Estrellas, litio y búsqueda de vida inteligente en exoplanetas

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En la “Resolución computacional de la paradoja de Fermi por Carlos Cotta de la Universidad de Málaga,” 22 Julio 2009, Carlos proponía un proceso de búsqueda de vida en nuestra galaxia basado en recorrer “aleatoriamente” estrellas, buscar si tienen planetas, y observar en dichos planetas alguna señal de vida inteligente. Obviamente, todos pensamos que una búsqueda de ese tipo estará sesgada, sólo se buscará vida en las estrellas en las que esperamos que haya vida. Todavía no se sabe qué características del espectro de una estrella garantizan que tiene un sistema planetario suficientemente antiguo como para que pueda haber vida y vida inteligente. El nuevo trabajo que se ha publicado esta semana en Nature realizado por científicos del Instituto Astrofísico de Canarias (IAC) es un primer paso hacia dicho objetivo: caracterizar mediante el espectro de la luz emitida por una estrella si dicha estrella tiene planetas suficientemente antiguos como para albergar vida inteligente. Es un primer paso y este problema requerirá mucho más tiempo para ser resuelto. En español podéis leer sobre dicho estudio en muchos foros, yo recomiendo a Kanijo, “El litio, nueva clave para la búsqueda de sistemas planetarios,” Ciencia Kanija, 12 Nov. 2009, basado en una nota de prensa del IAC con el mismo título del 11 Nov. 2009. Los interesados en detalles algo más técnicos pueden recurrir a la excelente exposición de Marc Pinsonneault, “Astrophysics: A fossil record for exoplanets,” News & Views, Nature 462: 168-169, 12 Nov. 2009, o incluso al artículo técnico de Rafael Rebolo y sus coautores, que en este tipo de temas suele ser legible, Garik Israelian (IAC), Elisa Delgado Mena (IAC), Nuno C. Santos, Sergio G. Sousa (IAC), Michel Mayor, Stephane Udry, Carolina Domínguez Cerdeña (IAC), Rafael Rebolo (IAC) & Sofia Randich, “Enhanced lithium depletion in Sun-like stars with orbiting planets,” Letter, Nature 462: 189-191, 12 November 2009.

Las dos figuras que abren esta entrada son, en mi opinión, las más reveladoras de los artículos de Pinsonneault (izquierda) e Israelian et al. (derecha). Como muestra la figura de la izquierda, la abundancia de litio nos permite diferenciar entre estrellas tipo solar jóvenes y viejas. Más aún, el nuevo estudio ha encontrado que también permite diferenciar entre las que tienen planetas (sistemas planetarios) y las que parece que no los tienen. En la figura de la derecha se muestran las estrellas con planetas como puntos rojos, las que no los tienen con círculos negros y nuestro Sol con un punto negro rodeado de un círculo rojo. Como véis la abundancia de litio, con los datos actuales, parece una condición suficiente en estrellas viejas para la existencia de planetas, pero no parece, como dirían los matemáticos, una condición necesaria. Estudios futuros refinarán estos resultados y quizás cuantificarán las posibilidades de que una estrella albergue vida o incluso vida inteligente mirando sólo su espectro.

La abundancia de litio en la superficie del Sol es 140 veces menor que la habitual en una protoestrella del mismo tipo, aunque la temperatura de la zona convectiva o manto solar, debajo de la superficie hasta el borde del núcleo, no permite el consumo de litio. ¿Pasa lo mismo con otras estrellas de tipo solar? El nuevo estudio muestra que las estrellas de tipo solar presentan un porcentaje de litio muy bajo en su superficie cuando tienen planetas a su alrededor y no tan bajo cuando no los tienen.

¿Por qué la abundancia de litio superficial está relacionada con la presencia de planetas? El combustible natural de una estrella tipo solar es el hidrógeno, por lo que la abundancia de litio es un buen indicador de la edad de una estrella. Las viejas han consumido mucho hidrógeno que han convertido en elementos más masivos, como el litio. Pero la cantidad de litio encontrada en este estudio en estrellas con sistemas planetarios es mucho menor de la que se esperaría en función de su edad. ¿Dónde ha ido a parar dicho litio faltante? El poco litio en la superficie sugiere que la superficie de la estrella ha estado más caliente en el pasado (unos 2.5 millones de Kelvin) de lo que actualmente está. Se estima que decrece de unos 2 millones de Kelvin cerca del núcleo a unos 6.000 K en la superficie, siendo esta estructura térmica de la estrella bastante bien conocida gracias a los modelos teóricos y las medidas sísmicas.

¿Cómo puede haber influido el nacimiento de los planetas en un calentamiento temprano de la superficie solar? El disco de acreción alrededor de la protoestrella, a partir del cual se ha formado el sistema planetario, está en rotación y produce fricción que calienta la superficie de la estrella. Se cree que dicho calor puede ser la causa del consumo de litio. Cuando el sistema planetario se ha formado y el disco de acreción ha sido expulsado a los confines del sistema solar (formando un cinturón de Kuiper), la temperatura de la superficie  disminuye, pero el defecto de litio se sigue observando.

Protones como neurotransmisores y Litio para enfermos mentales ¿cómo funcionan?

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Figure 1

Los músculos se contraen cuando una molécula neurotransmisora se libera desde las células nerviosas hasta las células musculares correspondientes. En enero de 2008 se publicó una noticia sorprendente: Protones (partículas elementales subatómicas, que conforman los núcleos del átomo de hidrógeneo, es decir, iones de hidrógeno H+) pueden actuar como neurotransmisores, al menos para el gusano (nemátodo o lombriz intestinal) Caenorhabditis elegans. Lo sorprendente está en que se pensaba que los neurotransmisores tenían que ser moléculas “complejas” con muchos átomos, como las famosas serotonina, antidepresivo, dopamina, para tratamientos de adicción a cocaína, glutamato (“glutamato yeyé“), además, hacía 20 años que no se descubría una nueva molécula neurotransmisora (“H+, the tiniest transmitter“, “Proton Powered Pooping“).

El descubrimiento ha sido llevado a cabo por el grupo de investigación del profesor Erik Jorgensen, director del Brain Institute de la  University of Utah, especialista en el C. elegans, animal extremadamente simple con poco más de 1000 células, y ha sido publicado en el artículo A.A.  Beg et al. “Protons Act as a Transmitter for Muscle Contraction in C. elegans,” Cell, 2008. Los investigadores además han caracterizado las vías metabólicas y sus bases genéticas para los receptores de protones. Ratones modificados genéticamente para que estos receptores estén inhibidos tienen grandes dificultades de aprendizaje. Quizás estos receptores de protones sean claves en nuestra capacidad de aprendizaje. Sólo estudios futuros podrán avanzar en esta línea.

¿Actúan en humanos? Posiblemente sí. Los protones son claves en los ácidos del intestino para nuestra digestión y parece sorprendente que también se encuentren en el cerebro. “Hay bombas de protones presentes en las células intestinales de humanos y ratones. Se piensa que algunas de las bombas producen ácido para digerir los alimentos. ¿Pero por qué existen bombas de protones en el cerebro?”

Hablando de protones como neurotransmisores me viene la cabeza el litio como medicamento, utilizado para tratar el transtorno bipolar (síndrome maníaco-depresivo, una de las causas más importantes de suicidio en la sociedad occidental) y otras enfermedades relacionadas con estados “depresivos”. Hace unos 50 años se descubrió por casualidad sus efectos terapéuticos (“Litio, manía y un error afortunado“) pero hasta hace muy poco tiempo no se ha descubierto cómo actúa realmente (“Lithium’s mood-stabilizing effect is explained“). Parece que el litio interactúa en un “tira y afloja” con el glutamato, el neurotransmisor más importante en el cerebro humano, llamado GABA, al menos según el estudio del grupo de Lowell Hokin de la University of Wisconsin Medical School (John F. Dixon and Lowell E. Hokin, “Lithium acutely inhibits and chronically up-regulates and stabilizes glutamate uptake by presynaptic nerve endings in mouse cerebral cortex,” Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol. 95, No. 14, p. 8363-8368).

Normalmente, una neurona para enviar una señal a su entorno libera un “chorro” (bombea) de glutamato en el espacio entre ella y otra neurona vecina. Para apagar la señal, la neurona emisora reabsorbe el glutamato, mediante el efecto inverso de la bomba. Este glutamato en el interior de esta neurona se almacena para su uso posterior. Cualquier problema en el funcionamiento de este proceso de liberación-reabsorción conduce a niveles inapropiados de glutamato (el inhibidor cerebral es realmente el ácido gamma-aminobutírico GABA que deriva del ácido glutámico mediante descarboxilación).

¿Podrían ser la causa de las depresiones niveles bajos de glutamato? ¿Podrían ser la causa de la euforia (manía) niveles altos de glutamato? Aunque no está demostrado científico, es una hipótesis bastante factible que está siendo estudiada por muchos investigadores. ¿Qué relación tiene el litio con el glutamato (sistema glutamínico)?

Los estudios en ratones han encontrado que el nivel de litio en sangre puede tanto retrasar el sistema de reabsorción de glutamato como acelerarlo. Los investigadores del grupo de Lowell E. Hokin han estudiado tanto muestras de tejido cerebral extraído de ratones y monos, como ratones vivos, que han expuesto a ciertas dosis de litio y han observado cómo varían en éstos los niveles de glutamato. Sus conclusiones van en la línea de que el lito parece que permite estabilizar los niveles de glutamato en un estrecho márgen (homeostásis). En este sentido se empieza a entender cómo el litio tiene un doble efecto que le permite ser útil en maníaco-depresivos tanto estabilizando los periódos de euforia como los depresivos en efermos de síndrome bipolar.

Nueva batería de Litio para el conejito de Duracell ¡y duran, y duran, …! (o la nanotecnología hasta en la sopa)

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La sección “Horizons” de la revista Nature presenta artículos que merece la pena leer, porque no decepcionan. El artículo “Building better batteries“, Armand & Tarascon,
Nature 451, 652-657 (7 February 2008), no es la excepción que confirma la regla.

Todas las baterías están compuestas por dos electrodos conectados por un electrolito (un material conductor de iones) que tienen diferentes potenciales químicos de forma que los electrones fluyen espontáneamente del electrodo de potencial más negativo al de más positivo cuando se conectan a un circuito externo. El electrolito permite el transporte de iones que equilibran el desequilibrio de carga por el transporte de electrones. En las baterías recargables, la aplicación de un voltaje suficientemente alto en la dirección opuesta logra que la batería se rearga (se restituyen los iones transportados).

Maximizar la cantidad de energía almacenada en la batería requiere (1) una gran diferencia de potencial químico entre los electrodos, (2) minimizar el volumen de reactivos por electrón intercambiado, y (3) garantizar que el electrolito no se consume en la batería. Esta tercera propiedad es la gran ventaja de las baterías de las baterías de ión-litio (Sony, 1991) de nuestros teléfonos móviles.

El uso de las baterías ión-litio en automóviles eléctricos, hay unos 800 millones de coches en el mundo, por ejemplo, con baterías típicas de ión-litio de 15-kWh consumiría el 30% de las reservas mundiales conocidas de litio. Sin embargo, el océano contiene cantidades “casi” ilimitadas de litio que hoy en día no se pueden explotar de forma barata. Por supuesto, estos números se minimizan con una buena política de reciclado. Además, las baterías de ión-litio no son todo lo “ecológicas” que nos gustaría, producen unos 70 kg de CO2 por kWh.

Aún así, si queremos que el futuro de la automoción esté en vehículos eléctricos, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de baterías. Las baterías nanotecnológicas y baterías biológicas son la gran esperanza. Entre las primeras, destaca el artículo “High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires,” Chan et al., Nature Nanotechnology 3, pp. 31 – 35 (2008), escrito por investigadores del grupo del Dr. Cui (Universidad de Stanford, EEUU). El silicio es un material ideal como ánodo en baterías de litio ya que tiene un potencial químico de descarga muy bajo y la capacidad de carga (calculada teóricamente) más alta conocida (ideal para automoción eléctrica y para almacenar energía eléctrica utilizando paneles solares). Pero tiene un problema.

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 El ánodo de silicio tiene que absorber iones de litio cargados positivamente durante la carga y devolverlos durante el uso, pero en este proceso su volumen varía muchísimo (hasta un 400%). Por ello, la cantidad de litio que puede almacenar el ánodo de silicio es más pequeña de lo deseable. Para superar esta barrera el Dr. Cui proponen el uso de un “bosque” de nanohilos de silicio (cuyo diámetro es mil veces más pequeño que el grosor de una hoja de papel) sobre un sustrato de acero, un excelento conductor, que permiten almacenar muchos más iones de litio (se hinflan hasta alcanzar 4 veces su tamaño descargados) y permite producir hasta 10 veces más electricidad que una batería ión-litio convencional (ya que el ánodo alcanza el 75% de la capacidad de descarga máxima teórica). Los investigadores creen que esta tecnología se podrá comercializar próximamente.

Los americanos ven la “veta comercial” rápidamente y el Dr. Cui ya está pensando en crear una empresa para colaborar con los fabricantes de baterías. Afortunadamente, la teoría de crecimiento de nanohilos de silicio está bastante avanzada.

Hagamos un poco de futurología. ¿Qué pueden suponer estas baterías “a pie de calle”? Un portátil típico podrá funcionar 40 horas seguidas. Los coches eléctricos podrán recorrer cientos de kilómetros sin necesidad de recarga.

Por supuesto, hay un problema todavía no resuelto: conseguir mejores cátodos (actualmente la gran esperanza de muchos grupos de investigación por todo el mundo).