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SOS: estos elementos químicos están en peligro de extinción

Por Pilar Goya (CSIC)*

La tabla periódica constituye un verdadero icono de la ciencia y la cultura. La Sociedad Europea de Química (EuchemS, por sus siglas en inglés) ha contribuido al “Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos”, que se está celebrando en 2019, con la elaboración de su propia tabla, presentada en el Parlamento Europeo el pasado 22 de enero.

Junto con su estética colorista, esta tabla incorpora un mensaje claramente conservacionista: no todos los elementos tienen la misma presencia en la corteza terrestre y los más escasos merecen un cuidado especial; no se pueden malgastar.

 

 

Esta tabla está basada en la diseñada por W. F. Sheehan, pero se ha modificado para reflejar la abundancia de los elementos a escala logarítmica, y se ha coloreado para llamar la atención sobre aquellos que pueden estar en peligro de desaparición a corto plazo. La tabla recoge los 90 elementos naturales constitutivos de todas las cosas, desde las maravillas de la naturaleza hasta los dispositivos electrónicos más sofisticados. A ellos se han sumado el tecnecio y el prometio, que son elementos radiactivos sintéticos, de los que, sin embargo, se han hallado trazas en la naturaleza. No figuran, por el contrario, los elementos transuránidos. La estructura de la tabla no deja espacio entre el berilio y el boro, ni entre el magnesio y el aluminio. Los lantánidos aparecen en su posición correcta.

El código de colores hace referencia a la disponibilidad y vulnerabilidad de los diferentes elementos. En rojo aparecen 12 elementos químicos cuya disponibilidad será considerablemente menor en los próximos 100 años: el helio, el zinc, el galio, el germanio, el arsénico, el estroncio, el itrio, la plata, el indio, el telurio, el hafnio y el tántalo. Por poner algún ejemplo, el helio se utiliza para la resonancia magnética nuclear, las sales de estroncio se añaden a los fuegos artificiales y bengalas para producir el color rojo, mientras que el galio se emplea en dispositivos optoelectrónicos y células solares, y el indio forma parte de la mayoría de las pantallas táctiles.

Los colores naranja y amarillo alertan sobre el riesgo que corren los correspondientes elementos si continuamos con su uso creciente; por ejemplo, el litio, cuya demanda aumenta progresivamente a causa de su presencia en baterías recargables para automóviles, aunque es un metal que puede ser reciclado de manera bastante sencilla. En verde se muestran los elementos químicos más abundantes.

Finalmente, hay cuatro elementos que aparecen en negro: el estaño, el tántalo, el wolframio y el oro, porque frecuentemente se obtienen de minerales extraídos en las denominadas zonas de conflicto.

Además, se ha incluido un icono de un teléfono móvil en las casillas de los 31 elementos que forman parte de los smartphones (algunos autores discrepan de esta cifra). La existencia de muchos de estos elementos estará en riesgo si seguimos usándolos con la frecuencia con la que lo hacemos en este momento. Solo en Europa se sustituyen unos 10 millones de teléfonos móviles al mes. Es cierto que una buena parte de ellos se envían a países en desarrollo para su uso o para su reciclaje, aunque sobre la eficacia de estos envíos hay dudas más que razonables.

En definitiva, el mensaje de esta tabla periódica es que hay que hacer todo lo posible para proteger y reciclar los elementos químicos amenazados. Además, quienes investigamos en química debemos trabajar en la búsqueda de alternativas que permitan utilizar elementos abundantes para sustituir aquellos que están en peligro, ya sea por su uso creciente o por su escasa disponibilidad.

* Pilar Goya es investigadora del CSIC en el Instituto de Química Médica y coautora del libro La tabla periódica de los elementos químicos . Este texto está extraído del artículo “La tabla periódica de EuChemS”, publicado en un número monográfico dedicado al Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos por la revista Anales de Química.

La EuChemS es una organización supranacional que engloba a 42 sociedades químicas de 33 países y que representa a más de 160.000 químicos. En España, pertenecen a la EuChemS, la Real Sociedad Española de Química (RSEQ), la Asociación Nacional de Químicos de España (ANQUE), la Societat Catalana de Química (SCQ) y la Sociedad de Química Analítica (SEQA).

De la investigación a tu casa: ¿cómo controlar el gas radón?

Por Borja Frutos Vázquez* y Mar Gulis (CSIC)

Llega el día en el que por fin decides mudarte a otra vivienda. Has escogido una bonita casa ubicada en la sierra, alejada de la gran ciudad, el tráfico, el bullicio y la contaminación. La situación te parece idílica y vives con ilusión el cambio hasta que un día, hablando con tus nuevos vecinos, descubres que vivir en ella te podría acarrear serios problemas de salud. Te informas y descubres que la mayoría de las casas construidas en esa zona tienen, en su interior, concentraciones de un gas que es considerado cancerígeno y que este se adentra en la vivienda de manera natural a través del suelo… ¿verdad que la situación ha empeorado bastante?

Esto nos podría suceder a cualquiera que decidamos ir a vivir a alguna de las zonas consideradas de potencial riesgo por presencia de radón según los mapas publicados por el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN). Esta cartografía representa, para todo el territorio nacional, los posibles niveles de presencia de gas radón según tres categorías.

Mapa de exposición potencial al radón elaborado por el CSN que muestra las tres zonas de riesgo, siendo la categoría 2 (color naranja) la de máximo riesgo

Pero tratemos de conocer mejor este gas, cómo puede estar presente en nuestros hogares y cómo podría afectar a nuestra salud.

El isótopo del radón Rn-222 aparece en la naturaleza como producto de la desintegración natural del radio-226, común en la corteza terrestre. La cantidad de este gas que puede exhalar viene definida, por un lado, por el contenido de radio del sustrato (por ejemplo, los graníticos), y por otro, por la permeabilidad del mismo, que facilita la movilidad a través de los poros. El radón, como elemento gaseoso, posee una alta movilidad y puede penetrar en los edificios a través de fisuras o grietas o por la propia permeabilidad de los materiales que estén en contacto con el terreno. Así, puede entrar fácilmente en el interior de la vivienda, atravesando los forjados, soleras y muros.

Caminos de mayor entrada de gas radón, que suelen coincidir con los puntos débiles de estanquidad de la envolvente en contacto con el terreno, fisuras, juntas, cámara de aire, chimeneas, conductos de saneamiento o materiales de cerramiento/ Elaboración propia

La acumulación de este gas en los recintos cerrados puede elevar las concentraciones y constituir un riesgo para la salud de las personas que lo inhalen. La OMS advierte de sus efectos, situándolo como agente cancerígeno de grado uno (es decir, probado), y alerta de que se trata de la segunda causa de cáncer de pulmón, detrás del tabaquismo. En otros documentos, como los publicados por la Agencia Estadounidense para la Protección Ambiental (EPA), se ofrecen datos de muertes asociadas a la inhalación de gas radón del mismo orden que las atribuidas a los accidentes de tráfico.

Dada la gravedad de la problemática y a partir de la percepción del riesgo derivada de estudios médicos epidemiológicos, algunos países han establecido unos niveles de concentración de radón de referencia, por encima de los cuales se recomienda, o se obliga según el caso, a una intervención arquitectónica para reducir los niveles. La concentración de este gas se expresa en bequerelios (número de desintegraciones subatómicas por segundo) por metro cúbico de aire y los valores límite que se están manejando a nivel internacional oscilan entre 100 y 300 Bq/m3, publicados en documentos de la OMS, la EPA o la Comisión Europea, mediante la Directiva 2013/59/EURATOM. Sobrepasados los niveles citados, resulta necesario realizar actuaciones correctoras para reducir las concentraciones.

¿Cómo se puede actuar frente al radón en las viviendas?

El CSN ha publicado una guía sobre las diferentes técnicas que se pueden emplear. Estas actuaciones se pueden clasificar en tres categorías. Ordenadas de mayor a menor eficacia, serían las siguientes:

  • Técnicas de despresurización del terreno. Se centran en drenar el gas contaminado en el terreno mediante redes o puntos de captación insertados en el subsuelo con conexión al ambiente exterior. Suelen usarse equipos de extracción para mejorar el rendimiento y radio de acción. Es una técnica de alta eficacia, aunque requiere de técnicos especializados.
  • Técnicas de barreras frente al radón. Se basan en la instalación de barreras estancas frente al paso del gas en todo elemento constructivo que separe el edificio del terreno. La colocación idónea es bajo la solera y por el exterior de los muros de sótano, por lo que suele usarse en proyectos en fase de ejecución y no en viviendas existentes.
  • Técnicas de ventilación. Mediante el intercambio de aire con el exterior se consigue reducir la concentración por dilución. Esta técnica puede requerir altas tasas de intercambio de aire que en muchos de los casos puede perjudicar la eficiencia energética por pérdidas de confort térmico. Se aconseja para situaciones de concentración baja o moderada.

Desde la identificación del radón como agente cancerígeno se ha incrementado el interés por el desarrollo de técnicas de protección. Durante las últimas dos décadas, se han venido probando soluciones y estudiando sus efectividades. En nuestro país, hace ya tiempo que se llevan a cabo estudios relacionados con la medida del gas, las concentraciones, los mecanismos de transporte o los efectos sobre la salud. Sin embargo, la investigación sobre las técnicas de protección y las experiencias de aplicación son aún escasas. En esta línea, en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del CSIC se están desarrollando, en la actualidad, dos proyectos con el objetivo de controlar con mayor precisión la eficacia y optimizar el diseño de técnicas de protección. En concreto, el proyecto RADONCERO, busca obtener datos de optimización de los sistemas de protección frente a la entrada de gas radón en edificios para desarrollar una metodología de intervención que tenga en cuenta la diversidad de terrenos, las tipologías edificatorias más comunes en España y el uso que se les vaya a dar.

Para ello, en primer lugar, se evalúa la penetración de radón en edificios existentes analizando varias tipologías de terrenos y técnicas constructivas. En segundo lugar, se estudian los sistemas de protección como las barreras y los basados en extracciones de gas y ventilaciones (mediante el uso de herramientas informáticas que permiten simular procesos de movimiento del gas en todo el recorrido, desde el terreno hasta el interior del edificio). La última fase del proyecto consiste en la intervención en los edificios previamente analizados, aplicando el método resultante de los estudios de simulación antes citados y el método que ha sido propuesto para la protección frente al radón.

Dado que, a pesar de su importancia, aún no existe una reglamentación específica al respecto en nuestro país, los resultados de este proyecto constituyen una referencia técnica para el documento básico de protección frente al gas radón que se encuentra en la actualidad en fase de desarrollo en el ámbito del Código Técnico de la Edificación.


* Borja Frutos Vázquez es investigador del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc), del CSIC y lidera el proyecto RADONCERO.

¿Te atreves con los microrrelatos científicos? Participa en el concurso #100QSD

Por Mar Gulis (CSIC)

Estamos de celebración. Acaba de publicarse el libro número 100 de nuestra colección de divulgación ‘¿Qué sabemos de?’. Se titula El LHC y la frontera de la física. El camino a la teoría del todo y lo firma el físico teórico del CSIC Alberto Casas, que escribió la primera parte de esta obra hace ya una década. Ahora, Casas actualiza y amplía lo que es un viaje fascinante por la ciencia básica y la física fundamental.

La colección, fruto de la colaboración entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y Los Libros de la Catarata, cumple además 10 años. En todo este tiempo, ‘¿Qué sabemos de?’ ha despertado la curiosidad de personas que querían aprender sobre mecánica cuántica, inteligencia artificial, neutrinos o cometas y asteroides. O descubrir la cultura de los neandertales, algunos falsos mitos sobre la alimentación, cómo se comunican las neuronas o las últimas terapias contra el cáncer o la enfermedad de Alzheimer. Los volcanes, la exploración planetaria, todo lo que se ha denominado la química verde o las células madre también están presentes en varios títulos de la colección. Y por supuesto las matemáticas, protagonistas de varias obras, la antimateria, la locura y temas de plena actualidad como las tierras raras o el debate sobre si vivimos o no en una nueva era, el Antropoceno. En fin, la lista sería demasiado larga…

Vamos a la celebración. Ayer lanzamos en Twitter el concurso de microrrelatos científicos #100QSD. Este es el reto: echad un vistazo al listado con los 100 títulos de ‘¿Qué sabemos de?’ (podéis consultarlo aquí) y buscad inspiración para condensar en un máximo de 280 caracteres un microrrelato propio, único y original. Eso sí, vuestra breve obra deberá contener el título (o alguna de sus palabras clave) de alguno de los 100 libros publicados hasta el momento.

Cuando la escribáis en Twitter utilizad el hashtag #100QSD y mencionad nuestra cuenta @CSICdivulga. Ojo, quienes se animen a participar deberán seguir a las cuentas @CSICdivulga y @CatarataLibros. Y si os sobra inspiración, aprovechadla: cada seguidor o seguidora podrá presentar un máximo de 5 microrrelatos en 5 tuits, a razón de un solo microrrelato por tuit (es decir, no son válidos hilos o microrrelatos divididos en varios tuits).

Os tenéis que dar prisa. El concurso comenzó este 4 de abril y solo podréis participar hasta el 7 de abril (hora española peninsular).

¿Y el premio? Lo habéis adivinado. Los tres mejores microrrelatos científicos recibirán un lote de cinco libros de ‘¿Qué sabemos de?’. El CSIC contactará con las personas premiadas a través de MD para concretar la dirección de envío.

Antes de poneros a escribir, podéis consultar las bases del certamen aquí.

Pero… ¿Había mujeres en la Prehistoria?

Por Juan F. Gibaja, Ariadna Nieto y Millán Mozota (CSIC)*

La respuesta es obvia. Sin embargo, a juzgar por las imágenes que aparecen en museos, libros, cómics o webs sobre las sociedades prehistóricas, no parece que esta sea una cuestión que preocupe a editores, científicos y arqueólogos. Esas representaciones son parte de un discurso que no solo contribuye a invisibilizar a la mujer, sino que también consolida una imagen muy concreta de cómo debían ser estas sociedades a través de ideas como las siguientes:

  1. La mayor parte de las actividades en la Prehistoria eran efectuadas por los hombres, ya que cuantitativamente están mucho más representados.
  2. Se aprecia una clara división de las tareas según la cual los hombres se dedican a aquellas consideradas más heroicas, arriesgadas y relevantes para la sociedad, como la caza, la defensa del grupo o las pinturas rupestres. Las mujeres, en cambio, aparecen cuidando de sus hijos, llorando en las escenas de enterramientos o haciendo trabajos artesanales, como la elaboración de cerámicas o tejidos de vestimentas.
  3. La importancia de la figura masculina es tal que suele estar en la parte central de la mayoría de imágenes, y casi siempre se representa con un tamaño mayor. La mujer, si aparece, lo hace en un lado, agachada y con sus hijos siempre a cuestas.
  4. Finalmente, el lenguaje inclusivo brilla por su ausencia en la mayoría de las publicaciones y las portadas de los libros suelen acompañarse de títulos en masculino.

La pregunta es: ¿cuántos datos científicamente sólidos tenemos para apoyar que la realidad prehistórica fue así, y que además sucedió lo mismo en todos los ámbitos geográficos? En realidad, muy pocos. Solo en algunas ocasiones podemos percibir que determinadas actividades las realizaban hombres, mujeres o ambos, o la importancia que algunas mujeres debieron tener en su comunidad. En los ajuares de las sepulturas del neolítico del noreste de la Península Ibérica se deduce una cierta división de tareas, ya que los hombres tienen útiles usados para descarnar y segar cereales, proyectiles y hachas para trabajar madera; y las mujeres, instrumentos para tratar la piel y también hoces para segar. Asimismo, a lo largo de la Edad de los Metales encontramos mujeres que recibieron un tratamiento funerario especial. Es el caso de la Señora de las Montañas (Cueva de Montanisell, Lleida), que fue inhumada en la Edad del Bronce junto a diversos elementos ornamentales elaborados con este metal (brazaletes, collar y diadema). Otro ejemplo es el enterramiento megalítico colectivo de Montelirio (Sevilla), perteneciente a la Edad del Cobre, en el que el 75% de las personas enterradas son mujeres. En su interior se halló un ajuar absolutamente excepcional, formado por miles de objetos, muchos de los cuales requirieron una inversión de trabajo inimaginable teniendo en cuenta la tecnología utilizada y que muchos de los materiales empleados procedían de otros lugares.

Reconstrucción del aspecto de la cámara grande del tholos de Montelirio, zona arqueológica Valencina de la Concepción-Castilleja de Guzmán (Sevilla), siglos 29-28 ANE / Autora: Ana García. Cortesía del Grupo de Investigación ATLAS (HUM-694) de la Universidad de Sevilla

En todo caso, desconocemos si siempre eran los hombres los autores de las pinturas rupestres o los protagonistas en la caza (ámbito público), o si eran las mujeres las únicas que cuidaban a los más pequeños o se dedicaban a tejer (ámbito privado). Por eso es paradójica la escasa presencia que tiene actualmente la imagen de la mujer en cuentos, cómics o libros, frente a la importancia que debió tener en el pasado; de hecho son precisamente ellas las figuras humanas más representadas en el Paleolítico europeo a través de las esculturas conocidas como ‘Venus’.

Venus de Willendorf, datada entre 28.000 y 25.000 ANE / Wikipedia

Esta visión androcéntrica quizás se explique, en parte, porque hasta hace pocas décadas la mayoría de arqueólogos, ilustradores, editores o periodistas eran hombres. Afortunadamente, hoy la presencia cada vez más importante de arqueólogas, y de arqueólogos más sensibilizados con la perspectiva de género, hace que estas interpretaciones y representaciones se vayan matizando. Sin embargo, es evidente que queda mucha pedagogía por hacer.

Aspectos como el papel de la mujer en la Prehistoria, las relaciones de género, los modelos de familia, la alimentación de aquellas comunidades o el hecho de formar parte de una especie migrante por naturaleza, son algunos de los temas que tratamos en las conferencias, actividades y talleres que organizamos en la Institució Milà i Fontanals del CSIC. Desde hace años investigamos sobre los enterramientos neolíticos de individuos masculinos, femeninos e infantiles para aproximarnos a algunas de estas cuestiones. Así, las diferencias en inversión de trabajo y tiempo en el ajuar y en la construcción de las tumbas indican que debían ser sociedades con una incipiente jerarquía. Asimismo, los estudios de dieta demuestran que a veces se daban ciertas desigualdades sociales también en el acceso a ciertos alimentos.

La divulgación de estos trabajos debe servir para estimular una actitud reflexiva y crítica ante las informaciones y estereotipos que aparecen en algunos medios de comunicación, libros, museos, etc. Conocer nuestro pasado nos permitirá entender mucho mejor nuestro presente.

 

* Juan F. Gibaja, Ariadna Nieto y Millán Mozota son investigadores de la Institución Milà y Fontanals del CSIC. Trabajan desde hace años en divulgación científica para todo tipo de públicos y colectivos, algunos de ellos ajenos habitualmente a las actividades de difusión (personas con diversidad funcional, de la tercera edad, en riesgo de exclusión social o inmigrantes recién llegados a nuestro país).

 

¿Conoces las tierras raras? Son 17 y algunas te acompañan cada día

Por Mar Gulis (CSIC)*

¿Has oído hablar del europio? ¿Y del gadolinio? ¿O quizá te suene el neodimio? Si alguna de tus respuestas es afirmativa, seguramente querrás saber más de estos y otros elementos de las tierras raras. Si no has escuchado nunca esos nombres, te sorprenderá averiguar que el europio está presente en tus billetes de euro para evitar falsificaciones, que el gadolinio se inyecta a los pacientes durante las resonancias magnéticas para detectar un cáncer, o que el neodimio entra en contacto con nuestras orejas cuando usamos auriculares. El investigador del CSIC Ricardo Prego Reboredo cuenta estas y otras muchas curiosidades en su libro Las tierras raras (Editorial CSIC-Los libros de la Catarata), donde se remonta a los primeros hallazgos de estos elementos químicos.

Fue a finales del siglo XVIII cuando, en el pequeño pueblo de Ytterby (Suecia), se abrió una mina para extraer feldespato, un mineral utilizado en la industria cerámica y del vidrio. Prego relata que un joven teniente del ejército sueco, Karl Arrhenius, visitó la mina y se fijó en un extraño trozo de roca negra que parecía carbón. Tras muchas vicisitudes y los trabajos de varios químicos, a partir de ese trozo de mineral se aislaron por primera vez varios elementos de las tierras raras: itrio, terbio y erbio. Pese a los avances, en el siglo XIX aún reinaba el desconcierto entre los mineralogistas y químicos que investigaban los nuevos elementos químicos y trataban de descifrar sus propiedades para ubicarlos en la tabla periódica. Tuvo que comenzar el siglo XX para que pudiera completarse “el mágico número de 17 elementos” de esta curiosa familia química: escandio, itrio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio. Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, todos ellos, excepto el escandio y el itrio, pertenecen al grupo de los lantánidos, situados en la parte inferior de la tabla periódica.

 

Este año se conmemora el 150º aniversario de la creación de la tabla periódica por el científico ruso Dimitri Mendeleiev. La Asamblea General de la ONU ha proclamado 2019 como el Año Internacional de la Tabla Periódica / Tximitx

En cualquier caso, no fue hasta después de la II Guerra Mundial cuando se avanzó en las aplicaciones de estos minerales. Desde entonces, la utilización de las tierras raras -denominadas así porqueen un principio los minerales que las contenían eran muy escasos y, además, todos ellos había que buscarlos en Escandinavia- se ha multiplicado exponencialmente, utilizándose en medicina y todo tipo de procesos industriales y desarrollos tecnológicos. Por ejemplo, el cerio aún se usa en cremas para el tratamiento de quemaduras, y también en catalizadores. El escandio forma parte de aleaciones empleadas para fabricar componentes de la industria aeroespacial. Uno de los elementos menos abundantes es el tulio, demandado como fuente de radiación en equipos de rayos X portátiles y láseres de estado sólido. El neodimio, el holmio y el disprosio son necesarios en algunos tipos de cristales de láser. Igualmente han sido exitosos los antiinflamatorios basados en compuestos con samario, y, en general, son varias las tierras raras utilizadas en la fabricación de teléfonos móviles, ordenadores, baterías, imanes y electrodomésticos.

Desde los años 60, las transformaciones económicas y tecnológicas han ido de la mano de la explotación de estos minerales, hoy considerados esenciales para las tecnologías del futuro. He aquí la paradoja: dependemos de ellos, pero pocas personas los conocen. “Las tierras raras están omnipresentes en nuestra sociedad de alta tecnología hasta el punto de que se podría hablar de una Edad de las Tierras Raras con la misma propiedad que lo hacemos de las edades de Bronce o de Hierro”, explica Prego. “Sin embargo, esos elementos químicos no ocupan portadas en los periódicos”, agrega.

Desde el centro superior, en el sentido de las agujas del reloj: praseodimio, cerio lantano, neodimio, samario y gadolinio / Peggy Greb, US department of agriculture

La atención mediática podría aumentar, pues son minerales estratégicos para los Estados. Tanto es así que su explotación genera crisis económicas y tensiones geopolíticas entre países. Ese ‘lado oscuro’ de las tierras raras tiene distintas ramificaciones; por ejemplo, su utilización por la industria militar para la fabricación de los misiles teledirigidos. Pero quizá sea la dimensión ambiental la más preocupante. Aunque los elementos de las tierras raras se emplean en las denominadas tecnologías verdes (en la fabricación de aerogeneradores, paneles fotovoltaicos, coches eléctricos o iluminación LED), su extracción y procesamiento provocan graves impactos ambientales. Precisamente por ello, en Galicia, donde hay una importante concentración, Prego no ve de momento factible su explotación.

Las tierras raras se extraen de minas a cielo abierto –China concentra la mayor producción– a través de procesos en los que se emiten gases contaminantes a la atmósfera, se utilizan agresivos productos químicos y se filtran aguas residuales a ríos y lagos. A partir de ahí, puede darse el círculo vicioso que ya conocemos: deterioro del entorno natural y la producción agroalimentaria, problemas de salud en las zonas afectadas y desplazamientos masivos de población. Pero todo esto daría para varios post.

 

* Este post se basa en varios fragmentos del libro Las tierras raras (CSIC-Los libros de la Catarata), escrito por el investigador Ricardo Prego Reboredo, del Instituto de Investigaciones Marinas de Vigo.

Fibra óptica: cómo tus ‘mails’ pueden viajar a 200.000 km/s

Por Mar Gulis (CSIC)*

Cable de fibra óptica iluminado con un puntero láser / Hustvedt

Sabemos que la velocidad de la luz alcanza los 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Ese es el límite máximo que determinan las leyes físicas. Nada en el universo puede viajar más rápido. Por eso, el reto de las tecnologías de telecomunicaciones es alcanzar ese límite: lograr que la información, los millones de datos que intercambiamos cada día en mails, llamadas, compras on line y transacciones de todo tipo, ‘viajen’ a la velocidad de la luz.

De momento, la fibra óptica es la tecnología que más se ha acercado. A partir de la herencia del telégrafo y el teléfono, “los cables de fibra óptica han reemplazado a los hilos de cobre porque pueden transportar una mayor cantidad de datos y más deprisa que su contraparte electrónica”, explica el libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la Catarata). Aun así, las fibras ópticas tienen limitaciones. No pueden reproducir el vacío del espacio, donde, al no existir atmósfera, la luz se mueve sin resistencia, de ahí que a través de la fibra los datos viajen a ‘tan solo’ 200.000 kilómetros por segundo (la cifra es aproximada).

En las comunicaciones ópticas se envía información codificada en un haz de luz por un hilo de vidrio o de plástico muy procesado. “Este sistema fue originalmente desarrollado para los endoscopios en la década de los 50, con el objetivo de ayudar a los médicos a ver el interior del cuerpo humano sin necesidad de abrirlo. En 1960, los ingenieros encontraron una forma de utilizar esta misma tecnología para transmitir llamadas telefónicas a la velocidad de la luz”, continúa el libro.

Sin embargo, las leyes físicas que explican el funcionamiento de esta tecnología se descubrieron tiempo atrás. Ya en el siglo XIX, el físico irlandés John Tyndall demostró a la Royal Society en Londres que la luz podía viajar a través de un chorro de agua. En óptica, este fenómeno se conoce como reflexión interna, y se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio con un índice de refracción menor que el índice de refracción en el que este se encuentra. Así, el haz luminoso se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios, reflejándose completamente. La reflexión interna total solo se produce en rayos que están viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción. Precisamente este principio explica la conducción de la luz a través de la fibra sin que haya fugas.

La reflexión total puede realizarse mediante el experimento de Tyndall. En la imagen, un puntero láser (a la dcha.) atraviesa el plástico del recipiente y el agua que hay en su interior, para ‘salir’ por el agujero realizado previamente en el recipiente. Al atravesar los dos medios, la luz queda confinada dentro del chorro viajando con su misma curvatura / Juan Aballe / CSIC-IOSA

Una fibra óptica está formada por un núcleo, que es por donde viajan las señales luminosas, y una cubierta o revestimiento transparente. Intuitivamente, cualquiera pensaría que la luz que transita por este tipo de hilos transparentes se saldría por los bordes. Sin embargo, los fotones (partículas elementales en que se puede dividir un rayo de luz) viajan por el núcleo de la fibra óptica rebotando contras sus paredes constantemente, como una pelota entre las paredes de vidrio de una pista de squash. De este modo el haz de luz  queda confinado y se propaga sin que se produzcan pérdidas de información. Esto es posible porque el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea.

Ocurre algo parecido con el agua: si un haz de luz incide en un chorro de agua bajo un cierto ángulo, la luz quedará confinada dentro del chorro, viajando con su misma curvatura, tal y como demostró Tyndall en su experimento. La superficie agua-aire actuaría como un espejo en el que la luz se refleja y, por tanto, sigue la trayectoria del líquido. En una fibra óptica la luz viaja de forma similar: va rebotando por sus paredes internas, pero manteniendo la dirección del cable, sin detenerse y pudiendo recorrer miles de kilómetros en segundos.

 

*Este post se basa en varios fragmentos del libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la catarata), coordinado por María Viñas Peña.

La importancia de salirse de la norma: las proteínas dúctiles

Por Inmaculada Yruela (CSIC)*

A mediados del siglo XX se pensaba que las proteínas que no podían adoptar una determinada organización espacial y una estructura definida no podían realizar una función. Pero, a veces, los fenómenos que no encajan con el paradigma dominante del momento acaban convirtiéndose en la pieza central de un nuevo paradigma. Este es el caso de algunas observaciones que se hacían en el campo de la biología molecular a finales del siglo XX: las proteínas dúctiles o conocidas en inglés como Intrinsically Disordered Proteins (IDPs). Este tipo de proteínas, lejos de haber sido olvidadas por la comunidad científica debido a lo irregular y desordenado de su estructura, son cada día más populares gracias a su carácter moldeable y flexible (dúctil) y al papel que juegan tanto en los procesos de desarrollo y adaptación de los organismos a los cambios medioambientales como en la aparición de enfermedades como el cáncer, el Alzheimer, el Parkinson o la diabetes, entre otras.

Ejemplo de una proteína compacta y estructurada con varios módulos. Cada módulo se representa en un color diferente. Fuente: RCSB Protein Data Bank (https://www.rcsb.org) PDB 2VGB (Valentini et al. 2002)

Ejemplo de proteína compacta y estructurada con varios módulos. Cada uno en un color diferente. / Fuente: RCSB Protein Data Bank – PDB 2VGB (Valentini et al. 2002)

Desde los años sesenta del pasado siglo podemos explicar muchas de las propiedades de las proteínas, incluyendo su funcionamiento. Esto se consigue mediante el conocimiento de sus estructuras tridimensionales obtenidas a partir de la cristalografía y la difracción de rayos X. El año 1962 marcó un hito a este respecto cuando se concedió el premio Nobel en Química a John Kendrew y Max Perutz, investigadores que resolvieron las primeras estructuras de proteínas. Se trataba de dos proteínas humanas esenciales: la hemoglobina de los glóbulos rojos de la sangre y la mioglobina de los músculos. Actualmente, el número de estructuras resueltas se acerca a las 150.000, la mayoría en humanos y animal bovino.

A finales del siglo XX se observó que algunas proteínas escapaban de estos procedimientos experimentales, no pudiéndose resolver sus estructuras con las técnicas disponibles. Sin embargo, en los últimos veinte años las investigaciones han sido decisivas en este terreno para establecer que, en contra de lo aceptado en el pasado siglo, las proteínas no requieren adoptar formas rígidas y bien estructuradas en el espacio tridimensional para realizar sus funciones en la célula, sino que, por el contrario, la flexibilidad y la ductilidad en las proteínas es una propiedad que a menudo resulta crucial para su funcionamiento. Las proteínas dúctiles son esenciales para el ciclo celular, para la señalización celular y la regulación de los genes y las proteínas. Se considera que pueden haber desempeñado un papel clave durante la formación de los organismos multicelulares y la evolución.

Ejemplo de una proteína dúctil con un módulo estructurado (verde) y un módulo flexible (rojo). Fuente: RCSB Protein Data Bank (https://www.rcsb.org) PDB 2ME9 (Follis et al. 2014).

Ejemplo de proteína dúctil con un módulo estructurado (verde) y un módulo flexible (rojo). / Fuente: RCSB Protein Data Bank – PDB 2ME9 (Follis et al. 2014)

Se estima que, por ejemplo, en los animales, humanos y plantas, más de una tercera parte de las proteínas se hallan total o parcialmente desestructuradas, es decir, son proteínas que carecen, en su conjunto o en alguna de sus partes, de una estructura tridimensional estable en condiciones fisiológicas, aunque realizan importantes funciones biológicas. Por tanto, las proteínas no son entidades estructuralmente tan homogéneas como se pensaba, dado que presentan un nivel relevante de heterogeneidad. De esta manera, la estructura de una proteína no ha de considerarse como algo rígido, sino como algo dinámico. La transición entre diferentes formas, llamados estados conformacionales, que transcurre por estados sucesivos de completa estructuración y diferente grado de desestructuración, es necesaria para el reconocimiento y la interacción entre biomoléculas y para una función óptima.

Las proteínas con regiones dúctiles facilitan muchos procesos biológicos en la célula. Sin embargo, a menudo, la falta de organización estructural o plegamiento da lugar a la formación de agregados, que pueden acumularse en los órganos y tejidos del organismo dando lugar a ciertas enfermedades. Las características singulares de las proteínas dúctiles también hacen que su protagonismo trascienda a otras disciplinas científicas, tales como la medicina regenerativa, la nanotecnología, la agricultura o la tecnología de alimentos. El futuro que se abre en estos campos es estimulante y prometedor.

 

* Inmaculada Yruela Guerrero es investigadora en la Estación Experimental de Aula Dei (CSIC). Es autora del libro Las proteínas dúctiles (2016) en la colección ¿Qué sabemos de? (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata) y del espectáculo artístico-científico de danza, música y ciencia Molecular Plasticity: la relevancia de las proteínas dúctiles, producido en colaboración con la Ciència Al Teu Món y con la ayuda de la FECYT. Molecular Plasticity recorrerá distintos espacios abiertos a la divulgación científica en el territorio español.

¿Te atreves a fotografiar la ciencia? ¡Participa en la 16ª edición de FOTCIENCIA!

Por Mar Gulis (CSIC)

Prepara el objetivo y dispara. Tienes hasta el próximo 8 de febrero de 2019 (a las 12:00 a.m., hora peninsular española) para enviarnos tus fotos. Un año más, FOTCIENCIA pretende seleccionar las mejores imágenes relacionadas con la ciencia y la tecnología, con el objetivo de producir un catálogo y una exposición itinerante que recorrerá museos y centros culturales de toda España en 2019/20. Hay varias modalidades y la temática es casi infinita. ¡Las mejores imágenes serán remuneradas hasta con 1.500€!

Las fotos pueden estar relacionadas con la investigación científica o sus aplicaciones, reflejar aspectos concretos de algún fenómeno científico, mostrar el objeto de estudio de una investigación o las personas que la realizan, su instrumentación e instalaciones, los resultados de un avance científico, etc. Las imágenes han de presentarse junto con un texto propio y divulgativo que explique su contenido. A partir de criterios técnicos y estéticos, un jurado elegirá las mejores fotografías en las diferentes categorías.

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, celebra este año su 16ª edición. Como en otras ocasiones, las imágenes seleccionadas formarán parte de un catálogo y una exposición itinerante. Consulta aquí las normas de participación y toda la información.

Emigrar a la ciudad, precaria solución para aves amenazadas

Por Álvaro Luna (CSIC) *

Cuando se piensa en una ciudad, rara vez se hace desde el punto de vista de la naturaleza que alberga. Sin embargo, hoy se estima que el 20% de especies de aves del mundo está presente en ciudades, y cada vez conocemos más casos de plantas y animales en peligro de extinción que encuentran un insospechado refugio en ecosistemas altamente humanizados.

Un ejemplo que recientemente hemos dado a conocer tiene como protagonistas a dos psitácidas (especies normalmente llamadas loros o papagayos). Se trata de dos aves autóctonas de La Española, isla caribeña que engloba a República Dominicana y Haití: la cotorra Amazona ventralis y el perico Psittacara chloropterus.

Pericos de La Española anidan en la ciudad de Santo Domingo. / Álvaro Luna

Pericos de La Española anidan en la ciudad de Santo Domingo. / Álvaro Luna

La transformación del hábitat para uso ganadero y agrícola fue relegando a estos animales a zonas cada vez más recónditas. Para más inri, han sido y son cazados al acudir a comer a los cultivos y, últimamente, el ‘mascotismo’ se ha unido al resto de factores que han llevado al límite a estos loros, convirtiéndose en un terrible problema que diezma las escasas poblaciones restantes a través de la captura ilegal, que se da incluso dentro de espacios protegidos.

Un estudio llevado a cabo por un grupo de investigación de la Estación Biológica de Doñana del CSIC ha profundizado en la alarmante situación de la cotorra y el perico de la isla La Española en sus ecosistemas originarios, y ha detectado escasos ejemplares incluso en las zonas mejor conservadas del país (se visitaron 12 espacios protegidos y todo tipo de hábitats), un escenario que resulta ser aún peor de lo que se estimaba.

Esta situación contrasta con las poblaciones de dichas especies que se han descubierto en las grandes ciudades de República Dominicana, único lugar donde se observa con facilidad a estos animales. Por ejemplo, en Santo Domingo se han censado dormideros con unos 1.500 ejemplares de perico, y en Santiago otro de 50 cotorras. En la naturaleza, por establecer una comparación, en un dormidero encontrado en la reserva de la biosfera, donde a priori están las mejores poblaciones, se contaron solo 137 pericos y 15 cotorras. Así, los datos obtenidos sobre observaciones de estas especies a lo largo y ancho del país arrojan que el perico es 6 veces más abundante en la ciudad que en entornos naturales, y 3 veces más en el caso de la cotorra.

Hábitat de cría usado por las poblaciones de loros urbanos en ciudades de República Dominicana. /Álvaro Luna

Hábitat de cría usado por las poblaciones de loros urbanos en ciudades de República Dominicana. / Álvaro Luna

No obstante, más allá de números, no hay que desatender el hecho de que estas especies realizan unas funciones ecológicas en la naturaleza que además, en el caso actual de esta isla, no pueden desarrollar otras especies, como es la dispersión de semillas de árboles. A modo de ejemplo, durante este estudio se recolectaron 306 semillas pertenecientes a 11 especies diferentes de árboles (el 99.5% aptas para germinar) que habían sido dispersadas por estos loros, y se midieron las distancias entre las semillas y el árbol más cercano de su misma especie. La distancia mínima media de dispersión fueron 37 metros, siendo el 93% de los casos dispersiones en un rango de entre 20-60 metros, con algunos casos de mayores distancias. Prácticamente todos los casos fueron en ciudad, dada la ausencia de las dos especies en el medio natural.

Se podría decir que para estas aves amenazadas puede que la ciudad sea su última baza para evitar la extinción, pero la desaparición de poblaciones viables de su hábitat real y originario acarreará también la extinción de funciones ecológicas en sus ecosistemas naturales, algo sobre lo que casi nadie está reparando. El hecho de que estos loros estén ecológicamente extintos en los bosques de la isla afectará a la estructura y dinámica de los mismos, con repercusiones presentes y futuras negativas.

 

* Álvaro Luna es investigador doctorando en la Estación Biológica de Doñana del CSIC y autor del libro Un leopardo en el jardín. La ciudad: un nuevo ecosistema (Tundra)

Especies en peligro de extinción… en tu intestino

*Por Carmen Peláez y Teresa Requena (CSIC)

La pérdida de biodiversidad no afecta solo a los grandes ecosistemas; también estamos perdiendo diversidad en nuestro propio cuerpo, en las especies que pueblan nuestro intestino. Paradójicamente, los notables avances sanitarios y tecnológicos que han experimentado las sociedades industrializadas pueden estar conduciendo a una pérdida de diversidad microbiana intestinal en las sociedades industrializadas, paralela a los aumentos de resistencia a antibióticos o a la incidencia de enfermedades autoinmunes.

El ecosistema microbiano humano está perdiendo especies bacterianas ancestrales que evolucionaron con nosotros desde el principio de los tiempos. Esta pérdida se perpetúa entre generaciones por una menor transferencia en el parto con la práctica de cesáreas, por una menor transmisión horizontal por contacto entre familias cada vez menos numerosas o por una mayor higienización del agua y procesado de alimentos que disminuyen su carga microbiana. La pérdida de esa microbiota ancestral se podría estar viendo reflejada en alteraciones de la fisiología humana y posiblemente en el aumento del riesgo de padecer enfermedades.

‘Helicobacter pylori’: las consecuencias de su progresiva desaparición

Un problema es que muchas de las especies bacterianas que están desapareciendo no son las más abundantes, por lo que su falta puede pasar inadvertida en cuanto al número, pero puede ser muy relevante por la función que realizan. La bacteria Helicobacter pylori es el modelo utilizado por Martin Blaser, especialista en el papel que juegan las bacterias en el organismo humano, para apoyar su ‘hipótesis de las especies en extinción’. Microbiota intestinal

H. pylori se encuentra en el estómago humano y ha evolucionado con él como animal mamífero monogástrico. Las primeras referencias sobre H. pylori indicaban que aparecía de forma bastante extendida en la especie humana, pero hacia los años setenta del siglo XX ya solo estaba presente en el 50% de individuos adultos en países desarrollados y en menos del 6% de los niños y las niñas. Este aspecto es importante porque H. pylori no se adquiere en etapas adultas de la vida. Por otro lado, el análisis de individuos en poblaciones rurales africanas, asiáticas o sudamericanas indica que casi todos los adultos contienen H. pylori. La especie parece estar extinguiéndose en las sociedades industrializadas.

Las causas de la desaparición de la bacteria en el estómago humano se asocian, según Blaser, a las dificultades para transmitirse entre individuos y para persistir en el organismo humano en el entorno de la vida moderna. La transmisión de H. pylori sucede solo entre humanos, por contacto directo alimentario de madres a hijos o por contaminación fecal de alimentos y agua. Estas vías de transmisión son muy frecuentes en países en desarrollo, donde muchas madres alimentan a sus hijos e hijas después del destete masticando los alimentos que ponen en su boca. En países desarrollados donde no existe esta práctica y además existe saneamiento de aguas potables y canalización de las fecales, la transmisión y, por tanto, la incidencia de esta bacteria es mucho menor.

La inflamación causada por H. pylori en el estómago sería consecuencia de la respuesta del sistema inmune a esta bacteria, por lo que de alguna forma estaría estimulando la maduración inmunológica en edades tempranas. Se trata de una respuesta equilibrada y controlada que, por otra parte, ayuda a contrarrestar la acidez estomacal. El hecho de que estemos eliminando la bacteria puede desencadenar alteraciones en ese equilibrio y aparición de acidez y reflujo gastroesofágico, que en última instancia puede causar adenocarcinoma de esófago. Este tipo de cáncer ha aumentado muy rápidamente en los países desarrollados: se ha multiplicado prácticamente por seis en los últimos 30 años. También el aumento de casos de reflujo gastroesofágico se ha asociado a la ausencia de H. pylori en el estómago.

Helicobacter pylori

Helicobacter pylori en biopsia gástrica/ Giemsa Stain.

Aunque son más conocidas las consecuencias negativas de tener esta bacteria, H. pylori supone un caso de anfibiosis, tipo Dr. Jekyll y Mr. Hyde. Con la edad, la presencia de la bacteria aumenta la posibilidad de desarrollar úlcera y a continuación cáncer gástrico, pero a la vez previene el reflujo y el desarrollo de cáncer de esófago. La disminución de la bacteria se ha asociado también con un aumento de asma infantil, rinitis alérgica infantil y eczema o dermatitis atópica. La hipótesis de Blaser es que la presencia de H. pylori ejercería una modulación inmunológica en el individuo, regulando la inflamación y disminuyendo las respuestas alérgicas autoinmunes.

Menos lombrices intestinales

Otros  habitantes tradicionales del ecosistema intestinal humano en peligro de extinción serían las lombrices, que están desapareciendo al mejorar las condiciones de higiene. Este hecho también se relaciona con el incremento de enfermedades de base inmune. A diferencia de las bacterias que causan respuestas inflamatorias enérgicas, la respuesta frente a estos helmintos o gusanos es más suave y está fuertemente regulada. Habitualmente no causan síntomas y tienen un nivel de patogenicidad muy bajo. De hecho, se están empleando experimentalmente en el tratamiento de enfermedades autoinmunes como la esclerosis múltiple y las enfermedades inflamatorias intestinales.

La fortaleza del ecosistema intestinal se apoya en la diversidad de sus especies microbianas, que dependen de los nutrientes no digeridos de la dieta que alcanzan el colon. El descenso en el consumo de fibra en la dieta humana ha reducido la diversidad de la microbiota intestinal: estas bacterias son desaparecidas anónimas. Esta pérdida requiere una atención apremiante para superar la brecha del consumo reducido de fibra y promover dietas saludables. Es un mandato para nuestra salud y, en especial, para la de las futuras generaciones.

Carmen Peláez y Teresa Requena son investigadoras del CSIC en el Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación (CIAL) y autoras de La microbiota intestinal, de la colección de divulgación ¿Qué sabemos de?, disponible en la Editorial del CSIC y Los Libros de la Catarata.