Francis en ¡Eureka!: El genoma de Copito de Nieve, el gorila albino

Ya puedes disfrutar, siguiendo este enlace, del audio de mi sección ¡Eureka! en el programa de radio La Rosa de los Vientos, de Onda Cero. Como siempre una transcripción del audio y algunos enlaces para profundizar.

Esta semana ha vuelto a ser noticia Copito de Nieve, el gorila albino del Zoológico de Barcelona que murió hace diez años. Todo un icono para la ciudad de Barcelona. Copito de Nieve ha sido hasta la fecha el único gorila albino del que se tenga noticia. Comprado por el etólogo Jordi Sabater Pi en 1966 para el Zoológico de Barcelona su fama a nivel mundial nació con una portada de la revista National Geographic en 1967. Murió de cáncer de piel el 24 de noviembre de 2003, pero se conservan muestras de su ADN (quizás pensando en su futura clonación). En humanos el albinismo afecta a una de cada 17.000 personas y es un trastorno hereditario causado por la herencia de genes recesivos de ambos padres. Los albinos se conocen desde la antigüedad. Como curiosidad me gustaría comentar que se cree que el profeta Noé, el constructor del arca de Noé, era albino; al menos así lo indica el libro del profeta Enoc, que forma parte del canon de la Biblia de la Iglesia ortodoxa etíope, pero no es aceptado como canónico por las demás iglesias cristianas.

Más información en José R. Alonso, “¿En qué se parecen Copito de Nieve y Noé?,” UniDiversidad, 08 May 2013.

Hay dos tipos fundamentales de albinismo: el más común es el albinismo oculocutáneo, donde falta el pigmento, la melanina, en ojos, pelo y piel, y el albinismo ocular, presente solo en machos, donde la melanina falta sólo en los ojos. Copito de Nieve presentaba albinismo oculocutáneo. Como el ADN de Copito de Nieve se conserva en el Zoo de Barcelona gracias a una muestra de sangre que fue congelada antes de su muerte, investigadores del Instituto de Biología Evolutiva (centro mixto del CSIC y la Universidad Pompeu Fabra) han secuenciado con éxito su genoma completo y han averiguado la causa genética de su albinismo.

¿El gen responsable del albinismo de Copito de Nieve es el mismo gen que lo causa en humanos? En humanos y en primates se conocen cuatro genes cuyas mutaciones recesivas pueden causar el albinismo oculocutáneo. Cada uno de los cuatro genes codifican diferentes enzimas en la ruta metabólica de la melanina. La variante OCA1 es causada por el gen TYR que codifica la enzima tirosinasa que cataliza el primer paso de la síntesis de la melanina; la variante OCA2 por un gen que codifica una proteína que regula el pH del melanosoma; la variante OCA3 por el gen TYRI1 que codifica una catalasa relacionada con la tirosinasa; y la variante OCA4 por el gen MATP (también llamado gen SLC45A2) que codifica una proteína de membrana que facilita la síntesis de melanina y que actúa como antigen para la formación de los melanocitos. Comparando el genoma de Copito de Nieve con el de otros dos gorilas no albinos se ha comprobado que en su caso el albinismo oculocutáneo es de tipo OCA4, en concreto, debido a un cambio de un único aminoácido en la proteína de membrana del gen MATP (o SLC45A2). Esta variante del albinismo es muy poco habitual en humanos.

El artículo técnico (de acceso gratuito) es Javier Prado-Martinez et al., ”The genome sequencing of an albino Western lowland gorilla reveals inbreeding in the wild,” BMC Genomics 14: 363, May 2013. En esta figura, wt es el gen para un gorila no albino y G518R es el de Copito de Nieve; se ve que el aminoácido glicina (G) está sustituido por arginina (R).

Se ha publicado esta semana que los padres de Copito de Nieve eran familiares cercanos, quizás tío y sobrina, con lo que este gorila albino sería resultado de un incesto (producto de la endogamia). El análisis de la variabilidad del genoma permite estudiar el grado de consanguinidad. En general, las copias materna y paterna del genoma en los gorilas difieren en casi dos nucleótidos cada 1.000 bases. En Copito de Nieve hay regiones de millones de bases en las que no hay ninguna diferencia entre ambas copias, lo que indica que son heredadas de un pariente común como resultado de la endogamia. Alrededor del 12% del genoma de Copito de Nieve es homocigoto. Un porcentaje muy elevado que sólo es posible en caso de que sus dos padres estén muy emparentados.

Recomiendo leer a CSIC, “La endogamia causó el albinismo de Copito de Nieve,” SINC, 4 Jun 2013; y Antonio Madridejos, “Los padres de Copito de Nieve eran familiares cercanos,” elPeriódico.com, 4 Jun 2013.

Hay muchas relaciones de parentesco que permiten explicar una consanguinidad del 12%, como el apareamiento entre hermanos, o entre abuelos y nietos, o incluso entre primos hermanos. Sin embargo, teniendo en cuenta las pautas de comportamiento entre gorilas se cree que lo más probable es una relación entre tío y sobrina, un macho adulto expulsado del grupo, algo muy habitual, que más tarde entra en contacto con una hembra joven que busca una nueva comunidad. Me gustaría destacar que en humanos también es más probable el albinismo en familias consanguíneas.

Una vez conocida cuál es la mutación, el estudio abre la puerta a cruzar a los descendientes de Copito que sean portadores con el objetivo de obtener un nuevo gorila albino. Como el albinismo es una característica genética recesiva, para manifestarse en un individuo es necesario que sus dos padres sean portadores de la mutación. Copito de Nieve tuvo 21 hijos, de los cuales 3 le sobreviven; también están vivos 11 nietos, de un total de 21, y 4 bisnietos. Ninguno de ellos ha nacido albino. Cruzar dos descendientes de Copito de Nieve portadores del gen recesivo descubierto permitiría, según las reglas de la herencia, lograr un albino con una probabilidad del 25%. Sin embargo, esto no forma parte de los planes del zoo de Barcelona. Hoy en día los zoos europeos buscan todo lo contrario, aumentar la diversidad genética mediante apareamientos de individuos muy alejados.

En 2009 se publicó un estudio sobre la endogamia en los Austrias, en concreto, el estudio genético indicó que la consanguinidad del rey Carlos II era similar a la de un hijo incestuoso. Carlos II El Hechizado fue resultado de los repetidos cruces entre parientes próximos que se dieron en sus antepasados. Su coeficiente de consanguinidad era mayor del 25%, similar al del fruto de una relación entre padre e hija, o entre hermano y hermana. Esta alta consanguinidad fue un factor clave en la desaparición de la dinastía de los Austrias en España porque cuando murió Carlos II en 1700 no dejó descendencia. Este resultado fue obtenido por Gonzalo Álvarez Jurado, catedrático de Genética en la Universidad de Santiago de Compostela, y varios colegas que analizaron la consanguinidad de 16 generaciones en el árbol genealógico de Carlos II desde que Felipe el Hermoso inauguró la dinastía al casarse con Juana La Loca. Como no se disponía del ADN de estos personajes se realizó un análisis de la mortalidad infantil en los descendientes de cada rey hasta los 10 años, que está en relación directa con el coeficiente de consanguinidad. También estudiaron las enfermedades achacables a mutaciones genéticas recesivas, que necesitan heredarse de los dos progenitores. Por ejemplo, Carlos II padecía raquitismo, por lo que no pudo tener hijos y a los 30 años parecía un viejo. En los Borbones el grado de consanguinidad es mucho menor.

Más información en M. Ruíz de Elvira, “La endogamia mató a los Austrias,” El País, 15 Abr 2009; María Valerio, “La endogamia acabó con los Austrias,” El Mundo, 15/04/2009. El artículo técnico es Gonzalo Alvarez, Francisco C. Ceballos, Celsa Quinteiro, “The Role of Inbreeding in the Extinction of a European Royal Dynasty,” PLoS ONE, 4: e5174, April 15, 2009 [acceso gratuito].

Para acabar, hay muchos animales blancos en los zoológicos, como los leones blancos, los tigres blancos o incluso los pavos reales blancos, ¿también se trata de albinos? En la mayoría de los casos no se trata de albinismo, sino de leucismo, que a diferencia del albinismo, no produce ningún cambio de coloración, ni defectos de visión en los ojos del animal. Estos animales leucísticos son capaces de producir melanina y por ello tienen los ojos con un color normal. Sólo se tratará de albinismo oculocutáneo cuando no existe melanina en el iris. Los oyentes deben fijarse si los ojos son de color violeta o incluso rojo, porque la luz penetra por el iris y se refleja de los vasos sanguíneos de la retina.

Más información en Biogeocarlos, “Leones blancos,” La Ciencia de la Vida, 24 Mar 2008.

Si aún no has escuchado el audio, sigue este enlace.

El coste enzimático de la eficiencia en el metabolismo energético

Todo el mundo sabe que el coste de una obra de teatro además del trabajo de los actores incluye a mucho personal entre bambalinas. El coste termodinámico de una ruta metabólica también incluye un coste entre bambalinas, el coste proteómico de la síntesis de sus enzimas. Nos lo recuerda un nuevo artículo en PNAS que estudia en procariotas la ruta metabólica de la glucólisis, la síntesis de energía (moléculas de ATP) oxidando glucosa. La ruta metabólica estándar para la glucólisis es la de Embden-Meyerhoff-Parnass (EMP), que contiene 10 reacciones enzimáticas y cuyo producto son dos moléculas de ATP. Sin embargo, hay otras rutas para la glucólisis en procariotas, siendo la más común la ruta de Entner-Doudoroff (ED), que produce una sola molécula de ATP, pero sólo tiene 6 reacciones enzimáticas. Avi Flamholz (Instituto Weizmann de Ciencia, Rehovot, Israel) y sus colegas afirman que la prevalencia de la ruta ED en procariotas es debido a que requiere menos enzimas (6 en lugar de 10); este resultado lo han obtenido tras un análisis termodinámico de la cinética química de estas rutas metabólicas que incluye el coste termodinámico de la producción de las enzimas (normalmente despreciado en este tipo de análisis). El nuevo estudio nos recuerda que las bambalinas también existen en el metabolismo celular. Nos lo cuentan Arion I. Stettner, Daniel Segrè, “The cost of efficiency in energy metabolism,” PNAS, AOP May 31, 2013, quienes se hacen eco del artículo técnico de Avi Flamholz et al., “Glycolytic strategy as a tradeoff between energy yield and protein cost,”PNAS, AOP Apr 29, 2013.

El ARN no codificante largo y la estructura 3D de los cromosomas

La función biológica de las secuencias largas de ARN no codificante (lncRNA) no está clara. Jesse Engreitz, doctorando de Mitchell Guttman y Eric Lander en el Instituto Broad en Cambridge, Massachusetts, ha estudiado la función de uno de ellos, XIST, conocido desde hace 20 años y que cierra uno de los cromosomas X en las mujeres. XIST ayuda a modelar la estructura 3D del cromosoma. Los lncRNA podrían influir en la forma de la cromatina, regulando así la actividad del cromosoma. El genoma humano tiene casi 21.000 genes que codifican proteínas, pero también incluye otros “genes” no codificantes. Se estima que tiene unos 13.000 “genes” que especifican secuencias largas de ARN no codificante (lncRNA). Aún es pronto para generalizar el nuevo hallazgo, pero lo que parece claro que parte de los lncRNA podría tener una función (contradeciendo la hipótesis de que representan “ruido” evolutivo (ADN que se transcribe al azar en ARN sin una función biológica concreta). Nos lo cuenta Elizabeth Pennisi, “Long Noncoding RNAs May Alter Chromosome’s 3D Structure,” Science 340: 910, 24 May 2013.

El experimento realizado por Engreitz y sus colegas consiste en mover la posición del gen XIST en el ADN del cromosoma X. Gracias a ello comprobaron cómo interacciona con la cromatina. Lo más curiosa es que esta interacción no depende de las secuencias  de ADN que tenga alrededor. Por ello, el nuevo estudio sugiere que los lncRNAs representen un nuevo tipo de gen regulador de la expresión génica. Resultados preliminares con otros lncRNAs sugieren que su función biológica es similar a la de XIST, según ha indicado Engreitz.

Por cierto, ya hay otras funciones de los lncRNAs que han sido documentadas, como su función en la regulación de la producción de eritrocitos o glóbulos rojos (eritropoiesis) en ratones. Los lncARNs parece que pueden regular la expresión genética mediante una diversidad de mecanismos, como la modificación de la cromatina, la potenciación de la transcripción y la promoción de la degradación del ARNm. Más información en Wenqian Hu et al., “Long noncoding RNA-mediated anti-apoptotic activity in murine erythroid terminal differentiation,” Genes and Development, 2011.

Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en “bucle cerrado” capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., “Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,” ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

Francis en Trending Ciencia: La física cuántica de la fotosíntesis

Sigue este enlace si quieres escuchar mi nuevo podcast en Trending Ciencia, que contesta una pregunta/petición formulada por Ces. Como siempre una transcripción del audio.

He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física la respuesta a una pregunta que me ha hecho uno de los lectores de mi blog, Ces, sobre la fotosíntesis y la física cuántica. Ces ha leído que la tasa de conversión de fotones en electrones en la clorofila alcanza el 90% gracias a la física cuántica. En realidad se trata de un mito. Igual que es falso que sólo usemos el 10% de nuestro cerebro, también es falso que la fotosíntesis tenga una eficiencia de más del 90%. La eficiencia máxima de la fotosíntesis como proceso bioquímico que produce biomasa a partir de radiación solar tiene una eficiencia máxima que ronda el 10%. Si sólo tenemos en cuenta los procesos que ocurren en las moléculas de clorofila, la eficiencia de la conversión de la energía de los fotones incidentes en el proceso de transferencia de electrones tiene una eficiencia que ronda el 50%. La eficiencia de más del 90% se refiere al proceso llamado “hopping” por el cual el fotón incidente en una molécula de clorofila produce una onda de tipo excitón que se mueve de forma sucesiva por varias moléculas de clorofila hasta alcanzar la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia de un electrón entre dos moléculas, una dadora de electrones y otra aceptora de electrones. Permíteme que explique todo esto en más detalle.

La luz del Sol que es activa para la fotosíntesis es la que se encuentra en la banda entre 400 y 700 nm; recuerda que la luz con 400 nm tiene color azul y que la luz con 700 nm tiene color rojo. Como la clorofila absorbe mal en el centro de esta banda, los colores verdes, las hojas de los árboles son verdes (en lugar de negras). Se estima que como mínimos el 5% (y en muchos casos hasta el 10%) de la luz solar en la banda de 400 a 700 nm que incide sobre las hojas de las plantas se refleja y por tanto no es útil para la fotosíntesis.

Los fotones que inciden sobre la molécula de clorofila provocan su transición energética a un estado excitado, cuya relajación posterior se utiliza para producir energía. Los fotones en la banda activa para la fotosíntesis, entre 400 y 700 nm, tienen una energía media por mol de fotones de 205 kJ (kilojulios). La energía necesaria para activar el sistema fotosintético fotosistema II (PSII) es la de un fotón con una longitud de onda de 680 nm, es decir, de unos 176 kJ/mol. Por otro lado, para el sistema fotosintético fotosistema I (PSI) es la energía de un fotón de 700 nm, es decir, 171 kJ/mol. Por tanto, en promedio, el 6,6% de la energía solar incidente se pierde en forma de calor durante la relajación de los estados excitados de la clorofila.

También se pierde energía en el ciclo de Calvin que sintetiza los carbohidratos a partir de CO2 y la energía capturada. En la fotosíntesis C3, el ciclo de Calvin consume tres moléculas de ATP (adenosín trifosfato) y dos de NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato) para asimilar una molécula de CO2 (dióxido de carbono) en un carbohidrato (glucosa) y generar la molécula necesaria para cerrar el ciclo. La síntesis de las tres moléculas de ATP requiere 12 protones (4 cada una) y las dos  moléculas de NADPH requiere absorber 8 fotones.  Todo esto por cada molécula de CO2 asimilada, proceso que requiere una energía de 1388 kJ por mol. Un sexto de un mol de glucosa, es decir, el carbono que le aporta la molécula de CO2, contiene unos 477 kJ. Por ello, en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis C3 se pierde el 24,6% de la energía solar incidente. Sumando todos los efectos, en la fotosíntesis C3 la máxima cantidad de energía solar que se transforma en carbohidratos es del 12,6%.

Algo parecido ocurre en el caso de la fotosíntesis C4. Hay tres subtipos para el ciclo de Calvin en este caso. Sin entrar en detalles, se pierde el 28,7%  de la energía contenida en la radiación solar incidente. Por tanto la eficiencia máxima de conversión de energía en la fotosíntesis C4 se estima en un 8,5%. Pero no queda todo ahí, también hay pérdidas adicionales en la respiración que se produce en la mitocondria. Estas pérdidas dependen de varios factores. De nuevo sin entrar en detalles, se estima que entre el 30% y el 60% del a energía se pierde.

En resumen, tomando el porcentaje mínimo para todas las pérdidas de energía que hemos indicado, la eficiencia máxima de conversión de energía del Sol en biomasa en la fotosíntesis C3 es del 4,6% (de cada 1000 kJ de energía incidente sólo se transforma en biomasa 46 kJ) y en la fotosíntesis C4 es del 6,0% (de cada 1000 kJ de energía solar incidente sólo se transforma en biomasa 60 kJ).

Artículo técnico para los interesados en los detalles de estos cálculos: X.G. Zhu, S.P. Long, D.R. Ort, “What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?,” Curr. Opin. Biotechnol. 19: 153-159, 2008.

Por supuesto, los oyentes me dirán que he tenido en cuenta demasiados efectos y que Ces en mi blog sólo estaba interesado en la eficiencia de la conversión de fotones en electrones en la clorofila. Permíteme considerar este proceso en detalle.

Un fotón incide sobre una “antena” molecular, un complejo proteíco formado por varias proteínas que contiene los pigmentos fotosintéticos (pongamos que sean moléculas de clorofila) y es absorbido excitando una molécula de clorofila, es decir, un electrón pasa desde un estado HOMO (siglas de orbital molecular ocupado de mayor energía) hasta un estado excitado no ocupado de mayor energía. Pocos picosegundos más tarde, esta molécula excitada decae, es decir, el electrón pasa desde el estado excitado a un estado LUMO (siglas de orbital molecular desocupado de menor energía) emitiendo un nuevo fotón. En este proceso la molécula vibra y pierde energía disipando calor. Obviando esta disipación térmica, la diferencia de energía entre los estados HOMO y LUMO debe corresponder a la energía del fotón absorbido por la molécula y a la energía del fotón emitido.

En las antenas moleculares fotosintéticas hay varias moléculas de clorofila que se excitan en secuencia a saltos (en inglés se habla de “hops” y al proceso se le llama “hopping” [también se utiliza el término "transferencian del excitón"]. Estos saltos acaban en una molécula de clorofila especial llamada clorofila “P” cuyo papel es la conversión del fotón en un electrón. La clorofila P está cerca de dos moléculas, una aceptora de electrones y otra dadora de electrones (DPA). Cuando la clorofila P se excita con un fotón (DP*A), decae en un proceso con dos etapas separadas: en la primera etapa transfiere un electrón a la molécula aceptora de electrones (DP+A-) y en la segunda etapa recibe un electrón de la molécula dadora de electrones (D+PA-), quedando en un estado no excitado tras este proceso.

La eficiencia energética de este proceso de conversión de energía la de un fotón en la transferencia de un electrón se puede calcular usando las leyes de la termodinámica. Podemos suponer que se trata de un ciclo de Carnot con un foco caliente, la energía de la molécula excitada, y un foco frío, la energía de la molécula en su estado fundamental. Asumiendo que la molécula de clorofila se comporta como una molécula en un gas, el cálculo resulta en una eficiencia máxima del 75%. Sin embargo, la clorofila in vivo no está en un gas y se encuentra acoplada a proteínas, lo que reduce la eficiencia a un valor entre el 57% y el 67%. Y en estos cálculos se ha omitido el trabajo requerido en las transiciones en las moléculas aceptora y dadora de electrones, lo que reduce la eficiencia de este ciclo de Carnot en como mínimo un 7% adicional.

En resumen, la eficiencia de la conversión de energía de un fotón a la de un electrón ronda el 60% en el mejor caso, siendo lo habitual que no supere el 50%. Pero entonces, ¿por qué comenta Ces en mi blog que ha leído que la eficiencia cuántica de la conversión de un fotón en un electrón en la fotosíntesis supera el 90%?

Más información sobre estos cálculos en Jérôme Lavergne, Pierre Joliot, “Thermodynamics of the Excited States of Photosynthesis,” BTOL-Bioenergetics, 2000 [pdf gratis].

La razón es sutil, pero sencilla. La eficiencia superior al 95% en la transferencia de energía en la fotosíntesis que mucha gente escribe en artículos de divulgación (yo mismo lo he escrito en mi blog en 2009) se refiere a la transferencia de los fotones entre moléculas de clorofila cercanas. El proceso que lleva los fotones desde la molécula de clorofila que ha capturado el fotón de la luz solar y la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón. El proceso de “hopping” tiene una eficiencia cercana al 95% gracias a la física cuántica, como se publicó en la revista Nature en el año 2007. Podemos decir que en este proceso de “hopping” se ejecuta un algoritmo cuántico de búsqueda que canaliza el fotón hasta la clorofila “P”.

En mi blog puedes leer “La conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos,” 2009, y “Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente,” 2010.

En 2007, Gregory S. Engel (de la Universidad de California en Berkeley) y sus colegas estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). Según su estudio experimental mediante espectroscopia bidimensional utilizando la transformada de Fourier, el proceso de “hopping” corresponde a la propagación coherente de una onda cuántica de tipo excitón que transfiere la energía del fotón capturado hasta el centro químico activo donde se realiza la transferencia del electrón [por eso al "hopping" también se le llama transferencian del excitón]. La onda cuántica se propaga por las moléculas de clorofila durante cientos de femtosegundos y se comporta como si “visitara” de forma simultánea varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. Engel y sus colegas afirmaron en su artículo de 2007 que el proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento dado en un vector de n componentes desordenadas en un número de pasos igual a la raíz cuadrada de n (cuando un algoritmo clásico requiere mirar al menos todos los elementos, es decir, un tiempo proporcional a n). Aunque el estudio experimental publicado en el año 2007 se realizó con a baja temperatura, unos 77 Kelvin, los autores afirmaron que el mismo mecanismo debe ocurrir a temperatura ambiente.

Recomiendo leer a Roseanne J. Sension, “Biophysics: Quantum path to photosynthesis,” News and Views, Nature 446: 740-741, 12 April 2007. El artículo técnico original es Gregory S. Engel et al. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature 446: 782-786, 12 April 2007.

De hecho, en el año 2010, se publicó en Nature otro artículo que comprobó dicho hipótesis, demostrando que el que dicho mecanismo también se da a temperatura ambiente. Elisabetta Collini (de la Universidad de Padua, Italia, aunque realizó la investigación trabajando en la Universidad de Toronto, Canadá) y sus colegas demostraron en un alga fotosintética que el mecanismo de “hopping” utiliza la coherencia cuántica incluso a temperatura ambiente. Pero repito, estos estudios, no implican que la eficiencia de la conversión de los fotones en electrones sea superior al 90%, como me preguntaba Ces en mi blog.

Recomiendo leer a Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,” Nature 463: 614-615, 4 Feb 2010. El artículo técnico es Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463: 644-647, 4 Feb 2010.

En resumen, espero haber contestado la pregunta de Ces de forma satisfactoria, aunque haya omitido muchos detalles técnicos. La fotosíntesis como proceso de conversión de energía solar en biomasa tiene una eficiencia máxima alrededor del 10%. El proceso fundamental que ocurre en la clorofila que permite la conversión de la energía de un fotón en la transferencia de un electrón tiene una eficiencia del orden del 50%. Y el proceso cuántico que tiene una eficiencia superior al 90% es el proceso de “hopping” por el que el fotón capturado en una molécula de clorofila recorre varias moléculas hasta llegar a la molécula de clorofila “P” que realiza la transferencia del electrón como tal.

Y esto es todo por hoy. Si te ha gustado la trancripción y quieres oír el podcast, sigue este enlace en Trending Ciencia.

Francis en ¡Eureka!: La clonación de células troncales pluripotentes humanas

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

La noticia de la semana ha sido la clonación de células madre humanas. Desde que se clonó la oveja Dolly en 1996 muchos investigadores han tratado de clonar células humanas por sus aplicaciones en medicina regenerativa. ¿Por qué ha costado tanto tiempo clonar células humanas? La oveja Dolly fue clonada a partir de una célula adulta mediante una técnica llamada transferencia nuclear somática. Se tomó el núcleo de una célula de la glándula mamaria de una oveja y se introdujo en un óvulo no fecundado y sin núcleo. Fueron necesarios 277 embriones fallidos para producir un nacimiento y en 2003, la oveja Dolly murió de vejez prematura (vivió la mitad que una oveja normal).

Todas las células tienen el mismo ADN en su núcleo, pero son muy diferentes entre sí (basta comparar una neurona y una célula de la piel). Pero todas las células pueden nacer a partir de células troncales pluripontentes, las llamadas células madre, capaces de diferenciarse en cualquier otra célula del cuerpo. Shoukhrat Mitalipov (del Centro Nacional de Investigación en Primates de Oregón, en EEUU) y sus colegas, entre ellos la embrióloga española Nuria Martí, emigrada a EEUU por los recortes en ciencia en España, han logrado aplicar la técnica utilizada con la oveja Dolly a células humanas.

Algunos oyentes recordarán que un científico surcoreano, el Dr. Hwang, experto en células madre, afirmó haberlo logrado en marzo de 2004, pero en diciembre de 2005 se descubrió había falsificado los datos de sus experimentos sobre la clonación de embriones humanos. Se levantó un gran escándalo y fue condenado a dos años de cárcel por un tribunal de Seúl. Ha costado casi 10 años de intenso trabajo lograr la clonación humana y lo más curioso es que la clave ha sido utilizar la cafeína.

Recomiendo leer a Gretchen Vogel, “Human Stem Cells From Cloning, Finally,” News & Analysis, Science 340: 795, 17 May 2013, y a David Cyranoski, “Human stem cells created by cloning. Breakthrough sets up showdown with induced adult lines,” Nature 497: 295–296, 16 May 2013. El artículo técnico es Masahito Tachibana et al., “Human Embryonic Stem Cells Derived by Somatic Cell Nuclear Transfer,” Cell, AOP, 15 May 2013. La cafeína se introdujo en la clonación de monos en S.M. Mitalipov, “Reprogramming following somatic cell nuclear transfer in primates is dependent upon nuclear remodeling,” Human Reproduction 22: 2232-2242, 2007.

En español recomiendo leer a Nuño Domínguez, “La clonación humana, cuestión de cafeína,” esMateria, 17 mayo 2013, y a Alfredo Pascual, “Nuestra generación no verá un órgano clonado, y mucho menos un ser humano,” El Confidencial, 17 mayo 2013.

Cuando el fin justifica los medios

El dogma central de la biología molecular, propuesto por Francis Crick en 1958, reza que todo gen (codificante) se transcribe en ARN mensajero que se traduce en una proteína. Hoy sabemos que las cosas nunca fueron tan sencillas. Un estudio del ADN de la levadura de la cerveza (S. cerevisiae) ha mostrado que, aunque contiene unos 6000 genes codificantes de proteínas, produce 1,88 millones de transcritos de ARN. Estas moléculas de ARN se llaman isoformas de transcripción (TIF por sus siglas en inglés) y tienen diferentes secuencias de inicio (5′) y final (3′). ¿Cuál es su función biológica? Lo más fácil es decir que su papel es regular la expresión de otros genes, pero esta función ha sido demostrado sólo en unos cientos de casos. La mayoría de los TIF podrían no tener ninguna función biológica, siendo un subproducto irrelevante de la maquinaria de transcripción. ¿Podrían tener algún papel en la evolución? Como es obvio, el contenido de TIF en un momento dado de una célula dentro de una población la diferencia de todas las demás y quizás podría proporcionarle la oportunidad de estar mejor adaptada a cambios en su entorno. Quizás esta gran diversidad de ARN transcritos sea una de las razones por la que es difícil matar a todas las células cancerosas de un tumor. Así finaliza su News & Views, cuyo titulo he copiado, B. Franklin Pugh, ”Molecular biology: The ends justify the means,” Nature 497: 48–49, 02 May 2013, quien se hace eco del artículo técnico de Vicent Pelechano, Wu Wei and Lars M. Steinmetz, “Extensive transcriptional heterogeneity revealed by isoform profiling,” Nature 497: 127–131, 02 May 2013.

El “arte” de la filogenética molecular

Cuando se habla de artes y ciencias (Arts & Sciences) la ingeniería se encuentra justo en la mitad, siendo en muchos casos arte y ciencia a partes iguales. Los algoritmos bioinformáticos utilizados en biología molecular para obtener un árbol filogenético son muy sencillos, pero la práctica del “arte de la filogenética molecular” sólo se aprende con la experiencia. Un buen arbol filogenético depende de qué genes (o secuencias dentro de ellos) se seleccionen y alineen, y de cómo se estime el efecto del entorno y de la evolución por selección natural en los organismos estudiados. Para el experto no hay ningún problema, por eso es un experto, pero la situación para el profesor que tiene que enseñar este arte no es fácil, pues incluso un gran “artista” puede que no sepa explicar de forma adecuada cómo decide cuando su obra es “perfecta” y está acabada. Un análisis filogénetico de 1070 ortólogos de 23 genomas de levadura ha permitido obtener 1070 árboles filogenéticos diferentes. ¿Cuál es el mejor entre todos ellos? ¿Existe el árbol filogenético óptimo? ¿Cómo debe lidiar el filogenetista molecular con este problema? Supongo que pensarás que me como mucho el coco, pero al menos no soy el único: Leonidas Salichos, Antonis Rokas, “Inferring ancient divergences requires genes with strong phylogenetic signals,” Nature 497, 327–331, 16 May 2013. Por cierto, los algoritmos bioinformáticos de filogenética molecular son parte del contenido que imparto a mis alumnos. ¡Cosas bolonias!

PS (17 mayo 2013): Por cierto, dos genes de dos especies de seres vivos son ortólogos si su origen evolutivo es un único gen de un ancestro común a ambos. La aplicación a los 1070 árboles filogenéticos diferentes obtenidos de las técnicas de bootstrap y de selección de árboles de consenso reduce las incongruencias, pero en ningún caso logra que en todos los nodos se supere un consenso del 50%. Más aún, cientos de estos árboles filogenéticos muestran “errores graves” agrupando especies “lejanas” como si hubieran divergido hace muy poco.

El capitalismo bacteriano

Me ha sorprendido que en Nature se hable de “capitalismo bacteriano” en alusión a la semejanza entre el principio “los ricos se hacen más ricos” (que dicen que es propio del capitalismo) y la dinámica de ciertas poblaciones de bacterias. En realidad se trata de un ejemplo de realimentación positiva en la formación de biopelículas bacterianas. Como las hormigas que dejan feromonas a su paso para marcar el rastro del camino que recorren, la bacteria Pseudomonas aeruginosa excreta un polisacárido adhesivo (llamado Psl); los lugares con mayor cantidad de Psl son los lugares donde la biopelícula bacteriana es más gruesa. La razón es un proceso bioquímico de realimentación positiva: las bacterias pasan más tiempo en las áreas más visitadas porque en ellas hay depositada mayor cantidad de Psl y depositan allí una mayor cantidad de Psl por ello. Gracias a este proceso se forman biopelículas bacterianas multicelulares que muestran autoorganización social. La descripción matemática se rige por una ley de potencias (no entraré en más detalles). ¿Para qué puede servir todo esto? Entender el comportamiento de las colonias bacterianas permitirá desarrollar fármacos para evitar infecciones e inhibir la colonización bacteriana. El curioso titular que asocia estos comportamientos bacterianos con el capitalismo es de Ute Römling, “Microbiology: Bacterial communities as capitalist economies,” Nature, News & Views, 08 May 2013, quien se hace eco del artículo técnico de Kun Zhao et al., “Psl trails guide exploration and microcolony formation in Pseudomonas aeruginosa biofilms,” Nature, AOP 08 May 2013.

Una cámara que imita al ojo de los insectos

Ver el mundo a través de los ojos de un insecto puede parecer poco útil, pues nuestros ojos son mucho más sofisticados. Sin embargo, una cámara digital que imite el ojo compuesto de un insecto, su visión panorámica del mundo y su gran profundidad de campo podría tener aplicaciones interesantes en robótica y medicina. Nuestros ojos se basan en una lente que en enfoca la luz en una matriz de fotorreceptores colocada en el plano focal de la lente, lo que permite una sensibilidad óptima a los fotones y una alta resolución espacial. Los ojos facetados o compuestos se componen de cientos o miles de unidades ópticas (facetas), cada una con su propia lente y conjunto de fotorreceptores. Su sensibilidad a la luz es baja (sólo aceptan fotones en ciertas direcciones) y su resolución también (está limitada por el número de facetas). John A. Rogers (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EEUU) y sus colegas han fabricado una cámara digital elástica capaz de pasar de una geometría plana a una forma casi hemisférica (160 grados), gracias a un diseño que combina una matriz de 180 microlentes elásticas con una matriz de fotodetectores deformable. La clave es un diseño basado en dos capas alineadas de forma perfecta (para evitar aberraciones ópticas). Estos nuevos “ojos” son ideales para pequeños robots voladores, en los que las lentes de tipo ojo de pez son caras y pesadas. Nos lo cuentan Alexander Borst, Johannes Plett, “Optical devices: Seeing the world through an insect’s eyes,” Nature 497: 47-48, 02 May 2013. El artículo técnico es Young Min Song et al., “Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye,” Nature 497: 95–99, 02 May 2013.

Simulan la interacción entre genotipo y desarrollo embrionario en la evolución del fenotipo de un diente

Las simulaciones por ordenador de la evolución se suelen centrar en el genotipo y en el fenotipo, obviando el papel del desarrollo embrionario. Dos españoles publican en Nature una simulación de la evolución del diente de los mamíferos que lo tiene en cuenta. Isaac Salazar-Ciudad, ahora en la Universidad de Helsinki, Finandia, que fue Contratado Ramón y Cajal en la Universidad Autónoma de Barcelona, España (no quiero entrar en una discusión de la “fuga de cerebros,” pero estamos en un caso claro), y su estudiante de doctorado Miquel Marín-Riera (UAB), han estudiado la  evolución de la morfología de la forma tridimensional del diente con énfasis en los mecanismos de regulación genética durante el desarrollo embrionario. Este tipo de simulación permite determinar qué aspectos de la morfología 3D evolucionan de forma más fácil. Más información en español en UAB, “Simulan en 3D la evolución por selección natural de la forma de órganos complejos,” SINC, 1 mayo 2013. Para información divulgativa más técnica recomiendo P. David Polly, “Evolution: Stuck between the teeth,” Nature AOP 01 May 2013; el artículo técnico es Isaac Salazar-Ciudad, Miquel Marín-Riera, “Adaptive dynamics under development-based genotype–phenotype maps,” Nature AOP 01 May 2013.

Francis en ¡Eureka!: La cultura entre las ballenas jorobadas y otros animales

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, que puedes disfrutar siguiendo este enlace. Como siempre una transcripción libre del audio.

El ser humano vive en sociedad y bajo cierta cultura, que nos influye desde que nacemos. Muchas veces se ha dicho que la educación cultural nos diferencia de los demás animales. ¿Hay cultura entre los animales? Las personas aprendemos unas de otras mucha información necesaria para nuestras vidas, pero además transmitimos esta información a nuestros descendientes en forma de acerbo cultural. Que un comportamiento sea natural o cultural no tiene nada que ver con el nivel de complejidad o la importancia de dicha conducta, sino sólo con el modo en que se trasmite la información necesaria para su ejecución. Los hábitos culturales se aprenden. La cultura está bien documentada en los chimpancés, de hecho, son animales muy culturales y no existe una cultura común de todos los chimpancés como especie. Cada grupo tiene sus propias tradiciones sociales, alimentarias, sexuales,  y por ello todos los intentos de reintroducir en la selva a los chimpancés criados en cautividad fracasan, porque desconocen la cultura del grupo de chimpancés silvestres en el que se incorporan. El problema es que demostrar la existencia de cultura en otros animales es muy difícil. Lo ideal sería estudiar un nuevo comportamiento desde su origen hasta su integración en todo el grupo. Por primera vez se ha logrado hacerlo con una técnica de alimentación en las ballenas jorobadas llamada “lobtail” o golpear con la cola.

Recomiendo leer a Karen Ravn, “Humans are not the only copycats. Imitation drives culture development in some monkey and whale species,” Nature News, 25 Apr 2013; el artículo técnico Jenny Allen, Mason Weinrich, Will Hoppitt, Luke Rendell, “Network-Based Diffusion Analysis Reveals Cultural Transmission of Lobtail Feeding in Humpback Whales,” Science 340: 485-488, 26 Apr 2013, y Erica van de Waal, Christèle Borgeaud, Andrew Whiten, “Potent Social Learning and Conformity Shape a Wild Primate’s Foraging Decisions,” Science 340: 483-485, 26 Apr 2013.

Un moho diseña mapas de carreteras con orografía 3D

Un moho “puede encontrar el camino más corto en un laberinto” y “diseñar una red de ferrocarriles,” pero no sólo en un plano, también en la topografía tridimensional de un país. Adreww Adamatzky (Univ. West of England, Bristol, Reino Unido) ha estudiado los caminos que recorren los tubos de masa protoplasmática del moho Physarum polycephalum en mapas tridimensionales de varios países (EEUU, Alemania, Reino Unido, Rusia, etc.) demostrando que las autopistas más largas de estos países (Route 20 en EEUU, Autobahn 7 en Alemania, etc.) son óptimas, según el moho. Un artículo realmente curioso y muy bien ilustrado con gran número de fotografías. El artículo técnico es Andrew Adamatzky, “Route 20, autobahn 7 and Physarum polycephalum: Approximating longest roads in USA and Germany with slime mould on 3D terrains,” arXiv:1211.0519, 2 Nov 2012.

Análisis mediante vídeo de la red social de las hormigas

Las hormigas viven en sociedades en las que el trabajo se divide entre diferentes grupos de obreras. ¿Cómo se comunican y reparten el trabajo entre sí? Se publica en Science un estudio mediante vídeo del comportamiento individual de las hormigas de 6 colonias durante 41 días que ha permitido identificar tres grupos distintos de obreras (enfermeras, limpiadoras y recolectoras) que se diferencian en su conducta y en cómo interaccionan entre sí y con las demás. La red social en la colonia de hormigas Camponotus fellah está controlada por la edad (las hormigas empiezan siendo enfermeras, pasan a limpiadoras y acaban siendo recolectoras) y por la localización espacial de las obreras en el hormiguero. En este sentido, la red social de las hormigas es similar a la de las abejas. El artículo técnico es Danielle P. Mersch, Alessandro Crespi, Laurent Keller, “Tracking Individuals Shows Spatial Fidelity Is a Key Regulator of Ant Social Organization,” Science, AOP Apr 18, 2013 [Science DOI]. Ver también Elizabeth Pennisi, “The Private Lives of Ants,” News Focus, Science 340: 270, 19 Apr 2013.

Cómo funciona CLARITY, la técnica que vuelve transparente un encéfalo

CLARITY es el nombre de una técnica que permite que órganos de seres vivos (extraídos del cuerpo) se vuelvan ópticamente transparentes y permeables a macromoléculas. Mediante una tinción adecuada se pueden ver las células individuales, así como estructuras intracelulares e incluso complejos protéicos (en el encéfalo de un ratón se pueden ver todas las neuronas, sus conexiones (conectoma), e incluso los neurotransmisores). Los órganos donados para investigación “renacen” gracias a esta nueva técnica, que sustituye al uso de cortes y a las técnicas de reconstrucción 3D basadas en tomografía. El vídeo de youtube que abre esta entrada no deja lugar a dudas, esta técnica será de uso común en los próximos años y nos permitirá disfrutar de cosas que hasta hoy sólo podíamos imaginar. El artículo técnico es Kwanghun Chung et al., “Structural and molecular interrogation of intact biological systems,” Nature, AOP 10 April 2013; recomiendo ver los 17 vídeos de la información suplementaria (a partir de los cuales se ha editado el vídeo youtube), merecen la pena. También recomiendo leer a Helen Shen, “See-through brains clarify connections. Technique to make tissue transparent offers three-dimensional view of neural networks,” Nature 496: 151, 11 Apr 2013.

Alimentómica, un nuevo enfoque a las ciencias de la nutrición y de los alimentos

Genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica, … Vivimos en la era de la “narcisómica” como decía Carina Dennis en Nature. Hay ómicas de todo lo habido y por haber, incluso de las ciencias de los alimentos y de la nutrición. Ya existían la nutrigenómica y la nutrigenética, pero para englobarlas el español Alejandro Cifuentes, del Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación, CIAL (UAM-CSIC), introdujo en el año 2009 la alimentómica (foodomics en inglés, que a Cifuentes le gusta traducir por foodómica); en realidad el término ya había sido usado en páginas web desde 2007, pero su primera aparición en una revista impactada es de Cifuentes. Según la página web del Laboratory of Foodomics, la alimentómica denomina una “nueva disciplina que emplea técnicas ómicas para investigar los alimentos, incluyendo sus múltiples conexiones con la nutrición y la salud.” El secreto, como el de todas las ómicas, es el empleo de herramientas de alto rendimiento para el análisis masivo de datos, lo que llaman big data, en el contexto de las ciencias de los alimentos y con el objetivo de mejorar la nutrición humana y sus consecuencias para la salud. JAL nos los contó de forma breve en “Entre Probetas” (escucha el audio del programa de RNE). En Diciembre de 2012 la revista Analytical Chemistry dedicó la portada a la alimentómica. Aunque todavía no forma parte del Omics Gateway de Nature, auguro que no faltará mucho para ello.

Francis en ¡Eureka!: Robots biomiméticos de Boston Dynamics

El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, ya está disponible. Si te apetece escucharlo, sigue este enlace. Como siempre, una transcripción libre del audio.

Los militares necesitan robots capaces de moverse en un campo de batalla por un terreno con todo tipo de accidentes (arena, rocas, fango, nieve, etc). Los proyectos DARPA son los mayores impulsores de la robótica móvil. ¿Cómo se logra desarrollar este tipo de robots todo terreno? Los robots todo terreno son un gran reto para los ingenieros. Para diseñar estos robots se suele imitar el comportamiento de animales, es decir, se usa la  biomimética. La selección natural durante cientos de millones de años ha permitido que muchos animales evolucionen hasta adquirir sistemas de locomoción realmente sorprendentes y muy eficientes en consumo energético. Muchos ingenieros especialistas en robótica se inspiran o tratan de imitar estos sistemas de locomoción en sus proyectos. Siempre, el primer paso es estudiar la biomecánica del movimiento del animal, desvelar sus secretos para poderlos incorporar al diseño del robot. Hoy vamos a hablar de los robots biomiméticos de la compañía Boston Dynamics, fundada por el ingeniero Marc Raibert del Instituto Técnico de Georgia (el Georgia Tech) situado en Atlanta (EEUU), que recientemente ha sido noticia por la publicación en la prestigiosa revista Science de su último robot.

Lograr que un robot camine por la arena del desierto no es fácil. Muchos oyentes recordarán lo que le pasó a Spirit, el rover marciano de la NASA, que quedó atrapado en la arena de Marte en mayo de 2009. Spirit tenía seis ruedas todo terreno pero no pudo escapar. El nuevo robot de la compañía Boston Dynamics hubiera podido escapar de la arena por que no utiliza ruedas sino patas. Se llama RHex y es un hexápodo. Cada una de sus seis patas imita el movimiento de las patas del lagarto de cola de cebra (Callisaurus draconoides), un lagarto que se mueve a gran velocidad sobre la arena del desierto sin hundirse. El movimiento de las patas de este lagarto es parecido a las brazadas de un nadador en el agua de una piscina, casi es como si el lagarto “nadara sobre la arena”. Los investigadores han estudiado en detalle las fuerzas que ejercen las patas sobre los granos de arena y las han utilizado para diseñar la forma y el algoritmo de control de cada pata del robot. RHex es un pequeño robot de 13 centímetros y 150 gramos, pero es capaz de moverse a 2,5 kilómetros por hora sobre arena. Si el rover Spirit hubiera tenido un diseño similar hubiera podido escapar de la trampa de arena marciana sin problemas.

Más información en “El ‘sprint’ de los lagartos inspira un robot para conquistar mundos arenosos,” esmateria.com, 22 Mar 2013, que incluye el siguiente vídeo.

Varias noticias de ciencia que te pueden interesar

El material sólido más ligero del mundo es un aerogel de grafeno con una densidad de 0,16 miligramos por centímetro cúbico (sólo el doble de la densidad del hidrógeno) y menos denso que el helio. Este material esponjoso se fabrica por liofilización (congelación y posterior deshidratación por sublimación en una cámara de vacío) a partir de óxido de grafeno y carbono. El grafeno y sus derivadas son un gran pozo de sorpresas. Nos lo han contado Damien Gayle, “Scientists develop lightest solid material ever which can balance on top of a flower,” Daily Mail, 20 Mar 2013, Michael Rundle, “Graphene Aerogel Is The World’s New Lightest Material,” Huffington Post UK, 26 Mar 2013, y “Solid carbon, springy and light,” Nature 494: 404, 28 Feb 2013.

Los interesados en los detalles técnicos de su fabricación y caracterización pueden consultar Haiyan Sun, Zhen Xu, Chao Gao, “Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels,” Advanced Materials, AOP 18 Feb 2013, y Han Hu, Zongbin Zhao, Wubo Wan, Yury Gogotsi, Jieshan Qiu, “Ultralight and Highly Compressible Graphene Aerogels,” Advanced Materials, AOP 18 Feb 2013.

Nueva posible causa del síndrome de despoblamiento de las colmenas. Una exposición simultánea a dos pesticidas de uso común en apicultura para matar el ácaro Varroa, que afecta a las abejas, llamados neonicotinoides y coumaphos, pueden afectar al sistema nervioso de las abejas, dificultando su aprendizaje y provocando que olviden el emplazamiento de sus fuentes de alimento. La magnitud de este efecto de los pesticidas sobre el síndrome de despoblamiento de las colmenas todavía no ha sido estimada, pero parece claro que se trata de un nuevo factor a tener en cuenta en este problema multifactorial. Nos lo han contado ”Los pesticidas vuelven tontas a las abejas,” Ciencia, ABC.es, 27 Mar 2013, y Rebecca Morelle, “Neonicotinoid pesticides ‘damage brains of bees’,” BBC Science News, 27 Mar 2013. Los artículos técnicos, para los interesados en los detalles, son Mary J. Palmer et al., “Cholinergic pesticides cause mushroom body neuronal inactivation in honeybees,” Nature Communications 4: 1634, 27 March 2013, y Sally M. Williamson, Geraldine A. Wright, “Exposure to multiple cholinergic pesticides impairs olfactory learning and memory in honeybees,” The Journal of Experimental Biology, AOP Feb 7, 2013.

Colisionadores de partículas compactos usando láseres. Los láseres de fibra óptica son muy compactos lo que permite integrar miles de ellos para obtener fuentes láser de muy alta potencia (petavatios), suficiente para utilizarlos para diseñar un colisionador de partículas compacto. P0r ahora todo se queda en un diseño teórico con gran número de inconvenientes prácticos (como el ajuste preciso de la fase de todos los láseres). Quizás el futuro de los grandes colisionadores como el LHC pase por estos nuevos diseños basados en láseres. Nos lo ha contado ”Scientists propose revolutionary laser system to produce the next LHC,” PhysOrg, Mar 28, 2013, que se hace eco del artículo técnico de Gerard Mourou, Bill Brocklesby, Toshiki Tajima, Jens Limpert, “The future is fibre accelerators,” Nature Photonics 7: 258-261, 27 March 2013.

La primera imagen óptica de un planeta tipo “Tatooine” (que orbita dos estrellas) gracias a un telescopio del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile. “Según han explicado los expertos, el objeto, llamado catchily 2MASS0103 (AB) b, tiene “una doble vida.” Es tan grande que también puede ser una estrella fallida con una órbita relativamente apretada alrededor de las estrellas binarias centrales. La imagen se tomó en noviembre del año pasado. El posible planeta tiene una masa entre 12 a 14 veces la masa de Júpiter, lo que lo coloca cerca de la línea divisoria entre planetas y enanas marrones; además, orbita a las dos estrellas una distancia de alrededor de 12,5 millones de kilómetros, por lo que podría haber nacido a partir del disco de polvo que las rodea. Nos lo han contado en “Obtienen la primera imagen directa de un planeta que orbita dos soles,” Europa Press, 27 Mar 2013. El artículo técnico es P. Delorme et al., “Direct imaging discovery of 12-14 Jupiter mass object orbiting a young binary system of very low-mass stars,” arXiv:1303.4525, 19 Mar 2013 (Accepted in A&A Letters).

¿Por qué los escarabajos verdes son verdes?

Los escarabajos verdes deben su color a la estructura multicapa (superred óptica) de sus élitros (alas externas endurecidas). Están formados por capas alternas de diferente índice de refracción (1,55 y 1,68) con un grosor cada una de unos 0,09 μm. La estructura multicapa da lugar a la aparición de bandas prohibidas (bandgaps) en las que toda la luz se refleja (R=1), o ninguna se transmite (T=0); una de estas bandas está en el intervalo de longitudes de onda entre 567 nm y 597 nm, siendo la responsable del bello tono verde que les caracteriza. Para analizar la reflexión y transmisión de la luz en una estructura multicapa de N capas, se calculan para una celda unidad y se utiliza una relación de recurrencia que obtiene el resultado para N capas a partir del resultado de N-1 capas. Para la celda unidad hay que tener en cuenta la reflexión total interna que conduce a múltiples reflexiones de la luz antes de escapar de la superred. Los cálculos son sencillos (de hecho, yo he publicado cálculos similares, pero cuánticos, para superredes fractales). Los interesados en los detalles disfrutarán con Ariel Amir, Peter Vukusic, “Elucidating the stop bands of structurally colored systems through recursion,” Am. J. Phys. 81: 253-257 (2013). Por cierto, los escarabajos verdes que aparecen en la fotografía son (a) Torynorhina flammea chicheryi, (b) Chrysochroa raja, y (c) Gastrophysa viridula. Debajo aparece la estructura de sus élitros observada mediante imágenes TEM (microscopio electrónico de transmisión).

La estructura del canto de los pájaros

¿Cuál es la unidad básica del habla? ¿La palabra, la sílaba o el fonema? Para responder a esta cuestión los lingüistas llevan décadas estudiando el canto de los pájaros. Hay estudios que afirman que se trata de la sílaba (unidad con una duración entre 0,1 y 0,25 segundos), mientras que otros apuntan a unidades menores de 0,1 segundos, llamadas “detalles” (gestures en inglés). Nature ha publicado un estudio neurológico en el pinzón cebra (Taeniopygia guttata) que apoya la teoría de los “detalles” (como unidades que conforman las sílabas). Ana Amador (Univ. Chicago) y sus colegas han estudiado las neuronas de una zona del encéfalo llamada HVC (High Vocal Center), esencial para el canto de las aves. La actividad de estas neuronas ha sido registrada mientras los pájaros cantan y cuando se reproduce una grabación de sus cantos mientras están dormidos. Al comparar estas señales se ha descubierto que la actividad de estas neuronas ocurre en las transiciones entre “detalles,” lo que sugiere que estos son las unidades básicas del canto. Obviamente, no se trata de la respuesta definitiva a la cuestión sobre la unidad básica del habla, pero apunta a que la respuesta está en los fonemas. Nos lo cuenta Todd W. Troyer, “Neuroscience: The units of a song,” Nature AOP 27 Feb 2013, que se hace eco del artículo técnico de Ana Amador, Yonatan Sanz Perl, Gabriel B. Mindlin, Daniel Margoliash, “Elemental gesture dynamics are encoded by song premotor cortical neurons,” Nature AOP 27 Feb 2013.