Blog "Noticias de un espía en el laboratorio". Recopilación de entradas.

Blog “Noticias de un espía en el laboratorio”

Recopilación de entradas

César Menor-Salván

Prefacio

En este documento se presenta una recopilación de las entradas de blog publicadas por mí entre 2009 y 2022, , en el blog “Noticias de un Espía en el Laboratorio”

En 2022, debido al aumento del coste del mantenimiento de la páginas y limitada capacidad económica, decidí suprimir el alojamiento de mis blogs. En esa decisión también influyó la falta de tiempo para escribir en ellos, en un momento en el que ya no había ninguna clase de motivación para mantenerlas.

Antes de que los blogs dejaran de estar online, se recopilaron las entradas y se han coleccionado sin edición alguna. Es decir, el lector encontrará las entradas tal como se publicaron, con sus errores y aciertos, y, simplemente, ordenadas tal cual se vertieron desde la web, sin maquetación ni embellecimiento. Por ello, el lector encontrará saltos de página y cambios de formato un tanto extraños; el objetivo era simplemente recopilatorio, no he tratado en ningún momento de editar las entradas en forma de libro, corregir errores o actualizar datos que hayan quedado obsoletos. Tenga en cuenta el lector que es una recopilación de entradas de blog; el lenguaje, tono y construcción del texto no es el mismo que en un libro tradicional.

Pido disculpas por todo ello, pero, de nuevo, he considerado que no merecía dedicar más tiempo a este proyecto ya cerrado y a un blog que ha dejado de aportarme la mínima motivación para continuarlo.

Aquí, simplemente, he querido dejar constancia de lo que se publicó y ponerlo a disposición de quien pueda considerarlo interesante.

César Menor-Salván

Enero 2023

cómo desinfectar con sal (y mucha química).

El perclorato, mineral de Marte, y la vida.

Septiembre 22, 2018

Hace ya casi 10 años que se publicó un importante descubrimiento: la d etección de perclorato en el suelo de Marte por el laboratorio portátil del Phoenix Mars Lander de la NASA. El último descubrimiento relacionado, con gran impacto en los medios, fue la detección de posible agua líquida en Marte por el radar de la nave Mars Express. Ambos están directamente relacionados, ya que la presencia de gran cantidad de perclorato explica la presencia de agua líquida (que estaría probablemente en forma de una capa de lodos o salmuera bajo hielo). Pero ¿qué es el perclorato y que implicaciones tiene? ¿por qué en Marte la salmuera está formada por sales de perclorato y no por sal común (cloruro)?

El suelo de Marte analizado por el Phoenix Lander. Se ven las huellas de la

pala robótica para la toma de muestra del suelo. La parte oscura en el círculo del sitio “Sorceress” es hielo de agua.

¿Qué es el perclorato?

La fórmula del perclorato es ClO4 - , y es el máximo grado posible de oxidación del cloro. Si hacemos una escala de poder oxidante, iría así:

cloruro (sal común y la forma más abundante del elemento cloro en la Tierra) < cloro elemento (gas) < hipoclorito (lejía normal de la que se usa en casa) < clorito < clorato (componente en pólvoras para pirotecnia) < perclorato.

El perclorato es un oxidante muy fuerte. En las condiciones de temperatura de nuestro planeta, el perclorato es una sustancia peligrosa, que, mezclada con materia orgánica u otros materiales reductores, puede explotar fácilmente. Por ejemplo, una mezcla de perclorato y polvo de aluminio es la base de un

tipo de propelente para cohetes y es un potente explosivo. En 1988, una planta de fabricación de perclorato en Nevada estalló a consecuencia de un fuego accidental que se extendió al stock de perclorato. La explosión de un stock de 4000 libras de la mezcla de perclorato fue comparable a una explosión nuclear de 1 kilotón y destruyó todo en un radio de 3 millas.

Hongo de la explosión de perclorato de Pepcon, en 1988.

Estado de la fábrica de Pepcon tras la explosión (ignoro la fuente de la imagen).

El perclorato, por tanto, es inestable. Se transforma en otros productos al reaccionar con la materia orgánica o cualquier producto susceptible de oxidación, aunque si está seco y aislado y no se calienta, puede conservarse indefinidamente. El perclorato es tóxico e irritante. En especial, produce un fallo en la glándula tiroides, al impedir la entrada de yodo.

Aspecto de los cristales de perclorato amónico puro, obtenidos por cristalización lenta de una solución de perclorato sódico a la que he ido ido añadiendo cloruro amónico y dejando evaporar. El perclorato amónico, menos soluble, cristaliza formando bonitos cristales ortorrómbicos de la misma clase que el mineral estaurolita .

Cristales de cloruro sódico, la forma de cloro más abundante en el planeta Tierra.

Pero lo que nos interesa ahora es una interesante propiedad de las sales de perclorato : son muy solubles en agua y forman una mezcla eutéctica , que, en términos sencillos, es una mezcla que se mantiene líquida a temperaturas más bajas que cualquiera de sus componentes por separado. Por ejemplo, el perclorato de magnesio, una de las sales abundantes en Marte, forma una mezcla con agua que contiene aproximadamente un 40% de perclorato y que se mantiene líquida a temperaturas inferiores a - 70ºC. Ade más, los percloratos son higroscópicos (con g), es decir, tienden espontáneamente a absorber agua.

¿qué ocurre con el perclorato en Marte?

A diferencia de la Tierra, donde el cloro se encuentra casi en su totalidad en forma de cloruro (como la sal que usamos en la cocina, cloruro sódico), en Marte el cloro se encuentra prácticamente en forma de perclorato de magnesio, sodio y

calcio, al menos en la superficie. Todo este perclorato controla el agua de Marte, ya que tiende a absorberla y, en ocasiones, puede formar mezclas líquidas o salmueras de perclorato, que se mantienen líquidas a las bajas temperaturas del planeta y pueden llegar a fluir ocasionalmente.

Formas de erosión en Marte provocadas por flujos ocasionales de salmueras de perclorato (Crédito: NASAJPL).

¿qué consecuencias tiene para la potencial vida en Marte?

La presencia de agua líquida en Marte está condicionada por las altas concentraciones de perclorato presentes. El perclorato es un oxidante muy fuerte. Aunque a baja temperatura es compatible con la materia orgánica y, en pequeña concentración, el perclorato puede ser usado como “sustituto” del oxígeno en la respiración bacteriana, a las concentraciones en las que se encuentra en el suelo de marte, el perclorato no es compatible con la vida tal como la conocemos. El perclorato es un potente precipitante de proteínas (yo lo he usado, de hecho, para la desproteinización

de muestras en análisis de metabolitos) y desnaturaliza el ARN, por lo que, con las aguas muy ricas en perclorato como las que se forman en Marte, no puede sostenerse la vida Lo más importante es que la abundancia de perclorato evidencia la existencia de potentes procesos de oxidación, incompatibles con la vida. Así que, en mi opinión, la superficie de Marte está totalmente muerta. Es estéril. Y, contrariamente a la opinión de muchos periódicos, no, que haya agua líquida no implica que haya vida, más bien al contrario: un agua líquida marciana cargada de perclorato se cargaría cualquier vida tal como la conocemos (no podemos descartar que existan vidas exóticas con procesos bioquímicos alternativos que funcionen a muy baja temperatura y usen oxidantes como el perclorato para respirar). La presencia de perclorato incrementa el poder biocida de los rayos ultravioletas . Por ello, la suma de perclorato+luz solar es letal. La luz ultravioleta transforma el perclorato en lejía (hipoclorito) entre otras cosas, por lo que, incluso considerando vidas “alternativas”, es cuestionable la compatibilidad a medio y largo plazo con la materia orgánica.

En general, la presencia de abundante perclorato en Marte convierte a la superficie del planeta en totalmente inhabitable , por lo que no tiene sentido buscar “vida” tal como la conocemos en ella. Otra cosa son las evidencias moleculares de vida antigua que hayan podido preservarse o la existencia de algún ecosistema microbiológico en el subsuelo, donde no llegue el agua cargada de perclorato.

En una potencial misión tripulada a Marte, los astronautas deben lidiar con el perclorato del suelo. Pero no es todo malo: el perclorato es una fuente potencial de oxígeno gaseoso, por lo que se podría crear una pequeña planta de producción de oxígeno a base de procesar el perclorato concentrado en alguno de los “lagos” ricos en perclorato, que así se convierten en una fuente de agua para beber y de oxígeno.

Una propuesta para la minería de perclorato en Marte y su uso para producir agua, oxígeno y suelo limpio para cultivar, ideada por un grupo de chavales de un instituto en Estados Unidos

(https://experiment.com/projects/pear-perchlorate-extra ction-and-reduction)

¿hay perclorato en la Tierra? ¿cómo se forma el

perclorato?

Si, puede encontrarse perclorato natural en la Tierra, en algunas zonas extremadamente áridas. En los depósitos de nitratos de Chile, el desierto de Atacama, en el Valle de la Muerte en USA pueden encontrarse pequeñas cantidades de perclorato, junto con nitratos. En las condiciones de la Tierra, el perclorato no se puede acumular como en Marte, por eso sólo se encuentra en lugares muy secos y con relativamente poca materia orgánica.

El modelo más interesante para explicar el origen del perclorato, tanto en la Tierra como en Marte, y que encaja bien con la formación de perclorato en los dos planetas, es el de Catling y cols, de 2010 , en el que proponen que el perclorato se origina por fotoquímica atmosférica.

La clave para la formación de perclorato es la irradiación con rayos ultravioletas de cloruros que ascienden, en forma de partículas, polvo o ácido clorhídrico formado en volcanes, a la alta atmósfera. Allí los rayos ultravioletas, el oxígeno y el ozono convierten los cloruros en perclorato, que se deposita en partículas de polvo. Esto explicaría la abundancia de perclorato en Atacama y en Marte, donde las condiciones de sequedad y alta radiación ultravioleta impulsan el proceso.

Modelo de Catling y colaboradores para el origen del perclorato.

Cristales de perclorato amónico. El perclorato nunca se ha descrito como mineral en la Tierra, debido a las dificultades para que forme cristales, por su solubilidad en agua. Estos cristales atrapan mucha agua en su interior y se redisuelven fácilmente dejándolos al aire, donde van absorbiendo agua lentamente. Este proceso es esencial en el ciclo del agua en Marte.

Espero que ésta pequeña discusión haya servido para aclarar un poco las ideas acerca del agua en Marte y su relación con la vida.

El timo de los repelentes de mosquitos por ultrasonidos

Julio 20, 2018

Hoy voy a dar rienda suelta a la función de servicio público que tenemos los científicos, advirtiendo contra uno de los negocios clásicos del verano: los antimosquitos ultrasónicos Se me ocurrió escribir sobre esto tras ver cómo un conocido establecimiento de productos electrónicos vendía estos “repelentes” como churros. Es lógico, ya que, ante la ola de quimiofobia generalizada, el público acoge fácilmente un producto inocuo, aparentemente ecológico, limpio y de larga duración.

¿repelente de mosquitos? mas bien repelente del dinero, que sale de tu bolsillo para nada.

Sin embargo, estos productos carecen totalmente de eficacia. Vamos, que no repelen los mosquitos ni a otros insectos, ni evitan las picaduras ni nada de nada. Éste es un tema más serio de lo que parece, ya que los mosquitos (sensu lato) son

vectores de enfermedades como la malaria o la leishmaniasis.

Cuando estos dispositivos comenzaron a fabricarse no había evidencias científicas suficientes que justificaran el uso de ultrasonidos. Empezando por el hecho de que los mosquitos carecen de oído, al menos en la forma en que lo tenemos otros animales, aunque sí pueden sentir e interpretar vibraciones y sonidos, gracias a sus sensibles antenas plumosas. Prácticamente la única justificación del desarrollo de estos chismes era que las hembras de mosquito fecundadas (las que pican , pues necesitan el alto contenido proteico de la sangre para su puesta de huevos) eran repelidas por el aleteo del macho, que produce una vibración en el rango de ultrasonidos. Ya un artículo de 1985 puso a prueba esta hipótesis, probando generadores de ultrasonidos en el rango de estas vibraciones, encontrando que los emisores de ultrasonidos fallaron totalmente en cuatro especies de mosquitos. Poco tiempo después se demostró que la hipótesis era errónea: Realmente son los machos los que son atraídos por las vibraciones del aleteo de las hembras, que, además, son menos sensibles a los sonidos. Pero la industria del timo electrónico no se iba a detener por ello.

Ejemplo de falta de responsabilidad empresarial: que una conocidísima marca de productos para bebés comercialice un dispositivo antimosquitos ineficaz y que deja a los bebés desprotegidos ante las picaduras de mosquito. ¡ Bravo! Observe que la palabra “ecológico” está ahí. Si consideramos ecológico proteger y favorecer el ciclo vital de los mosquitos, desde luego lo es (esto dicho en modo irónico)

En cualquier caso, había que probarlo; un potencial método tan simple para luchar contra la transmisión de la malaria, de la cual el mosquito es el principal vector, habría sido un gran avance. Del mismo modo, en caso de que no funcionase, vender repelentes ultrasónicos en zonas endémicas de malaria pondría en peligro a la población Por ello se han realizado numerosos estudios para verificar si estos chismes sirven de algo. Ninguno ha podido demostrar que los repelentes u ltrasónicos tengan algún efecto. Parte de estos estudios han sido recogidos en una reciente revisión publicada en 2010 (Enayati A, Hemingway J, Garner P. Electronic mosquito repellents for preventing mosquito bites and malaria infection. Cochrane Database of Systematic Reviews 2007, Issue 2. Art. No.: CD005434. DOI: 10.1002/14651858.CD005434.pub2.). Los datos no pueden ser más elocuentes:

estudio 1: 240 picaduras con repelente frente a 193 picaduras sin repelente estudio 2: 70 picaduras sin repelente. Con repelente, el número de picaduras aumentó un 213% estudio 3: 8.4 picaduras por hora y persona sin repelente. 8.9 picaduras por hora y persona con

repelente.

estudio 4: 14.9 picaduras por hora y persona; 16.8 picaduras por hora y persona con repelente estudio 5: 538 picaduras sin repelente; 561 picaduras con repelente.

estudio 6, el considerado de mayor calidad por los autores (realizado en el año 2000): 22.7 picaduras por persona en promedio sin repelente fr ente a 23.4 picaduras con repelente.

Como veis los repelentes ultrasónicos no sólo no son efectivos, sino que hay una clara tendencia al aumento de posados de mosquitos sobre la persona cuando el “repelente” ultrasónico es activo. La conclusión de los autores no puede ser más clara:

Los repelentes electrónicos para mosquitos carecen de efectividad y su uso no debería ser recomendado. No hay ninguna evidencia de efecto de los repelentes electrónicos en el número de picaduras y no hay evidencia de que éstos repelentes puedan ser útiles en la prevención de la transmisión de la malaria. Dados los resultados de 10 estudios cuidadosamente realizados, consideramos que no merece la pena realizar más investigaciones sobre los repelentes electrónicos de mosquitos, dado que no tienen ningún efecto en la reducción de picaduras o en la prevención de la malaria.

Entonces, ¿por qué se siguen vendiendo como rosquillas este tipo de “repelentes” en supermercados, tiendas de electrónica, etcétera? Pues por una mezcla de ignorancia del consumidor y caradura de las empresas que lo comercializan y los distribuidores que lo venden. Así de simple. Observen ésta página, donde se realizan una serie de afirmaciones destinadas a confundir al consumidor:

“Estos dispositivos son ecológicos, puesto que no precisan de productos químicos, ni de ningún otro aerosol farmacéutico. La mayoría de estos modelos se pueden utilizar tanto en interiores como exteriores, aunque existen modelos capaces de actuar en un radio de acción de hasta 800 metros y son perfectos para jardines o espacios mayores .

Los antimosquitos eléctricos destacan porque :

No utilizan productos químicos.

Son silenciosos.

Adecuados para lugares con niños pequeños , bebés o mascotas.

Son inocuos.”

¿son ecológicos?: consumen energía y no sabemos cómo de “ecológicamente” han sido fabricados. Pero es la clave para venderlos. Basta con poner la etiqueta de “ecológico” para que algo se venda. ¿radio de acción de 800 metros? No, su radio de acción es cero metros . No utilizan productos químicos: cierto en parte, pero apelar a la quimiofobia es otra forma de vender. Lo cierto es que no tiene nada de malo usar productos químicos (se usan para todo, cuando bebes agua estás bebiendo un producto químico) y tampoco sabemos lo ecológica que es la fabricación de estos circuitos electrónicos, que incluyen componentes con productos químicos diversos.

Son silenciosos: cierto. Adecuados para lugares con niños pequeños: si claro. Y para lugares con mosquitos también. Son inocuos: cierto, también para los mosquitos. No voy a comentar otros errores de ese artículo, porque se salen del objetivo de

esta entrada, pero el que más daño me hace a los ojos es el de confundir y desconocer el concepto de teoría. En fin.

Mi recomendación : ahorra tu dinero o inviértelo en un repelente a base de piretroides, que hoy por hoy sigue siendo el método más efectivo en la prevención de picaduras de mosquito en el ámbito doméstico.

Los piretroides, derivados de las piretrinas del crisantemo, siguen siendo nuestro mejor aliado contra las picaduras de mosquito.

Otro repelente popular es el aceite esencial de citronela. Esta esencia se extrae de las plantas endémicas del sur de Asia Cymbopogon nardus y Cymbopogon citratus La citronela ha demostrado ser eficaz en lociones para aplicar sobre la piel, en especial en formulaciones en las que se mezcla con vainillina, si bien su duración y eficacia es menor que las formulaciones con DEET ( N,N ’- dietil - metatoluamida), un repelente sintético muy eficaz que se desarrolló con fines militares y que sigue siendo la mejor opción.

Las velas de citronela, otro producto popular, vendido gracias a la etiqueta de “natural”. No ha podido demostrarse que sean eficaces en la prevención de picaduras de mosquito y su uso como repelente no se recomienda.

Por ello, las lociones con citronela no se recomiendan cuando se viaja a países donde la malaria es endémica, salvo que no haya otra opción. Por otro lado, no ha podido demostrarse que las velas de citronela o dispositivos para evaporar el aceite, otro producto muy popular, tengan eficacia en la reducción de las picaduras de mosquito. Al contrario, algunas especies de mosquito son atraídas por un compuesto llamado sulcatona , emitido por los humanos y que contribuye al olor característico a “humano” que resulta atractivo para el mosquito. Curiosamente, la sulcatona es un componente del aceite de citronela.

Otro producto de moda en el mundo “ecológico pop” es el aceite esencial del árbol de Neem. Ese producto tiene una eficacia muy limitada y no se recomienda su uso como repelente.

Nicotina: evolución y la “inteligencia” de las plantas.

June 18, 2018

Mira estos bonitos cristales:

Y éstos

Son cristales de una sustancia natural, de origen vegetal, extremadamente tóxica. Los cristales de cada una de las fotos (1 cm de campo de visión) bastarían para matar a una persona no muy grande, un niño o un perro. La planta de la que proceden es una de las plantas más tóxicas de nuestro planeta y responsable directa de unos cinco millones de muertes al año. Si, lo adivinaste, es nicotina . Concretamente es tartrato de nicotina (la base libre es un líquido oleoso), extraída de tabaco y purificada por recristalización en alcohol. La nicotina es un alcaloide , una sustancia que contiene nitrógeno, que tiene reacción alcalina (de ahí el nombre) y deriva de aminoácidos mediante una serie de rutas biosintéticas que se dan en plantas, principalmente, además de algunos otros organismos. Muchos alcaloides son tóxicos para animales, lo cual es una defensa natural para la planta (ya hablamos antes de la tubocurarina, un alcaloide aún más tóxico que la nicotina). Los alcaloides y otras sustancias derivadas del metabolismo secundario en plantas son una de las formas de defensa y comunicación de unos seres que no hablan ni se mueven mucho . Pero las plantas hablan: usan el lenguaje de la

Los efectos psicoactivos y adictivos de la nicotina son de sobra conocidos. Se sabe que es más adictiva que la heroína y que tiene un efecto coadyuvante con otros alcaloides; por ejemplo, se sabe que el tabaquismo incrementa la adicción a la cocaína Pero me interesa la toxicidad y como la Bioquímica humana me parece menos interesante, lo que voy a hacer es ponerme del lado de la planta y usarla para explicaros un concepto que normalmente no se entiende bien acerca de la Evolución: Teleonomía, o bien la evolución no tiene objetivo o, si queréis , la evolución no “diseña” en función de la necesidad (la función no hace el órgano, es el órgano el que crea la función).

La nicotina como tóxico

Una forma de referirse a la evolución que induce a error sería

Planta de tabaco. (imagen tomada de aquí )

decir “la función de la nicotina es proteger a la planta de los insectos”. Esto da la idea equivocada de que función = finalidad: Es cierto que la nicotina tiene una función, o, más bien, juega un papel en la biología: evita que los insectos y herbívoros ataquen la planta, pero tendemos a confundir conceptos y pensar que la Naturaleza es una especie de ingeniero. No se diseña la nicotina para que cumpla un fin, o que tenga una función (Lamarckismo), sino que fue una innovación espontánea que proporcionó a la planta de una nueva herramienta, aventajándose frente a sus competidores. En la Naturaleza nada tiene una finalidad, sino que forma parte de una red, un entramado en el que las cosas, simplemente, encajan. No todo tiene finalidad y a veces las aparentes finalidades aparecen con el tiempo, de modo insospechado. Otras cosas las pierden y, simplemente, están ahí. La Naturaleza no busca perfeccionar ni optimizar nada, carece de otro objetivo que no sea preservar lo que tiene. De hecho, la Bioquímica y la Fisiología serían un espanto para un ingeniero: aparentemente es un sistema diseñado por un loco, no optimizado, ineficiente en algunos casos, muy eficiente en otros, lleno de rutas extrañas, ciclos innecesarios y partes que se pueden suprimir.

En todo este lío bioquímico, surge la síntesis de nicotina. En algún momento, por un proceso llamado duplicación de genes, a partir de dos rutas metabólicas básicas en todos los seres vivos (la síntesis de la nicotinamida-adenina dinucleótido y la síntesis de poliaminas), la planta se encontró con una innovación que la proporcionó una gran arma defensiva, lo cual la hace tener un éxito de adaptación. Como decía antes, las plantas hablan entre ellas usando la Química. La ruta de síntesis de nicotina está regulada por algunos productos volátiles, como etileno y un compuesto de olor agradable llamado jasmonato. Cuando un herbívoro come unas hojas, la planta atacada libera jasmonato, avisando a las plantas circundantes de que hay un atacante; el tabaco, entonces,

estimula la producción de nicotina , para envenenar al atacante.

Una planta de tabaco salvaje (llamada “tabaco azteca”) del sur de Norteamérica. Hay varias especies de tabaco y las cultivadas son variedades resultado de selección y cruzamientos a partir de especies salvajes .

El ancestro del tabaco que no generaba alcaloide, simplemente, no prevaleció. No todas las plantas generan nicotina: hay muchísimas defensas vegetales contra los depredadores. Todas son producto de los múltiples caminos y combinaciones que sigue el proceso de evolución. A su vez, los depredadores se adaptan a la defensa, y así sucesivamente, en un sistema dinámico. Por eso los ecosistemas evolucionan.

En esos caminos evolutivos, decíamos, una familia de plantas,

las Solanáceas, generan la nicotina ; ésta , curiosamente , es uno de los insecticidas más potentes que existen. La nicotina es un neurotóxico , es un agonista ( una sustancia que activa )

los receptores nicotínicos de acetilcolina Estos receptores son parte del funcionamiento del sistema nervioso y esenciales en la comunicación entre el cerebro y los músculos. Cuando la nicotina alcanza el sistema nervioso del insecto, éste sufre primero excitación motora, seguida de descoordinación, parálisis y muerte. Como se puede imaginar, la nicotina se empleó como insecticida durante mucho tiempo. Además, es un insecticida “ natural” … (la falacia de lo “ natural”: no todo lo que es natural es bueno, sano o inocuo)

La nicotina, como es lógico, es muy efectiva contra plagas de plantas, como pulgones. De hecho, vosotros mismos podéis preparar un insecticida natural a base de nicotina; basta hervir el tabaco de varios cigarrillos en un caso con agua acidulada con ácido sulfúrico, un chorro de vinagre o con una

cucharada de ácido tartárico. Hay que usar suficiente tabaco para que el líquido quede oscuro. Después se añade un chorrito de jabón o lavavajillas. El líquido resultante se pulveriza sobre la planta con pulgones y éstos mueren rápidamen te . Lo malo es que, si lo pulverizas sobre un pájaro o tu perro, también puede morir.

La planta también usa al humano, no sólo el humano a la planta: el éxito evolutivo del tabaco

El problema que tiene el uso de la nicotina extraída de tabaco como insecticida es su extrema toxicidad . Si se hiciera ingerir a una persona la nicotina contenida en dos cigarrillos , moriría rápidamente. La dosis letal en humanos es de unos 40 miligramos de nicotina. Si se frotara la encía de un perro con los cristales de una de las fotos anteriores, éste moriría entre 5 y 35 minutos después. La toxicidad del tabaco se manifiesta incluso en personas no habituadas al humo del tabaco: una persona no fumadora puede sentir malestar digestivo y náuseas tras intentar fumar un cigarrillo, siendo éste el primer síntoma de una intoxicación por nicotina que podría ser letal si se fuera aumentando la dosis.

De hecho, la nicotina extraída para su uso como insecticida se ha utilizado a veces en asesinatos, en especial de fumadores, en los que era difícil encontrar la nicotina como evidencia. Una forma de matar con nicotina era añadiendo gotas de solución de nicotina sobre una herida o quemadura de la víctima. Ésta moría a los pocos minutos. Una vez se dio el caso de una niña de 6 años que murió tras la aplicación de una solución de nicotina para acabar con los piojos. La niña tenía una herida en la cabeza por la que absorbió el tóxico.

A pesar de ser un insecticida “natural” (o por eso mismo, ya que el producto natural es un tóxico no selectivo), el uso de la nicotina como insecticida agrario tuvo que prohibirse por la altísima toxicidad sobre todos los animales, en especial

aves. Por ello se desarrollaron los insecticidas neonicotinoides, moléculas parecidas y con acción similar a la nicotina, pero que sólo actúan en insectos y son seguros para otros animales.

Nicotina y nornicotina naturales e imidacloprid, el insecticida neonicotinoide más conocido. El imidacloprid, por su estructura, es muy eficaz en insectos y muy poco tóxico para mamíferos.

Los neonicotinoides probablemente hayan salvado millones de vidas, gracias a las cosechas de frutas y verduras salvadas y la muerte de insectos dañinos. Pero también son un problema medioambiental y afectan a insectos beneficiosos, como las abejas o las mariquitas . Por ello , los neonicotinoides han sido prohibidos en aplicaciones agrarias y su uso está restringido a jardines y uso doméstico, como por ejemplo en la protección de perros contra parásitos.

Pero volvamos a la nicotina: esta sustancia ha proporcionado a la planta del tabaco un éxito evolutivo inesperado y ha puesto a millones de humanos a su servicio. El hábito del tabaquismo ha llevado al cultivo masivo de esta planta, que pasó de ser una planta silvestre recolectada por diversos pueblos precolombinos, a gozar de los cuidados de los humanos, que se aseguran de su proliferación y que han creado variedades más resistentes, adaptables y productivas mediante cruzamientos . Es evolución en directo.

Tabaquismo

El tabaco llegó a Europa a través de España y Portugal en 1559, como una de tantas maravillas de América. Y con el tabaco, empezó a extenderse el hábito de fumar. Al principio, el tabaco fue muy mal recibido en Europa. Se vio como una costumbre maloliente y satánica, eso de tragar humo se intuía insano y, de entrada, se prohibió estrictamente, tanto en España como en otros países europeos. Había severas penas de cárcel a quien fumase, vendiera o culti vase tabaco (¿os suena?). Sin embargo, rápidamente se vio que si, en lugar de prohibirlo, lo cual solo favorecía el mercado negro y la economía sumergida, se monopolizaba su producción y se cobraban grandes impuestos , podría transformarse el vicio en

Plantación de tabaco en Extremadura

una gran fuente de ingresos. Los primeros en cultivarlo comercialmente fueron los ingleses, en la colonia norteamericana de Virginia en 1612. Poco después, España creó el Estanco de Tabaco en 1636, con el objetivo de regular la producción y comercio de tabaco, que se convirtió en una importante fuente de ingresos para Hacienda. Así, el tabaco pasó de ser una droga prohibida a ser un negocio legal sobre el que cobrar muchos impuestos y una de las bases económicas de provincias españolas en América, como Cuba, que se convirtió en el principal suministrador de tabaco a Europa.

Así se veía a los primeros fumadores en el siglo XVII. “El fumador” del pintor flamenco Joos van Craesbeeck, pintado hacia 1635.

Las grandes crisis humanas han sido impulsoras del incremento del consumo de tabaco. La Primera Guerra Mundial supuso un antes y después en el tabaquismo. En Estados Unidos se pasó de un consumo de 8.5 millones de cigarrillos en 1910 a 190 millones de cigarrillos anuales después de la guerra y la Gran

Depresión. Tan solo ahora, que los gobiernos han visto que fomentar el consumo de tabaco para ingresar más impuestos no es tan buen negocio, ya que el gasto social y sanitario que provoca consume los impuestos que genera, es cuando comienzan las campañas antit abaco y las leyes de protección a los fumadores pasivos. Sabemos que la prohibición no disminuye el consumo. Lo que sí es eficaz es la educación y el rechazo social al fumador. Sobre la educación, basta con consultar los datos del INE para constatarlo: el 50% de los hombres y el 36% de las mujeres menores de 45 años y que solo tienen estudios primarios padecen tabaquismo. El porcentaje baja a menos del 20% en personas con estudios universitarios. Independientemente de eso, cuando termine 2018, más de 52000 españoles habrán muerto por causas relacionadas directamente con el tabaquismo; los fumadores habrán costado al erario más de 8000 millones de euros en gasto sanitario siendo el tabaquismo, entonces, un acto de incivismo y falta de solidaridad. En todo el mundo, unos 18 millones de personas habrán muerto por tabaquismo, y los consumidores de tabaco en general verán reducida su esperanza de vida entre 5 y 10 años. Esto es un genocidio perpetrado por los productores de tabaco, permitido por los gobiernos y causado únicamente por la avaricia y la irresponsabilidad.

Y, así, la planta de tabaco encontró su gran éxito evolutivo: la adicción a la nicotina de los humanos los convierte en sus marionetas, fieles cuidadores y protectores de la planta, que pasó de los bosques mesoamericanos a cultivarse en grandes plantaciones por todo el mundo. Y, a cambio de sus cuidados, la planta solo les proporciona enfermedad, ve neno y mal aliento. ¿acaso no son “inteligentes” las plantas? Así funciona la evolución: hemos asistido a un ejemplo de cómo las plantas han llegado a utilizar a los animales para su reproducción desde hace millones de años: generan sustancias olorosas y colores que atraen polinizadores, azúcares que atraen animales que se alimentan de sus frutos, ayudando a esparcir sus

semillas , y , por último , su mejor negocio , sustancias psicoactivas que engañan a los humanos, que acaban cultivándolas y cuidándolas a cambio, tan solo, de mala salud.

Esta imagen resume el cálculo que hizo el gobierno de Uganda sobre el tabaco y los impuestos: por cada chelín ugandés que el gobierno ingresa por impuestos sobre el tabaco, gasta 4 chelines en tratamientos y costes sociales de enfermedades producidas por el tabaquismo. Esta (y no la salud de los no fumadores) es la principal razón por la que gobiernos comienzan las campañas antitabaco.

Pero no os dejéis engañar por el modo de pensar de los humanos, que muestro en el párrafo anterior. Como decía, la Naturaleza no tiene objetivo; Si nos referimos a ello usando el concepto confuso de función que se usa normalmente, incluso por muchos profesores, deberíamos decir que la función de la nicotina es intoxicar humanos y convertirlos en zombis cultivadores y protectores de la planta, ¿ verdad? Pero, recuerda: en la Naturaleza las cosas no funcionan así. Simplemente, hay adaptaciones e interacciones beneficiosas para algunos organismos, rutas bioquímicas que surgen por la construcción de nuevos enzimas (una especie de Lego en el que

la combinación de piezas da lugar a nuevos productos) y que, algunas veces, da lugar a una ventaja evolutiva. En el caso de la nicotina, la ventaja evolutiva para la planta ha sido definitiva al cruzarse con la evolución humana, debido a los efectos en el cerebro de mamíferos al usar dosis subletales. La nicotina tiene varias funciones, pero como he intentado mostrarte, no tiene una finalidad: simplemente está ahí. Es en el entramado ecológico donde todo encaja y de donde surgen las funciones o los papeles que juegan, no es la necesidad la que crea la función.

Precisamente por la teleonomía de la Naturaleza, hay cientos de rutas bioquímicas fascinantes de las que carecemos los animales y que existen en las plantas, los verdaderos organismos superiores del planeta. Y no solo hay venenos como la nicotina. Ellas también proporcionan la base para muchísimos medicamentos. La aspirina, por ejemplo, es uno de los primeros fármacos creados a base de mejorar un producto natural vegetal: el ácido salicílico. Estamos en paz.

L a proteína de Robin Williams

June 6, 2018

El suicidio del actor Robin Williams en 2014 conmocionó al mundo del cine y a todos los que nos gustaba como actor y disfrutamos muchas de sus películas. A mí me gustó especialmente en El Club de los Poetas Muertos, El Indomable Will Hunting y Despertares, donde dio vida al neurólogo, gran amante de la Química y divulgador de la Ciencia que fue Oliver Sacks.

Robin Williams, encarnando a Oliver Sacks, hablando sobre la Tabla Periódica a Robert de Niro en Despertares

Algún tiempo después, su familia reveló que Robin Williams padecía un tipo de demencia, asociada a la enfermedad de Parkinson, llamada demencia con cuerpos de Lewy Según cuentan, esta enfermedad degenerativa pudo estar detrás del suicidio de Williams. Es muy complejo hablar sobre la demencia con cuerpos de Lewy en una entrada de blog, por lo que solo voy a dar unas pinceladas, centrándome en un aspecto

fundamental: la importancia de la estructura de las proteínas. Este tema (la estructura de las proteínas) es fundamental para entender los fundamentos de la Bioquímica y muchas patologías, por lo que suelo hacer mucho hincapié en ellas durante las clases y uno de los intereses de investigación a desarrollar en mi laboratorio de la Universidad de Alcalá tiene mucho que ver con la relación entre la estructura proteica y la Evolución.

Fíjate en esta imagen:

La gran mancha redonda oscura es un cuerpo de Lewy incluido en una célula de una parte del cerebro de un paciente con

demencia con cuerpos de Lewy. Estos cuerpos son masas de proteínas agregadas . Estas masas de proteínas forman en primer lugar unas estructuras que se denominan agresomas (de agresión). La formación de estos cuerpos es una consecuencia de las propiedades de las proteínas y aquí entramos en el meollo de la cuestión: las proteínas, para realizar su función tienen que plegarse dando lugar a unas estructuras tridimensionales características. Estas estructuras tridimensionales son las que dan sentido y funcionamiento a las proteínas. Lo malo es que muchas proteínas tienden, de modo natural, a plegarse “mal”, siguiendo su tendencia natural. Al fin y al cabo, una proteína es un tipo de poliamida, como el nylon de las fibras de tejidos sintéticos. Y, como esas fibras, las proteínas tienden a formar fibras insolubles y resistentes. Cuando una proteína en la célula se pliega mal, la célula la marca como defectuosa, para eliminarla antes de que pueda provocar daños. Este marcaje se hace con una pequeña proteína llamada ubiquitina Las proteínas marcadas se dirigen hacia un sistema de eliminación llamado proteasoma.

Una vista simplificada del sistema de eliminación de proteínas defectuosas. Las proteínas mal dobladas pueden formar agregados insolubles, que se almacenan en el IPOD, o bien se marcan (ubiquitina) y se ponen en “cuarentena” para su revisión o eliminación en el JUNQ. Si las proteínas marcadas se agregan, se “tiran al punto limpio”, llamado agresoma. Cuando las células tienen defectos para procesar el “punto limpio” agresoma, éste crece y se convierte en un cuerpo de Lewy, produciéndose la enfermedad. Imagen tomada de M Takalo, A Salminen, H Soininen, M Hiltunen, A Haapasalo, Am J Neurodegener Dis 2013;2(1):1 - 14.

Cuando las proteínas marcadas como defectuosas se agregan, la célula las amontona en una especie de contenedor, o “punto

limpio”, que es el agresoma , para evitar que provoquen daños en la célula. La célula entonces elimina la basura de este punto limpio en un proceso llamado autofagocitosis.

Si falla el proceso de limpieza del “punto limpio” por un defecto, la basura se acumula, forma una masa intratable y el agresoma se convierte en cuerpos de Lewy.

Como vengo diciendo, todo este proceso depende de cómo se doblen las proteínas y de la costumbre natural de las proteínas para formar agregados insolubles de fibras (como las poliamidas que se usan en tejidos). En el caso de la enfermedad que padecía Robin Williams, una de las proteínas responsables de la formación de los cuerpos de Lewy y de la demencia es la alfa-sinucleína. En condiciones normales, la alfa - sinucleína es una pequeña proteína esencial para el desarrollo del cerebro, ya que tiene una función fundamental en algunos procesos celulares de las neuronas. En condiciones patológicas, la alfa-sinucleína es una de las responsables de la neurodegeneración y la demencia asociada a la enfermedad de Parkinson y las demencias por cuerpos de Lewy. Y todo se debe a la física de la estructura de la proteína y su tendencia a plegarse mal. Voy a visualizarla para enseñártela, con ayuda del software Chimera y los datos del Protein Data Bank.

Esta es la alfa-sinucleína normal:

Es una proteína sencilla, formada por una cadena en la que se ve, en rojo, una de las formas estructurales fundamentales que forman las proteínas: la alfa - hélice . Dos alfa - hélices se conectan por una cadena simple (un motivo muy básico en las proteínas que se llama hélice-giro-hélice) y queda otra larga cadena simple. En esta forma, la alfa-sinucleína puede hacer su función fisiológica y es soluble (las alfa - hélices dan lugar a proteínas solubles).

Pero cuando la alfa-sinucleina se pliega mal, algo a lo que esta proteína tiene tendencia debido a su gran simplicidad, tiende a formar otro motivo estructural diferente: la lámina beta. La lámina beta forma estructuras agregadas e insolubles y está favorecida termodinámicamente en estas cadenas cortas de proteína. Las cadenas cortas y simples de proteínas tienden de modo natural a formar fibrillas insolubles. Es decir, el esfuerzo energético para formar la sinucleína funcional de arriba es mucho mayor y, si se la deja a su aire, el fallo en el plegamiento conduce a esto:

Este es un agregado o fibrilla de alfa -sinucleína. En morado

están las láminas beta, que se organizan paralelamente unas con otras, precipitando una masa de proteínas. Forma como “pelusillas” que se van acumulando, agregándose unas a otras, ya que las láminas beta son “pegajosas” y tienden a pegarse unas a otras. La célula marca estas “pelusillas” y las guarda en el agresoma para eliminarlas. Si la célula tiene un defecto para limpiar el agresoma, es cuando se produce la enfermedad.

Cuerpos de Lewy en células de pacientes. B: imagen por microscopía electrónica de un cuerpo de Lewy en el que se observan las masas de “pelusa” de las proteínas agregadas. Mirad la imagen de la estructura anterior e imaginad cómo esas masas se van acumulando hasta formar la “pelusa” de la imagen. La imagen está tomada de éste artículo de Lancet.

¿cómo provocan los cuerpos de Lewy los problemas

neurodegenerativos y la demencia? Pues parece ser que la masa de proteína precipitada interfiere con las funciones celulares, acumula iones de hierro que provocan un fuerte estrés oxidativo que termina matando la célula, dando lugar a la pérdida de las funciones de la zona afectada (motoras, cognitivas) y dando lugar a los síntomas típicos de estas enfermedades.

Al final la demencia por cuerpos de Lewy es una consecuencia natural de la propia Física de las proteínas: la termodinámica nos dice que las cadenas de proteínas, en especial las pequeñas, tienden a formar fibras de láminas beta (como la seda o el nylon). Las células invierten mucha energía y complejos mecanismos para plegar correctamente las proteínas y, cuando el plegamiento falla (por razones termodinámicas o por mutaciones en la cadena que alteran la estructura funcional) hay todo un sistema de control de calidad y eliminación. La enfermedad es el resultado de una cadena de fallos en todo este complejo sistema de construcción, control de calidad y limpieza de las proteínas. Y es el resultado de las propiedades naturales de las cadenas de proteínas, por eso es tan difícil de prevenir y tratar. Resulta extraño pensar que Robin Williams murió por culpa de una pequeña proteína que simplemente se plegó siguiendo su tendencia natural. Si esto no te hace sentir frágil e indefenso, sometido a las leyes de la Naturaleza, no sé qué más podría hacerlo.

Esto nos lleva a otra de las grandes preguntas de la Ciencia: si las cadenas de proteína tienden naturalmente a formar “pelusas” de fibrillas, ¿cómo se originó, al principio de la evolución, el sistema de estructuras que dio lugar a las proteínas funcionales?

Leishmania o matar al mensajero

May 22, 2018

La Universidad de Alcalá cuenta con uno de los mayores expertos en la Biología Molecular de la Leishmania, el Profesor Antonio Jiménez. He tenido la fortuna de ser presidente de un tribunal de trabajos de fin de grado en el que se presentaba uno de los estudios llevados a cabo en el laboratorio del profesor Jiménez, encaminado a la búsqueda de nuevas terapias para el tratamiento de la enfermedad de la Leishmaniosis. Es una buena oportunidad para mí y para los que me leéis, ya que podremos aprender más sobre esta enfermedad y los interesantísimos parásitos que la provocan.

Con la llegada del calor, muchos insectos comienzan a vivir su vida. Durante la primavera, además de las flores y plantas, comenzamos a ver insectos polinizadores que se alimentan del néctar de flores y, gradual, pero rápidamente, la enorme diversidad de los artrópodos empieza a hacerse patente; ésta incluye muchos insectos molestos y/o peligrosos, entre los cuales está el mayor enemigo de los perros: el flebótomo o mosca de la arena. Las moscas de la arena son unas 800 especies de dípteros de la familia Psychodidae (primos lejanos de las moscas y mosquitos y primos hermanos de las moscas polilla o moscas de los drenajes que a veces aparecen en cuartos de baño y sitios húmedos) de las cuales unas 30 especies son hematófagas y, por tanto, flebótomos propiamente dichos ( flebótomo significa “perforador de venas”). Aquí podéis ver un artículo algo antiguo , en el que se detallan los flebótomos de la Comunidad de Madrid. Los flebótomos son fáciles de distinguir: tienen el aspecto de pequeños mosquitos, de un milímetro y medio o dos de longitud como mucho. Su picadura normalmente se percibe como un desagradable pinchazo, por lo que es fácil pillarlos ‘in

fraganti’. La picadura produce una pápula pequeña, más que la del mosquito, pero que pica intensamente (la saliva del insecto es muy inmunógena, produciendo una respuesta inmune responsable del picor). Suele producir una primera reacción, con inflamación local, a la que sigue una fase de latencia sin síntomas y, finalmente, aparece un pequeño grano y el picor que dura varios días.

Phlebotomus perniciosus alimentándose de un humano. Como su nombre indica, es pernicioso. Pica a perros y humanos (aunque prefiere a los perros) y es uno de los principales vectores de la Leishmaniasis. Esta es la especie de flebótomo más común en Madrid. Imagen tomada de www.diptera.info.

El flebótomo no es un tipo nuevo por aquí: el ancestro común de los flebótomos surgió hará unos 248 millones de años, durante el Triásico. Los flebótomos se diversificaron durante el Jurásico y Cretácico , alimentándose de la sangre de dinosaurios y otros reptiles Se piensa que el primer flebótomo hematófago (chupador de sangre), especializado en reptiles, apareció hace unos 148 millones de años , hacia el final del Jurásico y se han encontrado muchísimos fósiles de

este tipo de insectos en ámbar , desde el Cretácico hasta el Mioceno. Estos insectos han progresado bien desde el origen de los mamíferos y el primer fósil de flebótomo moderno data del Eoceno, hace unos 50 millones de años. Así pues, los flebótomos ya estaban en el planeta mucho antes de que aparecieran los perros o los humanos.

Antecesor de los actuales flebótomos, encontrado por mí en ámbar cretácico del norte de España. El insecto tiene unos 90 millones de años y mide 1 mm.

¿saborearía la sangre de un dinosaurio antes de morir atrapado en resina? Aunque os parezca increíble, si, puede conocerse su última comida. Se han encontrado células de sangre fosilizadas en estos insectos, incluyendo evidencias de parásitos relacionados con la leishmaniosis (fotomicrografía con estereomicroscopio).

Aparte de sus molestas picaduras, los flebótomos son hospedadores de la Leishmani a , un protozoo , un tipo de organismo unicelular microscópico. La Leishmania es un organismo bastante primitivo, emparentado con los

Tripanosomas, los parásitos que producen la enfermedad del sueño, con quienes comparte muchas características, y lejanamente emparentados con los euglenoideos que pueblan las charcas y estanques.

La Leishmania es el organismo responsable de la enfermedad de la leishmaniasis, que puede afectar gravemente a los humanos Se estima que la leishmaniasis produce unas 30000 muertes al año en todo el mundo, la mayoría en Brasil, India y África, según los datos de l a OM S . Es endémica en los países mediterráneos, aunque no suele producir en humanos los casos más graves (leishmaniasis visceral), pero sí que es un gran problema para los perros. Las mascotas son las principales víctimas del protozoo Leishmania y, a través de ellas, cuando un flebótomo pica a un perro infectado y luego a un humano, puede afectarnos a nosotros.

La Leishmania es un protozoo de la clase Kinetoplastida (ahora veremos por qué se llaman así) y de la familia de los tripanosomátidos, que incluye también los tripanosomas, que provocan la enfermedad del sueño (transmitida por un díptero, la mosca Glossina) y la enfermedad de Chagas (transmitida por un hemíptero, la chinche) Leptomonas y Crithidia, protozoos muy similares que afectan a insectos y produce una enfermedad llamada flagelosis en abejas y abejorros Los ancestros de los tripanosomátidos surgieron en la Tierra hacia el Devónico, hace unos 360 - 416 millones de años, y eran probablemente parásitos de peces. Los tripanosomátidos actuales evolucionaron junto con sus hospedadores, los insectos hematófagos (hemípteros y dípteros) y ambos tienen un origen común, durante el Pérmico, hace entre 250 y 300 millones de años. Los primeros fósiles del antecesor de la moderna Leishmania, la ‘sauroleishmania’ se han encontrado en sangre de dinosaurios en insectos fósiles del Cretácico (hace unos 90 millones de años). Pero su gran diversificación tuvo lugar con la aparición de los flebótomos modernos y los mamíferos placentarios. En ese momento se estableció el tándem actual

flebotomo-leishmania.

Amastigotes de sauroleishmania observados en sangre fosilizada, en el interior de un ancestro del flebótomo atrapado en ámbar del Cretácico (foto de George y Roberta Poinar, Oregon State University)

La Leishmaniosis ha acompañado a los humanos desde el principio de su historia. Se han encontrado evidencias de la enfermedad en momias egipcias y de la América precolombina, así como descripciones antiguas. El nombre de Leishmania viene de uno de sus descubridores, Sir Willia m Bood Leishman (1865 - 1926) , patólogo escocés que sirvió en el ejército británico. Mientras trabajaba en el hospital de Netley, un soldado inglés fue ingresado desde la India, muy enfermo por lo que llamaban “fiebre india” o “fiebre de Dum-Dum” y que ahora conocemos como Leishmaniosis visceral. El soldado murió y Sir Leishman, examinando tus tejidos y sangre, encontró los amastigotes de Leishmania. Publicó su descubrimiento en una comunicación corta en el British Medical Journal en mayo de 1903.

La imagen del descubrimiento de la Leishmania, publicada en 1903 por Leishman. Es una preparación del bazo de un soldado muerto por leishmaniosis, observándose los parásitos de Leishmania en su fase amastigote.

Casi al mismo tiempo, en 1903, el médico irlandés y Teniente Coronel del ejército británico en la India, Charles Donovan, observó los parásitos en enfermos de la misma afección, que llamaban en la India kala azar. Ese mismo año, Ronald Ross, premio Nobel de Medicina en 1902 por el descubrimiento de la transmisión de la malaria por mosquitos, publicó otro artículo, confirmando las observaciones de Leishman y Donovan. A mí me encantan los artículos científicos de la era pre-peer review y anterior al mundo actual de los índices de impactos: solían ser artículos cortos, concisos y escritos en lenguaje natural. Ross comienza el suyo disculpándose por escribirlo (algo poco común), y achacándolo al hecho de que el descubrimiento de un nuevo parásito es algo muy interesante. Ross llamó “cuerpos de Leishman-Donovan” a los parásitos que se observaban en los pacientes y, poco después, se bautizó como Leishmania donovani a la especie. Solo sería la primera

de varias.

Leishmania es un parásito polixeno, es decir, utiliza más de un hospedador en su ciclo vital (en este caso el flebótomo y el mamífero) y dimórfico. En su complejo ciclo biológico, la Leishmania pasa por dos formas: el promastigote, forma infectiva, formada en el intestino del flebótomo e inyectada con su picadura, y el amastigote, forma reproductiva, que se aloja en el interior de células del huésped mamífero, donde se multiplica, destruye la célula huésped e infecta a otras. Cuando un flebótomo pica al huésped mamífero infectado, ingiere los amastigotes , que reinician el ciclo .

Ha llegado el momento de que os presente a nuestro protagonista:

Estos son especímenes vivos de promastigotes de Leishmania infantum, cedidos amablemente por el laboratorio de uno de los mayores expertos españoles en Leishmania, el Prof. Antonio Jiménez, de la Universidad de Alcalá, para hacerles un retrato. Los promastigotes se mueven a gran velocidad, propulsados por su flagelo, que actúa como la hélice de un avión (es decir, no es una “cola”, sino que se mueve en la dirección del flagelo). Para la foto, éstos se han inmovilizado parcialmente con formaldehído muy diluido, que bloquea su flagelo proteico. La fotografía está realizada mediante contraste de fase y objetivo de 40x. El contraste de fase permite observar algunas características: su abundante material polimérico extracelular (halo blanco alrededor de las células) además de otras dos formas:

El interior del parásito tiene dos organelos muy ricos en ADN: el núcleo y una estructura peculiar llamada kinetoplasto. Esta forma está siempre cerca de la base del flagelo, al que está unido por fibras del citoesqueleto y es una forma única entre los eucariotas. En él se encuentra el kDNA o ADN del kinetoplasto, que está estructurado en forma de hasta 50 anillos encadenados llamados maxicírculos y hasta 10000 anillos pequeños o minicírculos. Estas estructuras sólo se encuentran en los protozoos kinetoplastidos y codifican proteínas mitocondriales, RNA ribosomal y un extremadamente elaborado sistema de replicación y de edición del mRNA.

Red de anillos de kDNA del kinetoplasto, antes y después de tratar con topoisomerasa II. Las flechas señalan los maxicirculos.

Cuando los promastigotes entran en el perro o el humano, son atacados por macrófagos del sistema inmune, que fagocitan los protozoos para destruirlos. Una de las armas que usan las células fagocitarias del sistema inmune es el anión superóxido. Cuando ingieren un organismo patógeno, lo bombardean con iones superóxido y otras especies reactivas de oxígeno , lo que provoca la muerte del agresor por estrés oxidativo. Sin embargo, la Leishmania tiene un escudo protector: el enzima hierro-superóxido dismutasa, que protege la Leishmania contra el estrés oxidativo y permite que el parásito conquiste su célula hospedadora, alimentándose de ella para replicarse .

Fe-SOD de Leishmania: uno de los escudos protectores del parásito, lo protege de los “bombardeos de iones” provocados por los macrófagos. Se observa el átomo de hierro, fundamental en la catálisis, y la estructura proteica, formada por láminas beta (en azul) y hélices alfa (rojo).

Los humanos no poseen hierro-superóxido dismutasa, aunque la analogía estructural con el manganeso superóxido dismutasa humana es enorme:

Superposición de la superóxido dismutasa de manganeso humana y la Fe-SOD de Leishmania. Ambas estructuras son prácticamente idénticas. (imagen que he preparado con el software Chimera)

Los enzimas superóxido dismutasa protegen a las células del estrés oxidativo (los “radicales libres”). Surgieron y evolucionaron cuando los primeros organismos aerobios empezaron a vivir con el oxígeno atmosférico y lo que hacen es aprovechar al máximo la capacidad de algunos metales (hierro, manganeso y cobre) de transformar el superóxido en otros compuestos menos dañinos. La Leishmania usa esta capacidad protectora para invadir a su víctima. Bloquear este escudo, entonces, podría ser una diana para el tratamiento de la infección por Leishmania. Sin embargo, el superóxido dismutasa es un enzima muy conservado a lo largo de la evolución, y con una función central, por lo que no es tarea fácil bloquear este escudo anti-radical de la Leishmania de modo específico sin afectar al hospedador.

¡A por ellos!

La mejor forma de evitar que la Leishmania invada vuestras mascotas o nuestra sangre es liquidar a su mensajero: el Flebótomo. Si el flebótomo portador muere antes de picar a su víctima, como es lógico el ciclo vital de la Leishmania se interrumpe. Hay una planta que, probablemente, ha salvado millones de vidas de humanos y animales. Es ésta:

Chrysanthemum cinerariifolium o Tanacetum cinerariifolium. Crisantemo silvestre común en Europa Oriental, en especial en la zona balcánica.

Es el piretro, pelitre, margarita de Dalmacia o crisantemo de Dalmacia (Tanacetum cinerariifolium). Es muy fácil de confundir con otras margaritas, sobre todo con su hermana, el cristantemo blanco (Chrystanthemum leucanthemum), más común en España y con propiedades similares, aunque no tan rico en insecticida como la primera:

Cristantemo blanco. Esta planta alcanza el metro de altura.

No hay que confundir éstos cristantemos con la manzanilla bastarda o Anthemis arvensis, muy común durante la primavera en prados tanto urbanos como silvestres, que es mucho mas pequeña:

Decíamos que el crisantemo o piretro ha salvado muchas vidas. Esto se debe a su contenido en piretrina, en especial en las flores. La piretrina es un potente insecticida y repelente de insectos. Las piretrinas (en realidad son una familia de moléculas) son neurotoxinas que se unen a los canales de sodio de las neuronas motoras, abriéndolos y saturando de sodio el interior neuronal. Esta estimulación provoca primero una gran excitación muscular en el insecto: las alas y patas se mueven rápida y descoordinadamente, siguiendo despues una fase de parálisis y muerte. Antiguamente (hasta mediados del siglo XX), se empleaban las flores secas de la planta como polvo insecticida. Se venían como polvos persas o polvo de Dalmacia, dependiendo de la especie de cristantemo que se usara.

Moléculas de la famila de los piretroides. La piretrina I se encuentra en la flor del crisantemo. A partir de ella, se fabrican una serie de moléculas similares, mas estables y eficaces.

La piretrina tiene algunas desventajas: se metaboliza rapidamente, por lo que muchos insectos podían terminar recuperándose de la intoxicación, y es mas inestable, por lo que la efectividad del polvo de flores o el extracto duraba poco. Por ello se ha desarrollado toda una serie de moléculas, basadas en modificaciones de la piretrina, que presentan mucha mayor toxicidad para el insecto, menor para otros animales y mayor estabilidad. Para los mamíferos las piretrinas son poco tóxicas, pues se hidrolizan rápidamente si se ingieren. El insecto, en cambio, absorbe el insecticida a través de su cutícula, llegando intacto a su sistema nervioso. Así,

moléculas como la permetrina, fenotrina, deltametrina o flumetrina se usan ampliamente en insecticidas domésticos y para mascotas. Las piretrinas han sido grandes aliados en la prevención de enfermedades como leishmaniasis, malaria y enfermedad de Chagas. En general sigue siendo una de nuestras armas contra las pequeñas infestaciones: cucarachas, mosquitos, moscas… su pequeño rango de acción, efecto repelente de insectos y su rápida degradación hacen que los insectos silvestres, no invasores, se vean escasamente afectados. Pero (ah, con la Naturaleza siempre hay peros) muchos insectos, como mosquito transmisor de la malaria o las chinches, han desarrollado resistencia al insecticida. La resistencia a piretroides, basada en un mecanismo llamado knockdown resistance, obliga a ir desarrollando nuevas moléculas. Al final los humanos (y los perritos) perderemos la guerra. Pero, mientras tanto, no nos va mal.

Los sprays o de piretroides son la primera línea de defensa contra flebotomos, mosquitos y otros insectos potencialmente peligrosos.

Volviendo a nuestros amigos, la deltametrina, de momento, es muy eficaz como insecticida y repelente de flebotomos. Otros pire troides, combinados con coadyuvantes, también son muy

eficaces. Ahora que despiertan los flebotomos, es el momento de evitar que piquen a los perros, utilizando uno de los muchos collares antiparasitarios y pipetas insecticidas, que evitan que pulgas y flebotomos hagan su trabajo.

¿Pamplinas? La Stellaria

“estrella” de las malas hierbas.

March 29, 2018

Ahora, con la llegada de la primavera, las hierbas experimentan una explosión de vida. Las lluvias de marzo y la temperatura suave han preparado el suelo para la germinación y crecimiento rápido de un conjunto colectivo de plantas que reverdecen nuestros suelos, desde en los degradad os ecosistemas urbanos hasta los prados y bosques. Son las mal llamadas “malas hierbas”. Y es que el concepto de malo es puramente basado en los intereses humanos: el crecimiento de hierbas en jardines no es considerado estético y su crecimiento desmesurado puede ahogar las plantas cultivadas. Pero las hierbas no sólo no tienen nada de malo. Son bellísimas y su bioquímica tiene mucho que enseñarnos: la biología y bioquímica de las hierbas las ha convertido en modelos de investigación esenciales, como la humilde “mala hierba” Arabidopsis.

Pero yo voy a hablaros de otra común “mala hierba” muy abundante al final del invierno e inicios de la primavera: la Stellaria media, llamada comúnmente “pamplina” y “hierba gallinera”, debido a que es muy consumida por gallinas y pollos. Por sus humildes florecillas tal vez nos referimos como “pamplinas” a las cosas insignificantes, pero de insignificante no tiene nada.

gallinera o Stelllaria media

La Stellaria es una planta muy común y que podeis encontrar en cualquier parte, aunque prefiere las temperaturas moderadas, por ello prefiere vivir en Europa y Norteamérica y puede crecer en las zonas frías del norte, como en Groenlandia. Es fácil de distinguir, pues hacia el final del invierno germina masivamente y forma densos tapices con ramas alargadas, salpicados de florecillas blancas de menos de 1 cm, como estrellitas blancas en un fondo verde (de ahí el nombre Stellaria). La planta tiene las características típicas de la familia de las Cariofiláceas a la que pertenece: las flores en cimas dicasiales (es decir, las ramitas terminan en una doble ramita coronada por una flor cada una), la distribución de las hojas y las características de la flor, en particular el gineceo formado por 3 o 5 carpelos, la flor es hipógina y su ovario es súpero y, sobre todo, por los tres estigmas papilosos que culminan el órgano sexual femenino. La planta crece muy bien en suelos ricos en nitrógeno y materia orgánica y, de hecho, es un bioindicador de suelos ricos. A veces crece

Hierba

tanto que puede llegar a ahogar otras plantas, aunque normalmente no es una planta dañina, hasta el punto de que en algunos cultivos se la deja crecer para que inhiba el crecimiento de otras “malas hierbas” dañinas, como la Convolvulus arvensis o correhuela, una planta trepadora que puede dañar vides y plantas de huerto. Por otro lado, dada su resistencia al frio, puede ser un reservorio de virus, áfidos y hongos durante el invierno, favoreciendo su propagación durante el verano. También es resistente en entornos urbanos, por lo que puede encontrarse en escombreras y descampados (un completo estudio sobre la biología de ésta planta se encuentra en Turkington et al., 1980. The biology of Canadian weeds. 42. Stellaria media (L.)Vill. Can. J. Plant Sci. 60: 981-992.)

Flor hermafrodita de Stellaria media. Se observa el ovario súpero, tres estambres cargados de polen, cinco pétalos bilobulados, el estilo corto y los tres estigmas papilosos, característicos de ésta planta. Los sépalos son vellosos por un solo lado y mas grandes que los pétalos.

La Stellaria es una de las pocas plantas directamente comestibles por humanos y se usa en ensaladas modernillas. En Japón la planta se llama hakobe y se utiliza en una sopa tradicional llamada Nanakusa no sekku . Cruda y en gran cantidad, sin embargo, la planta es indigesta por su contenido en saponinas. Se la han atribuido diversas propiedades medicinales. Sin embargo, no se ha demostrado ningún efecto significativo relacionado con estas supuestas propiedades. Su comestibilidad es otro efecto beneficioso de esta planta, ya que sirve de alimento a conejos, aves, ganado… de ahí el nombre común “hierba gallinera“.

Porno duro!! granos de polen adheridos al estigma (a la izquierda), que está cubierto de papilas, o células llenas de líquido, pegajosas. El polen adherido en la posición adecuada emite un tubo polínico a lo largo del estigma y el estilo e introduciendo el núcleo que fecundará el óvulo. El ADN de esta planta se distribuye en 20 cromosomas. A la derecha, granos de polen en la

antera. La Stellaria no necesita compañeros para tener sexo, ella solita se apaña…

La planta es científicamente interesante sobre todo por dos aspectos: tiene un alto grado de plasticidad fenotípica, es decir, sus características (tamaño, anatomía, etc) puede experimentar grandes variaciones dependiendo de las condiciones ambientales, lo cual la permite adaptarse a condiciones cambiantes. La presión selectiva que ejercemos los humanos sobre el colectivo de las “malas hierbas” favorece los fenotipos resistentes a todo tipo de daños y que mejor y más rápidamente germinan y realizan sus ciclos vitales, por lo que la plasticidad del fenotipo de la Stellaria es una gran ventaja. De hecho, la planta ha desarrollado rápidamente un fenotipo resistente a los herbicidas derivados de la sulfonilurea. Y aquí podemos contar algo de bioquímica de la que no se suele enseñar en las antropocéntricas clases de la Universidad:

Los herbicidas basados en la sulfonilurea (un derivado de esa maravillosa molécula que es la urea) son inhibidores específicos del enzima acetohidroxiácid o sintasa (AHAS) o acetolactato sintasa. El enzima AHAS (ver McCourt, J. A., & Duggleby, R. G. (2006). Acetohydroxyacid synthase and its role in the biosynthetic pathway for branched-chain amino acids. Amino Acids, 31(2), 173 – 210 ) inicia la ruta de síntesis de valina, isoleucina y leucina en plantas y algunos microorganismos.

Ruta de síntesis de valina y leucina en plantas, vía AHAS. El herbicida Clorsulfuron inhibe el enzima que inicia la ruta, provocando la muerte de la planta, ya que ésta no puede sintetizar nuevas proteínas.

La inhibición del enzima implica que la planta no puede producir estos tres aminoácidos, por lo que muere al no poder generar nuevas proteínas y enzimas. Así, las sulfonilureas, como el clorsulfurón, o las imidazolinonas como el imazaquin, son venenos para las plantas sin afectar a los animales, que carecemos de ésta ruta, por lo que no podemos sintetizar éstos aminoácidos (debemos ingerirlos en la dieta) y por eso los llamamos aminoacidos esenciales La ventaja de no sintetizar éstos aminoácidos es que somos inmunes a éstos herbicidas. Esta ruta bioquímica es un hito evolutivo, implica enzimas muy complejos que requieren cofactores como clusters hierroazufre y los oligoelementos manganeso o cadmio (metal tóxico para los animales, pero que en pequeñas cantidades es esencial en ésta ruta biosintética). La ruta de AHAS es fundamental para la vida de los animales, ya que con ella las plantas producen los aminoácidos que necesitamos. El enzima AHAS

necesita oxígeno molecular para funcionar, por ello esta ruta comienza en un ancestro común aerobio que era probablemente una proteobacteria, según los estudios de evolución. La AHAS pertenece a la familia de la piruvato oxidasa y puede provenir de evolución divergente a partir de ésta.

Resumen de la biosíntesis de aminoacidos ramificados por AHAS, esta vez en bacterias.

Una maravilla adaptativa de la Stellaria es que tiene un fenotipo de AHAS resistente a la inhibición por herbicidas, debido a una mutación en algunos aminoácidos del enzima. Por ello se la ha utilizado en diversos estudios sobre el tratamiento con herbicidas.

Enzima AHAS en plantas. Esta formado por cuatro subunidades. En B se ve una de las subunidades con cofactores y el inhibidor imazaquin en amarillo. La figura viene de PNAS 103:569-573.

El enzima AHAS, una extraordinaria maquina bioquímica con un complejo mecanismo que requiere varios cofactores, magnesio y oxígeno

(https://doi.org/10.1073/pnas.1714392115) también está presente en microorganismos y resulta un objetivo de ataque prometedor en el desarrollo de algunos antimicrobianos. Por ejemplo, el desarrollo de fármacos inhibidores de la AHAS en la bacteria de la tuberculosis puede ser fundamental para el desarrollo de antituberculosos y el tratamiento de la enfermedad producida por cepas resistentes a tratamientos tradicionales.

No está mal para nuestra humilde “pamplina”.

Noticia Nº40: Newtondad con Celebrando espectros. la

December 23, 2017

Entre las muchísimas y cruciales contribuciones que realizó Isaac Newton, y que supusieron el nacimiento de la Ciencia moderna y la puerta de entrada a una revolución social y cultural sin precedentes, está una que es posiblemente la menos conocida por el gran público, pero cuyas consecuencias nos han llevado al desarrollo de la Química, la Física, la Medicina…: es el primer experimento científico de espectroscopía de la Historia: Newton descubrió, en 1665, con ayuda de unos prismas, que la luz está compuesta por la suma de componentes de diferente longitud de onda (y por tanto diferente energía) y diferente comportamiento óptico. El vio que la luz solar podía descomponerse en componentes de diferentes colores, que formaban un “espectro”:

Se acercan las fiestas de Navidad y, en general, celebración del Solsticio de el Invierno, y con ello aniversario, precisamente 25 de diciembre (según calendario vigente en su momento), del nacimiento de uno

la el el de los personajes mas influyentes de la historia de la Humanidad, artífice de una revolución pacífica que nos ha llevado al mundo en el que vivimos hoy dia: Isaac Newton

Newton descubriendo el espectro de la luz: uno de los momentos clave de la Historia de la Ciencia (aunque el dibujante de esta viñeta no sabía mucho de óptica o espectroscopía)

Aunque este efecto ya se observó antes de Newton, los científicos lo interpretaron como colores que surgían del propio material del prisma. Newton realizó numerosos experimentos, llegando a la conclusión de que la luz blanca no era sino la suma de un conjunto de rayos luminosos de diferentes colores, proponiendo las primeras teorías sobre la naturaleza de la luz y creando el campo de la Óptica. Newton hizo el primer análisis de la composición energética de la luz: cada color se corresponde con una energía, longitud de onda y frecuencia concretas. Esta observación crucial llevó más tarde a descubrimientos fascinantes, como nuevos elementos químicos o la composición del Sol y otros objetos astronómicos.

Esquema dibujado por el propio Newton de sus experimentos con luz y prismas. Demostró que la luz solar está compuesta por una mezcla, un espectro, de luz de diferentes colores (o sea, diferentes energías o longitudes de onda) y que cada uno de esos “colores” no podía descomponerse más, es decir, era luz monocromática. Este fué el primer espectrómetro de la Historia.

El espectroscopio más simple: un prisma descomponiendo un haz de luz blanca en sus componentes. Después se vió que la luz contiene mucha información química.

De Newton a la Química: la luz habla sobre los elementos.

Aplicación directa del experimento de Newton con prismas: espectroscopio de Bunsen-Kirchhoff. Con éste instrumento se descubrieron los elementos cesio, rubidio, talio, galio e indio, y con una variante se determinan la composición del Sol y las estrellas.

Además de que el principio de su espectroscopio de prisma sigue vigente actualmente como instrumento de análisis, sus estudios sobre la luz fueron el germen de la espectroscopía moderna. La espectroscopía (o espectrometría) está detrás de prácticamente TODOS los descubrimientos de la Química desde hace un siglo: el modo en el que las sustancias y elementos químicos absorben y modifican la composición de la luz con que

se los ilumina es fundamental en el estudio de las propiedades de la materia. Actualmente es muy fácil “descubrir” elementos gracias a la luz que emiten cuando sus átomos son excitados por fuentes de energía. Del mismo modo que Bunsen y Kirchoff, entre otros, usaron la luz para descubrir elementos, nosotros podemos hacerlo también. Solo necesitamos un aparato que descomponga la luz en sus componentes y lo registre: el espectrómetro. Un espectrómetro puede ser tan simple como un prisma como el que usó Newton.

Un espectrómetro simple: un mechero de gas y un aparato que descompone la luz y registra el análisis en un ordenador.

Apagamos la luz, encendemos la llama y aquí podemos ver el análisis de una pequeña muestra de sales de metales alcalinos, que colorean la llama.

Con un espectrómetro visible de llama como éste, se pueden hacer muchas experiencias interesantes, emulando los trabajos pioneros de Bunsen y Kirchoff. Con este montaje tan sencillo, podemos darnos cuenta de la gran potencia de los métodos espectroscópicos: pequeñas cantidades de elementos pueden ser detectados y analizados de un modo tan simple como impregnar un alambre en la disolución de muestra con el elemento e introducirlo en la base de la llama. Imaginemos que hacemos una mezcla que contiene cloruro de litio, cloruro sódico y cloruro de potasio. ¿será capaz nuestro pequeño espectrómetro de llama de analizar la mezcla y decirnos qué contiene?. Veamos el resultado:

El color de la llama, una vez analizado el espectro, informa sobre los elementos que contiene la muestra: este fue el inicio del análisis químico moderno. Obsérvese la intensidad de los picos, que llegan a saturar el detector: el análisis espectroscópico es muy sensible. Incluso se aprecia una pequeña impureza de calcio, añadida a propósito en muy baja cantidad.

Este análisis se basa en el “color” (luz) producido por los átomos, excitados por el calor de la llama, al volver a su estado energético normal. Es un Espectro de emisión. No podemos hablar de todo ésto sin hablar de otro pionero: Joseph von Fraunhofer, que, en 1814, inventó el primer espectroscopio muy similar al que yo he usado en el experimento que os he mostrado. Podemos decir que Newton, Fraunhofer, Bunsen y Kirchhoff fueron, en conjunto, los pioneros del análisis químico moderno e hicieron posible que incluso podamos conocer la composición química de estrellas distantes, asteroides, atmósferas de otros planetas, etc., solo analizando la luz.

von Fraunhofer con su espectrómetro

Fraunhofer se dió cuenta de que la luz del Sol tiene unas bandas más oscuras (las líneas de Fraunhofer) y que la luz de una estrella brillante, Sirio, tiene un patrón de bandas oscuras diferente. Tiempo después se vió que estas bandas son el espectro de absorción , debido a la composición química de la estrella y, también, de nuestra atmósfera. Los elementos presentes absorben energía, creando bandas más oscuras justo en la frecuencia específica en la que absorben. Así, la luz del Sol, analizada con el mismo aparato que os he mostrado antes, tiene este aspecto:

Este análisis lo hacen de modo natural las gotas de lluvia, generando el arco iris. De ahí que sean similares. La diferencia es que la instrumentación recoge esos llamativos “dentados” del espectro. Esos huecos donde, de pronto, disminuye la intensidad de la luz. Son las bandas de Fraunhofer. Si recojo cuidadosamente el espectro, puedo saber de qué está compuesto el Sol y la atmósfera:

En azul, elementos que contiene el Sol. En negro, componentes atmosféricos. Si, esta información está en el arco iris, pero nuestros ojos no tienen resolución suficiente para verla.

Así, la luz del Sol nos cuenta cosas: nos cuenta que nuestra

atmósfera tiene oxígeno y agua, y nos cuenta que, además de hidrógeno y helio, contiene hierro, magnesio, calcio, sodio… Con instrumentos más elaborados, podemos obtener información muy valiosa sobre la composición de objetos estelares o del Sistema Solar; ya incluso empezamos a identificar componentes en exoplanetas a muchos años luz de la Tierra. La luz del Sol nos cuenta que es un gran horno donde se cocinan los elementos de la Tabla Periódica. Y que los elementos que nos componen, un día, estuvieron también en una estrella.

Telescopio equipado con un espectrómetro para ver la composición solar

Espectrómetro astronómico, en una tarde de observación en Atlanta

Hemos llegado lejos desde que Newton empezó a estudiar la luz

Newton y Hooke: aprendiendo de dos enemigos íntimos

La mente privilegiada de Newton tuvo en el físico Robert Hooke a su máximo rival. La vida de Newton no se puede contar sin hablar de Hooke, quien fué probablemente uno de los científicos mas destacados de la Historia. En su tiempo, Hooke y Newton estaban a la par, ambos tenían egos enormes y no se distinguían por ser personas amables, lo cual garantizaba el choque.

Actualmente se recuerda a Hooke por su ley de los muelles, pero era un científico de mente inquieta e infinitos intereses. Cultivó todas las ramas del saber de la época y a él se atribuyen descubrimientos interesantes: por ejemplo, Hooke descubrió que lo que ahora reconocemos como madera fosilizada era en efecto madera fosilizada, lo cual en su época era un descubrimiento atrevido y revolucionario. Tuvo una agria polémica con Newton por el descubrimiento de la Ley de Gravitación Universal, que probablemente desarrollaron ambos al mismo tiempo. La famosa frase de Newton “si he visto mas lejos, es porque me he subido a hombros de gigantes” no

fue, como mucha gente piensa, una muestra de humildad y agradecimiento. Al contrario, en su contexto es un comentario sarcástico e hiriente que Newton le dedicó a Hooke en una carta. Tal fue su enemistad, que Newton trató de minimizar los méritos de Hooke y borrarlo de la Historia, hasta tal punto que se las arregló para hacer quemar sus retratos (un supuesto retrato que habitualmente se atribuye a Hooke en realidad representa a Johannes van Helmont) y ni siquiera se conoce la localización de su tumba.

Hooke, como no podía ser de otra forma, fue uno de los pioneros de la microscopía. Escribió un libro muy bello titulado Micrographia, en el que representó en detallados y precisos grabados sus observaciones de todo tipo de objetos con microscopio y lupas de aumento.

Así que para celebrar esta Newtondad como se merece y

conciliar a éstos enemigos, he convertido un pequeño microscopio ENOSA que habría hecho las delicias de Hooke y me regaló mi amigo Ricardo, naturalista y profesor de Ciencias Naturales, en un espectrómetro de fluorescencia que habría encantado a Newton:

La fluorescencia es la emisión de luz de un material cuando es excitado por luz de diferente longitud de onda. Los electrones del material absorben fotones, lo que les provoca un cambio en las vibraciones y energías de los enlaces. Casi instantáneamente, ese estado excitado vuelve a relajarse, emitiendo luz de menor energía. Un ejemplo espectacular de fluorescencia lo tienen los minerales de uranilo (UO2 2+) cuando son iluminados por luz ultravioleta. Los enlaces uranio - oxígeno son excitados por la luz ultravioleta, relajándose al emitir luz en el rango amarillo - verde:

Autunita (fosfato de uranilo y calcio) de la mina Daybreak, iluminada con luz UV a 395 nm, emitiendo intensa fluorescencia amarilla en el rango 500-600 nm

El primer registro documental de la observación de fluorescencia lo hicieron dos españoles: en 1560, Bernardino de Sahagun, monje y misionero franciscano en América, en su libro “Historia General de las cosas de Nueva España”, observó la luz azul de la infusión de la madera del árbol “palo dulce”

( Eysenhardtia polystachya ), llamada por sus propiedades diuréticas Lignum nephriticum o coatli (utilizado por los aztecas como diurético y tratamiento para “los que no orinan libremente y tienen dolor de riñones”) . El influyente botánico sevillano Nicolás Monardes , quien estudió en profundidad la flora mesoamericana e introdujo numerosas plantas medicinales americanas en Europa, describió en 1565 la misteriosa y mágica luminosidad azul que adquiría el agua en un vaso hecho con madera de palo dulce. La fluorescencia azul se debe al contenido de un flavonoide llamado matlalina (de matlali, azul en lengua Náhuatl). Monardes aconsejaba observar la fluorescencia azul para reconocer el verdadero “palo para los riñones”, un potente diurético, de falsificaciones o errores.

Tratado de Monardes de 1574, donde se describe la fluorescencia del palo dulce. Es el mismo fenómeno que la fluorescencia de la tónica.

Es curioso que Monardes nunca viajó a América y permaneció en su Sevilla natal, donde formó una nutrida colección de flora y minerales americanos y estudió sus propiedades. Su libro “ Historia medicinal de las cosas que se traen de nuestras Indias Occidentales que sirven en Medicina” fué revolucionario en varios aspectos: primero, porque incorporó a la farmacognosia europea todo lo que pudo del conocimiento de los nativos americanos sobre plantas medicinales, algo de lo que muchos recelaban y que el consideraba fundamental para la “ salud corporal, mas excelente y necesaria que los bienes materiales “. Segundo, porque su texto, escrito clara, sistemáticamente y con numerosos detalles, de modo que sus experimentos y observaciones pudieran ser reproducidos, fué acogido en Europa con gran éxito, traducido a varios idiomas y editado decenas de veces (de hecho, aún se cita a Monardes al hablar de la fluorescencia y se usa la matlalina o la infusión de palo dulce con fines didácticos). Y, tercero, porque fue uno de los primeros textos “científicos” escritos en español, contra la costumbre habitual de escribir en latín. Monardes hizo también la primera descripción de la coca, cuyas hojas probó personalmente para estudiar sus efectos como droga estimulante.

No fue hasta mucho tiempo después, en 1852, que el físico inglés George Stokes, realizando cuidadosos experimentos, concluyó que la fluorescencia era la emisión de luz de un material en respuesta a la luz incidente de longitud de onda distinta. Posteriormente, Henri Becquerel, estudiando la fluorescencia de sales y minerales de uranilo, llegó al descubrimiento de la radiactividad del uranio, aunque ambos fenómenos no están relacionados. Pero, es curioso que la hipótesis errónea de Becquerel llevara a una revolución: el inicio de la era nuclear.

Una sustancia intensamente fluorescence: el perileno. La fluorescencia es un fenómeno increíblemente útil.

La fluorescencia, como he dicho, depende de los “saltos” de niveles energéticos en las vibraciones de los enlaces entre átomos del material, en respuesta a la luz incidente. Si

analizamos esa luz emitida, tal vez podamos obtener información sobre las características del material. Descomponer (como hizo Newton) la luz fluorescente en sus componentes energéticos es la espectroscopía de fluorescencia. Para recoger la luz con precisión, modificamos el microscopio. Aquí otra versión del invento:

En la imagen se ve la luz emitida por fluorescencia de una sal de uranilo (acetato de uranilo). El microscopio modificado descompone esa luz amarilla en sus componentes:

Espectro del uranilo (bandas en la zona verde y amarilla) del acetato de uranilo. El espectro de fluorescencia puede permitir identificar diferentes sales de uranilo. La fluorescencia de las sales de uranilo no está relacionada con la radiactividad del uranio.

Cada uno de esos picos corresponde con un salto de energía en los enlaces entre átomos de uranio y oxígeno. Este patrón de fluorescencia es específico de materiales que contienen uranilo, y pequeñas variaciones en su intensidad y longitud de onda nos da información sobre la composición.

Otro ejemplo de fluorescencia lo da el aragonito de Pantoja (Toledo), en ésta foto iluminado con luz ultravioleta:

El análisis de la luz fluorescente de éste aragonito con el invento que os he mostrado antes nos da éste resultado, comparado con la fluorescencia del aragonito de Sicilia, asociado a azufre.

Espectros de fluorescencia del aragonito de Pantoja y el aragonito de Sicilia.

El análisis del espectro nos dice que el aragonito de Pantoja tiene máximos de fluorescencia de 490, 517 como componente principal, 560 y 617 nm, resultando en un color amarillo blancuzco; el aragonito de Sicilia tiene máximos de

fluorescencia de 480, 610 y 640 nm, lo que le da un tono mas rosado. La causa de la fluorescencia de los dos aragonitos es distinta. En el aragonito de Pantoja, es posible que pequeñas cantidades de uranilo generen la fluorescencia. En el aragonito de Sicilia no se conoce el activador, pero probablemente sean pequeñas cantidades de tierras raras.

Ya veis que desde el asombro de Newton por la luz hemos llegado a muchas sutilezas en nuestras observaciones de la Naturaleza. Con ello deseo un feliz aniversario de Newton y un año nuevo con mucha Ciencia y descubrimientos interesantes.

Huevos camperos (e ibéricos)

December 14, 2017

Una satisfacción para un científico es que su trabajo tenga eco, aunque no se reconozca a nivel personal. Ver que sirve de una forma u otra compensa de sobra. Muchas empresas se están beneficiando de una colaboración que hemos tenido con el Instituto Madrileño de investigación y desarrollo rural y agroalimentario (IMIDRA), un centro dependiente de la Comunidad de Madrid, situado en un sitio precioso, justo en el límite entre Madrid y Guadalajara, y que merecería más atención, tanto por el sitio como por el potencial de un centro de investigación de éste tipo. El tema es éste, que ya comenté en parte hace algún tiempo y aproveché para contaros cosas sobre las grasas y los ácidos grasos “omega”:

http://www.directoalpaladar.com/ingredientes-y-alimentos/una-e mpresa-comercializa-huevos-camperos-ibericos-alimentados-conbellotas

http://www.telemadrid.es/noticias/sociedad/noticia/asi-son-los -huevos-de-gallinas-camperas-alimentadas-con-bellotas

Dale bellotas a tus gallinas

La Comunidad de Madrid investiga una alimentación con bellotas para gallinas camperas

Los huevos de gallinas camperas alimentadas con bellotas contienen más ácidos grasos omega 3

La historia que hay detrás comienza, según me contaron, con unos granjeros de Madrid que crían las gallinas en una zona con encinar. Observaron que las gallinas (que comen de todo y, cosa que sorprende a mucha gente, las encanta la carroña y la carne) se comían las bellotas. Pensaron que si con los cerdos iban tan bien y usándolas se ahorrarían un dinero en piensos y maíz, empezaron a alimentarlas con bellotas, un producto

abundante en la zona y con poca salida. Observaron que los huevos de esas gallinas “ibéricas” daban una yema más oscura y consistente y que la tortilla de patata les quedaba especialmente rica. Así que se pusieron en contacto con el IMIDRA para plantear la cuestión, me preguntaron qué podríamos investigar para ver que tienen esos huevos de especial y nos pusimos manos a la obra.

Cómo distinguir la procedencia de los huevos según el código que llevan impreso. En cuanto al tamaño, no hemos encontrado diferencias en la calidad de la grasa según el tamaño del huevo o el tamaño relativo de la yema.

El resultado es que hay bastantes diferencias en la composición de la grasa y en el contenido de carotenoides, que le dan el color a la yema y que son nutrientes apreciados, entre estos huevos “ibéricos” y los huevos baratos de gallinas enjauladas. Observa d la diferencia entre el extracto de lípidos de yema de huevos baratos de gallina enjaulada (izq), huevos “camperos” (centro) y huevos “ibéricos” de Madrid (derecha).

Extracto en disolvente orgánico conteniendo la grasa del huevo (que está en la yema. La clara solo es proteína). La intensidad del color refleja el contenido en carotenoides, a los que se atribuyen numerosos beneficios para la salud, (la evidencia de tales beneficios es limitada, pero son nutrientes esenciales). A la izquierda, huevos de gallina enjaulada (clasificación 3E). En el centro, gallinas camperas (clasificación 1E). A la derecha, huevos “ibéricos”.

Los huevos de gallinas enjauladas que estudiamos tienen unos parámetros de composición grasa, basados en las proporciones de diversos ácidos grasos insaturados, considerados poco

saludables. Los huevos camperos y sobre todo los ibéricos, tienen unos parámetros de composición considerados saludables, si bien éstos factores no pueden considerarse por sí solos (ya hice una crítica de la tendencia nutricionista que aplica beneficios o perjuicios a factores o sustancias singulares, como un tipo de grasas, cuando en realidad hay que considerar todos los nutrienes en conjunto). En estos parámetros puede influir que las gallinas estén enjauladas o no y con qué las alimentan, lógicamente. Tras nuestro estudio, yo solo compro huevos de gallinas “camperas” y si veo los “ibéricos”, cada vez mas extendidos, a por ellos. Por cierto, entre gallinas “ecológicas” (código 0E) y camperas “no ecológicas” (código 1E), no hay ninguna diferencia en absoluto a éste nivel (bueno, siendo rigurosos, no encontramos ninguna diferencia en los productos analizados).

La gallina es un bicho que me cae bastante mal, que queréis que os diga… pero no me resisto a una tortilla de patata o a unos huevos fritos. Y si son de gallinas que campan a sus anchas por ahí y son bien alimentadas, pues mejor.

Estos resultados son preliminares, no concluyentes, pero si un buen inicio para un proyecto de investigación más elaborado.

Pero yo tenía ya un pie en mi exilio en USA y dada la falta de financiación y apoyo institucional, ahí lo dejamos. La cosa fue suficiente, no obstante, para avalar el tema, que la Comunidad de Madrid se apuntara un tanto y para que las empresas productoras saquen un producto nuevo, los huevos “ibéricos” “gourmet”. A mi me parece un interesante proyecto que podría servir para hacer una tesis doctoral y cuyos resultados tienen interés económico y ecológico: el aprovechamiento (y por tanto protección) de las dehesas encineras, alimentación sana para las gallinas y que redunda en huevos con mejores perfiles de composición. Pero depende de vosotros decidir si realmente están más buenos y la tortilla española sale mejor con ellos.

Resolviendo uno de los misterios del Origen de la Vida

September 26, 2016

El fosfato es fundamental para la vida, y el origen de su función biológica es uno de los temas que estamos desarrollando en mi laboratorio de Evolución Química en la Universidad de Alcalá , en colaboración con el Centro de Evolución Química, en Atlanta (USA), del que soy parte. El fosfato es un componente esencial en la estructura de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y en el metabolismo de las células vivas y forma parte de nuestros huesos y dientes. Sin fosfato, la vida no habría sido posible. Sin embargo, los científicos llevan más de 50 años preguntándose ¿de dónde salió el fosfato que dio comienzo a la Evolución? Ahora hemos respondido a est a pregunta. Una inspiración fué los extraordinarios cristales de struvita (fosfato de magnesio y amonio) recogidos en una fosa de purines en Maçanet de la Selva (Gerona). La struvita se forma por descomposición de la urea, componente de la orina de animales, en presencia de fosfato y magnesio.

de purines. Revista de Minerales, 6 (1), 66-67).

Este mineral está asociado a la descomposición de materiales de origen biológico y se encuentra en el guano en cavernas de murciélagos, en sedimentos lacustres muy ricos en materia orgánica en descomposición, cadáveres y en latas de conservas de pescado. También constituye un serio problema de salud, pues se forma en los riñones y puede dar lugar a cálculos renales. El estudio de los cristales de struvita suscitaba varias cuestiones: ¿por qué precipita struvita prácticamente pura y no se forman apenas fosfatos de calcio, más insolubles en agua? ¿Es un mineral únicamente asociado a material biológico que, como pensaban antes los científicos, no pudo formarse en la Tierra primitiva antes de que hubiera vida?

Partimos de una hipótesis basada en unir las condiciones ideales para formar struvita en un depósito de purines con una

FIG. 1 Cristal de 0.5 cm de struvita recogida en una fosa de purines de Maçanet de la Selva (Gerona). Los cristales alcanzaron los 2 cm (más información: Menor - Salvan, C. y Calvo, M. (2015). Formación de cristales de struvita en una fosa

idea que Charles Darwin expresó en una famosa carta de 1871 al botánico Joseph Hooker: quizá la vida pudo formarse en pequeños estanques de agua muy rica en urea y materia orgánica y con una fuente de fosfato . Esos primitivos estanques no debieron ser muy diferentes de las actuales fosas de purines, con la diferencia de que la urea y materia orgánica pudo proceder de cometas, meteoritos o de la síntesis en la propia atmósfera terrestre. De hecho, se cree que la urea debió ser abundante hace más de 3800 millones de años, cuando se originó la vida.

Así, en un primer experimento demostraron que la struvita se forma sin necesidad de orina o restos de animales en pequeños estanques ricos en urea y en un mineral muy común: la epsomita (sulfato de magnesio). Una solución de urea y otros componentes forma una ‘mezcla eutéctica’. Este comportamiento físico es clave en el proceso.

FIG. 2 Cristales de struvita sintética formada tal como pudo hacerlo en la Tierra primitiva.

FIG. 3 Cristales de struvita sintética formada tal como pudo hacerlo en la Tierra primitiva. Los cristales aparecen recubiertos de otros más pequeños del mineral newberyita, un fosfato de magnesio formado por alteración de la struvita.

Dos hallazgos fueron fundamentales para conectar la struvita con el origen de la vida. El primero de ellos nos sorprendió: los apatitos (fosfatos de calcio), minerales muy insolubles, se alteran en presencia de urea en solución eutéctica y epsomita, convirtiéndose en una mezcla de struvita y yeso

FIG. 4 Masas de cristales de yeso formados por alteración de hidroxiapatito en un ‘lago’ simulado rico en urea y epsomita. En el centro de la imagen se aprecia un cristal de newberyita.

FIG. 5 Masas de cristales de yeso formados por alteración de hidroxiapatito en un ‘lago’ simulado rico en urea y epsomita.

El segundo hallazgo fue que la struvita (o el mineral relacionado newberyita) o una mezcla de apatito y epsomita, en un lago en desecación rico en urea, promueve la síntesis del AMP (monofosfato de adenosina), el UMP (monofosfato de uridina) y moléculas formadas por la unión de varias unidades de ellos, todos componentes del ARN, en lo que pudo ser un primer paso hacia la vida impulsado por minerales y en una curiosa ironía natural: el mismo mineral que representa el final de la vida, formado en la descomposición de materia orgánica, pudo estar presente en su origen. Por su importancia, este trabajo ha sido portada de la prestigiosa revista Angewandte Chemie:

FIG. 6 Portada diseñada por Santiago Isaac Rodriguez Valcarcel y Cesar Menor Salvan para Angewandte Chemie Int. Edition.

La portada muestra el papel central de la epsomita (el mineral que ocupa el centro de la imagen) en las transformaciones minerales que pudieron promover cómo el fosfato del apatito se incorporó a la evolución, con Darwin añadiendo urea a su idea del ‘pequeño estanque caliente’ (‘warm little pond’). Un paso más para conocer el Origen de la Vida, en el que los minerales jugaron un papel fundamental.

El trabajo, por su importancia, ha sido reseñado en el periódico El País, donde en los comentarios se puede encontrar un intenso y divertido debate creacionismo vs. evolución, muy interesante para ver que sabe y las ideas que tiene (muchas erróneas) el público general.

¿quieres saber mas sobre el Origen de la Vida?:

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¿alguien tiene un mineral a mano? – Mineralogía cotidiana

September 20, 2016

Esta entrada participa en la LX Edición del Carnaval de Química, acogido en Pantomaka

Las Ciencias de la Tierra, y en particular la Mineralogía, al igual que la Química y la Geoquímica están en todas partes. Su conocimiento nos permite ver pequeñas maravillas por doquier y, sobre todo, comprender mejor cómo se comportan y evolucionan los materiales que conocemos y manejamos habitualmente. Somos agentes geológicos y no podemos desligarnos de la Tierra y sus procesos. No tener ningún conocimiento básico sobre Ciencias de la Tierra es como desconocer la casa en que vivimos.

Y hablando de casa, los minerales y multitud de procesos químicos relacionados con elementos como el calcio, magnesio, hierro e incluso oro se encuentran y tienen lugar en nuestros hogares, si sabemos verlos. Prácticamente todos los materiales que utilizamos son minerales o proceden del procesamiento de minerales. Vamos a ver algunos ejemplos, que además pueden ser de utilidad para enseñanza, mostrando las bases de la Mineralogía de modo práctico y accesible, sin necesidad de laboratorios o colecciones. Basta con echar un vistazo a lo que nos rodea:

Nódulos de aragonito (carbonato de calcio) formados en el interior de la cisterna de un WC. Los recogí al hacer una reparación de una avería provocada por ellos.

Las cristalizaciones de aragonito son habituales en fontanería cuando el agua es dura (alto contenido en calcio) y provocan interminables problemas y averías. Al aragonito hay que agradecerle una parte de la facturación de fontaneros y de fabricantes de electrodomésticos. La formación de calcita o aragonito, dos estructuras cristalinas posibles para el carbonato de calcio, depende del contenido en magnesio del agua. Alta concentración de magnesio induce la formación de aragonito, por razones que no están bien explicadas. En aguas pobres en magnesio, los depósitos de cal están formados por calcita.

Otra muestra de cristales de aragonito de la misma procedencia. Pocos problemas de mantenimiento en fontanería y calderas habría, si no fuera por éste mineral, formado al romperse el delicado equilibrio entre CO2, bicarbonato (HCO3-) y carbonato (CO3–) en el agua.

La reparación de un termo eléctrico nos da la oportunidad de encontrar algunos minerales bien cristalizados, en especial el aragonito y la calcita. La presencia de magnesio, procedente de la disolución del ánodo de s acrificio que llevan esos aparatos favorece la cristalización de aragonito.

Cristales de aragonito formados en el interior de un termo eléctrico.

El agua provoca constantemente cambios en los materiales de la superficie terrestre, y las casas y objetos de los humanos no se libran. Las casas están hechas con materiales derivados de minerales y el agua los transforma en nuevos minerales o minerales secundarios. Esta transformación de unos minerales en otros por el agua provoca grandes pérdidas y los daños que provoca requieren constantes reparaciones. Un ejemplo de éstos minerales destructores es la epsomita (sulfato de magnesio), formado por infiltración de humedad por aguas subterráneas. La epsomita destruye cemento, muros y paredes.

Cristales de epsomita (sulfato de magnesio) formados en una humedad de un muro. La epsomita, formada al evaporarse el agua subterránea que se infiltra por cimientos y paredes, destruye revestimientos de paredes y echa a perder pintura, cemento, yeso, etc.

Todos sabemos que el hierro se oxida. Lo que es menos común es que alguien sepa qué forma y qué procesos ocurren en la oxidación, algo muy importante por la importancia del hierro. El hierro es un material rápidamente transformado por el agua y aire en minerales mucho más estables en las condiciones ambientales oxidantes de nuestro planeta. Es interesante que el hierro puro es bastante resistente tanto al agua pura como al oxígeno seco. El aire seco pasiva el hierro por formación de una capa de óxido ferroso. En cambio, la combinación agua+oxígeno y agua+dióxido de carbono provocan oxidación, que es muy rápida en presencia de sales solubles, dado que favorecen las reacciones electroquímicas (de ahí que el hierro se oxide más rápidamente en las zonas de costa). La oxidación del hierro forma herrumbre que no se compone de óxidos, sino de una compleja mezcla de oxi-hidróxidos. Estos

no se adhieren, sino que se hinchan y descaman, exponiendo más metal a la alteración y favoreciendo que continúe la oxidación. Uno de los minerales que componen la herrumbre es la chukanovita, un hidroxi - carbonato de hierro, estructuralmente análogo a la malaquita (que a su vez puede encontrarse en tuberías y objetos de cobre y bronce alterados por la humedad). Puede sonar como un mineral extraño, pero es muy común en hierro oxidado (clavos, herramientas o cualquier material hecho con hierro):

Chukanovita sobre lepidocrocita (FeO(OH)) en un clavo oxidado.

Otra muestra de chukanovita y lepidocrocita (hidroxi-oxido de hierro). La lepidocrocita es el primer oxi-hidróxido de hierro formado en la alteración del metal. Con el tiempo (miles de años), éstos minerales terminan transformándose en goethita, una forma más estable de óxido-hidróxido de hierro.

El estudio de éstos minerales, formados por alteración de metales y otros objetos, es importante en arqueología, arquitectura y construcción, etc.

Materiales de construcción

Los materiales de construcción se hacen con minerales y rocas. En algunos casos sin más cambios que el corte y pulido: granito, mármol, caliza, basalto y pizarra son algunas rocas que podemos encontrar en cualquier casa. La arena está formada por pequeños granos de mineral y un vistazo detallado nos revela curiosas sorpresas, como por ejemplo que contiene pequeñas joyas:

Laminilla de oro nativo encontrada en un saco de arena para construcción, junto con cuarzo (granos claros) y otros minerales pesados. El oro no es difícil de encontrar, dependiendo de la procedencia de la arena. Ésta procedía de una cantera de áridos de Abades (Segovia).

Cristal de zircon de un concentrado de arena de construcción. El zircón es un mineral muy interesante, ya que por su dureza y estabilidad conserva información esencial de las condiciones en las que se formaron y aporta mucha información sobre el origen e historia geológica de la Tierra. La arena es una inagotable fuente de curios os materiales. Dependiendo de la procedencia tiene diferentes minerales y, usando un método para separar minerales pesados, puede encontrarse incluso oro . Una buena actividad para un sábado por la mañana es adquirir algún saco de arena para construcción (la más interesante es la que procede de plantas de áridos situadas en entornos graníticos, como en algunas zonas de Madrid, Segovia o Ávila por ejemplo) y separar los minerales pesados que contiene con una batea para oro. En esa fracción pesada pueden encontrarse, además de oro y zircón, minerales como: magnetita, ilmenita, hematites, scheelita, apatito, uraninita, thorita, rutilo…

Pero no solo la arena nos muestra minerales. La grava para hacer hormigón a veces contiene sorpresas entre sus desalentadores cantos rodados de cuarzo, como éste fragmento de pegmatita conteniendo dos de sus minerales típicos, la

turmalina y el feldespato (ambos no son un único mineral, sino familias de minerales):

Cristal de turmalina de 0.7 cm sobre albita , recogido en un montón de grava para hormigón. Lamentablemente el cristal está dañado por los impactos en la grava.

Las rocas que se utilizan en las casas tienen una amplia variedad de minerales. Además suelen estar pulidas ya por el proveedor de materiales de construcción, con lo que nos facilitan el trabajo de observación de sus minerales. Basta con recoger fragmentos o recortes de granito y otras rocas utilizados en encimeras de cocina y otras cosas que requieren un pulido intenso y observarlos con un estereomicroscopio normal. En los institutos nos enseñan que el granito se compone de “cuarzo, f eldespato y mica”, pero echando un vistazo a un trozo de granito pulido vemos que la realidad es más compleja y el granito tiene una buena variedad de minerales llamados “accesorios”. Dependiendo de la suerte que tengamos, podemos encontrar hasta oro.

Sulfuro metálico (probablemente pirita) y sus productos de oxidación en un granito pulido para construcción. La pirita es uno de los minerales accesorios más comunes y se puede encontrar en granito, mármol y otras rocas ornamentales.

Pirita incluida en biotita de granito pulido.

Pequeño cristal hexagonal (0.05 mm) ¿de pirrotita? ¿de mica? incluido en cuarzo. Granito pulido.

Laminilla microscópica de oro incluida en cuarzo observadas en un recorte de granito pulido recogido de una obra.

Cristales de pirita integrados en mármol, utilizado en el embaldosado de suelos.

Ammonites en una caliza fosilífera jurásica, relleno de calcita. Visto en un suelo de una tienda de Madrid

Otros objetos y materiales cotidianos

El mineral casero por definición: la halita (NaCl), presente en gran cantidad en todos los hogares y con amplia variedad de procedencias: salinas marinas, minas (como la de Remolinos en Zaragoza), salinas no marinas (como las antiguas salinas de Imón en Guadalajara, España).

La Biología y la Mineralogía van juntas: cristales de whewellita (oxalato de calcio) en la piel externa de una cebolla. El oxalato de calcio es una defensa fundamental para la planta, además de ser un almacén y regulador del contenido en calcio, a semejanza del fosfato de calcio en nuestros huesos.

Los diamantes también son minerales y pueden encontrarse naturales, en joyas, y artificiales, como los de ésta imagen, que se usan, por su dureza, en discos de corte.

Como veis, hemos hecho una rápida colección de minerales sin ni siquiera salir de casa. Hemos detallado 22 minerales caseros, pero si queremos completar nuestra colección se podrían añadir muchos más que igual tienes cerca: micas (otra familia de minerales), calcita, yeso, caolinita, cuarzo, plata, berilo, minerales de la familia de las arcillas, ópalo, goethita, hematites, minio, grafito... No hay excusas ya para comenzar a conocer los minerales e incluso comenzar una colección.

(Nota: Todos los minerales indicados han sido confirmados analíticamente, excepto los indicados con interrogantes. ¿Necesitas analizar tus muestras? Entonces echa un vistazo aquí)

No, que haya glicina en cometas no sugiere que la vida vino del Espacio…

May 30, 2016

…Ni ayuda a explicar ni comprender los Orígenes de la Vida. La Ciencia no es una mera acumulación de datos y observaciones, sino que uno de sus objetivos es el gobierno del pensamiento propio, usando el pensamiento científico (que no “método científico”, p ues la Ciencia tiene muchos métodos). El pensamiento científico nos ayuda a descubrir sesgos cognitivos, falacias, conclusiones erróneas, relaciones de causa-efecto falsas, etc. Sin embargo, actualmente veo por todas partes varias conclusiones erróneas, y alguna burrada alimentada incluso por científicos, en la divulgación de una noticia científica: el descubrimiento de glicina en el cometa 67P - Churyumov/Gerasimenko por parte de la sonda Rosetta, de la ESA.

El cometa 67P, una masa de hielo y rocas con una

composición y actividad fascinantes.

¿por qué es importante que haya glicina en 67P (y otros)?. Para mi porque, sobre todo, confirma las predicciones que llevamos haciendo los químicos que trabajamos en Química Prebiótica y Evolución Química desde la primera síntesis de glicina en condiciones “relevantes para el origen de la vida”. Habría si do una sorpresa que NO hubiera glicina y, seguramente, habrá otros muchos componentes mas complejos e interesantes.

Un experimento clásico: formación de glicina (y otras cosas) por descargas eléctricas en una atmósfera que contiene metano.

La primera síntesis relevante para el origen de la vida de glicina no es, como algunos divulgadores explican, el famoso experimento de Stanley Miller de 1953, sino los trabajos de Walter Löb a principios del siglo XX, en especial Über das Verhalten des Formam ids unter der Wirkung der stillen Entladung Ein Beitrag zur Frage der Stickstoff-Assimilation. (Sobre el comportamiento de formamida bajo la acción de la

descarga silenciosa. Una contribución a la cuestión de la asimilación de nitrógeno. Löb, W., 1913. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft , 46 (1), 684 - 697). Desde entonces sabemos que la glicina se forma con extremada facilidad en variedad de condiciones que perfectamente pueden darse en la Naturaleza y así la hemos observado en infinidad de experimentos. No sólo la glicina, también otros compuestos sencillos, como muchos aminoacidos.

Alanina, el siguiente aminoácido sencillo tras glicina y, junto con ésta, los mas abundantes en los experimentos de Química Prebiótica.

La glicina se forma en un amplio rango de temperaturas, en hielos o en agua líquida, mediante aporte de energía de cualquier forma a fuentes de carbono y nitrógeno presentes en la atmósfera, el agua o hielo (CO, amoniaco, CO2, nitrógeno). Así, lo llamativo sería que no estuviera en el cometa y menos mal que está , si no nuestros modelos de evolución química no funcionarían. Asi que, su hallazgo, como decía, nos dice que vamos por el buen camino, pues hay un escenario natural donde

tienen lugar los procesos que llevamos haciendo en el laboratorio durante un siglo y, quizá, podemos ver “congelados” los primeros pasos de la evolución química, previa a la evolución biológica.

¿que NO implica este descubrimiento?

No confirma la teoría de la panspermia. Es incluso ridículo suponer que si. El hecho de que haya glicina en un cometa no excluye que la glicina (y otros muchos componentes) se formara en la Tierra primitiva. ¿por qué hemos de suponer que en la Tierra primitiva, un planeta completo con una gran variedad de condiciones ambientales, no pudieran darse procesos que se han dado en cometas o en lugares como Titán, de modo que sea necesario “importarlos” de los cometas o de Marte?. La presencia de glicina en un cometa ni confirma ni excluye la posibilidad de una fuente extraterrestre de compuestos orgánicos en la época en la que se inició la vida en la Tierra. Y, por supuesto, no significa que la vida en la Tierra llegara del espacio. Las evidencias indican que mas o menos durante la época del origen de la vida en la Tierra, el bombardeo por meteoritos y cometas era intenso. Sin duda este bombardeo pudo aportar energía que activara procesos químicos relevantes y componentes importantes. Pero que haya glicina en el cometa no significa que los compuestos orgánicos de la Tierra primitiva vinieran del espacio, o al menos no necesariamente todos vinieron del espacio . La Tierra probablemente tenía una rica química ya de por si, aumentada y activada por los impactos. Si los componentes orgánicos aportados por cometas en la Tierra primitiva fueron relevantes o no y cual fué su papel, es algo a lo que no podemos dar respuesta porque no sabemos cómo se originó la vida. Probablemente fueron relevantes, pero por el momento es lo unico que podemos decir. Igual la Tierra primitiva era mas

parecida a Titán, llena de compuestos orgánicos producidos por su propia química. Hasta ahora, aunque Titán no está muy de moda (La Tierra casi con seguridad no era tan rica en compuestos orgánicos como Titán), yo no conozco ninguna evidencia sólida que descarte que la Tierra formó sus propios componentes orgánicos y sí hay evidencias que apoyan a un origen terrestre o mas bien a un origen mixto. Pero todo ésto son temas en discusión.

Titán visto con color natural. El color de Titán se debe a la presencia de compuestos orgánicos en su densa atmósfera de nitrógeno. Posiblemente en la Tierra primitiva se dieron procesos similares.

No, la glicina no es un precursor, ni un componente, ni un “ladrillo” del ADN. Que se forme glicina no aporta ninguna pista sobre el origen de los ácidos nucleicos. Esto se aclara para el público y los periodistas. En un científico, afirmar que la glicina es un precursor de

ácidos nucleicos es imperdonable. No explica ni ayuda a explicar el origen de la vida . Como decía antes, sabemos desde hace un siglo que la glicina se forma fácilmente. Y desde hace un poco mas de medio siglo sabemos que muchos componentes de las grandes moléculas de la vida pueden formarse a partir de precursores simples, como metano, nitrógeno, urea o formamida. A pesar de eso no sabemos como se originó la vida. Tenemos una idea general llena de puntos difíciles de explicar y de comprender. Pero nadie entiende ni puede explicar como se originó la vida. Que haya glicina en un cometa no aporta ni una pizca de claridad a ésta cuestión.

En rasgos generales, el valor científico de éste hallazgo es importante aunque limitado, ya que no responde a ninguna pregunta relevante que tuviéramos antes Confirma lo que ya sabíamos o sospechábamos. No así el valor tecnológico, que es impresionante. Y con ésta tecnología, seguro que en el futuro próximo si habrá sorpresas.

Por suerte la cuestión del origen de la vida, una de las grandes preguntas de la Ciencia y la Filosofía humanas, sigue sin tener una respuesta. Y digo por suerte, ya que son las grandes preguntas las que impulsan el espíritu humano y lo mas importante no es encontrar respuestas, sino la búsqueda en sí misma, que nos lleva a una comprensión mas profunda del fenómeno de la vida y de nuestro lugar en el Universo. Las grandes preguntas mueven a la exploración y la exploración y el pensamiento científico nos lleva no sólo a muchos descubrimientos y tecnología, sino a la paz y la civilización.

Por qué soy científico

April 10, 2016

Carl Sagan dijo ” La Ciencia es mas una manera de usar tu pensamiento que un cuerpo de conocimientos”. Siempre me ha gustado esta frase, primero porque es cierta y, segundo, porque el concepto de “way of thinking”, que puede implicar simplemente el modo en que piensas, también podria usarse en su sentido literal, el de camino, via. Sea como fuere, la Ciencia no trata sólo sobre lo que sabes y cuanto sabes sobre algo, sino de como accedes al conocimiento y de como ese conocimiento afecta a cómo te relacionas con el mundo. En cierto modo, la Ciencia es un viaje. Yo lo llamo el viaje vertical, porque no es un viaje para explorar lugares usando coches, trenes o aviones, sino un viaje hacia arriba a una escala mucho mayor que la que contemplamos a simple vista, o bien, un viaje hacia lo que subyace, a una escala muy inferior, utilizando otros medios de transporte: microscopios, telescopios, instrumentos de todo tipo y, por supuesto, nuestra mente. La Ciencia es la fe en la mente.

Carl Sagan. Gracias a su libro “Cosmos”, me convertí en astrobiólogo y comencé a trabajar en el Origen de la Vida.

Isaac Asimov, cuyos libros, tanto de ficción como de divulgación científica devoraba de adolescente, fue otro de los responsables de que me hiciera científico. Libros como la “Breve Historia de la Química” o “Los Gases Nobles” influyeron notablemente en mi deseo de ser químico. El dijo “el verdadero goce de la Ciencia está en la búsqueda, no en el conocimiento”.

El bioquímico y escritor Isaac Asimov. Siempre me fascinó su capacidad para escribir. Con lo que me cuesta escribir un artículo, como podía el escribir tantos libros (Foto: Mondadori Portfolio via Getty Images)

Con todas estas lecturas y referencias, desde niño soñaba con ser científico. Quería pasar el tiempo en laboratorios y con instrumentos increíbles que me permitieran ver cosas como otros planetas, moléculas, entender la materia y como se comporta, cristales y minerales, productos y elementos químicos extraños e inusuales etc. Quería saber por qué el mundo es como es, que forma tienen los objetos que no podemos ver, cómo es el mundo que se esconde mas allá de nuestra limitada vista, tanto para ver lo pequeño como lo enorme. Nunca pensé en dedicarme a la Ciencia para tener dinero o ser

famoso, para curar enfermedades o salvar a la Humanidad. Solo quería maravillarme con la Naturaleza y el Universo del que formamos parte. Soñaba con tener algún dia mi pr opio microscopio y observar como Cajal, y mi propio telescopio para ver con mis propios ojos la Luna o Júpiter. Y, ahora que soy un científico profesional, nada de eso ha cambiado. Creo que el científico conserva al niño que todos fuimos tal cual, intacto. Simplemente va jugando con juguetes progresivamente mas caros.

Este fué uno de mis primeros libros de Química. Bueno, nunca fué mio, lo sacaba de la biblioteca del instituto donde hice el BUP. Aun había muchas cosas que no podía entender, pero me encantaba leerlo, en especial la química descriptiva de los elementos. Recuerdo como soñaba, leyendolo a la luz escasa de velas, junto al fuego

de la estufa en invierno, cuando ni siquiera teníamos luz, que podía ver cómo Brandt descubrió el fósforo y Marie Curie observó el radio por primera vez.

Ciencia no es sinónimo de I+D.

Muchos científicos se definen como “investigadores”. Si, un científico investiga cosas, pero es mucho mas que un investigador. Investigación es una acción, Ciencia es un concepto; es, como dije antes, una manera de usar tu mente y cómo vives tu interacción con el mundo. En la Ciencia se investiga, por supuesto. Pero también se investiga en el márketing y ventas, los abogados investigan, cuando queremos comprar un coche nuevo investigamos. La Ciencia es una búsqueda y una forma de pensar y relacionarte con el mundo. No la veo como una profesión, ni una actividad. Es mucho mas, es una vivencia personal y un viaje que puede emprender cualquiera. No es necesario ser científico profesional, la Ciencia es un regalo que unos pocos nos han hecho a todos y todos tenemos el derecho de disfrutarla y de usarla, como tal metodología de pensamiento. Pocas cosas hay tan accesibles: está ahi, todo el conocimiento, cómo se ha accedido a él y todo lo necesario para que cualquiera lo use a cualquier nivel. Todos podemos maravillarnos, porque la Ciencia, sobre todo, va de maravillarse con el mundo, con el Universo. Es el sentir cómo se te pone la piel de gallina y te salen mariposas en el estómago la primera vez que ves Júpiter con un telescopio, o el primer espectro que observas con un instrumento que no habías usado hasta el momento. No importa que tú no hayas descubierto Júpiter, no se trata de que tu seas Galileo. Se trata de resonancia: resuenas con él y con todos los que tras él estudiaron Júpiter. Se trata de que tu lo estas descubriendo en éste momento, es una vivencia de tu vida. Esa vivencia única hace que se recree la emoción del

descubrimiento científico cada vez que unos ojos nuevos se acercan a un telescopio y se emocionan con lo que ven. Quien no sienta emoción con éso, o con la primera vez que observas algo o con la primera vez que sientes entender algo, que es mas que saber algo; quien, como digo, no sienta emoción con éso, desde luego no es un científico. Mas aún, pienso quien no sienta emoción con el descubrimiento solo está viviendo a medias. Y estas emociones son para todos, no son patrimonio de los científicos. Por eso también pienso que un científico debe enseñar. Enseñar de persona a persona es una vivencia maravillosa. Y hace falta mucha generosidad para enseñar: es dificil, cuesta tiempo y requiere esfuerzo y salir de nuestro mundo y tratar de empatizar con otros. No todos los científicos quieren enseñar, lo consideran una pérdida de tiempo. Yo creo que es al contrario: enseñar a otras personas, nos da la oportunidad de mejorar la vida de otra persona, de hacer su vida mas rica o mejor. Además enseñar es una gran forma de aprender y tomar perspectiva y la gente suele agradecer la oportunidad de aprender de primera mano con una persona que está generando conocimiento.

¿Qué es la ciencia? Indudablemente ustedes lo saben puesto que la enseñan. Si alguien no lo sabe, la guía del profesor de cualquier texto escolar ofrece una

completa discusión sobre el asunto. Pero la ciencia no es lo que han dicho los filósofos y con toda seguridad, tampoco lo que dicen las guías del profesor. ¿Qué es? Ese fue el problema que me planteé cuando decidí dictar esta charla y al hacerlo recordé aquella fábula que dice: Caminaba alegre un ciempiés cuando un sapito le preguntó: ¿Cuál pie tú pones primero y cuál colocas después? Preguntándose el ciempiés ¿cómo hago yo al caminar? Se le trabaron los pies y a un hueco vino a parar. Durante toda mi vida he hecho ciencia y sé lo que es, pero me siento incapaz de decirlo; no sé cuál pie pongo primero y cuál después. – Richard P. Feynman en una charla a profesores de ciencias. Recogida en su libro “Seis piezas fáciles”

La Ciencia tampoco es desarrollo. Como científico, me dedico a la Ciencia no para conseguir desarrollos, ni retos, ni ser excelente, ni conseguir retornos ni hitos, ni entregables. No hago ciencia para ser conocido, o dar charlas o que la gente me alabe o me hablen con respeto. Lo hago porque lo siento así, porque vivo la Ciencia. Pero, independientemente de lo que yo sienta, la Ciencia no es para desarrollar cosas, bienes o crear riqueza. La Ciencia es para conocer, para ser mas humanos, para mejorar nuestra comprensión y, por tanto, nuestra interacción con el mundo.

Es curioso que la palabra “ingeniería” prácticamente ha desaparecido del vocabulario de quienes manejan la política científica. Ingeniería podría ser lo que ahora llamamos I+D, o eso tan absurdo de I+D+i, que nunca he entendido: ¿innovación y desarrollo es distinto? ¿por que la i es minúscula?. Actualmente se mezcla Ciencia e Ingeniería, que es hija de la Ciencia. Pero parece que existe un cierto tabú a la hora de usar la palabra “Ciencia” y “científico”. El problema de mezclar de ésta manera los conceptos es que, primero, confunde

al público, que ha dejado de entender qué es la Ciencia y, segundo, instrumentaliza la Ciencia, convirtiéndola en una factoría para la obtención de bienes tangibles o potenciales desarrollos rentables. No digo que ésto sea malo, lógicamente. Y es necesario. Con la Ciencia se puede innovar, pero no se puede practicar (y por ende financiar) la Ciencia sólo para la resolución de problemas prácticos o para conseguir innovaciones, ya que, en algún momento y por necesidad, el científico que investiga la resolución de un problema va a tener que utilizar el trabajo de un científico que investigalgo solo por el placer y la necesidad de conocer, sin pensar ni vislumbrar si tendría una aplicación práctica. En otras palabras, la Ciencia enfocada a obtener conocimiento, lo que artificiosa y absurdamente se llama “ciencia básica”, diseñada para responder preguntas y no con una aplicación específica en mente, es totalmente necesaria para que las aplicaciones, tecnología y soluciones prácticas surjan.

En mi biblioteca tengo un ejemplar de la primera edición del manual de Astronomía del importante astrónomo español Jose Comas Solà, en la que se puede leer el párrafo de la imagen anterior. Creo que lo que afirma es extensivo a la Ciencia en general.

Ciencia es Cultura. Hay una tendencia también a separar, como áreas distintas del conocimiento humano, la Ciencia y la Cultura. Yo no veo que exista diferencia alguna. ¿que es la Cultura?. Si buscamos información sobre el concepto de Cultura, vemos que está mas allá del cine y la danza, que es lo que la mayor parte de la gente entiende por ello. La Ciencia contribuye decisivamente tanto a la Cultura como a la Civilización, de la que es inseparable. Yo diría que la consecuencia mas importante de la Ciencia no es la creación de bienes o tecnología, ni la mejora económica, que, aunque importantes y no desdeñables, quedan por detrás de su contribución a una Civilización pacífica. Las sociedades acientíficas son bárbaras y brutales, como podemos ver en las noticias todos los dias. Estas sociedades acientíficas no dudan en usar los productos de la Ciencia, si ello les sirve para obtener poder o dominio. Así, la Ciencia, sin humanismo se transforma en I+D.

Volviendo a la pregunta que me hacía y que da lugar a éstas sencillas reflexiones, ¿por que soy científico?. Por curiosidad, por emoción. Porque en la Ciencia encuentro un espacio de libertad para pensar y crear, una forma de relacionarme con el Universo. Con la Ciencia tengo una ventana abierta a un mundo vasto e inabarcable, con lo que nunca puedo sentirme aburrido, ni sólo, mientras explore. No importa lo que descubras, su importancia, si trabajas en un “hot topic” o si publicas tal o cual. El mundo de los científicos es una cosa distinta a la Ciencia. El mundo de los científicos tiene sus reglas del juego y sus complejidades. No es un mundo agradable, desde luego, en algunos aspectos, pero es

conveniente moverse en él. Pero no necesario, cualquiera con interés puede gozar de la mejor parte de la Ciencia. El científico tampoco lo hace por el sueldo o el dinero, como es obvio. Naturalmente queremos cubrir nuestras necesidades personales y disponer de recursos para poder explorar la Ciencia. Pero a mi no me escandaliza que un científico tenga un sueldo ridículamente bajo, comparado con un futbolista o con un personaje semianalfabeto de la tele. Lo que me escandaliza es que nos pongan dificultades para explorar y enseñar. Nosotros siempre seremos más ricos, aunque no tengamos dinero en la cuenta del banco. A mi me basta con un laboratorio y tiempo para poder dedicarme a ello.

Compost doméstico y contaminantes.

January 17, 2016

Sorprendentemente, el compostaje casero nos enseña una cosa: que con los alimentos ingerimos una gran cantidad de contaminantes que se transfieren desde los plásticos y cartones de todo tipo de embalajes. ¿que efectos a largo plazo tendrán moléculas como los isopropilnaftalenos, el bisfenol A o los ftalatos?

El compostaje es un proceso biológico en el que se transforma la basura orgánica (como residuos de alimentos) en compost o mantillo, que luego puede usarse como abono. El proceso implica la humif icación o conversión en humus de los materiales orgánicos. El humus es una materia negruzca formada por una mezcla de polímeros orgánicos derivados de los azúcares, polisacáridos y proteínas de la basura de partida. El proceso se diferencia de la putrefacción, que tiene lugar cuando tiramos la basura al contenedor, en que el compostaje se hace en condiciones aerobias (con un buen aporte de oxígeno) y la putrefacción tiene lugar en ausencia de oxígeno o con poca aireación. La putrefacción genera un olor asqueroso, debido compuestos de azufre y aminas emitidas por el metabolismo de bacterias anaerobias , en tanto que el compostaje, si se realiza correctamente, no genera olores desagradables. Al contrario, el compost bien fabricado tiene un agradable olor a tierra mojada.

Comencé a interesarme por el proceso de compostaje debido a la Astrobiología. Puede parecer una relación extraña, pero no lo es. En el compostaje tiene lugar, en condiciones controladas, un proceso habitual en el suelo, que es la transformación de materia orgánica muerta en humus y otros compuestos que se incorporan en el suelo y los sedimentos.

Con el paso del tiempo, si las condiciones son adecuadas, estos compuestos de origen biológico se transforman en una materia orgánica que llamamos betún (bitumen en inglés ) , que se incorpora en las rocas sedimentarias. El petróleo se forma por la transformación parcial, migración desde la roca sedimentaria hacia el reservorio y acumulación de estos betunes. Tras cientos de millones de años, en las rocas sedimentarias y en el petróleo aún quedan restos de la materia biológica original, que llamamos biomarcadores. El estudio de éstos biomarcadores ha ayudado a los científicos a trazar cómo han evolucionado los ecosistemas en la Tierra y averiguar, por ejemplo, cuando aparecieron las plantas o cuando surgieron los organismos eucarióticos.

Betún (bitumen en inglés) extraído de r ocas sedimentarias. Esta materia, formada por hidrocarburos, fué parte de plantas, bacterias y algas hace 300 millones de años.

Cuando comencé a poner a punto una línea de investigación sobre biomarcadores, necesitaba una serie de muestras de

entrenamiento, naturales y ricas en materia orgánica, para probar las técnicas de análisis, identificar moléculas importantes (como los hopanoides, de los que hablamos un poco mas adelante) y también conocer qué moléculas hay en el primer paso, de modo que pudiera descubrir nuevos biomarcadores de plantas. El compostaje es ideal, ya que es un modelo acelerado del proceso natural de concentración de moléculas que, con el paso de las eras geológicas, forman los componentes del betún.

En resumen, incorporamos en un compostador, (un biorreactor formado por un simple contenedor diseñado para la aireación continua) toda la basura orgánica generada en casa: restos de comida, hojas caídas en otoño y restos pequeños de podas serán la mayor parte de los componentes. Para iniciar y acelerar el proceso, se puede añadir mantillo, un poco de suelo limpio o un preparado a base de bacterias que puede encontrarse en tiendas de jardinería. Se mantiene todo húmedo y se deja tiempo.

La mayor parte de la materia orgánica original desaparece en forma de dióxido de carbono, debido al metabolismo de las bacterias, hongos, insectos y otros seres que habitan el compostador. Hasta el 90% de la materia orgánica original puede llegar a desaparecer, digerida por el ecosistema que hemos creado. Tanto es así, que el compostador puede rellenarse una y otra vez con basura. El resto que queda está formado por una mezcla de:

Polímeros: ácidos húmicos y fúlvicos, complejas estructuras orgánicas de composición variable. También lignina y celulosa sin transformar.

Lípidos: Este grupo está formado por grasas, ácidos grasos, esteroles, ceras y terpenoides. Formarán la mayor parte de los biomarcadores que encontraremos en los betunes y petróleo y forman una parte importante (aproximadamente el 20%) del compost. Compuestos fenólicos, principalmente taninos. No son deseables en cantidad elevada, ya que los taninos son tóxicos para muchas plantas. Hay que evitarlos limitando la incorporación de basura rica en ellos, como hojas y cortezas de coníferas o posos de café.

Materia inorgánica: fosfatos, carbonatos, nitratos y metales como calcio, hierro, oligoelementos.

Mi biorreactor de compostaje. Un simple contenedor diseñado

para la aireación de la basura. Este en concreto ha funcionado muy bien.

El interés del compost, para mi, es que analizando la fracción de lípidos, concentrada en el compost a partir de decenas de kilos de basura, se pueden identificar numerosas fuentes biológicas, como familias de plantas superiores, animales, hongos o tipos de bacterias. También, conociendo las moléculas acumuladas en el compost, podemos imaginar en qué se transformarán y buscar sus derivados en carbón, petróleo o betún. Jugando con el material que añadimos en el compostador, podemos enriquecer el mantillo en unos biomarcadores u otros. Un ejemplo es el colesterol. Esta molécula, de la familia de los esteroles, es un biomarcador de animales. El colesterol se transforma en un tipo de hidrocarburo llamado colestano, que puede encontrarse en algunas rocas.

Compost maduro fabricado en el reactor de la imagen anterior. Es increíble que cosas como huesos, espinas de pescado o cáscaras de sandía hayan desaparecido completamente, convertidas en ésto.

Otro ejemplo importante es la abundancia en el compost de unos

compuestos muy importantes en la aplicación astrobiológica de los biomarcadores: los hopanoides, como el diplopteno. Estas moléculas son producidas por diversos tipos de bacterias y su estudio nos informa acerca de cambios ecológicos en el pasado. Gracias a ellos hemos podido estimar cuando aparecieron las bacterias fotosintéticas en la Tierra, por ejemplo.

Pero el análisis del compost nos revela algo muy interesante:

Una página de mi cuaderno de laboratorio, mostrando un análisis del compost.

El compost concentra los contaminantes químicos que añadimos junto a la basura. El análisis de diversos extractos (separación de las moléculas pequeñas que contiene atrapadas en el humus y que forman entre el 20 y 30% en peso del compost) revela que el compost contiene, entre otros:

diisopropilnaftalenos: estos proceden de los envoltorios de papel y cajas de cartón que se usan para empaquetar la comida. De los envoltorios pueden migrar a los alimentos. Se concentran en el compost, dada su naturaleza lipídica y su resistencia química.

Ftalatos: Estos contaminantes son universales, pudiendo encontrarse en prácticamente todas partes. Provienen de los plásticos. Desde los plásticos migran a alimentos,

suelos, etc. En mi experimento encuentro que hasta un 15% del extracto del compost madurado durante un añ o está formado por diisopropilnaftalenos y ftalatos.

2,4-ditertbutilfenol: Otro contaminante procedente de plástico.

Bisfenol A: probablemente el mas controvertido, dado que puede ser un disruptor endocrino y se ha asociado con diversos problemas de salud. Es un aditivo que se usa en plásticos y tiene gran resistencia química. En mi medición, observo hasta un 0.1% de bisfenol A en el extracto.

El problema es que éstos contaminantes (y otros), procedentes de plásticos, cartones, tintas y papeles, concentrados en el mantillo fabricado con residuos domésticos, pueden pasar al suelo con el uso e incluso pueden ser absorbidos por plantas. Se sabe por ejemplo que los tomates pueden absorber ftalatos y otros contaminantes del suelo.

La buena noticia es que la mayor parte de éstos contaminantes son eliminados del compost gracias a la actividad bacteriana, dejándolo un tiempo de maduración mayor. Así, en el compost que tenía aprox. un 15% de ftalatos y diisopropilnaftalenos, se reduce su contenido en el extracto a un 0.9% con una maduración de cinco años. El único contaminante persistente observado en 5 años de maduración es el bisfenol A.

Entonces, las preguntas que podemos hacernos son: ¿es seguro el uso de mantillo fabricado por compostaje de residuos domésticos? Parece ser que la presencia de contaminantes podría depender del tiempo de maduración y del control de lo que vertemos: evitar productos químicos, evitar que plásticos y papeles y cartón con tintas se incorporen en el compostador, evitar materiales ricos en tanino. Si el mantillo fabricado con residuos domésticos contiene bisfenol A, ¿es un riesgo potencial si se usa para abonar en huertas, cuyo fin es el

consumo humano?. No lo se (una exploración a la bibliografía actual vendría bien).

Envié estos resultados hace algunos años a un congreso internacional sobre Geoquímica Orgánica: Accumulation and degradation of plastic pollutants and diisopropyl-naphthalenes during composting of organic household waste. Pensé que podría ser un punto de partida para la investigación de la acumulación y degradación de contaminantes procedentes de las actividades domésticas, pero finalmente no pude continuar el trabajo.

Esta entrada participa en la LIV edición del Carnaval de Química, Edición Xenón, alojada en el blog SiempreConCiencia de @MartaI_Soria

Trinitita y la primera explosión nuclear

December 23, 2015

A pesar de lo que sugiere su nombre, la trinitita no es un mineral o una roca. Ni es natural. Es un vidrio de color verde o verde grisáceo, con aspecto de escoria, que se formó en un lugar y momento concreto, durante uno de los hechos históricos mas decisivos del siglo XX: La primera explosión nuclear de la Historia, el 16 de Julio de 1945 en Alamogordo (Nuevo Mexico, USA).

Fragmentos de trinitita

Se acercaba el final de la Segunda Guerra Mundial. El Proyecto Manhattan llevaba desarrollándose desde 1941, cuando el presidente Roosevelt, motivado por la posibilidad de que los Nazis alemanes consiguieran desarrollar un nuevo tipo de arma

de destrucción masiva, una bomba nuclear, autorizó la puesta en marcha de uno de los proyectos técnicos, científicos e industriales mas ambiciosos de toda la Historia. El proyecto supuso un enorme esfuerzo contrarreloj que implicó a físicos, químicos, ingenieros, matemáticos y miles de trabajadores auxiliares. Durante su desarrollo, los hitos científicos del proyecto en el campo de la física y la química, poco conocidos por el público, pero importantes, fueron muy grandes (ahora tengo en mi escritorio un libro de 1000 páginas titulado “la química analítica del proyecto Manhattan”, donde se detallan todos los n uevos procedimientos desarrollados, como por ejemplo la espectroscopía de rayos X o de masas). Pero su mayor y más dramático fruto, surgido en 1945 de las instalaciones de Los Alamos en Nuevo México, fue éste:

foto: http://nuclearweaponarchive.org/

Conocido como The Gadget, es el primer prototipo funcional de una bomba nuclear. En la foto lo vemos el dia 15 de Julio de 1945, totalmente montado y listo para explotar durante el test

Trinity, destinado a comprobar experimentalmente todas las predicciones teóricas desarrolladas los últimos tres años. The Gadget era un dispositivo de implosión: un explosivo convencional comprime el núcleo de plutonio-239 de la bomba, desencadenando una reacción de fisión en cadena y liberando una cantidad de energía jamás vista antes.

A la una de la tarde del día 12 de Julio de 1945, Herbert Lehr (en la foto) lleva el núcleo de plutonio de la bomba a la sala de montaje. El plutonio-239 es un isótopo fácilmente fisible fabricado por irradiación de uranio con neutrones. Este fue uno de los primeros retos del proyecto: obtener suficiente plutonio puro a partir de uranio en el Reactor B, en la planta secreta de producción de plutonio en Hanford (Washington), ahora no utilizada y visitable.

El reactor B de Hanford, construido para la fabricación de plutonio a partir de uranio.

El Gadget fué colocado en lo alto de una torre metálica de acero, un detalle importante, como veremos despues. La torre, con la bomba en la casetita, se volatilizó completamente en la explosión:

El plutonio-239 sostiene fácilmente una reacción en cadena, en la que un neutrón rompe un núcleo atómico de plutonio en dos fragmentos y liberando varios neutrones que rompen otros núcleos y así sucesivamente. La reacción en cadena se extiende en un tiempo inferior a un milisegundo, provocando la liberación explosiva de la energía producida por la ruptura de los núcleos:

El impacto de un neutrón rompe el núcleo en dos fragmentos, liberando una media de 2.88 neutrones que, a su vez, pueden romper otros núcleos. El resultado es que se producen dos distribuciones de productos de fisión . Algunos de los más abundantes son los mostrados en la figura. El problema es que éstos productos de fisión son altamente inestables y radiactivos y algunos, además, son volátiles o gases (como el Xenon-136). Los neutrones liberados provocan la activación de elementos estables con los que se encuentran. El resultado es una enorme contaminación radiactiva, además, lógicamente, de una gigantesca y destructiva explosión:

Trinty3

Vídeo de la explosión filmado desde una distancia de 32 km y la única foto en color tomada ese día.

El dia 16 de Julio de 1945, a las 5:29 de la mañana, se detonó el Trinity Gadget, teniendo lugar la primera explosión nuclear de la Historia, con un rendimiento aproximado de 20 kilotones. La explosión fue mas potente de lo esperado, destruyendo algunos instrumentos científicos ubicados a cierta distancia del punto cero y formando un cráter de unos 100 metros de diámetro. Tras la explosión, que sorprendió totalmente a los científicos por su potencia y efecto, Kenneth Bainbridge, director científico del test Trinity, exclamó: “Ahora somos todos unos auténticos hijos de puta” No le faltaba razón, pues las dos siguientes bombas desarrolladas tras el éxito del experimento Trinity, Little Boy y Fat Man, mataron a unas 246000 personas, básicamente civiles no combatientes, de las cuales mas o menos la mitad murieron por las explosiones y la otra mitad debido a la intensa contaminación radiactiva.

El calor (mayor que el de la superficie del Sol) fundió la arena y polvo levantados por la explosión, que formaron gotas de vidrio fundido enormemente radiactivas que llovieron en un radio de cientos de metros alrededor del punto cero. La radiactividad de éstas escorias de vidrio se debe a que absorbieron productos de fisión y elementos formados por activación neutrónica.

Costra de Trinitita en los alrededores del punto cero, poco tiempo después de la explosión

Trinitita clásica, en forma de vidrio verde. El color se debe a su contenido en tierras raras.

Curiosamente, la trinitita tenía un bonito color verde (debido a su contenido en Tierras Raras?) y muchos fragmentos eran un vidrio transparente. Su aspecto y el simbolismo asociado, hicieron que muchas se tallaran para joyería. Sin embargo, la alta radiactividad que emitían hizo imposible su uso. Ahora, 70 años despues, la trinitita ha perdido la mayor parte de su radiactividad, por lo que puede manejarse sin ningun riesgo.

Trinitita escoriacea.

Inclusiones fluidas gaseosas en trinitita. Vestigios de las

condiciones de la gran explosión. ■ ■

Muestras de trinitita

Análisis de la Trinitita y origen de los isótopos

Aunque ya es muy poco radiactiva, permaneciendo sólo los isótopos de vida media mas larga, el análisis de la Trinitita mediante espectrometría gamma nos revela aspectos interesantes de la reacción de fisión nuclear:

Este es el espectro gamma de la Trinitita que he realizado yo mismo sobre unas muestras recogidas en el Trinity site de Alamogordo (NM, USA), en la proximidad del punto cero de la explosión. La Trinitita es rara, ya que la mayor parte fué recogida por bulldozers y enterrada, para disminuir la contaminación radiactiva y facilitar el trabajo de los científicos que estudiaron los efectos de la explosión.

Los elementos radiactivos dominantes y sus origenes son:

Cesio-137: con un periodo de semidesintegración de 30 años, es uno de los principales productos de fisión del plutonio. Formado directamente en la explosión y acumulado en el vidrio fundido, es el elemento que, actualmente, proporciona la mayor parte de la radiactividad a la muestra. El cesio es muy volátil en las condiciones de la explosión y es uno de los responsables mas peligrosos de la contaminación radiactiva.

A mericio - 241: su persistencia será larga, ya que su

periodo de semidesintegración es de 410 años. El Americio no se forma en la explosión, sino que es un producto de captura neutrónica del plutonio - 239. Su presencia es un indicador indirecto de la presencia de plutonio-239 en la muestra, cuya emisión gamma es muy poco energética.

Europio-152: Este es un elemento formado por activación neutrónica. Los neutrones liberados en la explosión reaccionan con núcleos de europio-151 estable presente en la arena u otros materiales, formando europio - 152 radiactivo.

Bario-133: Formado por activación neutrónica de uno de los isótopos naturales del bario, el Ba-132. Se piensa que el origen del bario está en el explosivo utilizado para detonar la bomba, llamado Baratol y formado por nitrato de bario.

Cobalto-60: Su periodo de semidesintegración es de poco más de 10 años, por lo que ya es casi indetectable. Se formó por activación del cobalto presente en el acero de la torre y los materiales de la bomba.

Uranio y plutonio: observables por la emisión de rayos X. Proceden de los materiales de la bomba.

Arena radiactiva recogida en los alrededores de donde estuvo la torre donde se colocó la bomba

Esta combinación de elementos es característica de la Trinitita y permite distinguirla de otros vidrios formados en otras explosiones nucleares. Aunque pueda parecer mucho, en realidad la muestra es muy poco radiactiva y los elementos reseñados están en cantidades ínfimas, indetectables utilizando análisis químicos habituales.

Si alguien tiene una muestra, de Trinitita u otra cosa con elementos radiactivos, y necesita caracterización, puede contactar conmigo sin problema. Utilizando la espectrometría gamma, se puede desvelar que isótopos radiactivos contiene.

Esta entrada participa en la LIII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog quimidicesnews de @quimidicesnews

Algunos venenos naturales.

September 14, 2015

La plantas y animales tienen en las toxinas una de sus principales armas. Los humanos las han utilizado como armas también, tradicionalmente. Pero todo veneno puede ser una medicina y toda medicina un veneno.

En una reciente visita al magnífico Jardín Botánico de Atlanta (USA), quizá uno de los lugares mas bellos de la ciudad y obligada visita si te gustan las plantas y pasas por aquí (y, francamente, uno de los pocos sitios que visitar en la zona urbana de Atlanta, que es bastante pequeña) he podido disfrutar de una exposición de ranas de sudamérica y asia, con hábitats cuidadosamente creados para ellas.

Entrada al jardín japonés del Jardin Botánico de Atlanta. Uno de mis sitios preferidos de la ciudad, con una preciosa colección de endemismos de la flora nipona que viven a sus anchas en el suave y húmedo clima sureño.

En los paraísos en miniatura donde las pequeñas ranitas viven con las plantas, clima y humedad perfectos, miniestanques para nadar y cientos de insectos para comer, viven decenas de ellas y, sin duda, las ranas mas bellas del conjunto son las ranas

dardo venenosas. Por ejemplo, la Dendrobates auratus o rana dardo verdinegra:

Esta ranita es común en el suelo de los bosques húmedos de Colombia y Brasil, donde busca los insectos, en especial algunos tipos de escarabajo y hormigas, de los que se alimenta. Pero sin duda mi favorita es la bella rana dardo azul (Dendrobates tinctorius), con su característica coloración azul metálica y sus manchas:

Estas ranas no necesitan camuflarse. Al contrario, prefieren que se las vea fácilmente, advirtiendo con sus vistosos colores a sus potenciales depredadores de que si las comen se van a encontrar con una desagradable (y mortal) sorpresa: su piel contiene una mezcla de toxinas sumamente potentes. Estas toxinas contienen una gran proporción de un conjunto de moléculas de la familia de las batracotoxinas, pseudoalcaloides de estructura terpénica. Se denominan alcaloides (un término introducido a principios del siglo XIX por el químico Wilhelm Meissner) a moléculas naturales que contienen nitrógeno heterocíclico, debido al pH elevado que muchos de ellos producen al disolverse y a que pueden formar sales con ácidos (clorhidratos, sulfatos, carbonatos…). En este caso hablamos de pseudoalcaloide debido a que su estructura es terpénica, es decir, es un pariente de moléculas como el colesterol, esteroles vegetales o las resinas de coníferas.

Las batracotoxinas son los alcaloides mas venenosos que

podemos encontrar en la Naturaleza. La homobatracotoxina es aproximadamente 250 veces mas mortal que la mucho mas famosa estricnina, resultando letal para humanos cantidades en torno a 0.1 miligramos. La intoxicación puede producirse por simple contacto con la piel del animal, si la toxina penetra la piel a través de cualquier roce o pequeña herida. Entonces se producen una serie de síntomas que van desde debilidad, mareo, dificultad para respirar, sensación de entumecimiento y debilidad en las manos y los pies, hasta arritmia, convulsiones, parálisis y muerte. La mala noticia es que la intoxicación con una dosis mortal de batracotoxina no tiene tratamiento ni existe antídoto, por lo que es una molécula sumamente peligrosa.

Batracotoxina A, la molécula mas sencilla de la serie.

La batracotoxina es un neurotóxico: se une a los canales de sodio en las neuronas, manteniendolos abiertos e impidiendo la despolarización, un proceso necesario para la transmisión nerviosa y la acción de los músculos, que quedan paralizados. La formación de ésteres en el 20-hidroxilo (el OH mas a la derecha de la molécula), da lugar a la familia de las batracotoxinas, de las cuales la mas común y tóxica es la homobatracotoxina, éster de la batracotoxina A y el ácido 2,4dimetil-pirrol-3-carboxílico:

Homobatracotoxina. El término batracotoxina proviene de la palabra griega batrakos, de la que deriva, en español, “batracio”.

La esterificación convierte un OH libre en un éster, lo que disminuye la polaridad y mejora la liposolubilidad de la molécula, mejorando su transporte y acumulación en vesículas venenosas y mejorando su acción tóxica al penetrar en las membranas celulares con mas facilidad. La gran toxicidad de éstos compuestos y de los animales que los utilizan ha sido una de las armas de los pueblos autóctonos de los bosques del norte de Sudamérica, impregnando dardos y puntas de flecha en la toxina segregada por la piel de una de éstas ranas. Estos dardos envenenados resultaban muy útiles para cazar animales o defenderse de sus enemigos, de ahí el nombre de “rana dardo”.

Pero, si estáis pensando en criar ranas dardo azules con fines criminales, tengo que deciros que no funcionará: Uno de los aspectos mas fascinantes de las ranas venenosas es que no son capaces de sintetizar la batracotoxina. Resultaba curioso que las ranas dardo criadas en cautividad, con una dieta controlada, no eran tóxicas. Esto evidenciaba que el veneno debía provenir de otra fuente y no de la propia rana. Aunque se sabía que la rana era venenosa no por sí misma, sino que incorporaba el veneno de su entorno, se tardaron muchos años en descubrir el origen, debido a las dificultades para la investigación en el campo en lugares como Colombia. Ahora se

sabe que el veneno proviene de los insectos de los que se alimenta, sobre todo escarabajos de la familia Melyridae.

Estos escarabajos melíridos, del género Choresine, pueden ser la fuente de la batracotoxina de la rana dardo. Si la rana no se alimenta con ellos, pierde su capacidad venenosa.

Los escarabajos melíridos son menos comunes en Europa, pero en América hay muchas mas especies y muchos de ellos son muy venenosos. La rana devora los escarabajos y acumula el veneno en glándulas en su piel. Esto es posible debido a que la batracotoxina tiene un comportamiento similar al colesterol (es liposoluble) y, del mismo modo que nosotros transportamos y acumulamos colesterol ingerido, la rana dardo transporta y acumula el veneno en un prodigio bioquímico de adaptación. No sólo la batracotoxina, sino otras toxinas de comportamiento similar procedentes de otros insectos de los que se alimenta se acumulan en sus glándulas venenosas, generando un poderoso cóctel neurotóxico. ¿como ha conseguido el sistema nervioso de

la rana ser inmune a la toxina?. No lo se. Pero si se sabe que si queréis usar ranas dardo con fines malignos, deberéis darlas de comer abundantes escarabajos melíridos y otros insectos venenosos. Sin los escarabajos, la rana está indefensa y vosotros a salvo.

Pequeño pero matón..

Pero no termina ahí el prodigio bioquímico. La batracotoxina tiene una estructura similar a algunos triterpenos de plantas. El escarabajo toma los fitoterpenos (como el sitosterol, análogos vegetales del colesterol) de las plantas de las que se alimenta, que luego son transformados bioquímicamente en la toxina, posiblemente por un organismo simbionte (bacteria?) que convive con el escarabajo en su organismo, y acumulados en vesículas de las que libera el veneno en momentos de estrés. Es decir, en el veneno de la ranita hay implicada toda una cadena de organismos que comienza con las plantas de las que se alimenta el escarabajo y que no es mas que un reflejo de la importancia de las interrelaciones en un ecosistema. Pero estas sustancias no solo pueden usarse como veneno. La batracotoxina ha sido un aliado en la investigación biomédica y muchas toxinas de éste tipo tienen uso farmacológico.

Otro importante veneno que podía encontrarse en el Jardín Botánico es el curare El curare, muy famoso veneno utilizado por diversos pueblos de la selva amazónica, no se corresponde a una sustancia u origen concreto, sino que era una mezcla de diversas plantas venenosas, preparadas según recetas tradicionales. Uno de esos componentes es la humilde planta trepadora tóxica Chondrodendron tomentosum:

La corteza y raiz de esta planta contiene un poderoso alcaloide, la tubocurarina, empleada para preparar el tubocurare, uno de los tipos de curare empleados tradicionalmente en el envenenamiento de flechas y dardos.

El alcaloide tubocurarina

En este caso, a diferencia de la batracotoxina, la tubocurarina es un alcaloide verdadero: su estructura no es terpénica y contiene nitrógenos heterocíclicos. Este alcaloide es un poderoso veneno, bastando unos pocos miligramos para causar la muerte. Es un neurotóxico que ataca a la unión neuromuscular, bloqueando el receptor de acetilcolina en la membrana postsináptica, e impidiendo que la señal nerviosa llegue a los músculos. Es un veneno muy rápido, que produce la muerte en pocos minutos debido a la parálisis del diafragma y la relajación extrema de la musculatura esquelética del torax, garganta y tracto respiratorio, lo que imposibilita la respiración, provocando la muerte por asfixia.

Sin embargo, el tubocurare no solo puede ser un arma. Además de haber ayudado a los científicos a conocer el funcionamiento a nivel molecular del sistema nervioso, también tiene aplicación terapéutica, habiéndose utilizado en anestesia quirúrgica como adyuvante del anestésico, para incrementar la relajación de la musculatura esquelética y disminuir la dosis de anestésico, lo que conlleva una mejor recuperación del paciente. Así que, seguramente, muchas personas que han sufrido una cirugía o anestesia general, han recibido una pequeña dosis de curare obtenido de una planta del Amazonas. Para mi ésto es Medicina Natural también, ¿no?.

Para saber mas:

Dumbacher et al., 2004, PNAS: http://www.pnas.org/content/101/45/15857.short

Batrachotoxin: Chemistry and Pharmacology. E. X. Albuquerque, J. W. Daly and B. Witkop

Science, New Series, Vol. 172, No. 3987 (Jun. 4, 1971), pp. 995-1002

Esta entrada participa en el LI Carnaval de Química, cuyo anfitrión es el blog Scientia

Una lata de té que detecta radiactividad

May 7, 2015

Una cámara de ionización construida con materiales recuperados de la basura, detectando la radiactividad de un mineral de uranio.

Prácticamente todo el mundo llama “Geiger” a cualquier detector de radiactividad que ven. Todos estamos familiarizados con los clásicos “tics” de un instrumento de este tipo, y a la cabeza se nos viene un tipo envuelto en un traje protector, con uno en la mano haciendo “tic tic” y rodeado de nubes verdes, bidones corroidos liberando un liquido fluorescente y seres mutantes… pero esta imagen postapocalíptica que asociamos con la radiactividad, dista bastante de la realidad. Y ni todos los detectores de radiactividad son “Geiger” ni toda fuente de radiactividad esta asociada a mocos verdes fosforescentes. De hecho la radiactividad es un fenómeno natural que nos rodea a todos, que llevamos con nosotros y hay muchas formas de medirla y trabajar con ella.

Hans Geiger (izquierda) junto con Ernst Rutherford. Geiger y su estudiante de doctorado Walther Müller, desarrollaron entre 1908 y 1928 el que sería el instrumento mas famoso relacionado con la radiactividad.

El monitor tipo “Geiger - Muller” es un tipo concreto de detector que se engloba en un tipo de detectores de radiactividad llamados de “ionización gaseosa”. Su principio es sencillo: tenemos un tubo o lata metálicos relleno de aire u otro gas, a presion normal o reducida. Se introduce en la lata un electrodo, que se conecta a un circuito amplificador y la lata se somete a un campo eléctrico, creándose un condensador eléctrico.

Cuando una particula radiactiva (alfa, beta o gamma) entra en la lata, puede provocar la ionización de algunos atomos del gas contenido en ella. Los iones generados son acelerados por el campo eléctrico y recogidos por el electrodo.

Principio de los detectores de ionización en gas. El Geiger es un tipo concreto, que utiliza gas a baja presión y usa el principio de “avalancha” de iones para aumentar su sensibilidad.

Hay tres tipos de detectores de ionización gaseosa:

Cámara de ionización

Contador proporcional Geiger-Müller

Todos se basan en el mismo principio. La diferencia fundamental estriba en el campo eléctrico al que se somete el detector. En realidad el detector es un condensador cilíndrico y el campo se establece gracias a la tensión de alimentación al que se somete. Como en cualquier condensador, el gas dentro del tubo detector no es conductor, sino un dieléctrico, salvo que se produzcan ionizaciones, entonces pasa “un poquito” de corriente, que puede ser amplificada y medida.

Asi, el voltaje de alimentacion de los tres tipos de detector varía segun esta gráfica:

La camara de ionización funciona entre unos 9-10 voltios y unos 200 voltios. Y el famoso Geiger funciona a alto voltaje, usualmente unos 900 voltios (aunque los soviéticos usaban tubos que eran alimentados a un voltaje mucho mas bajo). Como se ve en la gráfica, los iones colectados son máximos en el tubo Geiger, por ello es el detector mas sensible. Así, los monitores tipo Geiger - Müller se utilizan por doquier para detectar pequeñas cantidades de radiactividad. La cámara de ionización es el sistema mas antiguo y simple. El principio es sencillo, simplemente se basa en la “recolección” de los pares iónicos generados en el aire dentro de la lata debido al paso de las partículas radiactivas. De ahí que se denominen “radiaciones ionizantes”. La pequeñísima corriente producida se amplifica y mide. Si el voltaje de la cámara es muy bajo (usualmente menos de 10 V) los iones tienen tiempo de recombinarse y el aparato no detecta nada. Es la “zona de recombinación” de la gráfica. Si el voltaje es alto, se producen otros fenómenos, como las avalanchas de iones. Estas avalanchas son la clave de la mayor sensibilidad de los detectores Geiger: el voltaje es tan elevado que los iones provocan nuevas ionizaciones al chocar con otros átomos, en una cascada que esta casi en el límite de la descarga continua.

En la imagen, una cámara de ionización utlilizada por Marie Curie. Es tan simple como parece: una lata metálica con un electrodo central y una válvula para disminuir la presión en el interior. Actualmente se sigue el mismo principio, aunque con mejoras esenciales en la electrónica. Todos los detectores de ionización en gas son entonces mas sensibles a las radiaciones mas ionizantes. Así, su sensibilidad a la radiación alfa es muy alta y la sensibilidad a la radiación gamma es muy baja. Esto lo veremos particularmente bien con la “lata de té” que vamos a construir: un mineral radiactivo encerrado en su cajita de plástico (que bloquea la radiación alfa y beta) apenas es detectado, sin embargo al sacarlo y acercarlo se puede ver bien.

La cámara de ionización permite trabajar en unas condiciones que facilitan que podamos construir una en casa: el tubo detector puede ser abierto y estar al aire, a diferencia de los tubos Geiger, sellados y rellenos de un gas inerte mezclado con un gas “quencher”. Además, su electrónica puede ser extremadamente sencilla. Son robustas y muy sensibles al radón y la radiacion alfa. Pero lo mejor para aprender cómo se detecta la radiactividad es construir una.

Construcción

Para este pequeño proyecto hacen falta unos conocimientos básicos de electrónica práctica. Vamos a montar una cámara de ionización basada en el uso de amplificadores Darlington para poder detectar la débil corriente generada por las ionizaciones. Formalmente, es un amplificador diferencial con compensación de temperatura muy sencillo, según este esquema, bien conocido:

Esta es la evolución de la primera prueba de concepto que hice, de una sencillez asombrosa. Para circuitos similares y mas evolucionados, recomiendo leer http://www.techlib.com/science/ionpage2.html, teniendo en cuenta que los datos de transistores no se corresponden con los que se encuentran en Europa.

Esta es la parte mas difi cil. Si tienes conocimientos de electrónica, no te costará nada montar este circuito usando una placa de prototipos o incluso diseñando una placa de circuito impreso. Esta es la lista de materiales necesarios:

una lata de té de estaño, con el interior sin esmaltar. Es importante que sea de estaño, pues hay que soldar

sobre ella.

Una rejilla metálica recortada de un colador viejo, que utilizaremos como jaula de Faraday.

Una fuente de alimentación de entre 9 y 24 voltios. Ideal es recuperar algun alimentador de cualquier aparato que nos de un voltaje entre 10 y 15 voltios.

Un voltímetro de panel de 5 voltios de fondo de escala. Puede usarse cualquier polimetro normal o multimetro digital.

Dos transistores Darlington NPN tipo BC517

Dos transistores Darlington PNP tipo BC516 (los complementarios del anterior)

Un potenciometro de 100 k

3 resistencias estandard de 10K de 1/4 watios

2 resistencias estandard de 2,2K

una resistencia estandard de 1M

un condensador electrolítico de 470 microfaradios o más (opcional)

Y luego, otros materiales para el montaje ya van en función del arte y lo mañoso que sea cada uno. Yo he usado como soporte un trozo de tabla donde he montado todo y el voltimetro de panel lo he montado en un trozo de chapa recogido de la basura. En total, el coste de todos los materiales necesarios asciende a unos 6 euros. No esta mal, comparado con los cientos de euros que cuesta un monitor Geiger normalito.

El electrodo interior del tubo detector es un fragmento de alambre de cobre soldado al colector de uno de los transistores NPN. Se practica un orificio en la base de la lata por donde se pasa el electrodo. Esta parte es delicada, pues en esta zona pueden darse pérdidas que arruinen el detector. Yo he abierto un orificio bastante ancho, he colocado un anillo de goma, he pasado el electrodo y luego lo he fijado con cola termofusible y el sistema ha funcionado a la perfección.

Para el primer prototipo, usamos un viejo polímetro didáctico inoperativo. Los profesores del antiguo BUP recordarán estos aparatos. Después de una pequeña reparación del polímetro y con los componentes soldados directamente unos a otros, aquí vemos la cámara respondiendo a un mineral de uranio.

cámara de ionización ya montada y con los componentes en una placa de circuito impreso.

Primer prototipo

Éste prototipo tenía la desventaja de la inadecuada impedancia del polímetro, baja sensibilidad y un límite de detección de radiactividad bastante alto. Así que vamos a por una segunda cámara mas sensible.

El coste de realización en éste caso es de cero euros, al utilizar materiales recuperados. Veis la lata de té que lleva adosada en su base el circuito amplificador montado en una placa de prototipos, se ve la fuente de alimentación de 12 voltios (recuperada de la basura) y el voltimetro de panel. La cámara de ionización es muy sensible a iones externos, dado que es abierta. Cualquier fuente de iones, como una punta metálica o algo cargado de electricidad estática, hace

La cámara midiendo un mineral de uranio

reaccionar a la cámara, con lo que hay que cerrar la boca de la lata con una rejilla metálica. La rejilla no impide el paso de la radiación alfa y sin embargo apantalla el detector ante iones que no nos interesan. Una vez activada la cámara, de entrada, si todo esta bien montado, nos dará una lectura elevada (>5V) y un consumo de corriente mínimo. Ahí entra en juego el potenciómetro de 100 k que hemos incorporado en el circuito: alejando toda fuente de ionización, lo giramos hasta que la lectura es cero. Una vez puesto a cero el circuito, podemos empezar a utilizarlo:

Midiendo un mineral de uranio

El mineral que está detectando la cámara de ionización es una brannerita de la Sierra Albarrana. La cámara es sensible a minerales de uranio bastante activos. La sensibilidad de la cámara de ionización es directamente proporcional al poder ionizante de la radiación. Por ello, es muy poco o nada sensible a rayos gamma, sensible a radiación beta y muy sensible a radiación alfa. De modo que si intentamos medir un mineral apantallado, por ejemplo, metiendolo en una cajita de plástico, no detectaremos nada. Sin embargo, al ser muy sensible a rayos alfa, basta una pequeña fuente de un detector de humos para llegar al máximo de la escala.

Detectando un emisor de rayos alfa (americio)

El principio de la cámara de ionización se ha utilizado durante mucho tiempo en los detectores de humo. El detector llevaba una pequeña cámara de ionización con una fuente de rayos alfa (americio - 241). Al haber un incendio, las partículas de humo entran en la cámara de ionización, absorbiendo los iones generados por la radiación alfa de la fuente. La caída en la lectura activa la alarma. Este principio de funcionamiento hacía a los detectores muy robustos, sensibles y sin falsos positivos. Un buen experimento que se puede hacer con nuestra cámara de ionización casera es ver el efecto del humo en la lectura.

Como veis, la detección de radiaciones ionizantes es muy sencilla y fabricar un aparato que nos permita observarlas no es privilegio de científicos y laboratorios, sino que cualquier persona en su casa puede montar una a un coste mínimo. Este proyecto es genial, asimismo, para actividades didácticas en enseñanza secundaria o como un proyecto abordable por equipos de alumnos de bachillerato. Y no hay mejor forma de aprender que esta. Una vez fabricada una cámara de ionización casera, se entienden perfectamente el funcionamiento y fundamentos de los detectores de radiactividad. Así, tenemos un proyecto interesante para

desarrollar con estudiantes de bachillerato, por ejemplo, y emular con ellos a Marie Curie.

Esta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews.

La Reacción de BelousovZhabotinski

May 6, 2015

Boris Pavlovich Belousov (1893-1970).

Los años 1950 fueron interesantes para la Química, pues durante esa década prodigiosa para la Ciencia (en esos años se describió la estructura del ADN o Severo Ochoa hizo varios descubrimientos fundamentales, entre otras muchas cosas) se descubrieron tres procesos químicos que tuvieron una gran importancia tanto en el desarrollo de la Química como en el nacimiento de las nuevas Ciencias de la Astrobiología o la Química de Sistemas y en nuestra perspectiva del Origen de la Vida: hablo del Experimento de Miller (1953), la síntesis de adenina de Oró (1958) y la reacción de Belousov-Zhabotinski (1951). Las dos primeras no eran reacciones completamente originales, sino que ya había varios antecedentes. Sin embargo, la reacción de Belousov era completamente original ytotalmente inesperada para el mundo de la Química. Tan inesperada que, viniendo además de mas allá del telón de acero, necesitó 20 años para ser aceptada.

La reacción de Belousov pertence a un grupo de reacciones

llamadas oscilantes y es una gran desconocida por estudiantes de Química. Quizá es debido a que es una reacción situada “lejos del equilibrio” y no puede explicarse ni como reacción irreversible, ni mediante las reglas del equilibrio químico , por lo que resulta un tema demasiado complejo (y nunca mejor dicho, pues abrió el mundo de las ciencias de la complejidad). Pero ésta reacción resultó ser fundamental para acceder a un nuevo enfoque de la Vida e, impulsada por el trabajo del físico Ilya Prigogine (premio Nobel en 1979), fué uno de los gérmenes del estudio científico de la complejidad y su origen. La Química de Sistemas, la Termodinámica Lejos del Equilibrio, la Dinámica No Lineal, la Evolución Química, y el estudio del Origen de la Vida y de los procesos de autoorganización tienen en la reacción de Belousov uno de sus elementos inspiradores. Las ramificaciones derivadas de ésta reacción se extienden a campos tan dispares como la Bioquímica, la Meteorología y la Informática. En el estudio de sus misterios, aún no resueltos del todo, ha tenido gran importancia el desarrollo de simulaciones con ordenadores. Pero tuvieron que pasar décadas hasta que la reacción de Belousov adquiriera la importancia que le reconocemos ahora. En sus orígenes, chocó contra la inercia intelectual de los científicos y su sistema de publicaciones. Recorramos brevemente su historia.

La reacción de Belousov - Zhabotinski:

historia de una decepción

Boris Belousov murió en 1970, siendo un químico poco conocido en la URSS y desconocido en el exterior. Tuvo que pasar mucho tiempo para que comenzara a reconocerse su trabajo, con la concesión póstuma del Permio Lenin en 1980. Y ello fué porque la semilla que plantó Belousov había germinado gracias a que un joven bioquímico, Anatol Zhabotinsky, recién graduado en la Universidad de Moscú a principios de los años 60, rescató del olvido la reacción de Belousov para su tesis, tras una labor

de arqueología de publicaciones (recordemos que en aquella época todo estaba en papel. Si ahora es difícil recuperar un resumen de congreso de hace 10 años, en aquel tiempo debía ser tarea casi imposible). Anatol desarrolló la reacción, estudiándola con meticulosa profundidad. Desde entonces, la reacción de Belousov ha sido objeto de un intenso estudio y ha sido un modelo para numerosas aplicaciones. Pero ésta reacción no fué una fuente de satisfacción para Belousov.

Boris Belousov en su estudio, fotografiado en los años 50, poco después de trabajar en su conocida reacción.

La pasión de Boris Belousov por la Química nació en su adolescencia, cuando trató de fabricar una bomba para atentar nada menos que contra el Zar de Rusia. Poco después, justo ántes de la revolución de 1917, Boris estudió Química en Zurich y, tras su vuelta a una URSS que iniciaba su andadura,

continuó sus estudios en Moscú. Después de la Segunda Guerra Mundial, Belousov era profesor de Química y director del Laboratorio de Biofísica del Ministerio de Salud de la URSS. A Belousov le interesaba sobremanera la Bioquímica y, en particular el Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs es un sistema de reacciones químicas en el que el acetato se oxida a dióxido de carbono, impulsando toda la maquinaria bioquímica. En algunas bacterias, el ciclo puede funcionar al revés, transformando el dióxido de carbono en acetato. Ocupa una posición central en la Bioquímica de todos los seres vivos y posiblemente jugara un papel en el Origen de la Vida. El ciclo de Krebs había sido descrito en parte por Albert ScentGyörgyi y completado por Hans Krebs entre 1930 y 1937.

Una forma muy simple de expresar el ciclo de Krebs inverso o ciclo de Arnon, que llevan a cabo algunas bacterias: el CO2 se fija en forma de acetato, gracias a un sistema de reacciones.

Para entender mejor las peculiares características del ciclo de Krebs, Belousov trató de encontrar una “maqueta” in vitro. Utilizando ácidos del ciclo de Krebs, como el cítrico y málico, y en general cualquier ácido dicarboxílico (la reacción va particularmente bien con ácido malónico), Belousov observó algo fascinante: cuando se oxida en un tubo de ensayo el ácido orgánico con bromato, un oxidante fuerte, utilizando una sal de cerio como catalizador, la reacción cambia alternativamente de incoloro a amarillo en intervalos

regulares, creando una oscilación cuya gráfica es exactamente igual a la de un oscilador mecánico, como un muelle o un péndulo. Cuando a, a sugerencia de su colega Safronov, en lugar de cerio añadió unas gotas de ferroína (complejo hierrofenantrolina) como iniciador e indicador del estado oxidativo de la reacción, el color cambiaba de azul a rojo y vuelta a azul con asombrosa periodicidad de unos segundos, mientras se producían burbujas de dióxido de carbono. La reacción global, si se hace con ácido malónico, es:

Esta oscilación llevó a una nueva sorpresa: si la reacción se llevaba a cabo en un medio sin agitar o en una placa de Petri en forma de una fina capa, se producía un bonito patrón de bandas: la reacción estaba produciendo espontáneamente un sistema no homogéneo en un medio que previamente era homogéneo y parecía violar el Segundo Principio de la Termodinámica.

En la imagen se observa el patrón de bandas que se produce durante la reacción. Antes de comenzar, con la solución bien agitada, todos los puntos del espacio en la disolución tienen la misma composición. Pero, al progresar la reacción, las especies químicas presentes en la disolución cambian dependiendo del lugar: se ha roto la simetrí a . Desde el inicio, la reacción “evoluciona” produciendo un desequilibrio cada vez más acusado, hasta que consume su “combustible” y la reacción “muere”, quedando de color azul (forma oxidada) y llena de burbujas de dióxido de carbono. ¡Pareciera que tuviéramos una maqueta de un proceso vivo!. La idea no podía ser más sorprendente: de modo aparentemente espontáneo, un líquido homogéneo deja de serlo, estructurándose de modo cooperativo en zonas con diferente composición.

Belousov estudió exhaustivamente la reacción y propuso un esbozo de su mecanismo (que tardaría décadas en resolverse); envió sus resultados y los detalles de su receta para ser publicados en una importante revista científica, en 1951. Los revisores recomen daron contra su publicación y el editor respondió a Belousov que su “supuesto descubrimiento” era “imposible”. Seguramente, la idea de que una mezcla química se comportase como un péndulo, o que en un líquido homogéneo surgieran estructuras de composición química diferenciada, violando en apariencia el Segundo Principio de la Termodinámica, pesaba más que el repetir la simple receta de la reacción y verlo con sus propios ojos. El editor dijo a Belousov que tenía que aportar más pruebas. Boris entonces volvió al laboratorio y tras otros seis años de trabajo (la Ciencia requiere tiempo…), envió un nuevo artículo, más elaborado y con un estudio profundo del mecanismo. La respuesta que recibió fue de rechazo y un escepticismo aún mayor. Ni los revisores ni los editores se molestaron en repetir por ellos mismos una reacción extremadamente sencilla de reproducir. Simplemente se dejaron llevar por sus prejuicios. Belousov, que ya tenía 64 años, estaba tan enfurecido y decepcionado que decidió no volver a publicar

ningún artículo jamás ni relacionarse con otros científicos. Publicó su receta de la reacción en un simposium, quedando solo un oscuro resumen en ruso en el fondo de algunas bibliotecas.

Esto es todo lo que se necesita para llevar a cabo la reacción de Belousov. Como suele ocurrir en Ciencia, a veces las ideas mas revolucionarias vienen de los experimentos mas sencillos. Cuando Zhabotinsky tomó el testigo, la receta de la reacción de Belousov era conocida en diversos centros en la URSS, aunque se desconocía su autor y origen. Zhabotinsky comenzó, como tema de tesis, a estudiar esa curiosa reacción que circulaba por ahí. En los años 60, ya había realizado un extenso estudio y había descubierto al autor de la reacción original: Boris Belousov. Informó a éste de su trabajo y progresos y Boris le remitió, muy agradecido por recuperar su vieja receta, su manuscrito rechazado original y otro material. Cuando la reacción empezó a ser conocida fuera de la URSS, a finales de los 60 y principios de los 70, aún era

conocida como la “reacción de Zhabotinsky”, aunque por el esfuerzo de éste, el crédito para Belousov fué finalmente reconocido. Zhabotinsky mantenía informado de sus progresos a Belousov, pero éste siempre rechazó un encuentro personal, así como asistir al simposio sobre reacciones oscilantes que se había organizado en Praga en 1968. Así, Zhabotinsky y Belousov nunca se conocieron personalmente. Belousov murió en 1970, sin llegar a conocer las implicaciones que tendría su trabajo ni disfrutar del reconocimiento que actualmente se le brinda.

Implicaciones

La reacción de Belousov, que globalmente es Acido orgánico + bromato —–> bromuro + dióxido de carbono

utilizando Ce (IV) o ferroína como indicador y catalizador, puede parecer simple. No es un equilibrio. Ni una reacción irreversible. En realidad, cuando los reactivos se mezclan en la proporción adecuada, y tal como descubrió Belousov para su sorpresa, se establece un sistema de reacciones. De momento se han identificado mas de 40 reacciones químicas diferentes que tienen lugar, de modo coordinado, durante el proceso. La reacción requiere bromuro, uno de los productos finales para iniciarse. Podríamos expresar la reacción de éste modo:

Este tipo de reacción, en la que uno de los reactivos es a su vez un producto o en la que el producto es un catalizador, podríamos expresarla de modo general como:

En el caso de la reacción de Belousov la reacción clave, integrada en una red con otras 17 reacciones identificadas, es:

cerio(III) + bromato + ácido bromoso –> cerio (IV) + 2 ácido bromoso

Este tipo de reacción se denomina autocatalítica. Seguramente a muchos os sorprenda la importancia de ésto, pues la vida se sostiene sobre la autocatálisis química. La Bioquímica tiene varios ejemplos de reacciones autocatalíticas que tienen un comportamiento oscilante similar a la reacción de Belousov: la glucólisis y el ciclo de Krebs inverso o ciclo de Arnon, que es posible que fuera uno de los primeros ciclos de fijación de CO2 en la bioquímica terrestre. De este modo podríamos considerar la reacción de Belousov como un pequeño y sencillo sistema metabólico, entendiéndolo como una red cooperativa de reacciones químicas. La reacción tiene muchos puntos en común con la glucólisis, la reacción que sostiene toda la vida terrestre : es autocatalítica, oscilante y tiene una secuencia de reacciones con pasos irreversibles y pasos reversibles. Y, de una red metabólica surgen propiedades interesantes, como la autoorganización.

La cuestión que surge entonces es:

¿viola la reacción de Belousov el 2º principio de la Termodinámica?

Según la definición usual que nos dan a todos en la enseñanza secundaria, más entropía= mas desorden y ordenar implica reducir la entropía. Pero, el segundo principio de la Termodinámica nos dice que en un sistema la entropía sólo puede aumentar. ¿la ruptura de simetría y las formas que surgen en la reacción, entonces, implican que está disminuyendo la entropía?

Para empezar, esa asociación de entropía con desorden es una simplificación excesiva . La entropía realmente es una medida de cómo podemos ‘dispersar’ la energía: cuantas más posibilidades tengamos para ‘esparcir’ la energía, mayor es la entropía. Pero, podemos ‘esparcir’ energía (es decir, aumentar la entropía) y generar, al mismo tiempo, orden. Este orden que se genera es temporal y lo denominamos estructura disipativa: es un tipo de estructura organizada, ordenada, que se sostiene mediante la disipación constante de la entropía al exterior. Es decir, para que esta estructura ordenada se sostenga, necesitamos que intercambie energía Y materia con el exterior. Es decir, debe ser un sistema abierto . Esto es fácil de entender intuitivamente: la vida es una estructura disipativa. ¿Que ocurre si a una célula o un organismo le impedimos el intercambio de materia con el exterior (impidiendo que respire, o que se alimente, por ejemplo)? que muere. Se desorganiza y su red cooperativa de reacciones cesa, entrando en equilibrio termodinámico.

El segundo principio de la Termodinámica en un sistema abierto. La variación de entropía total puede ser negativa en el sistema, si el sistema es capaz de disipar entropía al

exterior, haciendo que el término deS sea negativo.La entropía, según Boltzmann, es proporcional a la cantidad de ‘microestados’ posibles en las partículas del sistema. Si en una reacción generamos un gas, como en este caso, aumentamos mucho la cantidad posible de maneras de distribuir la energía por las particulas del sistema.

La reacción de Belousov es un sistema abierto. ¿como disipa entropía al exterior?. Una via es mediante el dióxido de carbono: durante la reacción se produce un abundante burbujeo, emitiéndose CO2 al exterior. La energía se ‘dispersa’ en todas las moléculas de dióxido de carbono que se emiten (aquí es donde cobra sentido la ecuación de Boltzmann de la figura anterior), aumentando la entropía del exterior y disipándose la entropía producida en el interior. Otra vía de disipación de entropía es mediante la difusión y la creación de ciclos hidrodinámicos, aunque esto es más difícil de explicar de modo sencillo. Como resultado, el sistema disipa entropía al exterior y surge un estado organizado o estructura disipativa. Es decir, producimos orden aumentando la entropía del exterior.

¿La reacción de Belousov es vida?

La reacción de Belousov, a través de su red de reacciones, representa uno de los atributos de la vida. Pero no podemos decir que ‘esté viva’. De hecho, esta pregunta es especialmente complicada, pues no tenemos claro cómo definir y delimitar “lo vivo”. El concepto de vida es más una cuestión de sensaciones y percepciones. Reconocemos lo vivo en base a nuestra experiencia como seres vivos. Pero, a nivel científico, el mismo concepto de ‘vida’ tiene poca utilidad, porque no nos aporta nada en el conocimiento de la realidad molecular.

Por ello, hablamos de sistemas. La reacción de Belousov es un sistema metabólico sencillo, sin duda un atributo de la vida. Pero no diríamos que está vivo, porque intuimos que falta algo. De hecho, toda vida se sustenta por tres sistemas

autocatalíticos que podemos representar de ésta forma:

El primero es el sistema metabólico, el segundo el sistema genético y el tercero el sistema de celularización o generación de membranas. Entender como arrancaron estos sistemas autocatalíticos y como se integraron es la tarea del estudio de la Evolución Química y del estudio del Origen de la Vida. ¿y por qué? Porque la reacción de Belousov y otros sistemas nos muestran que de un sistema complejo, con un principio autocatalítico, pueden surgir nuevas propiedades, llamadas propiedades emergentes. En el caso de la reacción de Belousov, la ruptura de la homogeneidad en la disolución, que lleva a un proceso de auto - organización es una propiedad emergente, que surge ligada al sistema y desaparece al cesar las reacciones. Igual que, cuando cesan las reacciones autocatalíticas en la bioquímica, sobreviene la muerte.

La reacción de Belousov no puede llamarse “vida”, pero contiene algunos de sus atributos. Uno de éstos atributos es la morfogénesis: las estructuras celulares y, posteriormente, las estructuras de los organismos, son una consecuencia

o propiedad emergente de un sistema complejo de reacciones químicas. Pero hay cosas mas inquietantes: Si la vida es una propiedad emergente de un sistema, esta idea tiene profundas implicaciones en los conceptos de vida artificial e inteligencia artificial, dado que la inteligencia se considera una propiedad emergente de un sistema complejo y organizado de células.

¿puedo repetir la reacción?

Si, es extremadamente simple. tan sólo hacen falta unos pocos reactivos. Si tienes interés en hacer la reacción en tu laboratorio o en tu casa, escribeme y te paso la receta. También inventamos un kit para llevar la reacción a charlas y ferias de la Ciencia. Igual alguien está interesado en desarrollar la idea.

Si quieres saber mas:

– Lafayette, W., Zhahotinsky, M., Krinsky, I., & Safronov, P. (1984). The Prehistory of the Belousov-Zhabotinsky Oscillator, J. Chem. Ed. 61(8), 661–663.

– Shanks, N.(2001). Modeling biological systems: the Belousov–Zhabotinsky reaction, Foundations of Chemistry 3: 33–53.

– Menor-Salván C. (2013). La química del origen de la vida. An. Quím, 109, 121–129.

Esta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews.

La cebolla, un recurso didáctico para ver biomineralizaciones

January 7, 2015

-¿que la cebolla produce minerales? ¡venga ya! tu manía con la mineralogía esta yendo demasiado lejos… – Que si, que si…mira: En rasgos generales, un biomineral es una fase cristalina mineral formada por un organismo vivo. Y, obviamente, la biomineralización es el proceso por el que un organismo vivo forma una sustancia mineral, que puede ser una sal inorgánica o de un ácido orgánico. Aclaramos entonces que aquí el término “mineral” hace referencia a especie mineral, no como sinónimo de “inorgánico”.

Hay un término relacionado, que es el de organomineralización, en la que un “molde” orgánico, normalmente de procedencia biológica, sirve de patrón para la formación de un mineral. Así, biomineralización y organomineralización son términos que se solapan a veces.

El término biomineralización es relativamente nuevo (tendrá unos 20 o 30 años), aunque la formación de minerales mediada por organismos se conoce desde antiguo: Nuestros huesos y dientes son ejemplos de biomineralizaciones y pronto se identificaron otros muchos ejemplos. Asi que al principio se llamaba “calcificaciones” a la formación de biominerales por diversos organismos, en la creencia de que siempre eran minerales de calcio (calcita/aragonito Un ejemplo vivo de biomineralización que se da en nosotros diariamente es la formación del sarro dental. Esta pesadilla, fuente de ganancia para dentistas, es meramente la formación de aragonito debida a las bacterias de los dientes.

Sin embargo, con el tiempo se han ido viendo mas y mas ejemplos de biomineralización y en los últimos años comenzamos a ser conscientes de que la importancia de la cristalización mediada por organismos es mucho mayor de los esperable, estando implicada en la formación de rocas y numerosos minerales de las más diversas composiciones, desde sulfuros a óxidos, fosfatos, vanadatos, silicatos o incluso elementos nativos. Aun muchos mineralogistas, tanto profesionales como aficionados, siguen subestimando el papel de la biología en la formación de muchos minerales. Sin embargo procesos de nucleación mediados por bacterias estan implicados en la formación de piromorfita, por ejemplo, entre otros conocidos fosfatos.

Un ejemplo de biomineralización: bacterias

“encapsuladas” en galena generada por ellas mismas.

Mina “Las Cruces” (Sevilla)

Biomineralización de piromorfita (fosfato de plomo) generada por biofilms bacterianos en una vieja tubería de plomo.

Otro bonito ejemplo de biomineralización: el

esqueleto silíceo de las algas diatomeas, aquí visto en una preparación del siglo XIX

Aparte de en nosotros mismos o los ejemplos mas científicos, en casa podemos observar un sencillo ejemplo de organismo vivo que produce una biomineralización: la cebolla (Allium cepa). Para ello tan sólo necesitamos un fragmento de la capa mas interna de la piel externa, seca, de una cebolla y la epidermis fresca inmediatamente inferior a ella. Tambien necesitaremos un microscopio biológico sencillo y si tiene polarizador, mejor que mejor. La cebolla es el “parvulario” de los microscopistas: sus finas capas permiten una visión directa de las células y es muy facil de manejar. Asi que también nos sirve para ver una biomineralización en su esplendor.

Veamos la capa externa seca. Simplemente, ponemos un fragmento pequeño en un portaobjetos, lo cubrimos con unas gotas de agua con 40% glicerol (opcional) y un poco de fairy (que ayuda a impregnar el material y a “transparentarlo”) y lo tapamos con un cubreobjetos. Lo observamos al microscopio y veremos ésto:

Observación con objetivo 40x.

Vemos, dispersos en el tejido de la piel externa, muchos cristales monoclínicos del mineral whewellita, oxalato de calcio monohidratado. Son muy abundantes en la piel externa de la cebolla.

Observándolos con luz polarizada: Algunos cristales se ven oscuros y otros claros. Esto es debido a que los cristales son ópticamente activos, existiendo cristales dextrógiros o levógiros, según la dirección en la que giren el plano de la luz polarizada. Así, algunos dejan pasar la luz, viendose claros, y otros la desvían, viéndose oscuros. Esta propiedad, relacionada con la quiralidad es sumamente importante.

¿por que hay tanto oxalato de calcio en la cebolla?

Los oxalatos de calcio whewellita y weddellita constituyen la

principal biomineralización en plantas superiores. Se pueden encontrar en mayor o menor medida en prácticamente todas las angiospermas y tiene tres funciones bien establecidas:

– Defensa de la planta frente a los depredadores

– Regulación del metabolismo del calcio (al igual que nuestros huesos)

– Detoxificación de metales pesados: los oxalatos de metales pesados como el plomo son insolubles y la planta los gestiona incluyéndolos en estos cristales para evitar daños.

La primera de las funciones es importante para nosotros: el oxalato de calcio en alimentos vegetales es

una toxina para nosotros (ver p. ej. Franceschi y Nakata, ann. rev. plant biol. 2005) Es uno de los responsables de que comer demasiadas plantas verdes nos siente mal, en especial algunos tipos. Además se ha demostrado que el oxalato ingerido se elimina por la orina y se ha correlacionado con la formación de cálculos renales. Y la principal fuente de oxalato en la alimentación son los vegetales…

El oxalato no sólo constituye una defensa pasiva como en el caso de nuestra cebolla. También puede ser una defensa activa: muchas plantas tienen en sus epidermis unas células especializadas o idioblastos, que contienen agua a presión y un gran cristal de oxalato de calcio, normalmente en forma de aguja, llamado rafidio Cuando un herbívoro o una persona contacta con la hoja, los idioblastos liberan por presión el cristal, que se clava en el “agresor”, provocando una reacción de escozor o irritación. Algunas plantas van mas allá y utilizan ese cristal como aguijón: hacen crecer el cristal de modo que queda un canal central por el que se insufla una sustancia muy irritante contenida en el idioblasto. Esta es una de las causas de la irritación provocada por el contacto con diversas plantas.

Volvamos a nuestra humilde cebolla: con una piel externa completamente llena de oxalato, adquiere una buena defensa

contra atacantes, ya que, por ejemplo, los insectos no pueden atravesar la capa externa de la cebolla sin masticar loscristales que contiene, lo que les produciría daños muy graves.

Si miramos la capa fresca inmediatamente inferior a la cubierta externa, vemos que los cristales también se forman en abundancia:

Se ven bien los cristales de oxalato y las paredes celulares. La preparación fué muy rudimentaria, por lo que se ven superpuestas sobre las capas celulares inferiores. Dentro de las células en la capa superior se distinguen claramente los cristales de whewellita. Por ello, cuando pelemos una cebolla para usarla en la cocina debemos quitar la capa externa seca y también la capa fresca inmediatamente inferior. Asi disminuimos nuestra ingesta de oxalato.

Si observamos las células del interior de la cebolla, ya no se observan cristales visibles:

Aqui, además, se observan ya células vivas, nucleadas (tinción suave con azul de metileno y observación con objetivo 40x). Tan solo ocasionalmente se observan algunos cristales de weddellita (oxalato de calcio di hidratado) de tamaño muy pequeño y que ya carecen de vocación defensiva:

Los cristales tienen esa forma de “cuadradito” con las diagonales marcadas. La formación de una de las dos especies no es casual, esta regulada. La formación de whewellita o weddellita depende de la morfología que la planta “quiera” dar a los cristales. Estos cristales probablemente, en este caso, tengan una función reguladora de calcio. Si hay demasiado calcio, forma los cristales, de los cuales puede luego tirar en caso de necesidad.

Este mismo tipo de mineral se puede encontrar también en el sedimento de la orina humana, donde forma cristales de este mismo hábito. Si la cantidad de oxalato crece, estos cristalitos, que actúan como núcleo de cristalización, pueden hacerse mas grandes o formar agregados que pueden quedar atrapados en el riñón y empezar a crecer, formando un cálculo renal.

La formación de cristales de minerales, como veis, se puede observar en prácticamente todos los seres vivos, desde los procariotas a los mamíferos. Estos biominerales tienen una

enorme importancia geológica: enormes macizos de caliza están formados por biomineralizaciones de antiguos microorganismos marinos. También, algunos yacimientos de minerales metálicos tienen su origen en las biomineralizaciones. Y es que los organismos vivos no son simples huéspedes del medio geológico, sino que lo moldean y transforman.

Una vez que tengáis soltura con el microscopio y la cebolla, podéis probar a buscar mas biominerales en otros organismos. Por ejemplo, en cianobacterias, como en el caso de ésta imagen que me envía Manuel Tapia, un lector de espiadellabo y aficionado a la microscopía:

En ella se observan mineralizaciones de carbonato cálcico, probablemente aragonito, que se forman en el interior de las células. La acumulación y transformación de ingentes cantidades de carbonato generada por organismos microscópicos como éste ha dado lugar a muchos de nuestros paisajes y ha contribuido a la evolución, reduciendo enormemente la cantidad de CO2 presente en la atmósfera terrestre.

Esta entrada participa en el XLV Carnaval de Química alojado en el blog conCIENCIAte ahora de @honey_eyes1405.

Homenaje a Juan Oró

December 10, 2014

El profesor Oró con su colección de muestras de meteoritos.

Homenaje a Joan Oró

El trabajo de Joan Oró fue fundamental durante los primeros pasos en el estudio del origen de la vida y, por tanto, para el surgimiento de la Astrobiología como disciplina científica. El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC - INTA) quiere rendir homenaje a este ilustre científico español cuando se cumplen 10 años de su muerte.

Desvelar cómo pudo producirse el origen de los seres vivos es una inquietud esencial del ser humano, y constituyó la principal motivación científica del Profesor Joan Oró (Lleida 1923, Barcelona 2004). Su trabajo en química prebiótica fue fundamental, logrando éxitos tan meritorios como la primera síntesis abiótica de la adenina, una de las moléculas más importantes para la biología debido a que forma parte de los ácidos nu cleicos (ADN y ARN), y resulta esencial para la catálisis enzimática y el metabolismo celular. Es también reconocido internacionalmente su trabajo pionero sobre los sistemas de vida mínima, la contribución de cometas y meteoritos a los componentes químicos de los planetas, o los experimentos astrobiológicos en misiones espaciales al Sistema Solar.

Cuando se cumplen diez años del fallecimiento de Joan Oró, el

Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), en colaboración con la Obra Social “la Caixa”, ha organizado una jornada especial de homenaje con el lema “Origen de la Vida y Astrobiología. El Legado de Joan Oró” en la que se pretende poner en contexto sus principales descubrimientos y comentar el estado actual de las líneas de trabajo a las que tanto contribuyó. La Jornada homenaje tendrá lugar el viernes 12 de diciembre en el Aula 1 de CaixaForum Madrid.

Ponencias de la Jornada

Las ponencias de esta Jornada están inspiradas principalmente en cuatro artículos publicados por Joan Oró que marcaron su línea de trabajo:

Prebiological synthesis of organic molecules and the origin of life (1980)

A minimal living system and origin of protocells (1984)

The contribution of cometary volatiles to the primitive Earth (1980)

The Viking Mission and the question of life on Mars (1979)

Ponencia 1: Química prebiótica: el principio del camino hacia la vida

Ponente: César Menor-Salván

Resumen: La Química Prebiótica es la disciplina que estudia el origen abiótico de los componentes químicos de la célula viva, en la frontera entre la Astroquímica, la Geoquímica y la Bioquímica. En esta charla mostraremos en qué consiste y cuáles son sus límites. También repasaremos cuál fue la contribución de Joan Oró y cómo él y otros pioneros han inspirado nuestro trabajo actualmente.

Ponencia 2: El origen de la vida celular

Ponente: Carlos Briones

Resumen: La química prebiótica permite proponer mecanismos para el origen – dentro o fuera de nuestro planeta – de las biomoléculas más sencillas, como aminoácidos o nucleótidos. Pero, según se mostrará en esta charla, tras su síntesis fue necesario un largo camino hasta llegar al primer ser vivo: un sistema que combinara g enoma y metabolismo dentro de un compartimento, capaz de reproducirse y evolucionar.

Ponencia 3: La contribución de los cometas a la Tierra primitiva

Ponente: Michael Küppers

Resumen: Los cometas son conocidos como fuentes de destrucción, pues sus impactos –junto con los de meteoritos–son posibles causas de extinción de especies. Pero los cometas probablemente tienen también un papel importante en la formación de la vida sobre la Tierra: pueden haber traído la mayor parte del agua de los océanos y algunas de las moléculas orgánicas que formaron los primeros organismos.

Ponencia 4: Desde las misiones Viking hasta las ideas actuales de la vida en Marte

Ponente: Ricardo Amils

Resumen: El Proyecto Viking (1975) fue pionero en la búsqueda de vida fuera de la Tierra. Aunque sus conclusiones indicaron que las posibilidades de vida en Marte eran nulas, ciertos resultados aún se discuten actualmente. Durante los últimos 40 años, los datos de otras misiones y los avances en geomicrobiología animan a buscar signos de vida en Marte, principalmente en su subsuelo.

Mesa Redonda: Vida en el Universo

Modera: Olga Prieto-Ballesteros

Datos de la Jornada

Coordinadores: Javier Gómez-Elvira (Director del CAB) y Olga

Prieto-Ballesteros

Colabora: Obra Social “la Caixa”

Día: 12 de diciembre 2014

Horario: 18:30 a 21:00

Lugar: Aula 1, CaixaForum Madrid, Paseo del Prado, 36, 28014 Madrid.

Precio: 4 € (2 € con inscripción, hasta 50 plazas)

Inscripción: divulgaion@cab.inta-csic.es

Aforo: 100 personas

Horarios

Horario Ponente Título

18:30-19:00

19:00-19:30

19:30-20:00

20:00-20:30

20:30-21:00

César Menor-Salván

Química prebiótica: el principio del camino hacia la vida

Carlos Briones El origen de la vida celular

Michael Küppers La contribución de los cometas a la Tierra primitiva

Ricardo Amils

Olga PrietoBallesteros (modera)

Sobre el CAB

Desde las misiones Viking hasta las ideas actuales de la vida en Marte

Mesa Redonda: Vida en el Universo

El Centro de Astrobiología (CAB) es un centro de investigación mixto del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Creado en 1999, y asociado al NASA Astrobiology Institute (NAI), es el primer centro del mundo dedicado específicamente a la investigación astrobiológica. Su objetivo es estudiar, desde una perspectiva transdisciplinar, el origen, presencia e influencia de la vida en el Universo. En el centro trabajan astrofísicos, biólogos, físicos, químicos, geólogos, ingenieros, informáticos y matemáticos, entre otros. Además de todo lo que tiene que ver con la comprensión del fenómeno de la vida tal y como lo conocemos (su emergencia, condiciones de desarrollo, adaptabilidad - extremofilia, etc.), también involucra la búsqueda de vida fuera de la Tierra (exobiología) y sus derivaciones, como son la exploración espacial (planetología) y la habitabilidad. Actualmente, más de 150 investigadores y técnicos desarrollan en el CAB diferentes proyectos científicos tanto nacionales como internacionales.

Más información

Enlaces

Nota de prensa completa en: http://www.cab.inta - csic.es/es/noticias/196

Agenda en el CAB: http://www.cab.inta-csic.es/es/agenda/154

Agenda en el Obra Social “la Caixa”: http://agenda.obrasocial.lacaixa.es/es/caixaforum-madrid

Contacto

Javier Gómez - Elvira , Director del Centro de Astrobiología (CSIC - INTA), tlf.: (34) 915 206 417 correo electrónico: director@cab.inta-csic.es.

Olga Prieto Ballesteros, Jefa del Departamento de Planetología y Habitabilidad, Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), tlf.: (34) 915 206 429 correo electrónico: prietobo@cab.intacsic.es.

Unidad de Cultura Científica del CAB: Luis Cuesta, tlf.: (34) 915 206 422, correo electrónico: ucc@cab.inta-csic.es

Un grano de oro…

December 2, 2014

Un grano de oro puede dorar una gran superficie, pero no tanto como un grano de buen juicio.

Esta frase es de Henry David Thoreau, en Una vida sin principios, ensayo integrado en Desobediencia civil y otros escritos. Thoreau es un autor muy poco conocido en estas tierras, tal vez para que a la gente no le pasen malas ideas por la cabeza y sean buenos y obedientes consumidores y votantes.

El caso es que esta frase viene a cuento, porque en el sentido mas literal, en efecto, un grano de oro puede dorar una gran superficie. Mucha mas de la que la mayoría de la gente imagina. Voy a contaros un experimento que ilustra este poder del oro, cómo la Ciencia nos desvela de los engaños que nos provocan nuestros propios ojos y que nos permite ver una aplicación de algunas radiaciones ionizantes: la medida de espesores junto con el análisis elemental:

El caso del tenedor dorado

En mi experiencia como mercenario científico me han planteado casos muy curiosos. Uno de ellos era el de una persona que

estaba interesada en saber cuanto oro contenía una cubertería dorada. Quería saber si, recuperando el oro de cuberterías doradas, podría obtener algún beneficio. Es fácil, usando el sentido común, darse cuenta de que no. Pero la cuestión era lo suficientemente interesante como para un experimento didáctico.

Tomamos un tenedor de esta bonita cubertería y, sobre él, podemos calcular el espesor máximo de la capa de oro. Una forma que podemos usar es hacer incidir partículas alfa sobre el material. Las partículas alfa son núcleos de helio emitidos a gran velocidad durante la desintegración de núcleos de elementos inestables. Un ejemplo de importante emisor alfa (y el que usaremos aqui) es el americio-241

Las partículas alfa son pesadas y tienen un poder de penetración bajo. Se pueden visualizar en una cámara de niebla:

En la imagen se ve las trayectorias rectilíneas de partículas alfa emitidas por una fuente. Las partículas alfa pierden energía en su viaje, que depositan en el material en el que penetran. Parte de ésta energía se invierte en la emisión de rayos X por el material alcanzado, una propiedad muy útil, pues nos permite fabricar un importante tipo de espectrómetro . Finalmente, las partículas alfa, que están cargadas positivamente, capturan dos electrones del material en el que penetran, convirtiéndose en átomos de helio e ionizando el material. De ahí que a éste tipo de radiación se la denomine radiación ionizante.

Este comportamiento fué estudiado por William Henry Bragg (a la sazón padre de William Lawrence Bragg, con quien formó equipo en el desarrollo de la cristalografía de rayos X).

Bragg descubrió que la pérdida de energía de una partícula alfa en la materia sigue una curva muy definida, llamada curva de Bragg:

Esta es la deposición de energía de una partícula alfa emitida por un átomo de americio-241 en el aire según la distancia recorrida. Llega a un máximo y cae abruptamente tras unos cuatro centímetros de viaje. Esta caída abrupta se corresponde con la formación de un átomo de helio por ionización.

La distancia recorrida por una partícula alfa en el aire se conoce muy bien y se corresponde aproximadamente con:

D (cm) = 1.24 E – 2.62

para energías mayores a 4 MeV. En el caso del americio, cuyas alfas se emiten a una energía de 5.49 MeV, la distancia recorrida en aire es 4.19 cm. Conociendo ésto, podemos calcular la distancia recorrida por una partícula alfa en cualquier material, conociendo su densidad, usando la regla de Bragg-Kleeman aplicada al aire:

D (cm) = 0.00032 * (√M)/d * D(aire)

donde M es la masa atómica y d la densidad. Así, para el oro, con densidad 19.3 g/cm3 y masa atómica 196.9665:D = 0.000975 cm, es decir, 9.75 micras.

Esto significa que nuestras partículas alfa no pueden penetrar un grosor mayor de 9.75 milésimas de milímetro. Para que os hagáis una idea, el pelo de la cabeza de un humano tiene un grosor promedio de 70 micras.

Volviendo al tenedor

Ahora que sabemos todo ésto, si analizamos el tenedor dorado mediante espectroscopía APXS, basada en la energía cedida por partículas alfa, tenemos éste resultado:

¿Que vemos? pues la composición del acero: picos de hierro, cromo y níquel. Apenas unos picos muy débiles de oro. ¿y que significa? que las partículas alfa han atravesado la capa de dorado y han depositado su energía principalmente en el acero que hay debajo. Esto implica que el dorado del tenedor es inferior a 9 micras. Una capa muy fina, que ya nos dice que el valor en oro de un “chapado en oro” es ínfimo. Pero…¿podemos separar el oro de un tenedor dorado?. Pues, a pesar de la pequeña cantidad, Si, es posible:

Este montaje es una celda de electroparting casera: no es mas que una pecera, llena de una solución diluída de ácido sulfúrico. Un cátodo (electrodo negativo) de cobre y como ánodo usamos el tenedor, envuelto en un sobre de papel de filtro. Si lo conectamos a la fuente de alimentación y le hacemos pasar una intensidad elevada (peligro…aquí usamos una corriente de 4 amperios y un voltaje de 12 voltios. Esta corriente es peligrosa), el metal del acero comienza a disolverse, en tanto que el oro se mantiene inalterado, quedando en el sobre de papel. Al cabo de tan solo un minuto, podemos recoger todo el oro del tenedor:

El electroparting es, por tanto, el proceso inverso a la electrodeposición y se utiliza en el refinado del oro (cuando se encuentra, lógicamente, en mayor cantidad que en el dorado de un tenedor).

El oro ha quedado atrapado en las fibras de papel. Aun puede parecer una cantidad significativa, pero siendo tan poco, para separarlo del papel hay que someterlo a un proceso llamado copelación: Se quema el papel y la ceniza, conteniendo el oro, se somete a alta temperatura en una mufla, con una mezcla de litargirio (oxido de plomo, PbO) y fundente. El recipiente que se usa se denomina copela, es un pequeño crisol hecho de material absorbente. El litargirio fundido es absorbido por la copela, arrastrando con él todas las impurezas. Finalmente obtenemos una pequeña bolita de oro puro:

Puede parecer mucho, pero esta bolita de oro puro que hemos obtenido mide ¡ tres décimas de milímetro! Siendo una esfera y teniendo en cuenta su densidad, pesa 0.00027 gramos. Es decir, necesitaríamos la friolera de aproximadamente 3665 tenedores dorados para recuperar 1 gramo de oro. Para que se entienda mejor, al precio del oro de 24k en éste momento, el precio del oro de un tenedor dorado es de 0.0076 euros. Menos de un céntimo por tenedor…

Como veis, tal como decía Thoreau, un grano de oro puede dorar una gran superficie. 1 gramo de oro puede d0rar casi cuarenta ycinco mil tenedores. Y es que la Ciencia nos muestra que a veces nuestras intuiciones nos pueden engañar…

Esta entrada participa en el XLI Carnaval de Química alojado en el blog cienciaxxi.es.

Y como es la edición Molibdeno, aquí pongo una imagen de su principal fuente natural: el mineral wulfenita (molibdato de plomo)

Una de huevos.

November 13, 2014

En un centro de investigación en el que trabajé brevemente me plantearon una cuestión curiosa: ¿que composición tiene la grasa de huevo y hay diferencias en la grasa de huevos de gallinas camperas y de gallinas enjauladas alimentadas con pienso?. (en realidad la cuestión era algo mas compleja y con mas implicaciones,…pero de momento, ésto es lo que puedo contar). Así que me puse manos a la obra en el laboratorio y, curiosamente, si que hay algunas diferencias importantes. Pero, lo mas importante, es que pude aprender cosas sobre la composición de éste producto tan usual, que voy a intentar compartir con vosotros.

Huevos

Para responder a la pregunta que planteaba al principio, me fijo en dos tipos de huevos que se diferencian muy bien en el súper. Los camperos y los que llamaremos de ahora en adelante tristes, pues son producidos en granjas de gallinas enjauladas, usualmente en unas condiciones inhumanas. O mas bien ingallináceas. En el supermercado los podéis diferenciar fácilmente fijándoos en el código que figura impreso en cada huevo.

El código, que asegura la trazabilidad del huevo comienza con un número y las letras ES, que indica que el país de producción es España. Los números pueden ser:

0: huevos ecológicos

1: huevos de gallinas camperas (y usualmente alimentadas con maíz y preparados de cereales, además de lo que encuentran ellas por ahí)

2: huevos de gallinas criadas en el suelo

3: huevos de gallinas enjauladas (usualmente alimentadas con pienso, fabricado con harinas diversas y productos animales. Antes de que alguien se escandalice, os recuerdo que las gallinas son omnívoras y no hacen ascos a la carroña).

Independientemente de lo que ponga en la caja, éste número define cómo se han criado a las gallinas que han puesto esos huevos. Los mas usuales son los del número 3, que son los más vendidos. Esto es debido a que son los mas baratos, dado el caracter industrial de su producción y su mínimo coste por sobreexplotación de los animales. Los camperos son mas caros. Así que, busco unos huevos camperos gallegos que me gustan y los comparo con unos de marca blanca del mismo super, marcados con el número 3. Pero antes, necesitamos un poco de Química, lo siento, por lo que introduzcámonos en:

El mundo de las grasas

En el público existe mucha confusión sobre las grasas y los lípidos y, sobre todo, existe un mito a derribar: la ingesta de grasa no sólo no es perniciosa, sino que es absolutamente necesaria para nuestro metabolismo, que obtiene aproximadamente el 30% de la energía de la oxidación de los ácidos grasos. Además, la ingesta de grasa aporta componentes fundamentales para la estructura de las células, la respuesta inflamatoria e inmunitaria y la neuroprotección. Aclaremos algunos conceptos:

¿que son los lípidos?: es un grupo heterogéneo de sustancias que tienen en común que son extraíbles en solventes orgánicos apolares, como el cloroformo, el hexano o el éter. Incluye biomoléculas con estructuras y funciones muy distintas. Dentro de éstas biomoléculas se encuentran las grasas

¿que son las grasas? son un tipo de lípido constituido por triacilgliceroles o triglicéridos , es decir, moléculas formadas por glicerina unida a unos ácidos orgánicos llamados ácidos grasos (los químicos llaman éster a este tipo de unión). Cada molécula de glicerina tiene capacidad para unirse a 3 moléculas de ácido graso.

Una molécula de glicerol. El glicerol es soluble en agua y tiene capacidad para unirse a un ácido graso por cada uno de sus átomos de oxígeno (bolas rojas)

Los triglicéridos son los lípidos mas abundantes y los ingerimos con todos los alimentos. El aceite de oliva es una mezcla de triglicéridos casi pura (contiene una pequeña fracción de otros tipos de lípidos, como esteroles, ceras y carotenoides). La mantequilla también. Y la yema de huevo contiene entre un 11 y un 17% de triglicéridos.

Una molécula de triglicérido, orientada de modo que la parte mas polar queda a la izquierda y la parte apolar a la derecha. Esto permite que las grasas se autoorganicen en membranas y micelas.

Los ácidos grasos que componen los triglicéridos, son moléculas en cierto modo similares a los hidrocarburos: están formadas por largas cadenas de carbono. Podemos dividirlos en tres tipos fundamentales:

ácidos grasos saturados

Se denominan saturados porque su molécula contiene la mayor cantidad de átomos de hidrógeno que puede contener. Es decir, están saturados de hidrógeno. Esto implica que los átomos de carbono se unen por enlaces simples y son moléculas rectas:

Una molécula de ácido esteárico (debajo) y

una de un componente del Diesel, el cetano (arriba).

El ácido esteárico de la imagen es el ácido graso saturado mas frecuente en las grasas, tanto animales como vegetales. Comparadlo con el cetano, un hidrocarburo que es un importante componente del combustible Diesel. Es parecido, verdad?. No en vano, el Biodiesel está formado por una mezcla de ácidos grasos en forma de fame (ésteres metílicos). Los científicos suelen denominar al ácido esteárico como C18:0. Es decir, el ácido de 18 carbonos y cero dobles enlaces entre los átomos de carbono (bolitas grises. Todas unidas con un solo palito)

Aspecto real del ácido esteárico puro: un sólido de aspecto céreo que funde 69ºC

ácidos grasos monoinsaturados

Quizá el ácido graso monoinsaturado mas conocido es el ácido oleico:

Fijaos en el doble enlace situado en la bolita (carbono) número 9 empezando por la izquierda. Los científicos llaman a éste ácido C18:1 n-9. Es decir, el ácido de 18 carbonos, un doble enlace situado en el noveno carbono. También es un ácido omega-9 Todos tenéis en casa gran cantidad de ácido oleico: el aceite de oliva está formado por entre un 65 y un 75% de ácido oleico (en forma de trioleína, el triglicérido del ácido oleico). Pero, y aquí nos cargamos otro mito: mucha gente piensa que la grasa de los animales está formada por ácidos grasos saturados, pero lo cierto es que la grasa animal también contiene una gran cantidad de ácido oleico, que suele estar en torno al 25-30% y es, junto con el esteárico y el palmítico, el ácido graso mas abundante en las grasas de animales y vegetales.

La molécula del ácido oleico esta curvada. Esto provoca que las grasas ricas en oleico sean líquidas, siendo tanto mas duras a temperatura ambiente cuanto más ácido esteárico contienen. Hay una cosa interesante: en los ácidos grasos insaturados, la Naturaleza tiene una preferencia, y es que prefiere los ácidos cis, que son los que están curvados según la imagen. Los ácidos trans, son muy poco abundantes en las grasas naturales y se asocian con algunos problemas de salud, debido a la dificultad para metabolizarlos y a que incrementan la formación de productos tóxicos por oxidación.

Los ácidos trans que ingerimos son principalmente artificiales

y se encuentran en la margarina y en productos procesados industrialmente, como bollería industrial. Por eso yo suelo recomendar a la gente que use mantequilla en lugar de margarina: es mejor bioquímicamente ingerir un poco mas de colesterol con la mantequilla (que si tu metabolismo es normal, no supondrá un problema) que ingerir grasas trans.

Un ácido cis (el ácido oleico, derecha) y un ácido trans (el ácido elaídico, izquierda). Ambos tienen la misma fórmula, pero diferente estructura: son isómeros.

El cis es el mas abundante en la naturaleza. Se transforma artificialmente en trans y en ácidos saturados, que son rectos, para solidificar los aceites y convertirlos en margarinas.

ácidos grasos poliinsaturados. Estos incluyen los famosos omega-3 y omega-6

Estos ácidos constituyen el gran negocio del mundo de la grasa. ¿quien no ha oído hablar de los “omega”?. Dado el papel relevante de los ácidos poliinsaturados en nuestra bioquímica (y por tanto, en nuestra salud), los vendedores de alimentos han hecho grandes esfuerzos por enriquecer en “omegas” las grasas de sus productos, para que sean mas “saludables”. ¿que hay de cierto en todo ésto?.

Para empezar, “omega” no define ningún tipo de ácidos. Solo define la posición del primer doble enlace en la molécula contando desde el primer carbono de la cadena alquílica Veamos dos ejemplos particularmente importantes:

éste es el ácido linoleico, o, en la nomenclatura que suelen utilizar, C18:2 n-6. Esto es, el ácido con 18 carbonos, dos dobles enlaces y el primero en el sexto carbono empezando por la izquierda. Este es un ácido omega-6.

Veamos un ácido omega-3:

Éste es el ácido linolénico o C18:3 n-3. Un ácido omega-3, es decir, su primer doble enlace está en el tercer carbono. Observad como cuanto mas insaturados (o sea, cuanto mas dobles

enlaces), mas curvada está la molécula.

Y ¿ por qué nos interesan tanto los ácidos omega-3 y omega-6 poliinsaturados?. Pues porque necesitamos ingerir ácido linoleico y ácido linolénico en nuestra dieta. Estos ácidos son llamados ácidos grasos esenciales y si no los tomaramos con los alimentos, simple y llanamente, moriríamos. Estos ácidos tienen un papel básico para nosotros: son precursores en las rutas biosintéticas de importantes moléculas señalizadoras, como las prostaglandinas, leucotrienos y tromboxanos. Estas moléculas, conocidas colectivamente como eicosanoides o prostanoides, son mediadores en inflamación, regulación de la presión arterial, vasodilatación, dolor y coagulación . Otros derivados, como las resolvinas y neuroprotectinas, tienen un papel fundamental en el desarrollo y mantenimiento del tejido nervioso. Por ejemplo, un ácido omega - 3, el DHA (que es abundante en los huevos), podría contribuir a la prevención de la enfermedad de Alzheimer.

Además, estos ácidos se incorporan en las membranas celulares, regulando su fluidez, daño oxidativo, permeabilidad y la actividad de proteínas de membrana, contribuyendo a la homeostasis.

Esquema resumido del papel de los ácidos esenciales en la síntesis de mediadores de inflamación, respuesta plaquetaria, dolor y protección del tejido nervioso.

El hecho de que, para los humanos, los ácidos linoleico y linolénico sean esenciales, pero no los demás, que pueden ser sintetizados, posibilita que podamos sobrevivir con una dieta herbívora. Esto es debido a que los productos vegetales (aceites, frutos, hojas y semillas) contienen estos dos ácidos. Algunos animales necesitan ingerir otros ácidos grasos. Por ejemplo, los gatos apenas tienen actividad en los enzimas que transforman el ácido linoleico en araquidónico, sin el que los mamíferos moriríamos y que está presente en animales. Asi que los gatos son carnívoros estrictos y no podrían sobrevivir con alimentos de origen vegetal. Por otro lado, los gatos pueden sintetizar la vitamina C y nosotros no, por lo que necesitamos incorporarla de las frutas y otros productos vegetales y los gatos solo necesitan comer carne y nosotros necesitamos una dieta omnívora. El ácido araquidónico, sintetizado o incorporado con la dieta, se almacena en forma de fosfolípidos en la membrana de las células, de donde se moviliza para sintetizar prostaglandinas y otros mediadores.

Lo interesante del asunto es que parte de las moléculas sintetizadas a partir de los ácidos linoleico y linolénico tienen efectos contrapuestos. Unas son vasodilatadoras, otras vasoconstrictoras, por ejemplo. Para que todas se formen adecuadamente y todo funcione, los ácidos omega-6 y omega-3 deben ingerirse en la proporción adecuada, ya que las rutas comparten enzimas fundamentales. Es decir, el equilibrio en la ingesta de ácidos grasos es fundamental para asegurar el funcionamiento óptimo de nuestras funciones fisiológicas. Y llegamos al quid de la cuestión: Uno de los mayores problemas de la alimentación actual es el incremento de la ingesta de ácidos omega-6, procedentes sobre todo de aceites vegetales

muy ricos en ácido linoleico (como aceites de maíz, girasol, palma…), grasas animales, y la reducción de la ingesta de ácidos omega-3 (mas abundantes en aceite de oliva, pescado azul, frutos secos, aceite de lino) lo cual resulta en el incremento de la producción de mediadores protrombóticos e inflamatorios y se asocia con el incremento del riesgo de afecciones cardiovasculares y patologías inflamatorias y sus consecuencias, como ateroesclerosis, IBD, obesidad y cáncer. De ahí que a las empresas de alimentación les interese vender productos “enriquecidos en omega - 3” para equilibrar la ingesta.

Según algunos autores, el ratio óptimo omega - 6/omega - 3 se situa entre 4 y 5, encontrándose que un ratio de 4 es un factor preventivo esencial para la reducción de enfermedades cardiovasculares, inflamatorias y neurodegenerativas. En cambio, la dieta actual en los países desarrollados tiene un promedio de ratio omega - 6/omega - 3 > 10, considerada poco saludable al increme ntar factores favorecedores de inflamación, vasoconstricción (aumento de tensión arterial) y estrés oxidativo.

Cuidado con el nutricionismo

¿debemos suplementar nuestra dieta con

omega-3?

El nutricionismo es una corriente que asigna un papel fundamental a nutrientes individuales, llevando a prescribir la ingesta de esos nutrientes purificados o al enriquecimiento de alimentos en esos nutrientes. Así, una visión nutricionista del asunto sería: “bien, vamos a comprar suplementos, como ácidos omega 3 en pastillas, para mejorar nuestro equilibrio de ácidos grasos”.

Algunos autores sugieren que ésto no es adecuado. Realmente, considerar el ratio omega 6/omega 3 (o cualquier componente aisladamente) sin considerar otros factores, perdiendo la perspectiva de la enorme complejidad de nuestro metabolismo y de los alimentos que ingerimos, es demasiado simplista. De hecho, algunos trabajos muestran que el ratio de los omegas, por sí mismo, no tiene tanta influencia. Esto escapa a una simple entrada de blog: requeriría una completa revisión bibliográfica. Asi que lo dejo aquí como una llamada al pensamiento crítico y a la precaución. Vamos, que nadie se lance a comprar pastillas de acidos omega 3, que igual no hace falta. Es mas, puede ser contraproducente: los ácidos poliinsaturados se oxidan con facilidad , produciendose enranciamiento y generación de especies reactivas de oxígeno, es decir, incrementan el estrés oxidativo. Esto constituye incluso un problema comercial: los aceites de oliva ricos en ácidos poliinsaturados omega-6 y 3, se enrancian mucho antes y se conservan peor. En fin, en cualquier caso, parece que está bien establecido que un ratio adecuado es lo mejor.

Volviendo a los huevos

Después de todo ésto os preguntaréis… ¿y que ha pasado con los huevos?. Pues aquí viene la sorpresa que me llevé. Veamos primero la composición global de los ácidos de la grasa del

huevo, que, os recuerdo, está en la yema, ya que la clara es proteína pura + agua:

Lo primero que nos llama la atención: el ácido oleico es el mas abundante en la grasa del huevo El esquema está ligeramente simplificado (he suprimido ácidos minoritarios, para no complicar la visualización). Esta composición se corresponde a la de mis favoritos, los huevos camperos gallegos. Comparemos el ratio omega-6/omega-3 entre los huevos camperos y los de gallinas tristes de marca blanca del mismo supermercado:

Resulta que los huevos de gallinas camperas tienen un ratio omega 6/omega 3 de aproximadamente 5, en la zona “saludable”, mientras que los de gallinas enjauladas tienen un ratio de 11, en la zona de “riesgo cardiovascular”. Estos huevos analizados no se anuncian como “enriquecidos con omega 3”, simplemente son huevos de “gallinas camperas”, sin mas declaraciones en su envase. Pero curiosamente SI están enriquecidos en omega-3, al menos respecto a los huevos de gallinas tristes estudiados. Este resultado es extensivo a mas marcas estudiadas Es decir, en todos los casos, el ratio omega-6/omega-3 en los huevos camperos estaba en la zona “saludable”, en tanto que todos los huevos con el código 3E, se encontraban en la zona “chunga” para las arterias. Todas las marcas estudiadas eran “planas”, es decir, no publicitaban ninguna clase de mejora o enriquecimiento. Simplemente eran…huevos. Tal cual. Un dia de éstos, espero que se puedan hacer públicos los resultados globales de éste estudio, por las implicaciones comerciales que puede tener.

Reitero: hay que tener cuidado con las interpretaciones simplistas. Hay estudios críticos que sugieren que el ratio

omega 6/omega 3, considerado aisladamente, no nos permite llegar a conclusiones. Otros consideran que un ratio adecuado disminuye el riesgo cardiovascular. En cualquier caso, todos están de acuerdo en que mejor intentar mantener un ratio bajo, asi que, por mi parte, seguiré con los huevos camperos, no solo porque me gustan mas y porque me siento mejor pensando que no consumo huevos de gallinas criadas en condiciones éticamente cuestionables con el único fin de que haya mas huevos y mas baratos, sino porque, ahora que he espiado la composición de su grasa, me siento mas tranquilo gozando de unos huevos con patatas fritas en aceite de oliva, que no se si será lo mas saludable del mundo, pero anda que no estan ricos.

ACTUALIZACIÓN:

Nuestro trabajo tuvo repercusión:

http://www.directoalpaladar.com/ingredientes-y-alimentos/una-e mpresa-comercializa-huevos-camperos-ibericos-alimentados-conbellotas

http://www.telemadrid.es/noticias/sociedad/noticia/asi-son-los -huevos-de-gallinas-camperas-alimentadas-con-bellotas

http://www.madrid.org/cs/Satellite?c=CM_Actualidad_FA&cid=1354

414735287&idConsejeria=1109266187260&idListConsj=1109265444710 &idOrganismo=1109266227162&language=es&pagename=ComunidadMadri d%2FEstructura&sm=1109266100996

Esta entrada participa en el XLI Carnaval de Química, organizado por el blog Ciencia Online

Bacterias marcianas

September 27, 2014

Quizá esta micrografía, realizada con microscopio electrónico, ha sido la más publicada de todas mis fotos:

Aquí la pongo cuando fué portada de la web del CSIC, recogiendo el trabajo que publicamos en Nature Communications:

http://www.nature.com/ncomms/2014/140806/ncomms5600/full/ncomm s5600.html

La verdad es que disfruté de éste trabajo porque, afortunadamente, al no ser el IP (investigador principal), no tuve que sufrir la parte mas dura y pesada y solo me tocó divertirme, estudiando muestras y mas muestras con el microscopio y poner mi parte de texto. Me hizo mucha ilusión que se publicara, tanto la foto (aunque me fastidia que el CSIC, una institución mas dispuesta a apuntarse los éxitos que a ayudar a los científicos se apropiara de todo el crédito de un trabajo en el que participamos gente de diversas procedencias) como el trabajo, que recoge un bonito modelo de cómo una comunidad de seres vivos modificó completamente un yacimiento mineral, hecho en la que quizá es mi mina favorita, la mina de Las Cruces Si quieres ver el trabajo, lo dejo en la sección “ documentos ” del blog. Supongo que en estas profundidades a Nature le dará igual que esté el texto completo…

Es curioso ver bacterias “fosilizadas” (aunque probablemente sean muy recientes) en galena, la primera vez que se observa algo así en la Naturaleza. Aquí hay una explicación divulgativa algo más elaborada, en base a la nota de prensa que se hizo sobre el trabajo:

http://www.mtiblog.com/2014/08/las-cruces-una-mina-para-entend er-la.html

Lo curioso es ver como, según se extiende la noticia, los periódicos empiezan a recogerla, pero centrando el interés en un aspecto que no tiene nada que ver, ni se comenta, en el trabajo:

Como el trabajo original absolutamente nadie lo lee, los periódicos se nutren de la nota de prensa y de entrevista personal a alguno de los autores. Y los lectores, a su vez, interpretan cosas como “hay bacterias marcianas en Sevilla”. ¿que sacamos de ésto?. Es la segunda vez que un trabajo en el que participo sale citado en un medio generalista. La primera vez fué a mucha menor escala y en un artículo muy bien preparado. En éste caso, la cosa tuvo mucho mas eco y, la verdad, no resulta nada cómodo ni agradable aparecer en periódicos grandes (creo que El País fué el único periodico grande que no recogió la noticia), si quereis que os sea sincero. Asi que, a pesar de que no me gustó que el CSIC

(institución para la que no trabajamos parte de los investigadores implicados) absorbiera el crédito, me alegré de ver mi foto por ahí sin nombre. Ahora que ya no se habla mas del tema, pues ya me siento con ganas recogerlo por aquí como una anécdota curiosa.

Un poco de Química clásica.

July 28, 2014

Uno de los proyectos que estoy llevando a través de GeoSpectra es la revisión analítica y puesta en valor de una colección mineralógica del siglo XIX, almacenada en el Museo Histórico Minero de la Esuela de Minas de Madrid . Es poco frecuente poder estudiar una colección tan antigua y casi entera, porque, en general, el coleccionismo es una actividad condenada al fracaso. El devenir del tiempo, que todo lo cambia, la naturaleza humana, dada al hurto y al beneficio, además de los sucesivos procesos de destrucción masiva a los que es aficionado el ser humano, hacen que la mayor parte de las colecciones antiguas (esto es, anteriores a la primera mitad del siglo XX) hayan desaparecido prácticamente. Tan sólo una serie de museos preservan ejemplares antiguos y España no es un ejemplo particularmente afortunado ni en la magnitud de sus colecciones científicas públicas ni en su significancia histórica. Por ello es una buena experiencia poder disponer de un material recogido hace entre un siglo y medio y dos siglos.

El coleccionismo particular en aquella época y anteriores era un pasatiempo para personas adineradas (en este caso la colección pertenecía a un marqués) y con buen nivel cultural, que solían desarrollar “gabinetes” consagrados a la Historia Natural. Estos gabinetes se llenaban con colecciones de minerales, fósiles y todo tipo de curiosidades. También entre científicos era una actividad relativamente popular, y, de hecho, muchos grandes químicos de la historia, como Berzelius o Klaproth (descubridor del uranio), disponían de colecciones de minerales. De éste último hay aún ejemplares depositados en varios museos europeos, con su etiqueta original firmada por él. Así, la época dorada del descubrimiento de elementos de la Tabla Periódica estaba ligada a la recolección de minerales que contenían esos elementos y eran cuidadosamente estudiados

por los químicos.

Un ejemplo magnífico de colección clásica bien conservada: La Colección Folch (Barcelona). Enorme diversidad, gran número de especies, vocación universal y sistemática. En consecuencia, queda un material de referencia en el que se encuentran ejemplares imposibles de hallar en sus lugares de origen.

Las características de los coleccionistas hacían que las colecciones no estuvieran motivadas por la estética, precio o calidad de los ejemplares, sino por su procedencia, rareza y un afán sistemático. Cuando revisas una colección antigua, observas un batiburrillo de ejemplares, algunos muy vistosos, otros aparentemente vulgares pedrusos, en general de pequeño tamaño, mas o menos cuidadosamente ordenados en interminables cajoneras y ocasionalmente salpicados con grandes y vistosos ejemplares. Heterogeneidad, gran variedad de especies y caract erísticas y vocación universal. Muchas colecciones privadas modernas, en cambio, tienden a centrarse en factores

como la estética y tamaño o siguen un criterio muy local y suelen disponer, comparativamente, de pocas especies o procedencias. Este localismo es particularmente acusado en nuestro país, donde es raro encontrar colecciones que sigan criterios como metalogenia o simplemente topografía sin fronteras. La ventaja, en cambio, es que son colecciones en las que es posible tener una abundantísima representación de yacimientos concretos, por lo que muchas veces, para estudiar la mineralogía de determinados yacimientos es mejor acudir a colecciones exhaustivas.

La gran diferencia actual con los siglos XVIII o XIX es que el coleccionismo mineral se ha convertido en algo muy poco popular, e incluso rechazado, entre los científicos. Además, la gente adinerada ya no monta gabinetes de ciencias en sus mansiones . Incluso, en algunos museos de ciencia mas generalistas, la Mineralogía ha pasado a un plano secundario y muchas colecciones están casi olvidadas, centrándose en los aspectos educativos básicos para la enseñanza primaria y secundaria.

El caso es que, durante la revisión de una colección tan antigua, se encuentran cosas que es muy dificil de ver actualmente fuera de algunos museos. El mayor problema de ésta colección en concreto es la documentación de cada ejemplar: etiquetas erróneas, malísimas (y a veces imposibles de interpretar) traslaciones al español de nombres extranjeros y auténticos misterios. A pesar de que el marqués que creó la colección llevaba un registro cuidadoso, los datos eran muchas veces insuficientes, se han perdido por el camino o, desde el punto de vista actual, no tienen sentido en muchos casos.

Un ejemplo de misterio es éste:

Un tubo de vidrio con un tapón de corcho, lleno de un polvo de color gris y registrado con una anotación muy lacónica: “cloruro de plata-méxico“. Lo primero que llama la atención es que no parece cloruro de plata (AgCl). Este material, cuando está recien preparado es de color blanco y, con el tiempo, se ennegrece gradualmente, en especial exponiéndolo a la luz. Este material lleva años sin cambios. Posiblemente siempre haya tenido este aspecto.

¿como lo estudiamos de modo que sea sencillo averiguar lo que és y de modo que no destruyamos todo, ya que es material de museo que hay que preservar?. La Química actual nos da muchos medios. Uno de ellos es muy simple: tomamos el polvo gris y lo sometemos a espectroscopía de energía dispersiva. Con ésta técnica, la muestra se somete a radiaciones (pueden ser rayos

X, rayos alfa, gamma u otras. Lo mas común es que sean rayos X). Los átomos de la muestra responden a la irradiación emitiendo rayos X característicos de cada elemento que contiene. En éste caso obtenemos ésto:

La dificultad de ésta técnica es que la altura de los picos no va en relación directa con la cantidad. En este caso, el material mas abundante es silicio, seguido por hierro y manganeso. La plata aparece en una cantidad pequeñísima (aprox 0.5-1%). Y, si, hay mucho mercurio, en torno al 15%. Si miramos el polvo con un microscopio, vemos que el análisis es coherente: la mayor parte son pequeños granos de cuarzo y óxidos, junto con un polvito gris.

¿como identificamos en que forma se encuentra el mercurio en la muestra?

Un químico moderno pensará en técnicas instrumentales. ¿Tal vez difracción de rayos X para identificar las fases sólidas de la muestra? Es posible, en este caso, recurrir a la Química mas clásica: realizamos un sencillísimo ensayo en tubo cerrado.

Tubos de ensayo para ensayo en “tubo abierto” (arriba) y en “tubo cerrado”

(abajo)

Para realizar estas sencillas pruebas, se coloca un poco de muestra en el fondo redondo del tubo cerrado o en el codo del tubo abierto y se calientan con una llama de un mechero de alcohol o de gas, primero con suavidad. Se observan los efectos del calor sobre la muestra: cambios de color, emisión de gases y vapores, condensación de agua y formación de sublimados diversos. El ensayo en tubo abierto suele dar diferentes resultados, ya que durante el calentamiento se produce un tiro de aire que da lugar a oxidaciones. Este ensayo era muy popular antes de la aparición de los medios modernos y proporcionaba datos interesantes.

En el caso de la muestra que estamos investigando, colocando la muestra en el fondo del tubo cerrado y calentando, manteniendo fria la parte recta del tubo, obtenemos un bonito sublimado cristalino blanco:

Cuando analizamos este sublimado mediante espectroscopía Raman, obtenemos un espectro limpio y perfecto de Calomelano. El Calomelano es la denominación clásica del cloruro mercurioso (HgCl). Este compuesto es bien conocido por los químicos, ya que forma parte del clásico electrodo de calomelano que todos hemos usado alguna vez. También era conocido de los alquimistas y, antes de la nomenclatura química moderna, recibia denominaciones tan curiosas como “mercurius dulcis” o “submurias hydrargiry” (submuriato de mercurio). El nombre de Calomelano tiene un origen dificil de trazar. Segun algunos autores hace referencia a la propiedad de reaccionar con el amoniaco, volviendose de un color negro intenso. Según otros viene de la contraccion de las palabras griegas que hacen referencia a “blanco” y “miel”. Se ha sugerido también que la denominación calomelano surgió como nombre comercial en el siglo XVI, para venderlo para su uso como medicina contra algunas afecciones de hígado. Medicina absolutamente ineficaz, como solía ser habitual en la medicina

pre-científica. Y en este caso peligrosa, pues las sales de mercurio son muy tóxicas. El calomelano no exhibe, no obstante, toxicidad debido a su gran insolubilidad, que hace que se expulse tal como se ingiere. Esto es una diferencia con su colega el cloruro mercúrico o sublimado corrosivo, que es soluble en agua y extremadamente tóxico. Un ejemplo de la importancia de conocer la formulación y nomenclatura química.

Volviendo a nuestra muestra misteriosa, si analizamos el residuo que queda despues de haber sublimado el mercurio, solo encontramos arena. Parece que ya sabemos lo que hay, pero el misterio en torno a la muestra es irresoluble: ¿de donde salió este material? ¿por qué su dueño, en el siglo XIX, lo incorporó a su colección como cloruro de plata?. Nunca lo sabremos. Por ello, si teneis colecciones de este tipo, etiquetad bien y dejad escrita la pequeña historia de cada objeto. Quien sabe lo que será de ellos en el futuro.

Esta entrada participa en el XXXVIII Carnaval de Química alojado en el blog ISQCH-Moléculas a Reacción

La cristalización en gel

May 26, 2014

La cristalización en gel es un método que nos permite obtener cristales individuales de minerales y sustancias muy diversas. El método es tan sencillo que cualquiera en un pequeño laboratorio “de colegio” puede investigar sobre el crecimiento cristalino…

Obtener cristales de sulfato de cobre o de fosfatos de potasio, de sal, alumbre o de otros materiales solubles es muy fácil: basta con dejar evaporar una solución saturada o bien dejar enfriar una disolución saturada en caliente. Hay algunas sales, como el sulfato de cobre, que nos permiten obtener cristales de gran tamaño y muy vistosos de esta forma simple.

Pero también es posible obtener cristales de otras sales e incluso de minerales (o mas bien, copias sintéticas de minerales) como calcita, apatito, pirita, galena, anglesita, etc., en el laboratorio y de un modo nada complicado. Si usamos un medio que haga que una solución acuosa difunda lentamente, de modo que podamos controlar la precipitación, tenemos un método muy sencillo para obtener cristales de sustancias poco solubles en agua. Es la cristalización en gel.

Y…¿que es un gel?. Dejando aparte lo que usamos para la ducha (que no es un gel propiamente dicho), es un sistema en el que

hay una fase sólida entrecruzada en forma de una red, que sostiene a otra fase líquida. Un gel tiene propiedades interesantes: a pesar de que la mayor parte es líquido, si se deja en estado estacionario (que lo dejamos tranquilo y no lo tocamos…pero dicho finamente) se comporta como un sólido, pero si se le molesta agitándolo o aplastándolo, se vuelve líquido. Esto se llama tixotropía y es una propiedad que nos vendrá muy bien para el experimento que os voy a proponer. La palabra “gel” la acuñó el químico escocés Thomas Graham, en el siglo XIX, para describir éstos materiales. Se le ocurrió a partir de la gelatina, que es un gel formado por péptidos generados por hidrólisis parcial del colágeno.

La técnica de la cristalización en gel nace en 1896, cuando Liesegang observa que la precipitación lenta de sales poco solubles en gelatina forma patrones periódicos: los famosos anillos de Liesegang . Pero fué en 1917, cuando un químico llamado Holmes obtiene cristales relativamente grandes de sustancias poco solubles (principalmente tartratos) en un gel. El mecanismo por el que podemos hacer crecer los cristales es por reacción y control de la difusión: el sólido cristalino se forma por reacción entre dos reactivos, pero a una velocidad lo suficientemente lenta para que puedan crecer cristales. Un ejemplo: si mezclamos dos disoluciones, por ejemplo, de carbonato sódico y de cloruro cálcico, se obtendrá un liquido lechoso formado por una suspensión de un polvo muy fino de carbonato cálcico. Pero si en lugar de mezclarlas, hacemos que difundan lentamente en un gel, éste frena la difusión y frena la velocidad a la que los átomos de calcio y los iones de carbonato se incorporan en al superficie del sólido. Además, disminuye la nucleación , es decir, la formación de pequeñas partículas invisibles a partir de las cuales se desarrollan los granos del precipitado. El resultado es que en lugar de una masa formada por polvo fino, obtenemos cristales.

Esta técnica ha encontrado mucha aplicación para el estudio de

la cristalización y las variables que influyen en el hábito o morfologías que adopta una especie química, en el estudio de la formación de polimorfos (como calcita o aragonito), para la obtención de cristales de sustancias especiales, para la cristalización de proteínas… pero dado que es una técnica sencilla de realizar, tiene también una aplicación lúdica y didáctica, en especial si os gustan los minerales: podemos hacer miles de experimentos semi-caseros en los que simular la formación de cristales de diversos minerales.

Estos son los métodos mas habituales para realizar la cristalización (tomado de Mccaureyl, J. W. (1974). Controlled Nucleation and Crystal Growth of Various CaCO3 Phases by the Silica Gel Technique, 59(1956), 947–963):

A mi me gusta el método II, para lo cual fabricamos éstos “reactores”, diseñados para recuperar fácilmente los cristales formados, en los que pondremos el medio de cristalización, un gel de sílice:

En el tubo se introduce un gel de sílice, lo cual constituye la operación mas delicada. Para ello necesitamos una disolución de silicato sódico (Na2SiO3) de densidad 1.06 gr/ml. Esta la preparamos a partir de una disolución de silicato sódico comercial, un líquido siruposo incoloro, del cual tomamos 50 ml, que mezclamos con 200 ml de agua destilada. Sobre esta solución, que debe mantenerse en agitación, vamos añadiendo gota a gota una solución de HCl 1 M o de ácido acético 1 M, controlando el pH. Si nos pasamos con el ácido, la solución se gelifica instantaneamente. Si se añade con cuidado y el pH no baja de 8-7.5, se mantendrá en forma líquida el tiempo necesario para verterlo en el tubo. También podemos tomar una cantidad de ácido e ir añadiendo el silicato hasta que el pH es 5.5. Así, llenamos el tubo con gel hasta que suba unos centímetros por los tubos laterales, ponemos los tapones y dejamos el gel reposando 24 horas, para que quede bien formado.

Una vez que vemos que el gel está bien formado, vertemos cada uno de los reactivos en cada uno de los tubos laterales. Por ejemplo:

CaCl2 y Na2CO3, para obtener cristales de carbonato cálcico CaCl2 y NaH2PO4 (u otros fosfatos) para obtener cristales de fosfatos de calcio

Acetato o nitrato de plomo y sulfato sódico, para obtener sulfato de plomo

Acetato de plomo y sulfuro sódico o tiourea, para obtener cristales de sulfuro de plomo…

y así miles de combinaciones. Una vez añadidos los reactivos, dejamos el sistema reposando en la oscuridad y sin molestarlo y vamos controlando cada 12 o 24 horas. Según las especies formadas, la cristalización se produce en un tiempo entre 1 día y una semana. Se verán cristales de diversos tamaños y formas, anillos de Liesegang y otros fenómenos interesantes. Cuando queramos recoger los cristales, no tenemos mas que quitar los tapones y sacar el gel empujandolo suavemente con un lápiz. Ponemos el gel con los cristales sobre un papel absorbente y lo apretamos un poco y frotamos en el papel, con lo que el papel lo irá absorbiendo y los cristalitos quedarán limpios. Voy a mostraros algunos cristales que he obtenido en mis experimentos “lúdicos” (aparte, utilizamos la cristalización en gel en otros temas) y cuya identidad he comprobado mediante espectroscopía Raman:

Yeso (sulfato de calcio):

Grupo de cristales de yeso (sulfato de calcio) obtenidos a partir de CaCl2 y Na2SO4

Si aumentamos la concentración de reactivos, se obtienen estas bolitas de yeso…

En cambio, con disolución mas diluida y dejándolo mucho tiempo, se obtienen estas bonitas maclas de yeso en cola de golondrina…

Calcita:

Cristales romboédricos de Calcita, obtenidos a

partir de cloruro de calcio y de carbonato sódico. Un experimento interesante es modificar las condiciones para obtener aragonito en lugar de calcita…

Anglesita (sulfato de plomo):

Agregado de cristales de Anglesita (identidad comprobada con espectroscopía Raman). La anglesita es fácil de formar a partir de acetato de plomo y sulfato sódico y pueden conseguirse cristales relativamente grandes (estos miden 3 mm).

Fosfatos de calcio:

El hidroxilapatito tiende a formar, en estas condiciones, bonitos grupos radiales de cristales aciculares…

La cristalización de los fosfatos de calcio puede ser

Cristales aciculares de Hidroxilapatito.

interesante, debido a que hay numerosas especies de fosfato de calcio, en función de la presencia de grupos hidroxilo o fluoruro (apatitos) o cantidad de agua. En el mismo experimento, una vez que ha cristalizado bastante hidroxilapatito, se forma la BRUSHITA (Ca(HPO4)·2H2O), que es un importante biomineral:

Cristal de brushita formado tras el hidroxilapatito. De hecho, en el cristal se observan inclusiones aciculares de éste último.

Así, la cristalización en gel nos permite “modelizar” el comportamiento de la Naturaleza a la hora de generar diversos minerales. Jugando con las variables que intervienen, se puede estudiar por ejemplo, el orden en el que se forman diversos cristales. Realmente la cristalización en gel como reactor para generar fases minerales y sustancias inorgánicas “exóticas” no está muy explotada, asi que si alguien quiere hacer experimentos, seguramente tiene mucho campo para trabajar en ello.

Este post participa en la Edición XXXV (Edición del Br)

del Carnaval de Química, cuyo anfitrión es Ángel Rodríguez (@1797Angel) en su blog CIENCIA PARA TODOS

La agricultura ecológica, ¿una patraña?

April 4, 2014

¿qué es exactamente la “agricultura ecológica”? ¿son mejores los productos ecológicos que los “convencionales”? Aquí transmito alguna de las respuestas dadas por los propios productores ecológicos y algunas reflexiones al respecto.

Hoy escribo este post de urgencia y sin mucha elaboración, porque no quiero que se me olvide/altere lo que os voy a contar, ya que sabemos que el tiempo y la memoria, aunque sea a corto plazo, modifica lo que uno ha visto y los testimonios se personifican. También, voy a intentar ser lo más neutral posible, ya que es un tema con el que la gente (en especial los mas “ecológicos”) se ponen de uñas, y parto de la base de que no soy un experto conocedor, solo un testigo y, como receptor de un mensaje (¿politico?) , cuento lo que he visto y he pensado mientras lo tengo fresco en mi mente, antes de que la opinión contamine el recuerdo.

Hoy, a través del IMIDRA, instituto con el que estoy trabajando (y en el que se desarrollan varios proyectos de estudio sobre el tema), he estado en unas charlas sobre agricultura ecológica en las que participó bastante público general. Impartían algunos expertos, entre ellos un productor de vino ecológico y un productor agrícola ecológico

de Madrid que, tengo que decir, me pareció sumamente honesto, ejerció notables dosis de autocrítica sobre lo ecológico y sobre todo me pareció que no era en absoluto un ecohistérico. No voy a dar detalles, porque como estos temas son tan delicados y además hay negocios de por medio, no solo opiniones, prefiero centrarme en el mensaje sin citar personas ni empresas. Además, insisto, mi idea es hacer una llamada a mantener un pensamiento crítico en toda situación y ante todo mensaje, más que a disertar sobre este tema, cosa que no me atrevo a hacer porque no soy un experto.

La idea general que uno podría llevarse de la charla, y es la que yo me llevé, es que el negocio de la agricultura ecológica (que no es otra cosa que otro negocio) se apoya sobre una idea básica general: la quimiofobia, seguida de varias ideas derivadas basadas en argumentos falaces y alguna idea secundaria basada en clichés políticos. Desarrollemos:

Quimiofobia

Básicamente todo el negocio de la agricultura ecológica se basa en la quimiofobia: el temor a los productos químicos El argumento esgrimido es que los pesticidas y en general todos los productos químicos de síntesis son malos para la salud Uno de los productores lo explicaba como algo lógico

de éste modo: al fin y al cabo los insectos y nosotros no tenemos un ADN tan distinto y si es malo para ellos y los mata, entonces a nosotros también. Luego se habló de la moratoria de la Unión Europea contra ciertos pesticidas (como los neonicotinoides, de los cuales el más conocido es el imidacloprid). Yo me preguntaba si esta moratoria se debía más bien al hecho de que los neonicotinoides estaban diezmando a las poblaciones de abejas (lo cual podría tener consecuencias muy graves, un tema en discusión actualmente) que al hecho de que pudieran encontrarse en las frutas y verduras del supermercado y comentaba el hecho de que yo había analizado pieles y zumos de fruta del super y nunca encontré pesticidas (el único producto agrícola en el que he encontrado concentraciones medibles de pesticidas es el tabaco, cosa que dejo para una entrada futura). Sin respuesta.

Ante la falta de respuesta, aduje que tal vez se estaba desinformando a la población. El productor lo reconoció y dijo que si, que realmente se había transmitido el mensaje de que ecologico=sano; convencional=veneno como estrategia comercial. Porque, algo que parecen olvidar los consumidores, los productores siguen siendo empresarios; en muchos casos, empresarios agrícolas que se han pasado a la agricultura ecológica (siguiendo las pautas del reglamento, es posible conseguir la calificación ecológica para tus productos) para gozar de mas beneficios y subvenciones.

El análogo de nicotina Imidacloprid: el demonio hecho molécula para los adeptos a lo ecológico.

En todo momento el mensaje que se estaba transmitiendo es que

la clave de la agricultura ecológica se basa en el rechazo a cualquier tratamiento químico. Quise aclararlo del todo y mientras el productor nos mostraba unas naranjas ecológicas, se estableció el siguiente diálogo:

Yo: Una cosa, para aclarar conceptos, ¿que diferencia a ésta naranja de cualquier otra que se pueda encontrar en el supermercado? y no me refiero a sus características, sino a cómo ha sido producida y en base a qué se ha calificado como ecológica.

Productor: La diferencia es que esta naranja no ha recibido ningún tratamiento con productos químicos fabricados por el hombre.

Yo: ¿Unicamente?

Productor: si, nada más que eso.

Yo: Pero no lo entiendo. Cuando se usan sales de cobre en el tratamiento de la vid, por ejemplo -ver apartado siguiente-, esas sales no han ido a recogerlas los agricultores directamente a una mina, sino que son producidas industrialmente…

Productor: si, si, pero esas sustancias ya existían antes de que el Hombre empezara a usarlas. Lo que quiero decir es que los productos ecológicos se diferencian en que no han recibido tratamientos por sustancias químicas sintetizadas por el Hombre desde el nacimiento de la Química moderna.

No hay mas preguntas, señoría. Queda claro, pues, que el fundamento de la Agricultura Ecológica es, meramente, el rechazo (irracional y con una base política, aunque ésto no lo tratamos ni entraré a discutirlo) a la Química científica o a la Química Orgánica, que nació como disciplina en el siglo XIX.

El protagonista de esta historia es el cobre. El productor de vino ecológico nos explicó que, como antes nos explicó el otro, la diferencia es que no se utilizan productos químicos inventados por el ser humano. Para obtener la calificación de ecológico, sustituyeron el tratamiento con fungicidas orgánicos por el tratamiento con azufre y sales de cobre (trihidroxicloruro de cobre o sulfato de cobre, imagino que en forma de “caldo bordelés“, una mezcla de sulfato de cobre e hidróxido cálcico –ver nota al final-), que también se usan en la agricultura convencional, por cierto. El tratamiento con fungicidas es necesario si queremos obtener uvas, así que la alternativa es esa.

¿Ventajas? que es natural, por que, claro, el azufre se saca de minas y las sales de cobre existen en la Naturaleza. Y todos sabemos (ése es el mensaje) que si es natural es sano ¿por que? pues porque si, porque es natural. Bien saben ellos que cuando pensamos en “natural”, nos imaginamos bellos bosques bajo el atardecer otoñal, arroyuelos de aguas cristalinas y cervatillos correteando, con amables y armoniosos paisanos que viven en sus cabañas sin electricidad, haciendo una ensalada con lechugas de su huerta…y claro, ¿que puede haber malo en ésta estampa?. La siguiente ventaja es que es tradicional: son sustancias que se usan desde hace mucho tiempo y, por tanto, tienen que ser buenas (Estos argumentos falaciosos eran la justificación de los productores para defender la agricultura ecológica. Ni más ni menos. Cuando se habla de lo “tradicional”, nunca se acuerda nadie de comparar la esperanza de vida de hace uno o dos siglos con la actual, o el hecho de que tradicionalmente se utilizó mucho tiempo el mercurio, que también es natural y ahora es el demonio para los ecológicos, como medicina, ni tampoco se habla de la capacidad productiva de la agricultura, ni del hecho de que lo

La falacia de “natural=sano” y “tradicional=sano y mejor”

que cultivan los agricultores no es natural, sino el producto de una selección genética artificial).

¿Desventajas? que son tratamientos mucho más ineficaces, lo que se traduce en mayor uso de productos químicos (porque, aunque sean “naturales”, son productos químicos), mayor coste y necesidad de hacer varios tratamientos, y, con todo y con eso, la producción es menor. Además, algo que no se cuenta al hablar de vino ecológico, las sales de cobre vienen de productores industriales en China, un país cuya economía no se sustenta precisamente en el apoyo a la ecología.

El trihidroxicloruro de cobre, que se usa como fungicida ecológico, en su versión natural: el mineral clinoatacamita. En la Naturaleza se presenta como clinoatacamita, atacamita y botallackita.

Aprovechando el uso del cobre, se estableció el siguiente diálogo:

Yo: hay algo que no entiendo y es el uso de cobre. Se que se ha usado desde hace mucho tiempo, cierto, pero también es verdad que el cobre, en determinadas cantidades, es un metal tóxico. Si, como afirman, se tienen que hacer varios tratamientos con sales de cobre, incluso usando una sal de

cobre soluble, como es el sulfato de cobre, ¿no se está contaminando el suelo?.

Productor: pues no lo sé, la verdad es que nunca hemos medido el nivel de cobre en el suelo.

Yo: Las plantas tienen una gran capacidad para absorber y concentrar metales. De hecho se usan en programas de biorremediación, para precisamente descontaminar suelos contaminados (el caso de suelos con mercurio en la zona de Almadén y metales pesados en entornos mineros). ¿quién nos asegura que el mosto de uvas ecológicas tratadas con cobre, y por ende el vino, no contiene una cantidad excesiva de cobre que estemos ingiriendo? ¿es posible que así sea?

Productor: la verdad es que no lo se (encogiéndose de hombros). Sí que sería interesante estudiarlo.

No hay mas preguntas, señoría. Según algunos estudios parece que el mosto no acumula demasiado cobre, que queda inmovilizado en los tejidos de la planta y “en suelos calcáreos”, aunque otros estudios advierten del riesgo de contaminación y que es necesario realizar más estudios, controlar los contenidos d e cobre y monitorizar la contaminación del suelo. Pero la clave es que la agricultura ecológica, por ser “ecológica”, carece de una serie de controles y se admite el desconocimiento de hechos como éste, ignorado incluso por los productores, con potencial impacto en la salud del consumidor.

Una etiqueta de un envase de sulfato de cobre, usado como fungicida ecológico. Muchas calaveras veo… ¿que diría un adepto de lo ecológico si fuera un producto químico “de síntesis”?. El sulfato de cobre se usa en agricultura ecológica simplemente porque es conocido anteriormente al nacimiento de la Química Orgánica en el siglo XIX.

La verdad es que no tengo ni idea de si el cobre puede ser un problema de salud, dependiendo de cómo y cuánto se use, aunque en general los pocos estudios realizados advierten que es necesario tener un control. Lo inquietante es que no han sabido aclarar la cuestión; los productores ni siquiera han pensado que podría ser un riesgo (porque, claro, es ecológico) y lo cierto es que podrían usarse exactamente los mismos argumentos que se usan contra los productos químicos “sintetizados”. Personalmente, me siento más tranquilo con una uva si ha sido tratada correctamente con un fungicida orgánico que tiene una vida media y una persistencia determinada y que, cuando llega al consumo, debería haber sido metabolizado, que con cobre, que es un metal y que ahí se queda; además está el hecho de que los controles sobre los productos agrícolas “normales” son más profundos que sobre los “ecológicos”. Precisamente por el terror a “lo químico”, se controla más la presencia de productos nocivos en la agricultura convencional que en la ecológica, ya que se da por hecho de que “ecológico=sano y seguro”, pero sano no es igual a seguro y ecológico no es igual, ni a sano, ni a seguro; en cuanto a seguridad, en Europa gozamos de los alimentos más seguros de toda la Historia de la Humanidad.

Aspecto del trihidroxicloruro de cobre “sintético” para su uso como fungicida ecológico. No se parece mucho al natural…

Otras herramientas utilizadas para el marketing

Otros aspectos que se remarcaban en la agricultura ecológica ya forman parte de lo anecdótico y político, ya que tienen menos influencia en el proceso productivo y más en el márketing:

El ser humano es voluble y manipulable, esencia del márketing

La mente es muy poderosa y la fe mueve montañas. Pude verlo en vivo: nos dieron a probar una naranja que estaba jugosa, pero ácida como el vitriolo y con una capa de eso blanco que tienen entre la piel y lo que se come, que era correosa e incomible; un plátano que sabía a madera y estaba duro como un tablón, y un vino mas bien del montón tirando a malo, ácido y áspero. Comentarios de la gente: “ohhh, mmm, delicioso. Claro, es que es ecológico…”. Literal, estaba allí y lo vi y oí Ahí pude sentir y ver en vivo cómo es posible que cosas como ésto, la

homeopatía, chemtrails y otros miles de mitos y magufadas tengan tanto éxito: la mente humana tiene un poder de autosugestión increíble. Hay que reconocer que estos productores eran honestos e insistieron en numerosas ocasiones en algo que creo que es importante: un producto ecológico no tiene por qué ser mejor (ni para l a salud ni para el medio ambiente) que uno convencional e incluso, en algunos casos, es peor. Esto no lo digo yo, lo decían ellos mismos, y, de hecho, algunas de esas frutas casi incomibles las trajeron para demostrarlo. Pero no hay nada más difícil de destruir que una idea preconcebida: el público ya tenía asumida la idea de que por ser ecológico, estaba mas bueno.

Clichés

Otro gran argumento que defiende la agricultura ecológica es que ellos son justos y buenos. Están contra un sistema en el que consumidores y agricultores son víctimas de empresas e intermediarios y que se enriquecen a su costa. Que los agricultores convencionales no tienen control sobre el precio de los productos y al final obtienen muy poco beneficio, pero con la agricultura ecológica el beneficio repercute más en el productor, que se preocupa por la gente, le importa la naturaleza y no es un capitalista. Que las multinacionales de la química y la alimentación están confabuladas en una gran conspiración para forrarse a costa de envenenarnos y contaminarlo todo y los ecológicos vuelven a sistemas tradicionales (por tanto buenos) de producción, respetuosos con el medio ambiente y con la vida y que, claro, es normal que los productos sean más caros, porque se pone amor y dedicación en cada lechuga (literal. En ningún momento se argumenta si el mayor precio pudiera deberse a la menor producción, costes de distribución, equilibrio demanda-oferta, el hecho de que el consumidor está dispuesto a pagar más por ellos o el uso de productos químicos de mayor coste. Hay que evitar las referencias a la economía de mercado a toda costa, así que éstas cuestiones se quedaron sin analizar y sigo

preguntándome acerca de ellas). Independientemente de cuanto se pueda discutir sobre ésto, que es mucho, lo cierto es que no deja de sonar a cliché. El discurso contra las empresas y el sistema, cuando estamos hablando de empresas que se están beneficiando de argumentos confusos, quimiofobia y argumentos falaces, suena a chiste. Pero esto se sale del problema realmente grave que veo: la agricultura ecológica, para mantener y aumentar su modelo de negocio, fomenta la quimiofobia, el rechazo y el miedo a los productos químicos y a la Química en general. Creo que falta buena divulgación química, que ayude a que la gente tenga conceptos básicos un poco mas claros.

Mi conclusión

La agricultura ecológica tiene un aspecto positivo fundamental que creo que es muy importante y que es donde la palabra “ecológico” cobra su sentido: al no utilizar tratamientos fitosanitaros, se protege a toda la comunidad biológica que convive con el cultivo, como las abejas, cuyo papel en el ecosistema es fundamental, o las mariquitas y los crisópidos, que son depredadores naturales de los pulgones, así como a otros muchos insectos beneficiosos. Se evita introducir sustancias potencialmente peligrosas en la cadena trófica. ¿por qué esto no se explica sobre ésta base? ¿ por qué se juega con los conceptos que he relatado, con clichés y con falacias? hacen que parezca que la agricultura ecológica es una patraña, cuando no tiene por qué serlo del todo. Y todo, aparentemente, con el objetivo de vender más (o más caro), cayendo, justamente, en las actitudes que critican de las “corporaciones”. Por otro lado, cuando se habla de agricultura ecológica, en ningún momento se hace mención a los reglamentos sobre agricultura ecológica (que parecen desconocer los adeptos a ella) ni al hecho de que la agricultura ecológica puede ser una burbuja insostenible que depende de las subvenciones .

Para terminar os dejo una receta química casera: ¿quieres convertir tus parras en “parras ecológicas”

tratándolas con fungicida ecológico? tan sólo sigue esta antigua receta para preparar Caldo Bordelés:

Añade tres cucharadas de cal apagada (hidróxido cálcico) a una pinta de agua y mezcla bien para obtener una lechada de cal. Disuelve seis o siete cucharadas de té de vitriolo azul (sulfato de cobre) en una pinta de agua. Mezcla ambas soluciones agitando bien. Esta mezcla debe colarse por un colador fino, para eliminar trozos de cal. Una vez filtrado, se pone en un recipiente de un galón y se completa con agua. Ya tenéis un galón de Caldo Bordelés listo para su uso.

En las recetas tradicionales, el caldo podía mezclarse con algunos insecticidas compatibles para “matar dos pájaros de un tiro”. Si queréis ser ecológicos ni se os ocurra, a no ser que sean naturales, como el extracto de árbol de Nim, una de las últimas versiones del maravilloso ungüento amarillo, aquella pócima legendaria que curaba todos los males. Pero esto es otra historia y debe ser contada en otra ocasión, como dice Uuq

Este post participa en la Edición XXXIV (Edición del Sé) del Carnaval de Química, cuyo anfitrión es Jesús Garoz Ruiz en su blog moles de química.

Y como es la “edición selenio”, ahí va una imagen del selenio natural, que uso en la portada de éste blog:

Este elemento se forma en estado elemental en algunas antiguas minas de carbón. En este caso procede de la República Checa, la mina “Katerina” en Radvanice. Es una de mis imágenes de elementos químicos favoritas…

La radiactividad y el análisis elemental, desde Marte a la Tierra

March 30, 2014

¿Sabes de qué esta hecha una moneda de 50 céntimos? ¿sábes como averiguarla…sin buscar en google?…la solución al final.

Vivimos malos tiempos para la Ciencia. Esto ya nadie lo duda. Pero yo ahora no me refiero a la crisis económica o los problemas de un sistema que debe renovarse. Me refiero a una crisis mas profunda: cultural, básicamente. La gente suele preguntar, en especial cuando te dedicas a la Ciencia básica, “¿y eso para qué sirve?”. Con la exploración espacial es muy patente, ya q ue los proyectos de investigación son relativamente costosos y muchas personas no entienden para qué sirve todo eso.

Bueno, no voy a entrar a discutir la cuestión profunda: la necesidad humana de conocimiento y su importancia para la civilización y la comprensión de nuestro lugar en el mundo. Hay algo mas tangible: la Ciencia se traduce en beneficios prácticos. Voy a poneros un ejemplo en esta entrada, y es cómo el desarrollo de instrumentación para la exploración de Marte se traduce en el desarrollo de un instrumento relativamente asequible para uso práctico aquí en la Tierra.

¿Hay vida en Marte?

La pregunta que mueve su exploración, al menos de cara al público. Respuesta rápida: en la superficie, no hay vida. Pero quizá la hubo, hace mucho tiempo. Hace mas de 3000 millones de años.

Esta es la división de las escalas geológicas en Marte. Con el comienzo del Amazoniense, hace unos 3000 millones de años, Marte quedaba como un planeta muerto. El agua prácticamente había desaparecido, la atmósfera se estaba consumiento y la actividad volcánica iba cesando. Mientras, la Tierra se llenaba de la vida que surgió hace unos 3800 millones de años. En ese momento, Marte, en el Noachiense, era también un planeta vivo: una atmósfera densa, con nitrógeno, mucha agua formando ríos y mares, intensa actividad volcánica. Marte, en aquel momento, como la Tierra, tenía las condiciones ideales para la vida.

Imagen reciente (febrero 2014) de la zona de operaciones del rover Curiosity, tras pasar sobre una duna en un pequeño desfiladero llamado “Dingo gap”. La imagen es en color real en las condiciones de luz de Marte. En la Tierra, las rocas de la izquierda no se verían rojas, sino grises (son basaltos). Imagen:

NASA/JPL-Caltech/MSSS

El aspecto actual de Marte nos resulta familiar: un desierto rocoso y polvoriento. Las rocas son fundamentalmente basaltos y otras rocas volcánicas, que quedaron allí hace millones de años, además de areniscas y otros materiales que evidencian un pasado vivo. Pero el paisaje es inhóspito: una tenue atmósfera de CO2 que no protege la superficie de los rayos cósmicos y las radiaciones solares y temperaturas que bajan por debajo de -100ºC por las noches. Nada que ver con el Marte de hace mas de 3000 millones de años, húmedo y cálido.

¿y cómo sabemos todo esto?. Bueno, gracias a cosas como el programa de exploración de Marte . El último de ellos y la misión de exploración extraterrestre más sofisticada hasta la fecha es el Mars Science Laboratory (MSL), un completo laboratorio mineralógico y geoquímico a bordo del rover Curiosity. En el desarrollo del MSL participó España, a través del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA). El análisis de rocas y minerales de Marte por el MSL nos permite conocer a fondo la historia de Marte y nos sugiere un pasado activo y muy rico en agua líquida.

Espectrometría APXS

El instrumento que me interesa ahora es un aparato que se utiliza para obtener el análisis elemental de rocas y minerales en Marte. Se denomina APXS (alpha particle X-ray spectrometry, o espectrometría de emisión de rayos X inducida por partículas alfa).

Este es el autoretrato del instrumento APXS, en Marte, tomado por el rover Curiosity. Situado al final de un brazo robótico, se acerca el cabezal a las rocas y se obtiene el análisis. Este instrumento fué desarrollado por el laboratorio de Ralph Gellert, de la Universidad de Guelph (Canadá), pero la idea viene de mucho antes. Se trata de aprovechar una propiedad muy interesante que tienen los átomos. Cuando son “excitados” por una fuente de energía, los electrones de los átomos saltan, moviéndose de unos niveles energéticos a otros. Cuando la fuente de energía que excita los átomos es muy potente, como por ejemplo chorros de electrones, rayos X o chorros de protones, ocurre algo inesperado: los electrones que saltan son los de los niveles inferiores:

Cuando el átomo es “golpeado”, un electron en un orbital interior tipo s (nivel K en la nomenclatura espectroscópica) se va de su sitio. El orbital es completado por un electron que procede de un nivel mas externo, como un orbital p o d. Estos saltos provocan la emisión de rayos X, para compensar el cambio de energía de los electrones. Es algo parecido a lo que ocurre cuando frenamos un coche: los discos de freno se calientan, a partir de la diferencia de energía entre el coche en movimiento y el coche parado.

Lo bueno es que cada átomo tiene una energía de rayos X perfectamente definida en sus saltos de electrones. Esto nos permite identificar perfectamente cada elemento de la tabla periódica y conocer la composición de cualquier cosa. Así tenemos diferentes técnicas:

Fluorescencia de rayos X (XRF): los átomos son excitados con rayos X.

Emisión de rayos X inducida por protones (PIXE): los átomos son excitados con chorros de protones generados en un acelerador de partículas.

EDS (energy dispersive spectroscopy) y EMPA (o microsonda electrónica): los átomos son excitados con una lluvia de electrones acelerados con alto voltaje.

Sin embargo, ninguna de éstas técnicas era satisfactoria para la exploración, ya que son costosas y requieren equipo complejo y preparación de la muestra. Por ello se desarrolló la técnica APXS. Esta técnica utiliza la radiación alfa como fuente de excitación. La radiación alfa son núcleos de helio emitidos por isótopos radiactivos, como el curio, utilizado en el instrumental de exploración de Marte. Las partículas alfa emitidas durante la transmutación del curio en plutonio inciden sobre una roca. Los átomos de la roca, en respuesta a la excitación, emiten rayos X. Estos son detectados y analizados por un detector. Veamos un ejemplo:

En el esquema tenemos una fuente de curio - 244, que emite partículas alfa (núcleos de helio - 4). Estas fuentes se

fabrican en forma de siliciuro de curio, depositando vapor del metal sobre la superficie de un chip de silicio. Así, se puede fabricar una fuente potente de rayos alfa y, al fijarse el curio en el silicio, segura y no volátil.

El curio, el metal radiactivo que ocupa el numero 92 en la tabla periódica

Las partículas alfa inciden sobre una muestra, en el esquema, una pieza de cobre. Los átomos de cobre, excitados por el impacto de los núcleos de helio, emiten fotones con una energía perfectamente definida de 8.06 kiloelectronvoltios o KeV, que se corresponden a la energía liberada al rellenar una vacante electrónica creada por la interacción de los átomos de cobre con las partículas alfa. Estas partículas tienen poco alcance: en la Tierra, unos pocos centímetros. En Marte algo más, debido a la menor densidad de la atmósfera. Por ello, se acerca el instrumento, que está en el extremo de un brazo móvil, a la roca que se va a analizar.

“artist concept” del rover Curiosity. Se ve el brazo robótico plegado y al final de él un conjunto de instrumentos, que incluye el espectrómetro APXS.

Los fotones de rayos X emitidos por la muestra son recogidos por un chip especial de silicio, cubierto con una ventana de berilio, transparente a los rayos X pero opaca a otros tipos de luz, de modo que no haya interferencias.

Retrato de familia de los rovers de exploración de Marte. De izquierda a derecha, el Spirit, el Sojourner y el Curiosity. En un círculo, la localización de los instrumentos APXS de cada uno de ellos.

De vuelta a la Tierra

Tengo un cliente, que es un experto mundialmente conocido en ejemplares minerales de alto nivel para museos y colecciones. Con él se planteaba una necesidad muy concreta: desarrollar un sistema que permita realizar un análisis de éstos ejemplares con tres condiciones: no destructivo, rápido y muy asequible. Asi que mi idea fué trasladar la tecnología APXS de Marte a la Tierra.

La primera y quizá mayor dificultad es la fuente de rayos alfa. El curio utilizado en Marte no es un material asequible para fines “no gubernamentales”. Asi que utilizamos una fuente de americio-241, mucho mas accesible:

241-Am ——> 237-Np + 4-He

El americio se desintegra formando neptunio y un núcleo de helio-4 o partícula alfa, que sale disparada del material con una energía de 5.54 MeV, solo un poco inferior a la energía del curio, por lo que también es ideal para nuestros fines.

Primera muestra de americio (hidróxido de americio) de la Tierra: obtenida en el laboratorio de Glenn T. Seaborg en los años 40.

Como detector podemos aplicar dos soluciones: un detector de centelleo, para aplicaciones que requieran mas sensibilidad pero con menos resolución y usando un fotodiodo tipo Si-PIN. Este componente es muy usual, ya que se usa en todo aparato que mida luz de alguna forma, desde instrumentos científicos hasta electrodomésticos.

Este es el aspecto de mi primer detector tipo Si-PIN, en una versión didáctica del aparato. Tiene tres capas de silicio con características distintas, apiladas en una especie de “sandwich”. Son muy sensibles a la luz. Para medir los rayos X y poder usarse en análisis, el circuito es mas complejo: el chip de silicio esta vez no está encapsulado con plástico, sino cubierto de una membrana muy fina de berilio y se enfría a -40ºC usando una célula Peltier, para reducir el ruido electrónico.

El resultado del montaje final es éste:

Este es el aspecto del (creo) primer instrumento APXS elaborado en España.

Y funciona!

es el espectro en bruto de una moneda de 50 céntimos. Se ve cobre, zinc y un poquito de hierro y estaño. Si refinamos el espectro:

Este es el resultado: la moneda de 50 céntimos de euro esta compuesta por un metal llamado oro nórdico Nosotros encontramos la composición 92% de cobre, 6% de zinc, 1% de estaño y 1% de hierro. El oro nórdico contiene una pequeña cantidad de aluminio, pero está en la zona de baja sensibilidad y no es detectado, lo que induce un pequeño error en la composición total. Si calculamos teniendo en cuenta la presencia de aluminio no detectado, la composición es 90% Cu, 5% Zn, 1% Sn, 1% Fe y 3% Al, lo que se acerca mucho a la composición nominal del oro nórdico. El “oro nórdico” vale muy poco…de hecho el valor real del metal que compone la moneda es inferior a los 50 céntimos, lo cual nos llevaría a una interesante discusión sobre economía…

Y todo ésto realizado con un instrumento que tiene un coste de entre 1/10 y 1/20 de un equipo de fluorescencia de rayos X comercial, con el consiguiente abaratamiento de coste por análisis. Nuestro cliente estará contento…y todo gracias a la investigación de Marte y a la Tabla Periódica…

Esta entrada participa en la XXXIII Edición del Carnaval de

Química, cuyo blog anfitrión es La Química en el siglo XXI

El ataque de los sulfatos

February 3, 2014

Cuando era niño, tendría, no se, 8 o 9 años, ya tenía muchísima curiosidad por los minerales y las sustancias químicas. Una vez, observando detenidamente unas vistosas manchas y crecimientos de sales en un muro, le pregunté a mi padre qué eran y por qué se formaban. Mi padre me explicó que eran “salitres” formados por la humedad que iba subiendo por el muro.

Tiempo después leí que el salitre eran nitratos que procedían mayoritariamente de Chile. Siempre me fascinó mucho eso, sobre todo porque me evocaba un enorme anuncio en la entrada de Guadalajara (la de España) y que siempre veía de niño, cuando viví en esa ciudad, y que me encantaba. Me sonaba bravo, eso de nitrato de Chile, y la silueta de un tipo duro en su caballo. Creo que el anuncio, hecho con azulejos, muy vistoso, sigue en su sitio. O al menos debería estar, como recuerdo de otra época, en la que Guadalajara era una provincia que vivía del cereal y el ganado.

Y como leí que los nitratos eran oxidantes y se usaban para fabricar pólvora, ni corto ni perezoso recogí el “salitre” de los muros y lo mezclé con carbón en polvo, bien pulverizado, esperando que aquello ardiera. Pero nada, ni amago siquiera. Pronto supe que esos “salitres” de los muros no eran nitratos, sino sulfatos. Así aprendí a valorar la importancia de un sistema de formulación y nom enclatura química universal, coherente, sin ambigüedades y que sirva para que todos nos

entendamos, desechando los nombres comunes o populares, que cambian de significado según el país o el idioma en que se usen. En efecto, salitre se refiere tanto al nombre con que en América del Sur llaman a los nitratos que se explotaban en enormes cantidades en los salares del norte de Chile o Bolivia, y aquí siempre se ha usado para referirse a las eflorescencias salinas que forma la humedad, aunque sean cosas químicamente muy distintas.

Ahora el salitre ha vuelto a mi vida de una manera bastante menos agradable: en forma de ataque por sulfatos: una enfermedad de las casas y edificios propiciada por la humedad. Ésta ha ido ascendiendo desde el suelo y atacando las paredes de mi casa, hasta que algunas de ellas han quedado parcialmente destruídas. Un terrible e imparable proceso degradativo, cuyo freno y reparación implica unos costes totalmente inasumibles para mí. Así, mientras veo impotente cómo mi casa se va volviendo inhabitable, al menos puedo utilizarlo para aprender algo: ¿que es ese salitre que destruye las paredes? ¿cómo funciona? ¿por qué se produce?. Asi que me puse a observar el fenómeno y a tomar muestras de algunas sales recién formadas y analizarlas.

El ataque de los sulfatos

Así se denomina, “ataque por sulfatos”, al proceso de destrucción de cemento, revestimientos de yeso y otros materiales debido a meteorización por humedad y sales. Es un proceso muy grave que pone en peligro nuestras casas y nuestro patrimonio cultural y es uno de los primeros pasos en el proceso de ruina de un edificio.

El ataque por sulfatos puede enfocarse como problema fundamentalmente mineralógico: formación de minerales secundarios hidratados que cristalizan a expensas de minerales primarios que aportan elementos y de fluídos circulantes que provocan cambios químicos.

Uno de sus principales causantes son los sulfatos de magnesio. Imaginad que agua subterránea, con cierto contenido en sulfatos, de alguna manera ha roto la barrera que, en el momento de la construcción de la casa, impide que el agua ascienda por los cimientos. Entonces, comienza a subir por capilaridad desde los cimientos hacia los muros de carga de la casa. En su recorrido va disolviendo mas elementos procedentes de piedra del basamento, hormigón, etc. Pero la forma mas soluble es el sulfato de magnesio, que va concentrándose, ascendiendo y reaccionando con los materiales que va encontrando: cemento, yeso, ladrillos… Finalmente, el agua que humedece la pared es una solución salina que, al bajar la humedad, deja importantes depósitos evaporíticos. De alguna manera, las paredes de la casa reproducen un proceso que se da muchas veces en la Naturaleza, en una especie de modelo experimental.

El resultado final lo tenéis en esta imagen de una de las paredes de mi casa:

En la parte superior, en el frente de ataque en el que todavía queda pintura y restos del revestimiento, se forman abundantes sales: las mas solubles, que ascienden a la mayor altura, comienzan a cristalizar al disminuir la humedad. Estas sales

mas solubles son sulfatos de magnesio y lo primero que cristaliza es un mineral llamado EPSOMITA (en la foto de encabezamiento de éste post). La epsomita es el sulfato de magnesio heptahidratado y es lo que forma los crecimientos de sales mas llamativos, los clásicos “salitres”, en forma de masas como de pelusilla, masas de cristales aciculares y crecimientos algodonosos. Por debado del frente de sulfatos de magnesio, tenemos una mezcla compleja de minerales. Mas abajo, la deshidratación de la epsomita (que veremos después) y otros procesos degradativos han dejado la pared desnuda, en primer lugar, y despúes termina disgregando los ladrillos. Con el tiempo, el muro se agrietará, permitiendo sucesivos ataques mas severos, en un proceso de degradación acelerado exponencialmente. Son los primeros pasos del arruinamiento del edificio.

Yo, en mis destruídas paredes, he identificado, además de la epsomita:

Bassanita (sulfato de calcio hemihidratado)

Yeso (sulfato de calcio dihidratado), neoformado a partir del yeso de la pared.

Pentahidrita (sulfato de magnesio pentahidratado)

Kieserita (sulfato de magnesio monohidratado)

Starkeyita (sulfato de magnesio tetrahidratado)

Görgeyita (sulfato de calcio y sodio monohidratado)

Ettringita (hidroxisulfato de calcio y aluminio)

Thaumasita (un carbonato-sulfato-silicato de calcio).

Y seguramente habrá mas. Estos dos últimos tienen especial importancia: la Ettringita y la T haumasita El primero de ellos se forma por reacción entre el sulfato que contiene el agua que se infiltra y el aluminato de calcio que contiene el cemento y el hormigón:

Ca3Al2O6 + SO4(2-) + H2O –>

Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O (Ettringita)

La Ettringita cristaliza y si os fijais, tiene una gran

cantidad de agua de hidratación (26 moles de agua por mol de ettringita). El volumen molar de la ettringita es muy alto, provocando la expansión del cemento. Esta expansión rompe el cemento, produciendo grietas y fracturándolo, de modo que se desprende en fragmentos. Una manera de reconocer éste ataque es precisamente la fracturación, descamación y la formación de costras y acículas cristalinas blancas.

Otro posible proceso es la reacción entre agua infiltrada rica en sulfatos y carbonatos a un pH elevado y el silicato de calcio hidratado contenido en el cemento. La reacción produe Thaumasita, Ca3(SO4)[Si(OH)6](CO3)·12H2O. El silicato de calcio hidratado del cemento, que se forma al fraguar éste, es uno de los principales componentes responsables de su dureza. Al transformarse en Thaumasita, el cemento se convierte en un material flojo y esponjoso. Una manera de reconocer este ataque es la sensación blanda y que el cemento se deshace al tocarlo con los dedos.

Así, el cemento fracturado y meteorizado permite el paso a mas agua, que va arrastrando sulfato que destruye todo a su paso: primero el yeso de los revestimientos, que se disuelve parcialmente formando Bassanita al recristalizar, y después yeso neoformado, con lo que la estructura original se deshace. Después el cemento, por formación de ettringita o thaumasita, y finalmente los ladrillos. La cristalización de Epsomita es otro proceso muy destructivo: al formarse, la Epsomita expande el material, provocando su fractura, abombamiento o desprendimiento de la pintura. La epsomita no es un mineral estable en condiciones estandard. Veamos su diagrama de fases:

Tomad una temperatura habitual, pongamos 20 grados. Al ir bajando la proporción de agua, lo primero que se forma es Epsomita. Según se va secando, la epsomita se transforma en otras fases: una mezcla de epsomita con hexahidrita, despues pentahidrita y starkeyita. Al secarse, la nueva fase tiene menor volumen molar, por lo que se contrae y se deshace.

Asi que imaginad el proceso: primero cristaliza la epsomita, que expande y agrieta la pared. Después, la epsomita se deshidrata y transforma en pentahidrita y starkeyita, con lo que se deshace y el volumen disminuye, cayendo todo al suelo, como en la foto de mi pared.

Una ventaja de seguir todo el proceso, es que podemos ver la Epsomita de verdad:

Esto es una bella muestra de Epsomita recién formada sobre cemento en la pared de arriba. La Epsomita no es un mineral estable en condiciones estándard, perdiendo el brillo y la transparencia rápidamente. De hecho, en colecciones de minerales, lo denominado “Epsomita”, realmente son mezclas de sulfatos mas o menos hidratados. En la esquina inferior derecha se puede ver un cristal acicular muy fino de Thaumasita, sobre el que han crecido unos cristalitos de Epsomita. Un poco mas arriba, de un color pardo, un pequeño cristal de Görgeyita.

Pero lo mejor de todo es que podemos pillar in fraganti a la epsomita en plena transformación:

Esto son cristales de Epsomita pseudomorfizándose (es decir, cambia de fase, pero mantiene la forma) a Pentahidrita. Fijaos cómo el cambio de fase implica cambio de volumen: parece que los cristales, originalmente transparentes como el hielo, se encojen y se deshacen, además de volverse blancos y pulverulentos. Finalmente, el material termina convirtiendose en un polvo blanco, mezcla de Kieserita, y Starkeyita, dependiendo de la temperatura de deshidratación. Este último podeis verlo en esta foto:

¿merece la pena ver cómo se destruyen las paredes para poder ver éstas transformaciones químicas?. Bueno, no realmente, pero ya que no puedo hacer nada, por lo menos que sirva para aprender cosas. Lo bueno es que seguiré observando las transformaciones de fase que se vayan dando.

A modo de recapitulación:

Las formaciones salinas asociadas a la humedad están compuestas principalmente de sulfatos de magnesio, aunque la composición mineralógica depende de las características geológicas del basamento y de los materiales constructivos utilizados.

El proceso de degradacion de cemento y otros materiales provocado por humedad está propiciado fundamentalmente por sulfatos, que pueden proceder del agua infiltrada además de otras fuentes: actividad de microorganismos, pirita contenida en materiales usados en la cimentación, etc. El alto contenido en magnesio favorece el ataque,

al ser los sulfatos de magnesio muy solubles. Que si tienes un problema de humedad en casa, o tienes mucha pasta o cambiate de casa, ya que la reparación de este tipo de problema implica bastantes miles de euros. El proceso que se da, llamado meteorización, y que conlleva la formación de minerales secundarios, es difícil de parar. Y si no puedes pararlo, por lo menos usalo para aprender: tienes un modelo en pequeño de los procesos de formación de evaporitas en la Naturaleza. Por ejemplo, en Marte se han descubierto fases hidratadas de sulfato de magnesio, que se han formado por mecanismos similares.

La gran enseñanza que debería mostrarnos la Epsomita y el ataque por sulfatos, es la impermanencia y que, hagamos lo que hagamos, estamos sometidos a la dinámica de nuestro planeta, que lejos de ser algo estático, se mantiene constantemente en movimiento, transformando sus minerales, con una química sumamente activa. Nuestras estructuras, como nosotros mismos, no son mas que un espejismo. Un grito ahogado por el Universo de un ser débil que quería permanecer y lo tiene difícil hasta para legar sus propios objetos a sus descendientes.

ACTUALIZACIÓN:

La imagen que ilustra ésta entrada ha sido ganadora del European Association of Geochemistry Photo Contest.

Esta entrada participa en la XXXII Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es DIMETILSULFURO.

CARNAVAL DE QUÍMICA

Sarín: de agentes nerviosos e insecticidas.

September 6, 2013

Es muy triste que una molécula se ponga de actualidad por haber sido un arma. Es el caso de esta molécula, el sarín, o mas recientemente el algo menos conocido por el publico gas VX. Estas pequeñas saltan a la actualidad periódicamente, por su uso criminal. Los agentes nerviosos son un arma temida y quizá la excusa para una guerra. Pero como éste blog no es de política y sociedad, sino sobre ciencia, podemos alegrarnos. Si, porque los científicos y, en particular, los químicos, podemos mirar a los ojos a moléculas como el sarín, charlar sobre ellas e informaros, para que cuando oigais la palabra “sarín” en el telediario, sepais a qué se refiere. Al fin y al cabo, las moléculas son inocentes. Dejemos las manos de los asesinos que las manejan para otros foros.

Los agentes nerviosos se clasifican en varios grupos según su estructura química:

Serie G: vemos su historia un poco mas adelante

Serie V: Desarrollados en Gran Bretaña en los años 1950, supuestamente descubiertos accidentalmente en la investigación de nuevos insecticidas.

Agentes Novichok: Desarrollados en la Unión Soviética a partir de 1987 en un programas secreto de armas químicas diseñado para saltarse los tratados internacionales de armas químicas y ser indetectables mediante las pruebas analíticas de la OTAN. Son los mas tóxicos y muchas de sus estructuras aun son secretas.

Insecticidas organofosforados: Los primeros surgieron en el siglo XIX. Su desarrollo llevó a las armas químicas.

Estos son algunos ejemplos de estructuras químicas de éstos compuestos:

Observad las similitudes, en algunos casos muy significativas (el insecticida dichlorvos y uno de los agentes Novichok, por ejemplo). Hay una sutil diferencia que marca la diferencia de toxicidad: el dichlorvos apenas es tóxico para humanos y animales y el Novichok es letal. Después veremos por qué.

Vamos a tomar el gas sarín, por su fama, como ejemplo.

¿que es el Sarín?

Es un agente nervioso tipo G , un “gas de guerra” con unas características químicas comunes: son un tipo de compuestos llamados organofosforados debido a que se trata de un “compuesto orgánico” que contiene fósforo. Organofosforado no es sinónimo de “producto químico tóxico”. Nuestros cuerpos están llenos de compuestos organofosforados, como el ADN por ejemplo.

Los agentes nerviosos del tipo G son el Sarín, el Tabún, el Somán, el Ciclosarín y el etilfosfonofluoridato de isopropilo.

Todos son líquidos incoloros, volátiles, solubles en agua y disolventes orgánicos y con un olor que va desde casi imperceptible hasta agradablemente afrutado. Esta propiedad es esencial en su uso como arma, ya que un gas de olor fuerte o desagradable crea alarma y disminuye su eficacia. Los agentes nerviosos como arma de guerra son algo cotidiano : seguramente muchos de vosotros, en especial si habéis trabajado en el campo, teneis fincas con cultivos o habéis combatido insectos de alguna forma, habréis usado este tipo de arma. Son los insecticidas organofosforados como el Malathion, el Parathion, el Dichlorvos, el Diazinon. Son moléculas similares y todos ellos, tanto los agentes nerviosos tipo G como los insecticidas organofosforados, pertenecen a la misma familia química de los ésteres fosfóricos, fosfónicos y fosfofluoridicos: Aquí teneis las moléculas. Haced un poco de ejercicio de imaginación: imaginad que el fósforo esta en el centro de un tetraedro. Entonces, el enlace dibujado con un triangulito negro, apunta hacia vosotros y el dibujado con rayitas, apunta hacia atrás. Esto es muy importante: cambiando la posición relativa de los átomos pueden cambiar sus propiedades. Así, el

sarín, técnicamente, es el S( -)- isopropil metilfosfono fluoridato. Un nombre largo, por eso los químicos solemos “bautizar” a las moléculas con nombres propios, mas fáciles de escribir, manejar y recordar.

Un poco de historia: El TEPP fué el pionero de los “gases nerviosos”. Fué sintetizado por el químico francés Philippe de Clermont, en el año 1854 y es el primer compuesto de este tipo creado para ser usado como insecticida. El descubrimiento de esta familia química lo realizó Franz Anton Voegeli, un químico suizo que, diez años antes, sintetizó el trietil fosfato. ¿cómo se hace el Sarín?

Pero…si estas moléculas se usaron como insecticidas…¿como se llegó al sarín y a su uso contra personas?

Durante la primera mitad del siglo XX los químicos alemanes eran los campeones de la química. Como no, en esto también fueron decisivos, y fueron los alemanes quienes desarrollaron la síntesis de la familia de los organofosforados, tanto en su uso como pesticidas, como en su uso criminal (me niego a llamarlo “militar”).

El descubrimiento del potencial criminal de éstas sustancias, como tantas cosas en ciencia, ocurrió de un modo casual. En 1936, el químico Gerhard Schrader , de la corporación IG Farben, (en la que Bayer era parte principal, conocida por suministrar el Zyklon B usado en el Holocausto), que hasta entonces había trabajado en el desarrollo de colorantes, comenzó el desarrollo de insecticidas organofosforados, motivado por su deseo de luchar contra el hambre en el mundo, combatiendo las plagas de insectos que destruyen cultivos.

Experimentando con las moléculas de ésta familia, en diciembre de 1936 descubrió el Tabún , considerado el primer “gas nervioso” de éste tipo.

En enero de 1937, Schrader estuvo a punto de convertirse en la primera víctima de este tipo de sustancias: una gota (lo recalco para que os hagais una idea de su toxicidad) de Tabún que cayó al suelo, provocó a Schrader y uno de sus ayudantes una intoxicación, cuyos síntomas fueron opresión en el pecho, dificultades para respirar y una fuerte contracción de la pupila, un síntoma muy característico de la intoxicación con estas sustancias. Rápidamente, probaron el Tabún con animales de experimentación, observando que morían rápidamente y con dosis extremadamente bajas. Era evidente que esta molécula no podía ser usada como insecticida, dada su toxicidad en mamiferos. Pero eso abrió la puerta al desarrollo de los “gases nerviosos”.

Schrader recibió la orden de reportar su trabajo sobre el Tabún al Ministerio de Guerra. Seguidamente, bajo las órdenes del partido Nazi, para quienes el uso potencial de estas sustancias en la guerra era evidente, comenzó un programa secreto de fabricación de organofosforados para uso militar. Schrader había preparado la patente del Tabún en 1937, pero le fué prohibida su publicación. En condiciones de alto secreto, Schrader sintetizó el Sarín en 1938, descubriendose que era mucho mas tóxico aun que el Tabún. Después se completó toda la familia de “agentes nerviosos” tipo G. El gobierno, entonces, ordenó a IG Farben la construcción de una planta para la producción de Tabún y Sarín en Dyhernfurth (actual Brzeg Dolny, Polonia), al lado de un campo de concentración, de modo que pudieran usar los presos en el campo como mano de ob ra esclava y material de experimentación.

Entrada del campo de concentración de Gross-Rosen, de donde salieron muchos de los esclavos que trabajaron en la fabricación de armas químicas en la factoría de IG Farben. En la entrada se lee, en alemán, “el trabajo os hará libres”.

También, sin salir de la misma familia química, Schrader produjo insecticidas como el Parathion (sintetizado en 1940), que han salvado probablemente millones de vidas, gracias a las cosechas no perdidas por insectos, aunque muchos de esta familia, como el Parathion, actualmente estan prohibidos ya que su toxicidad para humanos y fauna es demasiado elevada. Su interés era el desarrollo de moléculas aplicables para la paz, no para la guerra, pero se vió forzado a desarrollar sus organofosforados como armas. Así, al menos, lo ha entendido la historia.

Primera página de la patente de 1939 de Gerhard Schrader sobre la síntesis del dimetilaminofosfono difluoridato, otro “insecticida” del mismo tipo que el Sarín. En palabras de Schrader:

“Estos compuestos son especialmente indicados para combatir la Calandra granaria, Tenebrio molitor (gusano de la harina), cucarachas, piojos, chinches, hormigas, pulgones, filoxera y otros. También puede usarse para el exterminio de ratas, ratones y similares”.

Pero a mi me resulta mas inquetante cuando dice “puede usarse en fase gaseosa, solo o mezclado con gases inertes, siendo efectivo para combatir alimañas”.

Claramente, su uso como arma es una extensión del término “alimañas”. El nombre de Sarín se debe al equipo de químicos que participó en su síntesis: Schrader, Ambros, Rudigen y van der Linde.

Una cuestión histórica es: ¿por qué Alemania nunca usó el Sarín o los otros compuestos de la misma familia durante la Segunda Guerra Mundial, a pesar de que IG Farben llegase a preparar un importante stock de varias toneladas de Sarín, que además fué probado en experimentos con animales y con presos de campos de concentración?.

Un técnico cuidadosamente protegido prepara un conejo para una prueba de toxicidad de Sarin en la factoría de IG Farben durante la Segunda Guerra Mundial.

Si Hitler hubiera ordenado el uso del Sarín, la Historia habría sido bien distinta: con gran probabilidad el Dia D hubiera sido una matanza de cientos de miles de personas y un rotundo fracaso y tal vez hubiera forzado a los Aliados a negociar, o, mas probable, hubiera sido el inicio de una escalada de devastación que hubiera culminado con el uso de la bomba atómica en Europa. No se sabe seguro por qué el gobierno Naz i nunca usó e l Sarin Una teoría es que uno de los científicos implicados en el desarrollo del Sarín convenció a Hitler de que los aliados también tenían agente nervioso listo como arma (lo cual era falso) y su uso desencadenaría una respuesta equivalente y devastadora sobre Alemania. Segun algunos, es posible que la experiencia de primera mano de Hitler en la Primera Guerra Mundial, donde fue “gaseado” con cloro y tuvo que ser hospitalizado, influyera en el temor a éste escenario. En cualquier caso, el Sarín fué el primer

ejemplo de contención en el uso de un arma de destrucción masiva por temor a un escenario de destrucción mutua asegurada. ¿por que no usó el arma finalmente, en los momentos mas desesperados del hundimiento del régimen Nazi?. Quizá simplemente por razones logísticas: ya era imposible hacerlo.

Sin duda Gerhard Schrader no sólo fué el padre de los “gases nerviosos” tipo G, por lo que la Historia no debería juzgarle equivocadamente (máxime si fué uno de los artífices de que los nazis nunca usaran el agente nervioso). Sus patentes fueron numerosísimas, mas de 180, y su contribución a la química de los organofosforados, al desarrollo de insecticidas, herbicidas, colorantes y otras sustancias, y a la Química Industrial del siglo XX, ha sido esencial.

Centrándonos en el Sarín, la síntesis es extremadamente sencilla. Se produce por una reacción llamada alcoholisis (ruptura por alcohol) del difluoruro de metilfosfonilo con alcohol isopropílico, produciendose el sarín y fluoruro de hidrógeno como subproducto:

Ésta síntesis no fué la que llevó a cabo Schrader, sino que fué descubierta por P. J. R. Bryant y colaboradores, en EEUU en 1960. Es mas sencilla y eficaz que la original y la base del diseño del Sarín como arma binaria.

El sarín producido es un líquido incoloro y prácticamente

inodoro, bastante volátil, muy soluble en alcohol, soluble en agua y en disolventes orgánicos. Como veis, la denominación “gas nervioso” o “gas de guerra” es incorrecta: realmente se trata de liquidos que actuan por volatilización (respirados), ingestión o contacto.

En la reacción se producen dos moléculas que se diferencian en las posiciones relativas de sus átomos. Estas dos moléculas se llaman isómeros y normalmente tienen algunas propiedades algo distintas. Por ejemplo, a nivel biológico, unos isómeros son mas activos que otros. En este caso, he recuadrado el mas activo. ¿por qué se producen los dos?, bueno, la probablidad de que el isopropanol (o alcohol isopropílico, es lo mismo) ataque a un átomo de flúor es la misma para los dos átomos del producto de partida, por ello, la mezcla resultante contiene los dos isómeros al 50%. Esto es un poco complicado, asi que como diría Uuq, esto es otra historia que tiene que ser contada en otra ocasión. Lo que deberíais preguntaros es: Si el alcohol isopropílico es un compuesto corriente, que puede adquirirse fácilmente, ¿el otro precursor es tan fácil de obtener? ¿no estamos expuestos al riesgo de que algún loco fabrique Sarín en su garaje y nos liquide?. Bueno, primero hay algunas cosas que no he contado. En la reacción se incluyen otros compuestos no tan fáciles de obtener, como la isopropilamina, que se usa para neutralizar el ácido fluorhídrico que se produce como producto secundario. Segundo, el producto de partida, aunque es muy fácil de producir, requiere compuestos poco comunes. Y tercero, el Sarín es tan tóxico que cualquiera que intentara hacerlo en su garaje moriría, igual que un pulgón rociado con insecticida. Peero!

Si, el Sarín es lo que se conoce como arma binaria: Yo puedo hacer una ampolla del producto de partida, que es poco tóxico, otra con la mezcla de isopropanol y romperlas justo en el sitio donde quiero liquidar a alguien. Es menos eficaz que fabricarlo bien en un laboratorio, pero es mas seguro. Una vez que tienes la molécula, solo tienes que tirársela a la gente, usando, por ejemplo, la cabeza de misil de la imagen,

equipada con decenas de ampollas de Sarín. Esta cabeza de misil no es de ningún país de Oriente Medio, sino de la armada de EEUU, en una foto tomada en los años 50, cuando eran algo menos escrupulosos con el tema de las armas químicas. Asi que, no, no os voy a contar cómo se sintetiza el precursor difluoruro de metilfosfonilo, no vaya a ser que alguien tenga malas ideas.

¿que hace el Sarín?: Bioquímica de la intoxicación El sarín, al igual que todos los gases nerviosos e insecticidas de la familia de los organofosforados, es un inhibidor de la acetilcolinesterasa.

La acetilcolina es un neurotransmisor esencial en el sistema nervioso de todos los animales. Entre otras cosas, la acetilcolina transmite las señales desde el sistema nervioso a los músculos, haciendo posible los movimientos. De un modo muy muy simplificado (no vaya a ser que alguien me venga con la lámina basal y todo eso), este esquema ilustra el papel de la acetilcolina en la unión neuromuscular:

Arriba tenéis la terminación nerviosa, que almacena unas vesículas que contienen acetilcolina (ACh). Cuando llega un impulso nervioso, la terminación nerviosa activa un mecanismo de exocitosis (o sea, que libera) de acetilcolina.

La acetilcolina se une momentáneamente al receptor de acetilcolina, AChRs, que se abre al contacto con ella. Al abrirse, permite que entre sodio en la célula muscular, iniciando el proceso de contracción muscular. En enzima acetilcolinesterasa (AChE) rompe la acetilcolina, permitiendo así que la contracción cese. Os podéis imaginar que todos los movimientos del cuerpo entonces, dependen prácticamente de estos tres componentes. Por estas conexiones mágias que tiene la Bioquímica, uno de los tipos de receptores de acetilcolina se llaman “receptor nicotinico ” porque la nicotina “imita” el papel de la acetilcolina. Es lo que se conoce como un agonista : una sustancia que imita a la sustancia fisiológica actuando en el mismo sitio y produciendo un efecto similar. Por eso la nicotina en pequeñas cantidades tiene un efecto estimulante. Pero su uso prolongado, da lugar a muchos problemas, ya que altera la fisiología normal de la acetilcolina. Y en gran cantidad, la nicotina tiene un efecto tóxico, propiedad de la que se aprovechan otros insecticidas, los llamados neonicotinoides .

Otro tipo de receptores de acetilcolina se llaman receptores muscarínicos ya que su agonista es la muscarina, un tóxico de algunas setas. Los receptores muscarínicos controlan musculo liso, sistema nervioso parasimpático, la acción de glándulas…

Fijaos en la molécula de acetilcolina y comparadla con la molécula de Sarín. ¿no os resultan con una forma parecida? Bueno, por ahí deben ir los tiros… ¿y que hace el Sarín entonces?

En presencia de un organofosforado de este tipo, el esquema se transforma en éste:

El Sarín se une a la acetilcolinesterasa, inhibiendola. De este modo, la acetilcolina se acumula en el espacio sináptico, provocando que el receptor, ya sea nicotínico o muscarínico, se quede permanentemente activado, provocando la pérdida total de control del sistema nervioso

Pero, os preguntareis, si el Sarín y los insecticidas como el Dichlorvos tienen el mismo mecanismo de acción, ¿por qué el Sarín es tan tóxico para los humanos, mientras que los insecticidas no?.

Ahí es donde la estructura de las moléculas insecticidas aprovechan la ventaja de los humanos y la vulnerabilidad del insecto: realmente el insecticida es igual de tóxico para nosotros desde un punto de vista bioquímico, pero por su estructura molecular apenas puede alcanzar al sistema nervioso. Por ello, una cantidad tóxica para los insectos es inocua para los humanos.

El Sarín por el contrario, debido a su estructura molecular, alcanza muy eficazmente nuestro sistema nervioso, resultando extremadamente tóxico. Igual que un insecticida para una mosca. Así, unos pocos miligramos en contacto con la piel pueden provocar la muerte de una persona en unos minutos.

Asímismo, los mamíferos tenemos otra ventaja que hace que los

insecticidas organofosforados sean poco tóxicos para nosotros y muy tóxicos para los insectos: los mamíferos possemos unos enzimas llamados carboxilesterasas y paraoxonasas que detoxifican el insecticida muy rápidamente. Esto es gracias al hecho de que el insecticida debe pasar un paso previo de activación .

La clave del uso como insecticida o como arma de los organofosforados, reside en un átomo de oxígeno de diferencia. Seguramente no os hayáis fijado, pero los insecticidas organofosforados son ésteres del ácido fosfóRico o del ácido tiofosfórico en tanto que los gases nerviosos son ésteres del ácido fosfóNico o del ácido fosfofluorídico.Una pequeña gran diferencia, que confiere a la molécula del Sarín, un derivado del ácido fosfofluorídico la capacidad para atravesar la barrera hematoencefálica y destruir nuestro sistema nervioso SIN SER DETOXIFICADO, mientras que el dichlorvos, un derivado del ácido fosfórico, no puede, ya que es detoxificado antes de que pueda hacerlo. Para el insecto, en cambio, todos son igualmente tóxicos, ya que su sistema nervioso está menos protegido que el nuestro.

Intoxicación con agente nervioso

Los primeros síntomas son oscurecimiento de la visión debido a una intensa contracción del iris, acompañada de dolor ocular, moqueo y ojos llorosos, sensación de opresión en el pecho. Sigue con dolor de cabeza, nauseas y vómitos, dolor abdominal y debilidad. Se sucede la bradicardia y taquicardia, debilidad, contracciones involuntarias de los músculos (fasciculaciones), palidez, fuerte secrección de las mucosas, que da lugar a la emisión de espuma por la boca, sudor y lagrimeo, temblores. Finalmente, se producen micciones y diarrea involuntarias, convulsiones, coma y muerte. Este proceso puede llevar minutos u horas, dependiendo del nivel de exposición.

Imagen de los años 50 que muestra el efecto en el ojo de un investigador del contacto con una solucíon de ¡0.0008 ppm! de Sarín durante 1 minuto, seguido de lavado. El efecto, acompañado de visión borrosa, dolor ocular y dolor de cabeza, se mantuvo 24 horas.

Estas notas son de C. Saunders, un investigador británico que trabajó en los años 40 y 50, en el desarrollo de fosfofluoridatos para su potencial uso médico:

“después de trabajar con alquil fosfoluoridatos y compuestos relacionados, incluso bajo condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas (campanas extractoras, mascaras antigas, respiradores, etc), cantidades ínfimas de sustancias quedaban adheridas a las ropas y, durante horas después, se iban vaporizando gradualmente, lo que era suficiente para causar miosis (contracción de la pupila) y síndromes dolorosos. Ademas de dolor de cabeza y dolor ocular, el reflejo pupilar quedaba ausente, resultando en dificultades de visión. Se requerían dosis repetidas de atropina para mantener la relajación de la pupila”

A pesar de que este investigador no relata daños prolongados y nunca pasó de estos episodios, de los que se recuperaba tras unas 24 horas, cuenta que:

Tras 15 años de trabajo desde la primera experiencia de miosis por fosfofluoridatos, una diferencia que noto ahora es que las superficies blancas aparecen amarillas.

Los supervivientes a una exposición aguda a Sarín manifiestan secuelas permanentes a la neurotoxicidad, como sensaciones extrañas, hormigueos y dolor en las extremidades, perdida de coordinación neuromuscular y otros problemas psiquicos y neurológicos (recomiendo la revisión de Abu-Qare, Food and Chemical Toxicology, 40, 2002 y la revisión de A. Tu en Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, 44, 1996).

Me parecía horrible poner imágenes de personas afectadas con Sarín. Creo que una abeja muerta por insecticida nos puede mover a las mismas reflexiones.

Como podeis imaginar si alguna vez habéis visto cómo un insecto intoxicado con insecticida se retuerce antes de morir, la muerte por el Sarín, en la locura de los que piensan la guerra, es ideal: es dolorosa y no necesariamente rápida, lo cual incapacita y obliga al enemigo a emplear recursos y esfuerzo en el tratamiento de las personas afectadas. Es altamente incapacitante incluso a dosis no mortales, lo cual asegura la pérdida de combatividad del enemigo. Y la terrible muerte que produce tiene un efecto psicológico devastador sobre los supervivientes.

Proyectiles de sarín modernos, listos para su uso.

Estos no estan en un país de Oriente Medio, sino en EEUU. Solo los proyectiles de uno de los palets de la foto podrían matar a miles de personas.

Como veis, la Química no siempre nos trae cosas buenas. Incluso con las mejores intenciones, que era la de crear moléculas que permitieran luchar contra plagas, disminuir las pérdidas de cosechas y la transmisión de enfermedades por insectos, se crearon algunas de las armas mas enfermas y atroces que pudieran imaginarse, por las que algunos creen que otros humanos merecen ser tratados como insectos, en el sentido mas literal del término.

Esta entrada participa en el XXVI I Carnava l de Química , alojado en el blog Educación Química, capitaneado por el Dr. Bernardo Herradón, un gran impulsor de la divulgación química.

La luciérnaga y la magia de los peróxidos.

July 19, 2013

A mi los insectos me producen una sensación contradictoria. Por un lado, se me erizan los pelillos solo con ver uno de ellos, cualquiera. Por otro lado, ejercen sobre mí una fascinación que no he encontrado en ningún otro animal, organismos (los animales) que, en general me interesan mucho menos que las plantas o los microorganismos, que tienen una bioquímica mucho mas interesante. De entre los insectos, algunos de los que más me fascinan son los que conocemos genéricamente como “luciérnagas”.

Anoche vi una. Ahora es raro encontrar una luciérnaga en zonas próximas a las ciudades, ya que, como casi todos los insectos que no son dañinos para nosotros, es muy sensible a la contaminación, a la luz artificial (por razones obvias), al cambio climático y, en fin, a casi todo. Pero cuando era pequeño, en noches de julio como ésta, solía verlas con frecuencia; a veces encontraba hasta una docena de ellas, en nuestro siempre asalvajado jardín. Eran otros tiempos, de noches frescas y de olor a madreselva, ranas croando, entregadas al amor desenfrenado, a lo lejos, en el arroyo de aguas cristalinas. En aquel tiempo, en el jardín salvaje, la vida de los animalillos mas pequeños era tan bulliciosa que por la noche, si escuchabas, podías oirles andar, corretear, interaccionar y representar el drama de la vida una y otra vez entre las plantas. Todo tenía sus desventajas, claro…de pequeño me asustaban las mantis, a veces enormes, que te miraban de modo inquietante. O las temibles escolopendras…y en casa tenía que tener cuidado con las reclusas pardas o con las avispas, que solían hacer nidos en cualquier recoveco y cada vez son mas raras.

Pero no había mas mosquitos que ahora…y si que había menos

cucarachas. Algo ha cambiado para mal en el mundo de los bichos. Ya casi no veo mantis, ni las preciosas libélulas, ni mariquitas, ni, por supuesto, luciérnagas. No se si es porque todo está mas “urbanizado” y “civilizado” o por qué.

En fin, dejando de divagar, anoche vi una luciérnaga, por lo que el “casi” que he usado antes sigue vigente, por fortuna. Se trataba de una hembra de Lampyris noctiluca, que intenté fotografiar en acción:

Aqui veis los segmentos ventrales iluminados:

Y este es el aspecto de este curioso escarabajo:

Como todos los escarabajos (orden Coleoptera) es de buen tamaño y sus patitas tienen una fuerza sorprendente. Este ejemplar tiene la longitud de una moneda de 20 céntimos. La hembra tiene un aspecto larval, con unos élitros pocos

desarrollados y carente de alas. El macho tiene el aspecto típico de un coleóptero, es alado y puede volar, capacidad que usa para acercarse a la llamada luminosa de la hembra, que pueden ver desde mas de 50 metros de distancia. Tras hacer la foto la dejé en el sitio en el que estaba y rápidamente volvió a encender su “lamparita”.

Una maravilla bioquímica

El mecanismo bioquímico responsable de la bioluminiscencia, o emisión de luz por parte de éste insecto y otros organismos se basa en la descomposición de un peróxido (molécula que contiene dos átomos de oxígeno unidos asi “-O-O-“). Es una reacción fascinante y encierra un interesante misterio: Los elementos clave del mecanismo de emisión de luz los descubrieron los investigadores del grupo de William McElroy, en USA, durante los años 60 y mas tarde, en los años 70, el laboratorio de Gary Schuster en Georgia Tech identificó los mecanismos electrónicos de la molécula responsable de la emisión de luz. Los órganos lumino sos de la luciérnaga contienen los dos materiales protagonistas: la luciferina, un derivado del benzotiazol, que purificó y cristalizó a partir de éstos bichitos, y la luciferasa, el enzima que cataliza la reaccion “luminosa”.

Posteriormente, se fué conociendo el mecanismo que, en resumen, es éste:

El enzima luciferasa tiene actividades ligasa y oxigenasa. Convierte la luciferina, primero en su derivado adenilado y luego en un peróxido.

Todos los peróxidos orgánicos son muy inestables y éste, espontáneamente, se rompe, generando una molécula de oxiluciferina cuyo oxígeno se encuentra en un estado excitado electrónicamente llamado “singlete”. La formación de una molécula con un oxígeno en estado excitado tras la ruptura de un peróxido es común y es la base de las bioluminiscencias. En este caso, las moléculas excitadas decaen a su estado fundamental con una vida media de 10-9 segundos, emitiendo el exceso de energía en forma de luz de color verde amarillento,

con una longitud de onda de, en el caso de Lampyris noctiluca, exactamente 550 nm. Una curiosidad: la emisión luminosa de nuestro animalito constituye la fuente de luz mas eficiente del mundo con una eficiencia cuántica del 100% (esto es, el número de moléculas que reaccionan dividido entre el número de fotones emitidos es 1). Para que os hagais una idea, nuestras fuentes de luz mas eficientes, los LED tienen una eficiencia cuántica entre el 50 y 60% en los mejores casos. Un aspecto interesante es el mecanismo que utiliza el organismo para reciclar la luciferina “gastada”: gracias al enzima LRE (luciferin regenerating enzyme), la oxiluciferina se rompe, generando un intermediario cianurado que reacciona con cisteína, regenerando la luciferina. Este paso del metabolismo de la luciferina no fué descubierto hasta el año 2001, en el que se publicó la descripción del enzima LRE. La Bioquímica es fabu losa reciclando moléculas para ahorrar energía

Pero aun no están claras muchas preguntas en torno a la bioluminiscencia de estos bichitos. Por ejemplo, se piensa que el control de la longitud de onda (color) de la emisión luminosa se realiza mediante tautomería de la oxiluciferina: si el bicho quiere emitir luz mas rojiza, usa la forma ceto, si quiere mas verdosa, usa la forma enol. Tampoco está demasiado claro el mecanismo de encendido-apagado que usan. Las implicaciones de esta maravillosa reacción son muchas. Por ejemplo, la luciferasa se ha convertido en una herramienta importantísima en Bioquímica y Biología Molecular y sus aplicaciones van desde la Medicina hasta la industria biotecnológica y las ciencias ambientales. Así, se usa en el estudio de la progresión de enfermedades infecciosas, de la progresión de tumores, como biosensor en el estudio de contaminantes ambientales…. Supongo que esto bastaría para responder al típico ignorante, que preguntaría al descubridor de la luciferasa eso de “¿y para que sirve?”.

Volviendo a nuestra luciferasa, un gran misterio es el origen evolutivo de este fenómeno. La bioluminiscencia es relativamente común en la bioquímica terrestre y los insectos son la clase biológica donde mas casos se dan, pero también se da en bacterias, protozoos y hongos, siguiendo mecanismos

similares.

No esta claro donde pudo estar el origen, pero parece que la luciferasa de los insectos proviene de una acil-CoA ligasa implicada en la activación de los ácidos grasos. Parece, además, que la bioluminiscencia tiene un papel fundamental en la regulación del estres oxidativo celular y es posible que provenga evolutivamente a partir de los sistemas naturales de regulación de la capacidad oxidante del oxígeno y el peróxido de hidrógeno. Pero…¿como llegó a convertirse en un medio de comunicación elaborado?

Otro gran misterio es el mecanismo de activación y apagado de la luz, que los insectos controlan con gran eficacia. Parece que la síntesis de monóxido de nitrógeno (NO) es el factor desencadenante, al aumentar la disponibilidad de oxígeno para la bioluminiscencia. Yo no lo se, pero cuando el animalito activa su luz, contrae rítmicamente el abdomen y la luz comienza a encenderse, alcanzando su máximo al cabo de uno o dos minutos.

El misterio en torno a la luminiscencia ha hecho pensar a muchos investigadores. Hay incluso quien sugiere que, dada la convergencia evolutiva y la conservación de la bioluminiscencia en la bioquímica terrestre, el hecho de que sea común en todas las formas de vida simples, así como su papel en la regulación del estres oxidativo, es posible que la bioluminiscencia sea un fenómeno “universal” en la vida y la luciferina debería ser un sensor eficaz en la detección de vida extraterrestre simple.

Imitando a los insectos bioluminiscentes: el luminol

Todos los bioquímicos conoceis bien la reacción del luminol. Es un buen ejemplo de quimioluminiscencia que imita a la bioluminiscencia de la luciérnaga. Y es una reacción muy sencilla de realizar y muy instructiva. La quimioluminiscencia del luminol fue descubierta por el químico aleman Albrecht en 1928, y otro químico alemán, Walter Specht, comenzó a usarlo en la investigación criminal en 1937. Sin embargo, su

mecanismo no se ha conocido hasta finales del siglo XX. Es interesante, ya que el mecanismo tiene bastante en común con la reacción de la luciferasa, aunque el desarrollo del luminol fué independiente y no inspirado en la bioluminiscencia.

Como pasaba antes, la oxidación del sustrato (luminol) por el oxígeno naciente generado en la descomposición del agua oxigenada produce un intermedio peróxido, que se descompone rápidamente formando una molécula con el oxígeno en estado excitado. Al volver a su estado fundamental, la molécula emite una bonita luz azul. Aquí los detalles del mecanismo

electrónico son ligeramente distintos que en el caso de la luciferina, pero a grosso modo tenemos el mismo tipo de reacción. Como veis, el producto final es 3-aminoftalato, es necesario que la molécula se encuentre desprotonada, por ello la reacción tiene lugar en medio básico y se añade NaOH en la mezcla luminosa.

foto de wikipedia…es que no tengo un equipo fotográfico adecuado para hacer esta foto yo mismo.

La clave de la utilidad de la reacción está en el paso de agua oxigenada a oxígeno. El luminol sólo se “activa” en presencia de catalizadores eficaces que descompongan el agua oxigenada, como por ejemplo las peroxidasas presentes en algunos materiales biológicos, la hemina de la sangre y otros complejos de hierro.

Pero no hace falta mucho esfuerzo para conseguir ésto por vosotros mismos, bastan algunos productos químicos. Os propongo ésta síntesis, de nivel prácticas de química universitaria, que podeis hacer en un laboratorio con un equipo mínimo (y una campana de gases):

La reacción consiste primero en la síntesis de 3-nitroftalilhidrazida a partir de anhídrido 3-nitroftálico. Usamos este producto de partida, primero porque el nitrógeno en forma de grupo nitro está “protegido” durante la reacción. Además es un producto asequible. Después, tenemos que reducir el grupo nitro a grupo amino, tarea sencilla con el reductor adecuado, en este caso el ditionito, un reductor fuerte y muy barato también.por pasos (es el método que he seguido yo y ha funcionado perfectamente):

1- Mezclad en un en un matraz redondo de 50 ml 1 gramo de anhídrido 3-nitroftálico, 0.7 gramos de sulfato de hidrazina, 1 gramo de acetato sódico y 4 ml de agua.

2- Hervid. Desprende ácido acético, con olor a vinagre característico (campana!). Queda una suspensión no muy bonita y algo pastosa de 3-nitroftalato de hidrazina.

3- Añadid 5 ml de glicerol y calentad para eliminar el agua. Para ello colocad un termómetro de laboratorio de modo que toque el fondo del matraz y mantenedlo a 200-220º durante 4 minutos. Sin miedo. El contenido se pone de color naranja.

4- Enfriad hasta 100ºC y añadid 40 ml de agua. Precipita la

3-nitroftalilhidrazida, de color amarillo claro. Metedlo en el congelador o un baño de hielo. Queda el precipitado amarillo y el sobrenadante. El sobrenadante, fuera. El producto sólido se lava con agua en el mismo matraz y sin secarlo, se añaden sobre él 5 ml de NaOH al 10%. Si todo va bien, ahora la cosa se pondrá roja. Entonces añadid 3 gramos de ditionito sódico, que reducirá el grupo nitro a grupo amino.

5- Calentad a ebullición 3 o 4 minutos. Debe precipitar el luminol. Enfriad, añadid dos mililitros de ácido acético glacial y precipitará toodo el luminol.

Como veis la síntesis no es complicada, se puede hacer incluso en un tubo de ensayo, los reactivos son baratos y pueden adquirirse en proveedores de productos químicos. Además, en las cantidades que se usan, la reacción no reviste ninguna peligrosidad. Con éstas cantidades de reactivos tendréis luminol hasta el aburrimiento y la ventaja a comprarlo hecho es que aprendéis mas química :).

Ahora, os propongo algun experimento básico:

Disolved mas o menos 0.1 gramo de luminol seco en 10 ml de NaOH 10% y diluid hasta 1 litro. Esta es la solución A.

Disolved 0.5 gramos de ferricianuro potásico en 75-100 ml de agua. Añadid 15 ml de H2O2 3% (agua oxigenada corriente) y diluid a 1 litro. Solución B.

Mezclad porciones iguales de A y B, apagad la luz y disfrutad del espectáculo.

Hay muchísimas variaciones sobre esta reacción. Si no disponeis o no podeis conseguir el ferricianuro, el sulfato de cobre funciona perfectamente:Disolved una cucharadita pequeña de luminol en una botella de 1 litro llena hasta la mitad con agua. Completad la botella con agua oxigenada corriente y añadid unos cristalillos de sulfato de cobre. Cerrar la botella, agitad y vereis la luz.

Si en vez de agua oxigenada añadis una cucharada de detergente “con oxigeno activo”, vereis que funciona también. Se puede usar perborato sódico (se adquiere en farmacias). En definitiva, cualquier fuente de peróxido y cualquier

catalizador que lo descomponga (iones de cobre, complejos de hierro, enzimas…) hace funcionar la reacción. Sin embargo, os preguntaréis (o deberiais), por que ferricianuro en el primer experimento. Ferricianuro es la forma oxidante. Bien, aquí el mecanismo es algo diferente: el paso esencial es la oxidaciòn parcial del luminol por el ferricianuro a un intermedio diferente, que reacciona con el oxígeno producido por descomposición del agua oxigenada.

Jugando a policía científica

Os propongo éste experimento, que he probado y funciona espectaculamente:

1. Disolved 8 gramos de NaOH en medio litro de agua destilada. Esta es la solución A

2. Diluid 10 ml de H2O2 del 30% (la que venden en botellas de plástico negras. Cuidado que es corrosiva) en 490 ml de agua destilada. Esta es la solución B

3. Disolved 0.354 gramos de luminol en 63 ml de la solución

A. Diluid a medio litro con agua destilada. Esta es la solución C

Ahora, mezclad 10ml A+10ml B + 10 ml C + 70 ml agua destilada. Esta mezcla la poneis en un frasco de spray. Y ya está. Podéis rociar con el spray la solución de luminol donde creais que ha habido una mancha de sangre o semen, por ejemplo, con la luz apagada y la habitación completamente a oscuras. Veréis que las zonas donde ha estado manchado se iluminan con un visible destello azul, mas intenso cuanto mas reciente o menos limpia está la zona, pero visible aunque se haya intentado limpiar. Podeis ver el efecto que tiene sobre las sábanas, tapicerías de coche etc… una noche loca con vuestra chica/chico/chicas o lo que os guste.

O rociad con el spray despues de ir al baño…ya sabeis…y veréis vuestros residuos con una perspectiva muy distinta…

¿creeis que sois muy limpios en casa? probad a rociar con esta solución sobre la encimera de la cocina o la pila, en especial si habéis estado limpiando pescado…o el lavabo, en especial si os cortasteis afeitandoos. Aunque no queden restos visibles de sangre, el luminol revela dónde estuvo.

Tambien podeis mezclarlo con orina si sospechais que hay sangre en ella…si hay sangre en la orina, la reacción será intensamente positiva.

La clave de este test está en el hecho de que los fluidos corporales contienen enzimas y complejos de hierro que catalizan la descomposición rápida del agua oxigenada. Cualquier catalizador que descomponga el agua oxigenada dará positivo en la reacción del luminol.

Esto con lo que estamos jugando se llama la formulación de Weber y se usa en investigación forense desde los años 60. Ya veis a donde nos ha llevado nuestro pequeño escarabajillo luminoso.

¿Quieres saber mas? prueba con:Barni, F et al. Talanta, 72, 896-913 (2007)

Viviani, V.R. Cell. Moll. Life Sci. 59, 1833-1850 (2002)

Waldenmaier, H.E. et al. Int. J. Astrobiol. doi 10.1017/S1473550412000146 (2012)

Esta entrada participa en el XXVI I Carnava l de Química , alojado en el blog Educación Química, capitaneado por el Dr. Bernardo Herradón, un gran impulsor de la divulgación química.

acogido por nuestra amiga Uuq en Pero eso es otra historia…

Y también en el XIV

Estereomicroscopio: Objetivo PLAN Vs. PLAN-APO

June 30, 2013

Una pregunta que suelen hacerme con frecuencia personas que estan equipando un estereomicroscopio de nivel alto, es ¿que es mejor, un objetivo PLAN o un objetivo PLAN - APO?. La pregunta tiene su sentido, porque los objetivos planoapocromáticos cuestan entre 2 y 4 veces más que los objetivos planos.

Cuando me preguntan cosas asi, yo siempre digo “depende de para lo que lo vayas a usar. A veces no te merece la pena gastar mas dinero en un objetivo superior, para el uso que le vas a dar. A veces incluso no es recomendable”, porque, en igualdad de otras variables, los objetivos plan - apo en estereomicroscopios tienen una distancia de trabajo menor. Y esto puede ser un engorro para manejar muestras bajo el microscopio. Asi que yo tengo los dos: un objetivo PLAN para manipulaciones y un objetivo PLAN - APO con mayor apertura numérica y mayor aumento, para las fotos. Un objetivo mas barato y de mayor distancia de trabajo es una opción mas razonable para manipular, ya que un objetivo PLAN-APO para un estereomicroscopio de alta calidad cuesta entre los 1500 y los 3500 euros…

El todopoderoso Zeiss Discovery V20, equipado con tres objetivos Plan-apo. Antes de que me pregunte alguien, no, este no es mi equipo. La imagen es solo para que veais cómo son los objetivos.

Alguien se preguntará: ¿que es este galimatías de plan o plan - apo?. Bueno, un objetivo PLAN es uno que realiza una corrección de campo plano, una de las posibles correcciones ópticas que nos permiten observar una imagen “realista” con el microscopio. No voy a entrar en detalles. Un objetivo PLAN-APO es uno que realiza una corrección de campo plano y una corrección apocromática. Esta corrección compensa la pequeña diferencia de índice de refracción entre la luz de diferentes colores al pasar por las lentes y nos entrega una imagen sin halos y con un contraste y definición óptimos para cada diseño y materiales de lentes.

Como podreis imaginar, un objetivo plan-apo nos ofrecerá una mejor experiencia visual. Pero a veces no se nota tanto la diferencia, en especial en objetivos de gran calidad. Si vas a hacer fotomicrografía de calidad, recomiendo un objetivo planapo. Si no, no tiene sentido que te metas en ese gasto.

Como las imágenes valen mas que las palabras, en lugar de teoría o números, vamos a poner imagenes comparando ambos objetivos a lo bestia, en el mismo microscopio, misma iluminación y mismo sistema fotográfico. Usamos como objeto uno de mis bichos favoritos: los áfidos.

OBJETIVO PLAN 1x

El bicho mide 2.9 mm. Ahora veamos un bicho de la misma especie que he seleecionado con la misma longitud, pero visto con un

OBJETIVO PLAN-APO 1.5x

Para que os hagáis una idea del poder resolutivo, el ojo de la foto de arriba mide unos 0.11 mm y cada “lente” de su ojo compuesto mide unos 0.001 mm, es decir, 1 micra. El animalito no se estaba del todo quieto, asi que algunas partes han salido algo desenfocadas, pero aún así espero que este pequeño áfido te haya servido para que veas la diferencia en la impresión visual que produce el cambio de objetivo. Así, el sacrificio de miles de hermanos suyos que murieron víctimas del imidacloprid habrá servido para algo más que para que yo pueda comer fruta de mi huerto este verano…

En conclusión: el objetivo PLAN-APO tiene

– mayor precio

– mayor apertura numérica

– menor distancia de trabajo

– mejor corrección óptica, que produce imágenes mas planas, mas resolutivas y color mas correcto. y es ideal para fotomicrografía.

Si el uso de tu equipo va a ser básicamente manipulación y observación de rutina, con un objetivo PLAN tendrás mas que suficiente. Es más, si tu equipo lo vas a usar en aplicaciones no relacionadas con Ciencias Naturales, sino con tecnología o ingeniería, igual simplemente con un objetivo acromático tienes suficiente. En microscopía casi siempre se cumple que mas caro=mejor ópticamente , pero eso no significa que mas caro= mejor para tí.

El efecto Compton: fotones en una mesa de billar

March 13, 2013

¿quien de vosotros se ha preguntado de qué esta hecha la luz?. Es energía, diréis…además todos habréis oído que esta formada por fotones, pero que también es una onda. Pero seguramente seguiréis viendo la luz como algo un tanto misterioso…

Pocos sabréis que el término fotón fué acuñado en 1926 por uno de los químicos mas importantes del siglo XX: Gilbert Lewis. Pero en aquél entonces la discusión acerca de la naturaleza “fotónica” de la luz estaba prácticamente en el plano teórico.

Arthur H. Compton (1892 - 1962) fué un físico y pensador norteamericano. En 1927 andaba pensando acerca de la luz y los fotones y se le ocurrió una idea tan simple como genial: si la luz esta formada por fotones y los fotones son materia , entonces si un fotón chocara contra otra partícula, digamos un electrón, es posible que le transfiera parte de la energía cinética. Entonces el fotón rebotará con menor energía que la que llevaba y el electrón se moverá con una energía cinética equivalente a la que le ha transferido el fotón. Exactamente igual al choque de dos bolas de billar. Pero, a diferencia de una bola de billar, la pérdida de energía del fotón no se manifiesta perdiendo su velocidad, ya que eso es imposible: la velocidad de la luz es una constante que llamamos c. Asi que la pérdida de energía se observará por un aumento de su longitud de onda asociada. Expliquemos esto un poco:

La Luz: onda y energía. La radiación luminosa no sólo es la que podemos ver. Los fotones constituyen radiación que, según su longitud de onda, se extienden desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Esto constituye el espectro electromagnético:

Como veis, la luz visible es sólo una pequeñita parte de todo el espectro luminoso, que incluye los infrarrojos, los ultravioleta, ondas de radio, las famosísimas ondas emitidas los postes de alta tensión…Esto debería hacer que os preguntárais algunas cosas, pero como son otra historia, debe ser contada en otra ocasión, que diria nuestra amiga Uuq. Para que veáis que nuestros ojos solo pueden detectar una parte pequeña del espectro, pero que la luz es luz aunque no la veamos, basta con que tomeis el mando de la tele y apreteis un boton apuntando a la cámara de vuestro móvil.

Bien, como veis en el esquema, hay una relación entre la energía de la luz, la longitud de onda y la frecuencia. Esta relacion es

E= h ν donde ν es la frecuencia. h es otra constante muy importante: la constante de Planck. Esta relación, de alguna manera, configura nuestro mundo físico, hace posible que veamos, que hagamos fotos, etc. Si los fotones son partículas, tendran un momento p. La relación entre momento y energía es

E=p.c por tanto el momento de un electrón debe ser

pe=h/λ

Aquí lambda es la longitud de onda. Es decir, una luz con mayor longitud de onda tiene menor momento y menor energía. Esto es muy importante en la práctica: por ejemplo, la luz roja es menos energética que la luz azul, de ahí que en los antiguos laboratorios de fotografía hubiera luz roja, con energía insuficiente para velar la película. Es el mismo principio que hace que las radiaciones del móvil o la radio sean inocuas. Estas radiaciones son luz , pero tiene una energía tan baja que no podemos verla y no tiene capacidad

para provocar daños en nuestras moléculas, a diferencia que radiaciones como la ultravioleta o los rayos X, que también son luz , pero con una energía capaz de romper moléculas, provocar reacciones químicas y alterar el ADN.

Un billar subatómico Compton entonces imaginó…¿que pasa si la luz está compuesta de fotones y éstos son capaces de chocar con otra partícula y transferirles energía, del mismo modo que una bola de billar choca con otra?. Si los fotones son materia , entonces forzosamente tienen que cumplirse dos principios físicos básicos: el principio de conservación de la energía y el principio de conservación del momento. Como si de una mesa de billar se tratase, Compton tuvo en cuenta los ángulos formados por las partículas al rebotar, planteando este escenario:

El fotón incidente golpea al electrón, que puede desplazarse libremente. El fotón cambia su dirección y disminuye su energía, es decir, aumenta su longitud de onda. La ecuación que veis es la ecuación estandard de Compton , derivada fácilmente de la aplicación de los principios de conservación al escenario representado. m0 es la masa del electrón y c la velocidad de la luz. Esta ecuacion nos dice que la variación en la longitud de onda de la luz, es decir, en la energía y momento del fotón, es una función del ángulo de dispersión. Quien haya jugado al billar, se dará cuenta de que las bolas se comportan igual.

Es facil ver, entonces, que la máxima variación de longitud de onda se corresponde a un ángulo de 180º, ya que cos 180º= -1. Entonces, usando las constantes, la máxima variación de longitud de onda posible en el choque de un fotón contra un electrón es de 4.86×10-12 metros.

Si os vais al espectro de luz que puse mas arriba, vereis que esta longitud de onda se corresponde con ¡los rayos gamma!. Los fotones que rebotan con un ángulo de 180º se llaman “retrodispersados”.

Es decir, del cálculo de Compton podemos deducir que el efecto solo lo podremos observar con la luz de la máxima energía posible, que es la radiación gamma. El efecto compton es despreciable con luz visible o con cualquier otro tipo de luz.

Aquí teneis a Compton en persona con el esquema y la fórmula de su famoso efecto. ¿a que no sabéis que es la esfera de vidrio que tiene delante?

La fuente de luz

Como hemos visto antes, para ver como chocan los fotones vamos a necesitar una fuente de luz muy peculiar: un isótopo radiactivo que emita rayos gamma. Necesitamos un isótopo que emita una luz gamma “monocromática”, es decir, que tenga un pico de emisión bien definido, para poder identificar claramente los fotones “rebotados”. Para ello elegimos el cesio - 137, un isótopo radiactivo de cesio que se produce habitualmente por fisión del uranio en reactores nucleares.

Este isótopo tiene una característica no demasiado habitual: se desintegra emitiendo radiación beta (electrones) y transformándose en un nucleo excitado de bario-137, estable. El bario excitado se relaja emitiendo fotones de radiación gamma de una sola longitud de onda, que es 1.87 x 10-12 metros. Esta cantidad es muy pequeña y, normalmente, cuando hablamos de radiación gamma o rayos X, nunca se suele emplear la longitud de onda, sino la energía asociada. La unidad de energía que se emplea es el electronvoltio (eV). 1 eV es la energía cinética que adquiere un electrón al acelerarse en un campo eléctrico de 1 voltio. Así, la energía de los fotones emitidos por el cesio 137 es de 662 kiloelectronvoltios (662 KeV).

En la figura veis el esquema de desintegración del cesio 137. Os lo explico: su periodo de semidesintegración es de 30 años y emite electrones (radiacion beta-). La probabilidad de que forme un nucleo excitado de bario 137 es del 94.4%. El nucleo excitado se relaja, con una vida media de 2.552 minutos, formándose el bario estable, y emitiendo luz de 661.657 KeV.

Así, si aplicamos la ecuación de Compton, cuando un fotón de aprox. 662 KeV rebote contra un electrón, perderá su energía. Así, los fotones retrodispersados (rebotan 180º) deberían tener una energía de unos 184 KeV Aquí teneis una calculadora perfecta para predecir la energía de los fotones dispersados según el ángulo.

El Experimento

(Nota: este experimento puede realizarlo cualquier persona. Utiliza fuentes de radiactividad exentas, es decir, que pueden circular libremente y no tienen riesgo . La instrumentación necesaria, aunque no es trivial, es asequible por particulares o institutos de enseñanza secundaria)

Bien, ya tenemos la fuente de luz. Ahora necesitamos los electrones contra los que chocarán los fotones. ¿donde podemos encontrar electrones móviles, que se comporten como bolas de billar chocando?. Pues estáis rodeados de cosas que tienen electrones móviles: ¡los metales! . En los metales, visto de modo muy simple, parte de los electrones de los átomos estan “deslocalizados”, siendo compartidos entre todos los átomos del metal en la llamada banda de conducción. Los electrones se mueven con libertad en la banda de conducción, de ahí que los metales sean conductores de la electricidad. Esta movilidad de los electrones convierte el metal en nuestra “mesa de billar subatómica”.

Asi que montamos este invento:

A la izquierda hay una fuente de cesio - 137. Es una fuente exenta de 0.25 microcurios. Su radiactividad no es peligrosa, insisto. A la derecha, el tubo metálico, es un detector de centelleo de yoduro de sodio dopado con talio o NaI(Tl). El detector se conecta a un analizador multicanal que envia sus datos a un ordenador portátil. Esta técnica se denomina espectrometría gamma Si el lector tiene interés en realizar este experimento (ideal, por ejemplo, para bachillerato o prácticas de universidad), puede contactar conmigo y le cuento como montar la instrumentación o puedo ir a mostrarlo a su clase.

El detector está recogiendo la radiación gamma emitida por el cesio. Registramos un espectro, que será nuestro control. Después, vamos a hacer que los fotones gamma choquen con los electrones libres de un metal. La dispersión Compton es dependiente de la densidad del metal, mas que del número atómico, aunque también. Asi que nos interesa un metal ligero con número atómico bajo. Elegimos el aluminio. Repetimos el experimento colocando un cilindro de aluminio pegado a la fuente por detrás y registramos el espectro. Si lo comparamos con el espectro control vemos esto:

En amarillo está el espectro de la fuente radiactiva. En blanco el espectro de la fuente con aluminio. Los fotones emitidos por la fuente, con una energia de 662 KeV, impactan contra el aluminio que está detras de ella. Los fotones dispersados, son detectados por el detector…pero, lógicamente sólo los que vayan en su dirección!. Así, en la línea blanca teneis el espectro de la fuente con el aluminio. ¡Funciona!. En efecto, al colocar el aluminio, los fotones que chocan contra los electrones del metal y vuelven con un ángulo determinado son detectados!. ¡LOS FOTONES EXISTEN! Compton tenía razón. Huygens y Newton también: la luz, además de ser una onda, está compuesta por fotones que pueden comportarse como materia, chocando y transfieriendo energía. Si la luz no estuviera formada por fotones, al realizar el experimento y superponer los dos espectros, no se observaría el cambio en los fotones dispersados que señalo con la flecha.

¿y que pasa con los electrones que han recibido esa energía?. Pues, imagina la mesa de billar: la bola que ha recibido el choque, se acelera…y luego se para. Con los electrones pasa igual. Se paran, emitiendo en forma de nuevos fotones la energía que recibieron. Esta energía se denomina “Compton edge”, y puede verse en el espectro. En el espectro también puede verse un pequeño aumento del continuo de ‘ bremsstrahlung ” o radiación de frenado. Este fenómeno es debido a la radiación beta emitida por el cesio - 137, y es importante en el siguiente experimento:

Colocamos unos bloques de plomo, un metal mas denso y con un número atómico alto. ¿como se comportarán los fotones?. Este es el resultado:

Tal como predicen las ecuaciones , no hay dispersión Compton, debido a que el metal es denso y tiene un número atómico alto Los átomos de plomo absorben la energía de los fotones, atenuandolos. Pero aquí se da otro fenómeno: lo que si vemos son los rayos X característicos del plomo, emitidos al chocar la radiación beta de la fuente de cesio contra los átomos de plomo. Los electrones rápidos emitidos por el cesio provocan saltos en los electrones de los átomos de plomo. Cuando estos electrones excitados vuelven a su estado normal, emiten la energía que tomaron en forma de fotones de rayos X.

Bueno, si habéis conseguido realizar este experimento, seguro que comprendereis mucho mejor la naturaleza de la luz, los diferentes tipos y cómo interaccionan con la materia. Como la composición de los materiales provoca diferentes reacciones, habréis entendido como funciona una técnica analítica, la espectrometría gamma, y habréis visto una forma de hacer Ciencia: ideamos un modelo teórico y luego diseñamos un experimento para comprobar la predicción que proporciona el modelo teórico. ¡que mas se puede pedir a un experimento tan sencillo!

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de Química, que tiene como anfitrión al blog Moles y Bits.

Carnaval de Química

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Una tormenta en un tubo de ensayo

March 5, 2013

¿Sabéis que es una ‘ interfase’?. Nosotros solemos referirnos a interfases como la zona de frontera entre dos “fases”, normalmente fluídas (materiales de diferente composición o diferente estado de agregación: dos líquidos inmiscibles, un sólido y un líquido, dos soluciones con diferente c oncentración, etc.).

Dos ejemplos usuales de interfase lo teneis, primero en un simple vaso de agua: la frontera entre el agua líquida y el aire es una interfase. O, si mezcláis aceite y agua, al separarse las capas, la zona de frontera entre ellas es una interfase plana. Pero si conseguís que el aceite forme una emulsión, cada pequeña gotita de aceite contiene una interfase esférica. Hay autores que sugieren la palabra “interficie”, como generalización de “superficie”…pero me parece que el vocablo no tiene mucho éxito…y me parece normal, porque suena de lo mas raruno.

Las interfases nos interesan bastante, porque las propiedades de la frontera son peculiares. En la frontera, un líquido como el agua no se comporta igual que en el interior. Eso lo habéis visto muchas veces: un Gerris lacustris o zapatero, anda sobre el agua aprovechandose de las condiciones en la frontera que dan lugar a la tensión superficial , uno de los fenómenos interfaciales mas comunes. En la interfase tienen lugar procesos de organización molecular, difusión de materia, intercambios de energía….Por ello el control de las propiedades interfaciales de los fluidos es muy importante en Química a todos los niveles. Mas aún, los procesos interfaciales son los que nos mantienen vivos: la frontera entre membrana (un fluido lipídico altamente organizado), el fluído acuoso intramembrana y el fluído acuoso extramembrana

es la que posibilita que la célula viva disponga de energía. Asi que si eres capaz de generar una interfase, tal vez puedas controlar un sistema que de otra manera podría resultar explosivo . Hay una forma muy interesante de ver cómo un proceso interfacial mantiene a raya una reacción en la que se implica una sustancia altamente inestable, gracias a la limitación del intercambio de materia que implica la interfase. Veamos cómo y observaremos que las fronteras son lugares salvajes y peligrosos… y yade paso aprenderemos un poco sobre la química del manganeso:

1. Necesitamos tres sustancias químicas:

– Permanganato potásico. Suele venderse en forma de polvo granulado fino o en cristalitos de bonito color violeta oscuro y brillo casi metálico. Es mejor este último, ya que, al ser mas grandes los cristales, reacciona mas lentamente. Con permanganato en polvo la reacción puede ser demasiado rápida o explosiva. El permanganato es la forma más oxidada posible del manganeso. Es un oxidante fuerte y como tal se ha aplicado en numerosas reacciones. Es muy soluble en agua, formando una disolución de un precioso color entre magenta y violeta.

Cristales de permanganato potásico comercial (KMnO4). Los cristales pertenecen al sistema ortorrómbico y son similares a los de estaurolita.

–Acido sulfúrico concentrado (98%). Cuidado, ya que éste ácido provoca daños en todo lo que toca, incluyendo la piel, donde provoca graves quemaduras. ¡Usad guantes!

– Metanol o etanol puros (alcohol metílico o etílico). Yo prefiero el primero, ya que es mas ligero, barato y se vende puro. Sin embargo es mas tóxico. El etanol tiene un 4% de agua, que no viene muy bien.

2. Sujetamos con una pinza un tubo de ensayo grande estandard, de modo que quede sumergido hasta la mitad mas o menos en un vaso de 250 ml con agua. Añadimos ácido sulfurico en el tubo hasta una altura de unos 2-2,5 cm.

Ahora, con mucho cuidado, despacito y usando un cuentagotas o una pipeta pasteur, vamos añadiendo la misma cantidad de metanol. Vamos añadiendo el metanol lentamente de modo que caiga resbalando por la pared del tubo y se deposite en una capa sobre el ácido. Igual que si añadieramos aceite sobre agua.

¡Ya hemos generado la interfase!. El sistema no es estático: la tendencia es que evolucione hacia su equilibrio termodinámico, esto es, una mezcla homogénea del metanol y el ácido. Pero la interfase limita la cinética de la mezcla y, mientras no se agite, el metanol va difundiendo lentamente. Asi que evitamos toda agitación. Debe ser la interfase la que gobierne el experimento.

3. Ahora añadimos unos cristalitos de permanganato potásico, que caerá lentamente al fondo de la capa de ácido. La reacción comienza rápidamente. En la imagen veis lo que se va formando. En la nube marron o rojiza-violácea que se forma debajo de la interfase se encuentra, entre otras especies, el heptóxido de manganeso . Este compuesto es un explosivo . Esta reacción produjo un accidente muy grave en la Universidad de Illinois (USA) en 1979, durante el estudio de su mecanismo. Por ello la

reacción hay que hacerla exactamente en las proporciones y del modo que he contado y sumergiendo el tubo en agua, para mantener la temperatura baja y que, en caso de rotura, los materiales se disuelvan y pierdan su peligrosidad.

¿que está ocurriendo ahora?

El permanganato potásico reacciona con el ácido sulfúrico generando, en primer lugar, el elusivo ácido permangánico, que reacciona con más ácido para dar lugar a un intermedio inestable:

KMnO4 + H2SO4 –> HMnO4

HMnO4 + H2SO4 > [(MnO3)2-SO4]

Este intermedio se disocia parcialmente, liberando iones permanganilo:

[(MnO ) -SO ] > MnO + + HSO –

El permanganilo es estructuralmente similar al SO3, y, sobre todo, al CrO3 La formación de permanganilo la apreciareis si observais una coloración verde.

En la imagen veis claramente la interfase, donde se están acumulando los productos activos de manganeso, en especial el heptóxido de manganeso, formado por reaccion del permanganilo

con ácido permangánico, generado al reaccionar el permanganato potásico con el ácido sulfúrico y que forma la nube violeta cerca de la interfase:

MnO + + HMnO > Mn O + H+

El heptóxido de manganeso forma un complejo con agua de color marrón, pero cuando se forma puro es un líquido aceitoso verdoso con tintes pardo-rojizos, que explota con facilidad en presencia de humedad. El heptóxido de manganeso es el equivalente al Cl2O7, con el que comparte algunas propiedades. Esta conexión tampoco es sorprendente si conocéis la Tabla Periódica.

4. Conforme se va acumulando el heptóxido de manganeso en la interfase, debido a la alta densidad del ácido sulfúrico, que hace que “ascienda” el ácido permangánico y el heptóxido que se va formando, se produce un burbujeo. Es CO2 procedente de la oxidación del alcohol y oxígeno procedente de la descomposición del heptóxido de manganeso. El proceso que tiene lugar es:

Mn2O7 > MnO2 + 3 O > O2 + O > O3 > O2 + radicales >…..

El ozono formado es un poderoso oxidante, que reacciona con el metanol. Pero, si se acumula suficiente material “activo” de manganeso, el contacto con el metanol en la interfase provoca que se descomponga explosivamente, dando lugar a vistosos “rayos y truenos”:

Las explosiones se van sucediendo en la interfase mientras quede permanganato sin reaccionar, lo que puede prolongarse durante 1 hora o más. Ya veis que los conflictos fronterizos no son patrimonio exclusivo de los humanos… La reacción no reviste ninguna peligrosidad si se realiza tal como os he contado. Si se añade una pequeña cantidad de agua al tubo (unas gotas) o se agita, podría detonar súbitamente, asi que no hagais cosas raras, para evitar sustos (aunque dadas las pequeñas cantidades de productos que se usan, el riesgo es mínimo).

El producto final de la reacción está formado por óxidos de manganeso . Se ha observado que se produce en dos formas: como un sólido amorfo formado por nanopartículas de MnO2, que quedan suspendidas en la disolución, y como un precipitado de

criptomelana (Cheney et al., Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 307 (2007) 62–70). Como bien saben los mineralogistas, la formación de pirolusita (MnO2) no es nada sencilla y en presencia de iones como el potasio, se tiende a formar otras especies, como la criptomelana, un óxido-manganato de potasio, que es la masa marrón que oscurece el tubo.

Tal como os dije, si hacéis esto, habréis fabricado un explosivo. Pero controlado por un proceso interfacial que hace que la energía se vaya disipando lentamente. Este proceso de disipación está gobernado por la termodinámica: el sistema evoluciona hacia su estado termodinámicamente estable, que es una solución acuosa homogénea con sulfato de potasio, restos de oxidación del metanol y criptomelana. Aquí no tenemos un sistema ‘lejos del equilibrio’. Tan solo un control cinético. Pronto veremos un tipo de proceso que disipa energía e implica interfases, pero regido por unas reglas diferentes…pero eso es otra historia.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de Química, que tiene como anfitrión al blog Moles y Bits.

La Tabla Periódica de los

Elementos y la Vida

February 18, 2013

La vida, tal como la conocemos, es vida química. Y hasta que la vida artificial in silico sea una realidad o encontremos formas de vida extraterrestres no basadas en procesos químicos, podemos asumir como hipótesis manejable que toda la vida es Química.

Dado que la quintaesencia de la armonía de la Química reside en la Tabla Periódica, es lógico pensar que la lógica de la vida esta contenida también en la lógica de la Tabla. En un post anterior mostramos la Tabla bajo la perspectiva de los elementos que se encuentran en estado de oxidación 0, es decir, en estado elemental en la Naturaleza. En este tercer post acerca de la Tabla Periódica de los Elementos voy a tratar de mostrar cómo los seres vivos contienen también una parte importante de la Tabla y que, al igual que la ordenación de la Tabla no es casual, su presencia en nosotros tampoco lo es. Incluso, tal vez, los secretos de la biogénesis dependan también de algunos elementos concretos.

Los lectores habituales de este blog notaréis que la Tabla Periódica me interesa particularmente: nada menos que tres posts seguidos, aprovechando la propuesta de Roskiencia. En efecto, la Tabla Periódica de los Elementos es uno de los descubrimientos humanos mas bellos y fascinantes. Una representación del orden subyacente en el aparente caos y complejidad de la Naturaleza. Es mas, si de pronto vinieran unos extraterrestres a visitarme, yo, que no soy matemático, intentaría comunicarme con ellos en primer lugar con una Tabla Periódica y una metaloteca o colección de elementos puros. La Tabla Periódica es universal, y seguro que ahí comenzaríamos a entendernos…

Nadie mejor para definirlo que Robin Williams en una escena de la película “Despertares” (Penny Marshall, 1990), en la que Robert de Niro y él toman té en el apartamento del personaje de Williams, presidido por un poster de la Tabla Periódica:

Robin Williams cuenta a De Niro cómo se odenan los elementos en la Tabla, y dice:

…es el Universo en su esencia (…) cada elemento tiene su lugar en el Orden, no se puede cambiar. Es seguro, pase lo que pase…

Y le cuenta que su interés en la Ciencia nació con la Tabla Periódica. Notad que el diseño de la Tabla Periódica es similar al que se observa en la fotografía de Seaborg en mi post anterior…

Siempre me gustó esa escena porque a mi me pasó algo similar. Fué la ordenación de los elementos químicos, la asombrosa regularidad de sus compuestos, de los minerales (los minerales de cobre azules y verdes, los minerales de hierro, las sales de metales alcalinos, el amarillo, la radiactividad y la fluorescencia de los minerales de uranio…) lo que prendió en

mí la chispa de la Química un lejano día en el Museo de Ciencias Naturales de Madrid, mucho antes de que la museología moderna destruyera la posibilidad de que otros ojos como los mios vieran el misterio de aquella armoniosa ordenación.

La lógica cuántica que subyace en la Tabla Periódica tiene su reflejo en la Bioquímica. En líneas generales, la estructura de la Tabla se puede definir en términos de orbitales electrónicos. Por cada incremento de número atómico n, que indica un protón extra en el núcleo, un orbital es ocupado por un electron. A consecuencia de la solución de la Ecuación de Schrödinger y del principio de exclusión de Pauli, cada orbital puede ser definido por cuatro números, llamados números cuánticos. El número principal se llama n y para los valores 1, 2, 3 y 4 daría lugar a 4 capas de orbitales llamads

K, L, M y N. El siguiente número se denomina l y define el momento angular del electrón, pudiendo tener valores de 0 a n-1. Esto define cuatro tipos de orbitales: s, p, d y f. Así, el hidrógeno, es el número 1 de la tabla, tiene un solo electron ubicado en el primer orbital posible, el 1s. El helio sería 1s2. Y ya tenemos el primer periodo. El segundo periodo, de n=2, se corresponde a la fila desde el litio (elemento 3) al neon (elemento 10). Y así sucesivamente. Así, en la tabla, llamamos “periodos” a las filas y “grupos” a las columnas.

Si entendeis como va esto de las configuraciones electrónicas, os encontaréis con lo que llamamos el “bloque d”, elementos de la parte central de la tabla. Llamamos en general metales de transición a los que se encuentran en este cuerpo central de la Tabla. En particular, son muy interesantes los grupos 5 a 12 del cuarto periodo, con el caso particular del grupo 6, que nos interesa al completo. Estos elementos tienen la peculiaridad de tener una gran capacidad para formar complejos: el metal se coordina con moléculas (sobre todo orgánicas), para dar lugar a estructuras mas complejas y con características muy interesantes, definidas por la posición del metal en la Tabla. Así, estos complejos pueden ser buenos

catalizadores entre otras cosas. Si pensábais que la clave de la vida es la química del carbono no os equivocáis, pero es una visión incompleta: la clave de la Vida y de su origen se encuentra en la química de los complejos de metales de transición.

Los elementos de la Tabla Periódica y sus funciones biológicas

Función estructural: hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, fósforo, azufre, silicio, boro, fluor, calcio. Estos forman los tejidos, membranas, esqueletos, conchas, estructuras varias…

Electroquímica (como la transmisión nerviosa, producción de energía metabólica): hidrógeno, sodio, potasio, cloro, magnesio, calcio, fósforo.

Mecánica (como la contracción muscular): calcio, magnesio, fosforo.

Catálsis acido - base (metabolismo, hidrolisis y digestión): zinc, niquel, hierro, manganeso.

Catálisis redox (como la bioquímica del oxígeno, la fijación del nitrógeno, procesos oxidativos…): hierro, cobre, manganeso, molibdeno, selenio, cobalto, vanadio y niquel.

Otras funciones:

fotosíntesis: magnesio

transporte de oxígeno: hierro y cobre

hormonas: yodo

sensores ambientales: hierro, calcio, silicio

Como veis, los seres vivos transportamos una buena colección de elementos de la Tabla Periódica. Todos estos metales quedan formando parte de nuestras cenizas cuando nos incineran.

Tabla Bioquímica: Esquema de la Tabla Periódica mostrando, en rojo, los metales de los bloques s y d esenciales para la vida.

Si observamos los metales que son esenciales para la vida, podemos pensar: ¿las propiedades de éstos elementos segun su posición en la Tabla Periódica definen su papel en la vida? y entonces, ¿hay una conexión entre estos elementos en la Vida y en la corteza terrestre?.

Comparemos esta tabla con la misma, pero señalando los elementos según su papel en la Geología:

Tabla Geoquímica: en rojo, los elementos siderófilos. En azul, los elementos litófilos. En amarillo, el grupo del platino.

¿veis la conexión? que curioso que, justo los elementos de transición esenciales para la vida, son los elementos llamados siderófilos, que tienden a movilizarse y formar óxidos con facilidad (esto es muy simplificado. Algunos tienen caracter siderofilo y calcofilo al mismo tiempo). Pero que curioso que los elementos de las columnas 3 y 4, que prácticamente solo se dan en silicatos, no jueguen ningún papel biológico. Igualmente, los señalados en amarillo, los “metales nobles”, que normalmente forman elementos nativos, tampoco juegan ningun papel bioquímico.

¿el papel de los metales en nuestra bioquímica es una pista acerca de nuestro propio origen como seres vivos?

Vamos a hacer un pequeño repaso por algunos de ellos:

HIERRO

El hierro es un metal muy abundante en la Tierra y su riquísima química nos da la vida. Seguramente al pensar en el hierro pensaréis en la hemoglobina y el transporte de oxígeno. En efecto, los complejos de hierro con porfirinas tienen esta importante función:

Muchos complejos, y otros compuestos, que contienen hierro tienen un intenso color rojo. En este caso también es así y la molécula que os he mostrado da el color rojo a la sangre y a los músculos. Pero la función no solo se restringe al transporte de gases. Este complejo también forma parte esencial de procesos como :

– Metabolismo de fármacos, tóxicos y otros xenobióticos

– Procesos de defensa, como la producción de superóxido y agua oxigenada en la defensa contra infecciones.

– Esencial en la respiración. El envenenamiento por cianuro bloquea este complejo, impidiendo la respiración.

– Producción de NO, un mensajero químico esencial en muchos procesos celulares.

Pero el hierro se encuentra de muchas mas formas, dentro de los procesos de la vida:

– En forma de sulfuro de hierro:

Los llamados clusters de FeS juegan un papel esencial en el metabolismo intermediario y de los procesos de fijación de carbono, que convierten el CO2 en moléculas orgánicas, por parte de bacterias.

Clusters de sulfuro de hierro biológicos. Son como pequeños “nanocristales” que juegan un papel esencial en el metabolismo.

Los clusters de Fe-S fueron descubiertos en los años 1960-1970 y, desde entonces, nuestro conocimiento acerca de su importancia para la vida no ha dejado de crecer. Es posible que incluso estén implicados en el origen de la vida.

Este es el Ciclo de Arnon , también llamado Ciclo de Krebs Inverso. No se da en organismos heterótrofos, como nosotros, pero muchas bacterias lo tienen activo. Los grupos Fe-S estan implicados en sus pasos de fijación de dióxido de carbono y pensamos que tal vez formó parte del primer metabolismo sobre nuestro planeta, surgido hace unos 4000 millones de años.

– En otras formas inorgánicas, como los Magnetos omas de magnetita.

Muchas bacterias, llamadas magnetotácticas , generan cristales de magnetita, greigita o incluso un politipo magnetico de la pirrotita, muy pequeños, como los que veis en la imagen, y que utilizan para orientarse según el campo magnético terrestre. Así, la brújula no la inventaron los humanos. La inventaron las bacterias, hace millones de años….

Y estos son sólo dos ejemplos de las muchísimas funciones biológicas del hierro…

MOLIBDENO

El molibdeno forma un tipo de complejos esenciales en biología: los complejos ditiolados:

Esta es una molibdopterina o Cofactor que Contiene Molibdeno (así se llama, Molybdenum Containing Cofactor o MoCo :))). Se basa en las propieades redox de los elementos del grupo 6 y convierten a este tipo de complejo en el ideal para algunas

reacciones bioquímicas. En nosotros es esencial en el metabolismo de las proteínas con azufre que se ingieren en la comida y en el metabolismo de las purinas. La deficiencia de molibdeno causa aumento de ácido úrico y xantina en la orina y problemas metabólicos graves, con acumulación de sulfito por mal procesamiento de las proteinas con azufre.

TUNGSTENO

Este elemento esta justo debajo del molibdeno en la Tabla Periódica y tiene características químicas similares. Por ejemplo, forma compuestos similares al molibdeno, pero con una gran diferencia: los complejos equivalentes de wolframio son extremadamente sensibles al oxígeno. Un problema para nosotros es que el wolframio puede ser tóxico: un exceso de este metal puede desplazar al molibdeno, dando lugar a un cofactor de wolframio inactivo.

Sin embargo, en algunas bacterias, la molibdopterina con wolframio:

es esencial en su metabolismo, en especial en la acetogénesis o fijación de CO2 mediante el Ciclo de WoodLjungdahl, que realizan algunas bacterias como la Moorella

Thermoacetica También es esencial en la respiración de acetileno , un raro proceso que lleva a cabo la bacteria

Pelobacter acetylenicus. El papel del wolframio genera interesantes interrogantes a nivel evolutivo: ¿el molibdeno apareció asociado a los organismos aerobios, como adaptación?

entonces, ¿la permanencia en biología de algunas vías que implican complejos de wolframio pueden indicar que son muy antiguas? ¿estas vias de fijación de CO2 formaron parte del primer metabolismo?

El ciclo de Wood-Ljungdahl, un interesante interrogante evolutivo y la muestra del gran papel de los metales en la biología: Alimentándose de dióxido de carbono mediante la química de los complejos de tungsteno, de hierro y de cobalto.

Este tema y el estudio del papel de los complejos con Fe-S en el origen de la vida era uno de mis temas de investigación, destruido por cortesía de la política científica del gobierno español (o mas bien, por su falta de política científica, reducida a meros recortes).

BORO

Hasta hace poco tiempo, se pensaba que el boro carecía de funciones biológicas. Pero, como siempre, la biología conoce bien la Tabla Periódica: el boro forma complejos con azúcares, una propiedad que nosotros hemos usado en química analítica también. ¿y quienes son los campeones biológicos en el manejo de los azúcares?. Las plantas, que, a diferencia de bichos

como nosotros, utiliza los polímeros de azucares como elementos estructurales:

Asi, los boratos, complejados con unos polisacáridos llamados galacturonanos que forman la pectina, estabilizan la estructura de la pared celular, sostenida por “vigas” de celulosa.

Que el boro es esencial en plantas es algo que se descubrió en 1923, sin embargo nunca se han conocido del todo sus funciones. La hipótesis de su función estructural se estableció rápidamente, teniendo en cuenta la química del boro. Sin embargo, este papel no ha podido demostrarse hasta tiempos recientes.

Así, el boro es esencial en plantas, regulando la estructura y porosidad de la pared celular. Nuestras células carecen de pared y parece que el boro no juega ningun papel esencial en nosotros…

SILICIO

Para ver el papel del silicio, lo mejor es una imagen:

Este es el esqueleto silíceo de un alga diatomea. Como curiosidad, os diré que la foto esta tomada a través de un microscopio británico Watson & Sons del siglo XIX…y es que la calidad óptica de aquellos microscopios steampunk nos permite usarlos durante mas de un siglo…

En fin, que me disperso. Hay dos grandes tipos de biomineralizaciones de material estructural en la Biología: los esqueletos silíceos y los de sales de calcio (fosfato, como nuestros huesos, o carbonato, como las conchas). Parece que, evolutivamente, los esqueletos de fosfato estan relacionados con las biomineralizaciones de carbonato. Pero ¿por que se abandona la biomineralización de sílice en biología mas allá de las algas? ¿por que en la Biología no existen los aluminosilicatos, que son centrales en la Geología? Yo no conozco respuestas en torno a estos temas, pero para mí son una muestra de cómo la biología conoce bien la química: probablemente una estructura basada en los

silicatos sea dificil de manejar, de modular, de construir, que una de fosfato de calcio. Los silicatos tienden a formar estructuras poliméricas muy entrecruzadas y con mucha facilidad. La mineralización de fosfato en una matriz orgánica da lugar a estructuras mas flexibles y moldeables, que permite biomineralizaciones de mayor tamaño que serían imposibles con silicatos.

Bueno, os he mostrado solo algunos ejemplos del papel de diversos elementos en el mundo biológico, que me parecían poco conocidos o peculiares. La bioquímica de los elementos que os he recuadrado en la Tabla Periódica es muy rica, compleja y cada poco tiempo aporta nuevas sorpresas. Posiblemente, incluso, en poco tiempo haya que ir incorporando nuevos elementos, conforme se vayan identificando sus papeles biológicos. Los elementos de transición no sólo juegan un papel esencial en la vida, sino que nos hablan de su historia, de su evolución y de su origen. Leer en el libro de Química que nos muestran las células es un trabajo que no ha hecho mas que empezar para los humanos. Muchas cosas se podrán descubrir, si nos dejan los políticos y la sociedad.

Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Química, acogido por el blog Roskiencia, que escribe Ismael

El Americio y la Tabla

Periódica

February 11, 2013

En la entrada anterior hicimos un repaso rápido por la Tabla Periódica desde un punto de vista peculiar: los elementos que aparecen en la Naturaleza sin combinar, es decir, los elementos nativos . Hoy vamos a irnos a un elemento que no existe de modo natural en nuestro planeta, un elemento artificial.

Hace menos de un siglo, ningún químico hubiera puesto la mano en el fuego porque la Tabla Periódica continuase tras el uranio, el elemento natural mas pesado observado en la Tierra (salvo trazas de plutonio formadas en los reactores nucleares naturales , de los que seguro que Greenpeace no ha oído hablar).

Y, sin embargo, si que continuó. Y mucho. Y los elementos que la continuaron, llamados transuránicos , dieron lugar a la segunda gran gesta química de la Tabla Periódica: la de los elementos artificiales.

Hoy vamos a centrarnos de un elemento muy importante de este grupo de los transuránicos. Uno que conecta directamente la Segunda Guerra Mundial con la exploración de Marte, pasando por la industria y la medicina y que todos habéis tenido muy cerca alguna v ez, y posiblemente lo sigáis teniendo: el americio . Es más, si aún lo teneis cerca, tal vez podáis usarlo para hacer un experimento muy interesante. No os asusteis, sólo seguid leyendo y os lo cuento.

(

Nota: me temo que para entender esta entrada el lector debe conocer lo básico sobre radiactividad y núcleo atómico. Nivel

COU del de antes y bachillerato ahora.).

Esta breve historia comienza en la Segunda Guerra Mundial. Mientras la gente moría en las ciudades y campos de batalla, se libraba otra guerra en secreto: la fabricación del arma definitiva que pondría fin a la guerra. En la investigación del famoso Proyecto Manhattan se habían llegado a grandes avances. La radioquímica del uranio se conocía muy bien y el plutonio se había convertido en un objetivo primario a partir de 1940, en una carrera contra los alemanes, que estaban en condiciones de encontrar un arma similar. Quizá si muchos físicos alemanes, en cantidad significativa de origen judío, no hubieran huído a Inglaterra o USA, la historia habría sido bien distinta (probablemente para nuestra desgracia)

Las predicciones indicaban que el plutonio - 239 sería un isótopo fisible y suficientemente estable como para prepararlo en gran cantidad, además de poderse preparar en ‘weapon-grade’ con mas rapidez y facilidad que el uranio-235. Justo lo que necesitaban para su nueva arma. En 1941, los científicos J. Kenedy, Glenn T. Seaborg, Emilio Segre y A. Wahl consiguieron obtener y separar el Pu-239. Poco tiempo despues, en agosto de 1942, en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago (USA) dirigido por Glenn T. Seaborg, se asistió a un hecho histórico: la obtención de 10 microgramos de hidróxido de plutonio puro. Seaborg relata el hecho:

Este dia memorable pasará a la historia científica jalonando la primera contemplación directa de un elemento sintético y el primer aislamiento de una cantidad ponderable de un isótopo artificial de un elemento.

Glenn T. Seaborg, codescubridor (o mas bien, coinventor) del plutonio, el americio y el curio y creador de la forma de la Tabla Periódica que manejamos hoy día.

Tras ello, las propiedades químicas del plutonio se investigaron a fondo, utilizando únicamente técnicas microquímicas y de microscopía química. A finales de 1942, el plutonio, desconocido apenas un año ántes, se conocía casi tan bien como cualquier elemento de la Tabla. Lamentablemente el hito científico del descubrimiento del plutonio quedó sepultado por su primer uso. En agosto de 1945 murieron mas de 80.000 personas, la gran mayoría ciudadanos no combatientes e inocentes, en uno de los actos terroristas mas decisivos y dramáticos de la historia. Este acto fue perpetrado usando a Fat Man, la primera bomba atómica de plutonio de la Historia.

Desvinculado de las necesidades militares y una vez resuelto el problema del plutonio para la guerra, Seaborg pudo seguir investigando, ya con tranquilidad, los elementos transuránicos. Para ello aprovechó la instalación del ciclotrón de 1,5 metros del Lawrence Berkeley National Laboratory para bombardear una muestra de uranio - 238 con

partículas alfa aceleradas y una de plutonio - 239 con neutrones, esperando obtener el plutonio - 241:

U238+ alfa –> Pu241 + neutrones

Pu239 + neutrones–> Pu240

Pu240 + neutrones –> Pu241

El ciclotrón empleado en el descubrimiento del Curio y del Americio

Tras estas reacciones de transmutación, el plutonio-241 se desintegraba emitiendo radiación beta y transformándose en el americio-241, el isótopo que buscaban. Este descubrimiento se anunció en noviembre de 1945 por Seaborg, Ghiorso, James y Morgan. Utiliz ando técnicas similares, Seaborg y sus colaboradores descubrieron poco antes el curio, que nos va a conectar nuestro americio con Marte…Seaborg recibió en 1951 el premio Nobel por sus trabajos con éstos elementos.

El primer compuesto puro de americio, el hidróxido, fue obtenido por el químico Burris Cunningham. El descubrimiento y estudio de la química del americió llevó a Seaborg a proponer la forma actual de la Tabla Periódica, ubicando la “serie actínida”, químicamente análoga a las Tierras Raras o “serie lantánida”, en la forma que todos conocemos.

El nombre de americio no viene de ningún delirio patrio, sino, simplemente, de su analogía química con la tierra rara europio . Con el estudio del americio, Seaborg cierra la estructura de la Tabla Periódica iniciada con Mendeleev. Actualmente, en nuestro planeta existen bastantes toneladas de americio, obtenido a partir de combustible nuclear en centrales nucleares y por envejecimiento de stocks de plutonio. Si os parece caro el oro, el precio actual del americio es de unos 1500 euros el gramo. El isótopo mas común es el americio-241, del que, en el año 2003, segun la IAEA, se obtuvieron 87 toneladas a partir de combustible nuclear usado.

El americio-241 tiene un periodo de semidesintegración de 432 años (!cuidado¡, no confundir con ‘vida media’. En inglés, el periodo de semidesintegracion es ‘half-life’, de donde viene la confusión). Es decir, al cabo de ese tiempo la actividad radiactiva de una muestra de Am-241 se habrá reducido a la mitad. Mientras se va desintegrando, el americio-241 sigue este proceso:

Am-241–> Np-239* + He-4 (alfa, 5.6 MeV)

Es decir, el americio se transmuta en neptunio, emitiendo radiación alfa con una energía de 5,6 MeV. El nucleo de neptunio recien nacido esta en un estado excitado y se relaja emitiendo rayos gamma:

Np-239* –> Np-239 + foton (gamma, 59 KeV)

Si vemos el espectro de la energía gamma emitida por una fuente de americio-241, veremos esto:

El pico de 59 KeV es la principal emisión gamma producida por la relajación nuclear del neptunio recien formado. Los otros picos son el resultado de mezclar:

-Otros rayos gamma emitidos por la desintegración del americio y del neptunio (26 y 33 KeV)

-Rayos X debidos a la excitación de los átomos de neptunio por la radiación alfa (13 a 20 KeV). Estos se producen debido a que la radiacion alfa emitida en la primera ecuación es muy energética, lo suficiente para sacar de su sitio un electrón en el átomo de neptunio. Este proceso de producción de rayos X es muy importante, por lo que vamos a ver despues. Y, tambien nos dice que, si teneis una fuente de americio cerca, también teneis un poco de neptunio…

Uso del Americio

A lo mejor sois de los que pensais…bueno, y el americio…¿para que sirve?. Pues teniendo en cuenta que es un potente emisor alfa y un débil emisor gamma, resulta un elemento muy muy útil, que se usa para:

– Aplicaciones médicas: estudio de la densidad del hueso,

diagnósticos diversos.

– Aplicaciones industriales: Medición de grosores en diversas aplicaciones, como en la industria del metal y en la del papel. Tests de aleaciones metálicas y radiografías de piezas, en especial analisis del aluminio. Análisis químicos por emision de rayos X, como, por ejemplo, su uso en el análisis del oro. Analisis del cemento y de minerales en minería. Estudios hidrogeológicos, en meteorologia para determinar la densidad el aire…

Pero quizá su uso mas conocido es el de los detectores de humos . Antes (ahora se han retirado en general, debido al miedo irracional a la radiactividad), los detectores de humo llevaban una pequeña fuente de americio-241. Su uso era debido a la capacidad altamente ionizante de la radiación alfa que emite. Si entraba humo en el detector, la ionización producida por la fuente disminuía, haciendo saltar la alarma. Hay que aclarar que, en la cantidad presente en un detector de humo, el Am-241 no reviste ningun riesgo, ya que la radiacion alfa tiene un alcance de apenas un par de centímetros y la radiación gamma asociada es demasiado débil.

Pero su uso mas interesante para nosotros es debido a la capacidad de la radiación alfa para generar rayos X en un material en el que impacta. Esta propiedad puede convertir nuestra pequeña fuente de americio - 241 en un instrumento analítico muy divertido.

Rayos X y rayos gamma ¿alguna vez os habéis preguntado de dónde salen los rayos X de la máquina de radiografías del hospital?

La mayoría de la gente no tiene claro qué son y en que se diferencian los rayos X y los rayos gamma. Incluso muchos profesores, pues en muchas ocasiones he visto mal explicado esto en libros de texto. Un ejemplo de definición absolutamente incorrecta sacada de unos “apuntes” de 2º de Bachillerato:

Rayos gamma: son similares a los rayos X pero con mayor poder de penetración.

Voy a intentar explicaros que son y en que se diferencian:

– Ambos son de la misma naturaleza: fotones energéticos. Es decir, luz, como la que vemos, pero de mayor energía e invisible a nuestros ojos. Es decir, fisicamente, los rayos X y los rayos gamma son la misma cosa.

– Los rayos X son un fenómeno debido a la corteza electrónica de los átomos: cuando un átomo recibe el impacto de una partícula (alfa emitida por el americio-241 en nuestro caso), el choque hace “saltar” un electrón de un nivel a otro de mayor energía. Se dice que es “excitado”. Cuando el electrón vuelve a su estado llamado “fundamental”, devuelve la energía que absorbió por el choque en forma de fotones: son los rayos X.

- Los rayos X, al ser un fenómeno electrónico, tienen una energía limitada: su rango va de 1 a 100 KeV aproximadamente.

- Los rayos gamma son un fenómeno debido al núcleo de los átomos: cuando un atomo radiactivo se desintegra, se transforma en otro elemento, emitiendo radiación. El nucleo del nuevo elemento formado esta en un estado excitado. Los neutrones y protones del nucleo se colocan entonces en una posición mas cómoda ,volviendo a su estado fundamental y emitiendo el exceso de energía en forma de fotones: son los rayos gamma. Al ser un fenómeno nuclear, su rango energético es mayor, entre unos pocos KeV a varios MeV. Un ejemplo es la emisión gamma del Am-241 a 59 KeV. Esta emisión se corresponde a la “relajación” del núcleo del átomo de neptunio formado debido a la desintegración del americio. Es decir, es una emisión asociada a la desintegración, que vuelvo a poner aquí:

Am241 –> alfa + Np-239*—> gamma + Np-239

Si lo habéis entendido, entonces cuando veais la máquina de

rayos X os imaginaréis como se producen: la máquina tiene una “lampara” de rayos X que consiste en un tubo de vacío. Un electrodo genera un haz de electrones que impacta contra un cátodo, normalmente de cobre. El impacto de los electrones excita los átomos de cobre. Cuando éstos se desexcitan, emiten la diferencia de energía en forma de rayos X: Cu + electrones acelerados –> Cu* –> Cu + rayos X

La gracia es que el metal no emite los rayos X de cualquier forma. Solo emite una energía determinada. Digamos que es como si emitiera un solo “color”. Por ejemplo, el cobre emite rayos X a una energía de 8 KeV, que es la energía que se corresponde a uno de los “saltos” electrónicos permitidos para el cobre. Los químicos denominamos a este salto de energía la “banda Kalfa del cobre”.

K-alfa y la Ley de Moseley

La mayoría de la gente no ha oído hablar de K- alfa. Seguramente les suene a griego o las cosas de los raritos y frikis como un servidor. Pero K-alfa esta todos los dias en su vida y gracias a K- alfa tenemos muchos fármacos, avances médicos, conocemos los minerales y metales… quizá la emisión de K- alfa y otras que la acompañan constituya uno de los fenómenos mas importantes de la química para la sociedad.

Denominamos K-alfa a una energía concreta de emisión de rayos X por parte de un elemento químico. Todos los materiales emiten rayos X cuando los átomos de los elementos que los componen son excitados por partículas muy energéticas, como radiaciones alfa, beta, electrones, protones o rayos X energéticos. Entonces, un electron “salta” desde la c apa interna llamada K hacia una capa superior de mayor energía y mas externa del átomo, que llamamos L. Este estado de excitación no aguanta mucho y cuando el electrón vuelve a su sitio y se relaja, emite el exceso de energía en forma de rayos X. Si recordais las clases de Bachillerato, en el caso de un metal como el cobre por ejemplo, la emisión K-alfa se corresponde con un salto de un electrón en el orbital 1s a un orbital 2p. Cuando el electron vuelve al orbital 1s, la difererencia de energía se emite como un fotón con esa

energía. Seguimos con el recuerdo de Bachillerato, en el átomo de hidrógeno, la equivalente a K-alfa es la alfa de la serie de Lyman. La gracia es que la energía de ese salto depende de la posición en la Tabla Periódica. Es decir, podemos usarla para identificar elementos.

La emisión mas fácil de observar es la K-alfa. Hay varias mas (K-beta, L-alfa, L-beta…). Por ejemplo, el cesio emite K-alfa a una energía de 31 kiloelectronvoltios (KeV).

Gracias a este fenómeno tenemos radiografías: los rayos X de los hospitales estan producidos por una máquina que dispara electrones a un trozo de cobre. El cobre emite K-alfa a 8 KeV y es esta radiación la que atraviesa nuestros cuerpos para obtener la imagen de rayos X.

Igual que podemos obtener radiografías de nuestros cuerpos, se pueden obtener de cristales de minerales y otras cosas, lo que permite obtener datos de sus estructuras químicas. Observando las lineas K- alfa que vienen del espacio exterior, hemos podido averiguar muchos datos de importancia para la cosmología, como por ejemplo que el centro de la galaxia emite rayos X con la energía de la K-alfa del hierro.

Gracias a K-alfa se han conocido las estructuras del ADN y las proteínas y eso ha implicado enormes avances en medicina, farmacología, biología…. Y esto debería recordarse, pues a veces financiar el estudio de la física o la química conlleva importantes avances en otros campos, como la medicina.

Las emisiones K-alfa de los elementos se calculan con mucha facilidad segun la ley de Moseley:

K- alfa (electronvoltios) = 10.2 [(Z - 1)^2], donde Z es el número atómico del elemento.

Por ejemplo, en el caso del cobre, con Z=29, la transición Kalfa sería 7.99 KeV.

Este resultado es muy importante, ya que, en su descripción mas general, establece la relación entre las propiedades periódicas de los elementos de la Tabla Periódica y sus propiedades físicas. Moseley encontró la lógica física de la ordenación química de los elementos de la Tabla Periódica.

Moseley probablemente era uno de los científicos mas brillantes de la primera mitad del siglo XX. Quien sabe hasta dónde podría haber llegado si no hubiera muerto con tan sólo 27 años, en la Batalla de Gallipoli, en la Primera Guerra Mundial.

Convirtiendo un detector de humos en un instrumento de análisis

Hemos visto como un elemento produce rayos X característicos cuando se estimula con partículas como rayos alfa, electrones, etc. Ahora vamos a usar el americio - 241 como fuente para estimular la producción de rayos X. Para ello, debemos separar la plaquita de Am - 241 de un detector de humos. Este experimento es “high school grade”, por lo que los profes de

Henry Moseley

bachillerato igual os podeis animar a prepararlo como proyecto con los alumnos.

Son fáciles de reconocer por su aspecto. Yo he montado la plaquita de esta forma:

Veis la plaquita que contiene 1 microcurio de Am-241, que he pegado a un pequeño cilindro de polietileno y que, a su vez, he fijado con cola termofusible a un portamuestras de aluminio para SEM. Se trata de tener una fuente que “apunte” a la muestra, “disparando” sus rayos alfa contra ella.

Luego, con ayuda de un disipador de calor para electrónica, fabricado con aluminio, monto el “portamuestras”:

La gracia es que quede lo mas caserote posible. Veis la plaquita de americio. Delante de ella situaremos la muestra,

muy pegada a la placa. ¿por que?, porque la principal desventaja de este invento es el aire. La radiación alfa tiene muy poco alcance en aire, porque choca contra sus moléculas. na vez ideado el modo de que la radiacion alfa emitida por la plaquita choque contra una muestra, tenemos que detectar los rayos X emitidos por ella. Para ello yo he usado un detector de centelleo de NaI(Tl) normal y corriente conectado a un analizador multicanal para generar el espectro. La ventaja de este sistema es que es mas asequible, pero la desventaja es que solo podremos ver elementos por encima del arsénicoselenio.

Este es el invento. La muestra va dentro de este “horno” de paredes de plomo (es opcional. Realmente la radiación de fondo no va a molestar demasiado a estas energías tan bajas). El cilindro metálico es el detector de centelleo.

Voy a probarlo analizando una muestra del mineral barita (sulfato de bario). Para ello, tomo un pequeño cristalito y lo sujeto con una bolita de masilla delante de la plaquita de americio, a una distancia no mayor de 1 cm. Si la cosa funciona, debería detectar los rayos X emitidos por el bario que contiene la barita. Los átomos de bario se excitan con la radiación alfa y se relajan emitiendo su K - alfa característica, que se sitúa a 32 KeV de energía:

Este es el resumen del proceso: las partículas alfa emitidas por el americio 241 impactan contra el cristal de barita, excitando los átomos, que emiten rayos X al relajarse. Este es el resultado:

donde se visualiza claramente el bario contenido en el mineral, a través de los rayos X característicos emitidos al

estimularlo con 1 microcurio de Am-241.

Esta técnica de análisis se denomina APXS (‘Alpha Particle X ray Spectrometry’) y constituye una importante aplicación de isótopos radiactivos como el americio en el análisis no destructivo de minerales y metales. La APXS es un subtipo de las técnicas PIXE (Particle Induced X-ray Emission).

Marte

Marte tiene una atmósfera mucho menos densa que la nuestra, por lo que allí el APXS es un instrumento ideal de análisis. Así, ha sido empleado en diversas misiones de exploracion, usándolo en el análisis de minerales de las rocas marcianas.

El pionero de los rovers marcianos, el Sojourner, iba equipado con un APXS, que veis en en centro de la imagen. El aparato consistía en 6 fuentes radiactivas de curio-244, que se acercaban a la roca con un brazo robótico. Unos detectores determinaban la composición de la roca en base a la radiación emitida como he explicado antes. Para el espacio se prefiere el curio al americio debido a que el Cm-244 tiene un periodo de semidesintegración mucho mas bajo (18.1 años) y tiene muchísimo mas rendimiento energético, con lo que el espectro producido es mas intenso.

Ahora, el rover Curiosity esta realizando un intenso trabajo científico en Marte. También va equipado con un instrumento similar, que fué diseñado en un laboratorio canadiense:

Credito de la imagen: NASA/JPL-Calltech/Cornell/Max Planck Institute für Chemie/University of Guelph

Se ven las seis fuentes de curio-244, que son los círculos del centro. La abertura del aparato se acerca a la superficie de la roca a analizar y los detectores situados en la parte de atras hacen el resto.

Imagen: NASA/JPL-Calltech/MSSS

Aqui veis el aspecto del APXS en la torreta del rover Curiosity, en un autorretrato que se ha realizado en su zona de trabajo de Marte. Se ven bien las seis fuentes de curio - 244. Y además funciona de maravilla:

Imagen: NASA/JPL/University of Guelph

Espectro de rayos X de la roca “Jake Matijevic” obtenido por el APXS del Curiosity. Cada pico es una K-alfa característica de cada elemento. Estos datos, junto con los de los otros instrumentos del Curiosity, que le convierten en un geólogo y geoquímico robótico muy completo, nos están proporcionando una información muy valiosa sobre nuestro planeta “hermano”, que, de momento, es mas estéril de lo que podríamos haber pensado. Mucho hemos aprendido desde que, en 1877, el astrónomo Giovanni Schiaparelli descubrió los “canales de Marte”, inciando el deseo de la humanidad por viajar a ese planeta y explorarlo.

La imaginación no tiene límites y Percival Lowell propuso que eran canales de irrigación usado s por una civilización asombrosa, compuesta, como no podría ser de otra forma…por chicas guapas asombrosamente sexys. Bueno, esto último fué idea de Edgar Rice Burroughs, pero estoy convencido de que la mayoría de los señores de la época soñaron con un Marte lleno de..:

Dejah Thoris, la Princesa de Marte…

Pronto se vió que los canales no eran mas que una ilusión óptica, que Marte es un desierto volcánico reseco y, ahora, los rovers equipados con instrumentos como el que os he descrito, lo exploran en profundidad para revelar la mayor parte de sus secretos.

Si no fuera porque tener a tu disposición 30 milicurios de curio-244 y un detector de rayos X adecuado no es nada fácil… un instrumento portátil como éste podría ser muy util en infinidad de aplicaciones. Y ya veis que no es demasiado dificil construir una versión mas “casera” de la tecnología con la que estamos explrorando Marte. Basta un simple detector de humos.

Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Química, acogido por el blog Roskiencia, que escribe Ismael

La Tabla Periódica en la

Naturaleza

February 7, 2013

La Tabla Periódica de los Elementos es, al menos para mi, una de las modelizaciones científicas mas bellas y elegantes de la Historia de la Ciencia. De un modo magistral se ordenan todos los elementos químicos de la Naturaleza, de tal modo que sus propiedades no son aleatorias, sino que van ordenándose igualmente siguiendo el orden marcado por su número atómico. Como buen modelo científico, la Tabla Periódica tiene valor predictivo: a partir de las propiedades de algunos elementos, podemos predecir las propiedades de otros elementos sin necesidad de verlos, simplemente por la posición que ocupan en la tabla. Esta capacidad predictiva ha sido esencial en el descubrimiento de elementos como el germanio o el tecnecio. Además tiene capacidad explicativa : descubrimos que las propiedades químicas de los elementos se pueden explicar a partir de algo tan sencillo como su configuración electrónica, es decir, cuantos electrones contiene el átomo y cómo se ordenan.

Este post es una celebración de la Tabla Periódica y un homenaje a Dimitri Mendeleev:

quien fué el creador de la primera versión de la actual Tabla Periódica de los Elementos, y a Horace Deming, un químico norteamericano a quien se debe el aspecto actual de la Tabla:

La Tabla Periódica de Deming

Si mirais con atención la tabla de Deming, deberían llamaros la atención algunas cosas. La primera es ¡¿donde colocamos al hidrógeno?!. También, que el berilio no es Be, sino Gl. En aquel entonces se llamaba glucinio, debido al sabor dulce de algunas de sus sales (aunque no las probéis…el berilio es tóxico). Y que predice la existencia del francio, el astato, el tecnecio, el renio y el prometio, elementos que aún no se conocían en tiempo de Deming. Una cosa que me gusta de esta tabla es que relaciona unos elementos que, si entendéis de minerales, vereis lógico: los silicatos con los titanatos, los fosfatos con los vanadatos, los sulfatos con los cromatos y los cloratos con los manganatos.

Pocos químicos hay que no sientan cierta fascinación, placer incluso, al ver y tocar…al sentir, los elementos que componen la tabla en su estado puro. El contacto con los sentidos crea un vínculo especial, por eso no nos basta con un libro o una

tabla: queremos tocarlos. Durante la gesta que fué añadir nuevos elementos a la lista de los ya conocidos, el máximo objetivo era obtener el elemento que se estaba descubriendo en su forma pura. El que lo conseguía, pasaba a ser considerado su descubridor y ocupaba un lugar en la fama imperecedera.

Esta tarea no estaba exenta de dificultades: imaginad que el análisis de un mineral no cuadraba con ningún elemento conocido y debía comenzar la ardua tarea de aislar el nuevo elemento. A esta tarea se enfrentaron muchos químicos ántes de que se creara la Tabla Periódica, por lo que no disponían de un modelo que les ayudara a predecir las propiedades que se encontrarían. Uno de los muchos ejemplos fascinantes es el descubrimiento del uranio . Klaproth identificó el nuevo elemento en la uraninita, llamada en aquel entonces petchblenda y que se pensaba que era un oxido de zinc y hierro. Aisló el óxido negro de uranio en 1789, pensando que era uranio elemental. Se había equivocado. Durante más de 50 años nadie se dió cuenta del error, hasta que en 1841 el químico francés Eugene Peligot, en una serie de experimentos que casi le cuestan la vida, resolvió la difícil obtención del uranio elemental. Aún no se conocía la radiactividad del uranio..pero esa es otra historia.

No todos los elementos son tan difíciles. La Naturaleza, que es el mejor químico que existe, también hace lo suyo para obtener los elementos puros, y a veces con gran eficacia. Todos sabemos que el oro y la plata se encuentran en su estado elemental en la Naturaleza…pero no es el único caso. Realmente hay muchos mas…vamos a ver los elementos puros en la Naturaleza, es decir, los elementos nativos o la Tabla Periódica Natural, en orden creciente de número atómico, saltándonos los gases nobles , el hidrógeno , oxígeno y nitrógeno. Estos ocupan un lugar tan importante que se merecen su propio lugar. Y espero sorprender un poco a los que más creen saber sobre minerales.

CARBONO

Uno de los elementos nativos mas conocidos. A todos nos suenan el diamante y el grafito, dos formas alotrópicas del carbono. Pero realmente el carbono se presenta de modo natural en mas formas, según se ordenan los átomos de carbono, es decir, según sus estructuras cristalinas; este es el fenómeno de la alotropía:

Diamante: la forma cúbica del carbono y la sustancia natural mas dura. Cosa que la gente suele confundir con tenaz…dura significa que resiste al rayado y que puede rayar a sustancias con menor dureza. Sin embargo es frágil… En la Tierra se forma en el manto y ha ascendido a la superficie a traves de chimeneas de kimberlita y otras rocas que se formaron en el manto. Pero también se encuentra en algunos meteoritos e incluso es posible que se hayan descubierto planetas extrasolares formados cas i íntegramente por carbono , con superficies llenas de diamante…

Grafito: la forma hexagonal del carbono. Justo al contrario que el diamante, es muy blando y su estructura laminar, micácea, lo convierte en un gran lubricante. Es muy abundante en la Tierra. La mayoría de los carbones contienen gran porporción de formas impuras de grafito. A partir del grafito se ha encontrado el Grafeno, un material con propiedades muy interesantes.

Fullerita: un fullereno natural, en concreto el C60 (60 átomos de carbono formando una especie de pelota). Es rarísimo, solo se ha localizado en un yacimiento en China.

Lonsdaelita: una forma hexagonal del diamante.

Chaoita: una forma de carbono que se produce por metamorfismo intenso del grafito, debido a los impactos de meteoritos en rocas que lo contienen.

Carbono nativo (diamante) procedente de Ghana

También podríamos considerar el carbono amorfo, una forma especial de carbono que se encuentra en partículas de polvo interplanetario, cometas y meteoritos. Como veis, la Naturaleza nos proporciona muchas muestras de carbono elemental para nuestra Tabla Periódica.

ALUMINIO

Este no os lo esperábais ¿eh?. Pues si, la Naturaleza también ha conseguido aislar aluminio metálico. Se ha encontrado en forma de pequeñas partículas metálicas a partir de magmas basálticos formados en entornos ricos en reductores como hidrógeno y metano. Una especie de metalurgia natural.

SILICIO

Seguro que muchos tampoco lo esperábais. Se ha encontrado en

forma de cristales cubo-octaédricos incluidos en cristales de oro nativo en Nuevo Potosí (Cuba) y en la Península de Kola (Rusia), asociado a grafito, hierro nativo y en kimberlitas con diamante.

AZUFRE

Uno de los más conocidos, el azufre elemental es abundantísimo en nuestro planeta. Se encuentra asociado a actividad volcánica y también a actividad biológica: muchas bacterias generan azufre elemental durante la oxidación de sulfuros metálicos y por reducción de sulfatos.

Azufre de las minas de Lorca (Murcia, España)

Cristales de azufre sobre covellita. Corta Atalaya (Faja Pirítica Ibérica, Huelva, España). Este tipo de azufre suele ser de origen biogénico, a partir de la oxidación bacteriana de sulfuros como la calcopirita. Así, calcopirita–> covellita y azufre.

TITANIO

En forma de metal se ha encontrado en algunos granitos, en forma de inclusiones metálicas en granates asociados a un metamorfismo a presión ultra-alta en Dabieshan (China) y en las fumarolas de la erupción del volcán Tolbachik (Rusia) de 1975.

CROMO

En forma de pepitas metálicas fué visto por primera vez en una mina de cromo en Nagchu, Tíbet. Pero es mas frecuente de lo que parecía, dadas sus propiedades químicas. En las rocas

lunares estudiadas tras las misiones Apolo se ha encontrado cromo metálico también.

HIERRO

Uno de los elementos nativos mas abundantes de nuestro planeta: todo el núcleo de la Tierra está formado por él. No aguanta bien la oxidación…asi que es raro en la corteza terrestre, en un ambiente con agua y oxígeno. Tampoco aguanta bien la actividad biológica: muchas bacterias lo oxidan para obtener energía. Pero seguramente fue muy abundante antes del origen de la vida y el hierro metálico pudo jugar un papel importante en el proceso. Actualmente, el hierro metalico se puede encontrar en meteoritos y, raramente, en algunos yacimientos minerales.

NIQUEL

Junto con el hierro metálico, se encuentra en meteoritos. De hecho una forma de reconocer el hierro meteorítico es realizar una prueba de níquel. En nuestro planeta es uno de los elementos mas abundantes, al compartir el núcleo de la Tierra con el hierro…pero también se forma en algunos procesos de serpentinización, en los que se forma una aleación natural de hierro y niquel llamada awaruita

Niquel (en forma de ferroniquel) en un meteorito tipo condrita: son las manchas mas oscuras. Se puede ver la aureola de oxidación, algo parduzca, y los cóndrulos, típicos de las condritas. También se aprecia un sulfuro metálico amarillento: es la troilita, un politipo de la pirrotita frecuente en meteoritos.

COBRE

Que decir del cobre… su posición en la serie electromotriz le confiere una gran resistencia a la oxidación en medio acuoso y es abundantísimo, ya que en numerosos procesos geológicos puede reducirse a partir de formas oxidadas con gran facilidad. Otra metalurgia natural… En las famosas minas de cobre de Michigan se han extraído masas de cobre metálico de cientos de toneladas. Es uno de mis minerales - elementos favoritos…

Uno de los misterios de la Naturaleza: El zinc es un metal bastante reductor, ocupa una posición alta en la serie electromotriz, por encima del agua, con lo que la reacción de oxidación en medio acuoso es muy fácil. El agua levemente acidificada lo ataca y disuelve. Sin embargo, es muy frecuente formando incluso ¡pepitas en algunos rios!. Un posible origen del zinc metálico puede que sea la autooxidación-reducción de la esfalerita (sulfuro de zinc) en ciertas condiciones. Pero no puedo aportar mucho mas sobre el tema.

ARSENICO

Otro viejo conocido, el arsénico elemental es frecuente en la Naturaleza. Se forma en numerosos depósitos hidrotermales

Cobre. Mina “Las Herrerías”, Faja Pirítica Ibérica, Huelva, España

ZINC

asociado a otros metales como antimonio o plata, que son sus mejores amigos “geoquímicos”. También se encuentra como producto de neoformación en restos mineros ricos en mineral arsenical. Como curiosidad, el arsénico elemental es poco tóxico…sin embargo, su óxido o sus sulfuros son muy venenosos…y siempre suelen acompañarlo.

A la plata y el arsénico les suele gustar ir juntos. En la imagen, veis plata nativa sobre arsénico elemental del distrito minero de Pohla (Sajonia, Alemania)

Arsénico de la mina Akatani (Fukui, Japón). La mancha blanca es el muy tóxico óxido de arsénico o arsenolita.

SELENIO

Se forma por sublimación en fumarolas a temperatura relativamente baja. También se forma por combustión de la pirita, a la que suele asociarse algo de selenio siempre (observad su posición en la tabla periódica…S y Se tienen mucho en común). Y se encuentra en minas de carbón, en especial si ha habido un incendio que lo haya liberado. Esto es debido a que todos los seres vivos transportamos una cierta cantidad de selenio, que es un importante elemento esencial. El selenio que formaba parte de antiguos seres vivos se quedó en el carbon, de donde se ha separado por sublimación.

Las mejores muestras de selenio venían de la mina Katarina, en Radvanice (Bohemia, Rep. Checa), una antigua mina de carbón en la que el selenio se “autopurificó” por sublimación tras un incendio en un stock de carbón. En la imagen de arriba veis el aspecto del selenio elemental de la mina Katarina. Para los que les gustan los minerales, el selenio suele venir con bonitos cristales de molibdita (MoO3). Ahora constituyen una rareza las muestras de esa mina, asi que si poseeis alguna en vuestra “tabla periodica particular” tenéis suerte.

MOLIBDENO

Este si es una super-rareza para quien quiera construir su Tabla Periódica viva. Se ha visto en forma de elemento en condritas carbonáceas, como el meteorito de Allende, y en forma de pequeñas pepitas microscópicas en un placer del Danubio.

RUTENIO

Se encuentra en forma de pequeñas pepitas en gravas y placeres que recogen arenas pesadas procedentes de depositos de platino. Si vais siguiendo la Tabla Periódica, veis que a partir del siguiente elemento entramos en la zona de metales nobles…a partir de ahora veremos muchas pepitas.

RODIO

En forma pura solo se ha encontrado un grano metálico en un concentrado de una mina de platino-oro de Montana (USA), pero aleado con platino se puede encontrar es numerosos depósitos ricos en este metal.

PALADIO

Mucho mas frecuente que su compañero anterior, se encuentra en forma metálica en depositos de platino y de sulfuros primarios ricos en paladio, de donde sale por oxidación. Mirad de nuevo la tabla periódica: los compañeros situados debajo del rodio y el paladio…son mucho mas conocidos. Y, como comparten muchas propiedades, se suelen encontrar juntos. El siguiente al paladio es la plata, que, aunque sigue siendo un metal noble, es mas “activo”. En cambio el compañero inferior a la plata, curiosamente, tiene mas en común con el platino y el paladio…

PLATA

Otro gran conocido. De nuevo, como en los casos anteriores, su posición en la serie electromotriz le confiere gran resistencia a la oxidación. Sus yacimientos son tan frecuentes que constituye un elemento bastante común…posiblemente fue uno de los primeros elementos conocidos por el ser humano. Seguro que después del oro, aunque, quien sabe.

Plata de la mina Berta (Barcelona, España), mostrando el típico aspecto en alambres de la plata nativa.

CADMIO

Plata de Potosí (Bolivia)

Si el zinc, su compañero superior, y el mercurio, su compañero inferior, se encuentran libres en la Naturaleza…¿por qué el cadmio no?. Si se da, pero es muchísimo mas raro. Solo se ha visto en forma de granos metálicos muy pequeños en tres yacimientos en el mundo.

INDIO

Aparece en forma de pequeñas masas metálicas de 1 mm, asociado a plata, en una mina rusa llamada Orlovskoye.

ESTAÑO

Se encuentra en forma de pepitas en placeres asociados a bastantes yacimientos de casiterita (oxido de estaño) y a

platino metálico, como en el rio Miass, en los Urales (Rusia), donde se encontró por primera vez con oro, platino, iridio y osmio metálicos. También en forma de pequeños granos metálicos en algunas kimberlitas.

ANTIMONIO

Mucho mas frecuente, suele aparecer en forma de elemento en yacimientos hidrotermales de antimonio y plata. Un caso raro es el de la mina de carbon Katarina, de la que hablamos antes. En ella se formaron pequeños cristales de antimonio metálico por sublimación gracias a la combustión del carbon.

Cristales de antimonio de la mina Katarina (Rep. Checa)

TELURO

De nuevo, mirad su posición en la tabla periódica. Aunque es raro como elemento, se encuentra extendido en sistemas hidrotermales, incluido en pirita y en especial si son ricos

en oro, al que suele acompañar en forma de telururo. También se encuentra purificado por sublimación a partir de fumarolas volcánicas. Los mejores ejemplares que he visto son de Fiji, la mina Emperor, un sistema epitermal muy rico en oro y teluro, donde éste metal forma cristales de simetría hexagonal muy considerables.

Cristales de teluro. Mina Emperor (Fiji)

TUNGSTENO

Se ha encontrado en forma de pequeñas pepitas en un rio de los Urales.

OSMIO

En forma de bonitas pepitas junto con otros metales de la “zona noble”, asociado a yacimientos ricos en platino y otros elementos de su grupo, como el río Miass, en los Urales.

IRIDIO

En pequeños cristales cúbicos, normalmente redondeados al encontrarse en placeres relacionados con yacimientos de platino.

PLATINO

El mas caro de los metales nobles. Son famosos los preciosos cristales cúbicos de platino de Konder ( Kabarovskiy Krai, Rusia). Suele estar en depósitos tipo placer. A la Naturaleza no se le da muy bien purificar los metales nobles, debido a sus similitudes químicas, asi que el platino suele contener cantidades variables de iridio, rodio, paladio, oro y hierro.

ORO

Quizá fue el primer elemento descubierto por el ser humano. O uno de los primeros. Es facil entender la razón si alguna vez habéis probado a ir a batear oro a un depósito tipo placer, ya que el oro es sumamente fácil de separar y es muy llamativo incluso en cantidades muy pequeñas. Los depósitos tipo placer, donde se acumulan elementos pesados como el oro, platino y sus compañeros de la zona de los “metales nobles” en la tabla periódica, son yacimientos llamados “secundarios”: el oro y los otros metales, diseminado en las rocas o asociado a otros minerales, como sulfuros, se moviliza por meteorización y se acumula formando pepitas. Ahora sabemos que en este proceso de formación de pepitas puede estar implicada, al menos en parte, la biología. La geomicrobiología de los metales nobles es un campo de trabajo en crecimiento.

Este es el aspecto que puede tener el oro primario: un crecimiento tipo dendrítico. Procede de Hope’s Nose, Devon (Inglaterra). Aunque usualmente, el oro primario es invisible: pequeños granos metálicos incluidos en otros minerales.

El oro secundario es mas fácil de ver. Suele estar en escamas o pequeñas pepitas en arenas, depositadas en placeres de rios u otros sitios que favorezcan la acumulación de los minerales pesados de las arenas. Son yacimientos detríticos. A veces pueden encontrarse en los sitios mas insospechados: el oro de la imagen lo encontré en el ¡Leroy Merlin!, en un saco de arena para construcción que procedía de una explotación en Abades (Segovia). Dada la procedencia, se me ocurrió separar los minerales pesados de la arena…y ahí estaba.

MERCURIO

El mercurio elemental es conocido desde antiguo. También, posiblemente, sea uno de los elementos mas antiguos conocidos por el hombre. El metal líquido debió ser sugerente desde siempre, excitando la imaginación de brujos, filósofos y alquimistas y siendo un material codiciado y exhibido por los mas poderosos, como la famosa fuente de mercurio de La

Alhambra. El metal siempre aparece asociado con el cinabrio, el bello sulfuro rojo de mercurio. La mayor anomalía de mercurio de la corteza terrestre esta aqui, en España: las minas de Almadén, un enorme yacimiento volcano-sedimentario encajado en cuarcitas que fue explotado para obtener el mercurio y el cinabrio desde tiempos prerromanos. El cinabrio era un apreciado colorante: el bermellón. Cuando se descubrió que el mercurio metálico podía usarse para extraer plata y oro de sus minerales, comenzó a explotarse a gran escala. El mercurio metálico no es tóxico: se puede tocar e incluso ingerir (aunque mejor no hacerlo). Sus sales, en cambio, en especial las solubles, son muy tóxicas. Y sobre todo sus vapores: el mercurio, como todo líquido, tiene una cierta presión de vapor. El vapor de mercurio respirado durante el tiempo o en la cantidad suficiente es un neurotóxico que produce la enfermedad del “azogado”, con síntomas similares al Parkinson en su inicio. Y el mercurio líquido, si llega a cuencas reductoras ricas en materia orgánica, puede producir organomercuriales, que son absorbidos por mariscos y peces y son altamente tóxicos.

Pero no hay que preocuparse: si se os rompió un termómetro de mercurio, no pasa nada. Es una cantidad muy pequeña. Por cierto, si poseeis un termómetro de mercurio guardadlo bien: ya no se fabrican y siempre serán mas fiables que los termómetros electrónicos, sin pilas ni ajustes.

Mercurio nativo. Almadén (Ciudad Real, España). Era toda una experiencia partir la roca rica en cinabrio y que el mercurio que solía rellenar los huecos chorrease, formando charcos que podían recogerse con una cuchara.

Y en estos frascos se guardaba el mercurio, listo para enviarlo a, por ejemplo, las minas donde se usaba para extraer plata y oro por el método de la amalgamación.

El mercurio es un elemento cautivador…

PLOMO

Si buscais pepitas de oro en placeres de ríos, es posible que os encontreis perdigones de plomo. El plomo metal disperso es una plaga generada por los cazadores… sin embargo, el plomo nativo, es decir, el metal formado naturalmente, aunque raro, en especial si consideramos la cantidad de yacimientos de plomo que existen, es bastante común. En el yacimiento sueco de Langban, se han encontrado masas de plomo elemental de hasta 51 kg de peso, cristales cúbicos de hasta 6 cm y en forma de pepitas en los ríos de la zona. En Broken Hill (Australia) se encuentran masas de varios centímetros. Se ha dado el caso de plomo formado “fosilizando” raíces de árboles: la materia orgánica de la raiz reduce un fluido rico en plomo formado por oxidación de un yacimiento con galena, precipitando el plomo metal.

Imagen de una nota sobre el descubrimiento de plomo nativo en 1772 en Monmouthshire (Gales, Reino Unido), el primer informe de plomo en estado elemental en la Naturaleza hallado en Europa.

BISMUTO

Otro elemento muy frecuente en la Naturaleza. Aparece en forma metálica en yacimientos hidrotermales de cobalto, niquel, plata, oro y estaño. También se da en algunas pegmatitas y filones de cuarzo ricos en minerales de estaño y tungsteno. Al aguantar muy bien la oxidación, aparece en yacimientos tipo placer, en forma de pepitas que, en algunas ocasiones, como en el rio Vilaque (Bolivia) en tamaños enormes y varios kilos de peso. En cristales se han encontrado de hasta 12 cm. Hay que tener cuidado, porque en muchas ferias se venden bonitos cristales cúbicos “en tolva” de bismuto, con atractivas irisaciones doradas y azuladas. Son sintéticos, no naturales.

Pepita de bismuto del rio Vilaque (La Paz, Bolivia)

Y con el bismuto llegamos al final de este pequeño recorrido por la tabla periódica natural. A partir de aquí todos los elementos son radiactivos y, por tanto, inestables y en su mayoría no existen en nuestro planeta. Los únicos con suficiente estabilidad, como el torio o el uranio, son demasiado activos como para existir en forma elemental en la Naturaleza. Y los que, por su posición en la tabla periódica, como el Ununbium (que sería un metal noble, pero tiene un periodo de semidesintegración de 280 milisegundos) nunca podrán ser preparados en cantidad mayor de unos pocos átomos, por lo que jamás aparecerán sus propiedades químicas. Ya veis que la Naturaleza nos proporciona una fuente inagotable de inspiración. Un ejercicio muy instructivo es la preparación de una “metaloteca”: una colección de los elementos químicos de la tabla periódica, incluyendo formas naturales y formas artificiales. Es una manera muy viva de ver la magia de la Tabla.

Este post participa en la XXII edición del Carnaval de Química, acogido por el blog Roskiciencia, Roskiencia que escribe Ismael

De los lípidos al biodiesel

December 16, 2012

El biodiesel, su uso y su fabricación constituye un tema de gran interés actualmente. Por ello y para que podáis formaros una opinión algo mas informada al respecto voy a reeditar y mejorar una entrada que hice hace tiempo con el objetivo de enseñaros a hacer biodiesel en casa a un nivel didáctico, algo que los que seais profesores en secundaria además podeis usar como práctica de laboratorio (se tarda entre una y dos horas aprox.).

Además, si sois manitas, podeis hacer el “escalado” de la reacción, es decir, podeis hacerlo a gran escala para obtener vuestro propio combustible, lo que os permitirá ver rápidamente los pros y contras de este combustible que, lejos de ser la panacea que se pensaba cuando inició su andadura, mas bien presenta considerables problemas prácticos.

Tambien nos servirá para aprender cosas sobre los lípidos, como por ejemplo que son, dónde están, cómo se clasifican y que propiedades tienen.

LOS LIPIDOS

Son un conjunto de moléculas bastante heterogeneo que tienen en común su solubilidad en disolventes apolares (como el cloroformo, el diclorometano, el éter) y su insolubilidad en agua. Simplemente.

Desde un punto de vista bioquímico los lípidos se dividen en:

– Acidos grasos y sus derivados como los FAME (ésteres metílicos de los ácidos grasos)

Una molécula de ácido graso: el ácido linoleico, uno de los componentes principales del aceite de girasol. Los ácidos grasos tienen un extremo polar, el carboxilo (bolas rojas) y una parte apolar, la cadena formada por átomos de carbono e hidrógeno. Esto confiere a los ácidos grasos propiedades esenciales para la vida: la capacidad de formar vesículas lipídicas, micelas y membranas. Esta estructura también confiere sus propiedades a los jabones, sales metálicas (normalmente sódicas) de los ácidos grasos y que, como veremos, pueden ser un problema en la fabricación del biodiesel.

– Triacilgliceroles, triacilglicéridos o, mas vulgarmente, triglicéridos, formados por ácidos grasos y glicerol, que veremos mas adelante. Son lo que comúnmente conocemos como grasas.

– Ceras, formadas por ácidos grasos y alcoholes de cadena larga.

Esta es una molécula de cera, el palmitato de cetilo, una cera presente en la piel de las frutas y en la superficie de las hojas. Químicamente es un éster y, a diferencia de las grasas, que son ésteres de ácido graso y glicerol (un trialcohol), este es un éster de ácido graso y un monoalcohol de cadena larga. En los ésteres, la parte polar o carboxilo (bolas rojas) queda bloqueado por otra molécula hidrocarbonada. Es muy apolar e insoluble y constituye un buen aislamiento de la humedad y un repelente del agua.

– Fosfolípidos y Esfingolípidos, muy importantes por su papel en el tejido nervioso y constituyentes esenciales de las membranas celulares, entre otras importantes funciones. La lecitina es un ejemplo de una mezcla de fosfolípidos. Se diferencian de los triglicéridos en que uno de los grupos hidroxilo del glicerol no esta esterificado con un ácido graso, sino con ácido fosfórico.

– Isoprenoides o terpenoides, muchas veces descuidados y sin embargo muy importantes: son componentes esenciales de las membranas celulares, hormonas, moléculas de aromas, alcaloides, resinas de plantas, drogas, metabolitos secundarios varios…

El ámbar esta formado por lípidos isoprenoides fosilizados o fósiles moleculares de isoprenoides. Y, desde el punto de vista geológico, es una mezcla de lípidos.

Una molécula de ácido abiético, un lípido isoprenoide que es el componente principal de la resina de pino. Como hemos visto en los ácidos grasos simples, es una estructura apolar con un extremo polar.

Desde el punto de vista geológico y geoquímico, son lípidos todas aquellas sustancias presentes en rocas, sedimentos o suelos que son solubles en disolventes orgánicos, por lo que incluyen las anteriores mas los hidrocarburos acíclicos, que, en el medio geológico, suelen provenir de la diagénesis de los ácidos grasos. Es decir, el petróleo, los combustibles y el carbón contienen lípidos.

TRIACILGLICERIDOS o GRASAS

Centremonos en los triglicéridos, ya que van a constituir el material de partida de nuestro biodiesel. Estas moléculas se componen de dos partes: glicerina y ácidos grasos. Químicamente a este tipo de moléculas las llamamos ésteres. En un éster, el carboxilo (-COOH) terminal de un ácido orgánico (en este caso un ácido graso), reacciona con un hidroxilo (OH) de un alcohol, liberando el éster y agua:

R-COOH + R’-OH –> R-COO-R’ + H2O donde R designa a una cadena hidrocarbonada o grupo alquilo, que cuando va unido al carboxilo, es decir, formando R-COO, se denomina grupo acilo . De ahí la denominación de las grasas: tres grupos acilo se unen a los tres -OH libres del glicerol formando un triacilglicérido.

La reacción, como veremos al fabricar el biodiesel, no es tan simple como mezclar los componentes. Para que la esterificación tenga lugar, necesitamos un medio deshidratante (para desplazar la reacción a la derecha al retirar el agua) o bien necesitamos activar el ácido o el alcohol.

Este es el aspecto de una molécula de triglicérido:

En el centro hay una molécula de glicerina (las bolas rojas son átomos de oxígeno) a la que se unen tres moléculas de ácidos grasos, que tienen ese peculiar aspecto de cadena de cuentas. De hecho los químicos llamamos a esta estructura “cadena hidrocarbonada” porque esta formada por carbono e hidrógeno. En este caso, este triglicérido esta formado por dos moléculas de ácido esteárico (las ramas rectas) y una molécula de ácido oleico (la rama curvada).

Los triglicéridos tienen pecularies propiedades: como son moléculas grandes y con poco oxígeno, y ademas este oxígeno

esta “enterrado”, son insolubles en agua. Son lo que llamamos moléculas apolares. Por eso se disuelven en disolventes apolares, como el cloroformo, pero repelen el agua. Además, como decía, es una molécula grande, y según los ácidos grasos que la compongan puede ser un líquido viscoso, como los aceites vegetales, o un sólido, como la manteca. En esto, a mas insaturación (mas “curvas” en las ramas), mas líquido es el triglicérido.

Bioquímicamente son importantes, pues las membranas de nuestras células los contienen (junto con otros lípidos importantes) y, sobre todo, porque almacenan muchisima energía en poco espacio. Por eso nuestros michelines estan formados básicamente por triglicéridos como éste. Constituyen el depósito de gasoil de nuestros cuerpos. Y si tomamos exceso de hidratos de carbono, las células los transforman en triglicéridos para optimizar el almacenamiento de energía. Por eso muchos bollos y mucha azucar=mucha lorza.

ACIDOS GRASOS

Los ácidos grasos son componentes importantes de varios tipos de lípidos: las grasas que explicamos antes y las ceras, por ejemplo. Los ácidos grasos son fundamentales para la vida y muchos de ellos son esenciales, es decir, nuestra bioquímica no puede generarlos y es necesario obtenerlos de la dieta. Por ejemplo, el ácido linoleico y el ácido linolénico. Necesitamos tomar aceites vegetales, nueces, cereales y carne, pues son las fuentes de ácidos grasos esenciales. Las dietas muy pobres en grasa pueden dar lugar a falta de ácidos grasos esenciales y provocar problemas, como sequedad de la piel y dermatitis, problemas de cicatrización, debilidad o pérdida de cabello.

Una cosa importante que quiero enseñaros, porque os vendrá bien cuando oigais hablar de los ácidos grasos en el periódico o en la tele, es cómo se denominan.

Se dividen en dos grandes grupos:

Acidos grasos saturados: los que en la imagen que habéis visto antes son “rectos”. Suelen dar lugar a grasas sólidas y ellos mismos suelen ser sólidos de bajo punto de fusión y aspecto céreo. Ejemplos, son el ácido esteárico (muy comun en animales y aceites), ácido palmítico (comun en el aceite de palma) o el ácido mirístico.

Acidos grasos insaturados: son los “curvados”. Esto es debido a la presencia de uno o mas dobles enlaces carbono-carbono en diferentes puntos de la cadena. Para que lo entendais, la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos “rectos” sería así:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2…

y cuando tenemos una insaturación, o sea, un doble enlace que produce una “curva” en la molécula, la cadena sería así:

CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH2…

Asi, hay dos subtipos de ácidos grasos insaturados:

Acidos grasos monoinsaturados: tienen un solo doble enlace, como el ácido oleico.

Acidos grasos poliinsaturados : tienen mas de un doble enlace, como por ejemplo el acido linoleico.

La nomenclatura hace referencia a la estructura. Por ejemplo, el ácido oleico se denomina 18:1 delta 9, omega 9. Esto significa que tiene 18 carbonos en su cadena, un solo doble enlace (es monoinsaturado) y la posición del doble enlace es delta 9 (en el noveno carbono empezando por el carboxilo, la parte que tiene oxigeno) y omega nueve (el noveno carbono empezando por el otro lado).

Esto de omega os suena, ¿verdad?

Hay varios grandes grupos de ácidos grasos segun las posiciones de sus dobles enlaces. Básicamente todos son omega 3 , omega 6 y omega 9 Los omega 3, como el ácido alfalinolénico, son muy importantes en nuestra dieta, proceden sobre todo del pescado azul, las nueces y el aceite de lino.

Para las chachi - dieta sana, estos ácidos son la panacea

bendita. Parece ser que son muy importantes para mantener nuestra salud cardiovascular, entre otras cosas.

Una molécula de triglicérido: con lo que habeis aprendido podemos identificar sus ácidos grasos. El primero es 18:0 (acido estearico). El segundo es 18:1 delta 9 (el doble enlace esta en el noveno carbono empezando por la O), omega 9 (el doble enlace esta en el noveno carbono empezando por el lado contrario. Es acido oleico) y el tercero es 16:0 (acido palmítico).

Los omega 6, como el ácido araquidónico, el acido gammalinolénico o el acido linoleico, proceden sobre todo de animales (en especial la parte de la piel) y algunos aceites vegetales. Aunque a los chachis no les gustan tanto, y hacen chorradas como quitarle la piel al pollo y esas cosas, tambien son muy importantes para nuestra salud. La clave está en el equilibrio: una dieta desequilibrada en ácidos grasos con alta proporción de saturados y omega 6 (exceso de grasa animal) es perniciosa para la salud. Pero un leve exceso de omega 6 respecto omega 3 parece ser la condición perfecta.

En la naturaleza los acidos grasos insaturados suelen ser “cis” , es decir, la curva de la molecula (volved a la imagen) tiene forma de “barquito”. Mas raros son los ácidos grasos “ trans”, que tienen forma de “zeta” muy estirada, casi indistinguible de los insaturados rectos. Se encuentran en la grasa de la vaca, y sobre todo proceden de fuentes artificiales. La margarina, uno de los grandes engaños de la alimentación, es rica en grasas “trans” y se han asociado con

problemas de corazon y algunos cánceres. ¿os dais cuenta de que ya no anuncian margarinas…?.

Aquí veis dos moléculas de ácido oleico: el ácido transoleico (abajo) y el ácido cis-oleico (arriba). Sólo se diferencian en la disposición de los átomos en torno al doble enlace. Los químicos llamamos isómeros a las moléculas que tienen la misma fórmula, pero diferente geometría. El hecho de que la molécula sea recta o curvada le confiere propiedades diferentes, aunque ambas sean ácido oleico. Tambien se usan mucho las grasas con ácidos “trans” en la bollería industrial, ya que es una grasa mucho mas barata que la mantequilla natural, que es mucho mas sana, ademas de estar mas buena (aunque no hay que tomar en gran cantidad, claro). En fin…ya veis que ¡todo es química! la química esta en el centro de todo. A pesar del peñazo que os enseñaban en esas horribles clases de química del BUP y el bachillerato.

BIODIESEL

Bien, tras esta introducción a las grasas, vamos a hacer biodiesel. Los aceites vegetales que se usan en la fritanga son triglicéridos de composición muy diversa, como el que os he enseñado antes. Dado que tienen glicerol, que es una molécula polar de la familia de los azúcares (pero mas pequeña), el aceite vegetal no se puede usar directamente como

combustible, ya que la parte polar se carboniza, produciendo un residuo de carbono que arruinaría el motor. Sería casi como echar azúcar al motor.

Como os contaba antes, los hidrocarburos, como los que componen el petróleo o el combustible diesel, proceden generalmente de la diagénesis de ácidos grasos de seres vivos (mayormente bacterias y algas) que vivieron hace millones de años. ¿y si usamos la cadena de hidrocarburo que contienen las grasas de la misma forma?

Así, podemos realizar una transformación química en el aceite, que implica sustituir el glicerol por un alcohol mas ligero, el metanol, de modo que a partir del triglicérido obtengamos esto:

Este es el estearato de metilo, un FAME, el tipo de moléculas de que está compuesto el biodiesel. Como veis, hemos quitado las “ramas” en la molecula de antes y las hemos dejado sueltas. El oxígeno sigue bloqueado por el carbono, para que la molécula siga siendo apolar. Esta transformación se denomina transesterificación, que, a diferencia de la esterificación que pusimos ántes, es mucho mas facil de realizar en el laboratorio:

R-COO-R’ + R”-OH –> R-COO-R” + R’-OH

Si comparáis la molecula que os he mostrado con uno de los componentes habituales del gasóleo, el cetano , vereis por dónde van los tiros:

Se parecen, verdad? de hecho, los metil - esteres de ácidos

grasos o FAME son líquidos, algo menos viscosos que los aceites e inflamables. Antes os contaba que los hidrocarburos del petróleo son lípidos que proceden de las grasas tras un proceso de diagénesis. Como veis, la diagénesis es el proceso natural por el que un ácido graso de origen biológico pierde los “puntos rojos” (el oxígeno), quedando solo el esqueleto apolar. Como ya explicamos en otro post, esto es un “ fósil molecular“. Por eso el gasoleo es un “combustible fósil“. Ya Rudolf Diesel , el señor que inventó el famoso motor, lo hizo pensando en que se usara con aceites vegetales, no con petroleo, algo que estratégicamente les convenía muchísimo a los alemanes, debido a que tenían dificil acceso a yacimientos petrolíferos. Rudolf Diesel pronosticó, a principios del siglo XX, que el aceite vegetal sería la fuente de combustible mas usada algun dia. ¿tendrá razon?.

BIODIESEL EN EL LABORATORIO DEL CIENTÍFICO AFICIONADO

Vamos a hacerlo ahora en la práctica. Necesitaremos:

– un reactor adecuado (ver mas adelante, pero aquí la imaginación al poder…)

– Alcohol de quemar (metanol, puro, al 100% y sin colorantes)

– Hidróxido sódico (sosa caustica) en pellets o lentejas

– Aceite vegetal usado.

Conseguid el aceite vegetal usado, sucio y asquerosillo, pero no os paseis. Si el aceite esta muy quemado, tiene demasiadas impurezas, ácidos libres y productos de pirólisis y no valdrá. Yo he usado este:

Previamente al uso, filtrad el aceite con un colador en el que habréis puesto una tela de algodon, de una camiseta vieja o algo asi. Preparad 250 ml de aceite usado

Ahora poned el aceite en el reactor. Yo he usado este sistema, junto con los reactivos necesarios:

El reactor consta de una placa calefactora con agitación (la agitación es importante), el reactor en sí mismo (un matraz con tres tubuladuras), control de temperatura y un refrigerante de reflujo, para evitar pérdidas de metanol. Deformación profesional…pero aquí es cuestión de imaginación. Simplemente tengo un reflujo para evitar que se vaya metanol (que es tóxico) durante la reacción, un agitador y placa calefactora y ya está. Pero si sustituis el metanol por etanol o bien realizais la cosa al aire libre, podeis hacer la reacción en cualquier recipiente que podais calentar a 55-60 grados.

Ahora, eso mismo, calentad a 55-60 grados el aceite Mientras tanto, tomad 45 ml de metanol puro y añadidle 1.8 gramos de sosa caustica (hidróxido sódico) en perlitas (el vaso que se ve en la imagen). La sosa se va disolviendo letamente en el metanol. Agitad un poquillo para ayudar y ya esta. La mezcla queda algo turbia, no pasa nada. Al disolverse, la sosa forma con metanol el metóxido sódico que favorece la reacción de transesterificación. Es decir, activamos el alcohol para que la reacción tenga lugar:

CH3-OH + NaOH –> CH3-O- Na+

CH3-O-Na+ + R-COO-G –> R-COO-CH3 + G-OH (G es glicerol y R un grupo alquilo. R-COO es el grupo acilo)

Una vez disuelto, añadidlo al reactor, manteniendo la agitación.

Vereis que la mezcla se pone mas oscura, mas viscosa al principio, y vereis el reflujo del metanol… pero enseguida se vuelve menos viscosa y mas móvil y no se aprecia condensación de metanol. La reacción transcurre muy rápidamente. Tras unos quince o veinte minutos, detened la agitación. Vereis esto:

Hay una fase superior, que contiene los FAME, o sea, el biodiesel. Pero ¡cuidado! aún es impuro y no se puede usar. En la parte inferior, muy oscura, esta el glicerol. Este glicerol es muy impuro, pues contiene sales, jabón procedente de una reaccion secundaria indeseada, que es la saponificación, ademas de gran parte de las impurezas y productos asquerosillos que contenía el aceite.

Saponificación: R-COOH + CH3-ONa –> R-COONa + CH3OH.

Este es nuestro amigo el glicerol. Como veis, contiene mucho oxigeno (bolas rojas). La bolita pequeña blanca pegada a la bola roja nos indica que es una molécula muy polar (grupo -OH o hidroxilo, que tiene mucha afinidad con el agua). Los ácidos grasos estaban “enganchados” a la bola roja donde ahora hay una bolita blanca pequeña. Era un éster. Ahora el glicerol es un alcohol libre.

Hasta aqui la parte facil.

Ahora separad la fase del biodiesel y el glicerol. El glicerol podría en teoría purificarse para obtener glicerina pura, pero es un proceso laborioso, asi que lo vamos a desechar. A nivel industrial si que es conveniente el refinado del glicerol, por razones ecológicas y por razones económicas, pues el glicerol

es un producto interesante en la industria quimica y farmaceutica.

La fase del biodiesel para poder usarla hay que purificarla. Lo primero que hacemos es un lavado con agua, para eliminar sosa, jabones, glicerina y metanol que queden y que lo arruinarían como combustible. Para ello añadimos agua y agitamos con suavidad. Si agitamos fuertemente se formaran emulsiones muy molestas. Tras un par de lavados, dejamos el biodiesel sobre sulfato sódico anhidro para deshidratarlo todo lo posible y lo pasamos a una purificación en columna:

El biodiesel impuro (en el matraz de la izquierda) lo pasamos por una columna de vidrio que contiene carbon activo (absorbe productos que dan mal olor), gel de silice para cromatografia (retiene compuestos polares) y gel de silice granular previamente calcinada (para secar). El biodiesel limpio emerge como un líquido mucho menos viscoso que el aceite original, transparente, amarillo mas o menos claro segun el aceite de partida, de olor extraño, pero no desagradable. Le cuesta un poquito mas comenzar a arder que al gasoil, pero una vez prendido arde con llama amarilla y algo fluliginosa

desprendiendo mucho calor. La dificultad para inflamarlo lo convierte en un combustible bastante seguro.

Aqui teneis el producto final. Biodiesel bien limpito a partir de un aceite de fritanga muy guarro. Bueno, es solo un tubo con una muestra. El rendimiento es elevado (aprox. 90-95%, dependiendo de lo finos que seais), lo cual es una ventaja para la producción industrial o semi-industrial. Cuando veo estas cosas siempre pienso que la Química es una especie de maravillosa y bella magia.

Este es un metodo muy simplificado. Realmente hay pasos que he omitido, como por ejemplo la titulación del aceite original para determinar el consumo de sosa necesario para neutralizar los ácidos libres. Sin embargo, la proporcion de aceitemetanol - sosa que os doy vale para la mayor parte de los aceites sin problema.

ANALISIS

Esta parte esta fuera del alcance de un aficionado en su casa o de un laboratorio de instituto de Secundaria, ya que requiere un cromatógrafo de gases llamado GC - MS por los químicos. Yo si que he podido hacerlo (ventajas de los profesionales), porque claro, uno se pregunta que tal ha ido la cosa en cuanto a composición. Y este es el resultado del

biodiesel que os he mostrado antes:

Esto que veis es lo que se llama “cromatograma” del líquido de la foto anterior. Los productos principales son:

4. Ester metílico del acido linoleico (un acido esencial tipo omega 6. Para nosotros su ingesta es fundamental, pues se requiere para la sintesis del acido araquidónico, sin el cual no podrían formarse nuevas células)

3. Ester metílico del acido palmítico

5. Ester metílico del ácido esteárico. (ambos saturados)

y ya en menor cantidad

1. metil miristato

2. metil ester del acido palmitoleico

5. metil ester del ácido behénico. Este ácido es uno de los componentes principales de la manteca de cacahuete y es una de las grasas “malas” que suben el colesterol.

Como veis por la composición, el aceite original era un aceite de freir rico en omega 6, probablemente era un aceite de girasol, dado el alto contenido en acido linoleico.

Aqui veis otra utilidad de la transesterificación: nos permite

analizar en forma de FAME el contenido en ácidos grasos de un aceite o grasa. Este tipo de procesamiento previo que se utiliza en análisis se denomina derivatización

Este proceso de transformación de los ácidos grasos de un triglicérido en FAME lo llevan a cabo de modo natural muchas bacterias. Es un proceso que tiene lugar en suelos y sedimentos y el análisis de FAME tiene utilidad para hacer quimiotaxonomía: determinar una población bacteriana en función de los FAME que produce.

¿REALMENTE EL BIODIESEL ES UNA ALTERNATIVA VIABLE?

Mucha gente aficionada a la ecología así como anti-petroleros abogan por fabricar biodiesel incluso en mini-plantas a nivel de “garaje”. Uno de los argumentos es que obtener biodiesel cuesta uno 10 céntimos el litro. Comparado con el casi 1,5 euros que cuesta el litro de gasoil, lo convierte en un argumento atractivo.

En efecto, obtener biodiesel si has conseguido una fuente estable y gratuita de aceite vegeta l usado parece algo ecológico y barato. Pero si habéis llevado a cabo el proceso que os contaba arriba, os surgirán las siguientes cuestiones:

– En efecto, los materiales son baratos. Pero…¿y el proceso? ¿y la purificación?. El paso mas delicado de la síntesis es la purificación y no es un paso trivial. Un biodiesel purificado incorrectamente es corrosivo y contiene productos polares que pueden destruir rápidamente el motor de nuestro vehículo. Restos de g licerina o jabón en el biodiesel averiarán rápidamente el sistema de inyección o griparán el motor. Un biodiesel que ha sido secado insuficientemente producirá mas humo, mas corrosión del motor, menos rendimiento energético y favorece la contaminación microbiana, reduce la duración del sistema de alimentación del motor y aumenta la probabilidad de averías. Asi que el biodiesel debe secarse bien y esto es lo mas dificil.

La purificación debe ser escrupulosa. Esta purificación tiene un coste energético, de tiempo y de materiales (cualquiera que sea el método elegido, hay varias opciones) que hay que añadir, ademas de la tarifa energética del proceso de reacción. ¿asumiras el riesgo y coste de producir tu propio biodiesel?

– Residuos. La fase que contiene el glicerol contiene residuos tóxicos que requieren ser eliminados.

- productos tóxicos: el metanol es muy tóxico, volatil e inflamable. Una alternativa es sustituirlo por etanol, sin embargo el producto se encarece bastante.

– Producción industrial: la produccion industrial de biodiesel requiere importantes extensiones de cultivos dedicadas al aceite que se usa como materia prima. Esto puede constituir un grave problema ecoló gico y social al desviar grandes extensiones de la alimentación humana a la producción de biodiesel. Y al no ser cultivo de alimento, puede dar lugar a problemas de contaminación, por el uso indiscriminado de pesticidas y herbicidas. Por otro lado, la producción de biodiesel requiere plantas químicas donde se fabrique el metanol (que también puede provenir de fuente vegetal) y el hidróxido sódico.

Desde el punto de vista industrial ademas, un problema del biodiesel es su rápida degradabilidad. La presencia de acidos insaturados (como el linoleico) lo hace muy sensible a la oxidación, es mas hidrofilo que el gasoil y sufre degradación bacteriana rápidamente. Desde que se produce hasta que se usa no pueden pasar mas de unos meses, con lo cual el almacenamiento es un problema añadido.

Yo pienso que si resolvemos el problema del refinado, la producción de biodiesel casero puede ser interesante para el uso del vehículo propio asi como otros usos (calefacción…).

Sin embargo no todo el mundo puede disponer de sitio para la pequeña instalacion de biodiesel ni de una fuente constante de

materia prima. Y a nivel industrial, algun dia la producción de biodiesel a partir de algas y hongos evitará el uso de enormes cultivos de soja o palma para biodiesel y no para alimentación, uno de los problemas asociados a este combustible. Y el resto de los problemas serán resueltos con la ayuda de la química seguro…

Ninguna solución es la panacea hoy por hoy, pero ¿es el biodiesel el combustible para el futuro?. Mi opinión es que…quien sabe, depende de los avance de la investigación química….

Esta entrada participa en la XX edición del Carnaval de Química organizado por @bioamara en el blog La Ciencia de Amara

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Biomineralizaciones algales: aragonito

en Spirogyra

September 23, 2012

Manuel Tapia, un lector habitual de este blog y apasionado de la microscopía, me ha enviado unas bonitas imágenes de cristales intracelulares en el alga de agua dulce Spyrogira. Tras las biomineralizaciones en cebollas, sus imágenes son la continuación perfecta, por lo que con su permiso las voy a compartir con todos vosotros.

Bien, esta es el alga Spirogyra en una bellísima imagen obtenida por Manuel con un no menos bello microscopio Olympus:

Es un alga verde filamentosa, formada por largos filamentos sin ramificar formados por muchas células individuales dispuestas en hileras y recubiertas de una capa de celulosa y

de pectina, que le dan ese tacto mucoso a las algas. Ocasionalmente, en aguas limpias y algo eutrofizadas, se da en grandes colonias que forman “mats” en la superficie del agua y en las riberas. No es peligrosa e incluso sirve de alimento en algunos lugares de asia. Una peculiaridad son esos filamentos helicoidales llenos de “cuentas”: son los cloroplastos, donde se fabrica el alimento que comemos y el oxígeno que respiramos…que, contra lo que muchos pensareis, no viene del Amazonas o cualquier “pulmón”, como los suelen llamar en el telediario, (un bosque maduro está en equilibrio y ni reduce el CO2 ni aumenta el oxígeno atmosférico), sino de multitud de algas y bacterias fotosintéticas oxigénicas. Si el microscopio esta equipado para fluorescencia, la observación del alga con luz UV haría que se vieran los cloroplastos con una bella fluorescencia roja debida a la clorofila y otros pigmentos.

Aparte de las “cuentas”, donde se produce el proceso redox que transforma el CO2 en alimento para el alga y en oxígeno para nosotros, observais como unas masas verdecillas que van rodeando el collar de cuentas, como una “tripilla”. Eso se llama pirenoide y son masas formadas por acumulación de un enzima, la RuBIsCO (sic). Este enzima que podéis ver en el alga (no se ve en células de plantas terrestres, debido a la diferente difusión del CO2 en el medio aéreo y en agua) es una gran proteína y la directa responsable de que podamos comer: fija el dióxido de carbono formando el fosfoglicerato, que luego da lugar a los azúcares. Este es el lugar donde se produce toda la biomasa terrestre y es la proteína más abundante del planeta: por cada ser humano hay unos 5 kg de RuBisCO y en total se estiman unos 40 billones de toneladas que, a su vez, contienen unas 8 a 10000 toneladas de magnesio.La siguiente proteína en abundancia es probablemente la actina, una proteína abundante en el músculo y en el citoesqueleto de las células.

Modelo del enzima RuBisCO de espinaca. (PDB 1AA1). Es un gran enzima formada por un conjunto de subunidades iguales. Su estructura es ancestral, se denomina barril TIM (alfa-beta)8 y está formada por una secuencia estructural con 8 láminas beta (purpura) alternas con 8 hélices alfa (rojo). Este tipo de estructura se repite en muchos enzimas metabólicos.

Detalle de una de las subunidades del enzima RuBisCo. Se observa, en púrpura, a la izquierda y visto desde arriba, el barril TIM, en el que se sitúa el átomo de magnesio (bolita

amarilla). Aquí es donde tiene lugar la reacción química por la que el CO2 se incorpora para formar dos moléculas de fosfoglicerato, que se procesa para formar los azúcares. Esta es la estructura proteica que mantiene la vida en nuestro planeta y se originó hace miles de millones de años.

Reacción de fijación de CO2

Centro activo. La reacción de la RuBisCO tiene lugar gracias a la formación de complejos de magnesio y a la química de las aminas: la carboxilación de la lisina.

La RuBIsCO produce el oxígeno que respiras. De hecho, actualmente necesitaríamos más de 40 kg de RuBIsCo por persona para que esta enzima pueda ayudarnos a frenar el cambio climático. Y éste es el problema. La RuBisCO no es un enzima

eficiente. Transformar el dióxido de carbono en compuestos orgánicos es un proceso complejo, energéticamente poco favorable. Además, el enzima evolucionó antes de que hubiera una alta concentración de oxígeno atmosférico. Este tiene un efecto inhibidor, reduciendo la actividad del enzima. Hay además otros problemas (derivados del hecho de que los enzimas no fueron “diseñados” sino que evolucionaron) que hacen que su capacidad para fijar CO2 no sea muy alta y sea éste un proceso más lento que nuestra capacidad para verter CO2 a la atmósfera. Por ello, los árboles y las algas no pueden salvarnos. Es muy difícil además modificar genéticamente el sistema, ya que la RuBisCo no está aislada, sino que, para ejercer su función, requiere el complejo de la fotosíntesis. Un objetivo científico actual es crear organismos fotosintéticos supereficientes, que recojan el CO2 atmosférico a gran velocidad, transformándolo en productos orgánicos.

Aparte de esta maravillosa imagen del alga con sus cloroplastos y pirenoides, Manuel ha observado con buen criterio estos cristales desarrollados en el citoplasma:

Cristales de aragonito. La medida de uno de los cristales largos es de 19 micras.

Son crecimientos en forma de cruz de cristales de aragonito Estos cristales, de seguir desarrollandose, segun las condiciones podrían formar una macla pseudohexagonal o grupos aciculares. Comparad la forma de las agujas con estos cristales:

Este es un caso de biomineralización muy importante, ya que la fijación de CO2 por parte de algas y bacterias es la que ha permitido que el nivel de este gas en la atmósfera se redujera, formando enormes depósitos de carbonato de calcio que han ido formando nuestros paisajes. Al ir muriendo y formando parte de los sedimentos, la enorme cantidad de biomineralización de carbonato cálcico fue acumulandose, generando muchas de las rocas calizas que conocemos ahora. Las rocas carbonatadas de origen biológico son un depósito de CO2 que fué retirado de la atmósfera por los organismos vivos, permitiendo la vida actual.

La formación de estos cristales en el interior del alga parece ser un proceso dependiente del medio en que se encuentra y de la concentración local de carbonato y dióxido de carbono disuelto en el agua. Estos cristales actúan además como depósito de calcio para la actividad celular. Es una función similar a la que ejercen nuestros huesos (formados por fosfato de calcio): la formación de sales insolubles de calcio regula la homeostasis de éste metal en la célula, creciendo o disolviéndose los cristales según necesidad. Además, estos cristales pueden contener otros metales, como plomo o cadmio, con lo que estos cristales tienen también un rol en la detoxificación.

Aquí veis un grupo de cristales intracelulares de aragonito, vistos en contraste de fases. La pared entre dos células indivuales del alga y la cubierta exterior de celulosa son claramente visibles. En muchos casos, la célula controla la formación de éstos cristales mediante un proceso llamado ureolisis. Genera urea metabólicamente y la hidrólisis de ésta produce localmente el carbonato necesario para precipitar los cristales.

Habéis visto un ejemplo de una de las biomineralizaciones más importantes de la Naturaleza, que es la formación de carbonato cálcico o “calcificación”. Gracias a este proceso y la formación de cristales como éstos, la vida existe tal como la conocemos. Y, si habéis pensado en lo que os he contado en este post, espero que miréis las algas con otros ojos: vivís gracias a ellas y a otros organismos que son la fuente primaria de lo que os estais comiendo ahora mismo y de lo que estáis respirando en éste momento.

Mis microscopios: Leitz -

Wetzlar de 1898

January 16, 2012

A finales del si glo XIX, Leitz prácticamente dominaba el mercado europeo y americano de microscopios. La calidad de sus montajes y ópticas sigue siendo fascinante hoy día, mas de un siglo después.

Hoy os enseño al mas antiguo de nuestros microscopios Leitz:

E Leitz-Wetzlar EstativoV

Este era uno de los microscopios pequeños de latón que fabricaba Leitz en aquel entonces. Ideado para aplicaciones portátiles y enseñanza, no disponía de condensador ni enfoque grueso, que debía realizarse desplazando el tubo del microscopio de modo similar a los diseños de tambor mas antiguos. Si disponía de ajuste fino, el tornillo superior, que se realizaba con un curioso mecanismo de brazos mecánicos en lugar de piñones, como los desarrollos posteriores.

Se servía con dos objetivos y dos oculares de tipo Huyghens.

Este es el desmontaje de un ocular Huyghens del Leitz. Consta de dos lentes en ambos extremos del tubo y un anillo corrector de la aberración cromática, situado en una posición bien definida matemáticamente. Estos oculares eran sencillos y eficaces, sin embargo durante el siglo XX se desarrollaron los oculares de gran campo, que corregían mejor los defectos y aportaban mayor campo visual.

El ejemplar que os presento fue fabricado en 1898. En aquel momento costaba 28 $ segun un catálogo de la época. Puede que a nosotros nos suene poco ahora, pero 28 dólares en 1898 equivalen a aproximadamente 900 euros hoy día. Desde luego los microscopios nunca han sido instrumentos fácilmente asequibles. Este es uno de sus microscopios pequeños y asequibles. Para que hagais una idea, el microscopio profesional que utilizó Ramón y Cajal en sus estudios fue un

Leitz y su coste segun catálogo era de 400$, unos ¡13000 euros!.

Actualmente, un microscopio de características equivalentes y calidad media a buena cuesta entre 600 y 3000 euros.

El microscopio en el catálogo Leitz de 1894.

Y esto nos lleva a la calidad óptica. Uno de los medios de prueba habituales en microscopios ópticos de este tipo es el alga diatomea Pleurosigma angulatum. Un buen objetivo resolverá sin problema la estructura del esqueleto del alga y nos da una idea de la calidad óptica.

Si colocamos una cámara con un adaptador estandar para microscopio, podemos obtener una imagen con el microscopio Leitz y compararla con un microscopio moderno. En estas fotos no he usado pleurosigma, sino otra diatomea. Pura pereza, pero nos vale para examinar la óptica igualmente:

Diatomea observada con el Leitz de 1898. El viñeteado ha sido inevitable…Creo que Leitz no pensó en las modernas cámaras digitales.

Diatomea de la misma preparación con un microscopio moderno Motic BA 300 de 2007.

¿Se ve mucha diferencia? Realmente tanto el diseño como la óptica de los microscopios no ha cambiado demasiado en un siglo. Un microscopio compuesto sencillo actual es igual que uno de 1900. Una buena óptica nunca sufre obsolescencia. Así, una persona que quiera iniciarse en la observación microscópica no necesita una gran inversión. Basta con buscar un microscopio de segunda mano de buena marca (Leitz, Zeiss, Olympus, Sibert, Reichert, Wild, Bausch and Lomb y alguno mas) que nos guste, que esté bien cuidado, de cualquier momento del siglo XX. Por muy poco dinero tendremos un instrumento para toda la vida.

Respecto al que nos ocupa, poco sabemos de su historia. Seguramente perteneció a un médico. Fue adquirido en el famoso establecimiento de C. Baker, de 244 High Holborn, de Londres.

A partir de ahí, en algún momento del siglo XX terminó en Alemania y finalmente en manos de un coleccionista barcelonés.

Nuestro aparato con sus accesorios en su caja original firmada por C. Baker. Mas de un siglo dando vueltas por europa y con sus lentes intactas…quien sabe que ojos se habrán posado sobre sus oculares…

Un poco de histopatología: el cáncer de cólon bajo el microscopio.

January 4, 2012

Tras luchar contra el cáncer de cólon durante un tiempo, he aprovechado para aprender un poco sobre el enemigo y, como buen micronauta, navegar con mi microscopio entre mis propias células rebeldes. Confieso que ántes no he tenido fuerzas para mirar estas cosas, pero ahora estoy preparado para ello y, ya que hemos tenido que enfrentarnos a ello y hemos vencido, podemos sacarle un aprendizaje.

Yo no soy un experto conocedor de la histología. Sólo soy un humilde bioquímico alejado de los temas médicos, pero aun así recuerdo mis tiempos de doctorado en la facultad de medicina…asi que me he permitido inmiscuirme en el campo de los expertos en anatomía patológica para ver un poco que fué aquello que me ha consumido un año de mi vida y ya de paso contar un poco aquí para que sirva de orientación a quien tenga que pasar por ello.

Para ello la base ha sido un derecho que todos tenemos, aunque pocos aprovechan (y es normal..para qué querría uno hacerlo) y es el de disponer de todas las muestras que se han extraído de tu cuerpo. Lógico, son tuyas por derecho, son pedazos de ti, aunque sean pedazos malignos, y si los quieres, son tuyos. Así que en el hospital donde llevan mi caso han sido tan amables de pasarme unos trocitos de mi tumor, convenientemente fijados con formaldehído. Es curioso, algún dia no quedarán de ti mas que esos residuos, en alguna colección patológica.

Así, lo que os mostraré en las próximas lineas es el estudio bajo el microscopio de mi propio cáncer, con el que yo mismo realizaré el diagnóstico histopatológico. Os servirá para