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29/08/06 La fuerza del mejillón
16/08/06 Un nuevo avance en la carrera hacia el ordenador cuántico
15/08/06 Entrenamiento cerebral
15/08/06 Bebes matemáticos
11/08/06 Con ojos de serpiente
03/08/06 La gigante no se tragó a la enana
01/08/06 Método novedoso en el tratamiento de la celulosa
03/08/06 Importantes avances en el estudio de los priones
27/07/06 El soplo de la vida
La fuerza del mejillón
Las herramientas naturales a menudo tratan de ser utilizadas o copiadas por los científicos para diseñar nuevos materiales. En esta línea, acaba de publicarse un estudio que trata de comprender la sorprendente adherencia de los mejillones en su medio acuático. Estos modestos (y deliciosos) moluscos viven en zonas marinas de poca profundidad formando comunidades de gran tamaño. Se adhieren a las rocas mediante una serie de hilos, parecidos a pelos, que nacen de su pie.
La adhesión es debida a una proteína segregada por el mejillón, y cuyas propiedades son espectaculares: se adhiere prácticamente a cualquier sustrato, tanto inorgánico como orgánico, en medio mojado, con una fuerza que supera a la de cualquier pegamento, natural o artificial, conocido.
La “culpa” parece estar en una molécula que abunda en la composición de esta proteína, un aminoácido poco habitual entre los seres vivos y que se conoce con el nombre abreviado de “dopa”.
Para poder obtener mayor información sobre esta sustancia, se han realizado distintos ensayos con los mejillones, midiendo la fuerza de adhesión en relación con la distancia de unión tanto a materiales orgánicos como inorgánicos.
Con los resultados obtenidos se apreció que la fuerza era mayor cuanto menor era la distancia entre el mejillón y la superficie a la que se adhería. Pero también se encotraron respuestas a la adherencia en las propiedades química extraordinarias de la dopa. Así, se constató que cuando la adhesión se produce en sustancias inorgánicas, la dopa permanece en su estado no oxidado, pero en cambio, con las sustancias orgánicas “¡dopa se oxidaa para mejorar su agarre. Este procedimiento se puede llevar a cabo debido a las condiciones de concentración salina y pH que posee el mar.
El estudio concluye con un análisis sobre la posibilidad de aislar esta sustancia y utilizarla como fijador molecular en distintas superficies y para diversas aplicaciones, como en el campo de la medicina.
H. Lee, N. F. Scherer, P. B. Messersmith. “Single-molecule mechanics of mussel adhesion”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, vol. 103, 12999-13003 (2006).
Un nuevo avance en la carrera hacia el ordenador cuántico
En los últimos años, varios trabajos dirigidos a hacer realidad un ordenador cuántico se han centrado en investigaciones para el control del estado cuántico de un electrón. Investigadores del Instituto Kavli de Nanociencia de Holanda, han mostrado una forma de controlar el espín de un solo electrón utilizando un doble punto cuántico (quantum dot, en inglés).
En los ordenadores convencionales, la información se procesa en forma binaria, es decir, combinaciones de “unos” y “ceros” que llamamos bits. Estos bits pueden tener la forma de una señal electrónica o magnética. En los ordenadores cuánticos, la unidad de información es el “qubit”, cuya realización física debe ser un sistema microscópico con dos estados cuánticos accesibles, por ejemplo, un electrón que puede tener su espín “arriba” o “abajo”.
Uno de los problemas técnicos con los que se enfrenta el desarrollo de ordenadores cuánticos es controlar el estado de espín de un sólo electrón mediante un proceso técnicamente accesible y que sea reversible. Hasta ahora se necesita aplicar campos magnéticos muy intensos en condiciones de bajas temperaturas para conseguir tiempos de relajación pequeños.
Estos investigadores han utilizado un método basado en confinar al electrón en un doble punto cuántico, lo que les permite utilizar condiciones menos extremas para controlar el estado cuántico de espín del electrón. En un doble punto cuántico el cambio de espín se puede hacer pasando un electrón de un punto al otro, lo que es más sencillo que relajar al electrón a un estado “reserva” cuando se usa un solo punto cuántico. Además este método permite una detección del estado de espín mucho menos sensible a las condiciones de medida.
Esto abre nuevas vías para permitir todo tipo de operaciones cuánticas en condiciones menos extremas.
F. Doppens, C. Buizert, K. Tielrooij, I. Vink, K. Nowack, T. Meunier, L. Kouwenhoven, L. Vandersypen. “Driven coherent oscillations of a single electron spin in a quantum dot” Nature, vol. 442. 766-771 (2006)
Entrenamiento cerebral
Entre los simuladores de vehículos de competición y los juegos de estrategia o guerra, en las videoconsolas y los juegos para ordenador se han hecho un hueco últimamente los entretenimientos de agudeza visual y memoria. Sus fabricantes aseguran que ayudan a mejorar las capacidades cerebrales. Ahora, la investigación científica parece apoyar que el uso de este tipo de herramientas puede resultar útil. Según un estudio publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, es posible la mejora de la memoria gracias a un programa de entrenamiento basado en la plasticidad cerebral.
La plasticidad del cerebro es la capacidad de cambio del Sistema Nervioso Central, ya sea para recuperar funciones perdidas, como puede suceder tras un accidente cerebro-vascular, o para adaptarse a nuevos requerimientos ambientales, es decir, para aprender. Nuestro cerebro está evolucionando de modo permanente.
Por otra parte, la pérdida de memoria es un proceso que está íntimamente relacionado con la edad, siendo las personas mayores las más susceptibles de padecerla, aunque no las únicas. Con la intención de subsanar este problema, un grupo de investigadores de la Universidad de California, ha llevado a cabo un programa de entrenamiento basado en la plasticidad del cerebro en el que los participantes fueron 182 personas sanas con edad superior a los 60 años.
El programa de entrenamiento al que los participantes se sometieron requería el uso de ordenadores, con los que se llevaban a cabo actividades relacionadas con la lectura, el lenguaje y la comprensión. El nivel de dificultad de los ejercicios crecía conforme pasaban los días.
El estudió finalizó a los 3 meses y los resultados fueron bastante satisfactorios, observando que los participantes habían experimentado una mejora tanto a nivel de memoria como de percepción, gracias a este programa de entrenamiento del cerebro.
H. W. Mahncke, B. B. Connor, J. Appelman, O. N. Ahsanuddin, J. L. Hardy, R. A. Wood, N. M. Joyce, T. Boniske, S. M. Atkins, M. M. Merzenich. “Memory enhancement in healthy older adults using a brain plasticity-based training program: A randomized, controlled study”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 103, 12523-12528 (2006).
Bebes matemáticos
Por increíble que pueda parecer, se acaba de publicar un estudio cuyas conclusiones proponen que el cerebro de un bebé puede ser capaz de reconocer errores en ecuaciones matemáticas.
Estudios realizados anteriormente ya corroboraban esta hipótesis. En ellos se media el tiempo que varios bebés (de 9 meses de edad) usaban para mirar tanto la solución correcta como la incorrecta, una vez que se les habían planteado las ecuaciones matemáticas (1+1= 2; 1+1= 1; 2-1= 1; 2-1= 2). Este tiempo aumentaba cuando la solución era errónea.
Este nuevo estudio ha intentado ir más allá: ha repetido el método utilizado con anterioridad de manera que dichas ecuaciones eran presentadas al bebé a través de una televisión en la cual aparecían o desaparecían marionetas dependiendo de la ecuación. En este caso se medía el tiempo que permanecían mirando las soluciones y simultáneamente se les realizaba un encefalograma, mediante el cual obtenían información sobre la actividad eléctrica en el cerebro, colocándoles pequeños electrodos sobre la cabeza.
En esta ocasión, el tiempo que pasaba el bebé mirando la respuesta incorrecta también era mayor que cuando era correcta. En principio, se puede sospechar que simplemente el niño presta más atención debido a que no es algo que se espera, que le resulta extraño, sin tener nada que ver con una posible solución matemática. Sin embargo, cuando se estudian los encefalogramas se puede observar que las zonas activadas son distintas dependiendo de si la respuesta es correcta o no. Además las zonas que se activan son las mismas que se activan en un adulto cuando se le proponen dichas ecuaciones. Esto lleva a pensar que la reacción del bebé tenga que ver con un posible cálculo matemático.
Con lo cual este último estudio además de corroborar la idea de que la atención sobre un resultado este relacionada con algo que no esperábamos ver, deja entrever que la capacidad que poseemos para poder detectar un error aritmético la hemos podido adquirir ya en nuestra infancia.
A. Berger, G. Tzur, M. I. Posner. “Infant brains detect arithmetic errors”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, vol. 103, 12649-12653 (2006).
Con ojos de serpiente
Científicos alemanes han desarrollado un modelo que reproduce el mecanismo que utilizan algunas especies de serpientes para detectar y reproducir las imágenes de su entorno en función de la distribución de calor a su alrededor.
Algunos grupos de serpientes, como la temible cascabel y las misteriosas boas, poseen un sistema de detección de la radiación infrarroja, que les permite crear una imagen en dos dimensiones de su entorno, en función de la distribución de calor a su alrededor. Esta misión es llevada a cabo por unas células termosensibles situadas en la membrana de la periferia de los ojos.
En este estudio se llevó a cabo un análisis de la calidad óptica de estas imágenes. Para ello se construyó un modelo que reproducía la distribución de calor en el espacio, utilizando únicamente la distribución de calor dada por la membrana.
El principio óptico que rige la detección de la radiación infrarroja podría explicarse con el ejemplo de una cámara oscura; los rayos de luz reflejados por los objetos entran a través de un pequeño orificio que funciona como una lente y proyecta una imagen invertida. Si este orificio es relativamente grande esto se traduce en una imagen más borrosa. Paradójicamente, las serpientes consiguen buenas calidades de imagen con membranas bastante grandes.
Este estudio explica que este hecho es debido a que, aunque la calidad de la imagen detectada por estas células es baja, la transformación neuronal es alta y pone de manifiesto que el mecanismo óptico de las serpientes posee unas habilidades muy limitadas en comparación con los sistemas de detección de los humanos.
A.B. Sichert, P. Friedel y J.L. van Hemmen. “Snake´s Perspective on Heat: Reconstruction of Input Using an Imperfect Detection System”. Physical Review Letters, vol. 97, 068105(1)-068105(4) (2006).
La gigante no se tragó a la enana
Una enana marrón ha sobrevivido de ser engullida por una estrella gigante roja situada en su proximidad, según un reciente estudio publicado en la revista Nature.
Las enanas marrones son objetos de masa sub-estelar (entre 0.01 y 0.08 veces la masa de nuestro sol), que no son capaces de mantener reacciones nucleares continuas de fusión de hidrógeno, debido a su pequeña masa.
Dentro de la secuencia de cambios que experimenta una estrella a lo largo de su existencia esta el proceso en el cual una enana blanca se transforma en gigante roja. En este proceso se produce una expansión que ocurre cuando la enana blanca ha agotado todo su hidrógeno, combustible de las reacciones nucleares que tienen lugar en el seno de la estrella.
Los investigadores observaron que la enana marrón que formaba parte de un sistema binario junto con una enana blanca, resurgió en lugar de ser literalmente engullida por su compañera durante la fase de expansión. Las observaciones sugieren que el factor determinante que logró salvar a la enana marrón fue su masa.
P.F.L. Maxted, R. Napiwotzki, P.D. Dobbie y M. R. Burleigh. “Survival of a brown dwarf after engulfment by a red giant star”. Nature, vol. 442, 543-545 (2006)
Combustible a partir de la celulosa
Dos investigadores de la Universidad de Japón, han publicado recientemente un artículo en el que describen un nuevo proceso mediante el cual la celulosa puede convertirse en distintos hidratos de carbono más fáciles de procesar, con la ayuda de catalizadores de rutenio y de platino.
La celulosa en la biomolécula más abundante en la Tierra. Se encuentra principalmente en la estructura de las plantas y árboles. Básicamente es un polímero de glucosa. Su estructura en largas cadenas hace que no sea sencillo su procesado para obtener otras sustancias. Por ejemplo, la mayoría de los animales no pueden asimilarla, debido a que en la digestión no pueden romper los enlaces que forman el polímero. Por lo que respecta a la industria, hasta ahora el uso de este polímero se había limitado a obtener papel, plásticos y otros productos de la industria textil a partir de árboles.
Su abundancia y el hecho de que no pueda ser utilizado como alimento hace que la celulosa sea una materia prima atractiva para su aplicación como combustible alternativo y en la industria química. Los productos que se obtienen a partir del proceso ahora publicado, alcoholes derivados de azúcares, son versátiles para estos usos, e incluso se pueden emplear para la obtención de hidrógeno que alimente las pilas de combustible, que serán los productores de electricidad del futuro. Todo esto, reduciendo la quema de combustibles fósiles, y por lo tanto de emisiones de gases con efecto invernadero a la atmósfera.
Una solución sostenible impulsada por la química.
A. Fukuoka, P. L. Dhepe. “ Catalytic conversión of cellulose into sugar alcohols”. Angewandte Chemie, vol. 45, 5161-5163 (2006).Importantes avances en el estudio de los priones
Los priones son proteínas que se pueden encontrar en la membrana neuronal de los mamíferos. En un principio estas partículas no causan daño alguno, pero si sufren desordenes en su estructura pueden acelerar la aparición de enfermedades.
Cuando se ponen en contacto proteínas normales con priones modificados estos últimos provocan un cambio conformacional en la estructura de dichas proteínas causando disfunciones. Estas proteínas en su forma patógena, son las responsables de numerosas enfermedades neuronales degenerativas, entre las que se encuentra el “mal de las vacas locas”.
Dependiendo de las diferentes conformaciones que puedan adoptar, los efectos fisiológicos serán unos u otros. Para intentar tener mayor conocimiento acerca de dichos efectos producidos por estas proteínas infecciosas, se ha llevado a cabo un estudio entre la Universidad de California y una agencia Japonesa que se publica en la revista Nature.
En dicho estudio se ha desarrollado un modelo analítico para poder predecir la propagación del prion. Este proceso consiste en dos fases: una de crecimiento y otra de división en la que se generan nuevos priones. Este modelo fue probado en levaduras y mamíferos (ratones), utilizando priones tanto in vivo como in vitro.
En conclusión un prion puede ser infeccioso o no según su capacidad de división y velocidad de propagación, no existiendo una relación estable. Es importante destacar que este tipo de enfermedades pueden ser transmitidas hereditariamente o por agentes externos.
El impacto social provocado por el mal de las vacas locas, pone de manifiesto la necesidad de seguir realizando avances en este campo.
M. Tanaka, S. R. Collins, B. H. Toyama y J.S. Weissman. “The physical basis of how prion conformations determine strain phenotypes”. Nature, vol. 442, 585-589 (2006).
El soplo de la vida
Un tratamiento de inhalación de óxido nítrico durante las primeras semanas de vida, puede evitar enfermedades respiratorias crónicas en recién nacidos prematuros, según recientes estudios publicados en la revista “The New England Journal of Medicine”.
La displasia broncopulmonar es un trastorno pulmonar crónico que afecta a bebés prematuros cuyos pulmones no se han desarrollado completamente en el momento del nacimiento. Puede estar provocado por el suministro de altas concentraciones de oxígeno durante largos periodos, en la respiración asistida que se suministra a los recién nacidos que presentan dificultades respiratorias.
Estudios previos ya habían demostrado que la inhalación de oxido nítrico provocaba una vasodilatación pulmonar, mejorando de esta forma la oxigenación, pero su eficacia en bebés prematuros era todavía dudosa.
Dos equipos de investigadores estadounidenses han llevado a cabo investigaciones paralelas para estudiar los efectos de la inhalación de este gas en recién nacidos prematuros.
Uno de estos equipos suministró pequeñas concentraciones de óxido nítrico a algunos de los bebes estudiados, mientras que a otros se les proporcionó un placebo. En ambos casos las dosis fueron suministradas antes de las 48 horas después del parto y durante una media de 14 días. Todos los bebes que recibieron oxido nítrico redujeron el riesgo de sufrir daños cerebrales, pero sólo aquellos cuyo peso era superior a 1000 gramos e inferior a 1250 gramos presentaron, además, menor probabilidad de sufrir displasia broncopulmonar y la tasa de mortalidad se redujo en un 50% con respecto a los que no habían inhalado el óxido.
El otro equipo siguió un procedimiento similar, pero suministrando el óxido o el placebo a partir del séptimo día de vida y hasta el día vigésimo primero. En esa investigación se demostró que al cabo de las 36 semanas, el 43.9 % los niños que recibieron óxido nítrico no padecían displasia broncopulmonar. Además, los que inhalaron óxido nítrico registraron demandas de oxígeno durante periodos de tiempo más cortos y permanecieron ingresados menor tiempo con respecto a los que recibieron placebo.
A pesar de que los resultados de estas investigaciones son alentadores, los posibles efectos secundarios en el futuro desarrollo del bebé, están todavía por contrastar.
J.P. Kinsella, M.D.,G.R. Cutter, y otros. “Early Inhaled Nitric Oxide Therapy in Premature Newborns with Respiratory Failure”. The New England Jounal of Medicine, vol. 355, 343-353 (2006).
R. A. Ballard, M.D., W.E. Truog y otros. “Inhaled Nitric Oxide in Preterm Infants Undergoing Mechanical Ventilation”. The New England Jounal of Medicine, vol. 355, 354-364 (2006).
Ventajas y desventajas de los biocombustibles
Durante los últimos años se están buscando alternativas que mejoren las repercusiones medioambientales de los combustibles fósiles. Se buscan combustibles con similar rendimiento energético y que se puedan producir a gran escala como los biocombustibles de etanol y los biodiesel. ¿Pero son una alternativa real?. Un exhaustivo estudio realizado por investigadores estadounidenses compara las ventajas económicas, medioambientales y energéticas de estos biocombustibles.
El estudio se ha hecho sobre combustibles de etanol obtenidos de grano de maíz y biodiesel obtenido de soja. Para hacer una comparación real se han analizado el Balance Energético Neto (NEB), el impacto ecológico, la competitividad económica y la posible producción anual.
Este estudio, a diferencia de otros anteriores, ha utilizado un modelo que tiene en cuenta más factores para dar un resultado más preciso. El NEB está calculado teniendo en cuenta el coste energético de la plantación y de la producción del biocombustible, el impacto ecológico también estima la contaminación que producen los pesticidas para las plantaciones y la competitividad económica cuenta con las subvenciones que se dan a la producción de biocombustibles.
Los biodiesel obtenidos a partir de soja tienen mejores prestaciones que los biocombustibles de etanol. El balance energético neto es mejor, porque se requiere menos energía en el proceso de fabricación. El impacto ambiental es menor porque los pesticidas usados para las plantaciones de maíz, de donde se obtiene el etanol, son en general más agresivos y contienen mayores porcentajes de Nitrógeno y Fósforo y además tiene un tiempo de vida más prolongado que los que se usan en las plantaciones de soja.
Sin embargo, estos biocombustibles tienen una desventaja que hace muy difícil que lleguen a ser competitivos. La cantidad de cultivo que hay que usar para su producción es muy elevada e incluso utilizando toda la producción de maíz y soja de Estados Unidos solo se cubriría entorno a un 12% de las necesidades del mismo país. Además el coste de producción sigue siendo elevado y solo se compensa si se tiene en cuenta la mejora ambiental que produce (mejora social, le llaman los autores) que se debe traducir en un coste económico.
Como conclusión los autores del estudio apuntan a que si se usaran todas las fuentes de biomasa, como residuos de jardines, limpiezas de bosque, etc, se mejorarían los porcentajes de producción y los costes. Sin embargo, según el modelo de consumo que tenemos actualmente, es muy difícil que los biocombusitibles por sí solos cubran esas necesidades.
Probablemente no solo hay que buscar combustibles igual de eficientes y menos contaminantes sino también un modelo de vida con menor consumo.
J. Hill, E. Nelson, D. Tilman, S. Polasky, D. Tiffany. “Environmental, economic, and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels”. Poc. Nat. Asoc. Soc. Vol. 103, 11206-1210 (2006)
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