimiento de ciertos desequilibrios enantioméricos primigenios, una ruptura inicial de esa simetría del 50% que pueda derivar por diversos mecanismos de amplificación hacia la exclusividad quiral requerida para traspasar la barrera de la materia inerte a la viva. Un primer agente que podría haber generado esos desequilibrios es el propio azar.

Imaginemos que lanzamos una moneda al aire 100 veces; la estadística predice que lo más probable es que obtengamos 50 caras y 50 cruces. Sin embargo, si realizamos el experimento varias veces, es muy posible que en alguna ocasión obtengamos 49 caras y 51 cruces (o viceversa), lo que da lugar a una ruptura de la simetría. De manera similar, pequeños desequilibrios estocásticos en la proporción de uno y otro enantiómero de biomoléculas quirales en el caldo prebiótico habrían generado un germen de asimetría que habría derivado en la homoquiralidad. De ser este el mecanismo, la vida terrestre basada en L-aminoácidos y D-azúcares constituiría un mero accidente congelado fruto de un azaroso desequilibrio primigenio, condenado a la eternidad por la selección natural y las ventajas bioquímicas de la homoquiralidad. Esta selección quiral, por tanto, no sería imperativa en el universo, sino que podría encontrarse vida imagen especular en otros rincones del mismo.

El Hibiscus hawaiano, es quiral: los pétalos se montan unos sobre otros de manera helicoidal. / Wikipedia

Imperativo cósmico

No obstante, Einstein encontraba poco espacio en el universo para el azar: “Dios no juega a los dados con el universo” (o en este caso, la selección natural a través de la evolución química). Así, también se han propuesto mecanismos deterministas, donde ciertas influencias asimétricas debieron concurrir para generar esa ruptura inicial de simetría, lo que establecería una causa última para la selección quiral de la vida.

La primera de las teorías deterministas está relacionada con la naturaleza íntima de la materia. Uno de los más desconcertantes descubrimientos científicos del siglo XX fue la llamada caída de la paridad, que se deriva del hecho de que las partículas que conforman nuestro universo de materia son asimétricas. En palabras de Asimov, que el electrón es zurdo (su reverso de antimateria, el positrón, sería su análogo diestro).

Nuestro universo está constituido por partículas de materia, como el electrón, y por tanto es asimétrico. Esta asimetría es debida a un desequilibrio inicial, cuyas causas aún se desconocen, entre la cantidad de materia y antimateria tras el Big Bang, que hizo que la primera prevaleciera en su épica batalla ancestral contra la antimateria, conformando así nuestro universo.

Tal asimetría de la materia que configura las moléculas de nuestro universo implica que existe una ínfima diferencia de estabilidad entre los enantiómeros L y D de los aminoácidos construidos a base de materia, lo cual podría proporcionar la causa para un desequilibrio inicial. De hecho, estudios teóricos sugirieron una ligerísima mayor estabilidad para los L-aminoácidos y los D-azúcares, coincidente con la selección quiral de la vida. Sin embargo, las diferencias de energía calculadas eran extremadamente pequeñas y controvertidas. Así, por muy eficientes mecanismos de amplificación que existieran, resulta difícil predecir que tales mínimos desequilibrios condujeran a la homoquiralidad de la vida. En todo caso, si este fuera el origen, la quiralidad estaría impresa en los mismos entresijos de la materia, y por tanto cualquier vida en nuestro universo de materia debería reflejar la misma selección quiral que la terrestre.

La espiral de las conchas de caracol giran invariablemente hacia la derecha, una muestra de la quiralidad en esta especie.

Origen extraterrestre

En 1969, la llegada de un inesperado visitante en forma de meteorito a Murchison (Australia) proporcionó una nueva pista para otro posible mecanismo de ruptura de simetría quiral. El célebre meteorito contenía aminoácidos de origen extraterrestre. Sorprendentemente, se observaron ciertos desequilibrios enantioméricos en dichos aminoácidos, lo que sugería la provocativa idea de un germen de quiralidad exógeno, forjado en algún rincón del universo donde pudieran darse condiciones que no serían posibles en la Tierra. De esta manera, el desequilibrio quiral inicial habría alcanzado nuestro planeta a bordo de meteoritos.

Para estudiar esta sugerente posibilidad, la Agencia Espacial Europea envió en 2004 la sonda Rosetta al cometa 64P-Churiumov Guerasimenko para analizar in situ la existencia de desequilibrios enantiómericos en compuestos quirales de interés para el origen de la vida, si bien azares del destino impidieron llegar a conclusiones definitivas. En este caso, no existiría una quiralidad universal, sino que su origen sería local asociado a una región particular del universo, y podría por tanto existir vida imagen especular en otros planetas de otras regiones estelares.

Sea como fuere, resulta sobrecogedor pensar que el código quiral que describe la asimetría de la vida pudiera proceder en último término de algún lejano rincón del universo bañado por la luz asimétrica de una estrella de neutrones durante la llamada era química, o bien de lo más recóndito de la existencia, en el más insondable periodo posterior al Big-Bang, cuando la materia venció en su decisiva batalla contra la antimateria durante la era cósmica, salvándose de su desintegración absoluta y permitiendo la formación de las galaxias y el desarrollo de la era biológica que condujo, de la mano de la evolución, a nuestra propia existencia para admirar la asimétrica belleza del Universo… ¿O no fue más que una mera casualidad?

Luis Gómez-Hortigüela es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘La quiralidad’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

La asimetría, una propiedad esencial para la vida

Por Luis Gómez-Hortigüela y Mar Gulis (CSIC)*

Los documentos del caso es una novela epistolar de misterio escrita por Dorothy Sayers en 1930. En la trama —atención, spoiler—, Harrison, un marido engañado aficionado a buscar setas, aparece muerto, aparentemente tras haber consumido una seta venenosa por error. Sospechando que podría haber sido asesinado por el amante de su madre, el hijo del fallecido, Paul, decide investigar su muerte. Descubre que la muscarina, el veneno que acabó con la vida de Harrison, es un producto natural procedente del hongo Amanita muscaria, pero también puede ser preparado artificialmente en el laboratorio. Entonces, ¿falleció el padre de Paul por comerse la seta equivocada o alguien acabó con su vida deliberadamente?

La respuesta a esta cuestión está en la quiralidad, una propiedad que compartimos seres vivos, objetos cotidianos como un tornillo o un sacacorchos y compuestos químicos como la muscarina. Un objeto es quiral cuando no es superponible con su imagen especular. El ejemplo clásico son nuestras manos. Si ponemos la mano izquierda frente a un espejo, se convierte en la derecha. Y si hacemos lo mismo con un tornillo, veremos que la rosca parece girar en sentido contrario. A escala humana, se manifiesta entre otros rasgos en que tenemos el corazón desviado a la izquierda y un cerebro que compartimenta las funciones de forma asimétrica en sus dos hemisferios, así como en la mayor habilidad en nuestra mano diestra (o zurda). La quiralidad está pues estrechamente asociada a la asimetría, es decir, a la falta de simetría. Las dos formas especulares no superponibles entre sí de un objeto o de una molécula quiral se denominan enantiómeros. Si retomamos el ejemplo de nuestras manos, la derecha y la izquierda serían los dos enantiómeros. Lo mismo sucede a nivel molecular, donde muchos compuestos son quirales y poseen dos enantiómeros, ambos imágenes especulares que no son superponibles entre sí, constituyendo por tanto diferentes entidades.

Ejemplar de cangrejo violinista (Uca tangeri) con una de sus pinzas claramente mayor que la otra. / Esmeralda Ramos-García Neto. Fundación Aquae

Pero lo que en el mundo macroscópico es fácil de comprobar —podemos observar a simple vista las diferencias entre nuestras manos o pies derechos e izquierdos— ¿cómo se manifiesta en el microscópico? Uno de los principales rasgos de los compuestos quirales es que poseen actividad óptica, es decir, cuando son expuestos a la luz polarizada tienen la propiedad de rotar el plano de luz un cierto ángulo en uno u otro sentido, según el enantiómero de que se trate.

Volvamos a nuestro protagonista fallecido y su hijo con sed de verdad. A estas alturas ya intuirán que la asimetría algo tiene que ver con la resolución del misterio de la muerte de Harrison. Pues sí. La muscarina es un compuesto quiral. Tanto la muscarina natural como la sintética comparten la misma composición y propiedades, salvo una sutil diferencia: la de procedencia natural tiene actividad óptica, mientras que la sintética es ópticamente inactiva, no produce ningún cambio en el plano de la luz. Al analizar la muscarina ingerida por su difunto progenitor con un polarímetro, Paul observa que esta no posee actividad óptica, lo que no deja lugar a dudas sobre su origen artificial. Descartada la procedencia natural de la muscarina que tomó su padre, Paul consigue demostrar que, efectivamente, Harrison había sido deliberadamente envenenado. Fue Louis Pasteur quien descubrió la quiralidad molecular a mediados del siglo XIX en un experimento que ha sido calificado como el más hermoso de la historia de la química, y constituye la clave para explicar qué le ocurrió a Harrison.

‘Homoquiralidad’: la naturaleza es asimétrica

La investigación del asesinato que plantea Sayers pone de manifiesto una diferencia crucial entre los compuestos quirales de origen sintético, preparados en el laboratorio, y los de origen natural, extraídos a partir de algún componente de un ser vivo. Los primeros, al ser preparados a partir de reacciones químicas que implican movimientos de electrones —sometidos a fuerzas electromagnéticas que no distinguen entre derecha e izquierda— se obtienen como mezclas al 50% de ambos enantiómeros, siendo ópticamente inactivos –la rotación de la luz polarizada en un sentido propiciada por un enantiómero se cancela por la rotación en sentido inverso del otro enantiómero. Por el contrario, los de origen natural, que se obtienen a partir de rutas metabólicas reguladas por diversas entidades bioquímicas presentes en todos los seres vivos, constan de un solo enantiómero, siendo por tanto ópticamente activos. Así, en palabras de Pasteur, la actividad óptica es una firma de la vida.

Moléculas quirales que conforman las macromoléculas funcionales de los seres vivos. En la imagen aparece a la izquierda un L-aminoácido y a la derecha un D-aminoácido. Solo los primeros se encuentran en las proteínas de la materia viva. / Wikipedia

La materia inanimada o inerte está asociada a la existencia de simetría, bien por estar constituida por elementos no quirales o por la existencia de ambas formas especulares en igual proporción de elementos quirales, mientras que la materia animada está invariablemente asociada a la quiralidad en su forma enantioméricamente pura. Podríamos decir que la naturaleza en su conjunto es un sistema quiral.

La mayoría de las moléculas que constituyen los organismos vivos son quirales y, en todos los casos, existe una clara preferencia por uno de los dos enantiómeros, lo que se conoce como ‘homoquiralidad’. Esto es lo que ocurre con los ‘ladrillos’ de los que estamos formados todos los seres vivos: los aminoácidos que componen las proteínas y los azúcares que conforman los ácidos nucleicos, el ADN, con sus hélices retorciéndose invariablemente hacia la derecha, y el ARN.

Así, a través de mecanismos aún desconocidos quiso la vida comenzar su andadura usando exclusivamente la forma L de los aminoácidos y exclusivamente la forma D de los azúcares. A su vez, quiso la evolución imprimir esta caprichosa selección quiral en todos y cada uno de los seres vivos existentes, al menos en lo que a nuestro planeta concierne, haciendo de la asimetría una propiedad esencial asociada intrínsecamente a la vida.

Luis Gómez-Hortigüela es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘La quiralidad’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

Zeolitas en Etiopía: una solución ecológica contra la fluorosis

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Te has preguntado alguna vez por qué aparecen manchas en los dientes? El tabaco o el vino tinto son algunas de las causas que te vendrán a la cabeza más rápidamente. Entre la multitud de motivos posibles que encontrarás, nos detendremos en uno que va más allá del esmalte dental: la fluorosis. Además de las manchas que produce en los dientes, esta enfermedad ósea causada por el consumo excesivo del ión fluoruro (conocido como flúor) en la dieta, sobre todo a través del agua, puede provocar osteoesclerosis, calcificación de los tendones y ligamentos, deformidades de los huesos, y otras afecciones.

Fuente de agua potabilizada

Fuente de agua potabilizada por la tecnología del CSIC en Etiopía. / César Hernández.

Según estima la Organización Mundial de la Salud (OMS), la fluorosis afecta a unos 300 millones de personas en el mundo. No en vano, la OMS considera que el flúor es una de las diez sustancias químicas que constituyen una preocupación para la salud pública, entre las que también figuran el amianto, el arsénico y el mercurio, entre otras.

A pesar de que el fluoruro tiene efectos beneficiosos para nuestra dentición como la reducción de las caries, la presencia de elevadas cantidades de este elemento en el agua puede convertirlo en un contaminante natural. Consumir agua con una concentración de fluoruro superior a 1,5 miligramos por litro (límite establecido por la OMS) puede provocar problemas de salud asociados a la fluorosis, como los antes citados, y es especialmente perjudicial para mujeres en estado de gestación y niños/as que están formando sus huesos.

La existencia de flúor en el agua tiene un origen geológico, es decir, se debe a que el agua está en contacto con rocas de acuíferos que tienen el ion fluoruro en su composición química. Estas rocas se hallan en terrenos volcánicos, por tanto, más de 25 países en todo el mundo están afectados por la contaminación de fluoruros en el agua, entre los que se encuentran España, China, India, Estados Unidos y Etiopía. En este último país, el 41% de sus fuentes de agua potable tienen una concentración de fluoruro superior a 1,5 mg/l y se calcula que aproximadamente el 15% de la población etíope está afectada por fluorosis.

Zeolitas naturales

Mineral de Estilbita, zeolita natural de Etiopia. / Defluoridation Ethiopia.

Filtros naturales para atrapar el fluoruro

Etiopía es uno de los países pertenecientes al valle del Rift, junto con Kenia, Uganda y Tanzania. En la zona del valle del Rift etíope, “donde se abra un pozo, va a haber contaminación por fluoruro y, por tanto, la enfermedad tiene elevados números”, asegura Isabel Díaz, investigadora del CSIC en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP). Díaz es además una de las inventoras de una tecnología que permite extraer el fluoruro del agua de una manera barata y sostenible.

Esta tecnología está basada en zeolitas naturales, un mineral abundante en Etiopía, así como en otros lugares del mundo, ya que también es de origen volcánico. “Su principal característica es que es un material muy poroso, lleno de cavidades de tamaño molecular”, explica la científica del CSIC. Gracias a esta estructura, las zeolitas tienen la capacidad de atrapar una amplia variedad de elementos, como sodio, potasio, calcio y magnesio, y son utilizadas como catalizadores y absorbentes en un gran número de procesos químicos industriales, sobre todo en la industria petroquímica.

Estructura zeolita

Estructura atómica de la Estilbita. En azul moléculas de agua, verde cationes calcio y morado cationes sodio. / Defluoridation Ethiopia.

Con la nueva tecnología desarrollada por el grupo del ICP —además de Isabel Díaz como investigadora principal, forman parte del equipo los científicos Joaquín Pérez Pariente y Luis Gómez Hortigüela—, junto con la Universidad de Adís Abeba, se modifica la zeolita para que absorba selectivamente el ion fluoruro. “De esta forma es posible abastecer a la población de agua potable”, afirma Díaz. Esta solución resulta primordial en el valle del Rift en Etiopía, dado que el agua de los pozos en la zona tiene una concentración de fluoruro de 2-3 mg/l, prácticamente el doble del límite que establece la OMS.

Planta potabilizadora

Planta potabilizadora con zeolitas en Etiopía. / César Hernández.

Aunque este tipo de métodos basados en absorbentes generan una gran cantidad de residuos tras su uso, una de las mayores ventajas de la zeolita es que luego puede usarse como fertilizante del suelo. En la actualidad, se han instalado dos plantas potabilizadoras con zeolitas en las localidades etíopes Dida y Obe, gracias al proyecto Defluoridation Ethiopia, del CSIC y la ONG Amigos de Silva. Esta acción supone un primer paso para que empiece a mermar la cifra de 14 millones de personas en riesgo de padecer fluorosis que, según los estudios, viven en el país africano.