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CRISPR: cómo las bacterias nos enseñan a editar los genes

Por Lluís Montoliu (CSIC)*

Frecuentemente pensamos en las bacterias como fuente de problemas. Efectivamente, son las causantes de enfermedades infecciosas tan graves como la tuberculosis, el cólera o la peste, pero también son las que nos proporcionan yogures y otros derivados lácteos. Además, las bacterias llevan miles de millones de años sobre la Tierra, muchísimos más que nosotros. Durante todo este tiempo han desarrollado un sistema de defensa muy eficaz que les permite zafarse de la infección por virus.

El sistema inmune de las bacterias fue descubierto por Francisco Juan Martínez Mojica, microbiólogo de la Universidad de Alicante, que lleva más de 25 años investigando sobre este tema. ¿Qué hace que este mecanismo de defensa sea tan especial? Pues, entre otras cosas, que se transmite genéticamente, de unas bacterias a sus hijas o descendientes. Por ejemplo, cuando nosotros nos vacunamos contra el virus del sarampión adquirimos unas defensas que evitan que desarrollemos esta enfermedad. Ahora bien, nuestros hijos no heredan esta defensa. Si queremos que ellos estén protegidos contra el sarampión, también tenemos que vacunarlos (algo sobre lo que nadie debería albergar hoy en día ninguna duda, por cierto). Las bacterias son más inteligentes que nosotros. Una vez aprenden a defenderse de un virus son capaces de transmitir esta defensa a sus hijas, y éstas a sus nietas, etc., perpetuando esta defensa. Este descubrimiento básico de Mojica, realizado en 2003, sirvió para que otros investigadores se dieran cuenta de que el mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse, sorprendentemente, para editar los genes con una precisión nunca antes vista.

En 2012 varios científicos, entre ellos las investigadoras Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier, describieron este sistema de edición basándose en los trabajos de Mojica. El sistema está formado por una proteína, denominada Cas, que actúa como una tijera molecular capaz de cortar el ADN de forma muy precisa dirigida por una guía, una pequeña molécula de ARN que le dice a la tijera Cas dónde tiene que cortar. Este sistema se denomina CRISPR (pronúnciese “crisper”), acrónimo en inglés que describe las características de estas secuencias genéticas que dirigen el corte de la tijera molecular. Éste fue el nombre, hoy en boca de investigadores de todo el mundo, acuñado también por Mojica en 2001.

El mecanismo por el cual las bacterias se defienden de los virus también puede usarse para editar los genes. / geneticliteracyproject.org

¿Qué podemos hacer con las herramientas CRISPR? Igual que cuando nos equivocamos al escribir un texto en el ordenador y podemos volver atrás y corregir, eliminar o sustituir la palabra o letras erróneas, con las herramientas CRISPR podemos editar los genes. Podemos añadir letras si faltan, eliminar letras si sobran, sustituirlas o corregirlas por otras. En definitiva, podemos modificar los genes a voluntad. Esto ha provocado una verdadera revolución en biología, biomedicina y biotecnología.

Ahora podemos desarrollar modelos celulares y animales más adecuados para el estudio de las enfermedades. Por ejemplo, tras diagnosticar a un paciente afectado por alguna de las miles de enfermedades raras de base genética que existen, y detectar el gen y la mutación causantes de esa enfermedad, podemos replicar exactamente esa misma mutación en ratones. A estos ratones que reproducen la misma alteración genética de un paciente los llamamos ‘ratones avatar’ para ilustrar la conexión existente entre ellos. Gracias a ellos podremos validar la seguridad y eficacia de nuevos tratamientos de una forma más efectiva, ya que son portadores del mismo error genético. Si somos capaces de introducir una mutación en ratones, también deberíamos poder usar las mismas herramientas CRISPR para revertir errores genéticos que afectan a los millones de personas con alguna enfermedad rara. No estamos todavía ahí, pero sí en el buen camino.

Ratones avatar modificados genéticamente con CRISPR. / Davide Seruggia

Los resultados preliminares de tratamientos genéticos basados en CRISPR probados en animales son muy esperanzadores, pero todavía no están listos para su aplicación efectiva en pacientes. ¿Por qué no podemos usar las herramientas CRISPR en el hospital? En primer lugar, la precisión que tienen las herramientas de edición genética CRISPR no es absoluta. En determinadas ocasiones pueden cortar en secuencias genéticas muy parecidas, causando alteraciones no deseadas en genes similares que no deberíamos modificar, y cuyos cambios pueden causar problemas mayores de los que queremos solucionar. Esta es una limitación que puede reducirse al mínimo si se diseñan cada vez mejores guías y se seleccionan tijeras moleculares con mayor precisión.

Pero lo más preocupante es la segunda de las limitaciones de las herramientas CRISPR. Toda la precisión que tienen para cortar el genoma en el gen y la secuencia correctas, no la tienen los mecanismos de reparación que entran en juego inmediatamente tras el corte, restaurando la continuidad del cromosoma. Estos sistemas de reparación, que tenemos en nuestras células, progresan de forma un tanto azarosa, añadiendo y quitando letras hasta conseguir enganchar los dos fragmentos del cromosoma cortado. Si bien es cierto que podemos inducir la reparación con secuencias genéticas molde que sirvan como patrón para la reparación, también sucede que no siempre las células usarán el molde y, por ello, al reparar el corte, generarán una nueva modificación genética no deseada. Tenemos que seguir investigando estos mecanismos de reparación, para poder controlarlos y hacerlos más precisos y seguros. Solamente entonces podremos recomendar, siempre con prudencia, el uso de las herramientas CRISPR en el tratamiento de enfermedades de base genética en personas.

Tras proponerlas como sistemas de edición genética en 2012, las herramientas CRISPR fueron usadas por vez primera en 2013. Hoy, apenas cuatro años más tarde, ya estamos pensando en maneras de optimizar su uso en terapias para enfermedades, para hacerlas más seguras y efectivas. Cuando estudiaba los microorganismos que habitan las salinas de Santa Pola, Mojica no podía imaginar el camino futuro que iban a tomar sus investigaciones de biología básica. Tratando de entender como esas bacterias se defendían de los virus que las acechaban, llegó hasta un hallazgo revolucionario. Ahí está la belleza y el poder de la ciencia. Un descubrimiento microbiológico, en apariencia menor, que pasa a ser la mayor revolución tecnológica en biología. Así pues, debemos de estar agradecidos a las bacterias, por mostrarnos nuevas formas de luchar contra las enfermedades. Y a Francisco Mojica, por haber descubierto este proceso de la naturaleza y habérnoslo contado, por haber descrito el sistema CRISPR que tantas aplicaciones biomédicas está produciendo.

Vídeo en el que la proteína Cas9 corta una molécula de ADN en tiempo real por microscopía de fuerza atómica. Imágenes de la Universidad de Tokio publicadas en este artículo.

 

* Lluís Montoliu es investigador del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC.

 

¿Te inspiran la fotografía y la ciencia? Participa en #FOTCIENCIA

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Te gusta la fotografía? ¿La ciencia y la tecnología disparan tu creatividad? Pues estamos esperando tus propuestas. FOTCIENCIA es una iniciativa que celebra su 15ª edición y que seleccionará las mejores imágenes de ciencia del año para conformar un catálogo y una exposición itinerante. La muestra resultante recorrerá una veintena de museos y centros culturales de España en 2018. Las fotografías pueden presentarse hasta el próximo 14 de diciembre de 2017 a las 14:00 horas.

Las imágenes deben estar relacionadas con la investigación científica o sus aplicaciones, y pueden reflejar aspectos como el objeto de estudio de la investigación, las personas que la realizan, su instrumentación e instalaciones, los resultados del avance científico, etc. Para participar es necesario presentar las fotografías en formato digital a través de un formulario disponible en la página web www.fotciencia.es, junto con un texto que permita interpretarlas. El jurado valorará tanto la imagen –su calidad técnica, originalidad y valor estético– como la claridad de la explicación aportada por el autor o autora.

En esta iniciativa puede participar cualquier persona mayor de edad que presente fotografías propias que no hayan sido seleccionadas en procesos similares. Pero también hay una modalidad, ‘La ciencia en el aula’, dirigida al alumnado de centros educativos y de formación profesional, que pueden participar a través de sus profesores y profesoras.

 

Vídeo con las imágenes seleccionadas en la pasada edición de FOTCIENCIA (2016).

 

Las propuestas se pueden presentar a una de las siguientes modalidades:

  • Micro, cuando la dimensión real del objeto fotografiado sea menor o igual a 1 milímetro o la imagen haya sido obtenida mediante un instrumento de micrografía (óptica o electrónica) o técnicas de difracción.
  • General, cuando la dimensión real del objeto fotografiado sea mayor de 1 milímetro.

Además, los autores y autoras también pueden adscribir su imagen a otras modalidades específicas, como ‘Agricultura sostenible’ ‘Alimentación y nutrición’, que cuentan con el apoyo de dos centros del CSIC: el Instituto de Agricultura Sostenible (IAS) y el Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos (IATA).

Las dos mejores imágenes de la categoría General y las dos mejores imágenes de la categoría Micro, según los criterios mencionados anteriormente, serán remuneradas con una cantidad de 1.500€ cada una. En las demás modalidades, se seleccionará una foto que recibirá 600€.

La organización hará una selección adicional de fotografías para incluirlas en el catálogo y en la exposición itinerante, que se prestará gratuitamente a las entidades que la soliciten. Todas las fotos presentadas pasarán a formar parte de la galería de imágenes de la web de FOTCIENCIA.

FOTCIENCIA es una iniciativa organizada por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), con la colaboración de la Fundación Jesús Serra.

Toda la información y normas de participación están disponibles en www.fotciencia.es

 

¿Por qué se quema antes una sabana que un bosque? Cinco cuestiones sobre inflamabilidad e incendios

Por Juli G. Pausas (CSIC)*

La inflamabilidad de las especies vegetales es relevante en los incendios, aunque su papel depende de diversas condiciones. Vamos a intentar aclarar algunas cuestiones al respecto:

  • La inflamabilidad es la capacidad de prender y propagar una llama

La inflamabilidad no se debe confundir con la cantidad de biomasa, que es la carga de combustible. Es decir, una planta, una comunidad vegetal o una plantación es más inflamable que otra si, teniendo aproximadamente una misma biomasa, prende y propaga mejor el fuego.

  • Hay especies de plantas más inflamables que otras

Todas las plantas son inflamables, pero unas más que otras. Una aliaga o un brezo arde mejor que un lentisco o un alcornoque. Entre las características que incrementan la inflamabilidad nos encontramos, por ejemplo, tener hojas y ramas finas, madera ligera, retener ramas secas o tener elevado contenido en compuestos volátiles. En cambio, tener hojas gruesas y pocas ramas, gruesas y bien separadas, reduce la inflamabilidad. Árboles con abundantes ramas basales son más inflamables que árboles con las primeras ramas elevadas y con espacio entre el sotobosque y la copa.

Aliaga_incendios

La aliaga (Ulex parviflorus) es una planta muy inflamable porque casi toda la biomasa es muy fina y acumula ramas secas. / Juli G. Pausas

No obstante,  todas estas características no tienen por qué estar correlacionadas entre sí; las plantas pueden tener diferente grado de inflamabilidad según la escala en que se mire. Por ejemplo, hay algunas especies de pino que tienen una alta inflamabilidad a escala de hojas pero baja inflamabilidad en la estructura del árbol, por tener la copa elevada. Por lo tanto, en incendios poco intensos el fuego se propagará superficialmente pero no alcanzará la copa, como en el caso de incendios de sotobosque.

  • Hay comunidades vegetales más inflamables que otras

En algunas comunidades pueden dominar especies más inflamables que en otras, lo que condiciona la inflamabilidad de toda la comunidad vegetal, ya sea natural o una plantación.

Además, hay otras características que incrementan o reducen la inflamabilidad a escala de comunidad. Entre ellas podemos mencionar:

    • la continuidad y distribución de las especies muy o muy poco inflamables
    • el número de plantas muertas por sequía, por ejemplo
    • las condiciones microclimáticas que se generan dentro de la comunidad. En bosques densos dichas condiciones pueden inhibir la probabilidad de fuego
    • las condiciones topográficas. Una mayor humedad en depresiones topográficas reduce la inflamabilidad de las plantas.

Así, se quema más fácilmente un aulagar o un brezal mediterráneo que un bosque denso y sombrio; o una sabana que un bosque. Los sistemas sabana-bosque tropicales son claros ejemplos de mosaicos determinados por diferente inflamabilidad.

Pinar de pino carrasco (Pinus halepensis). No solo las hojas son bastante inflamables sino que la continuidad entre el suelo y las copas hace que todo el árbol y el pinar sea muy inflamable, y genere incendios intensos de copa. / Juli G. Pausas

  • La gestión forestal puede modificar la inflamabilidad

La gestión forestal puede modificar la estructura de los árboles, de la comunidad, y del paisaje. Reduce la cantidad de biomasa, el combustible, pero también la continuidad, y por lo tanto, la probabilidad de que se propague el fuego. Por ejemplo, tanto en bosques como en plantaciones forestales, a menudo se realizan cortas del sotobosque y de ramas inferiores de los árboles, se introduce pastoreo o se realizan quemas prescritas, todo con el objetivo de estimular el crecimiento en altura de los árboles y generar una discontinuidad vertical entre el sotobosque y la copa. De esta manera, el fuego se propaga sólo por el sotobosque, los incendios son menos intensos, y la mayoría de árboles sobrevive.

Pinar de pino_incendios

Pinar de pino laricio (Pinus nigra) con árboles que tienen baja inflamabilidad, ya que hay una discontinuidad entre el sotobosque y la copa, de manera que el fuego se propaga por la superficie y no llega a alcanzar las copas (incendios de sotobosque). / Juli G. Pausas

En matorrales, la gestión puede reducir la biomasa, pero no es fácil reducir la inflamabilidad. Las plantaciones forestales a menudo son masas densas y homogéneas de árboles, muchas veces de especies muy inflamables como eucaliptos, y por lo tanto propensas a propagar incendios. Por lo tanto, la gestión forestal es clave para reducir la cantidad de combustible y la inflamabilidad de estas plantaciones. Además, a escala de paisaje, se puede disminuir la capacidad de propagación de un incendio mediante cortafuegos y generando paisajes en mosaicos.

 

  • El tamaño de los incendios puede estar  determinado por la inflamabilidad de las especies

En general, el tamaño de un incendio está condicionado por la cantidad, continuidad, y homogeneidad de la vegetación, sea natural o plantaciones, el grado de humedad de esta, y por el viento. La inflamabilidad de las especies también es relevante en el comportamiento del fuego y el tamaño de los incendios, pero su papel relativo depende de las condiciones. En incendios poco intensos, diferencias en la inflamabilidad (ya sea por cambios en la estructura forestal debidos a la gestión, o por diferencias naturales de las especies), pueden condicionar que una zona arda o no, y por lo tanto, el tamaño del incendio. En condiciones extremas de sequía y fuertes vientos, las diferencias en inflamabilidad serán poco relevantes. Igualmente, dependiendo de las condiciones, un cortafuegos puede o no frenar un incendio.

 

Juli G. Pausas  es investigador del CSIC en el Centro de Investigaciones sobre Desertificación Incendios Forestales (CIDE), y autor del libro Incendios forestales (CSIC-La Catarata) perteneciente a la colección ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial CSIC Los Libros de la Catarata.

 

Los biocombustibles pueden ser más nocivos que el petróleo

Por Joaquín Pérez Pariente (CSIC)*

Bajo las etiquetas ‘combustible ecológico’ y ‘diésel verde’ circulan por las ciudades del mundo occidental vehículos que utilizan como combustible sustancias obtenidas a partir de productos agrícolas. Son los denominados biocombustibles, en los que el prefijo ‘bio’ pretende resaltar sus bondades medioambientales. Sin embargo, la realidad es que los biocombustibles pueden llegar a ser incluso más nocivos que el petróleo por su emisión de gases de efecto invernadero, responsables del cambio climático que está experimentando nuestro planeta. La causa de ese daño medioambiental estriba en la forma en la que se obtienen.

Si somos rigurosos, recibe el nombre de biocombustible todo combustible de origen biológico. El más común es la madera, pero también son biocombustibles las grasas animales y los aceites vegetales que han servido para iluminar durante siglos nuestros hogares. Pero los que nos interesan son los que se utilizan hoy en día en vehículos de transporte, que son de dos tipos. Uno es el alcohol denominado etanol, el mismo que se encuentra en el vino o la cerveza, que se obtiene mediante fermentación de azúcares como los de la caña de azúcar, o los de los cereales, entre los cuales destaca el maíz. El segundo es el biodiesel, que se produce mediante una reacción química entre el alcohol denominado metanol y aceites vegetales. Aunque se pueden utilizar diferentes aceites como materia prima para fabricar el biodiesel, en la práctica en todo el mundo se elabora a partir de aceites de soja y palma y, en mucha menor medida, de colza, sobre todo en Europa.

Los defensores del empleo de biocombustibles líquidos como sustitutos de la gasolina y gasoil derivados del petróleo argumentan sus efectos beneficiosos de la siguiente manera. Las plantas de las que se extraen las materias primas necesarias para su elaboración absorben dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, durante su crecimiento. Cuando los biocombustibles se queman en un vehículo, se emite dióxido de carbono a la atmósfera. Pero eso no supone un problema, porque las plantas volverán a asimilarlo cuando crezcan de nuevo. Tendríamos así un ciclo cerrado de captura-emisión de ese gas, que por lo tanto no produciría ningún aumento de su concentración en la atmósfera.

 

Producción mundial de bioetanol y biodiesel en miles de barriles por día. En el caso del etanol, 100.000 barriles por día equivalen a 3 millones de toneladas de petróleo anuales, mientras que para el biodiesel equivalen a 4,9 millones. La cantidad total de biocombustibles producidos en 2016 equivalió a 86 millones de toneladas de petróleo.

Sin embargo, esa explicación tan simple oculta un conejo en la chistera, que salta fuera de ella en cuanto nos asomamos a su interior. Esas plantas productoras de biocombustibles no crecen precisamente en el desierto, sino que se cultivan en terrenos fértiles que previamente estaban cubiertos por selvas y sabanas. Esos grandes bosques tropicales y subtropicales se destruyen simplemente quemándolos, para sustituirlos por los cultivos destinados a la producción masiva de biocombustibles, como la soja y la palma. Esos gigantescos incendios, visibles desde los satélites que orbitan el planeta y en ocasiones objeto por ello de atención televisiva, liberan a la atmósfera enormes cantidades de dióxido de carbono: entre 200 y 300 toneladas por hectárea, entre 20.000 y 30.000 toneladas por cada kilómetro cuadrado. Así se deforestan cada año decenas de miles de kilómetros cuadrados, hasta tal punto que provocan unas emisiones de gases de efecto invernadero casi iguales a las provenientes de los vehículos que utilizan combustibles derivados del petróleo. Aunque los biocombustibles contribuyen todavía relativamente poco a esa deforestación global, su amenaza es tan grave que el Parlamento Europeo aprobó en el mes de abril de este año una resolución para eliminar el aceite de palma como fuente de biocombustibles para el año 2020.

Por si fuera poco, los agrocombustibles, como en realidad deberían denominarse los biocombustibles, compiten con la producción de alimentos porque, al igual que estos, necesitan terrenos fértiles donde cultivarse. Y se trata de una competencia desleal, porque si se quisiera sustituir con ellos solo una parte de los que provienen del petróleo, habría que producirlos en tal cantidad que toda la superficie de nuestro planeta no bastaría para ello. Ahí radica el verdadero problema, en que los terrenos cultivables ya escasean y no podemos permitirnos el lujo de malgastarlos en un mundo que no es capaz de alimentar decentemente a toda su población.

No hay ninguna duda de que es necesario buscar alternativas al uso del petróleo, pero los biocombustibles no son la respuesta.

 

Joaquín Pérez Pariente es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y es autor del libro Biocombustibles. Sus implicaciones energéticas, ambientales y sociales, editado por Fondo de Cultura Económica. La obra se presentará el día 19 en la librería Juan Rulfo (Madrid) a las 19:00 horas.

Las legumbres, aliadas en la lucha contra el cambio climático

Por Mar Gulis

Las legumbres son un alimento muy popular en nuestro país por su alto valor nutricional (pese a que su consumo está decayendo en los últimos años). Quizás menos conocido es que con ellas se producen harinas como sustituto del cacao, como el algarrobo, o que sus raíces se utilizan como especias (por ejemplo, el regaliz). Muchas legumbres se emplean además como alimento para animales (alfalfa, veza y trébol) o para la producción de principios activos medicinales, aceites, tinturas y fibras, entre otros productos. Como consecuencia, las leguminosas se encuentran entre los cultivos más importantes a nivel mundial, solo detrás de los cereales. Pero además las legumbres pueden ser aliadas en la lucha contra el cambio climático. Tal y como cuentan los autores del libro de divulgación Las legumbres (CSIC-Catarata), la clave está en que ayudan a fijar el nitrógeno orgánico, uno de los nutrientes, después del agua, más necesarios para el crecimiento de las plantas.

Cartel de la FAO realizado con motivo del Año Internacional de las Legumbres 2016.

En agricultura es muy habitual el uso de abonos nitrogenados. Sin embargo, además de su elevado coste, estos abonos tienen consecuencias medioambientales, ya que una cantidad significativa de ellos son emitidos al aire como óxido de nitrógeno, uno de los gases causantes del efecto invernadero y que, mezclado con el vapor de agua, produce la lluvia ácida. Su sustitución no es baladí si recordamos que, según el Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de la ONU, la agricultura es responsable de cerca del 14% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, un volumen similar al originado por el transporte.

El nitrógeno atmosférico es la forma más abundante de nitrógeno. Los únicos organismos capaces de transformarlo en nitrógeno orgánico son aquellos que poseen la enzima nitrogenasa. Estos organismos pueden realizar la transformación en solitario o en asociación con otros organismos, principalmente con plantas. En este sentido, la asociación simbiótica más importante se da entre unas bacterias del suelo denominadas rizobios y plantas de la familia leguminosae, de las que forman parte las legumbres. Su unión aporta cerca del 80% del total del nitrógeno atmosférico fijado de forma biológica.

La interacción leguminosa-bacteria y el establecimiento de la simbiosis son procesos de gran complejidad en los que intervienen numerosos factores estructurales, bioquímicos y genéticos. El establecimiento de la simbiosis comienza con el reconocimiento entre un rizobio determinado y su planta hospedadora, que consiste en un intercambio de señales químicas que activan recíprocamente programas genéticos específicos. El resultado exitoso de esta interacción es la formación de un órgano nuevo en la planta, el nódulo, donde se lleva a cabo la fijación biológica del nitrógeno atmosférico. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) calcula que las leguminosas pueden llegar a fijar entre 72 y 350 kilos de nitrógeno por hectárea y año.

Este proceso, además de ayudar al crecimiento de la planta, mejora la calidad nutricional de los suelos. Ese suelo queda ‘abonado’ y sigue siendo útil para cultivos posteriores, lo que permitirá a su vez reducir el uso de fertilizantes nitrogenados.

Además de enriquecer los suelos, incluir legumbres en los cultivos reduce el riesgo de erosión y aumenta su potencial de absorción de carbono. Igualmente, las leguminosas soportan mejor los climas extremos y son más resistentes que otros cultivos. Por su amplia diversidad genética permiten obtener variedades mejoradas capaces de adaptarse mejor a condiciones climáticas adversas. ¿Se les puede pedir más?

Mucho más sobre estas plantas en el libro Las legumbres  (CSIC – Catarata), coordinado por Alfonso Clemente y Antonio M. de Ron, de la Estación Experimental del Zaidín del CSIC y la Misión Biológica de Galicia del CSIC, respectivamente.

Matrix acústico: una habitación donde el sonido nunca vuelve

Mar Gulis (CSIC)

Quizá recordéis la mítica escena de Matrix (1999) en la que Morfeo (Laurence Fishburne) y Neo (Keanu Reeves) aparecen en una habitación en blanco, que resulta ser un programa en el que pueden simular la realidad. “¿Esto no es real?”, pregunta Neo tocando un sillón. “¿Qué es real? ¿Cómo defines real?… Si hablas de lo que puedes sentir, de lo que puedes oler, probar y ver… lo real son impulsos eléctricos que tu cerebro interpreta”, le contesta el Guía al Elegido. Bien, en esta ocasión vamos a hablar de lo que puedes oír y de una habitación como la de Matrix, pero ubicada en el Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información Leonardo Torres Quevedo (ITEFI) del CSIC, en Madrid.

Al cruzar la puerta, una tiene la impresión de entrar en un espacio muy peculiar. La sensación acústica es “la de estar colgado de un globo a 1.000 metros de altura”, explica el físico del CSIC del Grupo de Acústica Ambiental Francisco Simón. Y es así, todo sonido emitido en esta habitación nunca vuelve, queda absorbido por unas paredes, suelo y techo de grandes cuñas de lana de vidrio.

Cámara anecoica del Instituto Leonardo Torres Quevedo / CSIC Divulga.

Esta cámara anecoica (sin eco ni reverberación) de 220 metros cúbicos sirve para crear campos acústicos virtuales que, como en la habitación de Matrix, simulen una realidad sonora. Esto es muy útil para el diseño de salas de música, dado que pueden reproducir cómo sonaría un violín, por ejemplo, en un espacio antes de construir el recinto, para simuladores de juego, que intentan que te des la vuelta con el sonido de un libro que se cae detrás de ti, para el cine… Los primeros en usar este tipo de tecnología fueron los militares con simuladores de vuelo y la industria del automóvil, que tiene muy en cuenta cuál es el sonido que quiere que emitan sus vehículos.

Cuando se construyeron estas cámaras, en los ’70, esta instalación era absolutamente pionera. Ahora empresas como Google, Microsoft o Telefónica tienen sus cámaras anecoicas. En ellas, las compañías prueban las características acústicas de sus dispositivos, como la potencia o cantidad del sonido que emite cualquiera de sus aparatos, y la directividad, es decir, en qué dirección lo hacen.

Y aquí, ¿podríamos escuchar el silencio total? “Tendríamos que congelarnos del todo para hacerlo”, bromea Simón. “Aquí está nuestro cuerpo, escuchamos el aire salir y entrar de los pulmones, nuestras tripas; si nos calláramos, escucharíamos nuestro corazón”, concreta.

Cámara reverberante del Instituto Leonardo Torres Quevedo / CSIC Divulga.

Cerca de esta cámara encontramos su opuesta: la habitación reverberante, un espacio en el que se busca que el sonido se expanda por todo el espacio y reverbere en todas direcciones. Para ello, hay colgados unos grandes paneles de metacrilato que producen el máximo número posible de reflexiones del sonido. Este espacio de 210 metros cúbicos se usa para sumergir en él materiales de construcción y caracterizarlos. Así, cuando un sonido llega a un material para edificación podemos ver si “rebota”, entra dentro y se disipa o lo traspasa y llega al otro lado. Por eso, aquí se realizan mediciones de absorción acústica de materiales y objetos de mobiliario.

En esta sala, solo escuchamos reverberación, no eco. La diferencia entre el eco y la reverberación es cuestión solo de tiempo: si el sonido tarda en volver menos de 50 milisegundos, lo percibimos como un sonido continuado, si tarda más, escuchamos dos sonidos; se produce el eco.

De hecho, ya en los años 60 y 70 se realizaron en este centro muchos estudios sobre aislamiento en la edificación: aislamiento al ruido aéreo de puertas, ventanas, barreras acústicas, suelos, techo, etc. No se trata de una cuestión baladí: una diferencia de 3 decibelios supone el doble de energía en el sonido que estábamos escuchando.

Por cierto, este mismo mes de octubre se cumplen diez años de la publicación de las condiciones acústicas exigidas en el Código Técnico de Edificación con las que se endurecieron las prestaciones acústicas que deben satisfacer los edificios, ofreciendo a constructores, administración y usuarios herramientas para que las viviendas que se construyen hoy día planteen menos problemas a sus habitantes y proporcionen un nivel de confort adecuado.

 

¿Qué son las misteriosas luces que aparecen a veces con los terremotos?

Por Arantza Ugalde (CSIC)*

El suelo de México no ha parado de temblar en los últimos días con fatales consecuencias. Durante el pasado 8 de septiembre muchas personas presenciaron la aparición de extraños fenómenos luminosos en el cielo nocturno durante el terremoto de magnitud 8.1 que afectó México. Fotografías y vídeos de estas luces, tiñendo las nubes de diferentes colores al paso de las ondas sísmicas, circularon por las redes sociales y medios de comunicación. No era la primera vez que los habitantes de Ciudad de México observaban este raro fenómeno. Con ocasión de los terremotos de Petatlán en 1979 (7.2) y de Michoacán en 1985 (8.0) también se observaron fuertes variaciones en la luminosidad del cielo.

Estos fenómenos componen lo que se denomina luminescencia sísmica. Las apariciones de estas ‘luces de terremoto’ o EQL (Earth Quake Lights en inglés) cerca del suelo durante un seísmo aparecen descritas desde la Antigüedad. Sus características son muy variadas: desde brillos difusos, destellos y resplandores, hasta objetos luminosos esféricos o lineales. Se observan principalmente durante el terremoto, aunque también en los instantes previos y posteriores a él. Su localización también varía, pudiendo producirse desde en la zona del epicentro hasta a cientos de kilómetros de ella, en la tierra o en el mar. El rango de magnitudes en el que se observa este fenómeno es también amplio, aunque normalmente ocurre en los terremotos de magnitud superior a 5. A pesar de esto, las EQL no acompañan a todos los terremotos y ocurren en muy raras ocasiones.

Imágenes de CCTV con EQL. / Municipalidad de Miraflores (Perú)

El irlandés Robert Mallet, considerado el padre de la sismología, publicó a mediados del siglo XIX un catálogo de observaciones sísmicas luminosas que cubrían testimonios desde el año 1606 a.C. hasta el 1842 d.C.  A principios del siglo XX, el sacerdote y naturalista italiano Ignazio Galli compiló un catálogo de seísmos relacionados con diferentes tipos de luminiscencia, ocurridos entre el año 89 a.C. y 1910. Las descripciones de los fenómenos luminosos incluían en muchas ocasiones elementos fantásticos y religiosos asociados a interpretaciones y tradiciones culturales de la época y el lugar.

Debido a la falta de datos comprobables, no ha sido hasta tiempos recientes cuando el fenómeno de la luminiscencia sísmica ha despertado el interés científico. Hace poco más de 50 años,  T. Kuribayashi, un fotógrafo amateur, captaba por primera vez con su cámara las imágenes de unos fenómenos luminosos inusuales que aparecieron en la zona sísmica de los terremotos ocurridos en Matsushiro (Japón) de 1965 a 1967. Desde entonces, ha continuado la recopilación de testimonios gráficos de estos fenómenos coincidentes con terremotos en diversas partes del mundo como Taskent, Uzbekistán (1966); Santa Rosa, California (1969); Haicheng, China (1975); Vrancea, Rumanía (1977); Saguenay, Canadá (1988); Izmit, Turquía (1999); Pisco, Perú (2007); o L’Aquila, Italia (2009).

Imágenes de T. Koribayashi de las EQL. / Arantza Ugalde

Las observaciones son numerosas, pero examinadas individualmente algunas pueden resultar cuestionables. Así, algunos fenómenos luminosos con esas mismas características también han podido ocurrir en la misma zona sin coincidir con ningún terremoto.

La luminiscencia puede explicarse en muchos de los casos como auroras polares, otros fenómenos ionosféricos (dínamo ionosférica electrochorro ecuatorial), nubes noctiluentes (compuestas de cristales de agua helada), relámpagos, etc. En el caso del reciente terremoto de Pijijiapan (México), las luces observadas en el cielo nocturno pudieron deberse a cortocircuitos y pequeñas explosiones en los transformadores de la red eléctrica. Para otros casos, sin embargo, no se ha encontrado una explicación satisfactoria.

Actualmente no existe ninguna teoría que aclare completamente el fenómeno, que continúa siendo un tema controvertido a nivel científico. No obstante, se han publicado posibles explicaciones sobre la relación entre los terremotos y las EQL en revistas científicas cuyas teorías incluyen, entre otras, oscilaciones violentas del aire que provocan descargas eléctricas entre las capas bajas de la atmósfera y el suelo en condiciones geológicas favorables; el efecto piezoeléctrico (generación de electricidad por presión) en las rocas, la liberación de gas radón a la atmósfera, o las reacciones quimioluminiscentes debido a la emisión de gases inflamables de forma espontánea.

Quedan todavía muchas preguntas sin respuesta: ¿por qué la luminiscencia se manifiesta de formas tan diferentes?, ¿tiene relación con el proceso físico que generan los terremotos? Y, si es así, ¿cuál es? Será la ciencia la que deberá arrojar luz sobre este, aún, oscuro fenómeno.

 

* Arantza Ugalde es doctora en Ciencias Físicas e investigadora en el Instituto de Ciencias de la Tierra ‘Jaume Almera’ de Barcelona, del CSIC, y una de las autoras del libro Terremotos. Cuando la Tierra tiembla de la colección Divulgación.

 

Feromonas: cuestión de (algo más que) sexo

Por Laura López Mascaraque (CSIC)* y Mar Gulis (CSIC)

En 1959, un grupo de químicos alemanes, liderado por Adolf Butenandt, reunieron 313.000 mariposas hembras y les cortaron el extremo del abdomen. Como si de una poción de brujería se tratara, trituraron estas porciones y las disolvieron en diferentes sustancias para observar la respuesta que provocaban los brebajes en los machos de esta especie. De este modo, comprobaron que bastaba con una trillonésima parte de un gramo (10-18 gramos) de mezcla para conseguir algún tipo de reacción por parte del macho. Gracias a este experimento identificaron por primera vez una feromona, a la que denominaron bombicol y que es la responsable de que el macho de la mariposa de la seda (Bombyx mori) mueva sus alas al percibirla.

Mariposa de la seda (Bombyx mori)/ Csiro.

Las feromonas son claves para determinadas relaciones sociales, y sobre todo sexuales, entre varias especies animales, ya sean organismos simples, invertebrados o vertebrados. ¿Qué es y cómo funciona esta potente herramienta capaz de favorecer la comunicación entre individuos en unas concentraciones tan bajas?

Se trata de un tipo de estímulos químicos que transmiten información específica entre individuos de la misma especie, generando normalmente una respuesta tipo. En los casos más evidentes provocan un cambio inmediato en el comportamiento del animal receptor o un cambio en su desarrollo: generan movimientos determinados, actúan sobre la fisiología reproductiva o transmiten un estado de salud determinado o un estatus social dentro de una comunidad.

Las feromonas pueden ser compuestos específicos o mezclas de ellos. En cualquier caso, son compuestos con propiedades físicas y químicas concretas. Una vez liberada se podría decir que la feromona tiene vida propia. La duración de su mensaje dependerá de la persistencia de las moléculas en el ambiente, y el alcance dependerá tanto de esa vida media como de la facilidad de ser transportada por el aire o por una corriente de agua.

En general son sustancias pequeñas, volátiles, que se dispersan con facilidad en el ambiente y que generan efectos en cantidades minúsculas. Según sea su función, así serán sus características: estables y poco volátiles cuando el objetivo es marcar los límites de un territorio, o bien de corta vida y rápida difusión cuando lo que se busca es alarmar ante una situación de peligro…En definitiva, el requisito indispensable es que sean capaces de generar una reacción determinada dentro de la misma especie.

Protozoo, lombriz de tierra y ratón doméstico/ EPA, Holger Casselmann y George Shulkin.

Existen feromonas en organismos simples, como ciertos protozoos (Chlamydomonas) que producen esta sustancia en sus flagelos para conseguir que otros protozoos se agreguen a él. También existen estos compuestos en invertebrados, como la lombriz de tierra (Lumbricus terrestres), que bajo situaciones de estrés segrega una feromona que alerta al resto sobre algún peligro inminente. O en algunos vertebrados, como el macho del ratón doméstico (Mus musculus domesticus), que emite una feromona que genera agresividad en el resto de machos a la vez que atrae a las hembras maduras y acelera la pubertad en las más jóvenes. Pero, ¿qué pasa con los humanos? ¿existen feromonas que influyan en nuestro comportamiento?

Parece mentira, pero aún se desconoce la existencia de feromonas en los seres humanos. Hay diversos estudios que pueden relacionar las feromonas con fenómenos como el reconocimiento recíproco entre una madre y su hijo recién nacido, la denominada sincronía menstrual que ocurre entre las mujeres que viven o trabajan juntas o la reacción que puede provocar sobre los que nos rodean el olor corporal que emitimos en situaciones de estrés. Sin embargo, la creencia es que los olores personales están influidos por la dieta, el ambiente, la salud y la genética. Se piensa que tienen demasiadas sustancias para ser descritos como feromonas y, de hecho, no se ha podido identificar una molécula que se haya definido como feromona humana. Eso no ha disuadido a un grupo de emprendedores para montar empresas que venden pociones de amor que supuestamente contienen feromonas, aunque en realidad, en el mejor de los casos, contienen feromonas, sí, pero de cerdo.

* Laura López Mascaraque es investigadora del Instituto Cajal  del CSIC y autora, junto con José Ramón Alonso de la Universidad de Salamanca, del libro El olfato de la colección ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial CSIC y Los Libros de la Catarata.

 

¿Qué es la marea roja que afecta a algunas playas?

Por Elena Ibáñez y Miguel Herrero (CSIC)*

En La Jolla (San Diego, California), el mar adquiere un tono rojizo debido a las proliferaciones algales / Alejandro Díaz.

A veces, el mar cambia su tonalidad azul hacia el verde, el marrón, el rojo o el blanco. Este episodio, conocido como marea roja, se debe al crecimiento masi­vo de unas algas microscópicas: el fitoplancton. La proliferación masiva de las algas se produce cuando se dan condiciones ambientales favora­bles de luz, temperatura, salinidad y disponibilidad de nu­trientes. Bajo estas circunstancias, algunas algas pueden crecer y alcanzar concentraciones muy elevadas (del orden de miles o millones de células por litro) en comparación a su concentración natural en el ambiente (decenas o centenas de células por litro). A este suceso se le denomina prolife­ración algal y su color (si lo posee) dependerá del tipo de pigmento predominante del alga, así como de su concentración.

Muchas proliferaciones algales son beneficio­sas, ya que proporcionan alimento a peces y organismos marinos; sin embargo, algunas algas con características nocivas para otros seres vivos generan proliferaciones algales nocivas (PAN) o algal Bloom. Estas especies perjudiciales pueden impactar negativamente en la salud tanto del ser humano como de animales debido a la producción de potentes toxinas naturales y/o provocar graves pérdidas económicas y ecológicas. De entre las 5.000 especies descritas de fito­plancton marino, unas 300 son susceptibles de provocar proliferaciones capaces de cambiar el color del mar, y solo unas 60 pueden pro­ducir toxinas, algunas de ellas con un elevado potencial tóxico.

Los impactos de las PAN son diversos. Las algal Bloom asociadas a un elevado contenido en bio­masa suelen implicar la reducción del oxígeno disponible en el fondo de las aguas. Cuando la proliferación llega a su fin, las algas se hunden y son las bacterias quienes las descomponen y consumen todo el oxí­geno disponible en el agua, por lo que los peces y otros organismos no pueden respirar. Si las concentraciones de biomasa son tan grandes que las podemos ver a simple vista, la luz no podrá penetrar en la columna de agua, alcanzando solo la su­perficie. Esto provoca que otras plantas, fuente de alimento para muchos peces, no puedan crecer y se altere el hábitat natural.

Las algal bloom, también presentes en agua dulce, pueden ser una amenaza para los seres vivos que habitan en las aguas afectadas / Lamiot.

También existen especies que producen PAN con bajas concentraciones de biomasa y que pueden ser nocivas debido a la producción de biotoxinas paralizantes, diarreicas, amnésicas, etc., que provocan un envenenamiento con efectos sobre el sistema nervioso y digestivo de mejillones, almejas, navajas y otros organismos que se alimentan de fitoplancton. Por tanto, las toxinas pueden llegar a afectar al ser humano por ingesta de marisco contaminado.

Aunque los organismos responsables de las PAN existen desde hace siglos, ahora se observa una mayor actividad de los mismos. Esto puede ser debido, en parte, a que disponemos de mejores métodos de detección e identifica­ción de toxinas y más observadores pendientes de estos sucesos. Al mismo tiempo, la mayor parte de la comuni­dad científica cree que la polución y la actividad humana son responsables del aumento de las PAN. Sin embargo, no siempre existe una relación directa. En muchos casos, la introducción inicial de las especies tó­xicas se ha debido a corrientes oceánicas u otros fenómenos naturales como los huracanes. No obstante, no podemos obviar la relación entre un aumento en los nutrientes de las aguas costeras con la proliferación de algas que pueden originar los blooms. Algunos investigadores argumentan que los nutrientes que llegan a las aguas coste­ras, producto de las actividades humanas, son tan distintos a los que habría de forma natural que solo algunos grupos de algas ven favorecido su crecimiento, por su mejor capacidad de adaptación. Entre estos grupos se encuentran algunas de las especies responsables de las PAN, como el dinoflagelado Pfiesteria, cuya proliferación se ve fa­vorecida en aguas contaminadas.

También las crecientes áreas de recreo cos­teras (playas con espigones o puertos deportivos) dan lugar a zonas donde la tasa de renovación del agua es baja, una de las condiciones para que los blooms se desarrollen. Otro factor importante es la dispersión geográfica de especies tóxicas mediante embarcaciones de recreo, residuos de plásticos flo­tantes, etc. Pero tampoco hay que caer en el alarmismo. Aunque parece que las PAN son cada vez más comunes en nuestras playas, la mayoría de estas proliferaciones no son tóxicas y sólo producen un cambio de coloración en el agua. Esto puede resultar desagradable, pero no peligroso.

 

* Elena Ibáñez y Miguel Herrero trabajan en el Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación (CSIC) y son autores del libro Las algas que comemos (CSIC-Catarata).

¿Se puede resolver el juego del ajedrez?

Por Razvan Iagar (CSIC)*

Cuando la gente me pregunta a qué me dedico, al responder que aparte de investigador en matemáticas soy un jugador activo de ajedrez en competiciones, me hacen preguntas como: “Pero, ¿no está el ajedrez ya resuelto?, ¿no hay ya máquinas que pueden dar la mejor jugada?”. Voy a dar respuesta a estas cuestiones, argumentando por qué el ajedrez no solo no está acabado, sino que goza de muy buena salud y tiene un gran futuro por delante.

Por “resolver el ajedrez” entendemos establecer una estrategia óptima para jugar la partida; es decir, encontrar el camino que contiene las mejores jugadas tanto para las blancas como para las negras, desde el principio, o desde cualquier posición dada, hasta el final. En un sentido más débil, también podemos entender por “resolver el juego” el hecho de predecir el resultado óptimo (con el mejor juego posible) de una partida. Es decir, a partir de la posición inicial, cuál de los tres resultados posibles -victoria de las blancas, victoria de las negras o el resultado de tablas- es el resultado del juego óptimo de un encuentro entre dos jugadores perfectos sin exponer necesariamente la estrategia óptima.

Tan solo a través de fuerza bruta de cálculo, ninguna máquina puede resolver en la actualidad el ajedrez

Se trata de un problema abierto que ha surgido a partir del desarrollo de los programas informáticos de ajedrez. Pero esta cuestión ya se ha intentado solucionar antes. Claude Shannon, ‘el padre de la teoría de la información’, explicó en un artículo en 1950 la tarea de una máquina para analizar todas las variantes posibles de jugadas y concluyó que “una máquina operando con una tasa de una variante por microsegundo necesitaría un tiempo de 1090 años para calcular todas las posibilidades desde la primera jugada”. Shannon argumenta así que, tan solo a través de fuerza bruta de cálculo, ninguna máquina razonable podrá completar esta tarea.

Más recientemente, en 2007, se ha podido resolver el juego de las damas, emparentado con el ajedrez, pero con una complejidad mucho menor, sobre todo porque aquí todas las piezas son idénticas -tienen el mismo valor-, mientras que en el ajedrez las piezas tienen valores y capacidades diferentes. El equipo investigador liderado por el canadiense Jonathan Schaeffer, experto en inteligencia artificial, pudo comprobar que en las damas siempre se acaba en tablas si no se comete ningún error por parte de ninguno de los dos jugadores. El esfuerzo computacional para analizar de forma exhaustiva todas las posiciones ha tomado 18 años, utilizando en algunos periodos incluso 200 ordenadores conectados trabajando en paralelo y sin pausa, para analizar un número de posiciones del orden de 1014. ¡Todo un esfuerzo!

En 2007 se resolvió el juego de las damas.

Sin embargo, se trata un esfuerzo no extrapolable al ajedrez, ni en el aspecto de la capacidad computacional necesaria, ni en cuanto a método de demostración. Si miramos la complejidad del ajedrez desde el punto de vista del número total de partidas posibles que se pueden jugar (lo que en términos de la teoría de juegos recibe el nombre de ‘complejidad del árbol del juego’, game-tree complexity) alcanzamos un número muy grande, del orden de 10123. Esta estimación se deduce usando un cálculo basado en dos aproximaciones: que el número medio de jugadas completas de una partida es de 40 y que, en cada paso, el número medio de jugadas legales disponibles es de 35. El mismo Jonathan Schaeffer opina que solo después del establecimiento de una nueva tecnología de cálculo —ordenadores cuánticos— tendría sentido intentar ponerse a la tarea de resolver este juego milenario.

Por otro lado, el método de demostración que ha funcionado en las damas falla completamente en nuestro caso debido a los valores y capacidades diferentes de las piezas, y también por la existencia de algunas piezas con características especiales como el rey, cuyo mate acaba la partida en cualquier momento, incluso con todas las demás piezas en el tablero; o el peón, cuya coronación hace que reaparezcan en el tablero piezas más fuertes que posiblemente habían desaparecido antes en el transcurso de una partida. Así pues, no se puede establecer una base de finales de partidas con, por ejemplo, un número máximo de 10 piezas, de tal manera que cualquier partida tenga que pasar por una de esas posiciones. En efecto, un jaque mate puede ocurrir mucho antes de haber llegado a una situación de menos de 10 piezas en el tablero. Este razonamiento sencillo demuestra que es necesario tener la capacidad de analizar todas las posiciones posibles, sin simplificaciones.

Por todas estas razones, aunque el reto de resolver -o no- el ajedrez queda abierto (no hay una demostración matemática o lógica formal de que este hecho sea imposible), la mayoría de los especialistas consideran que no hay nada que indique una posibilidad práctica de llegar a una solución. Ni siquiera en el sentido débil, es decir, predecir el resultado sin decir las jugadas, a corto o medio plazo. Así pues, los maestros y aficionados pueden estar tranquilos: ¡el juego tiene todavía mucho futuro!

*Razvan Iagar es investigador del CSIC en el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) de Madrid y autor del libro Matemáticas y ajedrez, de la colección ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial CSIC y Los Libros de la Catarata.