Revista Conocimiento en Linea by Salvador Saavedra

Sociedad Max Planck

conTenido

editorial directorio Gobernador constitucional del estado de nuevo león licenciado Rodrigo Medina de la cruz director General doctor luis eugenio Todd Subdirector licenciado Juan Roberto Zavala director editorial Félix Ramos Gamiño educación Profesor ismael Vidales delgado ciencias Básicas y del ambiente doctor Juan lauro aguirre desarrollo Urbano y Social ingeniero Gabriel Todd ciencias Médicas doctor david Gómez almaguer ciencias Políticas y / o de administración Pública contador Público José cárdenas cavazos ciencias de la comunicación doctora Patricia liliana cerda Pérez la ciencia es cultura licenciado Jorge Pedraza educación Física y deporte doctor Óscar Salas Fraire las Universidades y la ciencia doctor Mario césar Salinas carmona diseño licenciada lindsay Jiménez espinosa licenciado Javier estrada ceja arte Gráfico arquitecto Rafael adame doria circulación Profesor oliverio anaya Rodríguez asistente editorial licenciada edith Flores ceballos

La Sociedad Max Planck, paradigma de investigación científica. Y nosotros, ¿por qué no?

la Sociedad Max Planck

Para Peter Gruss, presidente de la Sociedad Max Planck, en el mundo en que nos toca vivir, la ciencia juega un papel cen-

Buscan científicos de Max Planck soluciones a los retos del futuro Peter Gruss

tral para responder a los retos globales y resolver los problemas que enfrentamos, página 7; con base en los estudios

La visión debe preceder a la aplicación Peter Gruss

de los procedimientos y elementos que permiten a las plantas elevar sus ramas, o a los granos de trigo silvestre enter-

Los árboles muestran sus músculos Christian Meier

rarse en el suelo, los científicos de Max Planck construyen músculos sintéticos y materiales especialmente rígidos, pá-

Electricidad a partir de la biomasa Alexander Stirn

gina 13; como parte del proyecto ProBio, científicos de Max Planck buscan un método para generar energía a partir de

Imanes hechos por microbios Christian Meier

Papas a la carta genética Inga Richter

Los secretos de los granos cósmicos Thorsten Dambeck

Mi perro puede hacerlo Birgit Fenzel

Cura de crecimiento para células nerviosas Frank Bradke Stefanie Merker

la biomasa, página 19.

La papa es, después del trigo, el arroz y el maíz, la planta cultivada

Duelo en el mundo cuántico Peter Hergersberg

Portada

más importante en el mundo; mejorada con elementos resistentes a las plagas, podría, según científicos de Max Planck, página 29, contribuir a solucionar problemas de alimentación en muchos países; científicos del Instituto Max Planck en Mainz, página 34, tratan de descubrir los secretos de los llamados granos cósmicos, los meteoritos; algunos animales podrían tener habilidades, como los humanos, para percibir las perspectivas e intenciones de los demás, página 38.

Sociedad Max Planck

conTenido

consejo editorial Presidente del consejo de ciencia y Tecnología de nuevo león ingeniero Juan antonio González aréchiga director del Programa ciudad internacional del conocimiento ingeniero Jaime Parada Ávila cainTRa ingeniero enrique espino Barros lozano iTeSM M. c. Silvia Patricia Mora castro Uanl doctor Mario césar Salinas carmona doctora diana Reséndez Pérez doctor alan castillo Rodríguez ingeniero Jorge Mercado Salas

“ciencia conociMienTo TecnoloGia”, revista mensual, con un tiraje de 10,000 ejemplares editor responsable: dr. luis eugenio Todd Pérez. número de certificado de Reserva otorgado por el instituto nacional del derecho de autor: 04-2008052311205700-102. número de certificado de licitud de Título: no. 14158 número de certificado de licitud de contenido: no. 11731. domicilio de la Publicación: andes no. 2722 col. Jardín obispado, Monterrey, nuevo león. imprenta: Milenio diario de Monterrey, S.a. de c.V., con domicilio en ave. avena no. 17 col. Granja Sanitaria ixtapalapa, estado de México. distribuidor: Milenio diario de Monterrey, S.a. de c.V. con domicilio en ave. eugenio Garza Sada Sur no. 2245 Monterrey, nuevo león.”

Deja la agricultura surcos en el clima Julia Pongratz

Observaciones minuciosas hechas por científicos del Instituto Max

Evolución. Las moléculas se ordenan Tim Schröder

Planck en Martinsried, los llevan a pensar –y conducen investigaciones en este rubro-, que las células nerv-

Planta de energía solar en el follaje Harald Rösch

iosas del sistema central sí pueden recuperarse, en principio, de una lesión, página 45; científicos del In-

La Sociedad Max Planck, sinónimo de excelencia Patricia Liliana Cerda Pérez

stituto de Meteorología Max Planck, en Hamburgo, página 54, estudian el desarrollo de la agricultura en el

Otorga el CONACYT más de 150 mil becas en 40 años de existencia Doctor Óscar Vázquez

último milenio, y su investigación ha demostrado que la humanidad ha tenido un impacto significativo

Nuevas aplicaciones médicas de los láseres Roberto Ulises Cruz

“Ciencia versus magia” Keith Raniere

Se posiciona Ecofreeze Internacional en el mercado global

Atiende el CECYTE-NL a ocho mil estudiantes en 30 municipios

Abre sus puertas la Casa Universitaria del Libro

Comunicación, Literatura y Sociedad, libro digno de leerse y analizarse

en el clima, incluso antes del advenimiento de la industrialización.

Los biólogos no saben prácticamente nada sobre los primeros pasos titubeantes de la vida sobre la Tierra. En algún momento, sin embargo, las moléculas deben haberse agrupado

NOTA DE LA DIRECCIÓN:

para formar una estructura capaz de copiarse a sí misma. Detrás de

Esta edición de la revista CIENCIA. CONOCIMIENTO. TECNOLOGÍA fue realizada gracias al apoyo de FOMIX, Conacyt-N.L.

Teléfonos en la redacción: 8346 7351 y 8346 7499 info@conocimientoenlinea.com las opiniones expresadas en los artículos son responsabilidad exclusiva de sus autores.

este misterioso evento se esconde, página 58, el principio básico de la autoorganización, objeto del extudio de científicos de Max Planck en Stuttgart; científicos de Max Planck en Martinsried estudian la forma en que la fotosíntesis, optimizada, podría hacer una colaboración sustantiva a la solución de problemas energéticos futuros, página 63.

la Sociedad Max Planck,

paradigma de investigación científica. Y nosotros, ¿por qué no? ?

Sociedad Max Planck

ediToRial

unca es recomendable hacer comparaciones, pues muchas de ellas son cruentas y dolorosas; pero, como la ciencia busca en su proceso hegeliano dialéctico la verdad, es motivo de análisis profundo preguntarnos por qué en el gran país germano sí se puede y en el gran país mexicano no se ha logrado desarrollar. Mientras en la Sociedad Max Planck existen 12 unidades centrales y 80 centros de investigación que trabajan en forma armónica, con objetivos muy claros y coordinación muy estrecha para optimizar resultados y llegar a ser considerado el mejor del cosmos, en nuestro país seguimos con las dificultades propias del subdesarrollo, en la actitud mental de nuestros políticos federales y de la comunidad en general. Alemania ha sido capaz de sacudirse los estragos impresionantes de dos guerras mundiales y retomar el rumbo de los grandes filósofos, de los grandes románticos de la música y de los grandes poetas que, como Goethe, pudieron integrar la fuerza contundente de la estética hecha verbo en la poesía, con el interés y desarrollo de la ciencia y de la tecnología, que forman parte de su conciencia nacional. Con base en lo anteriormente señalado, y tomando en consideración que la UANL y el CONACYT invitaron al Max Planck Institute a presentar el Túnel de la Ciencia, en el cual se pudo observar la gran amplitud de las investigaciones que con una mística compartida se desarrollan en esa institución, llegamos a establecer un convenio para que pudiéramos publicar en nuestra revista algunos ejemplos de temas diversos, pero todos ellos actualmente en las prioridades mundiales que se describen en esta edición, especialmente dedicada para este objeto. Nuestra revista se llena de orgullo y sufre el reto inexorable de la comparación, al observar las grandes investigaciones que aquí se describen y que nos hacen desarrollar una nostalgia por nuestro pasado, ya que, en el proceso de preocuparnos por la lucha del poder político, dejamos a un lado la importancia manifiesta del poder del conocimiento; pues, aunque nuestro Estado representa un símbolo de la importancia de la sociedad del conocimiento, en nuestro país los progresos distan mucho de tener el alcance y la visión que se requiere para entender de una vez por todas que sin ciencia y tecnología propias, no podremos tener soberanía nacional, y arriesgaremos nuestra identidad cultural, así como seguiremos siendo testigos y espectadores

del impresionante desarrollo científico y tecnológico del mundo contemporáneo. Valga esta reflexión para rectificar el rumbo, y no resignarnos a convertirnos en un país o en un estado maquilador o innovador parcialmente de las grandes investigaciones científicas, con su alto valor agregado que representan las que aquí se describen, que no sólo son útiles para la llamada competitividad y la lucha por los mercados, sino que representan conciencias permanentes de la alta jerarquía que el conocimiento debe tener para beneficio del hombre. Conservando esta síntesis del pensamiento en un marco de comportamiento ético, podríamos, respetando la ciencia básica y aplicada, fortalecer el alimento espiritual del alma nacional que la educación en la ciencia representa, y que ahora sufre de una gran y endeble fragilidad.

Pienso, luego existo

DESCARTES 1596 a 1650

Max Planck, Premio Nobel por la teoría cuántica, dio lugar a un instituto. Los mayas inventaron el cero, y nosotros no creamos nada parecido.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Buscan cientĂficos de Max Planck soluciones a los retos del futuro

Se extienden sus investigaciones a todos los campos de la actividad humana

Peter Gruss Presidente de la Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Peter Gruss

a investigación da forma al futuro. La investigación fundamental, particularmente, amplía nuestro conocimiento acerca de las leyes de la naturaleza y de la sociedad; acerca de las estructuras y las interrelaciones, sentando las bases para que surjan novedades revolucionarias. Precisamente a estos motores fundamentales de la innovación se orienta la investigación puntera de la Sociedad Max Planck. Nuestros científicos trabajan día a día al límite del conocimiento. El mejor ejemplo de ello son los nuevos descubrimientos y desarrollos dinámicos, como los que estamos viviendo en el área de la medicina. El desciframiento del proteoma humano, sin ir más lejos, es sólo un primer paso para lograr métodos completamente nuevos con los que poder diagnosticar enfermedades de forma precisa en un futuro. Con este conocimiento también podrán hacerse terapias individuales a la medida de grupos de pacientes concretos. La gran variedad de temas de investigación a los que se dedican los más de 80 institutos Max Planck, no se limita a las ciencias biológicas: el abanico se extiende desde el área de trabajo del propio Max Planck —el Premio Nobel que da nombre a nuestra sociedad—, la física, pasando por la química y la investigación de materiales, hasta especialidades de las ciencias humanas y sociales como, por ejemplo, la historia del arte o diversos campos temáticos jurídicos. Todos los institutos de la Sociedad Max Planck están organizados en virtud de un principio básico: el centro de cada departamento lo constituye una científica o un científico que se encuentra entre los mejores cerebros del campo en cuestión. Para que desarrollen plenamente su creatividad y formen redes interdisciplinares, se les proporciona un excelente equipamiento y se les deja la mayor libertad posible, para que exploren las áreas que les parezcan más prometedoras. No en vano, para hacer nuevos descubrimientos, es necesario abrir nuevos caminos. Lo realmente nuevo surge, por lo general, en grupos pequeños y flexibles: éstos permiten la familiaridad y fomentan el atrevimiento. Si hacemos caso al historiador científico Roger Hollingsworth, son precisamente los equipos autónomos y flexibles de

tamaño medio, como los institutos Max Planck, los que pueden lograr los mejores resultados. En este número podrá adentrarse un poco en el trabajo de investigación de los institutos Max Planck: en él podrá saber, por ejemplo, cómo los investigadores de la Sociedad Max Planck intentan sonsacar sus secretos a los meteoritos cósmicos, cifrar mensajes según las leyes de la mecánica cuántica y detectar tumores con la ayuda de nanopartículas magnéticas. Además, los investigadores de la Sociedad Max Planck buscan soluciones para los grandes retos a los que tendrá que hacer frente el mundo en las próximas décadas: para alimentar a la creciente población, nuestros investigadores cultivan patatas con ciertas características de calidad, como la resistencia a las enfermedades. Los residuos vegetales se convierten en fuentes de energía y pasan del campo al enchufe: así, de la madera se obtiene energía eléctrica. Por su parte, otros grupos de trabajo se dedican a optimizar la eficiencia de la fotosíntesis para, de este modo, transformar la energía luminosa en energía química. Con ello, los investigadores de la Sociedad Max Planck contribuyen de forma notable a la superación de los retos actuales de nuestro planeta: a la energía del futuro, a la protección de los recursos naturales o a la lucha contra las enfermedades. Puesto que este importante cometido sólo se puede superar colaborando a escala mundial, la Sociedad Max Planck concede gran valor a la internacionalidad. Reclutamos a nuestros científicos de entre los mejores investigadores en el ámbito internacional. Éstos, a su vez, cuentan con contactos en todo el mundo y están presentes en numerosos países; trabajan en proyectos de investigación y cooperación y participan en grandes proyectos internacionales. Sólo en México hubo el año pasado 21 proyectos conjuntos: con las cooperaciones con el Instituto Max Planck para el Derecho Penal Extranjero e Internacional, así como con el Instituto Max Planck para la Investigación Demográfica, se mantiene una colaboración enriquecedora con el Instituto Max Planck de Ecología Química y el Instituto Max Planck de Astronomía. En estos proyectos, nuestros investigadores se dedican tanto a enfoques de derecho comparado en el derecho penal o a la historia de la ciencia como a la biodiversidad en la investigación de las plantas, así como a cuestiones de la física nuclear o a la formación de las estrellas y los planetas. En el año 2009, además, 79 científicos mexicanos invitados estuvieron visitando diferentes institutos Max Planck en Alemania. Una atracción especial para los jóvenes investigadores mexicanos es, desde hace poco tiempo, el cercano Florida Institute, en el campo de la investigación biomédica. El éxito de nuestra exposición «El Túnel de la Ciencia» ha demostrado también lo grande que es el interés por la ciencia en México (cf. Conocimiento, número 109, octubre de 2010). Me alegra poder presentarles a la Sociedad Max Planck y su labor de investigación de forma más detallada en este número.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Se trata del organismo de investigaciรณn mรกs exitoso de Alemania, de cuyas filas han surgido, desde su creaciรณn en 1948, 17 premios Nobel, lo que la pone a la para con las mรกs prestigiosas instituciones de investigaciรณn de todo el mundo

CONOCIMIENTO

Peter Gruss

n un mundo en constante cambio, la ciencia juega un papel central. Si queremos responder a los desafíos globales y resolver los problemas que enfrentamos, debemos incrementar nuestro conocimiento. Algunas de las preguntas fundamentales que deben abordarse son: ¿Cómo podemos predecir los terremotos y otros desastres ambientales con mayor precisión? ¿Cómo podemos contrarrestar la amenaza de las enfermedades? Y ¿qué es lo que tenemos que hacer para preservar nuestro planeta, el único hábitat que los seres humanos tenemos? En las sociedades modernas basadas en la división del trabajo, la investigación básica es la fuente más importante de conocimiento. No sólo pavimenta el camino para una mejor comprensión del mundo, cumpliendo así con importantes funciones culturales, sino que también establece requisitos previos esenciales para el uso de estrategias racionales para dominar los sistemas cada vez más complejos. No podemos predecir el futuro, pero podemos darle forma. Para ello, necesitamos nuevas ideas e innovaciones, que se encentran entre las principales fuerzas impulsoras de la economía. La Sociedad Max Planck, con su reconocida calidad internacional de investigación, es una importante fuerza para la fundación de una economía basada en la innovación competitiva. En el corazón de la Sociedad Max Planck están sus investigadores - que son los mejores en su campo-, que utilizan su experiencia extraordinaria y, sobre todo, su curiosidad y creatividad, para desarrollar y promover enfoques temáticos y metodológicos innovadores en sus respectivas disciplinas de investigación, que compiten con los Estados Unidos y los países emergentes de Asia, como China, India, Singapur y Corea del Sur, y por ello debemos asegurarnos de que continuemos atrayendo a científicos investigadores destacados de todo el mundo. La Sociedad Max Planck está muy bien posicionada para lograr lo anterior, pues ofrece el medio ambiente ideal para facilitar la investigación audaz y con visión de futuro, con combinaciones de disciplinas inusuales. Nuestros centros de investigación disponen de flexibilidad temática y estructural, así como de respaldo financiero, y son centros atractivos de formación para jóvenes científicos de todo el mundo. 17 PREMIOS NOBEL SURGIDOS DE SUS FILAS La Sociedad Max Planck es el organismo de investigación más exitoso de Alemania. Desde su creación en 1948, han surgido de sus filas de científicos nada menos que 17 premios Nobel, lo que la pone a la par con las mejores y más prestigiosas instituciones de investigación de todo el mundo. Una prueba del trabajo de investigación realizado en el Instituto Max Planck son las más de 13 mil publicaciones anuales en revistas científicas de renombre internacional. Muchos de esos artículos se encuentran entre los más citados en publicaciones relevantes.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

¿CUÁL ES LA BASE DEL ÉXITO? El atractivo científico de la Sociedad Max Planck se basa en su comprensión de la investigación: Los institutos Max Planck se construyen únicamente en torno a líderes investigadores de reconocimiento mundial. Éstos definen a sus investigadores, tienen las mejores condiciones de trabajo, así como rienda suelta para la selección de su personal. Éste es el núcleo del principio de Harnack, que se remonta a Adolph von Harnack, el primer presidente de la Sociedad Kaise Wilhelm, establecida en 1911. Este principio ha sido aplicado con éxito durante casi cien años. La Sociedad Max Planck sigue la tradición de su institución antecesora, con este principio estructural de la organización de investigación centrada en la persona. En la actualidad, los 80 institutos Max Planck llevan a cabo investigaciones básicas, al servicio del público en general, en ciencias naturales, ciencias de la vida, ciencias sociales y humanidades. Los institutos Max Planck se centran en campos de investigación que son particularmente innovadores, o que son especialmente exigentes en términos de necesidades de tiempo y financiamiento. Y su espectro de investigación está en continua evolución: las nuevas instituciones se han establecido para encontrar respuestas a cuestiones científicas seminales, con visión de futuro, mientras que otras se han cerrado cuando, por ejemplo, su campo de investigación ha sido ampliamente establecido en las universidades. Esta continua renovación preserva la convicción de que la Sociedad Max Planck tiene que reaccionar con rapidez a los avances científicos pioneros. Como dijo Max Planck: “Tal vez tenemos todas las razones para considerar la infinitud de esta lucha continua para el premio que nos hacía señas desde lo alto, como una bendición especial para el espíritu crítico del hombre. Éste asegura que sus dos más nobles impulsos perdurarán y tomarán fuego una y otra vez: entusiasmo y admiración”. UNA HISTORIA DE ÉXITO La lista que se reproduce a continuación corresponde a los 17 premios Nobel obtenidos por científicos de los institutos Max Planck: 1954 – Walther Bothe 1963 – Karl Ziegler 1964 – Feodor Lynen 1967 – Manfred Eigen 1973 – Konrad Lorenz 1984 – Georges Khöler 1985 – Klaus von Klitzing 1986 – Ernst Ruska 1988 – Johann Deisenhofer 1988 – Hartmut Michel 1988 – Robert Huber 1991 – Erwin Neher 1991 – Bert Sakmann 1995 – Paul J. Crutzen 1995 – Christiane Nüsslein-Volhard 2005 – Theodor Hänsch 2007 – Gerhard Ertl

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

FOMENTO AL POTENCIAL CREATIVO Como resultado de los cambios demográficos, Europa tendrá pronto una escasez de talento joven: para el año 2030 habrá 50 mil graduados universitarios menos que en 2005. En particular, las ciencias naturales y técnicas ya están experimentando una escasez de jóvenes investigadores, por lo que es aún más importante fomentar el interés de los jóvenes para que estudien estas áreas desde el principio. Los maestros juegan un papel importante en este proceso. Ésa es la razón por la que la Sociedad Max Planck les apoya con revistas informativas, que presentan temas de investigación de actualidad, de tal manera que fácilmente se pueden utilizar en los cursos de ciencias naturales para estudiantes de nivel senior vía académica. A pesar de esto, el número de jóvenes científicos talentosos de Alemania no podrá satisfacer la demanda en ciencia e investigación. Por eso, en 1988, la Sociedad Max Planck, en colaboración con las universidades, desarrolló un programa para motivar a jóvenes estudiantes talentosos de todo el mundo, para cursar su doctorado en Alemania, en el Organismo Internacional de Escuelas de Investigación Max Planck (IMPRS). Estas escuelas ofrecen a los jóvenes estudiantes ex-

EL PROGRAMA MINERVA La Sociedad Max Planck también fomenta el potencial científico de las mujeres jóvenes, con una amplia gama de ofertas, en su mayoría a través del Programa Minerva. En los últimos diez años, este programa ha logrado duplicar el porcentaje de mujeres entre los científicos de Max Planck. En 2008, la cifra se situó en 26 por ciento, y va en aumento, posicionando a la Sociedad Max Planck como una de las instituciones de investigación de alto nivel en Alemania. Las mujeres también reciben apoyo adicional a través de programas de tutoría, seminarios de formación avanzada y opciones de cuidado de niños. La Sociedad Max Planck fue la primera organización científica que se sometió a la auditoría de familia y amistad “berufundfamile” (trabajo y familia), y obtuvo exitosamente la certificación. Los científicos de alto nivel pueden elegir dónde quieren llevar a cabo su investigación. Ellos van adonde encuentran las mejores condiciones para su trabajo. La Sociedad Max Planck es un ícono nacional e internacional de la investigación alemana, y es por ello que atrae a científicos de todo el mundo. Cada año, más de seis mil jóvenes

celentes oportunidades científicas de investigación, y les proporcionan un apoyo amplio y oportunidades especiales para fomentar su desarrollo. Los estudiantes de doctorado que trabajan en la IMPRS proceden de un total de 85 países. Cada año, la Sociedad Max Planck premia con la Medalla Otto Hahn a las tesis sobresalientes de doctorado, y proporciona ayuda financiera a los autores, así como una posición posdoctoral en el extranjero. Como la cabeza de un Grupo de Investigación Max Planck en un Instituto Max Planck, los jóvenes investigadores pueden colocar la primera piedra para su carrera científica futura: luego, tienen cinco años para perseguir sus propias metas de investigación, con un presupuesto limitado, pero seguro. Estas posiciones son altamente codiciadas; se anuncian en el ámbito internacional y son premiadas en un proceso competitivo. Este programa de jóvenes profesionales ha probado su valía en el transcurso de sus 40 años de existencia, y ha sido adoptado por muchas otras organizaciones científicas en Alemania y en el extranjero.

investigadores extranjeros trabajan en los diversos institutos Max Planck. Un tercio de los directores y la mitad de los estudiantes de doctorado de Max Planck no tienen pasaporte alemán. Entre los investigadores posdoctorales, la cifra es aún mayor, el 80 por ciento. TESTIMONIO A este respecto, tenemos el testimonio de Otto Hahn: “Estoy inmensamente agradecido a la fortuna que me permitió pasar un tiempo en el extranjero después de mis años como asistente de investigación científica. Uno desea fervientemente que otros jóvenes estudiantes y asistentes de investigación puedan tener las mismas oportunidades. El hecho de que los jóvenes extranjeros eligen cada vez más a Alemania como un lugar de estudio contribuye a la realización de lo que todos queremos: librar al mundo de la incomprensión mutua”. Los científicos jóvenes que vienen de otros países y cuyo trabajo de investigación y talento los diferencia, pueden, al regreso a su país de origen, completar una resi

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

dencia de investigación en un Instituto Max Planck, para establecer un grupo asociado, con el apoyo de la Sociedad Max Planck. En la actualidad, existen más de 40 grupos de asociados que trabajan en Asia, Europa Oriental y América del Sur. Ellos son puentes importantes para la ciencia alemana en el extranjero. El establecimiento de centros internacionales de Max Planck es un paso más hacia la ampliación del espectro de la Sociedad Max Planck de investigación internacional. En 2005, junto con la Academia China de Ciencias, se estableció un instituto de “Biología Computacional y Teórica” en Shanghai. Además, se han previsto otros centros Max Planck en Argentina, India y Canadá. En la actualidad, se está creando un Instituto Max Planck de Bioimagen en Florida, bajo el paraguas de la Sociedad Max Planck, financiado por el Estado de Florida y Palm Beach Country. Hay planes para establecer más institutos Max Planck en Europa. IMPULSO AL PROGRESO A TRAVÉS DE LA INTERACCIÓN Cada vez se producen más avances científicos pioneros en diferentes interfases entre campos dispares. Por ejemplo, la decodificación de genomas completos de organismos diversos no habría sido posible sin la contribución de la informática. Se establece así un enfoque interdisciplinario para pensar y trabajar, así como la interacción global entre las instituciones científicas es requisito clave para una investigación exitosa. En astronomía, los grandes telescopios están siendo financiados conjuntamente por diferentes organizaciones, como investigadores del clima mundial, para la creación de campañas de medición, y diversos tipos de proyectos están siendo integrados por expertos en diferentes disciplinas. Los institutos Max Planck están involucrados en más de dos mil proyectos de cooperación, con casi seis mil socios, en más de cien países. Los científicos de Max Planck mantienen lazos estrechos especialmente con las universidades alemanas: el 80 por ciento de los investigadores de Max Planck que hayan obtenido su grado posdoctoral, participan activamente en conferencias para la docencia universitaria. Para profundizar aún más esta cooperación fructífera con las universidades, en 2005, la Sociedad Max Planck estableció el programa de Becas de Max Planck. Éste ofrece, a los profesores, la oportunidad de dirigir un grupo de trabajo en un Instituto Max Planck por un período de cinco años. APLICACIÓN DE DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS Aquéllos que realizan investigación en las fronteras del conocimiento, a menudo terminan en situaciones para las que no existen métodos adecuados, ni procedimientos, ni equipo, o pruebas y análisis establecidos. Es por ello que la necesidad es la madre de la invención y los investigadores a menudo terminan tomando caminos no convencionales. Al hacerlo, descubrieron nuevos materiales y sustancias con propiedades sorprendentes, o tropiezan con prometedores agentes terapéuticos o con el desarrollo de algoritmos de cálculo que abren insospechadas posibili-

CONOCIMIENTO

dades, muchas dentro del campo de la medicina. Muchas de estas ideas e innovaciones tienen aplicaciones comerciales, pero llegar allí implica a menudo un proceso muy largo y arduo. Por ejemplo, fueron necesarios unos 50 años para que los trabajos de Max Planck y Albert Einstein, en física cuántica, tuvieran su aplicación tecnológica en semiconductores y el láser, tecnologías que son clave y que han cambiado nuestras vidas. Sin embargo, a pesar de que muchos descubrimientos no son puestos en su aplicación práctica después de décadas, la investigación básica es fundamento de la innovación económica. Para lograr acelerar la transferencia de investigaciones prometedoras a potenciales tecnologías, se deben reforzar los lazos entre la investigación básica y aplicada. Con este fin, la Sociedad Max Planck ha comenzado recientemente a ampliar sus proyectos de cooperación con la Sociedad Fraunhofer, en determinados campos, tales como la informática, ciencia de los materiales, nano y la biotecnología y energías renovables, y explícitamente promueve proyectos en la interfaz de la ciencia básica y aplicada de investigación. A través de la filial Max Planck Innovation GmbH, la Sociedad Max Planck se asegura de que los avances cientí-

Sociedad Max Planck

ficos se conviertan en éxito económico. La innovación de Max Planck aporta las patentes y tecnologías al mercado, y ayuda a los fundadores en la creación de nuevas empresas basadas en los resultados de la investigación de la Sociedad Max Planck. Desde 1979, la empresa de transferencia de tecnología ha contribuido con más de tres mil invenciones y cerró más de mil 700 acuerdos de licencia. En los últimos 20 años, ha asesorado a 86 spin offs y generó unos ingresos de alrededor de 200 millones de euros para los inventores, así como para los institutos y la Sociedad Max Planck. “Yo estaba poseído de un ardiente deseo de sobrevivir a la crisis y de vivir el tiempo suficiente para poder experimentar el punto de inflexión, el comienzo de una subida”; escribió el Premio Nobel de Física Max Planck en 1942. Después de la guerra, se dedicó a preservar la Sociedad Wilhelm Kaise. 1948 La Sociedad Max Planck fue fundada en Göttingen, como una organización para conducir investigación básica internacional de alto nivel. El Premio Nobel Otto Hahn fue el primer presidente de la Sociedad.

Sociedad Max Planck

Gracias a la reputación internacional de Max Planck, la estructura de la institución fue mantenida, y en 1948 se restableció como la Sociedad Max Planck. En ese tiempo, comprendía 25 institutos y centros de investigación. En 1949, antes de que fuera establecida la República Federal de Alemania, los estados federales garantizaron el financiamiento sostenido de la institución. CONTINUIDAD Y TRADICIÓN DE DESARROLLO En los primeros años, las actividades estaban basadas particularmente en dos principios: el enfoque principalmente era exclusivamente en investigación básica, fuera de toda influencia política o de negocio, y los directores de los institutos eran expresamente requeridos para trabajar bajo los más altos estándares de excelencia científica. Desde entonces, se ha ido cimentando la práctica de colaborar con instituciones de fuera de Alemania. En este tenor, en 1959 se hizo contacto con el Instituto Weizmann en Rehovot, Israel, y para 1974 se estableció una asociación con la Academia China de las Ciencias, lo que marcó un hito en este aspecto. 1959 La Sociedad Max Planck y el Instituto Científico Weizmann firmaron un acuerdo de cooperación, incluso antes de que el gobierno alemán y el Estado judío hubieran establecido relaciones diplomáticas. 1969 La Sociedad Max Planck creó los Grupos de Investigación Max Planck, lanzando un concepto de promoción exitoso, que posteriormente sería copiado por diversas instituciones. 1978 En medio de la Guerra Fría y de la Revolución Cultural China, la Sociedad Max Planck y la Academia China de las Ciencias establecieron las bases para las relaciones científicas entre Alemania y China. 1989 Un avance de financiamiento exitoso permitió que la Sociedad Max Planck creara tres nuevos institutos, estableciendo su presencia, por primera vez, con al menos un instituto en todos los estados federales (del oeste). 1998 Con el fin de crear un paisaje uniforme, continuando con la unificación de Alemania, la Sociedad Max Planck fundó 18 nuevos institutos en los antiguos estados de Alemania del Este. Los años sesenta fueron un periodo de progreso sin rival para la Sociedad Max Planck. Se establecieron nuevos centros de investigación en materia de biología y bioquímica. También se expandió el espectro de investigación en los campos de la física y la química, incluyendo la astronomía. Los investigadores en el área de ciencias sociales y humanidades han buscado respuestas a preguntas sociopolíticas de actualidad, que se prestan al debate, y establecieron nuevos institutos, incluso algunos para sub campos de las ciencias legales y para investigación educativa. Para 1966, el número de institutos de investigación había crecido a 52. En los setenta y ochenta, la Sociedad Max Planck se concentró en la investigación innovadora e interdisciplinaria en campos prometedores y en el establecimiento de programas específicos, creando oportunidades para que los investigadores jóvenes puedan lanzar su carrera científica internacional. La reunificación de Alemania vino en una oportunidad única para establecer 18 nuevos institutos en el sur de Alemania durante 1998, abriendo la puerta a nuevas y numerosas áreas de investigación.

CONOCIMIENTO

2001 La Sociedad Max Planck reconoció su responsabilidad histórica. Una comisión independiente analizó la historia de la Sociedad Kaiser Wilhelm durante la época Nacional Socialista. 2008 El Instituto Max Planck en Florida fue establecido como el primer instituto Max Planck en suelo americano. El Premio Nobel Bert Sakmann fue designado director. SIGLO XXI Con el advenimiento del siglo XXI, la Sociedad Max Planck está fortaleciendo su actividad institucional en el extranjero, gracias al trabajo en conjunto de la Academia China de las Ciencias, con su instituto en Shanghai. La Sociedad Max Planck explora nuevas formas para incrementar su flexibilidad financiera.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

la madera, nueva fuente de ideas

los árboles muestran sus músculos Christian Meier

a fuerza no depende sólo de la masa muscular. Lo demuestran los árboles, que elevan sus ramas, o los granos de trigo silvestre, que se entierran por sí solos en el suelo. Peter Fratzl y sus colaboradores del Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite) estudian los materiales que permiten a las plantas realizar estos esfuerzos, y con base en los principios que descubren, construyen músculos sintéticos y materiales especialmente rígidos.

Para estudiar las estructuras diminutas de los materiales naturales, Ingo Burgert y su colaboradora, Antje Reinecke, los examinan con un poderoso aparato: un microscopio electrónico de barrido medioambiental. Foto: Norbert Michalke.

Los árboles no tienen músculos, al menos no de carne y sangre. Y, no obstante, levantan su propio peso y crecen en dirección al cielo. "Cuando una ramita se convierte en rama, crecen células de madera similares a músculos, para soportar el peso en aumento", dice Peter Fratzl, director del Departamento de Biomateriales del Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite, de Golm, cerca de Potsdam. Los músculos de madera doblan hacia arriba, verticalmente, el tronco de un abeto que crece en una ladera. "Ahora comprendemos cómo hacen esto los árboles", dice el físico.

Sociedad Max Planck

MÚSCULO ARTIFICIAL Con base en estos conocimientos, los investigadores han desarrollado un músculo artificial que convierte los cambios en la humedad del aire en movimiento. Este descubrimiento no fue una casualidad. Los científicos de Golm buscan sistemáticamente inventos de la naturaleza, ayudas que sirvan a los técnicos como base para crear nuevas propulsiones, válvulas microscópicas o materiales ligeros y, no obstante, robustos. Para esta búsqueda los científicos despliegan un arsenal de equipos de laboratorio y métodos de cálculo matemáticos, pues la naturaleza no muestra sus secretos fácilmente. Según Peter Fratzl, resulta tan difícil copiar los inventos de la naturaleza, porque la estructura de los organismos es muy compleja. Para ilustrarlo, toma como ejemplo los robots: "Su marcha era antes muy rígida y parecía un poco torpe", nos dice. "Los muslos y articulaciones rígidos no bastan para copiar el caminar ágil de los seres humanos". Esto se consigue sólo mediante la compleja interacción de huesos rígidos con músculos y tendones elásticos. "Los técnicos tuvieron que comprender primero el papel que desempeñan los diferentes componentes del aparato locomotor antes de poder construir un robot que caminase como una persona". La simple copia casi nunca es posible, también por otros motivos. "Desde la perspectiva de los ingenieros, la naturaleza no ofrece siempre la mejor solución", dice Fratzl. Por ejemplo, a un ingeniero se le podría ocurrir copiar un hueso para obtener así un material robusto y a la vez ligero. Pero los huesos no son sólo los pilares portantes del cuerpo, sino que almacenan también sus iones y albergan la médula ósea. "El mismo tejido biológico puede tener diferentes funciones", agrega Fratzl. Los huesos, los músculos y las ramas son polifacéticos, la respuesta a una cantidad innumerable de problemas con los que se vio confrontado el organismo durante la evolución. "Nosotros no sabemos a qué condiciones medioambientales tuvo que adaptarse un tejido durante su evolución", señala Fratzl. El bioingeniero holandés Rik Huiskes resume el problema de la siguiente forma: "Si los huesos son la respuesta, ¿cuál es la pregunta?" EL AGUA DA FUERZA A LOS MÚSCULOS DE MADERA Los investigadores todavía no saben qué tareas son las que el tejido realiza mejor y cuáles, por así decirlo, podrían considerarse secundarias. Para averiguarlo, los científicos del Instituto Max Planck de Golm estudian partes de plantas, células o huesos, bajo las condiciones imperantes en la naturaleza. "Intentamos dejar al descubierto el núcleo principal de las funciones individuales del tejido", dice Fratzl. Los ingenieros pueden modificar entonces esos principios funcionales de manera que la solución técnica cumpla su finalidad de la mejor forma posible.

CONOCIMIENTO

Aquí se puede aprender algo: Ingo Burgert estudia el mecanismo por el que se abren las piñas. Foto: Norbert Michalke.

ESPONJA DE HEMICELULOSA Los científicos tienen ya una pista del principio funcional de los músculos de madera. La envoltura de las células de madera tubulares puede absorber agua como una esponja. Esto es posible gracias a un entramado poroso de hemicelulosa, una macromolécula similar a la celulosa. Esta esponja de hemicelulosa es atravesada por fibras de celulosa, que parecen los cables portantes de un puente colgante. Esos hilos son cien mil veces más finos que un cabello humano, pero extremadamente rígidos, y pueden soportar grandes cargas sin expandirse. Son unas cien veces más rígidos que la esponja que los rodea y con la que están firmemente unidos. Cuando la esponja de hemicelulosa absorbe agua, se hincha. Las fibras de celulosa, en cambio, no absorben agua. La orientación de las fibras de celulosa decide entonces si la célula de madera se estira o se encoge. Dado que las fibras de celulosa húmedas no se expanden, la célula de madera sólo se puede expandir verticalmente con respecto a ellas. Esto significa que si las fibras están en posición transversal respecto a la rama, las células de madera se expanden en la dirección longitudinal de la rama. En cambio, cuando las fibras transcurren casi paralelamente a la rama, ocurre otra cosa: "A pesar de que la célula en total se hincha, se contrae en la dirección de la rama", dice Ingo Burgert, uno de los científicos del departamento de Peter Fratzl. Las fibras de celulosa húmedas se tuercen y se acortan. Esto es, las células con este tipo de fibras pueden tirar de la rama. "Cuando aumenta la carga que debe soportar una rama, se forman en el lado superior células que tiran de ella y en el lado inferior células que la empujan", explica Burgert. FUERZA DE TRACCIÓN O DE EMPUJE El árbol vivo abastece a las células siempre con suficiente agua para que puedan mantener su fuerza de tracción o de empuje. Las ramas muertas absorben, en cambio, humedad del aire. Los seres humanos utilizan este hecho desde tiempos inmemoriales para pronosticar el tiempo: para hacerlo, clavan una rama del grosor de un dedo en una tabla. Unos pocos centímetros sobre su extremo tallan la palabra lluvia en la tabla; un poco más abajo, la palabra sol. Cuando la humedad del aire aumenta y anuncia lluvia, las paredes de las células de madera se llenan de agua. Las células de la parte inferior de la pequeña rama se expanden, mientras que las de la parte superior se retraen. Como consecuencia, la rama se dobla varios centímetros hacia arriba.

CONOCIMIENTO

PATALEAR AL RITMO DEL DÍA Y DE LA NOCHE Y eso a pesar de que cada una de las miles de millones de células de madera se alarga o se acorta sólo en unas pocas milésimas de milímetro. Los investigadores de Golm han captado estos cambios diminutos con una cámara de vídeo de alta resolución. Los científicos quieren investigar ahora las células con mayor exactitud. "Queremos saber cómo cambian las fibras de celulosa cuando expandimos las células de madera", dice Burgert. "Los módulos mediante los cuales la naturaleza confecciona sus tejidos son moléculas individuales. Nos interesa la relación entre las características mecánicas, tales como la elasticidad o la resistencia a la flexión, y la estructura molecular del tejido". Para determinarla, los científicos han construido una especie de banco de estiramiento al que pueden fijar células individuales. Mientras expanden allí las células de madera, los investigadores las irradian también con luz láser. La luz dispersa les indica la forma en que cambian las cadenas de moléculas bajo la carga. Además, miden la rigidez de las partes de las plantas con un equipo de medición de ultrasonidos. Y determinan la orientación de las fibras de celulosa mediante la dispersión de rayos X. LOS GRANOS DE TRIGO Rivka Elbaum también se ha servido de los rayos X para investigar otra muestra de fuerza de la naturaleza, cuya fuente es la humedad del aire, que disminuye durante el día y vuelve a aumentar por la noche. Esta becaria Humboldt ha aclarado en el instituto de Golm la forma en que los granos del trigo silvestre se introducen en el suelo. Las dos prolongaciones en forma de antena de los granos de trigo, denominadas aristas, patalean durante el proceso como las ancas de una rana, aunque mucho más lentamente; a saber, al ritmo de la noche húmeda y del día seco. Las aristas disponen un poco más arriba del grano de una especie de articulación compuesta de células similares a las de los músculos de madera. Las fibras de celulosa de las células del lado interior de la articulación están ordenadas paralelamente a la arista, mientras que en el lado exterior forman un entramado desordenado. Cuando la humedad aumenta por la noche, la arista se llena de agua. Así, el bulto de fibras de celulosa ordenadas se hincha, pero no se alarga. El bulto desordenado, en cambio, se expande en todas las direcciones, también a lo largo de las aristas. El lado exterior de la arista se estira de esta manera, y la arista se empina. Ambas prolongaciones se encuentran entonces muy cerca la una de la otra.

Una semilla se entierra: la disposición de las fibras de celulosa en sus aristas –arriba se ve una sección transversal en la que se reconocen dos áreas desordenadas– se encarga de que las antenas pataleen cuando la humedad del aire cambia. Gracias a los ganchos, el grano se entierra en el suelo. Ilustración: Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite.

Sociedad Max Planck

Durante el día ocurre lo contrario: las antenas se doblan y se separan. Pero el pataleo al ritmo del día y de la noche no basta para que el grano de trigo pueda enterrarse en el suelo. Las aristas tienen, además, diminutas fibras de vidrio similares a agujas, que se ramifican en la dirección opuesta al grano de trigo. Las agujas funcionan como ganchos, algo que se puede percibir claramente: pasando el dedo sobre el grano en la dirección opuesta a él, las aristas se perciben como si fueran flexibles. Pasando el dedo sobre ellas en dirección al grano, se siente la resistencia de las fibras. Las agujas proporcionan a las aristas estabilidad en el suelo. Cuando las antenas se separan durante el día, los ganchos se introducen un poco más en la tierra. Y cuando las aristas se estiran durante la noche, las finas fibras de vidrio se enganchan en la tierra, de manera que la semilla pueda enterrarse un poco más en el suelo, en vez de deslizarse hacia afuera. Al día siguiente las aristas vuelven a doblarse y a separarse para volver a tensar el taladro integrado del grano de trigo. "El principio en el que se basan las células de madera parecidas a músculos y las aristas móviles es el mismo", dice Fratzl. "Las células están formadas por un componente rígido inflexible alojado en un gel elástico. Ambos componentes están unidos fijamente entre sí". Cuando el gel se seca y se encoge, se crea una tensión en la unión, como en una red de fibras de goma que se retraen. "Esa tensión almacena energía y puede, por tanto, realizar un esfuerzo", explica el físico. Los técnicos pueden formar materiales activos a base de diferentes componentes rígidos y flexibles. Estos nuevos compuestos son totalmente diferentes a los músculos y motores artificiales creados hasta ahora. "El material y el motor son lo mismo", dice Fratzl. No se trata de una máquina compuesta de piezas individuales. Además, el material activo trabaja independientemente; no es necesario controlarlo. "Al igual que en las aristas, la propulsión se podría orientar por el ciclo de humedad diario", añade Fratzl. "El trabajo no se podría solicitar discrecionalmente, pero tampoco costaría nada". Fratzl se puede imaginar que un día los materiales activos sean utilizados para hacer que las celdas solares sigan el movimiento del sol durante el día en forma muy similar a aquella en que trabajan los musculos de madera o las aristas. DISPONIBILIDAD DE MATERIAS PRIMAS Esos músculos artificiales estarían construidos según un principio similar al de los modelos vegetales naturales, pero podrían estar hechos de un material totalmente diferente. Incluso debería ser así, opina Fratzl: las plantas y los animales debieron conformarse en el transcurso de la evolución con muy pocas materias primas y adaptarse a las condiciones medioambientales imperantes. "La naturaleza no puede fabricar, por ejemplo, aleaciones de metal, porque para ello se requieren frecuentemente mil grados centígrados", dice el físico. En cambio, los ingenieros disponen de muchas más materias primas que un abeto en una árida ladera.

Sociedad Max Planck

Los investigadores del Max-Planck-Institut für Kolloidund Grenzflächenforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite) y de la empresa estadounidense Bell Laboratories están aprovechando ahora esta ventaja. Han desarrollado un material activo que sólo toma de la naturaleza el principio básico: un componente rígido y uno suave unidos fijamente entre sí. Para la parte rígida, los científicos eligieron bastoncillos de silicio mil veces más finos que un cabello humano y de sólo unas pocas milésimas de milímetro de largo. El componente flexible recuerda al gel de los músculos vegetales. Está formado por un entramado de fibras de plástico que pueden absorber agua. Los científicos lo denominan hidrogel.

La humedad confiere fuerza a los músculos artificiales. Los nano-bastoncillos que se encuentran inclinados en un hidrogel seco (izquierda), se empinan cuando el agua hace que el gel se hinche. Las garras de la derecha también funcionan según este principio. Ilustración: Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite.

COMO TALLOS DE CARRIZO EN EL AGUA Al igual que el gel natural se hincha mucho cuando se llena de agua, los investigadores reparten el hidrogel húmedo sobre una base de vidrio y forman con él una película de pocas milésimas de milímetro de grosor. En el gel insertan bastoncillos de silicio, de manera que queden erguidos en el agua, como tallos de carrizo. A continuación, calientan un poco la muestra para que los bastoncillos se unan químicamente al hidrogel y queden anclados fijamente. Cuando el gel se seca y se retrae, los nano-bastoncillos de silicio se colocan en posición horizontal. De esa manera reducen la distancia entre unos y otros y ceden a la tracción del hidrogel que se encoge. Los investigadores han

CONOCIMIENTO

observado que se forman superficies en las que todos los bastoncillos están en disposición paralela, de forma parecida a un campo de trigo después de una lluvia intensa. "Cuando se aplica la película de hidrogel con un grosor menor, todos los nano-bastoncillos caen en la misma dirección", dice Fratzl. Los investigadores controlan en una cámara húmeda el contenido de agua del hidrogel y, con ello, el ángulo de caída de los bastoncillos de silicio. Los bastoncillos se vuelven a empinar cada vez que se restablece la humedad de aire original. Esto es muy importante para una aplicación técnica, pues el nuevo material sólo podrá realizar algún trabajo si se puede invertir el movimiento; de lo contrario, sería como una rueda dentada atascada. Una vez que su primer material activo funcionó, el equipo de investigadores fue un paso más allá del principio natural. Se preguntaron qué es lo que ocurre cuando se doblan los bastoncillos de silicio. Para averiguarlo, formaron una especie de césped de nano-bastoncillos, cuyos tallos estaban unidos fijamente a una placa de silicio. Entre los bastoncillos distribuyeron una capa fina de hidrogel, de la que sobresalía aproximadamente la mitad de la longitud de los nanobastoncillos. Cuando el gel se seca ocurre algo parecido a lo que sucede en una película de agua fina sobre una base plana: para reducir su superficie, el gel forma gotas. Las gotas emergen siempre entre cuatro bastoncillos de silicio. Cuando el gel se seca aún más, las perlas de gel se encogen y doblan los cuatro bastoncillos de silicio acercándolos unos a otros, como si de los dedos de una garra se tratara. Esa garra microscópica también se puede volver a abrir de la misma manera en que se vuelven a empinar los nano-bastoncillos caídos, suspendidos en el gel. "Los patrones de movimiento tan complejos como éstos no se pueden realizar con los músculos artificiales desarrollados hasta ahora, en los que unas piezas de plástico se mueven mediante campos eléctricos y magnéticos", escribieron los investigadores en enero de 2007 en la revista científica Science. NUEVO COMPUESTO DE FIBRAS Los investigadores de Golm quieren aprovechar ahora una función totalmente diferente de las células vegetales similares a músculos, que podría ser útil para la construcción de aviones o de bicicletas. Los científicos del Instituto Max Planck construyeron, junto con el Institut für Textil- und Faserforschung (Instituto para la Investigación de los Textiles y las Fibras) de Denkendorf, cerca de Stuttgart, y la Universidad de Friburgo, un nuevo compuesto de fibras más resistente y menos propenso a las roturas que los materiales de ese tipo producidos hasta ahora. Los compuestos de fibras tienen ya ahora mucho en común con su modelo vegetal: las fibras rígidas de vidrio, carbono y cerámica están alojadas en un plástico suave. Las fibras confieren al material su resistencia, y el plástico lo hace maleable. El resultado es un material ligero y, al mismo tiempo, resistente. El nuevo Boeing 787, por ejemplo, se construye con un compuesto de fibras de carbono de este tipo.

Inspirado por la naturaleza: Peter Fratzl explica el funcionamiento de las máquinas vegetales y por qué los biomateriales son tan estables, y construye nuevos materiales según estos principios. Ilustración: Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

UNA MARAÑA RESISTENTE Pero su peso reducido conlleva también una desventaja: los compuestos de fibras vibran con facilidad. Las vibraciones no sólo producen ruido. "Son veneno para un material", dice Markus Milwich, científico del Instituto de Investigación de Textiles de Denkendorf. "Las vibraciones hacen que el material se vuelva poroso a largo plazo, hasta que en algún momento se rompe", explica el ingeniero. A pesar de que las células de madera tienen una estructura similar a la de los compuestos de fibras, los árboles soportan fuertes tormentas y no se rompen fácilmente. "Las células de las plantas usan un truco para permanecer resistentes", explica Ingo Burgert. Los hilos de hemicelulosa de la esponja suave están unidos fijamente a los cordones de celulosa. Hay hilos cortos y largos, que entran en la esponja hasta profundidades distintas. Por tanto, la maraña de fibras de hemicelulosa se vuelve cada vez menos densa, a medida que aumenta la distancia. De esa forma, la rigidez de las fibras de celulosa se transforma paulatinamente en la flexibilidad de la esponja que las rodea. El tronco sólo se rompe cuando se ha roto una cantidad sumamente grande de esas fibras microscópicas. En el Instituto para la Investigación de los Textiles y las Fibras, los ingenieros han imitado el principio natural mediante nanopartículas de óxido de silicio. Sumergen fibras de vidrio en una solución de nanopartículas antes de empotrarlas en resina sintética. Las nanopartículas se adhieren a las fibras, formando una capa fina. "La envoltura de nanopartículas es más blanda que las fibras de vidrio, pero más rígida que la resina", dice Milwich. Al igual que en las plantas, existe entonces una transición entre rígido y flexible. Los científicos probaron el nuevo material y quedaron sorprendidos: las nanopartículas no sólo confieren mayor elasticidad al material de fibras de vidrio, sino que hacen también que los bastoncillos de prueba vibren menos. "Ahora intentaremos acercarnos aún más al modelo natural". Quieren empacar las fibras de vidrio en varias envolturas de nanopartículas cuya rigidez decrezca hacia afuera, para obtener una transición paulatina de las fibras a la resina. Los investigadores esperan que el material atenúe mejor las vibraciones. Si tuvieran éxito, la utilización de compuestos de fibras podría llegar a ser mucho más económica, dice Milwich. "En la construcción de aviones, las vibraciones se atenúan mediante láminas adicionales", continúa diciendo el ingeniero. "Si el propio compuesto suprimiera las vibraciones, esto ya no sería necesario". Así, los ingenieros vuelven a descubrir la madera no sólo como material, sino sobre todo como fuente de ideas.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

electricidad a partir de la biomasa

Limpia, eficiente y confiable, así es como debería ser la energía del futuro. Un ejemplo de esto es la corriente eléctrica generada por células de carburante, alimentadas con biomasa. Los investigadores del Instituto Max Planck para la Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos, del Instituto Fraunhofer para la Operación Fabril y la Automatización IFF, y el Instituto Fraunhofer para Tecnologías Cerámicas y Sistemas IKTS, están allanando el camino de la granja al terreno eléctrico

Alexander Stirn

na pieza del rompecabezas está llena de herrumbre, de polvo y empotrada en un stand plástico de ácido amarillento. Las otras piezas del rompecabezas están empacadas en tres docenas de tubitos llenos de una sustancia rojiza, y adornados con fórmulas químicas, indicaciones de medidas y crípticas combinaciones de números. Se requieren los servicios de un experto para decodificar las descripciones garrapateadas en los tubos con un grueso marcador. Peter Heidebrecht toma una de las piezas del rompecabezas. Sostiene el tubo contra la luz, y lo agita suavemente. El sucio residuo rojizo se levanta en una nube de polvo. “Esta sustancia es una de las muchas opciones que investigamos actualmente”, dice el ingeniero de procesos. “Pero esta variedad es la que vuelve emocionante el proyecto”. PROBIO El proyecto recibe el nombre de ProBio, y lo único que los investigadores saben sobre el particular es el tipo

CONOCIMIENTO

de imagen que debería ofrecer el rompecabezas una vez completo. Heidebrecht y sus colegas investigadores del Instituto Max Planck para la Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos, en Magdeburg, le han dedicado tres años de trabajo. Su objetivo es descubrir un método para generar energía a partir de biomasa, tan eficiente como sea posible. Sin embargo, lo que sigue siendo un gran reto para los investigadores consiste en determinar cómo deberían verse, en lo individual, cada una de las piezas del rompecabezas, y, particularmente, cómo deben embonar unas con otras. La composición del polvo rojizo que está llamado a ser una sustancia importante para dotar de poder al dispositivo eléctrico es apenas una pequeña parte de un rompecabezas mucho más grande. No hay duda de que la biomasa jugará un importante papel en el futuro. De hecho, la biomasa representa en la actualidad el siete por ciento del consumo total de energía en Alemania –por mucho, la parte más importante de todos los tipos de energía renovable. El gobierno alemán tiene la meta de enfrentar, para el año 2020, el 18 por ciento de la demanda de energía por medio de fuentes renovables. “Así pues, el reto de convertir la biomasa en electricidad es sumamente importante en estos días, y significativo para el futuro”, dice Kai Sundmacher, director del instituto ubicado en Magdeburg, y vocero de ProBio, un proyecto conjunto de la Sociedad Max Planck y de Fraunhofer-Gesellschaft. “Aun cuando la biomasa no es la única solución para el suministro de energía en el futuro, ciertamente puede aportar una contribución sustancial”.

no están tomando precisamente el camino más fácil. “El potencial de la combustión simple ha sido agotado”, dice Peter Heidebrecht. La combustión quema materiales biológicos sin refinar, y el calor liberado se aprovecha para generar electricidad. “Este proceso”, afirma Heidebrecht, “tiene límites superiores establecidos por las leyes de la termodinámica, y, no importa los trucos que se pretendan usar, no se pueden cambiar”. La fermentación –el proceso por el cual los microorganismos descomponen la biomasa en un ambiente libre de oxígeno y la convierten en gas- también tiene sus inconvenientes: los materiales no refinados, tales como la madera y la paja, contienen un elevado porcentaje de una sustancia llamada lignocelulosa. Las bacterias no saben a ciencia cierta qué hacer con ella. Es difícil de digerir, y por lo tanto no desciende muy bien. Lo que es más, se trata de un proceso lento, y no hay nada que se pueda hacer en este particular. “Simple y sencillamente, la biología no se puede acelerar de acuerdo a las necesidades de uno”, sostiene Heidebrecht. De manera que la gasificación es la única opción que nos queda. Esto supone la conversión de la biomasa a elevada temperatura en un gas parcialmente quemado. El gas contiene muchos elementos de gran energía, tales como hidrógeno, monóxido de carbono e hidrocarbonos de cadena corta. Esto lo hace muy apropiado para la generación de electricidad –por lo menos en teoría.

Control total: André Herrmann, del Fraunhofer IFF, controla la cama gasificadora de fluidos, la columna del fondo, envuelta en brillante aluminio metálico.

PROCESO DE LA BIOMASA Empero, hay muchas formas de dar poder al dispositivo eléctrico. La biomasa puede ser quemada, fermentada o gasificada. Los productos resultantes pueden ser utilizados para operar turbinas de vapor, motores de gas o pilas de combustible. Cada variante tiene sus ventajas y sus desventajas. Muchos de los métodos han sido bien estudiados, mientras que otros, tecnológicamente hablando, son aún territorio virgen. Es el caso de las pilas de combustible en el corazón del proyecto ProBio. Las pilas de combustible son pequeñas plantas de energía que convierten de manera directa la energía química almacenada en gas, para producir energía eléctrica. “De todos los convertidores de energía a nuestra disposición”, dice Peter Heidebrecht, “las pilas de combustible son las que nos ofrecen el más alto nivel de eficiencia”. Hasta la fecha, dichas pilas son alimentadas principalmente con gas natural, metanol o hidrógeno puro. En principio, sin embargo, no hay razón por la cual no puedan ser alimentadas con gas limpio de la biomasa –siempre y cuando puedan embonarse las debidas piezas del rompecabezas. PILAS DE COMBUSTIBLE INCREMENTAN EL RENDIMIENTO ELÉCTRICO Por otra parte, hay que decir que, cuando se trata del manejo de la biomasa, los investigadores de Max Planck

Sociedad Max Planck

Fotos: Dirk Mahler for Fraunhofer, Peter Förster for Fraunhofer.

Detalle del gasificador, con sensores de temperatura.

Experimento en marcha: Sascha Thomas utiliza el experimento modelo para demostrar el principio de producción de gas a partir de biomasa. El objetivo es utilizar el gas para operar una pila de combustible.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

GASIFICADOR DE FLUIDOS Sascha Thomas abre una caldera provista de una abertura metálica circular, que le da el aspecto del brillante mofle de un camión americano. Thomas, un ingeniero de procesos, es el coordinador del proyecto ProBio en el Fraunhofer IFF, ubicado en la ribera del Elba, a tiro de piedra del Max Planck Institute. La caldera con aspecto de escape contiene lo que es conocido como gasificador de fluidos –corazón de la generación de gas para el proyecto ProBio. El agente de la gasificación, el vapor por ejemplo, es alimentado en el aparato por la parte inferior. Se encuentra con un estrato de arena, cuyas partículas son exactamente del tamaño ideal para que el gas las mantenga suspendidas y fluidas en el aire. “Esto nos garantiza”, dice Thomas, “temperaturas y concentraciones uniformes en la zona de reacción; y es ahí donde se introduce la biomasa, por medio de una banda transportadora espiral. La banda transportadora es enfriada por medio de agua, en tanto que se pretende que el combustible se descomponga en la zona de reacción –que se calienta a una temperatura de entre 800 y 850 grados Celsius- y no antes de llegar ahí. LA DIVERSIDAD DE LA BIOMASA COMPLICA LAS COSAS Tuberías aisladas, con un brillo plateado, conducen el gas producido por el combustible a un equipamiento de análisis en el laboratorio Fraunhofer. Los investigadores pretenden que, en una futura planta de energía ProBio, el gas se mueva directamente a las celdas de combustible, después de que haya pasado por varios procesos de limpieza. Entonces, todo será más grande también. Un gasificador de fluidos, para una planta de varios megawatts de potencia, deberá tener un metro de diámetro, en tanto que la pipa en el laboratorio de Magdeburg mide apenas cinco centímetros de ancho. “Esta escala”, dice Thomas, “es suficiente para permitirnos estudiar la conversión de la biomasa en la cama de fluidos; pero la cantidad de gas producido por el combustible sería insuficiente para una planta piloto”. En realidad, la gasificación en la cama de fluidos no es una idea nueva. Se remonta a la década de 1920, cuando se usó con el fin de extraer gas syntesis (syngas) del carbón. Sin embargo, muy pronto la industria del petróleo hizo superfluo este proceso. Pese a todo, el carbón tiene una importante ventaja sobre los desperdicios biológicos: su componente principal es siempre el mismo: carbón. “Sin embargo, un tipo de biomasa no es igual que otro”, dice Thomas. Recipientes de vidrio con viruta de madera, paja de colza, biomasa de coque y jatropha, un miembro de la familia de plantas spurge, y popular fuente de biomasa en Asia se encuentran junto a la gasificadora de fluidos. En el rompecabezas que es ProBio, cada sustancia ha sido ampliamente estudiada, con varios agentes de gasificación, a temperaturas diferentes y por diferentes tiempos de residencia en la cama de fluidos. En cada ocasión cambiaba la composición del gas. Incluso la estación del año, la edad de la madera y la forma en que se almacena afecta la calidad del gas. “La biomasa no es simplemente una sustancia pura”, dice Kai Sundmacher; “es una compleja mezcla compuesta, y eso es parte de lo que hace tan interesante nuestro proyecto”. Idealmente, el gas que escapa de la caldera de Thomas es incoloro y, por lo tanto, libre de impurezas. Sin embargo, tiene por lo general un matiz amarillo, lo que indica que contiene alquitrán, polvo y compuestos de halógeno y sulfuro, todo lo cual desagrada a las células –esos elementos contaminan sus electrodos, y deben, por lo tanto, ser removidos del gas. Por lo general, esto se hace lavando los sistemas, en los cuales se lanzan chorros de agua al gas, y pronto lo reducen a la temperatura de la habitación, al tiempo que eliminan los contaminantes. Lo que queda es gas frío y agua tibia. “El problema con el gas frío”, dice Peter Heidebrecht, “es que tiene que ser recalentado a 800 grados Celsius para los pasos siguientes”. COMPLEJOS PROCESOS Así pues, los científicos de ProBio pensaron en otro método para sus procesos:

pasan el gas a través de una cama repleta de cuentas de cerámica, a las cuales se adhieren las partículas de polvo. “La forma en que trabaja es parecida a las aguas subterráneas, que pasan por diferentes estratos de arena, y quedan purificadas en el proceso”, explica Sascha Thomas. Los estratos catalíticamente activos convierten de manera simultánea los indeseados compuestos de alquitrán en combustible adicional al gas, con lo que se incrementa el contenido de energía del gas. Finalmente, se remueven alógenos y sulfuro con óxidos de metal. Éstos reaccionan con los compuestos tóxicos y temperaturas muy elevadas. Lo que queda es un gas que contiene hidrógeno limpio, pero también grandes cantidades de monóxido de carbono. Esto puede ser bueno o malo, según el tipo de celda de combustible que esté alimentando el gas: pilas de combustible de altas temperaturas, tales como pilas de óxido sólido (SOFC) son poderosos convertidores de energía, que pueden utilizar cualquier combustible. Tienen un electrolito cerámico, funcionan a unos 800 grados Celsius, e incluso pueden generar electricidad del monóxido de carbono. Trabajan mejor bajo un peso constante, y no reaccionan bien ante cambios repentinos en la demanda de energía. ALIMENTO PARA MUY DIFERENTES PILAS DE COMBUSTIBLE “Las temperaturas de las pilas deben mantenerse dentro de un cierto rango”, explica Peter Heidebrecht. “Cualquier cambio en la carga altera el perfil de la temperatura y puede dañar las pilas”. Lo que es más, las pilas de combustible de altas temperaturas que son objeto de estudio en el Fraunhofer IKTS, en Dresde, necesitan varias horas al día para alcanzar la temperatura de funcionamiento, de acuerdo con su tamaño. Las cosas son diferentes con las pilas de baja temperatura, conocidas como pilas PEM (polymer electrolyte membrane). Estas pilas son flexibles pero sensitivas. Su electrolito consiste en una membrana de polímero, lo que quiere decir que pueden soportar temperaturas de alrededor de 80 grados Celsius. Sin embargo, en caso de necesidad, el poder de producción de la pila puede ser adaptado a la demanda cambiante de electricidad, con una hora o hasta con un minuto de anticipación.

Examen de muestras: en este reactor. Liisa RihkoStruckmann examina qué tan eficientemente varias mezclas, con una base de óxido de hierro, vuelven inocuo el monóxido de carbono en los productos de la gasificación. Foto: Bastian Ehl.

CONOCIMIENTO

Sin embargo, esta flexibilidad tiene un costo: las pilas de combustible de baja temperatura son casi completamente incapaces de manejar monóxido de carbono. Cualquier concentración de más de 0.01 partes por mil es altamente nociva para la pila, y es causa de que la generación de energía caiga en picada. Los ingenieros de procesos en Magdeburg fueron auxiliados en su investigación, de manera circunstancial, por la pieza correcta del rompecabezas de la pila de combustible y un sucio polvo rojizo. “Lo que nosotros queríamos realmente era sólo remover el monóxido de carbono de la combustión del gas”, recuerda Peter Heidebrecht. El flujo del gas puede contener hasta 20 por ciento de la sustancia que o es tóxica o inútil, de acuerdo con el tipo de pila de combustible. Los investigadores pretendieron controlar esta situación con óxido de hierro sucio, rojizo, -orín básicamente: cuando el gas, a 800 grados de temperatura, flota sobre un polvo de óxido de esta clase, el polvo libera algunos de los átomos de oxígeno que sus ventanas contienen y los pasan al monóxido de carbono. Así, se forma dióxido de carbono, que es inocuo incluso para una pila de combustible de baja temperatura. El problema radica en que, hagan lo que hagan los científicos, el gas conserva grandes cantidades de monóxido de carbono; demasiado para una pila de combustible PEM. Lo que es más, el óxido de hierro también convierte el muy necesario hidrógeno en agua inútil. Sin embargo, gracias a un diferente tipo de fuerza, el polvo demostró ser de mucha utilidad. Una vez que las celosías del polvo han mudado sus átomos de oxígeno, trata de manera intensa de reemplazarlos. El vapor es una de las cosas que se los puede proveer. Cuando el vapor entra en contacto con el agotado óxido de hierro, el polvo demanda oxígeno a las moléculas de agua. Lo que queda es hidrógeno puro –ideal para una pila de combustible de baja temperatura. SE BUSCA UNA SUSTANCIA DURABLE PARA LA LIMPIEZA DEL GAS “Cuando vimos eso, nos dimos cuenta de que este método resultaría maravilloso para la separación del gas”, recuerda Peter Heidebrecht. En la etapa inicial, cuando el gas en combustión se expande sobre el óxido de hierro, la mezcla que queda es algo con lo cual las pilas de combustible de alta temperatura pueden convivir muy bien. El segundo paso, cuando es inundado con vapor, produce el hidrógeno virtualmente puro para las pilas de baja temperatura. A estas alturas, queda todavía mucho por hacer. “Si usamos el óxido de hierro solo, el intercambio de oxígeno impacta de manera importante sobre el material, y la cantidad de hidrógeno que obtenemos de él disminuye rápidamente”, asevera Liisa Rihko-Struckmann, coordinadora, junto con Peter Heidebrecht, del proyecto ProBio en el Instituto Max Planck. Ésta es una de las razones por las cuales muchas diferentes muestras de polvo en el ácido amarillento se encuentran en las salas del laboratorio de Magdeburg. Muchas no contienen otra cosa que partículas del óxido de

Sociedad Max Planck

Pila de biocombustible: Kai Sundmacher, con una pila de combustible de baja temperatura. El hecho de que pueda ser alimentada con gas combustible incluso después de que el gas de la biomasa ha sido alimentado en una pila de combustible de alta temperatura, es lo que hace particularmente eficiente la conversión en electricidad.

Orín para la purificación del gas: Los investigadores separaron en el laboratorio el monóxido de carbono del gas del combustible mediante el uso de un más fino óxido de hierro; en el laboratorio de la planta piloto ejecutaron el proceso en una mayor escala, con el granulado más grueso. Foto: Bastian Ehl.

hierro rojizo, que miden entre uno y cinco décimos de milímetro, mientras que otras han sido adicionadas con óxido de aluminio u óxido de silicón, aunque el aditivo más común es el óxido de cerio-zirconio. Los investigadores calientan cada muestra a una temperatura de 800 grados Celsius en una de las calderas del laboratorio, y entonces la prueban con un gas cuidadosamente mezclado. “Actualmente, estamos teniendo un particular cuidado de que los materiales sean estables y puedan ser utilizados por un largo período”, dice Liisa Rihko-Struckmann. Los polvos deben ser capaces de soportar unos mil ciclos de gas y vapor. A las muestras que arrojan un resultado positivo en el laboratorio, se les da la oportunidad de comprobar su valía en el laboratorio de la planta piloto, un cubo gris en el extremo norte del Instituto Max Planck. Es aquí donde

los ingenieros han construido un aparato de pruebas, una pipa de acero que se puede calentar y que llenan con aproximadamente 20 centímetros de la mezcla de óxido de hierro. En lugar de los 250 miligramos utilizados en el laboratorio, los investigadores necesitan aquí cien gramos de la sustancia. “En la actualidad –dice Liisa RihkoStruckmann- trabajamos en obtener partículas más grandes de nuestro muy fino polvo, a fin de que el gas las pueda bañar”. Más tarde, los ingenieros de procesos tratan de estudiar la forma en que el gas se extiende en el polvo; cómo hacer uso óptimo del oxígeno en el polvo de óxido y cómo deben ser adaptados los tiempos entre el cambio del gas combustible y el vapor. “Este tipo de procesos, dinámicamente operados, son algunas de las cosas en que nuestro instituto ha trabajado por años”, dice Kai Sundmacher.

Glosario: Lignocelulosa: celulosa estabilizada por medio de lignin. Constituye las paredes de las células de madera, lo que le da a ésta su fuerza mecánica. Cama de gasificación de fluidos: este proceso crea gas combustible a partir de carbón o biomasa. Los componentes sólidos son, por lo general, convertidos en fluidos y calentados por un sustrato. El hidrógeno y el monóxido de carbono son dos de los gases producidos durante la reacción química, con vapor o con otro agente de gasificación. Singas: un gas rico en hidrógeno y monóxido de carbono, producido durante la gasificación de carbón con vapor, propio como material base para síntesis químicas. Pila de combustible de óxido sólido, SOFC: la pila de combustible de óxido sólido o de alta temperatura debe su nombre al material cerámico que produce sus electrolitos y que es permeable a los iones de oxígeno, pero no a los electrones. A temperaturas de hasta mil grados Celsius genera electricidad altamente eficiente, y no es sensitiva al monóxido de carbono. Pila de combustible de una membrana polimérica de electrolito, PEMFC: los dos polos de esta pila de combustible de baja temperatura están separados por una membrana que sólo los protones pueden atravesar. Sin embargo, muy difícilmente soporta el monóxido de carbono, dado que este gas bloquea la superficie de los electrodos, y los hace inaccesibles a los reactivos responsables de la reacción de la pila.

Sociedad Max Planck

Los purificadores de gas en el laboratorio de la planta piloto de Max Planck; camas y paquetes de fluidos en el Instituto Fraunhofer; pilas de combustible en Dresde y Magdeburg –las piezas del rompecabezas que constituyen una potencial planta de energía de ProBio, están aún muy dispersas. El único lugar en que actualmente confluyen es en los circuitos computacionales, donde los componentes –con base en los valores medidos en el laboratorio- pueden ser adecuadamente simulados, combinados y alterados. Con las potenciales mejorías que han identificado en la computadora, los investigadores regresan al reactor, “en la esperanza de que todo vaya conforme a nuestros deseos”, dice Peter Heidebrecht con una risita. “Desde luego, esto no ocurre, por lo general, en el primer intento”. Los investigadores alimentan el modelo matemático con sus nuevos descubrimientos de laboratorio, a efecto de optimizar el experimento. Es un constante avance y retroceso, que poco a poco los acerca a la creación de una verdadera planta de energía. PLANTA MODELO DE ENERGÍA, DE INCREÍBLE EFICIENCIA En el curso de ProBio, los ingenieros de procesos han simulado más de cien variantes. Lo que han descubierto es algo que nadie hubiera esperado al inicio del proyecto de tres años: en la planta de energía óptima, ambos tipos de pilas de combustible trabajan en paralelo –de manera que proveen, en la práctica, el polvo rojizo que puede separar el gas del combustible en una corriente altamente pura de gas, y en otra corriente menos pura. “Ésta es una especie de planta combinada de energía”, dice Peter Heidebrecht. “Nos entrega una amplia gama de productos que comprenden carga de base eléctrica, carga máxima dinámica y consumo útil de calor”. Pero lo más importante es que trabaja con eficiencia insuperable. Para sus simulaciones, los ingenieros han seleccionado una planta modelo, diseñada para biomasa, con un valor calórico apenas por debajo de los 19 megawatts, equivalente a poco más de un kilogramo de madera por segundo. La cama purificadora de fluidos, la purificación en camas empacadas, la separación del hidrógeno y la operación paralela de pilas de combustible de alta y de baja temperatura incrementan el rendimiento final a casi nueve megawatts de energía eléctrica –una eficiencia eléctrica de casi el 50 por ciento. Las plantas tradicionales de biogás, con un motor interno de combustión, alcanzan apenas el 35 por ciento. “En estos tiempos, una mejoría de incluso un porcentaje pequeño es causa de celebración, ya que ayuda –en el largo plazo- a un enorme ahorro de energía”, dice Liisa Rihko-Struckmann. Aun cuando el proyecto ProBio, que las dos organizaciones de investigación fundaron con 4.2 millones de euros, terminó oficialmente a principios de este año, los investigadores tienen el plan de continuar por su cuenta. De hecho, una planta piloto de energía está en proceso de construcción en el Instituto Fraunhofer, en Magdeburgo, y se proyectaba que estuviera en operación en el verano. “Así, los componentes individuales que hemos reunido hasta la fecha, podrán ser estudiados juntos

CONOCIMIENTO

y en una escala mayor”, dice Sascha Thomas. Los investigadores del Instituto Max Planck, ya dedicados al estudio de procesos químicos complejos e investigación básica relacionada, también continuarán trabajando en las piezas sueltas del rompecabezas, incluidas las pilas de combustible y el polvo rojizo. “Hasta la más alta eficiencia resulta inútil si el equipamiento dura sólo unas cuantas horas o días”, dice Kai Sundmacher. Por lo demás, lo que primero harán es afinar las condiciones de operación y los materiales, en un esfuerzo por lograr un aumento considerable de su duración. Los investigadores tienen todavía un par de piezas por acomodar debidamente en el gran rompecabezas llamado ProBio.

En busca del polvo adecuado: Peter Heidebrecht y Liisa RihkoStruckmann prueban cuál de los diferentes materiales es el más efectivo para separar el gas del combustible para pilas de alta y de baja temperatura. Foto: Bastian Ehl.

CONOCIMIENTO

Una prueba de sensibilidad magnética: cuando Damien Faivre sostiene un tubo de ensayo con un cultivo de bacteria magnética, primero en forma paralela a un campo magnético, y luego en forma perpendicular, cambia la turbidez del medio. Las cadenas de magnetosoma de las bacterias se alínean con el campo magnético.

Su importancia médica podría ser considerable: las nanopartículas magnéticas, como las producidas por bacterias magnetotácticas, podrían, entre otras aplicaciones, ayudar a descubrir tumores. Damien Faivre y sus colegas del Instituto Max Planck de Coloides e Interfases, en Postdam, estudian cómo trabajan esos microbios, a fin de aprovechar sus sofisticados mecanismos

Sociedad Max Planck

Christian Meier

n compás ha sido siempre una herramienta indispensable, no sólo para los marineros que desean llegar a su destino. Ciertas bacterias acuáticas también se valen, al navegar, del campo magnético de la Tierra. Su compás interior consiste en una cadena de insignificantes partículas del mineral magnético magnetita. Estas partículas son producidas por las mismas bacterias, y tienen propiedades magnéticas únicas, tales, que resultan de gran interés para aplicaciones médicas y de otras tecnologías. Sin embargo, hasta la fecha, sólo la naturaleza sabe cómo se producen. Damien Faivre, químico que trabaja en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases, en Postdam, espera desentrañar el secreto, con la ayuda de los siete hombres de su equipo. Una vez que los investigadores comprendan la forma en que la nanobacteria produce las nanopartículas, confían en que sea posible desarrollar un procedimiento para manufacturar las partículas, primero en el tubo de análisis, y más tarde a escala industrial. En 1975, el microbiólogo norteamericano Richard Blakemore descubrió que ciertos organismos acuáticos navegan a lo largo del campo magnético de la Tierra y les impuso un nombre muy adecuado: bacterias magnetotácticas. Sin embargo, estos microbios no buscan el Polo Norte, sino las partes más profundas de su ambiente acuático. Las líneas del campo magnético alejadas del ecuador no corren paralelas a la superficie de la Tierra, sino que apuntan hacia abajo. Esto guía a las bacterias magnetotácticas hacia las aguas más profundas, donde se mezclan sedimentos y agua. Estas áreas hambrientas de oxígeno brindan las condiciones ideales para que la bacteria viva y se desarrolle. Ellas no son capaces de usar la gravedad para la orientación vertical, dado que son casi tan densas como el agua, y, en consecuencia, no perciben su peso.

CONOCIMIENTO

Una mirada cercana a un compás: Damien Faivre inserta una muestra de bacteria magnetotáctica en un microscopio de electrones, y después verifica que esté posicionada correctamente.

GUIADAS HACIA EL FONDO POR UN COMPÁS Las bacterias deben su compás a los magnetosomas, organelos que constan de una simple partícula de magnetita, que mide menos de cien nanómetros y que está rodeada por una membrana que evita que las partículas se junten. Unos 20 magnetosomas forman cadenas a lo largo de fibras de proteína en la bacteria. Trabajan como la aguja de un compás y se vuelven en la dirección del campo magnético de la Tierra, aproximadamente en una dirección nortesur. Dado que los magnetosomas se unen a las fibras de proteína de la bacteria, todo el microbio se vuelve con ellas. Entonces, cuando los microbios rotan sus flagelos, se mueven a lo largo de las líneas del campo magnético, hacia el fondo del cuerpo de agua, como si fueran en rieles. “Las bacterias generan nanopartículas magnéticas perfectas”, afirma Faivre. Primero, las bacterias magnetotácticas producen las partículas en un tamaño uniforme –una proeza que debería hacer a los ingenieros químicos sentarse y tomar nota de ello, dado que el tamaño uniforme de las partículas es un importante indicativo de calidad en la producción de nanopartículas. “Y no sólo eso, sino que las bacterias pueden incluso controlar la forma de las partículas”, agrega Faivre. Algunos tipos de bacterias magnetotácticas producen nanopartículas en forma de bala, mientras que otras les dan forma de agujas. De hecho, cada tipo de bacteria crea sus partículas de manera uniforme. En pocas palabras, estas bacterias hacen alarde de un perfecto control interno de calidad en la síntesis de partículas de magnetita. Las propiedades magnéticas de las partículas son de enorme interés para aplicaciones técnicas. “Ellas despliegan un remanente y una coercitividad que no puede ser igualada por cristales producidos de manera artificial”, dice Faivre. Estos dos parámetros físicos significan que

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

los materiales son magnéticamente duros, por lo cual su magnetismo permanente se conserva muy estable. Ésta es una propiedad deseable en muchas aplicaciones técnicas; por ejemplo, en el almacenamiento magnético de datos, con una densidad de fragmentos sin precedente. PARTÍCULAS DE MAGNETITA PARA LA DETECCIÓN DE TUMORES Otras aplicaciones requieren propiedades magnéticas uniformes, y esto es precisamente lo que ofrecen las nanopartículas magnéticas de las bacterias, gracias a su forma y tamaño uniformes. Las partículas magnéticas alargadas, creadas artificialmente, podrían ser utilizadas como agente de contraste en la imagen de resonancia magnética. Los tejidos que contienen las partículas aparecerían en las imágenes como áreas más oscuras. Si las partículas pudieran ser guiadas hacia un tumor, su localización podría ser descubierta en una etapa más temprana. Las partículas también podrían ser utilizadas para asegurar que los medicamentos alcancen el área focalizada de una enfermedad. Mediante la colocación de imanes fuera del cuerpo, las partículas permanecerían en esas áreas. Las sustancias activas adheridas a las partículas permanecerían, por lo tanto, en los tejidos que las necesitan, en lugar de ser arrastradas a la corriente sanguínea. Aunque en el laboratorio es posible la creación de partículas de magnetita, estas partículas sintéticas, a diferencia de sus contrapartes biológicas, contienen una pequeña cantidad de oxígeno. El equipo de Damien Faivre descubrió esto cuando estudiaba la estructura del cristal y la composición de las nanopartículas magnéticas, usando radiación de rayos X de las instalaciones de radiación de sinchrotron BESSY, con base en Berlín. PROBLEMAS DE PRODUCCIÓN Pero también se presentan otros problemas con la producción sintética de nanopartículas magnéticas: “Hasta donde sabemos, los procesos químicos disponibles no pueden producir, en condiciones ambientales amigables, nanopartículas magnéticas de igual tamaño y forma”, explica Faivre. En este caso, ambientalmente amigable significaría que las partículas podrían ser producidas a la temperatura de la habitación, con presión atmosférica normal y sin solventes dañinos, en lugar de condiciones de energía intensiva, de alta presión y de alta temperatura.

Agujas de compás como indicador: diferentes tipos de bacterias magnetotácticas producen partículas de magnetita muy específicas, y de tamaño y forma características.

Con esto en mente, Faivre quiere comprender cómo se las arregla la naturaleza para producir las partículas magnéticas uniformes. “La naturaleza modela el material hasta el más pequeño detalle, literalmente hasta la unidad más pequeña, la molécula”, dice. “Podemos aprender de la naturaleza tratando de comprender cómo los modelos naturales influyen en los complejos fenómenos físicoquímicos y biológicos. Tan pronto como los procesos biológicos sean plenamente comprendidos, debería ser posible copiarlos, a fin de desarrollar nuevos materiales”. Los investigadores han hecho ya algunos descubrimientos iniciales acerca de la forma en que la naturaleza

Sociedad Max Planck

produce nanopartículas magnéticas. Por medio de un proceso biológico llamado biomineralización –otra manera de decir crecimiento biológicamente controlado del cristal-, las bacterias magnetotácticas controlan el crecimiento de las partículas magnéticas. Entre 20 y 30 proteínas llamadas proteínas magnetosoma son las responsables de este proceso. Los biólogos han descubierto también qué secciones del genoma bacterial contienen la información genética que codifica las proteínas magnetosoma. EXÁMENES DE LABORATORIO REVELAN FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS INDIVIDUALES Ahora, Demian Faivre y su equipo esperan identificar los papeles de las proteínas individuales y sus componentes en la biomineralización. Esencialmente, hay dos métodos

CONOCIMIENTO

más eficiente, para arrojar luz sobre las funciones de las proteínas magnetosomas. Ellos insertan el gene de la relevante proteína en el denoma de la bacteria de rápido crecimiento, Escherichia coli. La maquinaria celular de este microbio, inducido por su información genética a la producción de proteínas, resulta particularmente estimulado para la manufactura de grandes cantidades de las proteínas magnetosomas implantadas. Esto es necesario para que los investigadores puedan llevar a cabo la misma concentración de proteína en el tubo de ensayo, de la misma forma en que ocurre en la muchísimo más pequeña bacteria magnetotáctica. Finalmente, los investigadores aíslan la proteína y estudian sus propiedades en el tubo de ensayo. Para este objetivo, mezclan la proteína con compuestos de hierro

Janet Andert (izquierda) coloca un cultivo de bacterias magnetotácticas en un fermentador (detalle en la imagen a la derecha). Mientras tanto, Antje Reinecke ajusta las condiciones, a fin de asegurar la óptima propagación de los microbios.

que pueden usar en esta búsqueda. La primera involucra la generación de “deletion mutans”: bacteria en la cual un gen determinado ha sido desactivado. Con excepción de este único gene inactivo, el genoma del mutante es idéntico al del tipo salvaje. En tanto que los investigadores estudian las diferencias entre las bacterias con el gene inactivo y sus contrapartes no alteradas, pueden aprender sobre el papel del gene específico. Ellos verifican si el deletion mutans produce magnetosomas; y, si es así, si son de la misma forma y tamaño que las del tipo silvestre. Este método arroja valiosos resultados; pero, “dado que las bacterias magnetotácticas crecen muy lentamente, el proceso in vivo es muy prolongado”, se lamenta Faivre. Estudiar un simple gene o proteína podría llevarse hasta dos años. Por esta razón, su equipo utiliza un segundo método,

que, lo mismo que la magnetita, contienen hierro ambivalente o trivalente, que altera de manera gradual el pH de la solución, hasta que sus componentes son precipitados y se forman las partículas de magnetita. Durante este proceso, la proteína influye en el tamaño o la figura de las partículas en formación. “Este método –dice Faivre- nos permite estudiar una proteína en el lapso de tres o cuatro meses”. BIOMINERALIZACIÓN Desde el primer momento queda patente que no todas las proteínas de magnetosoma tienen la misma importancia para la producción de magnetosomas, de modo que, antes de iniciar el estudio de las proteínas individuales, los investigadores recaban información sobre cuáles pueden resultar más idóneas para jugar papeles clave en la biomi-

CONOCIMIENTO

neralización. Esto ahorra tiempo, ya que evita experimentos innecesarios en los tubos de ensayo. Una de las herramientas de revisión utilizada para la preselección de proteínas es el software bioinformático. Esto permite al equipo identificar similitudes entre los genes de diferentes bacterias magnetotácticas. Tales similitudes indican importantes genes y proteínas todavía más importantes. Otro método utilizado es la ingeniería biocombinatoria. Aquí, los investigadores estudian qué péptidos o porciones de proteína se quedan en la superficie de los cristales de magnetita. Estos péptidos permiten el contacto directo entre las proteínas y las partículas de magnetita, y podrían, por lo tanto, ser componentes de importantes proteínas magnetosomas. Y, ya por último, el contacto directo con la partícula magnética implicaría que la proteína relevante debe tener una función importante. Los péptidos son entonces trasladados a secuencias de ADN –esto es, al lenguaje de la información genética. Con el uso de estas secuencias, un programa computacional escanea el genoma de bacterias magnetotácticas, para identificar las proteínas asociadas. UNA PROTEÍNA QUE CONTROLA EL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS Hasta ahora, investigadores japoneses y norteamericanos han clarificado el papel de una proteína magnetosoma en la síntesis de partículas de magnetita dentro de los magnetosomas. La proteína lleva el insignificante nombre de Mms6, y se encuentra solamente en las bacterias magnetotácticas. El Mms6 se localiza en la membrana que rodea a la partícula de magnetita, y los científicos han descubierto que codetermina el tamaño de las nanopartículas magnéticas. Es, hasta la fecha, la única proteína de la que se sabe tiene un papel decisivo in vitro, para controlar el tamaño de la partícula. A los científicos todavía les falta descubrir algunas proteínas que determinen la forma de los cristales de magnetita. Mientras estudiaban el Mms6, los investigadores se encontraron con otro fenómeno significativo: el péptido localizado en un extremo de la proteína, que consta de 25 aminoácidos y que es, por lo tanto, sólo una pequeña parte del Mms6, influye en el tamaño de la partícula de magnetita. Faivre explica que este descubrimiento es de vital importancia, “porque la producción masiva artificial de proteínas, mediante el uso de organismos huéspedes es limitada, en tanto que los péptidos sintéticos se pueden producir en cantidades prácticamente ilimitadas”. Mientras tanto, prosigue la investigación de proteínas involucradas en la formación de las nanopartículas magnéticas. “Hasta la fecha, 20 proteínas candidatas han sido identificadas en la membrana magnetosoma de la bacteria magnetotáctica M. gryphiswaldense, y se considera que las mismas tienen efectos particulares sobre el tamaño y forma de los cristales de magnetita”, explica Faivre. Algunas de estas candidatas son actualmente objeto de estudio por parte del equipo de Faivre, en el Instituto Max Planck, en Postdam. Asimismo, el equipo investiga la forma en que los magnetosomas individuales se unen para formar una cadena, de modo que, poco a poco, se

Sociedad Max Planck

forma la pequeña agua del compás para guiar al microbio hacia su alimento. Los científicos han demostrado que la formación de la cadena implica una compleja interacción de procesos y fuerzas magnéticas genéticamente controlados. Uno de los métodos utilizados fue el “espectroscopio de resonancia ferromagnética”, que es parecido al de resonancia magnética nuclear. El FMR, como se le llama por sus siglas en inglés, permite examinar las propiedades magnéticas de los cuerpos sólidos. Puede mostrar, por ejemplo, la orientación preferida, si es que la tiene, de un cristal imantado. Asimismo, permite a los científicos estudiar tanto las partículas individuales de magnetita, como las cadenas de partículas. PAPELES DE LAS PROTEÍNAS Faivre y sus colegas esperan que su investigación identifique todas las proteínas y otros componentes biológicos (lípidos especialmente) que dirigen la biomineralización de las partículas de magnetita. Para ellos, la clave radica en entender los diferentes papeles que juegan las proteínas en la síntesis de las partículas. “Entonces –dice el bioquímico- sería casi posible hacer partículas magnéticas con medidas de 20, 50 ó 100 nanómetros de diámetro, especificando incluso que deberían ser –digamos- redondas o en forma de aguja”. Sería simplemente el caso de seleccionar las proteínas relevantes, como los objetos de una caja de herramientas. Por ahora, se trata sólo de un sueño, pero el equipo de investigación de Postdam ha dado los primeros pasos para hacerlo realidad”.

GloSaRio: Magnetosoma: partícula magnética rodeada por una membrana. Cada partícula mide menos de 100 nanómetros; diferentes tipos de bacteria magnetotáctica las producen en varias formas y tamaños característicos. Magnetotaxis: la habilidad de algunas formas de vida para orientarse a lo largo del campo magnético de la Tierra. Imagen de resonancia magnética, también llamada resonancia magnética nuclear: es un procedimiento basado en el hecho de que algunos átomos, tales como los del hidrógeno, tienen un momento magnético. Su comportamiento en un campo magnético depende del tejido en el cual estén localizados. Esto permite la identificación de diferentes tipos de tejidos. Se pueden utilizar ciertas sustancias magnéticas, con el fin de acentuar el contraste entre ellos. Biomineralización: los organismos utilizan sustancias orgánicas e inorgánicas para producir, con mucha precisión, minerales inórganicos y materiales compuestos. El control de esta producción se lleva a cabo mediante procesos bioquímicos. Ejemplos notables, aparte de los cristales de magnetosomas, incluyen el nácar y las armazones sílicas de diátomos.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Foto: Kai Weinsziehr

un cuando los métodos de la tecnología genética para el cultivo de plantas hayan tenido ya mucho éxito, se requiere todavía mucho esfuerzo de investigación para garantizar la alimentación de la población mundial. “En vista del crecimiento de la población mundial, es indispensable lograr una producción más eficiente de las plantas cultivadas“, explica Maarten Koornneef, director del Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de los Cultivos), de Colonia. En la actualidad poblamos la Tierra más de seis mil 700 millones de seres humanos; cada segundo nacen, en promedio, cinco más. Para hacer frente a este crecimiento, la producción mundial de alimentos tiene que aumentar. Pero sólo alrededor de la quinta parte de la superficie terrestre se puede aprovechar como potencial superficie agrícola. De hecho, la superficie disponible por persona para la producción de alimentos disminuye desde hace años, debido a la expansión de las zonas pobladas y de las vías de tráfico. Y eso significa que hay que aumentar el rendimiento por unidad de superficie.

VISIONES FUTURISTAS PARA EL CULTIVO DE PAPAS Uno de los escenarios futuristas en que trabajan los investigadores podría presentarse de la siguiente manera: en la empresa SaKa Pflanzenzucht GbR de Windeby, en el estado federado alemán de Schleswig-Holstein, todo gira en torno al solanum tuberosum, la papa. Su nuevo éxito de cultivo se llama “Sternstunde“ (“momento estelar“). Este tipo no sólo tiene un contenido de nutrientes notablemente mayor, sino que además es resistente contra el peor enemigo de la papa: el hongo Phytophthora infestans, que hace que las partes de la papa que se encuentran sobre la superficie terrestre se descompongan por lo que se denomina también mildiu o tizón tardío. Jens Lübeck, experto en cultivos de la SaKa, está revisando los informes de la cosecha y comprueba que, efectivamente, en el año 2020 fue posible aumentar el índice de rendimiento en un 40 por ciento, y se logró reducir considerablemente el uso de pesticidas: si hasta hace pocos años se requerían entre 8 y 14 aplicaciones de fungicida, ese año sólo fueron necesarias dos. En colaboración con el equipo de investigación del Instituto Max Planck, dirigido por Christiane Gebhardt, este cultivador logró descubrir importantes genes de resistencia contra el mildiu y reproducir con éxito papas dotadas de ellos… Pero la investigación no ha llegado todavía muy lejos. La papa es, después del trigo, el arroz y el maíz, la cuarta planta cultivada más importante. Aun cuando no sea el remedio para todos los males, el cultivo de la papa podría contribuir a solucionar una parte de los problemas de alimentación que afectan a muchos países del mundo en los que la malnutrición y la escasez de alimentos están muy extendidas. Cada año se cosechan en todo el mundo alrededor de 325 millones de toneladas de los diferentes tipos de papa. Esto es el resultado de varios siglos de cultivo selectivo.

Sociedad Max Planck

Ya las papas cultivadas por los indígenas sudamericanos estaban altamente desarrolladas, adaptadas a las más diversas ubicaciones de cultivo y a distintos usos, y eran muy diferentes a las formas silvestres, sumamente venenosas y de bulbos diminutos. La papa se convirtió en el principal alimento de la Europa del siglo XIX. Y es que, además de las calorías necesarias, suministra también oligoelementos, vitaminas y proteínas de gran calidad. A mediados del siglo XIX, las enfermedades de la papa traídas de América tuvieron consecuencias nefastas sobre las cosechas: millones de personas murieron de hambre, sobre todo en Irlanda, donde la dependencia de la papa era especialmente grande.

Fuente de las gráficas: FAOSTAT / Realización: Designergold

CONOCIMIENTO

Der.-El principio del cultivo apoyado por marcadores: hay dos tipos (alelos) del gen que determina el color de la piel. En función del alelo que está presente, la piel de la papa es roja o blanca. Los números 1 y 0 simbolizan el marcador de ADN, vinculado a la ubicación del gen del color de la piel. El 1 representa aquí el color rojo de la piel; el 0, el color blanco. En la figura se muestra ilustrativamente que el marcador permite pronosticar con mucha fiabilidad el color de la piel de la papa.

Izq.- Las papas se reproducen vegetativamente a través del tubérculo.

Foto: Instituto Max Planck para la Investigación de los Cultivos

Sociedad Max Planck

“Las pérdidas de cosechas provocadas por el mildiu pueden alcanzar también hoy en día el cien por ciento, si no se utiliza una amplia gama de fungicidas“, dice Jens Lübeck. Esto cuesta a los agricultores, sólo en Alemania, 88 millones de euros al año. Además, los pesticidas químicos contaminan las aguas freáticas y el suelo, y son perjudiciales para la diversidad de las especies. MENDEL REVOLUCIONA EL CULTIVO AGRÍCOLA Teniendo esto en cuenta, sería un gran avance que se pudieran cultivar tipos de papas que produjeran un gran rendimiento y, al mismo tiempo, fueran resistentes a las plagas, como el tipo de papa imaginario “Sternstunde“ que mencionábamos al principio. El cultivo clásico sigue siendo trabajoso, aunque ya no tan lento como hace diez mil años, cuando nuestros antepasados empezaron a volverse sedentarios y a cultivar plantas silvestres comestibles. Con el paso del tiempo empezaron a diferenciar entre los ejemplares que sabían bien y los amargos, o entre los que producían un gran rendimiento y los que crecían poco, y descubrieron que el cultivo selectivo de ejemplares individuales con propiedades favorables producía los mejores resultados en las cosechas. “Fue Mendel el que revolucionó el cultivo científico de las plantas y el aumento del rendimiento que se puede lograr con él en la agricultura“, cuenta Christiane Gebhardt. Cuando en 1866 Johann Gregor Mendel traspasó el polen de las plantas de guisantes con retoños rojos a los cortes que había hecho en las que tenían retoños blancos, en el jardín del monasterio de Santo Tomás de Alt Brünn, el objetivo de sus experimentos eran las características exteriores reconocibles, los fenotipos. Este monje, que sería posteriormente conocido como el “padre de la Genética“, no sabía nada aún sobre los secretos moleculares de los ácidos nucleicos, su estructura y sus efectos. A pesar de ello, formuló las primeras reglas

sobre la actuación de los verdaderos gobernantes de la vida: los genes, y dio así nuevos impulsos a los cultivos; por fin se podían unificar en un solo descendiente, mediante el cruce sistemático, las características de muchas plantas individuales diferentes. LA INDIVIDUALIDAD, PEQUEÑA PERO IMPORTANTE DIFERENCIA Pero sigue siendo necesario seleccionar en varios ciclos los descendientes que poseen la combinación deseada de las características de los padres. En una selección en la que se busca resistencia, esto se puede realizar seleccionando en un invernadero o en el campo las plantas no afectadas por los gérmenes patógenos; las personas experimentadas reconocen las plantas enfermas por sus hojas marchitas o sus partes muertas. Otras características, como por ejemplo el contenido de nutrientes, no se pueden seleccionar tan fácilmente. Por tanto, lo ideal sería leer la predisposición de la planta directamente en sus genes, por así decirlo, sin pasar por el fenotipo. De este modo se eliminaría una gran parte del laborioso trabajo de selección para el cultivo. Los genes determinan las características que presenta una planta: si crece rápida o lentamente, si tolera bien los periodos de sequía, si es resistente a determinadas enfermedades, y las sustancias que contiene. Sin embargo, tras 30 años de investigación del genoma de las plantas, aún no se ha podido descifrar el secreto de su variedad genética. Naturalmente, se sabe desde hace mucho que las nuevas combinaciones de células ovulares y espermáticas de los padres determinan, cada vez de nuevo, las características que se heredan, y también que existen diferentes tipos de todos los genes, los denominados alelos. No obstante: “las papas sólo tienen sexo una sola vez en la vida“, explica Lübeck. “Después, la reproducción se desarrolla vegetativamente a través de los bulbos“, continúa diciendo el cultivador. En los clones de este tipo no

tiene lugar ya ninguna nueva combinación de cromosomas. Pero, ¿por qué contienen los bulbos de un tipo mucho almidón, mientras que un clon hermano produce menos? ¿Por qué un clon es más resistente al Phytophthora que otro? Gebhardt lo explica de la siguiente manera: “La pequeña diferencia entre los individuos de una especie viene dada por mutaciones puntuales“. El término científico inglés para ello es Single Nucleotide Polymorphism (polimorfismo de nucleótido simple, SNP). Se trata de una serie de intercambios aleatorios de bases que se producen una y otra vez durante la duplicación de la secuencia de ADN, incluso cuando el organismo se reproduce de forma asexual. “En el genoma humano, aproximadamente una de cada mil bases está modificada; en el genoma de la papa, alrededor de una de cada 50“, explica la investigadora. MARCADORES PARA LA BÚSQUEDA DE GENES FAVORABLES La mayoría de estas mutaciones no tienen ningún efecto; algunas, sin embargo, pueden tener consecuencias negativas, mientras que otras favorecen las características positivas. Y son precisamente esas mutaciones puntuales positivas las que buscan afanosamente los científicos de Colonia. En vista de los mil millones de pares de bases y de los alrededor de 30 mil genes que conforman el genoma de la papa, se trata de una búsqueda muy ardua. Con sus análisis genéticos, Gebhardt quiere crear las bases para una selección apoyada por marcadores, abreviada MAS (marker assisted selection). La premisa para la MAS es el desarrollo de marcadores diagnósticos de genes, El ADN aislado de una papa se reproduce mediante PCR (reacción en cadena de la polimerasa) y es recortado en fragmentos más pequeños por las así denominadas enzimas de restricción. Foto: Frank Vinken

Sociedad Max Planck

Christiane Gebhardt, directora del grupo de investigación del departamento de Maarten Koorneef en el Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de los Cultivos), comprueba las bandas en un gel de agarosa. Foto: Frank Vinken

CONOCIMIENTO

recortes de ADN producidos artificialmente, que representan secciones de ADN específicas y las hacen visibles; es decir, las “marcan“. Estas secciones de ADN están repartidas como marcadores de campo a través del material genético de las plantas. Por lo general, no muestran ningún rasgo fenotípico. El factor decisivo es que se encuentran en las proximidades de los denominados Quantitative Trait Loci, abreviados QTL, y que, por tanto, pueden servir como indicación de la existencia de determinados genes. EL CULTIVO DE PRECISIÓN AHORRA TIEMPO Y COSTOS Mediante los recortes de ADN artificiales se pueden buscar en el genoma de la planta determinadas variantes de genes, cuya existencia o ausencia indica la característica de la planta viva individual que se debe estudiar. El análisis del material genético vegetal sirve para reunir a la pareja que se debe unir y para seleccionar a los descendientes correctos. Este procedimiento se describe con los términos “cultivo de precisión“, precision breeding, o “cultivo apoyado por marcadores“. La ventaja de MAS es que teóricamente se puede determinar ya en los embriones si los ejemplares poseen o no la característica deseada. Se elimina así el trabajo de selección, que cuesta mucho tiempo, los costos se reducen, y se minimiza el uso de pesticidas, al menos teóricamente. A pesar de que, para satisfacción de la industria de la salsa de tomate, ya ha sido posible cultivar tomates con un

Los investigadores han podido identificar ya en los doce cromosomas de la papa diferentes áreas con genes que desempeñan un papel, por ejemplo, en la defensa contra algunos enemigos herbívoros. Foto: Instituto Max Planck para la Investigación de los Cultivos

Sociedad Max Planck

mayor contenido de azúcar, así como un tipo de arroz menos sensible a las inundaciones, “el cultivo de precisión en relación con las papas es más exigente“, comenta Lübeck. La genética de las papas es mucho más compleja. Mientras que los tomates y el arroz tienen sólo dos juegos de cromosomas y una o dos variantes (alelos) por gen, la papa tiene cuatro juegos de cromosomas con hasta cuatro alelos distintos por gen. Además, es muy poco habitual que las características que se buscan se manifiesten en un solo gen. “Más de 50 genes pueden condicionar una característica de resistencia que denominamos, por tanto, característica cuantitativa“, dice Gebhardt. Sería fantástico conocer los diez más importantes entre ellos. La bióloga molecular señala hacia un mapa de Alemania que cubre una gran superficie de la pared del corredor del instituto. “Nosotros construimos nuevos mapas“ comenta Gebhardt. La Tierra ya se ha medido por completo; ahora les toca a los genomas. En la pared de su oficina cuelgan representaciones esquemáticas en formato DIN A4 de los doce cromosomas de la papa, bastoncillos largos en los que hay dibujadas barras verdes o azules: ésos son los QTL ya identificados. Ellos designan las áreas del ADN que contienen genes para los que se pudo comprobar en estudios anteriores una influencia mensurable sobre el rasgo de una característica fenotípica. Los cromosomas están rodeados de flechas finas y de combinaciones de letras y cifras de distintos colores. GPA5, por ejemplo, aparece en rojo, R1 en verde y GP179 en negro. “El negro identifica marcadores ADN sin un significado biológico especial”, explica Gebhardt. No obstante, estos marcadores forman parte de la estructura básica de los mapas de genes, y son en este sentido comparables con los grados de latitud y longitud de un mapa del mundo.

CONOCIMIENTO

MAPAS DE GENES PARA UNA EXPEDICIÓN EN EL GENOMA Se puede crear un mapa de genes de este tipo para cada uno de los cromosomas de la papa. Los marcadores están alineados en ellos como las perlas en un collar. Entre ellos se deben localizar las características: en rojo aparecen, por ejemplo, las ubicaciones de genes relevantes para la resistencia a los nematodos; en verde, las relacionadas con la resistencia a los hongos. Para poder establecer un enlace entre estos mapas de genes y las plantas del campo, el equipo de trabajo de Colonia recibe material de muestras de las empresas de cultivo de plantas, como la SaKa Pflanzenzucht GbR de Windeby. Allí se siembra en el campo, en la primavera, una población de ensayo de una media de 200 plantas. Los empleados cortan una hoja fresca de cada una de las plantas numeradas, para aislar el ADN. Después, continúan observándose las plantas para comprobar si se produce una infestación con parásitos como, por ejemplo, el Phytophthora. Si no es el caso, se produce una infestación artificial para poder evaluar los efectos fenotípicos del patógeno sobre cada planta individual a lo largo de un par de semanas. La calificación va de 1 a 9, porque las características cuantitativas sólo se pueden registrar en varios niveles intermedios. Son muy pocos los casos en los que las características son tan puras o monogenéticas como la característica del color de los retoños de los guisantes de Mendel. El 1 es la calificación más baja, lo que significa que la planta respectiva sería sumamente propensa a las infestaciones con Phytophtora. Las hojas secadas por congelación viajan 532 kilómetros a través de Alemania y se preparan en el laboratorio de Colonia. Algunas partes del ADN aislado se reproducen

CONOCIMIENTO

mediante el PCR (del inglés Polymerase Chain Reaction), una especie de copiadora bioquímica. Finalmente, enzimas de restricción recortan el ADN en los lugares con una secuencia de bases específica o no, si en esa secuencia de bases se encuentra un SNP, un intercambio de bases individual. Eso provoca que determinados fragmentos de ADN sean más largos en ese individuo. En la electroforesis en gel que se realiza a continuación, estos fragmentos más largos se desplazan –impulsados por un campo eléctrico– más lentamente que los fragmentos más cortos. Si observamos nuestro marcador para la resistencia, una característica desfavorable avanza, por ejemplo, más lejos que una favorable.Si la característica es favorable o no, sólo se puede aclarar mediante la comparación con la documentación del cultivador sobre las plantas de ensayo correspondientes. Los cultivadores comprueban la calidad de las plantas de ensayo y de sus bulbos. Esos análisis fenotípicos deben realizarse frecuentemente, en diferentes lugares y en momentos distintos, a lo largo de varios años. Después de todo, el efecto de los genes sólo se puede definir adecuadamente en el marco de una reacción frente a un entorno determinado. IMPULSO FINANCIERO PARA MÁS COOPERACIONES A las evaluaciones del genotipo y del fenotipo se suma el cálculo estadístico, necesario para establecer una relación entre las características y las secciones de ADN. Miles de bandas se estudian mediante un análisis por asociación para comprobar con qué características están correlacionadas. Si se tiene éxito, el siguiente paso es continuar reproduciendo las plantas cuyos análisis de laboratorio han superado las comparaciones estadísticas y fenotípicas y esperar para constatar si se obtienen los resultados deseados. “El cultivo es un proceso muy lento”, comenta Lübeck. Son necesarios unos diez años para crear un solo tipo de papa. MAS podría acelerar ese proceso. Hasta hace poco se conocían sólo pocos marcadores diagnósticos que permitían identificar características monogenéticas, pero el programa de investigación GABI (Genomanalyse im biologischen System Pflanze, Análisis del Genoma en la Planta como Sistema Biológico) ha supuesto un gran impulso en los últimos ocho años. Estos proyectos, incentivados por el Ministerio de Educación e Investigación alemán (BMBF por sus siglas en alemán) hacen posible la colaboración entre centros de investigación, como el Instituto Max Planck de Colonia, y empresas de cultivo de plantas, y han dado como resultado el descubrimiento de marcadores diagnósticos con los que se pueden identificar las características de las papas determinadas por varios genes. “Uno de los mayores éxitos logrados hasta ahora para los programas de cultivo económicamente relevantes es un marcador molecular que diagnostica la resistencia contra el nematodo Globodera pallida”, dice Lübeck. Los quistes de este nematodo pueden sobrevivir en el suelo hasta 20 años. Si las papas se siembran en un área infestada, las larvas penetran en las raíces y se apoderan de sus nutrientes. Como consecuencia, la planta muere.

Sociedad Max Planck

PRIMEROS ÉXITOS CONTRA LOS ENEMIGOS HERBÍVOROS En la lucha contra los numerosos enemigos de la papa se han logrado nuevos triunfos: “Entre tanto, hemos descubierto un primer gen para la resistencia de campo contra el mildiu”, explica Gebhardt. El gen tiene la abreviatura StAOS2 (por Solanum tuberosum Allene Oxide Synthase 2). La investigadora de cultivos piensa que en unos cinco años más, el genoma de la papa estará completamente descifrado, lo que será de gran ayuda a la hora de buscar nuevos genes. Jens Lübeck parte de la base de que próximamente se descubrirán más marcadores para los genes de resistencia. Cuando mira el mapa de genes de la oficina de Christiane Gebhardt, se siente optimista. Es posible que en el futuro existan realmente “papas a la carta genética”.

Los investigadores comprueban en el ordenador las diferencias entre los trayectos recorridos por los fragmentos de ADN en la electroforesis en gel. Foto: Frank Vinken

GloSaRio Fenotipo/rasgo fenotípico Característica exterior reconocible de un organismo, influenciada por los genes y por el medio ambiente. Genotipo El juego individual de genes que posee un organismo. Marcador Acepción general: un medio auxiliar bioquímico para determinar características específicas. En este caso especial: una sección de ADN que se ubica en una secuencia conocida y localizada con exactitud del material genético, y sirve de ayuda en la búsqueda de genes. MAS Abreviatura de “marker assisted selection”: búsqueda de características relevantes para el cultivo mediante marcadores genéticos. Quantitative Trait Locus Mapping Un método para buscar las ubicaciones de los genes que influyen en una característica.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

los secretos de

los granos cósmicos El fin de la jornada de un meteorito es abrupta por definición, cuando el fragmento de material cósmico choca contra la tierra. Una roca celestial oculta muchos grandes secretos. Ulrich Ott, del Instituto Max Plack de Química, en Mainz, es un detective científico. Él descifra, por ejemplo, cuánto tiempo ha viajado el meteorito por el espacio Thorsten Dambeck

n la tarde del 17 de enero de 2009, el espectáculo de una luz brillante fue causa de grandes emociones. A la misma hora en que se transmitía el principal noticiero nocturno, un meteoro iluminó el cielo durante unos segundos, en el norte de Alemania. Procedente de la dirección de Polonia, la bola de fuego se movió a través del Mar Báltico, hacia Dinamarca, en una trayectoria en dirección oeste. Cerca de 600 testigos oculares reportaron el hecho, y algunos de ellos incluso dijeron haber escuchado ruidos, como disparos de arma de fuego y truenos retumbantes. En Suecia, una cámara de vigilancia documentó el espectáculo, y gente de los Países Bajos también fotografió la bola de fuego. Aunque las imágenes no fueron de utilidad alguna para señalar un posible punto de impacto, con cierto grado de precisión, fragmentos del meteorito fueron descubiertos en los primeros días de marzo.

Una roca que cayó del cielo. En abril de 2002, cayó en la Tierra, cerca del famoso castillo construido por el rey bávaro Lwdwig II –de ahí su nombre de “Neuschwanstein”. La fotografía muestra una vista de 360 grados, compuesta por 20 imágenes.

CAZADOR DE ROCAS CELESTES El espectacular descubrimiento fue resultado de una sistemática investigación emprendida por el cazador de meteoritos Thomas Grau, de Brandeburgo, quien fue también el primero en encontrar una pieza del meteorito “Neuschwanstein”, en los Alpes, el año 2002 (Max Planck Reaserch 1/2003, pág. 16 ff.). En esta ocasión, Grau encontró su tesoro en la isla danesa de Lolland, donde recogió una pequeña pieza de roca, aproximadamente del tamaño

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

de una pelota de ping pong; se había quebrado y estaba enterrada unos cuantos centímetros en un hoyo en el piso, cerca de la ciudad de Maribo. Científicos como Ulrich Ott, del Instituto de Química Max Planck, se benefician del instinto de este cazador de rocas celestes. “No es ésta la primera ocasión en que hemos obtenido nuestras muestras en esta forma”, dice. El grano de material que el cartero entregó en esta ocasión venía del Museo de Geología de Copenhague, donde Grau había depositado su descubrimiento. Las escalas del laboratorio reportaron apenas 115 miligramos, pero más que suficiente para la realización del análisis. Antes de esto, colegas de Dinamarca y de Münster habían hecho ya una clasificación: Maribo –nombre oficial del meteorito del Báltico- es un condrito carbonoso, un espécimen rico en carbono. Menos de un cinco por ciento de los meteoritos corresponden a esta rara categoría. GASES NOBLES TIENEN EL SECRETO DE LA DURACIÓN DEL VIAJE Los científicos de Max Planck en Mainz llevan décadas investigando meteoritos. Desde 1969 también han estado analizando muestras traídas por los viajeros lunares –ninguna institución científica fuera de Estados Unidos recibió tantas rocas lunares como el Departamento de Cosmoquímica en Mainz. Sin embargo, los objetos de investigación cósmica de Ott siempre han sido los meteoritos. “Nuestro trabajo tiene un enfoque interdisciplinario”, explica el investigador, cuya casa científica se encuentra en la interfase de la astrofísica, la química y las geociencias. “Aquí estamos aplicando una serie de temperaturas”, explica Ulrich, mientras se dirige al laboratorio donde la muestra del Maribo está sometida a intenso calentamiento. En un lapso de varios días se le aplican temperaturas de entre 400 y mil 800 grados Celsius, a fin de liberar a la roca celeste, en forma gradual, de sus componentes gaseosos. Ott y sus colegas científicos tienen particular interés en los gases nobles; o, para ser más precisos, en la proporción de isótopos del gas noble, dado que pueden ser usados para calcular el tiempo que duró el viaje desde el reino de los planetoides, hasta el punto de impacto en el territorio danés. RADIACIÓN CÓSMICA Y éste es el procedimiento: después de que la roca fue expulsada de su cuerpo original, quedó expuesta a la omnipresente radiación cósmica. En su interior empezaron a ocurrir reacciones nucleares, y empezó a cambiar la proporción de isótopos. Como Otto explica: “Los efectos interesantes se pueden ver mejor por medio de isótopos poco comunes, como el neón 21”. El núcleo de esta forma especial del noble gas contiene un total de 21 protones y neutrones. Por lo general, el neón contiene solamente el 0.3 por ciento de este isótopo. “Podemos usar el contenido NE-21 de un meteorito –dice Ott- para determinar con bastante precisión el tiempo de su irradiación”. La edad de la exposición a los rayos cósmicos es el término técnico para la duración de la travesía cósmica.

1. Ulrich Ott examina la impresión de un espectro de masas. Fue así como se grabaron los espectros hace 20 años; ahora, esto se hace electrónicamente; pero, tan sólo por cuestiones de seguridad, siempre se usa en forma paralela la tecnología convencional. 2. Pesado, y resultó un peso ligero. Si usted espera encontrar un gran fragmento de roca en el laboratorio, quedará decepcionado. Para el análisis basta con una cantidad pequeña de material. El pequeño grano de material del meteorito Maribo pesaba apenas 115 miligramos. 3. Las muestras de los meteoritos se almacenan en botellas de plexiglás, como éstas, hasta que son analizadas en el laboratorio de Ott.

Sociedad Max Planck

En el laboratorio se escucha el ruido de bombas –las medidas requieren un ultraalto vacío. En lo alto de las tuberías del aparato, que se aíslan del calor con láminas de aluminio, se encuentra una vasija de vidrio, de la cual salen una docena de protuberancias, en forma de dedos, que apuntan hacia abajo. Éstas contienen las muestras, envueltas en níquel plateado. Las muestras proceden de una amplia variedad de diferentes meteoritos. Aparte de la muestra del Maribo y de muchas otras, hay también una muestra muy especial: “Un colega de Viena –dice Ott- nos mandó ésta. Los mineralogistas no estaban completamente seguros de que se tratara de un meteorito. Sospechaban que, si realmente procedía del espacio, era posiblemente de Marte”. El análisis del gas noble de este misterioso objeto ha quedado terminado, y Ott está seguro de que no es de la Tierra. Por lo contrario, ha completado una larga odisea cósmica. “Las elevadas concentraciones de Ne-21 son evidencia de una edad de elevada radiación, de unos 20 millones de años”. Pero esto indicaría que no es de Marte, porque los meteoritos procedentes de este planeta hacen el viaje espacial más rápidamente, por lo general en unos pocos millones de años. NANODIAMANTES, HECHOS DE UNOS MIL ÁTOMOS DE CARBONO El espectrómetro de masas de gas que ayudan a Ulrich Ott y a sus colegas científicos a descifrar la roca celeste es un aparato muy sensible. Y tiene que ser así, porque muchas veces los gases nobles están presentes en los meteoritos en bajas concentraciones (véase el recuadro Una buena nariz…). Pese a todo, estas medidas han sido rutinarias ya por largo tiempo en el Instituto de Química Max Planck, una especie de servicio que forma parte de una serie estándar de los análisis en la investigación de los meteoritos. Mientras los números para los gases nobles, desde el helio hasta el xenón, aparecen en la pantalla, Ott habla sobre su verdadera área de investigación: los granos presolares. Estas fases están alojadas en algunos meteoritos, y pueden ser investigadas por separado. “Estamos preocupados principalmente por pequeños diamantes, que contienen apenas unos mil átomos de carbono”, explica el científico de Max Planck. Estos nanodiamantes son más viejos que el sistema solar. Fue el análisis de gas noble el que permitió identificarlos como reliquias del espacio interestelar, y este primero mostró que los meteoritos contienen tales antiguos componentes. Además de los diamantes miniatura, los científicos analizan también granos más grandes, aunque incluso éstos siguen estando en la escala micrométrica. Los investigadores utilizan complicados métodos para extraer los granos de la matriz de la roca meteorítica. Algunos isótopos de estos granos muestran ca-racterísticas dramáticamente distintivas. Investigaciones de Peter Hoppe, también del Instituto de Química Max Planck, en Mainz, muestran que, mientras la proporción de carbono del isótopo con peso atómico de 12 y 13 anda alrededor de 90 en todo el sistema solar, estos granos están absolutamente fuera de lo común: algunos tienen valores de dos órdenes de magnitud más bajos, en tanto que otros exhiben una proporción de isótopos casi cien veces mayor. ¿De qué se trata? Se supone que las estrellas, al término de sus vidas, lanzan polvo al espacio. Antigua materia estelar de gigantes rojos o de explosivas supernovas alcanzaron la primigenia nube solar de la cual se formaron el Sol, los meteoritos y los planetas. En esta forma, las anomalías isotópicas nos permiten una mirada a la parte interna de estas estrellas y a la síntesis de los elementos químicos que ahí ocurren –una especie de huella digital genética de nuestros ancestros estelares. NUEVO EQUIPO DE MEDICIÓN PARA EL POLVO INTERESTELAR El meteorito Maribo puede contener también los granos primigenios; las mediciones de Ott indican el contenido de un nanodiamante en partes por rango de miles. Una importante condición para esto fue que Maribo, en los cuatro y medio millones de años de su existencia, fue sometido a un calentamiento rela-

CONOCIMIENTO

tivamente mediano, de no más de 200 grados Celsius. Sin embargo, es muy probable que no habrá investigación detallada del material presolar, dado que sólo una pequeña cantidad –apenas 30 gramos- del material de Maribo ha sido encontrada hasta la fecha en Dinamarca. Este año, el instituto en Mainz experimentará un salto en la sensibilidad de su análisis del gas noble, una vez que entre en operación una nueva pieza de su equipo de medición, para el análisis de micrometeoritos, polvo interestelar y granos presolares individuales. Mientras tanto, todos los gases nobles de la muestra del Maribo han sido determinados en el laboratorio, y evaluados sus datos de medición. A Ott no le han sorprendido los resultados: “La edad de radiación del Maribo es de alrededor de un millón de años”, explica. Éste es un tiempo de travesía muy corto, comparado con el de los meteoritos ordinarios de piedra, pero no inusual para esta clase de meteorito. Probablemente, este material quebradizo no podría resistir las duras condiciones del espacio por un tiempo mucho más largo. Y, a fin de cuentas, el proceso de calentamiento en Mainz también probó demasiado para el grano de polvo cósmico. “Se evaporó”, dice Ott impasible. “Después de todo, nuestras mediciones no constituyen una técnica no destructiva”.

Una BUena naRiZ PaRa loS GaSeS noBleS Estudiar los gases nobles en los meteoritos resulta difícil, dado que las concentraciones de los mismos son muy bajas. El espectrómetro de masas de gas noble en Mainz opera fundamentalmente como sigue: primeramente, los componentes gaseosos de la muestra se calientan gradualmente para vaporizarlos. Por métodos químicos se separan los gases no nobles de la mezcla de gases, dado que no son importantes en el análisis extensivo. El helio y el neón entran primero en el aparato de medición, en tanto que los otros gases nobles están atrapados en la superficie del nitrógeno-líquido-frío (menos de 196 grados Celsius) activado por carbono. Son liberados de este “almacenamiento interino” por medio del calor, cada especie atómica a una temperatura específica. Primero se libera el argón, a menos 123 grados Celsius, seguido por el kriptón. Una temperatura todavía más elevada (alrededor de más de 150 grados Celsius) se aplica para liberar el xenón. El análisis funciona con base en el siguiente principio: un filamento de calentamiento emite electrones que chocan con los átomos del gas noble, lo cual hace que éstos se ionicen. El alto voltaje que se aplica entonces da la seguridad de que los iones de los isótopos del gas noble individual se desvían de acuerdo con su masa. En contraste con el espectroscopio de masas convencional, las bombas están cerradas durante la medición. Estas medidas sensitivas dependen de que no se pierda ni un simple átomo del gas.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

GloSaRio: Isótopo Término utilizado para varios tipos de átomos de un determinado elemento químico cuyo núcleo tiene el mismo número atómico (número de protones) pero diferente número de neutrones y, en consecuencia, también diferentes números de masa. Radiación cósmica Radiación espacial de partículas de elevada energía, consistente principalmente de protones, electrones y átomos completamente ionizados. La radiación se origina en el Sol, pero también en las estrellas supernova y de neutrones, así como en fuentes extragalácticas, tales como las galaxias activas y las quásares.

1. Los meteoritos, cuidadosamente envueltos en papel níquel, en el recipiente de vidrio para las muestras, donde son liberados de los gases absorbidos, por medio de un calentamiento moderado. 2. Se mira como si fuera arte moderno, pero en realidad se trata de una trampa de separación criogénica. Éste es una especie de almacenamiento interino para los gases nobles, liberados por medio del calor de las muestras de meteoritos.

Meteoroide, meteoro, meteorito Estos términos se confunden con frecuencia Un meteoroide es un fragmento, grande o pequeño, de material que orbita en el espacio. Si tal meteoroide entra en la atmósfera de la Tierra, produce un fenómeno brillante, llamado meteoro. A un meteoro particularmente brillante también se le llama bola de fuego o bólido. La mayor parte de los granos son apenas del tamaño de una mota de polvo, y se queman, pero los fragmentos más grandes caen en la Tierra como meteoritos. Supernova El estallido repentino en llamas de una estrella que incrementra su brillo de varios millones a varios billones de veces. Hay varios tipos de supernovas, y dos mecanismos básicos: la explosión de una estrella masiva individual que ha utilizado todo su combustible nuclear al fin de su existencia; y la detonación de una de las estrellas de un sistema binario, causada por la transferencia de material entre dos estrellas (enanas blancas).

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

¡Mi perro puede hacerlo! Birgit Fenzel

En lo que respecta a los científicos cognitivos, el juego de niños “Espío con mis ojitos”, no es más que eso, un juego de niños, basado en la premisa de que la persona a la que le corresponde el turno no se imagina lo que los otros jugadores pueden o no pueden ver. Pero, los perros y los monos, por ejemplo, ¿comparten también esta habilidad? En el instituto Max Planck para la Antropología Evolutiva, en Leipzig, los científicos estudian los factores de conocimiento social en diferentes especies

a teoría de la mente es el término científico para el arte de leer la mente. Esta habilidad permite a las personas considerar a los demás como individuos, con sus propias percepciones, sentimientos y pensamientos y, con base en esto, imaginar qué está pasando en sus vidas. Para los investigadores, la teoría de la mente es una de las piedras angulares de la enseñanza y el aprendizaje, y, por lo tanto, también del surgimiento de la cultura –aquí sólo tiene uno que pensar en los papeles de la imitación y la demostración en la transmisión del conocimiento, en el contexto del desarrollo del lenguaje. Durante mucho tiempo se consideró que la teoría de la mente era solamente una habilidad propia de los humanos, desarrollada en el curso de la evolución. Sin embargo, los científicos que trabajan con Michael Tomasello, en el Departamento de Psicología Comparativa y del Desarrollo, en el Instituto Max Planck para la Antropología Evolutiva, en Leipzig, observaron que los chimpancés también desarrollan algunas de las características clave de esta habilidad de percibir las perspectivas e intenciones de los demás.

CONOCIMIENTO

Con el fin de descubrir lo que los simios saben acerca de las percepciones de los miembros de su grupo, el psicólogo Joseph Call aprovechó la posesividad extrema que, en el caso de la comida, presentan los habitantes de la casa del simio en el Centro de Investigación de Primates Wolfgang Köhler, ocultando pedazos de fruta en las jaulas. Los miembros de menor jerarquía sólo se atrevían a tocar el alimento extra cuando observaban que el macho alfa no había notado la comida oculta, o bien cuando la comida estaba fuera del rango de visión de éste. INDICADORES PARA LOS BIOLOGOS EVOLUCIONISTAS Esto pone en tela de duda la hasta ahora aceptada creencia de que la teoría de la mente es una habilidad exclusivamente humana. Pero, ¿qué tanto entienden en realidad los simios acerca del estado del conocimiento de los otros? ¿Es posible que sean capaces de utilizar gestos de indicación, u otros indicadores de referencia en contextos comunicativos? “Estas preguntas son extremadamente fascinantes para nosotros” –dice la bióloga Juliane Brauer, quien investiga el conocimiento social en varias especies animales, en el área de Tomasello. “La comparación entre diferentes especies nos brinda una visión de nuestro propio interior y de lo que ha cambiado a lo largo de nuestro desarrollo. Después de todo, la forma en que el conocimiento humano se ha desarrollado a lo largo de la evolución siempre ha sido una de nuestras grandes interrogantes”. De esta manera, los humanos han sido dotados de la habilidad de ponerse a sí mismos en la percepción y en las perspectivas de acción de los otros, y esta habilidad juega un papel importante en la adquisición del lenguaje en la infancia temprana. El niño aprende, señalándolos, los nombres de los objetos, gracias a su padre y a su madre. Asimismo, ahora se puede asumir que los gestos realmente tienen su base en las raíces del lenguaje: las palabras y los sonidos aparecen solamente después de las señalizaciones. Sin embargo, como Call y sus colegas descubrieron con asombro en el Centro de Investigación de Primates Wolfgang Köhler, los grandes simios no siguen ni siquiera las más amplias pistas que se les brindan: una serie de estudios con piezas de fruta ocultas demostró que los señalamientos no funcionan en la comunicación humano–simio. Es claro que los simios no entienden lo que sus humanos compañeros de prueba trataban de decirles, cuando señalaban cierto contenedor de comida. TALENTO EXCLUSIVO DEL HOMBRE Con base en estos descubri-mientos, resulta evidente que la habilidad de interpretar gestos comunicativos es un talento exclusivo del Homo sapiens. ¿Si la relación más cercana al hombre, hablando en términos ontogenéticos, no

Sociedad Max Planck

puede comprender los gestos de señalización, ¿quién puede? La respuesta llegó de una fuente inesperada: “¡Mi perro lo puede hacer!”, expresó el estudiante de doctorado Brian Hare (Investigación Max Planck 2/2006, página 70 ff.). Con este comentario informal, Hare se asignó a sí mismo la tarea de llevar a cabo su propio proyecto de investigación. Rápidamente quedó patente que su perro no era el único comunicador canino, extraordinariamente dotado, capaz de interpretar los gestos humanos de señalización. Igual que se había realizado en la casa del simio, la “prueba de elección del objeto” se usó aquí también. A los perros se les presentaron dos contenedores idénticos, boca abajo, pero sólo uno de ellos tenía un bocadillo para perro. Como los perros no habían visto cuando se estaba escondiendo el bocadillo en el contenedor, no podían haber sabido en cuál de ellos estaba. Su compañero humano de prueba apuntó entonces al recipiente con el interesante contenido. Después de eso, a los perros se les permitió escoger, y así lo hicieron, tocando el contenedor de su elección con su nariz o sus patas. Si escogían el correcto, se les recompensaba con el contenido; si escogían el equivocado, se quedaban sin nada. Para asegurarse de que los perros no se guiaran por sus sensibles narices, se llevó a cabo una condición de control, a fin de que no hubiera pista alguna respecto de cuál era el contenedor correcto. ”Si el animal hacia alternativamente selecciones correctas e incorrectas en este caso, era evidente que no podía oler la comida,” dice Julianne Brauer, explicando cómo se puso a prueba la afirmación de Hare.

Dos contenedores, una galleta, ni rastro de olor. Incluso sin usar la nariz, los perros de todas las razas inmediatamente pudieron establecer donde se ocultaban las recompensas. A diferencia de los monos, al instante comprendió el gesto de señalar. MPI for Evolutionary Anthropology.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

los perros- se agregó al estudio la condición que obligó a los perros a alejarse de la mano para llegar a los contenedores. Riedel reporta que los “Cachorros de todas las edades interpretaron igualmente bien el señalamiento como una indicación de comida escondida y seleccionaron el contenedor correcto”. Este resultado fue indicativo de que la habilidad para seguir los gestos comunicativos humanos no es algo que los perros deban aprender, sino que es innato. “Asimismo, esto sugiere que milenios de domesticación han jugado un papel crucial en el surgimiento de esta habilidad”. La observación ha sido, además, corroborada con lobos criados en cautiverio y que, pese a también estar acostumbrados a los humanos y a sus formas de expresión, no comprenden las señalizaciones.

La orden de “alto” sólo es válida siempre y cuando una persona lo está mirando. En los estudios, los perros obedecían siempre que la mirada del hombre se dirigía a ellos y, casi siempre, se robaba el premio cuando no se les observaba. MPI for Evolutionary Anthropology.

Este solo estudio reveló que la afirmación de Hare no eran sólo palabras vacías. Los perros mostraron clara preferencia por el contenedor que había señalado el humano: el mensaje silencioso había sido claramente escuchado. “El articulo de Hare sobre el conocimiento canino fue publicado en 1998”, explica la bióloga de 33 años. Desde 1999, ella ha estado trabajando en el Instituto Max Planck, y ahí mismo escribió su tesis en 2002. Más o menos por esa misma fecha, un grupo de investigadores exploraban en Budapest la pregunta de cómo pueden los gestos humanos ser utilizados por los perros. DE LA ÚLTIMA ELECCIÓN AL TOPE DE LA CLASE En un principio, la comunidad científica mostró poco interés al conocer los resultados de los estudios realizados en Leipzig y en Budapest. “Era difícil que alguien estuviera interesado en los perros. Se les consideraba sujetos no aptos para los exámenes, en virtud de que viven en un medio ambiente no natural. Y se creía que los resultados de tales estudios no reflejaban su verdadera naturaleza”, dice Brauer, quien explica por qué los perros habían quedado en un punto muerto en el campo de la investigación. NUEVO ESTUDIANTE DE EXCELENCIA Lo que es más, desde hace mucho tiempo, los perros han sido considerados lobos “incompletos”, dado que no poseen muchas de las habilidades de sus ancestros que no vivían en cautiverio. Por ejemplo, sus sentidos del olfato y del oído son significativamente menos agudos que los de sus autosuficientes antepasados salvajes. No obstante, incluso en los primeros estudios de conducta realizados en Leipzig, la especie que supuestamente había degenerado por la domesticación, asombró a los investigadores por sus habilidades cognitivas y sociales, y en muchos estudios comparativos surgió como el nuevo estudiante de excelencia que superó fácilmente a los primates de Pongoland. Pero, ¿cómo pueden hacer esto los perros? ¿Acaso de cachorros aprenden los gestos como un “idioma extranjero”, gracias a su cercana asociación con los seres humanos? ¿O puede ser innata esta habilidad? Para averiguarlo, la estudiante de doctorado, Julia Riedel, y sus colegas, realizaron la prueba de objetoselección con perros jóvenes, de entre seis y 16 semanas de edad. Con el fin de excluir la posibilidad de que los cachorros simplemente estuvieran probando suerte con el contenedor más cercano a la mano de la persona que hacía el señalamiento –es bien sabido el hecho de que las manos son de gran interés para

ESTUDIO DISTINTO Qué tan bien saben realmente los perros lo que otros pueden o no pueden ver quedó demostrado por un estudio distinto que Brauer llevó a cabo con su colega Juliana Kaminski. La idea para el estudio se lo inspiró a Brauer su perra, Mora. Un día, cuando la sacó a pasear, Mora descubrió un sándwich desechado descuidadamente en el piso, y lo vio como una bienvenida adición a su menú. Al escuchar la orden “alto”, soltó obedientemente su botín, y su dueña la felicitó por esta acción. Sin embargo, tan pronto como Brauer se dio la vuelta, Mora atrapó nuevamente el sándwich y lo devoró rápidamente a espaldas de su ama. “Los estudios más interesantes son siempre aquellos que se relacionan de manera directa a la forma en que viven los animales objeto de la investigación”, dice la científica de Max Planck. Como lo pueden confirmar la mayor parte de los propietarios de perros, la experiencia que ella tuvo en el parque con su perra fue algo muy típico en la vida cotidiana con los caninos domésticos: a los perros no se les permite subirse a la cama o al sofá, pero lo hacen tan pronto como sienten que no los ven; el perro debe estar en su cesta, pero salta fuera de ella en el instante en que su amo sale de la habitación; al perro no se le permite tomar comida de la mesa, pero tan pronto como se queda solo en el comedor, devora el chocolate. LA BUENA CONDUCTA ES SIEMPRE UNA CUESTIÓN DE ENFOQUES El diseño del estudio en el chalé de perros, con el cual Bräuer y Kaminski querían establecer si los perros saben lo que otros ven, fue relativamente sencillo. Para empezar, se colocaba un manjar a las patas del perro. Mediante la orden usual, los humanos prohibían al perro comer el alimento. Más tarde, los humanos cambiaban su conducta. En una ocasión, simplemente se dieron la vuelta y salieron de la habitación; en otra ocasión, se sentaron en un banco y se pusieron a jugar. “En cada caso su atención no se dirigía al perro”, dice Kaminski, quien describe la más importante condición del estudio. Solamente en la condición de control los humanos miraban a los perros. Cada turno duraba exactamente tres minutos. “Hay que admitir –concede Bräuer- que no era una prueba particularmente agradable para un perro bien en

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

trenado. Pero, bajo las condiciones adecuadas, era finalmente capaz de ignorar la prohibición, como mi perra lo había hecho en el parque”. Y los perros de la prueba se comportaron exactamente de la misma forma en que lo había hecho Mora. En vez de sentarse obedientemente, gozando simplemente la vista del manjar, lo robaban en el mismo instante en que se sentían no observados. Sin embargo, casi nunca tocaban el alimento cuando se sentían observados por sus compañeros humanos de prueba. “Con base en estos estudios, podemos concluir que los perros pueden distinguir si una persona los observa o no, y que en cada caso se comportan de manera diferente”, dice Juliane Bräuer. De este estudio también resultó una observación particularmente interesante, y es que los perros también pueden distinguir entre ojos abiertos y cerrados, lo que constituye una notable habilidad. Sin embargo, las dos investigadoras no pretenden aceptar sólo estos resultados como prueba de que los perros pueden entender lo que un humano puede o no puede ver en tales condiciones. Después de todo, los perros pueden simplemente haber reaccionado ante los ojos de sus socios porque han aprendido que, cuando se les pueden ver los ojos, los humanos están siempre atentos. ESTUDIO EN FORMA DE JUEGO Para saber si los perros realmente entienden este cambio de conocimiento, las dos investigadores se embarcaron en otra serie de estudios. En esta ocasión, la prueba tomó la forma de juego, con dos juguetes que ellas habían colocado en el piso, entre el humano y el perro. Después, colocaron una barrera enfrente de cada juguete: una barrera era opaca, y bloqueaba la vista del juguete por parte del humano, en tanto que la otra era transparente, y permitía una clara visión del juguete. Ambos juguetes eran igualmente visibles para el perro, que estaba al otro lado de la barrera.

Este estudio demostró que los perros comprenden el punto de vista de los seres humanos. En la mayoría de los casos, trajo el juguete que había detrás de la barrera de vidrio. Obviamente sabía que su pareja en la prueba sólo podía ver ese juguete, y que la orden “traer” sólo se refería a ella. MPI for Evolutionary Anthropology.

Los perros no sólo traen objetos que se indican a ellos por su nombre, también pueden distinguir y saber de objetos desconocidos por un proceso de exclusión y de esta manera aprender nuevas palabras. A petición, también recuperan los objetos que se muestran a ellos en fotos o como miniaturas. MPI for Evolutionary Anthropology.

VOCABULARIO RÉCORD, CON MÁS DE 200 PALABRAS Entonces, el participante humano daba al perro la orden de traerle uno de los juguetes, mediante la palabra “tráelo”, sin referirse de manera específica al juguete. Si los perros podían entender algo de la perspectiva de la persona, y de lo que ésta podía ver, mostraban preferencia por el juguete colocado tras la barrera transparente, que era el único en su campo de visión. Por lo tanto, la orden únicamente se podía referir al juguete colocado tras la barrera transparente. Sin embargo, si el perro reaccionaba solamente al ojo como estímulo, no debería mostrar preferencia por ninguno de los juguetes, y llevaría cualquiera de los dos, con igual frecuencia, a la persona, porque percibiría los ojos de esta última en conjunción con ambos juguetes. De hecho, los perros optaron con más frecuencia por el objeto colocado enfrente de la barrera transparente. Sin embargo, es perfectamente posible que los perros hayan optado con más frecuencia por la barrera transparente porque, por ejemplo, el juguete se veía ahí más brillante, o porque en esta forma tenía una mejor visión del humano cuando le llevaba el juguete. Por tal motivo, el estudio fue complementado con otras dos condiciones de control en las cuales el perro no debería mostrar preferencia por ninguno de los dos juguetes. En una situación, la persona podía ver ambos objetos, porque se colocaba a un lado del perro; en la otra, no podía ver ninguno, porque estaba sentada de espaldas a la escena. Cuando el humano estaba sentado de espaldas, los perros desplegaron cierta preferencia por el juguete de la barrera transparente; sin

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

embargo, su preferencia mayor estaba reservada para el caso en que el humano estaba del otro lado y realmente no podía ver sino el objeto colocado tras la barrera transparente. “Este resultado podría significar que los perros realmente entienden, hasta cierto punto, lo que los humanos pueden ver”, dice Juliane Kaminski. HABILIDADES BÁSICAS NECESARIAS No queda claro si los perros son compañeros ideales para el juego “Yo espío con mis ojitos”. Sin embargo, no queda duda de que tienen las habilidades básicas necesarias para jugarlo. Bräuer, quien vino a trabajar con perros a través de su investigación con monos, ha sido durante dos años, coordinadora científica de la investigación con perros, y coordina proyectos en curso con Susanne Mauritz. Ella permite, a través de llamados por los medios, que los propietarios de perros interesados registren este interés en los estudios de observación. “La gente está feliz de venir con nosotros, porque tienen curiosidad por saber lo que realmente pueden hacer sus perros, y porque saben que cuidaremos bien a su perro y le pondremos retos mentales”, dice Mauritz. Con el paso del tiempo, las dos investigadoras han llegado a conocer algunos perros particularmente dotados, que no solamente son buenos para interpretar los gestos y miradas humanos, sino que también tienen un asombroso vocabulario pasivo. “Algunos de ellos –dice Kaminski- pueden identificar por nombre varios cientos de objetos”. El indiscutible campeón en esta disciplina era Rico, un Border Collie, de nueve años, que podía reconocer por nombre y clasificar más de 200 juguetes. Kaminski y sus colegas realizaron un estudio, mediante el proceso de exclusión, para investigar si Rico era capaz de aprender los nombres de nuevos juguetes. Con este objetivo, distribuyeron en una habitación juguetes nuevos y juguetes ya conocidos, mientras el collie estaba con su dueño en una habitación adyacente. Después, se le dio la orden de llevar a su dueño un juguete que no había visto jamás, y cuyo nombre nunca había escuchado. Rico resolvió fácilmente este problema, descartando de golpe otra teoría de la USP: esta manera de aprender etiquetas de los objetos, conocida como equivalencia rápida, también era considerada antes como una habilidad exclusivamente humana. LO QUE LOS PERROS REVELAN ACERCA DE LOS HUMANOS Como revelaron estudios posteriores, Rico es un lingüista particularmente dotado, pero su talento no es, en manera alguna, único en el mundo canino. Otros representantes de su especie casi lo igualaron en términos de vocabulario. El hecho de que los mejores resultados los haya obtenido otro Border Collie puso a pensar a los investigadores. Si este talento es o no una característica de la raza Border Collie es una pregunta fascinante, que sigue abierta, reporta Susanne Maauritz. “Sin embargo, cuando hablamos de nuestra investigación, evitamos el término inteligencia”. En lugar de ello, nos enfocamos en identificar las capacidades cognitivas especiales que posee una especie animal, y que son necesarias para su supervivencia. Ésta es, sobre todo, una cuestión de especialización y de adaptación evolutiva. Por ejemplo, aunque los perros obtuvieron casi siempre mejores resultados que otras especies animales en los estudios sobre la comunicación con los humanos, encontraron grandes dificultades en estudios que requerían aprendizaje social vía la imitación, o en la solución de problemas mediante la comprensión de enlaces causales. Sin embargo, los simios se desenvolvieron particularmente bien en estos exámenes. Cuando el investigador agitaba el contenedor con la recompensa, quedaba inmediatamente claro para el simio que debía de haber algo en el interior. Por su parte, los perros fueron incapaces de obtener, por el ruido, conclusiones acerca del contenido.“Es fácil explicar estos resultados. Son indicativos del medio ambiente en que sobreviven ambas especies”, explica Juliane Bräuer. Debido a la enorme competencia por la comida, que prevalece entre los grupos de primates, uno de éstos nunca soñaría en mostrar a otro miembro de su grupo

una fuente de alimento. Sin embargo, la comprensión causal es útil, en las selvas tropicales, para la búsqueda de alimento. Agitando una nuez, un mono puede establecer si vale o no la pena cascarla. Por otra parte, los perros no tienen que preocuparse por buscar alimento o por otros problemas de esta naturaleza. Viven con los humanos, que satisfacen sus necesidades. Sin embargo, para ellos es una ventaja entender a los humanos lo mejor posible. Como consecuencia, a lo largo de los últimos 15 mil años, los perros se han convertido en unos verdaderos profesionales de la comunicación. TALENTOS COGNITIVOS CANINOS Los investigadores con base en Leipzig están particularmente interesados en los talentos cognitivos caninos, que, por otra parte, se encuentran sólo en los seres humanos, tales como el comprender los gestos de señalamiento. Bräuer confía en que “tal vez, esta particular habilidad canina nos provea información acerca de nuestro propio desarrollo. Por ejemplo, información de cómo la selección natural puede haber influido en nosotros, los humanos. Es muy probable que nosotros hayamos animado a los amistosos, atentos perros que establecieron contacto con nosotros. Asimismo, es posible que, en el curso de la evolución humana, individuos amistosos hayan tenido éxito en afirmarse a sí mismos, promoviendo de esta manera en los humanos una extremadamente pronunciada voluntad de cooperación. La pregunta de si se pueden obtener tales conclusiones de las habilidades de los perros sigue siendo meramente especulativa. Sin embargo, el trabajo desarrollado por los científicos de Max Planck puede muy bien ayudar a clarificar algunos de los misterios que rodean la evolución humana.

GloSaRio Cognición Cognición significa la facultad de conocimiento. Se refiere a los procesos mentales que desarrollan los individuos, tales como pensamientos, opiniones, deseos e intenciones, lo mismo que a las operaciones de procesamiento de información, tales como el lenguaje y la solución de problemas. Estas operaciones permiten a los individuos adaptar con flexibilidad su comportamiento y aprender de su interacción con el medio ambiente. Ontogénesis El término ontogénesis describe el desarrollo de los individuos y de sus características en sentido biológico y psicológico. A diferencia de la filogénesis, que se refiere al surgimiento y desarrollo de una especie, la ontogénesis se limita al desarrollo del individuo. Pongoland El Centro de Investigación de Primates Wolfang Köhler (Pongoland) es un proyecto del Instituto Max Planck para la Antropología Evolutiva, y opera en colaboración con el Zoológico de Leipzig. La investigación desarrollada en el centro se enfoca en el comportamiento y cognición de las cuatro especies de grandes simios: chimpancés, gorilas, organgutanes y bonobos. Los visitantes al zoológico no sólo pueden observar a los animales en confinamientos interiores y exteriores, sino que también pueden observar el trabajo que llevan a cabo los científicos.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

neurobiología

cura de crecimiento para células nerviosas

Frank Bradke / Stefanie Merker

Doctor Frank Bradke

Doctora Stefanie Merker

n nervio dañado en el dedo se cura, pero no en el cerebro ni en la médula espinal. Frank Bradke y su equipo de trabajo del MaxPlanck-Institut für Neurobiologie, (Instituto Max Planck para Neurobiología) de Martinsried, quieren lograr que también las células nerviosas de la médula espinal se regeneren después de una lesión.

Prolongaciones neuronales: una extensión, como axón (verde) conduce señales a una célula nerviosa distante; una dendrita (rojo), recopila la información de neuronas vecinas. (Ilustración: IMP para Neurobiología/Bradke et alii).

Sociedad Max Planck

AUTOSANACIÓN Siempre me ha fascinado esta capacidad del cuerpo. Un corte en el dedo destruye células de la piel, lesiona músculos y vasos sanguíneos y corta las ramificaciones de las células nerviosas. Esto es doloroso, pero no trágico. Las células nerviosas vuelven a crecer al poco tiempo, los músculos y los vasos sanguíneos se regeneran y la piel se cierra sobre el corte. Incluso lesiones más graves se curan casi siempre sin dejar grandes huellas, aun cuando las células deban llevar la correcta dirección de crecimiento mediante un vendaje o una férula. Pero hay algo que no cuadra: si el cuerpo dispone de estos asombrosos poderes de autosanación, ¿por qué no los usa nunca para la reparación de sus sistemas más sensibles; a saber, el cerebro y la médula espinal? El sistema nervioso central se divide en dos partes: el cerebro y la médula espinal; todos los demás nervios, por ejemplo, los de los brazos y las piernas, se agrupan en el sistema nervioso periférico. Una diferencia importante entre estos dos sistemas es su capacidad regenerativa. A diferencia de las células del sistema nervioso periférico, las células nerviosas del sistema nervioso central no suelen recuperarse tras una lesión. Dependiendo de la parte del cerebro en la que se encuentren las células nerviosas lesionadas, se pueden producir daños de diversa índole, y casi siempre permanentes. Los accidentes con lesiones en la cabeza, las enfermedades tales como la esclerosis múltiple o el Parkinson, o también una embolia cerebral, son causa frecuente de la muerte de células cerebrales. Por otra parte, cuando se aplastan con fuerza o se seccionan los cordones nerviosos de la médula espinal, se produce una paraplejia de por vida. Cuanto más cerca del cuello se produce la lesión, más extensa es la parálisis. Un estudio realizado en los Estados Unidos ha determinado que, sólo en ese país, cada año se producen entre ocho mil y once mil lesiones de la médula espinal, que tienen como consecuencia una paraplejia. El 47 por ciento de esos pacientes padece una parálisis de las piernas y el 52 por ciento, de los brazos y las piernas. La causa de las lesiones de la médula espinal es a menudo un accidente, por lo que los casos de paraplejia son especialmente frecuentes entre los 16 y los 30 años de edad; dado que los afectados tienen una esperanza de vida relativamente normal, su número aumenta cada año en todo el mundo. SEÑALES DE DETENCIÓN OBLIGATORIA EN LA RED NERVIOSA En vista del elevado número de personas afectadas, se busca urgentemente una respuesta que explique por qué las células nerviosas del sistema nervioso central no vuelven a crecer después de una lesión. Para nosotros y para muchos de nuestros colegas, ésta es realmente una de las preguntas más emocionantes de la neurobiología moderna. En los últimos diez o quince años, se han registrado grandes avances en esta área, gracias a una intensa investigación básica. Así, por ejemplo, se han encontrado una serie de factores en el entorno de las células nerviosas que pueden impedir el crecimiento de sus extensiones.

CONOCIMIENTO

Podemos imaginarnos estos factores como señales de detención obligatoria: como una conductora respetuosa de las reglas, una extensión celular deja de crecer al llegar una señal de este tipo. Y aquí radica exactamente el problema: tan pronto como el sistema nervioso está completamente desarrollado, aparecen esas señales de detención obligatoria por todas partes, en el sistema nervioso central. Así, cuando en el organismo adulto se cortan las extensiones celulares en la médula espinal, las células afectadas se encuentran frente a un bosque de señales de parada. Mientras esas señales de detención obligatoria continúen allí, las extensiones celulares no pueden volver a crecer. Como consecuencia, no se puede restablecer el contacto interrumpido con las células vecinas, lo que provoca la parálisis. MECANISMOS INTERNOS DE LAS CÉLULAS ¿Qué ocurriría, sin embargo, si se lograra que las células nerviosas no fueran tan respetuosas de las señalas de tráfico, y que pasaran por alto las señales de parada? Algo parecido a lo que ocurre cada día en el tráfico rodado. Pero no he reflexionado sobre esta cuestión solamente al volante de mi auto, pues es el tema central de mi trabajo en el Max-Planck-Institut für Neurobiologie (Instituto Max Planck para Neurobiología). Allí, mi equipo de trabajo y yo estudiamos los mecanismos internos de las células, responsables de que las células nerviosas del sistema nervioso central dejen de crecer. Estamos buscando, por así decirlo, el freno mediante el cual las células se detienen frente a las señales de parada. Nuestra esperanza es poder aflojar ese freno a largo plazo, o incluso soltarlo. ¿Qué ocurre, entonces, en la extensión de una célula del sistema nervioso central cuando deja de crecer después de una lesión? Se podría pensar que las células nerviosas no están en condiciones de crecer de nuevo después de una lesión. Afortunadamente, hay células nerviosas cuyas extensiones llegan tanto al sistema nervioso central como al periférico. Cuando esas células se lesionan en la parte periférica, vuelven a crecer al poco tiempo, como en nuestro ejemplo del corte en el dedo.

Un axón lesionado con microtúbulos ordenados continúa creciendo (arriba), a diferencia de uno cuyos microtúbulos han perdido el orden (abajo). (Ilustración: Bradke et alii).

CONOCIMIENTO

UNA MIRADA AL CONO DE CRECIMIENTO Cuando se produce una lesión en el área del sistema nervioso central, la extremidad lesionada de esas células no continúa creciendo. Sin embargo, si la misma célula se lesiona primero en la parte periférica y luego en la parte central del sistema nervioso, puede volver a crecer también en el sistema nervioso central. Estas observaciones demuestran que las células nerviosas del sistema central pueden recuperarse, en principio, de una lesión. Para comprender por qué las células no vuelven a crecer después de una lesión, a pesar de lo anterior, resulta útil recordar primero la estructura y el desarrollo de las células nerviosas. Una célula nerviosa típica consta de un cuerpo celular y de una serie de extensiones. A partir de esas extensiones, pueden formarse axones y/o dendritas, en función del tipo de célula. Un axón transmite la información entrante a células nerviosas distantes, como si fuera un cable largo; las dendritas recopilan con sus finas ramificaciones la información de muchas células nerviosas diferentes. La información individual procedente de las dendritas se suma, y el resultado se transmite nuevamente a otras células a través de un axón. Cuando se producen lesiones, se seccionan frecuentemente los axones, por lo que el crecimiento de estos cables de conexión tiene especial importancia. En la punta de un axón que crece, por ejemplo, en una célula nerviosa joven, se encuentra el denominado cono de crecimiento, que tiene una función fundamental. En él se encuentran genes y proteínas muy especiales, que permiten al axón encontrar el camino hacia la célula correcta entre miles de células nerviosas. El cono de crecimiento contiene, además, una gran cantidad de mitocondrias -las centrales de energía de las células-, así como haces de microtúbulos que posibilitan el crecimiento del axón. Los microtúbulos son diminutos tubitos de proteínas, cuyo avance coordinado da como resultado el crecimiento del axón. En nuestra búsqueda del freno interno de las células, los microtúbulos nos parecieron, por tanto, un prometedor punto de partida para nuestra investigación. ¿Se podría lograr manipular los microtúbulos para que hicieran crecer un axón lesionado esquivando las señales de parada?

Parada del crecimiento: en los lugares en los que se han seccionado las células nerviosas, se forman unos denominados bulbos reductores, que se reconocen como protuberancias verdes. (Ilustración: IMP para Neurobiología).

Sociedad Max Planck

UN BULBO REDUCTOR SE INFLA Cuando se secciona un axón del sistema nervioso periférico, se forma en su punta un cono de crecimiento, de la misma manera que en una célula joven, y el axón vuelve a crecer. También en el sistema nervioso central se forma una protuberancia en la punta del axón lesionado; pero, a diferencia del cono de crecimiento, este bulbo reductor no da la mínima muestra de crecimiento. Por el contrario, hemos observado que el bulbo reductor continúa inflándose durante las semanas posteriores a la lesión, para luego dejar de crecer por un tiempo indefinido. ¿Qué ocurre dentro de ese bulbo reductor, y qué impide que el axón continúe creciendo? Estas preguntas son esenciales para la comprensión del freno de crecimiento en el sistema nervioso central. Durante mucho tiempo no fue posible observar directamente la formación de bulbos reductores. Nuestro grupo de trabajo fue uno de los primeros en investigar con profundidad estas interesantes cuestiones; y es que, de los grandes avances logrados en los últimos años en el campo de la genética, han ido surgiendo constantemente muchos nuevos métodos y análisis. Así, desde hace poco es posible marcar células nerviosas individuales mediante la proteína verde fluorescente (GFP, del inglés green fluorescent protein). Esto ha revolucionado la neurobiología: los científicos no se ven confrontados con una confusa acumulación de miles de células nerviosas con el mismo aspecto, sino que pueden marcar y estudiar con precisión células o componentes celulares individuales. El descubrimiento de la GFP también fue una gran suerte para nuestro trabajo, pues esto nos permitió visualizar los procesos que tienen lugar en el interior del bulbo reductor. Nuestro colaborador, Ali Ertürk, descubrió que casi una hora después de que se produce una lesión, se puede reconocer un bulbo reductor. Mientras empieza a hincharse durante las horas siguientes, se acumulan en su interior mitocondrias, de forma similar a lo que ocurre en un cono de crecimiento. Con esas centrales celulares de energía ubicadas allí, es improbable que la detención del crecimiento se deba a una falta de energía. LOS MICROTÚBULOS Pero lo más interesante vino cuando observamos los microtúbulos. Éstos están normalmente ordenados paralelamente, de forma muy regular, como una red de rieles ferroviarios. En los bulbos reductores, sin embargo, estaban completamente desordenados. ¡No es de extrañar que allí no avance nada! Pero, ¿son realmente los microtúbulos desordenados los que impiden que los axones continúen creciendo? Para comprobar esto, utilizamos el fármaco nocodazole, empleado frecuentemente en la biología celular para desestabilizar los microtúbulos. Y, ciertamente, cuando aplicamos nocodazole en un cono de crecimiento, éste se convirtió en un bulbo reductor

Sociedad Max Planck

y el axón dejó de crecer. Ésta fue la prueba de que el desorden de los microtúbulos en el bulbo reductor es una de las principales causas de que el axón deje de crecer. Después de este resultado, la siguiente pregunta era obvia: ¿que ocurriría si en vez de nocodazole empleamos una sustancia que estabilice los microtúbulos? Una sustancia adecuada para este experimento es taxol. En la terapia contra el cáncer, el efecto estabilizante de los microtúbulos propio de taxol hace que las células cancerígenas ya no puedan dividirse. En nuestros experimentos, taxol mostró también efectos muy alentadores.

Dos clases en la medicina: las células nerviosas periféricas se regeneran tras una lesión; los nervios del sistema nervioso central no, porque sus microtúbulos están desestabilizados. (Ilustración: IMP para Neurobiología/Bradke et al.).

CONOCIMIENTO

Así, Harald Witte, un doctorando de mi equipo, logró influenciar la decisión de una célula sobre cuál de sus extensiones se convertiría en un axón. Añadiendo taxol, fue posible estabilizar los microtúbulos de una extensión cualquiera, que fue la que finalmente se convirtió en un axón. Las extensiones no tratadas se convirtieron en dendritas. Cuando inyectamos la sustancia en un organismo vivo, directamente en la punta del axón, después de una lesión, se suprimió la formación del bulbo reductor. Más aún: mi colaboradora, Farida Hellal, pudo demostrar en sus ensayos con cultivos de células que las células nerviosas del sistema nervioso central pueden volver a crecer con taxol... ¡incluso cuando añadimos moléculas “de señales de parada” en el entorno de las células nerviosas afectadas! UNA BARRERA DE TEJIDO DE CICATRICES Los resultados de estos estudios nos dan confianza. Hemos aprendido mucho sobre los procesos que tienen lugar en el interior del bulbo reductor en un tiempo relativamente corto. También conocemos ahora una de las razones por la que los axones lesionados del sistema nervioso central no pueden continuar creciendo. Uno de los siguientes pasos es averiguar si taxol mantiene su efecto en los organismos vivos. También hay que encontrar un método para suministrarlo, y la dosificación correcta: demasiado taxol suprime el dinamismo de los microtúbulos, de manera que los axones no pueden crecer correctamente. Estos problemas deben aclararse, primero en el laboratorio y después en estudios clínicos. En mi opinión, sin embargo, la estabilización de microtúbulos es un punto de partida prometedor para mejorar la regeneración de los axones del sistema nervioso central. No obstante, pasarán algunos años hasta que la medicina pueda curar la paraplejia, puesto que todavía se sabe muy poco acerca de la influencia de otros factores; como, por ejemplo, el tejido de las cicatrices celulares. Este tejido de cicatrices protege al principio las células contra más lesiones, pero también crea una especie de muro que dificulta el nuevo crecimiento de las células. Algunas de los interrogantes que nos plantearemos en el futuro inmediato tienen que ver con la forma en que se puede reducir la formación del tejido de cicatrices o con la manera de conseguir que las células nerviosas no sólo puedan pasar por alto las señales de parada, sino también atravesar ese muro de cicatrices. Se han propuesto eliminar el freno del crecimiento neuronal: Farida Hellal, Frank Bradke, Ali Ertürk y Harald Witte, de izquierda a derecha. (Foto: IMP para Neurobiología).

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

el futuro ya empezó en el instituto Max Planck

duelo en el mundo cuántico tecnología de la información cuántica. No sólo se pueden imaginar que los fotones operarán en el futuro con bits y bites en un ordenador cuántico, una tarea realizada por electrones en un PC convencional. Entre sus campos de investigación se incluye también la criptografía cuántica. Esta tecnología somete la clave de un mensaje codificado a las leyes de la mecánica cuántica, mientras el código se transmite del emisor al receptor, de tal forma que nadie puede apoderarse de esa clave sin que ello se detecte (cuadro). Esta tecnología podría aumentar la seguridad en el tráfico de datos, a través del cual los bancos desplazan diariamente importes de miles de millones. Los primeros equipos que trabajan con ella ya están a la venta. “La criptografía cuántica sólo funciona cuando cada uno de los bits de la clave se almacenan en un fotón”, explica Tatjana Wilk. Esto significa, sobre todo, que cada impulso luminoso que transporta un bit no debe constar de más de un fotón.

a criptografía cuántica ya existe; los investigadores trabajan actualmente con puntos cuánticos, y el ordenador cuántico formará parte de nuestra vida cotidiana en algún momento. Resulta difícil imaginarse las nuevas tecnologías con nuestro sentido común, pues el grado de abstracción en el mundo de lo diminuto es demasiado grande. Y, sin embargo, se puede decir que el futuro ya empezó hace tiempo en el Instituto Max Planck para Óptica Cuántica, de Garching, y en el Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos, de Stuttgart. Afortunadamente, Tatjana Wilk no tiene que hacer uso de su pistola en ningún duelo. Si fuera el caso, tendría que transportarla sobre un camión, y necesitaría varios días para armarla: solamente el cargador necesita probablemente más espacio que el escritorio de la canciller alemana, y está equipado con dispositivos ópticos y electrónicos más altos que una persona. Pero es que, además, lo que esta peculiar arma dispara al final, cuando la física del MaxPlanck-Institut für Quantenoptik (Instituto Max Planck para Óptica Cuántica) de Garching, aprieta el gatillo, es uno de los proyectiles más pequeños que existen: a saber, un inofensivo fotón. Por tanto, la pistola de fotones no sería de gran ayuda en un tiroteo; pero, en cambio, resulta muy útil para realizar cálculos o para transmitir información. De esto están convencidos al menos los físicos que desarrollan la

PISTOLA DE FOTONES Los primeros criptógrafos cuánticos comercializados generan los diferentes fotones estadísticamente. Debilitan los impulsos láser de tal manera que éstos contienen en promedio sólo la fracción de un fotón; es decir, que existe una gran probabilidad de que no contengan más de uno. Pero esto significa también que la mayoría de los impulsos están tan debilitados, que casi desaparecen y no contienen ya más luz. Por eso, la clave de un mensaje tarda mucho más en llegar hasta el receptor. Con la pistola de fotones construida por Tatjana Wilk y sus colegas, bajo la dirección de Gerhard Rempe, se prevé que este proceso gane en rapidez y en elegancia: “Sabemos que cada disparo de nuestra pistola de fotones contiene exactamente un fotón. Y podemos dispararlo con precisión”, dice Wilk. No obstante, para lograrlo, la física de Garching debe hacer más que simplemente sostener un filtro delante de un láser: primero, carga una nubecilla gaseosa muy fina de átomos de rubidio en una trampa magneto-óptica, en la que un campo magnético y empujadores suaves enfrían las partículas a pocas millonésimas de grado sobre el cero absoluto, mediante los fotones de un rayo láser. Cuando desconecta la trampa, los átomos gotean a través de un resonador óptico, compuesto por dos espejos ubicados uno frente a otro. Los dos espejos, que tienen un diámetro similar al de una píldora y que están separados por una distancia aún menor, están colocados en el centro de una cámara de vacío, sobre una mesa con una superficie parecida a la de una cabina de ducha. Varias fibras de

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

fotones de aproximadamente un kilómetro de longitud. Y en algún momento transmitiremos nuestros conocimientos a los ingenieros”, afirma Rempe. Y algunos de sus colegas añaden a los átomos, en su trayectoria por el resonador, por ejemplo, fotones polarizados. De este modo, la onda luminosa gira hacia la derecha y hacia la izquierda, con una alternancia regular. “La oscilación de la onda es excepcionalmente adecuada para codificar bits con ella”, comenta Wilk. Esto no sólo es indispensable para transmitir mensajes digitales; además, un ordenador cuántico podría almacenar y procesar su unidad de cálculo más pequeña mediante esta característica física.

Una pistola de fotones no se puede cargar tan rápidamente como un revólver: Tatjana Wilk debe alinear con exactitud cada uno de los láser con que irradia la cámara de vacío.

vidrio van desde una instalación el doble de grande hacia la cámara, que se asemeja a una campana de buceo. Por una de estas fibras de vidrio llega también el impulso láser que excita un átomo mientras éste cae por el resonador. Así se carga la pistola y se dispara inmediatamente. “El color de la luz emitida viene determinado por la distancia entre los dos espejos”, explica Tatjana Wilk. En el resonador sólo caben ondas completas de la luz. No se forman ondas luminosas demasiado grandes ni demasiado pequeñas. Así se limitan los colores en los que puede brillar el átomo. PARTÍCULAS DE LUZ INDIVIDUALES DESTELLAN EN CICLOS PRECISOS “Producir fotones individuales es algo completamente distinto a generar un fotón como media”, dice Gerhard Rempe, en cuyo departamento experimenta Tatjana Wilk. Un fotón como media se crea a partir de un impulso clásico debilitado, en el que las diferentes partículas de luz se producen tan aleatoriamente como caen las gotas de lluvia. “Pero nosotros disparamos un impulso luminoso clásico sobre el átomo que se encuentra en el resonador, y el resultado es un impulso mecánico cuántico”. Una característica de estos impulsos de un solo fotón es que no destellan aleatoriamente, sino en un ciclo preciso preestablecido por los físicos de Garching. “Estamos estudiando ahora lo que se puede lograr con esos impulsos luminosos. En la actualidad, hacemos

CALCULAR EN EL CERO ABSOLUTO La luz con polarización derecha podría representar el uno; y la luz con polarización izquierda, el cero. Girando la luz de esta manera, se tiene también la posibilidad de entrelazar los fotones de dos pistolas de fotones. Éste es, a su vez, un paso indispensable para la tecnología de la información cuántica. “Estamos trabajando en ello”, comenta Tatjana Wilk. Para entrelazar dos partículas de luz procedentes de pistolas de fotones, Markus Hijlkema y Bernhard Weber están construyendo, a unos pocos laboratorios de distancia, un equivalente de la fuente fotónica de Wilks. Sus investigaciones podrían facilitarles un control aún mejor de la pistola de partículas luminosas. Para ello tienen que atrapar átomos individuales en un resonador. A diferencia de lo que sucede en el aparato de Tatjana Wilks, en este caso un átomo no dispararía durante la caída libre, sino mientras flota atrapado entre los espejos. Este tipo de control sobre los átomos es una premisa indispensable para un ordenador cuántico: se trate de un ordenador que funcione con átomos, con moléculas o con iones (los físicos están impulsando actualmente las tres posibilidades), las partículas siempre tienen que estar frías, muy frías; como máximo, fracciones de un grado sobre el cero absoluto. Esto significa que las partículas deben estar casi inmóviles, igual que los átomos fijos en un resonador por Hijlkema, Weber y sus colegas. Después de todo, han conseguido ya mantener fijos átomos de rubidio durante 17 segundos, lo que en la escala temporal atónica representa una pequeña eternidad. Los científicos experimentan con diferentes mecanismos para detener y controlar los átomos. Utilizan tres técnicas de enfriamiento diferentes sólo para dominar las partículas entre los espejos –en esa fase, los átomos han pasado ya por la trampa magneto-óptica empleada también por Tatjana Wilk. Desde este refrigerador estándar para átomos, los físicos transportan sus objetos de estudio al resonador mediante una trampa dipolo. También en este caso emplean de nuevo el campo electromagnético de un láser. Este campo convierte la envoltura de electrones del átomo en un dipolo, que es atraído simultáneamente por el láser. Los físicos desplazan las partículas mediante su brazo de agarre electromagnético a lo largo de un trayecto de 14 milímetros, hasta introducirlas en el resonador. Allí empieza la parte más interesante: la distancia entre los espejos del resonador está ajustada de manera que sólo luz de determinadas frecuencias pueda ir de un lado a otro. Además, en el centro de la cámara de espejos coinciden dos rayos láser. Uno de ellos sirve como trampa dipolo para fijar el átomo; el otro excita el átomo, de manera que éste pueda entregar un fotón en el resonador. La frecuencia del láser enfoque excitador es, sin embargo, un poco más pequeña que la que cabría en el resonador. Por eso, la luz emitida por el átomo necesita aún un poco más de energía. Esa energía la toma del movimiento del átomo, que, como consecuencia, se ralentiza y se enfría. Los físicos denominan este efecto -que puede actuar tanto a lo largo del eje del resonador como también verticalmente respecto a él en dirección al rayo láser excitador-, enfriamiento Doppler. Finalmente, el átomo de rubidio pierde aún más energía durante el denominado enfriamiento de Sísifo. Esto se debe a que la partícula prefiere quedarse en el vientre de la onda estacionaria que se forma en el resonador. Allí su energía potencial es mínima. Como le habría ocurrido a Sísifo, que seguramente también habría preferido quedarse sentado al pie de su funesta montaña.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

UN ORDENADOR DEL TAMAÑO DE UNA CIUDAD PEQUEÑA Y de la misma manera que Sísifo tenía que empujar, una y otra vez, una roca hasta la cima de una montaña, un átomo caliente abandona una y otra vez su posición preferida. Al hacerlo, se encuentra con una montaña energética, y pierde energía cinética. Finalmente, traspasa esa energía a la energía de los fotones que entrega. De esa manera, el átomo se enfría al final; tanto, que su movimiento sólo queda determinado por la falta de precisión de la mecánica cuántica. En la criptografía cuántica, bastarían unos pocos átomos de ese tipo en el resonador para transmitir mensajes fiablemente; pero, para formar una red de miles de bits cuánticos en un ordenador cuántico, se requiere un poco más de miniaturización. En la actualidad, la instalación para capturar un solo átomo en el resonador ocupa un laboratorio completo; un ordenador cuántico tendría el tamaño de una ciudad pequeña. “Todavía está por verse si algún día construiremos realmente un ordenador cuántico hecho de átomos en resonadores”, dice Gerhard Rempe; “pero podemos realizar muchos experimentos básicos con átomos individuales”. Por este motivo, los físicos persiguen también otros planteamientos para construir un superordenador de qubits. Mucho menos espacio que decenas de miles de átomos en resonadores necesitan, por ejemplo, los átomos fijados por los físicos en rejillas ópticas, como huevos en una caja. Los átomos se ubican en este caso en pozos de potencial que se forman a partir de las ondas electromagnéticas de rayos láser superpuestos. En la rejilla, su temperatura y su velocidad son prácticamente tan bajas como en un resonador. Los físicos también tienen ya ideas sobre la forma en que las partículas podrían comunicarse entre sí en los puestos de las rejillas, un requisito necesario para solucionar tareas de cálculo.

calcUlaR con la lUZ Los ordenadores cuánticos deben poder resolver muy rápidamente algunos problemas para los cuales los ordenadores convencionales necesitarían meses o hasta años; por ejemplo, descomponer grandes números en factores primarios, una operación de cálculo mediante la cual los bancos codifican las transacciones bancarias electrónicas. En el ordenador cuántico, los cálculos no serán realizados ya por transistores, sino por bits cuánticos o qubits: átomos, moléculas, fotones... o, en general, por partículas que se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Los ordenadores cuánticos serán más rápidos, porque un grupo de esas partículas no se comporta como lo esperaríamos, de conformidad con nuestro concepto del mundo. Dos fotones, por ejemplo, se convierten en un sistema mecánico cuántico cuando están entrelazados. En ese caso, ya no son independientes uno del otro, y ambos pueden tener o bien una polarización derecha o bien una polarización izquierda. Esto significa que sus ondas luminosas giran a la izquierda o a la derecha. La dirección de giro la deciden en el momento en que alguien los observa, es decir, cuando alguien mide la dirección de su oscilación. Hasta ese momento ambas posibilidades están superpuestas. “Esto solo es un problema para nuestro concepto occidental del mundo”, dice Tobias Schätz, cuyo simulador cuántico trabajará con una cadena de iones entrelazados. “El Dalai Lama no tiene ningún problema en comprenderlo”. Su concepto del mundo se basa en el principio del Yin y el Yang: nada es exclusivamente bueno ni malo. En la física, este principio se denomina superposición, y, sin él, un ordenador cuántico es inconcebible. Para dos fotones entrelazados, esto significa que pueden codificar simultáneamente dos ceros y dos unos y, además, calcular en esos dos canales. Así, un sistema de mil qubits podría ejecutar mil cálculos paralelamente. Un cálculo de este tipo podría consistir en controlar con precisión los niveles de oscilación de los fotones mediante láser o filtros. Pero aún hay un problema: después del cálculo deben poder leerse los resultados de los procesos paralelos. Lamentablemente, las partículas entrelazadas sí se someten en este caso al concepto occidental del mundo. En cuanto un físico mide la polarización de dos fotones entrelazados, éstos deben decidirse por la izquierda o por la derecha. Por tanto, en muchos casos se pierden los resultados de los otros canales de cálculo, pero no en todos: los físicos han elaborado preceptos de medición para obtener más de un resultado de los cálculos paralelos, de manera que los grandes números podrían descomponerse realmente en factores primarios individuales mucho más rápidamente. Otro problema del ordenador cuántico también parece poder solucionarse: un estado mecánico cuántico es algo muy volátil. En muchos casos, dura sólo una fracción de segundo. Por tanto, el cálculo cuántico debe estar finalizado en un abrir y cerrar de ojos. Entre tanto, sin embargo, existen láser que generan impulsos miles o millones de veces más cortos que la duración de muchos estados interesantes para el ordenador cuántico. Puesto que son láser los que controlan pasos de un cálculo cuántico, podrían procesar teóricamente, en la actualidad, miles de operaciones de cálculo en un estado mecánico cuántico.

CREACIÓN DE LOS PEPS 15...16...17 Segundos... un récord: Markus Hijlkema (izquierda) y Bernhard Weber consiguieron hacer flotar un átomo en un resonador durante todo este tiempo. Para mantener un átomo en reposo durante tanto tiempo, los científicos de Garching utilizaron varios mecanismos de enfriamiento simultáneamente.

Disparar en caída libre: un átomo de rubidio cae de la trampa magneto-óptica a través del resonador. El disparo de fotones pasa a gran velocidad por el espejo derecho.

Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica, y sus colaboradores, han contribuido en gran medida a simplificar la descripción teórica de los estados cuánticos de varios qubits. Así, por ejemplo, han creado los PEPS. Este acrónimo significa projected entangled pair states. En vez de determinar el estado real de un grupo de partículas, los físicos crean un modelo de ese estado. Para ello, presuponen que cada partícula del sistema real está compuesta de varias partículas, de la misma manera que un neutrón está compuesto de varios quarks. Los quarks determinan juntos las características del neutrón. En el caso de los PEPS, seleccionan pares entrelazados como módulos. Éstos pueden manejarse matemáticamente con más facilidad que las partículas reales. Este modelo no sólo podría contribuir a simplificar los cálculos cuánticos, sino también a facilitar a los expertos en física de cuerpos sólidos la solución de algunos de sus problemas: en esta disciplina se observan, por lo general, sistemas sumamente complejos, compuestos de innumerables partículas. Los modelos utilizados actualmente para describir estos sistemas fallan en muchos casos; por

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

ejemplo, al intentar explicar el supraconductor de alta temperatura. Los PEPS podrían ser de gran ayuda.

Los físicos cuánticos disponen de PEPS: estos modelos descomponen las partículas reales en pares entrelazados.

MOLÉCULAS POLARES Para las operaciones con bits en las rejillas, las moléculas polares serían más adecuadas que los átomos, pues pueden comunicarse mejor de un puesto de la rejilla a otro. Su composición atómica confiere a esas moléculas extremos positivos y negativos, a través de los cuales pueden interactuar. Todavía no hemos avanzado tanto, pero hace poco logramos formar moléculas no polares a partir de dos átomos de rubidio en los puestos de las rejillas, comenta Niels Syassen, uno de los colaboradores en el experimento realizado en el departamento de Rempe. Para ello, los científicos introdujeron un gas de rubidio altamente diluido y sumamente frío en la rejilla óptica, de tal manera que, como máximo dos átomos ocuparan un pozo de potencial. A continuación, juntaron un campo magnético a este arreglo. Mediante la modificación sumamente lenta de su intensidad, obligaron a los átomos a asociarse. Esto se debe a que, a partir de una determinada intensidad del campo magnético, es más favorable para los átomos unirse, en vez de continuar independientes. En cuanto los investigadores devolvieron el campo magnético a su intensidad original, los socios volvieron a separarse. ÁTOMOS CON IDENTIDAD DIVIDIDA Un ensamblaje como éste, con moléculas flotantes en una rejilla óptica, podría convertirse también en el núcleo de un simulador cuántico. Ignacio Cirac, que en su calidad de director del Instituto Max Planck para Óptica Cuántica trabaja en el tema del procesamiento de información mediante la óptica cuántica, ha presentado ya una propuesta sobre la manera en que las partículas aisladas en una rejilla podrían asumir simultáneamente varios estados. Los físicos hablan de un estado de superposición. Ésta es una premisa básica para el procesamiento cuántico de la información, pues sólo de esa forma se pueden realizar varias operaciones de cálculo en un solo paso (cuadro). Para que los átomos se encuentren de esta manera mecánica cuántica, Ignacio Cirac quiere, primero, dividir su identidad. Y es que los físicos pueden manipular un átomo para que quede atrapado en una rejilla óptica cuyas ondas giran a la derecha, o en una cuyas ondas giran a la izquierda. La mecánica cuántica deja ambas posibilidades abiertas para el átomo, hasta que alguien mide frente a qué luz reacciona. Por tanto, hay dos átomos virtuales donde, según el concepto clásico, sólo existe uno.

Cada uno de los dos átomos virtuales puede maniobrarse incluso individualmente: con una rejilla óptica de luz dextrogiratoria, se puede desplazar sólo la parte virtual respectiva del átomo. La otra parte permanece donde estaba, a pesar de que ambas partes representan una partícula. Así, los físicos pueden empujar esa forma del átomo al puesto vecino de la rejilla. En ese puesto está la forma con el polo opuesto del vecino. Gracias a la interacción de las dos partículas virtuales, quedan entrelazadas –una de las posibilidades de llegar al estado de superposición.

Aunque no lo parezca, Thomas Volz, Niels Syassen y Gerhard Rempe (izquierda) están delante de una caja de huevos óptica, que forman mediante rayos láser en la cámara de acero que se ve en el margen derecho de la imagen. En los pozos de potencial, los átomos de rubidio se unen para formar moléculas.

Una unión temporal: los átomos de rubidio (en rojo) de una rejilla óptica se unen (imagen de la izquierda), y vuelven a separarse en función de la intensidad del campo magnético controlado por los colaboradores de Gerhard Rempe. Sólo cuando están separados los átomos generan un patrón de interferencia con picos satélite (imagen de la derecha).

Ahora se podrían realizar con ellos cálculos cuánticos, al menos en teoría. En la práctica, los físicos no han logrado aún excitar partículas individuales en la rejilla para depositar en ellas información o volver a leerla. Por lo general, utilizan láser para modificar y leer el estado de una partícula. Pero ningún láser es lo suficientemente fino como para seleccionar una partícula específica entre las muchas que se encuentran una muy cerca de la otra en una rejilla óptica. IONES SIMULAN FENÓMENOS CUÁNTICOS Y éste es precisamente el punto fuerte del planteamiento seguido por Tobías Schätz y por su equipo de trabajo. Él se ha propuesto capturar una cadena de iones de magnesio en un campo eléctrico alterno, para entrelazarlos y formar un simulador cuántico. Los iones deben ordenarse en la trampa con distancias de tres micrómetros entre uno y otro; es decir, suficiente espacio para excitarlos individualmente mediante un láser. Schätz y sus colegas planean seguir en un puñado de iones las instrucciones para un experimento proveniente también del departamento de Ignacio Cirac.

CONOCIMIENTO

Su objetivo es, en primer lugar, un simulador cuántico, una versión simplificada del ordenador cuántico. Un simulador cuántico podría ayudar a los físicos en un futuro relativamente cercano a comprender, por ejemplo, el supraconductor de alta temperatura. “Queremos simular un sistema mecánico cuántico desconocido mediante uno conocido“, dice Tobías Schätz. En muchos aspectos, un simulador cuántico trabaja de forma similar a la de un ordenador cuántico. Sin embargo, no presenta algunos de los problemas especialmente complejos de este último; por ejemplo, la manera de diferenciar la información acumulada en un estado de superposición. Schätz y sus colaboradores desean descubrir primero en su experimento lo que ocurre en un sistema de iones en una transición magnética determinada: cada ión se comporta como un pequeño imán de barra. Los polos norte y sur de los imanes vecinos se repelen. Por tanto, siempre se ordenan de manera que el polo norte de un imán se encuentra junto al polo sur del siguiente; eso sí, siempre que no haya un campo magnético aún más fuerte que ordene a todos los imanes de barra paralelamente desde fuera, como en un trozo de hierro, a saber, polo norte junto a polo norte y polo sur junto a polo sur. Schätz y sus colegas colocarán sobre los iones precisamente un campo magnético como éste, y luego lo retirarán poco a poco. “Queremos saber lo que ocurre cuando el campo magnético exterior se debilita tanto que la interacción de los iones vecinos determina el orden”, dice Schätz. “Mediante este experimento, queremos simular una transición de fase a nivel mecánico cuántico”. Una transición de fase ocurre en el agua cuando se evapora, pero también en un metal cuando cambia sus características magnéticas. “Para obtener mediante el simulador cuántico conocimientos sobre sistemas cuánticos complejos que por principio no se pueden alcanzar con ordenadores convencionales, tenemos que aumentar la cantidad de iones a unos 400”, añade Schätz. Para un ordenador cuántico, en cambio, serían necesarios casi cien mil. Probablemente, la mejor forma de organizar una cantidad semejante de bits cuánticos sea en un cuerpo sólido como puntos cuánticos. Éstos están compuestos de un par de miles de átomos cada uno. Un pequeño grupo de este tipo asume las características de un solo átomo artificial en el que se podría almacenar un bit. Oliver Schmidt y sus colaboradores del Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos de Stuttgart han creado ya un patrón regular de varios millones de puntos cuánticos sobre una superficie. Al igual que en los átomos reales, también en los artificiales los electrones giran alrededor de una partícula positiva, denominada por los físicos de semiconductores “hueco”. Y esos electrones giran con un espín que, dicho de forma simplificada, equivale a su impulso de giro y determina el comportamiento de una partícula en el campo magnético. Los físicos representan el espín de forma ilustrativa como una flecha hacia abajo o hacia arriba. Resulta entonces casi inevitable denominar uno de los dos sentidos cero y el otro uno. Pero cero y uno podrían asignarse también al estado básico y a un estado excitado al que podría impulsarse un electrón mediante una descarga láser. Para aprovechar las ventajas del ordenador cuántico, los puntos cuánticos deben interactuar. Sólo entonces dan lugar al estado de superposición, que es el punto esencial de todos los cálculos cuánticos. “Recientemente logramos, junto con los científicos de la Universidad de Stuttgart, acoplar por primera vez

Sociedad Max Planck

dos puntos cuánticos auto-organizados que se encuentran uno junto al otro sobre una superficie”, nos cuenta Oliver Schmidt, director del grupo de trabajo en el instituto Max Planck de Stuttgart. UNA PISTOLA DE FOTONES DEL CALIBRE QUE SE DESEE Los investigadores han formado, entonces, una molécula artificial a partir de dos átomos artificiales. Para ello, han apilado mediante una nueva tecnología dos acumulaciones de indio arsénico sobre un soporte, a una distancia de casi ocho nanómetros entre ambas, de manera que los puntos cuánticos crecen muy cerca el uno del otro, como dos pilones, sobre el sustrato. “Entre los dos puntos cuánticos saltan ahora electrones de un lado al otro”, dice Schmidt. Los puntos cuánticos asumen un estado común “comunicándose” entre sí. Pero los dos puntos cuánticos no sólo se comunican entre sí, sino también con el exterior. Al hacerlo, se expresan en el idioma usual del mundo cuántico: con luz; “concretamente, en la forma especial de fotones individuales”, dice Schmidt. Al igual que los pistoleros de fotones del instituto de Garching, también sus colegas de Stuttgart hacen que los puntos cuánticos disparen un fotón tras otro. Y esto funciona incluso a altas temperaturas, al menos según los parámetros de los físicos atómicos: los puntos cuánticos entregan ya fotones individuales a una temperatura de unos 200 grados bajo cero; es decir, muy distante aún del cero absoluto. Esto significa que una fuente de protones individuales de este tipo se puede enfriar ya con el económico nitrógeno líquido. Cuando los investigadores aplican una tensión eléctrica a una molécula de los puntos cuánticos y la varían, influencian también la longitud de onda de la luz emitida: es como si modificaran el calibre de su pistola de fotones. Bajo este punto de vista, tal vez los físicos de los institutos Max Planck deberían prepararse para un duelo entre tiradores de fotones. No se puede predecir quién saldría vencedor, y esto en dos sentidos: “Todavía no sabemos si los cálculos en un ordenador cuántico se realizarán finalmente con fotones, con moléculas o con puntos cuánticos”, dice Ignacio Cirac. Él está trabajando, en todo caso, para que no haya límites teóricos para ninguno de los planteamientos.

Un criptógrafo cuántico procesa información mediante luz láser, lo que se puede observar, pero no interceptar.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

PeTeR HeRGeRSBeRG, eSPÍa Sin llaVe Los bancos son posibles clientes para los equipos que protegen información mediante la mecánica cuántica: cada día transfieren electrónicamente importes de varios miles de millones. Quien logra introducirse en este tráfico de datos, se hace rico. Afortunadamente, existen ya, en la actualidad, métodos sumamente fiables para codificar, por ejemplo, el intercambio de la información de una cuenta. El emisor hace ilegibles los datos sensibles mediante una clave numérica. El receptor necesita la misma clave para decodificar los datos. El código debe cambiarse con la mayor frecuencia posible. Pero el intercambio de la clave es precisamente el punto débil de la criptografía clásica, pues quien consigue la clave puede descifrar también toda la información. En cambio, si el emisor y el receptor intercambian la clave según las prescripciones de la criptografía cuántica, cualquier espía se delata irremediablemente. Al igual que el ordenador cuántico, también este método aprovecha el hecho de que el mundo de las partículas más diminutas no se rige por el principio de „todo o nada“. Hay diferentes procedimientos posibles: los primeros criptógrafos cuánticos se basan en que el cero y el uno, las unidades de información más pequeñas del tráfico de datos digital, se pueden traducir cada una de dos maneras diferentes como características de partículas luminosas. A saber, polarizadas horizontal y verticalmente en la base o polarizadas en la base más 45 grados y menos 45 grados. Cualquiera que no sepa en cuál de las dos bases envía el emisor un bit, no puede interceptar la clave sin ser descubierto. El emisor y el receptor transmiten o miden en bases que seleccionan aleatoriamente. A continuación, comparan las bases y emplean sólo los bits que el receptor ha medido en la misma base en la que el emisor los ha enviado. Pero la clave también se puede proteger contra un acceso no autorizado mediante fotones entrelazados. Estos fotones se deciden simultáneamente por un valor de medición, aun cuando se encuentren a varios años luz de distancia, un fenómeno que Albert Einstein denominó efecto remoto fantasma y que, por tanto, rechazó. Entre tanto, existen pruebas experimentales de la existencia de este fenómeno. Algunos físicos confiesan abiertamente que no lo entienden, pero que se acostumbran a él. Físicos daneses han logrado entrelazar incluso átomos con fotones, siguiendo un procedimiento de Ignacio Cirac. Y lo han hecho en una cantidad y a lo largo de una distancia inigualadas hasta ahora. No obstante, un entrelazamiento al cien por cien es casi irrealizable. Así, el emisor transmite los bits de la clave con una tasa de error determinada, preestablecida teóricamente. Cualquiera que intente interceptar los fotones aumenta ese error si pretende preparar un fotón y enviarlo al receptor previsto. El emisor y el receptor pueden comparar la tasa de error. Si ésta es mayor de lo esperado, han descubierto a un espía.

Una tensión aplicada desplaza el nivel energético en las moléculas artificiales (arriba). El electrón se encuentra entonces donde está uno de los dos socios (centro) y desaparece uno de los dos picos en el espectro de la molécula artificial. Se ha creado una fuente de un solo fotón (abajo).

Oliver Schmidt y sus colaboradores han reunido moléculas de indio arsénico sobre una superficie de galio arsénico. Han logrado unir hasta seis átomos artificiales entre sí.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

ientíficos del Instituto de Meteorología Max Planck, en Hamburgo, han estudiado el desarrollo de la agricultura en el último milenio. Su investigación viene a demostrar que la humanidad ha tenido un impacto significativo en el clima, incluso antes del advenimiento de la industrialización. El estudio de los registros de la iglesia es una actividad generalmente asociada con teólogos y genealogistas, más bien que con científicos naturalistas. Por tal motivo, la mayor parte de la gente muy difícilmente podrá imaginarse que tales registros contienen también información importante para los investigadores del clima. Estos registros, que se remontan a varios siglos, contienen importante información sobre el desarrollo de las poblaciones y, por consiguiente, también sobre la superficie que era

cedió de manera significativa la de la expansión agrícola. A partir de entonces, el cambio del clima global, que se observa ahora, ha sido causado principalmente por las emisiones que surgen de la combustión de carbón, petróleo y gas. LOS CONTINENTES FUNCIONAN COMO RESERVAS DE CARBÓN La destrucción de la vegetación conduce a la emisión de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, la flora de la Tierra vuelve nuevamente inofensiva una parte del dióxido de carbono enviado a la atmósfera. Por medio de la fotosíntesis, las plantas absorben el dióxido de carbono de la atmósfera y transforman en compuestos orgánicos el carbono que contiene, al tiempo que liberan oxígeno en

(A) Entre los años 800 y 1850 de la era cristiana, el crecimiento de la población fue constante, especialmente en Europa y Asia. (B) Cambio en el área de diferentes tipos de vegetación natural y agrícola, a lo largo y ancho del mundo, entre los años 800 y 1850. En los tiempos preindustriales, y paralelamente al crecimiento de la población, extensas áreas de vegetación natural fueron transformadas en tierras agrícolas.

destinada a la actividad agrícola. Sin embargo, la transformación de la vegetación natural en tierras labrantías tiene consecuencias en el clima. Por lo tanto, nosotros, los investigadores del clima, tenemos mucha suerte de que los demógrafos hayan hecho ya el trabajo, en décadas recientes, y hayan recopilado los datos sobre la población global, con base en documentos históricos. Con estos datos, podemos deducir información, de muchos siglos atrás, sobre la influencia humana en el clima. La era preindustrial es particularmente apropiada para analizar las consecuencias del uso de la tierra en el clima. Antes de 1850, la expansión global de la agricultura era el único disturbio “hecho por el hombre” en el sistema global del clima. Dado que la extensión de la agricultura muchas veces requirió despejar los bosques, el carbón almacenado en la madera vino a dar a la atmósfera, como parte del dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. No fue sino hasta mediados del siglo XX cuando la cantidad de dióxido de carbono que los humanos enviaron a la atmósfera, por la quema de combustibles fósiles, ex-

el proceso. En la década de 1990, por ejemplo, los continentes reabsorbieron, cada año, alrededor de un gigatón (un billón de toneladas), de los aproximadamente 6.4 gigatones de carbón que fueron producidos anualmente por la combustión de carbón, petróleo y gas. De esta manera, los continentes almacenan en la actualidad el 15 por ciento de las emisiones fósiles anuales. A este fenómeno se le conoce como fregadero del carbono de la tierra. En esta forma, la vegetación de los continentes puede contrarrestar el aumento en la temperatura global, dado que el calentamiento global está íntimamente relacionado con el aumento en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. El dióxido de carbono reduce la permeabilidad de la atmósfera a la retro radiación de la Tierra, y, como resultado, se calientan las capas más bajas de la atmósfera. Por consiguiente, mediante la absorción del carbono, el fregadero del carbono de la tierra mitiga el incremento que de otra forma habría que esperar como resultado de la ignición de combustibles fósiles y de la expansión de áreas agrícolas.

CONOCIMIENTO

LA VEGETACIÓN Y EL CLIMA Sin embargo, también en otro aspecto es la vegetación de relevante importancia para el clima. Los diferentes tipos de vegetación influyen en el intercambio de energía, agua e impulso entre la atmósfera y la superficie de la Tierra. Esto afecta particularmente al clima regional. Por ejemplo, a ojo de pájaro, los pastizales se ven más brillantes que los bosques –los científicos se refieren a esto como una mayor blancura o un mayor reflejo de la luz. Los pastizales reflejan mejor la luz del sol y calientan menos. Al mismo tiempo, los bosques evaporan más agua a través de sus hojas y sus agujas, ya que muchas veces tienen raíces profundas y pueden, en consecuencia, enfriarse mejor que los pastizales de raíces someras. Cuál de estos efectos predomine –el calentamiento a través de la radiación solar, o el autoenfriamiento por medio de la evaporación- depende, entre otras cosas, de la posición del Sol, de la disponibilidad de agua en el suelo, del nivel de humedad en la atmósfera y del tipo de vegetación. Así, en combinación con la radiación solar prevaleciente, la dirección del viento y las precipitaciones pluviales, la cubierta vegetal moldea el clima. Ésta es la razón por la cual en el Instituto Max Planck examinamos la forma en que los cambios en la vegetación influyen en la absorción de la radiación solar, y sus consecuencias para el intercambio de dióxido de carbono entre las masas de tierra y la atmósfera.

Sociedad Max Planck

INFLUENCIA DE LAS ACTIVIDADES HUMANAS EN EL CLIMA El clima ha cambiado naturalmente desde el fin de la última edad de hielo, hace diez mil años. En consecuencia, se han formado y diseminado nuevas comunidades de plantas. Pero, por encima de esos cambios naturales, las actividades humanas, tales como la agricultura, la silvicultura y la urbanización han ejercido una influencia sustancial en la interacción de la atmósfera y la vegetación en los continentes. Los cálculos demuestran que, a la fecha, alrededor del 24 por ciento del crecimiento global de las plantas es controlado por los seres humanos. En los milenios entre 9000 y 5000 años antes de la época actual, la agricultura y la ganadería se desarrollaron independientemente una de otra en por lo menos cuatro regiones: el llamado Creciente Fértil de Asia Menor, partes de China y América Central y América del Sur. De ahí se diseminaron las culturas que practicaban la agricultura y reemplazaron, de manera gradual, a las históricamente más antiguas sociedades de cazadores y colectores. Desgraciadamente, hay muy pocos registros detallados, disponibles, de la superficie de tierras que eran destinadas a la agricultura en un punto particular en el tiempo. Esta falta de datos ha dificultado el estudio de los cambios en la distribución de la vegetación global y su papel hasta la fecha en los eventos del clima.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

MAPA DE LA AGRICULTURA GLOBAL Por esta razón, hemos tenido que usar otras fuentes de información en nuestro estudio; a saber, los datos sobre el desarrollo de la población mencionados al principio. El tamaño de la población y las áreas agrícolas están íntimamente ligados. Antes de la Revolución Industrial, el comercio de larga distancia estaba limitado a productos valiosos, tales como las especias; era muy difícil transportar productos alimenticios básicos a largas distancias. La

Sin embargo, nuestro estudio llega a una conclusión diferente. Hoy en día, los modelos del clima nos permiten simular en computadora la interacción de la vegetación, la atmósfera y los océanos en largos períodos. Con base en la reconstrucción del uso de la tierra en el milenio pasado y un modelo del sistema terrestre desarrollado en nuestro instituto, podemos estimar el impacto de la agricultura en el ciclo del carbono y en el clima. Nuestros resultados muestran que en los centros de

Más y más gente necesita más y más alimento: tierras de cultivo en el año 800 (izquierda) y en el año 2000 (derecha). La barra de color muestra la fracción o el área total usada para fines agrícolas (gris, 0%, violeta, 100%).

superficie de tierra agrícola requerida en el período comprendido entre la Edad Media y la Revolución Industrial puede inferirse de las cifras de la población regional. Utilizamos esta correlación y generamos una serie de datos que trazan la distribución de las tierras de cultivo y los pastizales a lo largo y ancho del mundo, a partir del año 800. En los cálculos se han tomado en cuenta las faltas de certeza en lo relativo a las cifras de la población y la influencia de los cambios en los métodos agrícolas. Asimismo, hemos reconstruido los cambios en la distribución de los bosques y los pastos naturales –así como las tierras de arbustos originadas por la expansión agrícola. De aquí surge la información de que, en la era preindustrial, había decrecido de manera significativa la vegetación natural, dando lugar a las tierras agrícolas y ganaderas.

la agricultura histórica en Europa, India y China, la agricultura aumentó de manera extensiva entre los años 800 y 1850, a costa del área forestal, y condujo a la pérdida de 53 gigatones de carbono en todo el mundo. Al mismo tiempo, 25 gigatones de carbono fueron embargados en el fregadero del carbono de la tierra. De esta forma, casi la mitad de las emisiones fueron recuperadas por la vegetación, especialmente en regiones que fueron dejadas a dispositivos de la naturaleza, como la lluvia tropical en los bosques. Esto ocurre porque las plantas crecen más rápidamente bajo alta concentración atmosférica de dióxido de carbono. Como resultado, pueden captar más gas de efecto invernadero y compensar, por lo menos en parte, el aumento del gas en la atmósfera. Los científicos se refieren a este proceso como “la fertilización con dióxido de carbono”, de las plantas.

EL ÚLTIMO MILENIO El último milenio es particularmente interesante en este aspecto: entre el año 800 y principios del siglo XVIII, se triplicó la población mundial, y alcanzó la cifra de mil millones de personas. Este incremento debe haber sido acompañado por una expansión agrícola sin precedentes. Si no encontramos que un cambio antropogénico del clima haya tenido lugar en este periodo, no tenemos por qué pensar que haya ocurrido en los milenios precedentes. En este caso, como se asume generalmente, la influencia antropogénica en el clima debe haber empezado únicamente con la combustión en gran escala de petróleo y carbón, durante la Revolución Industrial.

EL CLIMA LOCAL CAMBIA INCLUSO SIN ACTIVIDAD INDUSTRIAL Estas cifras prueban que un volumen neto de alrededor de 28 gigatones de carbono fueron enviados a la atmósfera como resultado del desarrollo de la agricultura en el período preindustrial del milenio anterior. Durante cientos de años, estas emisiones fueron de poca monta, y no fue sino en el período comprendido entre los siglos XVI y XVIII cuando afectaron la concentración atmosférica de dióxido de carbono más allá de un nivel que sólo podría ser explicado por las variaciones naturales del clima. Por lo tanto, pudiera parecer que los seres humanos no incrementaron la concentración de dióxido de

CONOCIMIENTO

carbono en la atmósfera sino hasta un relativamente tardío punto en el tiempo, aunque todavía antes del advenimiento de la industrialización. Sin embargo, este incremento del dióxido de carbono era demasiado pequeño como para alterar, de manera perceptible, la temperatura global. En contraste, en el ámbito regional, los seres humanos ya habían influido en el clima antes de la industrialización. Las simulaciones muestran que, debido a los cambios de blancura o de reflejo de la luz en la superficie terrestre, mediante el uso de la tierra, la humanidad alteró el ba-

lance de la energía en algunas regiones hace ya unos mil años. Especialmente en Europa, India y China, la cantidad de radiación solar absorbida disminuyó en unos dos watts por metro cuadrado. Un cambio de esta magnitud en el ámbito local es tan grande como el actual efecto invernadero; sin embargo, tiene el efecto contrario, dado que produce enfriamiento en lugar de calentamiento. Incluso los acontecimientos históricos pueden dejar su huella en el clima, por medio de tales efectos biogeofísicos. Por ejemplo, en el siglo XIV se produjo un claro retroceso en la creciente influencia humana en el balance de energía de Europa. Este cambio fue provocado por la peste bubónica, que causó la muerte de alrededor de un tercio de la población y que a su paso dejó en el abandono temporal grandes extensiones de

Sociedad Max Planck

tierras dedicadas a la agricultura. Similares consecuencias tuvieron la invasión mongol de China en el siglo XIII, y las enfermedades esparcidas entre las altas culturas de América por la invasión de los europeos. ¿PROTECCIÓN DEL CLIMA MEDIANTE LA FORESTACIÓN? Concluimos, por tanto, que, ya en la era preindustrial, los seres humanos provocaron cambios en el balance regional de la energía, e incrementaron el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera. Los humanos trastocaron el ciclo del carbono y redujeron, mediante la desforestación, el fregadero del carbono. Todo esto creó un legado del pasado para el tiempo en que los humanos entraron en la era industrial, de modo que el uso que se les dio a las tierras en el pasado sigue y seguirá afectando las condiciones actuales y futuras del clima. Aun cuando el influjo del uso de las tierras en el clima ha sido hasta la fecha sólo un efecto colateral no intencionado, se planea hacer en el futuro un uso bien definido de este efecto para contrarrestar el cambio climático. Como resultado, se han hecho varias demandas de forestación de áreas agrícolas, a fin de librar a la atmósfera de dióxido de carbono y mitigar el actual cambio climático. Sin embargo, la reforestación no siempre tiene el efecto de mitigar el cambio en el clima; puede también acelerar el calentamiento global. Los estudios demuestran que en latitudes medias y altas, la reducción del albedo, debida a la forestación, causa tanta radiación solar extra como para ser absorbida, que el efecto de enfriamiento por el retiro de dióxido de carbono no tiene impacto. Por lo contrario, en los trópicos, el alto nivel de evaporación en el bosque juega un papel mucho más importante, y, combinado con el retiro del dióxido de carbono, tiene un efecto neto de enfriamiento. Prevenir la deforestación en el bosque de lluvia tropical, que está siendo deforestado para ganar tierras para la agricultura, podría ser más efectivo que la reforestación en zonas moderadas. Por consiguiente, también en el futuro el desarrollo del clima dependerá de decisiones agrícolas.

GloSaRio: Albedo es la medida de qué tan fuertemente los continentes, los océanos y las nubes reflejan la luz del Sol. Las áreas más ligeras tienen un albedo más elevado que las áreas más oscuras. Fregadero de carbono. Las masas terrestres y los océanos pueden remover el carbono de la atmósfera y conservarlo por largos períodos. En las tierras, este proceso involucra primariamente a la vegetación, que absorbe el dióxido de carbono, y forma con él compuestos orgánicos. Sin embargo, el dióxido de carbono también se conserva durante procesos geológicos, tales como la formación de la cal.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

evolución

las moléculas se ordenan

Para hacer que las moléculas adopten una formación y observarlas durante el proceso, se requieren equipos pesados. Steven Tait ajusta el microscopio efecto túnel que, a la vez, es una cámara de reacción. Foto: Axel Griesch

Hasta el día de hoy, los biólogos no saben prácticamente nada sobre los primeros pasos titubeantes de la vida sobre la Tierra. En algún momento, sin embargo, las moléculas deben haberse agrupado para formar una estructura capaz de copiarse a sí misma. Detrás de este misterioso evento, se esconde el principio básico de la autoorganización, objeto de estudio del químico Klaus Kern y de su equipo en el Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos), en Stuttgart

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Tim Schröder

l principio sólo había caos. Eso es seguro. Hace cuatro mil millones de años, la Tierra giraba aún como una bola candente alrededor del Sol. Miles de volcanes escupían el calor acumulado. El magma ardiente y rojo salía disparado de cientos de cráteres, y se extendía sobre la tierra trepidante. El joven planeta sudaba como una masa en fermentación y despedía dióxido de carbono, vapor de agua, metano y amoníaco hacia su delgada atmósfera: una mezcla letal. Los cometas caían como rayos y se incrustaban en las profundidades de la corteza terrestre: las colisiones eran tan fuertes, que fundían la roca. El globo terráqueo se iba tranquilizando con lentitud. En algún momento, durante los millones de años siguientes, ocurrió algo misterioso: la heterogénea mezcla de pequeñas moléculas de la envoltura gaseosa terrestre se ordenó, para formar estructuras más grandes, cadenas largas, moléculas mensajeras de ARN, aminoácidos y, finalmente, los primeros organismos primitivos: los hilos de bacterias. Nadie sabe lo que ocurrió entre el caos anárquico y el surgimiento de la vida hace unos tres mil 800 millones de años. No se sabe siquiera de dónde proviene el agua terrestre. ¿Fue suficiente el vapor de agua que escapó de las grietas y fisuras del planeta para llenar las cuencas oceánicas? ¿O fue un cometa congelado el que trajo a cuestas el agua a la Tierra en forma de hielo? Hasta ahora, ningún científico del mundo puede explicar de forma realmente convincente la manera en que la confusión prehistórica de las moléculas se convirtió en estructuras ordenadas. Stanley Miller fue uno de los primeros que reprodujo en experimentos lo que podría haber ocurrido entonces en el planeta. En 1953, Miller introdujo en un matraz de su laboratorio, de la Universidad de Chicago, amoníaco, metano, vapor de agua y nitrógeno. Durante varios días sometió la mezcla a descargas eléctricas para incentivar las reacciones químicas. Miller había esperado que se produjera una gran combinación de compuestos orgánicos. Pero, en vez de eso, encontró algo sorprendente: aminoácidos. Esta mezcla primitiva, hostil a la vida, había creado elementos de la vida. PRIMER ENCUENTRO EN LA ATMÓSFERA PRIMIGENIA A este experimento de Miller le siguieron muchos otros que debían explicar la apariencia real que podría haber tenido la atmósfera primigenia y la manera en que podrían haber surgido las primeras estructuras más grandes, a partir de las moléculas sencillas. En algún momento, los diferentes módulos pequeños de la vida deben haberse encontrado para formar proteínas, ARN y ADN. Lo que las unió no fue, con toda seguridad, producto de la casualidad, sino el principio de la autoorganización. En él se basan los procesos de la vida y el surgimiento definitivo de la misma. El problema era que durante mucho tiempo no fue posible observar directamente las moléculas cuando se

movían unas alrededor de las otras, se tocaban y, finalmente, se unían para formar una estructura más grande. La autoorganización de la materia seguía siendo un misterio. Simplemente, no existía ningún equipo que permitiera observar la danza de las moléculas. Pero eso ya ha cambiado. En muchos laboratorios se dispone actualmente de aparatos con los que los investigadores alcanzan a ver el mundo de los átomos y las moléculas: los microscopios de efecto túnel.

Los fenómenos del nanomundo fascinan al químico Klaus Kern. Él investiga, entre otras cosas, las condiciones bajo las cuales las moléculas se agrupan en estructuras ordenadas. Foto: Axel Griesch

En los laboratorios de Klaus Kern, en el Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos), en Stuttgart, hay varios de estos impresionantes aparatos de acero fino. Parecen un injerto de motor de automóvil y satélite. A través de pequeñas y gruesas mirillas, se observa, en el interior de una cámara, en la que sobresale un alambre de metal delgado, la punta de medición del microscopio, una especie de sensor de moléculas. Kern y sus colaboradores observan así, átomo por átomo, la manera en que las moléculas se ordenan formando patrones de tamaños nanométricos; es decir, de sólo unas pocas millonésimas de milímetro. "Queremos averiguar cómo funciona la auto-organización, qué interacciones hacen posible que, a partir de pequeñas piezas de lego, se formen estructuras bien ordenadas". Kern sabe que con eso no podrá explicar la evolución de la vida. Pero ése no es tampoco su tema central. A él le interesan más bien las fuerzas que impulsan el proceso: "Tanto la evolución como la formación de nanoestructuras se basan en los mecanismos de reconocimiento entre moléculas, que se juntan de forma precisa. Queremos comprender los principios básicos". ASCENSOS Y DESCENSOS SOBRE LA SUPERFICIE El microscopio de efecto túnel es la herramienta ideal para ello. Con su punta conductora de electricidad, recorre las elevaciones y planicies de una muestra. En realidad, no fluye ninguna corriente entre la punta y la muestra que se encuentra debajo. Si se acercan la punta y la muestra ¬a pocos nanómetros de distancia, sus estados mecánicos-cuánticos¬ se superponen. De esta manera, los electrones de la muestra pueden sobrepasar la ranura formando un túnel. Esta

Sociedad Max Planck

corriente de túnel reacciona muy sensiblemente a los cambios de las distancias, de modo que el microscopio puede reconstruir, a partir de ella, la imagen de una molécula o de la posición de un átomo que se encuentra sobre una superficie. Al igual que otros investigadores, Kern trabaja desde hace más de 15 años con microscopios de efecto túnel. En el transcurso de los años ha mejorado los aparatos y ha desarrollo aparatos propios. La característica especial de sus máquinas es que funcionan a diferentes temperaturas. Trabajan a 272 grados Celsius igual de bien que a 120 grados sobre cero. Kern puede variar a su gusto el rango de temperatura y observar sus moléculas cerca del punto cero absoluto o a temperaturas como las de un horno. Y no sólo eso: en la cámara central de sus equipos, los investigadores reúnen diferentes sustancias y las observan simultáneamente. Desde pequeñas cámaras secundarias disparan átomos y moléculas sobre una superficie de metal. DOMA DE MOLÉCULAS Hace unos meses, Klaus Kern y sus colaboradores Steven Tait, Alexander Langner y Nian Lin, lograron una gran hazaña. Como si fueran domadores de leones, hicieron que las moléculas obedecieran sus órdenes en el microscopio: átomos de hierro y diferentes moléculas orgánicas se ordenaron como por arte de magia y formaron cuadrículas y estructuras similares a escaleras de cuerdas de grosores nanométricos. Hasta el momento, los investigadores habían trabajado, como máximo, con dos elementos que se unían con bastante facilidad para formar un patrón ordenado. Los científicos de Stuttgart, sin embargo, han introducido toda una mezcla en la cámara: átomos de hierro, como puntos de cruce centrales de las cuadrículas; ácidos carbónicos alargados, con apéndices con contenido de oxígeno, y bipiridinas extendidas a lo largo, con anillos con contenido de nitrógeno.

En un principio, los átomos de hierro, diácidos carbónicos orgánicos y bipiridinas se mueven caóticamente en la cámara de reacción. Después, como por arte de magia, se ordenan sobre la superficie de cobre y forman una rejilla regular, algo que los investigadores de Stuttgart han podido comprobar mediante la imagen del microscopio de efecto túnel. Ilustración: MPI für Festkörperforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos), de Steven Tait.

Steven Tait conecta el microscopio efecto túnel. Las bombas empiezan a sonar; aspiran el aire de la cámara; se forma un vacío altamente puro, mil veces más limpio que en los equipos de vacío de los fabricantes de chips para ordenadores. Steven Tait nos habla acerca de series de ensayos interminables, sobre la búsqueda de la temperatura óptima y la molécula orgánica correcta. Pasaron meses hasta que, finalmente, descubrió a qué ritmo debía disparar los diferentes átomos de hierro ¬y moléculas sobre la superficie de cobre en la cámara ¬de vacío. Un átomo tras otro, una molécula tras otra a intervalos de varios segundos. Y finalmente lo consiguió: la mezcla formó la fina cuadrícula sobre el cristal de cobre. Anteriormente, Tait y sus colegas del Centro de investigación de Karlsruhe habían deliberado sobre la consistencia que deberían tener las moléculas para unirse con el hierro y formar patrones precisos. Tait se decidió finalmente por los ácidos carbónicos y las pirinidas con contenido de nitrógeno. La cuadrícula presentaba una apariencia diferente en función de la mezcla. En algunos casos, la piridina resultó ser bastante elástica y toleraba también moléculas integradas incorrectamente. En esos puntos, la cuadrícula estaba ligeramente curvada.

CONOCIMIENTO

LAS MOLÉCULAS ENCUENTRAN SU LUGAR Con otra proporción de la mezcla, la cuadrícula no era tan tolerante. Cambiaba automáticamente las moléculas, hasta que todo encajaba perfectamente y los defectos quedaban eliminados. Era como si un juego de piezas de lego se convirtiera por sí solo en un cuerpo de policía y sustituyera las piezas mal ubicadas. "Hemos podido observar detalladamente por primera vez la interacción selectiva de diferentes moléculas, controlada por energías de enlace o por la estabilidad de las estructuras moleculares", dice Steven Tait. "Es fascinante: pequeñas moléculas sencillas se han reconocido y organizado por sí mismas. Parece como si tuvieran un programa que controla la autoorganización y la selección. “Si las moléculas se programan correctamente, se pueden construir cualesquiera patrones, concluye Tait. Esto se asemeja a la aparente inteligencia de la autoorganización natural: desde hace millones de años, el ARN y el ADN portan consigo las informaciones de todos los seres vivos. Se componen de tan sólo cuatro elementos diferentes, pero únicamente gracias a la auto-organización se crea una sorprendente diversidad de especies. Estos procesos se guían por el principio "bottom up" (de abajo hacia arriba), según el cual la materia se estructura por sí sola a partir de elementos pequeñísimos. La industria de semiconductores también quisiera aplicar este principio. Su sueño es hacer crecer nanoestructuras, componentes y transistores sobre chips de ordenadores, siguiendo el principio "bottom up". Hasta ahora, los chips de silicio se creaban en la dirección opuesta; es decir, "top down" (de arriba hacia abajo). En el disco de silicio, la oblea, se queman con ácido pequeñas estructuras. No obstante, la miniaturización de esas estructuras, que permite fabricar chips cada vez más pequeños, está llegando a sus límites. Hacer que los componentes afiligranados crezcan mediante la autoorganización es una idea muy atrayente.

Steven Tait estudia con el microscopio de efecto túnel la manera en que las moléculas se organizan a sí mismas para formar estructuras regulares. Su compañera Magali Lingenfelder estudia con estos instrumentos la manera en que se reconocen las moléculas quirales. Foto: Axel Griesch

CONOCIMIENTO

MALLAS ADECUADAS PARA CADA GAS Las estructuras de este tipo, como las que han creado ahora los científicos de Stuttgart, podrían servir en el futuro también como sensores de gases, dice Steven Tait. El ancho de las mallas de las nanocuadrículas podría modificarse, variando la longitud de las moléculas. La idea de Tait es ajustar el tamaño de malla adecuado para cada molécula de gas. Esas estructuras también serían adecuadas como superficie catalizadora para los procesos químicos entre determinadas moléculas. Pero Klaus Kern no alienta las expectativas, pues aún falta mucho para que existan procedimientos "bottom up" industriales. "A mí me entusiasma que la naturaleza sea tan simple y efectiva a la vez", dice Kern. También su colaboradora Magali Lingenfelder estudia uno de estos fenómenos naturales simples a primera vista: la quiralidad de las moléculas. Cuando las dos palmas de nuestras manos están sobre una mesa, no podemos cubrir la mano izquierda y la derecha. Las moléculas quirales se comportan de forma similar. En ellas, la quiralidad viene determinada por la posición de los ligantes, los grupos de moléculas colgantes. En función de la disposición de los colgantes, los químicos diferencian entre una forma D y una forma L. Sólo las moléculas con la misma quiralidad son compatibles y reaccionan entre sí, de la misma manera en que, al saludar, sólo se puede cubrir la mano derecha de la otra persona con la propia mano derecha. Las propiedades de las moléculas quirales se diferencian de manera sorprendente: en un tipo de salvia con flores azules, los pigmentos en color de flavón que llevan colgantes de azúcar de la forma D brillan en índigo. La misma molécula de flavón con azúcar de la forma L alcanza apenas un color celeste claro. Los expertos aún no saben por qué en los cuerpos de todos los seres vivos hay sólo una forma de moléculas quirales. Por este motivo, el organismo integra exclusivamente aminoácidos L en sus proteínas y azúcar D en las biomoléculas grandes ADN y ARN. Desde hace décadas, hay una gran controversia respecto a por qué la evolución favorece los aminoácidos L y el azúcar D. Lingenfelder se acerca a su manera a la solución del acertijo de la quiralidad. LA DANZA DE LAS MOLÉCULAS Así como otros observan la danza de cortejo de los pájaros, ella observa la reacción de las moléculas quirales en el microscopio de efecto túnel. Hace pocos meses, presenció la danza de dos moléculas quirales y tomó fotos del acercamiento a intervalos de pocos segundos. Además, evaluó simulaciones calculadas por sus compañeros del Kings College londinense. Con ello, Lingenfelder comprobó que las moléculas quirales no se juntan simplemente unas con otras, como lo había supuesto ya el ganador del premio Nobel Linus Pauling hace más de 60 años. Más bien se seducen, como una pareja que danza. Se acercan una a la otra, se repelen, cambian su posición y finalmente se abrazan cuando están en la posición correcta. Los investigadores denominaron este proceso en su momento "induced fit" (encaje inducido). Lingenfelder

Sociedad Max Planck

¿Quién da el primer paso? Dos moléculas quirales de difenilalanina se acercan primero la una a la otra cuidadosamente. Durante su danza de cortejo, las moléculas quirales adaptan sus formas entre sí y forman también cadenas largas. Ilustración: MPI für Festkörperforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos), de Magali Lingenfelder

ha demostrado que Pauling tenía razón, aportando con ello una pieza más del rompecabezas para comprender la quiralidad. Alexander Bittner, otro colaborador del equipo de trabajo Nanoscience de Klaus Kern, realiza su trabajo sin ningún microscopio de efecto túnel, a diferencia de sus compañeros Lingenfelder y Tait. Él investiga la autoorganización de la materia en el tubo de ensayo y bajo el microscopio electrónico. El objeto de ensayo más importante de Bittner es el virus del mosaico del tabaco, inofensivo para los humanos, compuesto de una cadena de ARN envuelta por dos mil cien componentes de proteína idénticos: una empanadilla de salchicha de 300 nanómetros de longitud. Los virus son autómatas de reproducción sin alma. Infectan las células, deshacen su material genético y reprograman el ADN de su anfitrión para que produzca virus, multiplicándose así a una velocidad vertiginosa, un principio genialmente sencillo. El virus del mosaico del tabaco es el virus que ataca al vegetal mejor estudiado del mundo. Alexander Bittner, sus compañeros y la bióloga Christina Wege, de la vecina universidad de Stuttgart, tienen, no obstante, planes innovadores con este virus. Lo utilizan como materia prima de autoorganización para módulos de tamaños nanométricos.

Virus con decoración de oro: Una partícula de oro, reconocible como una bola amarilla-naranja, se anexa al final del virus del mosaico del tabaco. Ilustración: MPI für Festkörperforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Cuerpos Sólidos), de Alexander Bittner.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

El punto más interesante es que, en cuanto el valor pH y la temperatura de la solución de ensayo son correctos, las subunidades proteínicas se anexan a la cadena de ARN. En el transcurso de pocos minutos, la espiral de ARN queda envuelta. Mientras tanto, los investigadores han anexado en los extremos del virus partículas de oro recubiertas de citrato, sostenidas por una cola de ARN. Bastaba con agitar juntos los componentes del virus y las partículas de oro, para que la mezcla se ordenara formando nano-pesas. En otro experimento, el virus sirvió como matriz para alambres de grosor nanométrico. Se logró hacer crecer la envoltura proteínica sin espina de ARN y llenar el espacio vacío con átomos de níquel, potenciales componentes nanoelectrónicos en un futuro lejano. CRECEN COLUMNAS EN EL CAMPO MAGNÉTICO En la actualidad, los científicos de Stuttgart trabajan en la construcción de barritas de virus recubiertas de metal para la mecánica de ferrofluidos. Desde hace algunos años, las partículas magnéticas se usan para modificar la viscosidad de los líquidos. En el campo magnético, las partículas forman pequeñas columnas o cadenas. Esas columnas pueden absorber vibraciones. Por tanto, los ferrofluidos resultan interesantes, sobre todo como amortiguadores. No obstante, las columnas compuestas de uniones de pequeñas partículas sueltas son sensibles a los movimientos bruscos. Cuando se agita el líquido, se elimina rápidamente su efecto amortiguador. Alexander Bittner quiere sustituir las cadenas de uniones de partículas sueltas por nanoalambres ferromagnéticos alargados de su taller de virus. Es probable que las varitas soporten mejor las fuerzas de cizallamiento. "Los virus, y sobre todo su ARN, son herramientas estupendas", dice Bittner. "El ARN funciona simplemente bien". A diferencia del ADN, no sólo contiene información. También tiene una función y, de forma similar a las proteínas, actúa directamente sobre el metabolismo. Es, probablemente, una de las primeras moléculas complejas de tiempos muy remotos que ha mantenido en funcionamiento la evolución de la autoorganización, incluso desde antes de que aparecieran las proteínas y el ADN. Sencillo, rápido y eficiente, para Bittner esas son las principales características de su nanosistema ¬de producción de ¬virus. Aun cuando la autoorganización de la materia y su papel en la evolución no se haya comprendido del todo, los investigadores de Stuttgart trabajan ya cosechando éxitos.

en el origen de la vida No hay pruebas del origen de la vida. La búsqueda de ellas parece una búsqueda de evidencias circunstanciales que se remonta a casi cuatro mil millones de años. Lo único seguro es que, en algún momento, las moléculas empezaron a organizarse y multiplicarse por sí mismas. Al hacerlo, tomaron energía del exterior para crear un estado de orden superior; es decir, el estado de la vida. En esos procesos se creó también material genético que contiene el plan constructivo para las proteínas, las principales portadoras funcionales de la vida. Pero hasta ahora no se ha aclarado por completo qué moléculas se formaron primero: el material genético probablemente en forma de ARN, o las proteínas. El problema clásico del huevo y la gallina. Un argumento a favor de la denominada hipótesis del mundo de ARN es que el ARN porta información y, al mismo tiempo, participa en los procesos metabólicos sumamente antiguos de la historia de la evolución. Un argumento en contra de la hipótesis del ARN es, sobre todo, que los componentes del ARN, los denominados nucleótidos de pirimidina, no se pueden crear en el laboratorio sin la ayuda de proteínas. En ese caso, las proteínas tendrían que haber existido primero. Otro argumento a favor de la hipótesis de que el primer signo de vida se basó en proteínas es un experimento realizado por Stanley L. Miller. Este biólogo y químico creó, ya en 1953, aminoácidos en una mezcla de sustancias que podrían haber estado contenidas también en el caldo primordial, sometiéndola a descargas eléctricas. En cambio, todavía no ha sido posible producir módulos del ARN bajo condiciones similarmente primigenias. No obstante, se dispone desde hace poco de una prueba contundente a favor de la hipótesis del mundo de ARN. Se trata de que determinadas moléculas ARN, las ribozimas, pueden sintetizar por sí mismas módulos ARN; es decir, moléculas de pirimidina. Esto significa que el ARN no sólo se puede crear mediante proteínas. Todavía no está claro, sin embargo, lo que existió antes del mundo de ARN. Posiblemente surgieron primero moléculas similares al ARN con una estructura más simple, a partir de las cuales se desarrolló el primer ARN. También es posible que estuviera formado por pequeñas moléculas simples. Dado que esta incógnita no se ha resuelto aún, el químico Robert Shapiro ha presentado recientemente una tercera hipótesis. Él propone que primero existió el metabolismo: una cascada de reacciones químicas acopladas de moléculas inicialmente muy sencillas. Una de esas reacciones generó energía. Esa energía fue aprovechada por otras reacciones para crear un orden superior y, poco a poco, también moléculas más complejas.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Planta de energía solar en el follaje La fotosíntesis, un golpe de genio por parte de la naturaleza, hace posible la existencia de la vida en niveles superiores. Si se pudiera optimizar, puede hacer una contribución aún mayor a la resolución de problemas energéticos en el futuro. Manajit Hayer-Hartl y Ulrich Hartl trabajan actualmente en esta posibilidad en el Instituto de Bioquímica Max Planck, en Martinsried

Harald Rösch

Imagen: SPL – Agentur Focus

é honesto. Cuando ves el intenso verde en el prado, ¿se te viene a la mente una planta de energía solar? Claro que no. Sin embargo, las plantas son algo muy similar: convierten la energía de la luz solar en energía utilizable. A través de la fotosíntesis, cultivan esta energía para sintetizar el azúcar en un proceso que involucra diversos pasos intermediarios. Nosotros ya aprovechamos esta fuente de energía, por ejemplo, en la forma de biocombustible y biogás. La naturaleza ha estado construyendo plantas de energía solar durante millones de años. El único inconveniente es que estas estaciones de energía natural trabajan de forma muy ineficiente. Las plantas pierden mucha energía, por lo menos cuando se trata de aprovechar la energía mediante la fotosíntesis. El área combinada de Alemania y Francia no ofrecería superficie suficiente para cubrir los requerimientos de bioetanol o biodiesel en la Europa del año 2050. Sin embargo, si el 10 por ciento de la energía que cae en forma de luz solar pudiera ser convertida en energía química, un área del tamaño de Baden-Würtemberg sería suficiente. La eficiencia de la fotosíntesis de las plantas es solamente del 5 por ciento, mientras que, en comparación, las celdas solares disponibles en la actualidad tienen una eficiencia de 20 por ciento, pero no producen combustibles como el bioetanol, que puedan ser fácilmente almacenados y transportados. Sin embargo, existen organismos que logran un mayor nivel de eficiencia que las plantas. La bacteria verde azufre, Chlorobaculum tepidum, por ejemplo, tiene un equipo más eficiente para la absorción de energía solar, y puede convertir un 10 por ciento de la luz incidente en energía química.

Planta de energía solar de tabaco: Una de hasta 100 cloroplastos de la celda de una hoja de tabaco. Su interior está lleno de pilas de membrana plana (estructuras en forma de hilo) que contienen la maquinaria molecular responsables de la fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen su propio genoma (zonas de color claro).

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

APROVECHAN MEJOR LA ENERGÍA LAS PLANTAS “TURBO” Por esta razón, los científicos trabajan en el desarrollo de fórmulas para lograr que la fotosíntesis sea más efectiva. Su objetivo es optimizar diversos pasos en el proceso de la conversión de luz energética en energía química; por ejemplo, incrementando la eficiencia de la maquinaria de la fotosíntesis. Las plantas que han sido actualizadas en esa forma son capaces de formar más biomasa con el propósito de producir combustible. En contraste, algunos científicos quieren prescindir de las plantas por completo y equipar a la bacteria con un dispositivo para optimizar la fotosíntesis. Otro posible acercamiento sería independiente de los servicios de cualquier organismo: el hidrógeno, por ejemplo, se puede generar por medio de biorreactores en donde se lleva a cabo la fotosíntesis, usando solamente algunas proteínas necesarias. La naturaleza crea enzimas que pueden dividir el agua con la ayuda de energía solar y que, por lo tanto, podrían reemplazar constantemente el platino en las pilas de combustible. Además, la naturaleza tiene también enzimas que subsecuentemente producen hidrógeno a partir de fragmentos de agua (ver Max Planck Research 3/2006, página 32 ff). EN BUSCA DE UNA MÁS EFE CTIVA FOTOSÍNTESIS En el Instituto Max Planck de Bioquímica de Martinsried, cerca de Múnich, los investigadores buscan una fórmula para hacer que la fotosíntesis de las plantas sea más efectiva

–y han logrado progreso significativo para conseguir este objetivo. Los científicos que trabajan con Manajit Hayer-Hartl han descubierto el proceso de plegamiento de una proteína clave en la fotosíntesis, conocida como Rubisco. Armados con este conocimiento, los investigadores pueden ahora trabajar en encontrar una manera de producir artificialmente la proteína Rubisco y modificarla para que funcione de manera más eficiente. La Rubisco no es solamente la proteína más común en la Tierra, sino también es una de las más importantes. Sin la proteína Rubisco, la vida no existiría en su forma actual. Se une el dióxido de carbono de la atmósfera y produce su conversión en azúcar y oxígeno. Sin embargo, la proteína Rubisco funciona de forma muy lenta y poco efectiva. Reacciona no sólo con el dióxido de carbono, sino también con el oxígeno: en promedio, se une a una molécula de oxígeno después de tres a cinco moléculas de dióxido de carbono. “Cuando surgió la proteína Rubisco, hace cuatro mil millones de años, esto era irrelevante, debido a que no había oxígeno en la atmósfera. Sin embargo, hoy en día, la cantidad de oxígeno en el aire es de alrededor del 20 por ciento”, dice Manajit Hayer-Harlt, quien, con su esposo Ulrich, realiza investigación en la proteína del Rubisco. La Rubisco puede trabajar más efectivamente si no reacciona con el oxígeno. LAS CHAPERONAS GARANTIZAN BUEN ORDEN Y FORMA Es por ello que los investigadores de Martinsried quieren modificar la proteína del Rubisco, con el fin de que pueda unirse solamente

al dióxido de carbono. Para lograrlo, deben primero establecer cómo se forma la proteína actualmente. La Rubisco es una de las proteínas más largas, y consta de ocho subunidades largas y ocho subunidades cortas. “Con tantas subunidades, existe riesgo significativo de que las partes erróneas de la proteína se agreguen y formen conjuntamente un grupo”, explica Manajit Hayer-Hartl. Para que la proteína funcione correctamente, las cadenas de aminoácidos deben estar correctamente plegadas, y las subunidades deben montarse para formar un cilindro. Este complejo proceso de plegamiento es administrado por proteínas especiales, conocidas como chaperonas. Según los investigadores, tres proteínas son necesarias para recrear un complejo funcional Rubisco: además de las chaperoninas GroEL y GroES, previamente identificadas, una nueva proteína recientemente descubierta ayuda a esto, que es la RbcX. La RbcX asegura que dos subunidades grandes de la proteína Rubisco se puedan montar una al lado de la otra. Cuatro de estos dímeros forman entonces un cilindro y cuatro de estas subunidades pequeñas se posicionan en la parte superior e inferior del cilindro. “Ahora entendemos por qué, las bacterias no son capaces de producir proteínas funcionales de Rubisco. Si insertamos solamente el ADN para la proteína en el genoma bacteriano –sin la proteína correspondiente en su ayuda– no podemos tener una proteína Rubisco funcional”, dice Ulrich Hartl. Después de haber logrado este avance, los científicos pueden ahora trabajar en la pro-

Proteínas Origami: La chaperoninas GroEL (luz azul) y Groes (azul oscuro) gestionan el plegamiento de la subunidad grande de Rubisco rbcL (turquesa, 1). Tras la publicación del complejo chaperona cilíndrica, la proteína RbcX ayuda y se une para poner fin a las piezas de las subunidades de la Rubisco que aún no están plegada (2) y causa dos subunidades ensambladas una junto a la otra (3). Cuatro de estos dímeros a continuación, forman un cilíndro (4). Cuatro subunidades RbcS pequeñas (rosa) ocupan tanto en el área superior e inferior del cilindro (5) y de esta manera rompen el vínculo entre RbcX y termina el complejo Rubisco (6).

CONOCIMIENTO

ducción de la proteína de Rubisco de forma artificial en el laboratorio. Para ello, quieren introducir el ADN para la Rubisco, las dos chaperoninas y la proteína que ayuda a las bacterias. Los microorganismos que se reproducen rápidamente luego producirán la proteína Rubisco en cantidades suficientes. Los investigadores buscan una variación más eficiente de la proteína Rubisco, con la ayuda de esa bacteria. “Si introducimos el ADN del Rubisco en una cepa de bacterias que pueden sobrevivir sólo con funcionales Rubisco, podemos probar todas las mutaciones posibles en el gen del Rubisco y establecer de inmediato qué tan bien trabajan las variantes individuales”, explica Manajit Hayer-Hartl. ¿PODRÁN TRIUNFAR LOS HUMANOS DONDE NATURA HA FALLADO? Con la ayuda de este proceso, se pueden generar y estudiar, en diferentes posiciones, múltiples mutaciones del gen Rubisco. Ésta es una importante ventaja, ya que no es posible optimizar la proteína mediante la sustitución de un solo aminoácido. Esto explicaría por qué la naturaleza no adaptó la Rubisco al contenido del aire en el curso de la evolución. Algunos científicos creen que la naturaleza ya ha encontrado la estructura óptima para la Rubisco, y que ésta no se puede mejorar. Los científicos de Martinsried no están de acuerdo con lo anterior. Están convencidos “de que la molécula Rubisco de las plantas no es definitivamente la variante óptima. Algunas algas rojas tienen una variante más eficiente. Esto sugiere que la enzima de la planta se puede mejorar también”. Sin embargo, encontrar mutaciones que podrían hacer el Rubisco más específico al dióxido del carbono, no es el único reto al que los científicos tienen que hacer frente. Los nuevos resultados muestran que nada va a funcionar sin las chaperonas moleculares coincidentes. A diferencia de la Rubisco en sí, la RbcX funciona en forma extremadamente selectiva y también ayuda en el plegamiento natural de la planta de Rubisco. Por esta razón, no ha sido posible, por ejemplo, transferir la Rubisco de las algas rojas a las plantas; simplemente no se pliega correctamente en este caso, pero es posible que una variante optimizada de la Rubisco requiera también su chaperona específica para el ensamblaje. MÁS ENERGÍA CON MENOS AGUA A pesar de todas las dificultades que se presentan, el objetivo que respalda esta investigación vale la pena: primero, las algas o las plantas con una variante de la Rubisco optimizada pueden usarse como arma para combatir el aumento de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera; segundo, la disponibili-

Sociedad Max Planck

dad de estas turbo plantas con una significativa tasa alta, puede ser ventajosa para la agricultura. “Podemos beneficiarnos de una Rubisco que sea un 10 ó 15 por ciento más eficiente”, dice Manajit Hayer-Hartl. No sólo es la cuestión de acelerar el crecimiento, sino hacerlo posible en algunos lugares, ya que la conversión eficiente del dióxido de carbono en azúcar reduce el consumo de agua en las plantas. Como resultado, en el futuro, la actividad agrícola será posible en áreas que son actualmente demasiado áridas para las plantas de cultivo – y esas áreas tienden a expandirse debido a la cada día mayor escasez de agua en la Tierra.

Glosario Chaperonas: La proteína puede funcionar sólo si sus cadenas de aminoácidos se doblan correctamente. Al igual que las chaperonas del siglo 19, cuyo trabajo era proteger a las jóvenes de influencias indebidas, unas enzimas especiales se aseguran de que las proteínas en la célula no vayan por el camino equivocado y asuman una forma incorrecta. Algunas chaperonas adoptan la forma de un cilindro, en donde solamente se puede doblar una molécula. Tales chaperonas, que se encuentran en las bacterias, los cloroplastos y la mitocondria son conocidas como chaperoninas. Una falta de chaperonas funcionales puede resultar en la causa de diversas enfermedades, como el Alzheimer y la enfermedad de Huntington. Fotosíntesis: La fotosíntesis consiste en la producción de hidratos de carbono a partir del dióxido de carbono y agua con la ayuda de la energía solar. El proceso puede dividirse en dos etapas conectadas: las reacciones de la luz hacen disponible la energía para que el agua se divida en electrones, protones y oxígeno. La energía rica en electrones y protones se usa en el ciclo de Calvin para convertir el dióxido de carbono en azúcar.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Proyecto para una planta de energía solar bacteriana

n organismo que necesita luz para sobrevivir, pero vive en lugares donde la luz es escasa requiere una antena especial. Las bacterias verdes del azufre Chlorobaculum tepedium, cuyo hábitat son las capas más profundas y oscuras de los océanos y lagos, tienen antenas de ésas. Con sus clorosomas, operan las plantas solares más eficientes encontradas en la naturaleza, pues convierten el 10 por ciento de la energía luminosa en energía química; es decir, en azúcar. Es por ello que Alfred R. Holzwarth y su grupo de investigación en el Instituto Químico Biorgánico de Max Planck, en Mülheim an der Ruhr, estudian los clorosomas, con el propósito de usar plantas de energía solar bacterianas como modelo eficiente para la generación de energía. Los científicos han dado importantes pasos para conseguir ese objetivo: un equipo internacional de investigación, que, aparte de Alfred Holzwarth y Michael Reus, del Instituto Max Planck en Mülheim, incluye científicos de las universidades de Leiden y Groningen, así como de la Universidad de Penn State en Filadelfia, ha descubierto cómo están estructurados los clorosomas. Ingeniosamente, los investigadores combinaron varios experimentos y cálculos. En esa forma, establecieron que la clorofila en los clorosomas se amontona para formar hélices. “Una pregunta clave se refiere a las varias formas posibles en las cuales los complejos individuales de clorofila se pueden acomodar uno al lado del otro”, dice Alfred Holzwarth. “Hemos encontrado la respuesta”. Y no solamente a esta pregunta. Previamente, era poco lo que se conocía sobre el arreglo de las formaciones de la clorofila. La mayor parte de los investigadores que recurren a las plantas de energía solar bacteriana como motivo de inspiración para la producción del biocombustible del mañana, favorecieron los estratos –un error, según ha establecido el equipo de investigación de Holzwarth. “Las hélices simples de clorofila son, a su vez, torcidas en forma de hélice para así formar un tubo”, explica. “Los tubos individuales también deben someterse a otro orden: varios tubos con diferentes diámetros se insertan entre sí como un mástil de telescopio”.

“A diferencia de las plantas superiores, esta estructura jerárquica compleja surge de forma totalmente auto-organizada”, dice Holzwarth. En las plantas superiores, las proteínas entran como mediadores”. “Dado que los clorosomas contienen solamente la clorofila, proveen modelos adecuados para la auto-organización técnica de las antenas de luz”, explica. Es extremadamente difícil imitar a las proteínas en los cloroplastos de las plantas superiores. Antes de que Alfred Holzwarth y sus colegas pudieran copiar las antenas con fines técnicos, tuvieron que resolver primero algunos aspectos fundamentales. “Queremos saber más acerca de la absorción de la luz en el funcionamiento de los clorosomas”, dice Holzwarth. Ésta es la única forma en que la búsqueda de una antena artificial con un nivel similar de eficiencia tiene posibilidades de éxito. Y esto sería la mitad del camino hacia la meta, en la búsqueda de una forma de enlazar eficientemente la energía solar en los combustibles, como Alfred Holzwarth explica. “Tenemos que acoplar la antena a un sistema simple que convierte la energía capturada de la luz en energía química; es decir, un sistema que, como la fotosíntesis, desarrolla el azúcar a partir del dióxido de carbono o separa el hidrógeno del agua”. Peter Hergersberg

A la izquierda: la conversión de dióxido de carbono en el ciclo de Calvin: En este ciclo, el carbono se produce en forma de dióxido de carbono y lo deja como el azúcar. El ciclo utiliza ATP como fuente de energía; NADPH proporciona electrones ricos en energía para la formación de las moléculas de azúcar. Para que una molécula de azúcar se produzca, el ciclo se debe ejecutar tres veces, y tres moléculas de dióxido de carbono deben estar fijas. La enzima Rubisco permitela adisión de dióxido de carbono para el azúcar ribulosa-1,5-bisfosfato (fijación de carbono). En la fase 2, gliceraldehído 3-fosfato -un azúcar con tres átomos de carbono de que la planta puede generar otros orgánicos compuestos - formas. La ribulosa se regenera de nuevo en la fase 3. A continuación: Durante las reacciones luminosas, de bajo consumo los electrones de las moléculas de agua se elevan a un nivel mayor de energía y se almacena en el NADPH. ATP también se produce en el proceso. Uso de la energía química almacenada en el NADPH y el ATP, el azúcar puede ser producido durante el ciclo de Calvin.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

en investigación científica y tecnológica

la Sociedad Max Planck, sinónimo de excelencia Patricia Liliana Cerda Pérez

on publicaciones anualmente estimadas en 12 mil artículos de investigación, y el trabajo de nueve mil científicos jóvenes a su cargo, la Sociedad Max Planck, a través de sus 80 institutos, y con la colaboración de 15 premios Nobel, es una institución apoyada por empresas privadas europeas que dan a esta organización alemana un valor más importante que el simple dinero: dotan a la ciencia y a la tecnología de los medios necesarios para ayudar al bien común y al progreso material de personas y comunidades. Este instituto cuenta con dos mil 500 socios pertenecientes a 123 países. Max Planck desarrolla investigación, talleres y bibliotecas científicas que en un contexto de autonomía y creatividad para sus investigadores, se enfoca a crear y fortalecer redes científicas internacionales -sobre la base de la cooperación para promover la productividad de la ciencia-, bajo la premisa de análisis críticos en cada disciplina. En sus publicaciones, los científicos investigan y disertan sobre tópicos profundos y diversos. En ellas, lo mismo se puede leer sobre polvos cósmicos, patentes, invenciones o resonancias magnéticas, que de procesos y cambios climáticos. Su perspectiva es la de crear nuevos conocimientos y productos benéficos para el medio ambiente, la salud, el desarrollo colectivo material, y se extiende cuando trata de responder eternas preguntas filosóficas como quiénes somos y adónde vamos

Doctora Patricia Liliana Cerda Pérez Coordinadora del Centro de Investigaciones FCC/UANL cerda35@hotmail. com

PRESENTES TODOS LOS TÓPICOS CIENTÍFICOS A través de sus textos, se puede uno informar con artículos elaborados con la más alta calidad científica, como es el caso de los premios Nobel Michael Schmeling y Alban Kellerbauer, al exponer cómo el cosmos se configura bajo un eterno tránsito de partículas de materia y antimateria. En ellos se da espacio, además, a estudios en que juristas y científicos plantean recomendaciones avanzadas en el terreno económico-social para una mayor igualdad de oportunidades entre hombres y mujeres; o bien a estudios del comportamiento humano, donde muestran indicadores conductuales en el lenguaje de las manos, utilizado por los políticos, para detectar tipos de personalidades. ALGUNOS DE SUS LOGROS Entre los logros obtenidos por ese instituto en materia de vínculos entre ciencia y empresa, se cuentan cerca de tres mil inventos gestionados en mil 800 acuerdos de comer-

Sociedad Max Planck

cialización y derechos de licencia firmados, por un total de 260 millones de euros. A través de ellos, se impulsa la investigación básica, donde físicos y astronómos observan, teorizan y exponen temas como el Bing Bang. Sus antropólogos trabajan multidisciplinariamente y disciernen sobre la evolución del cerebro, en una ciencia guiada por la atención escrupulosa hacia los derechos de autor y el uso responsable de la libertad científica, frente a los riesgos inherentes al ejercicio de esta actividad. Sus revistas ilustran lo mismo sobre el sistema solar -con excursiones a todo color en un viaje a través de la vida planetaria-, con la luna, los cuerpos celestes; los asteroides y cometas presentes en nuestro vecindario cósmico, que sobre el arte italiano o bien sobre las vinculaciones actuales descubiertas en el campo de los laboratorios experimentales sobre la relación entre el estrés y las enfermedades, mediante el análisis de la composición molecular de un sitio específico del cerebro, adonde la sustancia llamada glutamato llega y determina o no la vulnerabilidad del estrés. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Sus investigaciones enfocadas a la astronomía y astrofísica; biología y medicina; medio ambiente y clima; materiales y

CONOCIMIENTO

tecnologías, así como humanidades, comprenden más de 33 líneas de investigación. Éstas van desde la física cuántica, las neurociencias, las ciencias de la computación o la ecología, hasta estudios culturales, jurisprudencia, ciencias sociales y del comportamiento o lingüística, sólo por nombrar algunas. En Nuevo León, el Instituto Max Planck estuvo presente con el “Túnel de la Ciencia”, en octubre del año pasado, exposición que con acierto organizó, conjuntamente con la Universidad Autónoma de Nuevo León y el Conacyt. Auspiciada por dicho Instituto, esta exposición mostró a los nuevoleoneses -a través de 170 metros destinados para ello en la Nave Fundidora-, lo más reciente en descubrimientos científicos, distribuidos en 12 salas temáticas, en las cuales se pudo observar, a través de más de 300 imágenes, el camino del Bing-Bang, la comunicación entre las moléculas y las células o el mundo de los sentidos, entre otros aspectos. Exposiciones como éstas no sólo hacen crecer el bagaje de conocimientos de los nuevoleoneses, sino que, junto con la UANL y las instituciones educativas y científicas nacionales, muestran la grandeza del universo y del cerebro humano para deducir e inducir sobre nuestro rumbo y destino.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Para maestría y doctorado en el país y el extranjero

otorga el conacYT más de 150 mil becas en 40 años de existencia Cumple a cabalidad su función de hacer importantes aportaciones al desarrollo científico y tecnológico de México Óscar Vázquez

l pasado mes de diciembre, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología cumplió 40 años. Es una institución que ha venido dando importantes aportaciones al desarrollo científico y tecnológico del país en varios aspectos. Uno de los temas por los cuales el CONACYT es más identificado es seguramente por la formación de recursos humanos, y es de mencionarse que a lo largo de estos 40 años, ha otorgado más de 150 mil becas de maestría, especialización y doctorado, y que muchas grandes personalidades que actualmente incursionan en la vida social, política, económica y científica del país, han sido becarios de la institución. Así, el CONACYT ha hecho una importante aportación al desarrollo del país, y por lo tanto le compete la conducción de la Agencia Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación. En la actualidad, el CONACYT no solamente promueve la ciencia básica, ya que es fundamental el generar conocimiento de frontera, el competir en el ámbito internacional; sino que también reconoce el valor que tiene el transferir a la sociedad, en la forma de bienes y servicios, los resultados que se generan día a día en los laboratorios, en las aulas.

Doctor Óscar Vázquez Director Regional Noreste

VINCULACIÓN Normalmente, son las empresas las que hacen esa labor; por eso requerimos que haya esa sinergia entre academia y empresas –lo que denominamos vinculación- para poder finalmente llegar a la sociedad, en términos económico-sociales, para que La inversión que se da en el país en ciencia y tecnología, se haga evidente en productos tangibles. En el CONACYT, los diferentes programas que maneja tienen que ser enmarcados en el Programa Nacional

Doctor Óscar Vázquez Director Regional Noreste

de Desarrollo, con su visión 2030, de la actual administración, la cual considera diez objetivos. El CONACYT se circunscribe a uno de ellos, en el cual se lee textualmente: “Tener una economía competitiva, que ofrezca bienes y servicios de calidad a precios accesibles. OBJETIVOS SECTORIALES Éste es uno de los diez grandes objetivos del Programa Nacional de Desarrollo. Después, el CONACYT tiene que atender también su Programa Especial de Ciencia, Tecnología e Innovación, que, por sus siglas, es el PECITI, que se maneja en un contexto de 2007 a 2012, donde se deberán aplicar cinco objetivos sectoriales. Uno de ellos es la política de Estado, tendiente a articular un marco que fomente la aplicación de la ciencia y la tecnología; esto es, que haya consejos de Ciencia y Tecnología, que haya leyes de Ciencia y Tecnología en cada entidad; que también haya un Fondo Mixto en cada entidad, y que preferentemente haya una inversión de los gobiernos de los estados en ciencia y tecnología, además del recurso federal.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

Los aspectos que he delineado dentro de este primer objetivo, ya se atienden afortunadamente. De hecho, ya hay consejos estatales en todo el país; el más reciente, instalado hace poco más de un año, fue el del Estado de Oaxaca. NUEVO LEÓN, CASO SUI GÉNERIS El caso de Nuevo León es sui géneris. Nuevo León tiene dos instancias: tenemos el Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología y la Coordinación de Ciencia y Tecnología: pero, en la mayoría de los estados tenemos una sola instancia, que es el Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología. Asimismo, en los estados se cuenta ya con leyes de Ciencia y Tecnología; tenemos también Fondos Mixtos, que son una fuente de financiamiento y constituyen una alianza entre el CONACYT y los gobiernos de los estados. Es más, no sólo hay 32 Fondos Mixtos, que serían uno por cada entidad. Hay 34 Fondos Mixtos, porque dos son municipales: los de Ciudad Juárez y de Puebla, ambos en el Estado de Chihuahua. Otro tema que atender dentro del PECITI es la descentralización de las actividades de ciencia y tecnología, con el fin de contribuir al desarrollo regional. Este tema es de gran importancia por lo siguiente: el maestro Juan Carlos Romero Hicks (director general del CONACYT), muy repetidamente, en sus intervenciones, invita a la comunidad, y al propio CONACYT, desde su trinchera, a tratar de reducir las asimetrías. 17 MIL CIENTÍFICOS EN EL SNI; 609 SON DE NUEVO LEÓN Sabemos que, si bien en México tenemos un buen número de investigadores y tenemos empresas que ya le apuestan al desarrollo tecnológico, estos indicadores varían. Tradicionalmente, muchos investigadores se concentraban en la zona metropolitana del Distrito Federal. Afortunadamente y para bien de todos, vemos ahora que los estados, cada día mejoran más sus indicadores. Simplemente, mencionemos que de más de 17 mil científicos que integran el Sistema Nacional de Investigadores, 609 corresponden a Nuevo León. Otro indicador que destacaría es el de los posgrados de excelencia. Se estima que en México se ofrecen poco más de cinco mil posgrados –especializaciones, maestrías, doctorados. No todos están acreditados en el padrón de la SEP y del CONACYT. Después del proceso de evaluación, los que están acreditados son poco más de mil 300. De esos pocos más de mil 300, Nuevo León tiene 94. Entonces, Nuevo León tiene buena presencia en este tema de la descentralización, pero tenemos que ir más allá todavía, para reducir más las asimetrías que actualmente tenemos en los ámbitos nacional y regional. MAYOR FINANCIAMIENTO A CIENCIA Y TENOLOGÍA Otro tema de importancia dentro del PECITI, es fomentar un mayor financiamiento para la ciencia y la tecnología. Si nos preguntamos en este momento cuál debería ser el financiamiento para ciencia y tecnología en nuestro país,

ya hay una Ley de Ciencia y Tecnología, que se modificó incluso en 2002, donde se establece que la inversión para ciencia y tecnología debe ser al menos del uno por ciento del Producto Interno Bruto. El problema es que, de momento, no lo hemos alcanzado. Estamos en poco menos del 0.5 del PIB. Aquí hay que reconocer algo: que para alcanzar ese uno por ciento, aunque la ley ya lo establece, el siguiente reto es de dónde va a venir el recurso que nos permita alcanzar la cifra establecida. Este recurso no podrá ser sólo dinero gubernamental: federal, estatal o municipal. Para lograr esta cifra, este valor de inversión en la ciencia y la tecnología, tendrá que haber concurrencia de otras fuentes, como el sector privado, por ejemplo, y otras organizaciones. Esto no es privativo de nuestro país; es una práctica de carácter internacional. Si se analiza el caso de Estados Unidos y de otros países con gran desarrollo tecnológico, una gran parte de la inversión en ciencia y tecnología viene del sector privado; porque es un ganar ganar; el invertir en ciencia y tecnología no solamente es generar conocimiento, con lo valioso que es; sino además es generar productos tangibles, y entre ellos están los recursos humanos; la formación de gente especializada, capacitada, que ayude a detonar la economía del país. Este tercer punto que estoy tocando es cómo lograr un mayor financiamiento para la ciencia y la tecnología, y en este caso, Nuevo León vuelve a tener una gran participación, entre otros esquemas, uno de los cuales es el Fondo Mixto. De manera cualitativa, les digo que también el Estado le ha apostado a la ciencia y la tecnología.

CONOCIMIENTO

FORTALECIMIENTO DE CAPACIDADES Otro tema que también debe ser atendido dentro del PECITI, es el relativo a tener una mayor inversión en infraestructura; tenemos que fortalecer las capacidades científicas y tecnológicas en las entidades; que no solamente ciertos laboratorios o centros de investigación tengan grandes equipos analíticos, experimentales, sino que en todos los estados tengamos una infraestructura fortalecida, que permita a esos recursos humanos que formamos, tener los elementos para llevar a cabo su investigación, sus experimentos. Este tema también ha sido atendido por el CONACYT, a través de varias convocatorias. Casi todas éstas permiten al investigador, una vez que se aprueba su propuesta, solicitar algún tipo de equipamiento, lo cual se va fortaleciendo; pero incluso ha habido convocatorias específicas para la infraestructura, que se llaman Laboratorios Nacionales. Y Nuevo León vuelve a estar presente en este rubro, con una buena presencia en acceso a recursos para este tipo de infraestructura en las instituciones del Estado. Es un cuarto punto. Y un quinto punto entre estos objetivos del PECITI es el evaluar la aplicación de los recursos. El CONACYT establece sus esquemas de evaluación. Esta inversión que se realiza en ciencia y tecnología, ¿cómo ha beneficiado finalmente a la sociedad? ¿En qué se ha beneficiado, de qué manera y qué sigue para poder fomentar más la inversión en la ciencia y la tecnología? De esta forma, he descrito muy rápidamente lo que el CONACYT debe hacer, desde su papel que tiene como

Sociedad Max Planck

instancia que debe conducir la Agenda Nacional de Ciencia y Tecnología para atender lo que le marca su programa especial de ciencia, tecnología e innovación. Quisiera resaltar que, cumplir los objetivos que acabo de mencionar, sólo se puede lograr mediante las sinergias, alianzas con las entidades federativas y con los representantes en los estados de esta política de ciencia y tecnología. El CONACYT necesita atender continuamente, estar en contacto con las instituciones académicas, gubernamentales, no gubernamentales, sociedad en general, en cada entidad, para poder garantizar que estos recursos lleguen a los usuarios. CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN Para ir atendiendo estos grandes temas que comentaba, estos cinco ejes, el CONACYT establece un plan de trabajo, y lo divide en grandes grupos. En este caso abundaré sobre tres de ellos. Sería lo que llamaríamos Formación y Consolidación de Capital Humano para el Desarrollo en Ciencia, Tecnología e Innovación. Quisiera abundar en el término Innovación, porque insistía, al principio, que la ciencia es valiosísima, importante; la tecnología acompaña a la ciencia necesariamente, y es deseable que estos dos elementos lleguen finalmente al usuario a través de la innovación. Para formar recursos humanos, también debemos tomar en cuenta estos tres elementos de cómo un individuo debería ser capacitado y cómo debería volver a su entorno, a su país.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

VIGENTES 31,053 BECAS EN MÉXICO Y EN EL EXTRANJERO En este primer eje que comentamos, yo diría, con cifras de fines del año pasado, que estaban vigentes 31 mil 53 becas de posgrado, entre nacionales y en el extranjero –porque recordemos que el CONACYT otorga becas nacionales y para el extranjero; de estas 31 mil 53 becas, el 91.1 por ciento eran en instituciones nacionales, y 8.9 por ciento son becas para el extranjero. Ahora, si nos vamos por nivel de estudios: especialidad, maestría, doctorado, de estas 31 mil 53 becas, el 39.6 por ciento son para doctorado; 58.7 por ciento, para maestría; 1.4 por ciento para especialidad, y .3 por ciento, para otros. De las becas al extranjero, la distribución se presenta de esta manera: en Europa, el 62.5 por ciento; Estados Unidos y Canadá, 32 por ciento; Oceanía, 2.8 por ciento; Asia, 1.7 por ciento, y América Latina, uno por ciento; si se quiere saber de cifras absolutas, diría que de dos mil 762 becarios en el extranjero, son mil 726 en Europa, 884 en Estados Unidos y Canadá, 76 en Oceanía, 48 en Asia y 28 en América Latina. Ahora bien, ¿cómo operan las becas nacionales? Lo que el CONACYT hace en coordinación con la SEP, es evaluar los posgrados que así lo requieren, y una vez que se acreditan como posgrados de excelencia, el CONACYT deja la prerrogativa a la institución de seleccionar a sus becarios, partiendo del hecho de que el posgrado ya fue evaluado en términos de varios factores; entre ellos, su profesorado, su infraestructura, sus vinculaciones, sus alianzas. Hay una serie de posgrados que se deben analizar para que un posgrado se considere de excelencia, pero una vez que esto se logra, se deja la prerrogativa, insisto, a esa institución, de seleccionar a sus becarios. Los apoyos del CONACYT tienen dos premisas: tienen que ser por convocatoria, por concurso necesariamente, o por evaluación de pares. Y es que el CONACYT se apoya en grupos de expertos calificados para este efecto. Para que se otorgue un apoyo, debe ser por evaluación de pares y debe ser también por concurso. Esto se aplica también para las becas. TRES VECES MÁS CARAS LAS BECAS AL EXTRANJERO Las becas que se otorgan para el extranjero son hasta tres veces más caras que las becas que se otorgan para el país; pero es entendible que hay que otorgas becas para el extranjero, porque hay áreas del conocimiento que quizá están más fortalecidas en otra instancia, y México se beneficia formando recursos humanos; pero también el becario que aspira a una beca para el extranjero, debe, entre otros requisitos, justificar por qué se quiere ir al extranjero, y primero tiene que dejar claro ante los comités que conoce que hay un padrón nacional y que, aun conociéndolo y analizándolo, no encuentra el posgrado que quiere hacer en el extranjero. En los casos de becas para el extranjero, el proceso de evaluación sí lo llevan a cabo comités de expertos establecidos por el CONACYT. Un punto muy importante es también el establecer cómo ese becario va a

contribuir a su entorno cuando se reintegre al país. En este sentido, el CONACYT promueve dos aspectos importantes: 1.- Que el individuo pueda tener experiencia práctica antes de irse al posgrado. Sería deseable que, al egresar de licenciatura, tenga alguna experiencia en alguna empresa, en alguna instancia, y después continuar con el posgrado. 2.- Que la persona que se va a ir al extranjero tenga muy claro, muy preciso, que la línea de investigación que va a realizar sea congruente con el entorno al cual va a regresar, de tal manera que no solamente sea del interés de la institución receptora, sino que sea también de beneficio para nuestro país cuando este individuo se forme en áreas prioritarias. De los países a que se van nuestros becarios, el orden descendente es el siguiente: Gran Bretaña, Estados Unidos, España, Alemania, Canadá, Francia, Holanda, Australia, Japón y Argentina. Hay otros 22 países. Decía que en el país tenemos 1,304 posgrados acreditados por la SEP y el CONACYT en el Programa Nacional de Posgrados de Calidad, y por tanto, el individuo que sea aceptado en estos posgrados es elegible para una beca nacional. En el año dos mil había 405 posgrados; ahora hay 1,304. Se han ido fortaleciendo los aspectos necesarios para tener un posgrado de calidad, y es bueno que el país cuente con esta presencia. En el país hay 1,304 posgrados en los siguientes niveles: Doctorados 396 Maestrías 742 Especialidades 166 Es importante mencionar que los posgrados del padrón de calidad tienen diferentes modalidades. Anteriormente, en el caso de instituciones con posgrados en ciernes no podían dar el dato respecto de eficiencia terminal.

CONOCIMIENTO

OPCIONES DE POSGRADO El padrón nacional de posgrados está clasificado en cuatro opciones: 1.-De reciente creación. No tiene egresados todavía, pero cuenta con buena estructura, buen profesorado; tienen publicaciones… 2.-Posgrados en desarrollo, que ya pasaron a la siguiente etapa, se están fortaleciendo. 3.- Posgrados consolidados. 4.-Posgrados de competencia internacional, y desde luego desearíamos que todos los posgrados en nuestro país fueran de competencia internacional, no sólo porque nos permita sostener relaciones muy fuertes en el extranjero, sino porque también es una buena opción para nuestro país de convertirse en un mercado importante para que vengan estudiantes de otros países. SISTEMA NACIONAL DE INVESTIGADORES Otro indicador que quisiera mencionar respecto de lo que se hace en el CONACYT para apuntalar la formación de recursos humanos es el Sistema Nacional de Investigadores (SNI). En la actualidad tenemos poco más de 17 mil miembros del SNI. Hay cuatro niveles para este tipo de investigadores: 1.- Candidato. Generalmente se trata de personas que acaban de obtener el doctorado, acaban de regresar del doctorado y tienen sus primeras publicaciones. Constituyen el 19 por ciento de los miembros del SNI. 2.- Nivel I. Se trata de investigadores jóvenes, que se están estableciendo como tales y que van cubriendo los

Sociedad Max Planck

requisitos para ser aceptados en este nivel. Constituyen el 54 por ciento. 3.- Nivel II. Constituyen el 18 por ciento. 4.- Nivel III. Constituyen el 9 por ciento. INCENTIVO ECONÓMICO Esto tiene que ver con la remuneración. Hay un incentivo económico que se les otorga. A los candidatos, el equivalente a cuatro salarios mínimos; a los de nivel I, siete salarios mínimos; a los de nivel II, nueve, y a los de nivel III, 14 salarios mínimos. Es un incentivo interesante, porque puede complementar el salario de un investigador. Nuevo León ha incrementado su presencia nacional en este aspecto, y en la actualidad tiene 609 investigadores en el SNI. Quisiera dejar unas reflexiones. El tema de ciencia y tecnología no siempre es muy reconocido por la sociedad, porque se trata de indicadores de mediano y largo plazo. A veces, decir que el Estado de Nuevo León creció –por ejemplo- de 500 miembros del SNI a 609, podría no ser tomado muy en cuenta. Pero, para que un individuo ingrese al SNI, un primer requisito es que tenga doctorado, y fácilmente le lleva unos cinco años el establecer su línea de investigación: en lo que regresa, en lo que empieza a buscar financiamiento para proyectos, en lo que empieza a fortalecer su infraestructura para su investigación; en lo que empieza a formar otros recursos humanos, y que le cuenten para esta clasificación, vemos que es un ejercicio largo. Formar a alguien con maestría tarda de dos a tres años; a un doctor, de tres a cuatro años. Ya vemos, pues, que los indicadores son a mediano y largo plazo.

Sociedad Max Planck

LA DIFUSIÓN, FUNDAMENTAL Por otro lado, la difusión de la ciencia y la tecnología es un área sumamente importante, que CONACYT reconoce. Es lo que algunas personas llaman la apropiación social de la ciencia; que la gente reconozca y que, además, se beneficie de los resultados de la ciencia y la tecnología. También es muy importante señalar que en la actualidad, los investigadores ya no se concentran en la zona metropolitana del Distrito Federal, sino que ya están también en los estados, y muchos de éstos fortalecidos, como es el caso de Nuevo León, pero también se han ido fortaleciendo Coahuila, Chihuahua y otras entidades del país. El SNI es un indicador importante de la masa crítica que tiene el país. Otro tema que quisiera comentar es algo que el CONACYT promueve es el hecho de que se den las sinergias; que no trabajemos aislados. Esto es un aspecto fundamental para tratar de contribuir a la reducción de las asimetrías; que estados incipientes en ciencia y tecnología se fortalezcan como otros que ya lo han hecho, y que éstos a su vez vayan más allá. Necesitamos formar redes de colaboración, sinergias, y el CONACYT tiene un programa de alianzas y redes en investigación y desarrollo tecnológico en el ámbito nacional, e incluso internacional. REDES EN INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO Cuenta con alrededor de veinte redes, en temas tan importantes como el agua, el código de barras de la vida (la genética); de complejidad, ciencia y sociedad; física de altas energías, de fuentes de energía, y así otros temas que tienen gran repercusión científica y tecnológica, como el caso de la innovación, las nanociencia y la tecnología, temas relevantes. Así como consideramos que México tiene que establecer sinergias, alianzas para crecer en temas importantes para el país, también es importante que haya grupos que incursionen en temas de importancia internacional, como nanotecnología, nuevos materiales, nuevas tendencias de la medicina, alimentos, tecnologías de información, etcétera, pero reconociendo que todos son importantes: los temas sociales, los humanísticos, los tecnológicos, los ingenieriles, y éstos son ejemplos. Tenemos incluso una red que se denomina “Sociedad Civil y Calidad de la Democracia, para dar una idea de los temas que se pueden manejar. El CONACYT recibe un presupuesto anual, el cual destina a sus proyectos sustantivos: becas -un programa muy conocido- para el país y para el extranjero; remuneraciones que otorga el Sistema Nacional de Investigadores. Hay otros temas de desarrollo regional, a través de grupos de las propias regiones. El CONACYT se ha acercado a las dependencias fede-rales, como la Secretaría de Educación Pública, la Secretaría de Salud, Secretaría de Desarrollo Económico, mediante aportaciones conjuntas en igualdad de condiciones, para atender temáticas del sector correspondiente. No que el CONACYT realice. El CONACYT es un aliado con el recurso y con los mecanismos de valuación, pero quien establece las prioridades son los sectores.

CONOCIMIENTO

FONDOS SECTORIALES De esa manera nace lo que se conoce como fondos sectoriales, ya constituidos, que van desde alianzas con la SEP, la SSA, SAGARPA, SEMARNAT, CFE, Secretaría de Marina, Comisión Nacional del Agua, Inmujeres, para dar unos ejemplos de estas alianzas de CONACYT con instancias del gobierno federal, para atender temas de importancia federal. El fondo SEP-CONACYT es básicamente por oferta, pero hay otros fondos que son más bien por demanda, en que se convoca a la comunidad científica a presentar proyectos que atiendan los efectos catalíticos en las poblaciones microbianas, en fin… por dar un ejemplo de un tema relevante, y que va a generar conocimiento de frontera. En todos los fondos sectoriales se ha dado apoyo a muchos proyectos. Cifras de 2002 a 2010 indican que se han aprobado siete mil 205 proyectos, y se han aportado nueve mil 362 millones de pesos. FONDOS MIXTOS Este mismo razonamiento lo ha seguido el CONACYT con los estados, y se ha acercado a los gobernadores, también para inversiones conjuntas, por partes iguales, para atender prioridades del Estado; que sea el Estado el que las establezca, y de esa manera nacieron los Fondos Mixtos, de los cuales ya comentamos, hay 34: uno por cada entidad, y dos municipales. En este sentido, se atiende el punto relativo a mayor financiamiento para ciencia y tecnología, que es lo que se pretende con estas estrategias: que concurran las instancias, tanto del gobierno federal como de los gobiernos estatales, así como de los municipios, y que concurran igualmente los mismos usuarios de organizaciones, de las empresas. Los Fondos Mixtos, una vez que se puso el peso a peso: del Estado y del CONACYT, del municipio y del CONACYT, podría hacerse la pregunta respecto de qué tipo de proyecto se puede atender, y para generalizar, hay que decir que se trata de cinco modalidades: A.- Investigación aplicada. B.- Desarrollo tecnológico. C.-Creación y Consolidación de Grupos y Redes de Investigación. D.-Creación y Fortalecimiento de Infraestructura. E.-Difusión y Divulgación. Todos estos puntos son importantes, pero el último es transversal a los cuatro primeros; se trata de que quien hace una investigación dé a conocer cuál fue el producto: un desarrollo tecnológico, generación de una patente, un derecho industrial, algún sistema de capacitación en las zonas rurales, un nuevo centro de investigación en zonas alejadas… qué tipo de beneficios se otorgaron. LA DIVULGACIÓN La divulgación está considerada como una alternativa importante para financiar en los Fondos Mixtos, y Nuevo León tiene un Fondo Mixto muy fuerte, muy bien consolidado, con una gran coinversión, y hay que reconocer

Sociedad Max Planck

al gobierno del Estado la iniciativa que ha tenido para ser constante; y hay otra característica que resaltaría que se ha da en Nuevo León y afortunadamente también en otros fondos: esta coinversión para llevar a cabo más actividades científicas y tecnológicas, así como el reto de aplicar los recursos; que una vez que se tengan, se convoque, se emitan, se tengan proyectos terminados, se obtengan beneficios. Nuevo León, lo mismo que otros estados, ha ido avanzando en el tema de que el dinero invertido dé resultados tangibles en un mediano plazo, para tener una evidencia de por qué se debe invertir más en ciencia y tecnología. En el ámbito nacional, en el caso de las modalidades que acabo de mencionar, se han obtenido los siguientes resultados: En el plazo de 2002 a 2010 se han invertido cinco mil 26 millones de pesos y se han aprobado cuatro mil 373 proyectos. De estos cuatro mil 373, por modalidad se han aprobado los siguientes proyectos: A.-2,474 B.-1,035 C.-262 D.-230 E.-361 Hay once proyectos aprobados, que han tenido una interfase con más de una modalidad. En el caso de Nuevo León, a la fecha se han aprobado 177 proyectos, y por modalidad, los siguientes: A.-15 B.-107 C.-13 D.-38 E.- 4

Sociedad Max Planck

Las convocatorias de los fondos sectoriales y los institucionales, pero también las de los Fondos Mixtos son de alcance nacional. Es decir, a una convocatoria específica que emita un Estado, pueden responder instituciones de investigación o de otra índole de cualquier parte del país, siempre y cuando se responda a la demanda específica. La prioridad de los fondos es resolver problemas, y ¿quién lo va a hacer? La mejor propuesta, sea de donde sea. Esto es importante, porque nosotros, en los esfuerzos de divulgación que hacemos, les recordamos a los interesados, típicamente académicos, empresarios u otros interesados en presentar propuestas, que no se concentren al Fondo Mixto de su entidad, y nosotros continuamente enviamos información de las diferentes convocatorias que se presentan. ESTÍMULOS A LA INNOVACIÓN Quisiera terminar con la mención de un programa que se llama Estímulos a la Innovación, que también es de interés, porque va dirigido a las empresas. A esta convocatoria no se espera que quien responda sea una institución académica o centro de investigación, sino una empresa, con el ánimo de lograr un desarrollo tecnológico para un beneficio social-económico en el país. Este tema fomenta el desarrollo de nuevas tecnologías, nuevos procesos, nuevos productos, con la participación de las empresas; sin embargo, se fomenta que, aunque la propuesta sea presentada por una empresa, venga en alianza, en sinergia con alguna institución académica. Son mejor evaluadas y mejor apoyadas las que vienen con vinculación, y Nuevo León, otra vez, fue, en el año 2009, uno de los estados cuyas instituciones estuvieron más vinculadas en los proyectos recibidos.

CONOCIMIENTO

Las dos instituciones más vinculadas fueron la Universidad Autónoma de Nuevo León y el Tecnológico de Monterrey. Y es que necesitamos fomentar la vinculación en la atención a programas que vayan en función del beneficio social y económico. Este programa tiene tres modalidades: Innovatec, Innovapyme y Proinnova. En 2009, en Innovatec, se recibieron solicitudes por 1,155 millones de pesos, y se otorgaron 931 millones, y para 2010, 693 millones; para Innovapryme, en 2009, 465 millones, y en 2010, 693 millones; en Proinnova, en 2009, 260 millones, y en 2010, 993 millones. AGENDA NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA En conclusión, el CONACYT es una instancia cuya actividad consiste en llevar a cabo la conducción de la Agenda Nacional en Ciencia y Tecnología; es una agenda que sólo puede cumplir estableciendo alianzas con las diferentes instancias del país, en los ámbitos nacional y estatal, y en esta actividad, para poder promocionar sus programas y que éstos lleguen a los usuarios, establecemos alianzas con las instancias en los estados, que son los que permiten la canalización de los recursos. CONACYT tiene una serie de indicadores, algunos de los cuales ya hemos mencionado: formación de recursos humanos, Sistema Nacional de Investigadores, fortalecimiento de la infraestructura, becas nacionales y al extranjero, promoción de los recursos para el desarrollo científico y tecnológico, también en el sector privado; y un tema transversal a todo esto, y como tema fundamental, la divulgación de la ciencia y la tecnología.

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

ciencia básica para todos

nuevas aplicaciones médicas de los láseres Roberto Ulises Cruz A.

¿Puede usted imaginar la aplicación de un láser médico durante un periodo de tiempo tan breve que no dañe por quemadura al tejido circundante? ¿O la utilización de la luz que generan estos láseres como si fuera un bisturí óptico, cortar tejido celular y penetrar así en una sola célula para realizar nanocirugías? ¿Y qué tal si nos olvidamos del efecto térmico que provoca un haz de luz para, en su lugar, aprovechar la onda de choque que se genera al aplicar un pulso ultracorto de gran intensidad, capaz de desnaturalizar las proteínas de la sangre para contener hemorragias en vasos sanguíneos, igualito que si las estuviéramos coagulando con calor? Pues esto es parte del trabajo de investigación en ciencia básica que realiza el doctor Santiago Camacho López, investigador y actualmente jefe del Departamento de Óptica del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE), quien señala que la medicina, entre otras áreas del conocimiento, se ha beneficiado con la existencia y evolución de estos dispositivos.

Roberto Ulises Cruz A. / Departamento de ComunicaciónCICESE

FALTA MUCHO POR HACER Si bien las aplicaciones médicas de los láseres surgieron prácticamente desde su invención, esto no quiere decir que todo lo que se puede hacer con ellos ya está hecho. “Cuando nos acercamos a los médicos que los utilizan, nos empezamos a dar cuenta que, desde nuestro punto de vista, como físicos o como ópticos, todavía hay muchas cosas por hacer”, indica el investigador. Y explica: “Una de mis impresiones -y hasta cierto punto una decepción-, es que los fabricantes de láseres médicos no necesariamente venden los mejores productos en función de la salud de la gente, sino en función de un componente económico muy agresivo. Por ello, una de las motivaciones de nuestro trabajo es mejorar sus aplicaciones en las clínicas, teniendo como base la salud de las personas”.

Sociedad Max Planck

COLABORACIÓN CON UNA CLÍNICA DE TIJUANA Así, agrega que “en el CICESE investigamos sobre los efectos que tiene en las células el uso de láseres modernos de pulsos muy cortos (de una mil millonésima de microsegundo) y de alta intensidad. Los resultados de nuestras investigaciones tienen impacto en el mejoramiento de diagnósticos, tratamientos y cirugías en diversas áreas médicas, principalmente en lesiones vasculares, odontología y oftalmología. Y es en esta área de aplicaciones donde establecimos desde, hace tres años, un convenio de colaboración con la Clínica de Ojos de Tijuana. “Por ejemplo, en las personas que sufren diabetes, los vasos sanguíneos de la retina se van cristalizando con el tiempo y llegan a romperse de una manera muy fácil, lo que genera hemorragias. La sangre empieza a llenar la cavidad ocular y obstruye la visión, por lo que urgentemente se debe detener esa hemorragia. Para lograrlo, basta calentar un poco el punto donde está la fisura en el vaso sanguíneo; la sangre se coagula por un efecto llamado de fotocoagulación, ‘sellando’ así ese vaso sanguíneo. “Clínicamente, para producir calor, se utiliza generalmente un láser que emite luz visible para el ojo humano, de color verde, azul o rojo, de manera continua; es decir, un láser de emisión continua en el espectro visible. Sin embargo, estos dispositivos no son los más adecuados en el sentido de que el calor que se acumula ahí de inmediato comienza a propagarse a la periferia, y provoca quemaduras de 10 a 20 veces el tamaño de la zona que necesitábamos irradiar. “¿Cómo podemos evitar esto? La respuesta es más o menos sencilla. El hecho de que generemos calor excesivo y éste se extienda mucho más allá de la zona realmente necesaria, es porque utilizamos un láser que se mantiene encendido por mucho tiempo -mucho tiempo quiere decir una milésima de segundo, que equivale a un milisegundo-. Sería suficiente con iluminar esa zona por una millonésima de segundo para lograr la coagulación de la sangre donde lo necesitamos, garantizando así mantener el calor confinado en una zona muy pequeña”, indicó. MODERNOS EQUIPOS Para ello se pueden utilizar los modernos equipos -de estado del arte- que se han instalado en el laboratorio de láseres de pulsos ultracortos del CICESE, los cuales producen pulsos de luz en el orden de una milésima de microsegundo, y hasta de una mil millonésima de microsegundo, que prácticamente son libres de calor. Santiago Camacho dijo que por eso se estableció contacto con la Clínica de Ojos de Tijuana, con la que se ha estado trabajando los últimos tres años. Sus profesionistas “brindan asesoría desde el punto de vista médico, y nosotros determinamos, desde el punto de vista de la física y la óptica, cómo es la interacción de la radiación láser con el tejido biológico”. Para entender los órdenes de magnitud que se están manejando, Camacho explica: “Los equipos comerciales que usan los cirujanos tienen una especie de obturador que bloquea el haz continuo del láser; cuando se abre, permite el paso de luz hasta por una milésima de segundo

CONOCIMIENTO

Doctor Santiago Camacho López, jefe del Departamento de Óptica del CICESE.

(un milisegundo), generando así daño al tejido colateral. Nuestros láseres emiten pulsos que duran una mil millonésima de segundo, es decir, una milésima de ese microsegundo. Con ellos podemos aplicar pulsos láser que son mil veces más cortos del tiempo que necesitaría esta cantidad de calor para empezarse a propagar a la periferia. Y tenemos otro tipo de láser cuya duración es un millón de veces más corto que el que acabo de describir. Éstos se llaman láseres de femtosegundos y son mil millones de veces más cortos que este microsegundo, lo que permite interacciones prácticamente libres de calor”.

Pequeñas burbujas hechas en tejido similar al de la sangre, con pulsos láser que duran una mil millonésima de segundo, el tamaño de cada burbuja es de unas 70 milésimas de milímetro.

¿BISTURÍS ÓPTICOS PARA NANOCIRUGÍAS? Camacho también comentó sobre otra de las áreas donde ya se está trabajando con cierto éxito. Se trata de procesos de irradiación de células individuales, que se han estudiado gracias a una colaboración que nació hace aproximadamente tres años, con el investigador mexicano Guillermo Aguilar, de la Universidad de California, en Riverside. Por un lado, explicó, “estamos viendo cuál es el efecto de aplicar estos pulsos a un cierto volumen de tejido biológico; a una córnea, a un vaso sanguíneo. Pero una de las preguntas más interesantes para cualquier laboratorio que hace investigación en esta área es: ¿qué hace uno de estos pulsos a una sola célula? Si aplicara un láser continuo seguramente la voy a quemar o hasta evaporar. Pero ¿qué pasa si uso un láser con un pulso de femtosegundos? ¿Puedo abrir la

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

pared celular sin que la célula se muera? ¿Puedo meterme en ella y realizar una nanocirugía? La respuesta es sí. “Entonces, en función de investigaciones en ingeniería genética, ésta es una herramienta bien importante, pues el láser funciona como un bisturí óptico. Un pulso de femtosegundos lo puedo utilizar sin ningún problema como bisturí, y su precisión es tan fina, que prácticamente puedo cortar, meterme a una sola célula y, dentro de ella, hacer cortes aún más finos”, detalló.

Canales hechos con los mismos pulsos láser a 100 milésimas de milímetro por debajo de la superficie de la córnea; el ancho de cada canal es de aproximadamente 150 milésimas de milímetro.

ONDAS DE CHOQUE CONTROLADAS Además, existe otro efecto físico muy importante, que puede aprovecharse. Cuando se aplica un pulso ultracorto, que de manera inherente tiene intensidad muy grande, prácticamente no se genera calor, pero sí una especie de micro explosión que, a su vez, provoca una onda de choque que se propaga como una esfera creciente. El desplazamiento de esta onda puede generar presiones de aproximadamente 50 atmósferas en el tejido circundante. Nosotros, a nivel de mar, estamos a una atmósfera de presión; la onda generada es como si se aplicara 50 veces esa presión. Aquí las preguntas son: ¿Las proteínas en la sangre se van a desnaturalizar debido a la presión súbita que les aplico? ¿En lugar de utilizar un mecanismo térmico para desnaturalizar componentes bioquímicos, puedo hacerlo ejerciendo una presión muy grande en un periodo muy corto? ¿Puedo utilizar ondas de choque para sellar un vaso sanguíneo sin producir daño térmico colateral? Parece ser que la respuesta es sí. Detalló: “Nuestros experimentos han determinado las presiones que podemos alcanzar en esta onda de choque y qué tanto se propaga. Utilizando el efecto térmico de los láseres en un vaso sanguíneo de 200 micras de diámetro, que son los comunes, el calor se extiende 20 veces más allá. Si estoy tratando un vaso sanguíneo en la retina, termino quemando puntos muy grandes alrededor, de uno a varios milímetros. “En cambio, las ondas de choque que producimos con estos pulsos ultracortos no se propagan más allá de 200 o 300 micras. Como las células miden por lo general unas 20 micras, entonces estaría dañando unas 10 ó 15 células alrededor del sitio donde aplico mi pulso láser. Esto es, el daño colateral no se extiende más allá de la quinta parte de un milímetro. “Entonces realmente podemos acotar o confinar muchísimo los efectos que producimos con nuestros pulsos ultracortos, y ésa es una de las ventajas; además de que suprimimos los efectos térmicos, que son muy agresivos, los nuevos efectos que estamos generando de manera inherente al proceso están muy bien acotados”, señaló. Por otra parte, Santiago Camacho se refirió a lo bien posicionado que está, en términos de infraestructura, el Departamento de Óptica del CICESE: “Los países que hacen investigación muy fuerte de femtosegundos aplicados a cuestiones médicas, son el Reino Unido, Alemania, Canadá y Estados Unidos, con un grupo en el Centro de Ciencia Ultrarrápida localizado en Michigan y otro en la Universidad Central de Florida.

“Y entre todos estos países está México, con el sistema que tenemos en el CICESE, que es el único en Latinoamérica. Estamos publicando resultados de ciencia básica, pero de manera muy importante tenemos nuestras conexiones hacia el área de protocolos clínicos. Todavía no estamos en esa fase, pero creemos que en dos o tres años tendremos algunas cosas en fase clínica”. Y es que los láseres que se tienen en su laboratorio definitivamente no podrían usarse para aplicaciones clínicas; son demasiado grandes. En cambio, el futuro está en desarrollar láseres de femtosegundos pero de fibra óptica, no mayores al tamaño de una computadora personal; de esta manera podrían transportarse fácilmente y utilizarse prácticamente en todos lados. Existen compañías que ya fabrican comercialmente este tipo de láseres compactos, aunque no aplicables directamente al trabajo de una clínica. Camacho indicó que en la Clínica de Ojos de Tijuana, además de las instalaciones donde atienden a sus pacientes, tienen una empresa paralela que se llama Oftálmica Internacional, dedicada a desarrollar equipo médico. “Como el equipo de oftalmología que se utiliza en México y en Latinoamérica proviene de Estados Unidos y Europa, tienen la iniciativa, importante desde mi punto de vista, de empezar a desarrollar aquí en México equipo médico con tecnología de punta. “En nuestro grupo de investigación, además de tratar de entender cómo un pulso de femtosegundos interactúa con tejido biológico, tenemos experiencia en el desarrollo de este tipo de láseres. Por eso hemos hablado con ellos para ver si, juntos, podemos integrar un láser de pulso de femtosegundos, hecho de fibra óptica, en un aparato clínico diseñado específicamente para dar tratamiento a un paciente. Estamos un tanto lejos de esa fase todavía, pero el vínculo ahí está y tenemos a la gente preparada para atender ese tipo de empresas”, señaló finalmente.

Diferencia en el daño colateral producido en tejido orgánico por un láser que emite un haz de luz de un milisegundo, y uno que lo hace a una milésima de microsegundo.

Sociedad Max Planck

’

CONOCIMIENTO

ciencia versus magia‘’

por Keith Raniere

El Abuelo era un creador de magia.

o que más recuerdo del Abuelo eran sus pantalones: sencillos, simples, a la antigua y prácticos, sostenidos por un simple cinturón. Mis recuerdos probablemente tienen un cierto sesgo debido a que mi percepción, en aquel tiempo, estaba enfocada mas o menos a la altura de la pierna de un adulto (las aventuras y tragedias de un niño de 4 años con frecuencia giran en torno a incidentes que ocurren a la altura de una pierna adulta). El abuelo era más tieso que mi papá; de algún modo esto me parecía fortaleza. Aunque mi padre siempre parecía altamente competente—y a esa edad, me parecía infalible—mi abuelo de alguna manera parecía aún más confiado e inamovible. Como si el mundo se moviera para él a donde quiera que fuera y nada le resultara difícil. Mi abuelo venía de una familia rica de italianos muy selváticos. Mi padre me dijo que nuestra familia era responsable de la construcción de muchos de los edificios en Brooklyn, Nueva York. La casa de mi bisabuelo estaba llena de objetos opulentos, candelabros, un gran piano, y otros accesorios de la vida exitosa.

Mis ancestros italianos eran bastante influyentes y entre las personas con quienes comparto apellido hay un santo—el santo patrono de Pisa—y un ex-cardenal. Pero algo había pasado durante la juventud de mi abuelo, una especie de problema que lo había separado del resto de la familia. Los detalles de esta historia son vagos y la mayoría de los involucrados no querían hablar de ello. Pero mi abuelo, con una sonrisa honorable, modestamente decía que él quería cosas diferentes de la vida que el resto de la familia, y que no era social ni deseaba cosas materiales. Prefería una vida simple sin tantas ocupaciones. Así que llegó a haber este cisma en mi linaje. Mis abuelos y algunos de sus hermanos y hermanas no se asociaban mucho con el resto de la familia. De hecho, tengo muchos parientes que jamás he conocido. La historia continúa con que mi abuelo se retiró del negocio familiar, y los círculos sociales de la familia, y se contentó con hacer trabajos manuales para alimentar a su familia creciente. Para cuando conocí a mi abuelo, él era un hombre humilde, casi introvertido, y trabajador que había sacado

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

adelante a su esposa y dos hijos a través de una gran depresión y una guerra mundial. No tenía altas aspiraciones ni jamás se le consideraría un soñador. Es irónico que este hombre simple y sin adornos, de pocas palabras y grandes responsabilidades sería el que traería la magia a mi vida. Literalmente, eso fue lo que pasó; mi abuelo me enseñó trucos de magia: pero más importante que las sutilezas de su arte era la chispa de verdadera magia en sus ojos mientras me enseñaba. Con mi abuelo, contra su eficiencia directa y sin rodeos, vino la experiencia de lo infinito: de él aprendí a maravillarme y aprendí la belleza del amor. Se sentía como si experimentar la magia conmigo fuera la alegría de su vida; ahora que soy mayor—casi de la edad qué el tenía cuando yo nací—empiezo a entender que quizás esto era cierto. La magia es el milagro de experimentar algo que no entendemos: como la sorpresa de un niño frente a los trucos bien practicados de su abuelo—o el re-descubrimiento por parte del Abuelo de la experiencia pura e inocente a través de los ojos de ese mismo niño. ¡La magia es simplemente gozo indescriptible y maravilloso!

Con frecuencia, yo alcanzaría un nuevo nivel de logro en el judo, el béisbol o alguna otra actividad, sólo para ser recibido por la suprema alabanza de mi padre: me miraba y me decía simplemente, “bien”.

¿Por qué ciencia cuando se puede tener magia?

¿Qué es eso?

Mi padre era diferente que el Abuelo.

Al principio, todo era magia—incluso si no hubo principio, eso, en sí, es magia. Luego, conforme las funciones de la memoria humana, el pensamiento, y el concepto del tiempo fueron desarrollándose, surgió la descripción humana. La tendencias naturales de los humanos a comparar y contrastar—en base a mecanismos fisiológicos necesarios para la supervivencia—son las bases del proceso descriptivo. Cuando describimos una cosa, decimos que tenemos conocimiento de—y que por lo tanto podemos predecir a—la cosa y atribuirle propiedades por inferencia. Por ejemplo, supongamos que yo describo una toalla diciendo que es “roja”. Con la palabra “roja” viene un concepto de “rojez”. Así que al describir la toalla como roja le he impartido propiedades de predicción aún no observadas a la toalla: a un toro le enfurecería, un espectrómetro registraría ciertas lecturas, y una persona con cierto tipo de ceguera de color no podría distinguirla de otros objetos a los que nosotros llamamos verdes. La lista puede extenderse fácilmente. Hay aquí una buena cantidad de supuestos en base a una sola descripción. En un sentido muy fantástico, toda la historia humana ha moldeado y acumulado los supuestos detrás del término “rojo”. ¡Imagínese! La rojez de la antigua Grecia era muy diferente que la rojez de hoy: todos esos miles de millones de personas que usaron, refinaron y profundizaron el concepto de la rojez, sólo para que nosotros casualmente se lo otorguemos a una toalla.

Mi abuelo era un co-experimentador (y un co-conspirador) en mis actividades y vida. A mi siempre me dijeron que los abuelos “chiflaban” a los niños; y era la misión de los padres darles disciplina. Este claramente era el caso en mi niñez: mis abuelos siempre traían regalos, siempre estaban de buen humor y siempre todo salía bien. Yo jamás pude creerle por completo a mi padre cuando me platicaba con orgullo cuan estricto había sido mi abuelo como papá. Simplemente no podía imaginarme a mi abuelo ser otra cosa que sonrisas y ojos tiernos. Supuestamente, según mi padre en momentos de disciplina, yo provenía de un largo linaje de perfeccionistas de extraordinaria habilidad. Para ganarme los elogios de mi padre tenía yo que desempeñarme a niveles de cada vez mayor exigencia.

¡Para mi eso era lo máximo! De mi padre aprendí que era realmente posible acercarse a la perfección: mientras más trabajaba uno, más podía lograr y esto podía continuar casi ilimitadamente. Ciertamente, siempre había algo que mejorar una vez alcanzado cierto nivel de logro. A través de mi padre, obtuve una mente científica y autoestima. Supongo que la lucha humana es muy parecida a tener tanto a mi abuelo como a mi padre: nacemos con el asombro por la vida, una experiencia del amor, y la magia de la existencia. Esto nos lleva a explorar (esa es la parte del Abuelo). Para vivir, necesitamos desempeñarnos así que desarrollamos nuestra ciencia para construir nuestras vidas en el mundo físico (he ahí papá). Pero si sólo logramos sin conservar nuestro asombro, o si perdemos nuestra experiencia al desempeñar nuestras vidas, perdemos todo.

Sociedad Max Planck

Cuando le aplicamos este término a la toalla, y observamos el desempeño de la misma, nosotros también ayudamos a progresar y cambiar el significado de “rojo”. Usar una descripción, le añade y la modifica; así que no puede Ud. describir cosa alguna con precisión. Para los humanos, la ciencia es descripción.

La pared El abuelo tenía un nuevo acertijo que quería mostrarme. Vera Ud., para el Abuelo, los acertijos y la magia eran diferentes maneras de hacerme la misma pregunta, “¿cómo?” El abuelo me puso de frente a una pared como a un metro de distancia. Cuidadosamente me indicó, “Quiero que toques la pared con la punta de tu pié, pero aquí está el problema: cada paso que tomes hacia la pared deberá cubrir exactamente la mitad de la distancia restante.” Empezó a demostrarme tomando los primeros tres pasos y luego añadió, casi retándome como si él fuera un niño, “A que no puedes!”

Rápido entendí lo que había que hacer y luego REALMENTE entendí: ¿Cómo era posible que tocáramos cosa alguna? Cada vez que se aventura Ud. a hacer contacto con una superficie debe de pasar a través de todos los puntos intermedios, igual que con el ejercicio de caminar hacia la pared. Es como si tomara pasos cada vez más y más rápidos pero ¿qué sucede durnate ese último instante cuando de alguna manera da el último brinco que lo lleva hasta la pared? ¡No se puede! ¡Buen acertijo Abuelo! La voz de mi padre retumbaba en mi cabeza, “Por supuesto que si tocamos cosas, así que debe haber una manera.” Así se dio en mi vida el conflicto metafórico entre lo práctico y lo desconocido, la ciencia y la magia.

CONOCIMIENTO

Por un tiempo, le estuve preguntando a mi padres—y a mi abuelo—“¿Cómo es que se puede tocar algo?” Nadie me contestaba; sospecho que muy pocos REALMENTE entendían, o a muy pocos les importaba, el dilema. Mi persistencia perfeccionista, heredada ya sea genética o psicológicamente de mi padre, estaba a punto de complicar mi problema. Después de lo que parecieron años de contemplar este problema, sin una fuente u hoja de instrucciones para ayudarme a obtener mi respuesta, descubrí por mi padre que mientras más caliente estuviera un objeto más rápido se enfriaba. Esto me puso a pensar acerca del enfriamiento, y de cómo cada objeto, recién puesto en el refrigerador, necesitaba enfriarse más y más cerca (¿empieza Ud. a ver mi problema?) de su temperatura final. ¿Cómo es que estos objetos llegaban alguna vez a alcanzar su estado final frío? Afortunadamente, en este punto de mi infancia, yo tenía un perro, y había experimentado que mi perro tuviera pulgas. Después de colocar adecuadamente el collar protector, las pulgas parecían brincar del perro hasta que ya no quedaba ninguna. ¿Brincaba el calor de la lata de refresco en la hielera como las pulgas de mi perro? Me imaginé una nube de mini-gotas de calor saltando de la lata, cada vez en menor cantidad, hasta que la última saltara. Una idea muy fresca (disculpe el juego de palabras). Así que hasta que aprendí más ciencia para ampliar mis teorías, pensé que el calor era más como un rocío que un vapor. También razoné que el tiempo en el universo estaba prendiéndose y apagándose, como una luz estroboscópica. Esto era quizás lo que nos permitía tocar objetos, al cruzar la distancia final durante el estado “apagado”.

CONOCIMIENTO Yo me sé ese truco Abuelo ¿La ciencia destruye a la magia? He aquí un bocado: hasta donde podemos describir, la descripción de un objeto no es el objeto. Si eventualmente describiéramos el universo por completo, profunda y precisamente, no sólo eliminaríamos el libre albedrío (haciendo inútil toda descripción), sino que también eliminaríamos la aleatoriedad, creatividad y posiblemente la auto-conciencia. Todo esto asume, por supuesto, que podemos cruzar el abismo entre la descripción de una cosa y la cosa en sí—una especie de descripción profunda, que sería no sólo sombra, sino esencia. Mi abuelo era muy inteligente, pero no muy intelectual. Disfrutaba ampliamente mi gimnasia cerebral y, una vez terminado todo, podía reírse y decir, “Ah, todas esas cosas Keith, te estás complicando mucho—¡pero sí que disfrutas un buen acertijo!” Para él, mi disfrute era un factor importante—la experiencia superaba al desempeño. Para el Abuelo, saber el truco o la respuesta no era tan importante como usarla para ayudar a otros a sentir asombro—usaba la ciencia del desempeño para crear más magia. Pienso de la ciencia lo siguiente: no destruye a la magia; la magia es nuestra naturaleza, la magia es de donde venimos. La ciencia nos ayuda a descubrir magia más profunda. Al principio existía la magia, porque no había humanos que la describieran. Era, y es, el alfa y el omega, probablemente para siempre fuera de nuestro alcance, para sólo ser aproximada mediante la descripción. Sin importar qué tan bien describamos cosa alguna, no podemos causar a la cosa, y no sabemos si nuestra des-cripción es acertada. Aún si plena y consistentemente describiéramos al universo entero, a fin de cuentas no tendríamos prueba alguna de estar en lo correcto. En todo momento, hasta donde sabemos, la gravedad misma podría desaparecer y jamás sabríamos de hecho por qué; sólo podríamos crear una descripción plausible. La causa esencial de cualquier cosa, por lo tanto, es mágica para siempre—probablemente más allá de nuestra cognición humana.

Misticismo Es desafortunado que algunas personas usen al misticismo como una fuerza adversaria contra, o un impostor de, la ciencia. Esta de hecho no es la naturaleza del misticismo. Ni mi padre ni mi abuelo habrían permitido esto— ambos respetaban demasiado tanto a la magia (la esencia del asombro) como a la ciencia. El misticismo no es para usarse. Sólo es. El misticismo es experimentar una verdad personal mediante un mecanismo más allá de la descripción. Cuando se convierte al misticismo, que es experiencia, en una herramienta de des-

Sociedad Max Planck

cripción, le volvemos impostor de la ciencia. En realidad, es el misticismo descriptivo el que caerá ante el progreso de la ciencia. De forma muy opuesta, la magia y la ciencia, van de la mano como compañeras de la humanidad; la magia es la inspiración, y la ciencia el desempeño, abuelo y padre, a través de los siglos. Ahora que mi abuelo ya no está en este mundo, estoy tan contento de haberlo conocido como un creador de magia porque ahora, lo que es la más grande de las proezas, él está en todo para mi. Traducción del inglés por Farouk Rojas

Acerca de Executive Success Programs, Inc. Executive Success Programs, Inc.MR (ESP) ofrece programas de entrenamiento enfocados en crear consistencia en todas las áreas y ayudar a desarrollar las habilidades prácticas, emocionales e intelectuales que la gente necesita para alcanzar su máximo potencial. Todos los programas de ESP utilizan una tecnología punta con patente en trámite llamada Cuestionamiento Racional MR, una ciencia basada en la creencia que entre más consistentes sean las creencias y patrones de conducta de un individuo, más exitoso será en todo lo que haga. El Cuestionamiento RacionalMR permite a las personas volver a examinar e incorporar percepciones que pueden ser la base de limitaciones autoimpuestas. Mayores informes: info@nxivm.com

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

caso de éxito de FoMix

Se posiciona la empresa

ecofreeze internacional en el mercado global c

on un total de veinte distribuidores en México y uno en Panamá, y tras diez años de investigación, que le han permitido la producción de refrigerantes naturales, cuyo uso ha sido aprobado incluso por la Environment Protection Agency, de los Estados Unidos, la empresa Ecofreeze Internacional hace planes para posicionarse en el mercado global. Lo dio a conocer así el director general de la empresa, ubicada en el municipio de Santa Catarina, licenciado Juan Pablo Ochoa, quien señaló que estos refrigerantes, compuestos por gases naturales, de base hidrocarbonus, no afectan el medio ambiente, y además tienen mayor eficiencia energética que los productos contaminantes que reemplazan. En diálogo con CONOCIMIENTO, Juan Pablo Ochoa recordó que, debido a los proLicenciado Juan Pablo Ochoa, director general de la blemas que enfrenta el mundo, por la conempresa. taminación que afecta la capa de ozono, y el calentamiento global, se dictaminó, a través de los protocolos de Montreal y de Kioto, que los refrigerantes utilizados por la industria son, por su contenido de cloro y de flúor, altamente contaminantes. Ante esa situación, expresó, él y su hermano Rubén Darío Ochoa se dieron a la tarea, desde el año 1997, de realizar “un proyecto de investigación, de desarrollo y de pruebas en el mercado, y logramos esta formulación que permite producir refrigerantes sustitutos de los contaminantes”. PROYECCIÓN INTERNACIONAL Señaló que la labor de mercado se inició en el año 2006, y ha sido tal la aceptación de sus productos, que cuentan ya con veinte distribuidores en la república mexicana y uno en Panamá, pero también hay gente interesada en Europa, Canadá y Sudamérica, así como en los Estados Unidos, por lo que su proyección es ya internacional. Este plan, manifestó el director general de la empresa, incluye desarrollos tecnológicos, rubro en el que han sido sumamente importantes sus alianzas con el Tecnológico de Monterrey, así como los apoyos financieros

que han recibido de parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología en sus diferentes programas, como es el caso de los Fondos Mixtos (FOMIX, en los cuales intervienen el gobierno federal y el gobierno del Estado). El entrevistado hizo hincapié en que la empresa no fabrica aparatos de refrigeración, sino únicamente los refrigerantes naturales, que pueden ser utilizados en cualquier tipo de aparato de aire acondicionado o de refrigeración y que tienen, entre otras ventajas, la de reducir hasta en un 30 por ciento el consumo de energía eléctrica. APROBACIÓN DE LA EPA A partir de mayo de 2010, agregó, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), aprobó el uso de estos refrigerantes para refrigeradores domésticos e industriales, “lo que nos abre la puerta para que trabajemos con todos los fabricantes de los equipos de refrigeración”. Ha sido –reconoció- una labor difícil, porque encontramos resistencia en el mercado hacia los nuevos productos, sobre todo de desarrollo tecnológico, pero se ha logrado avanzar a través de esfuerzos conjuntos con los técnicos de las empresas y los empresarios. Dijo que, a la fecha, la empresa ha conjuntado un equipo de profesionales en varias disciplinas, principalmente ingenieros químicos e ingenieros mecánico eléctricos; asimismo recibe el apoyo de equipos de trabajo del Tecnológico de Monterrey, y continúa con proyectos abiertos de desarrollo, en que el CONACYT participa con fondos. Hizo, finalmente, una invitación a los empresarios para que, con sentido social, lleven a cabo sus proyectos para cambiar los refrigerantes actualmente en uso, que contaminan el ambiente, por refrigerantes naturales, que, además de ser sustentables, proporcionan a las empresas importantes ahorros de energía, que permiten financiar el proyecto. Asimismo, invitó al público en general a que visite su página web: www.ecofreezeinternational.com

CONOCIMIENTO

Sociedad Max Planck

Participa en el evento Seorienta, en cintermex

atiende el cecYTe-nl a ocho mil estudiantes en 30 municipios

través de sus planteles establecidos en 30 municipios de la entidad (diez de los cuales están clasificados como extensiones), el Colegio de Estudios Científicos y Tecnológicos del Estado de Nuevo León (CECYTE-NL), atiende a ocho mil estudiantes, a quienes imparte el Bachillerato General o el Bachillerato Tecnológico, y les ofrece la posibilidad de elegir entre 12 carreras. Son éstas las de: Administración, Análisis y Tecnología de los Alimentos, Contabilidad, Electricidad, Electrónica, Electromecánica, Informática, Instrumentación, Mantenimiento, Mantenimiento de Equipo y Sistemas, Mecatrónica, Turismo. Esta información la pudieron recabar los asistentes al evento SEorienta, organizado por la Secretaría de Educación del Estado, en las instalaciones de Cintermex, evento en el que participaron, durante una semana, diversiones instituciones de educación media y superior. En el pabellón del CECYTE, cuyo director académico es el profesor Ismael Vidales Delgado, hubo personal de la institución, que brindó amplia información a las personas interesadas en sus servicios, que culminan con la entrega a los alumnos de título y cédula profesional. Los planteles de Bachillerato General son los siguientes: Agualeguas, “Fernando Canales Salinas”; Bustamante, “Manuel M. Serna”; Iturbide, “Moisés Timoteo de la Peña Meléndez”; Lampazos de Naranjo, “Juventina Chavarría de Zitoon”; Los Ramones, “Juan Ignacio Ramón”; Mier y Noriega, “Fray Servando Teresa de Mier”; Raíces, de Galeana, “Mariano Escobedo”; Rayones, “Gregorio González Villarreal”; Zaragoza, “Jovita Grimaldo Rosas”. A su vez, los planteles de Bachillerato Tecnológico son los siguientes: Allende, “Alfredo Cano García”; Apodaca, “Moisés Sáenz Garza”; Aramberri, “José Silvestre Aramberri”; Cadereyta Jiménez, ”Federico Cantú”; García, “Virginia Treviño de Collins”; General Escobedo, “Isidra Rangel Escamilla”; La Estanzuela, de Monterrey, “María de Jesús Dosamantes”; Linares, “Marina Silva de Rodríguez”; Marín, “María Amalia González de Mares; Sabinas Hidalgo, “Celso Garza Guajardo”; Salinas Victoria, “Guadalupe Victoria”.

Otros datos sobre el CECYTE-NL dados a conocer a los interesados, fueron los siguientes: Todo el personal goza de protección social. Tenemos el primer lugar en WorkKeys. Tenemos el primer lugar en Enlace 2008 y 2009. Obsequiamos los libros de texto a los estudiantes. Somos el único colegio en el país que hace investigación educativa. Hemos publicado 71 investigaciones. Todas las investigaciones cuentan con ISBN y están registradas en el INDAUTOR. Colaboran prestigiados investigadores del país y del extranjero. Todas las investigaciones están en las más importantes bibliotecas locales y nacionales. Todas las investigaciones se pueden descargar de www.caeip.org

Sociedad Max Planck

la Uanl, rectora de la cultura en el noreste de México

abre sus puertas la casa Universitaria del libro

i bien el hablar es una de las manifestaciones más altas de la condición humana, ya que hablando o dialogando es posible la comunicación de las ideas, suprema condición del hombre y sustento de la cultura, el lenguaje escrito es la manifestación registrada para la conservación del lenguaje oral. La escritura permite la comunicación, para acercar lo distante y hacer permanecer en el tiempo lo transitorio, lo perecedero, por ser perteneciente a la vida. La escritura ha hecho igualmente posible la transmisión y el enriquecimiento de la cultura humana, desde la antigüedad hasta nuestros días. Las expresiones anteriores corresponden al doctor Alfonso Rangel Guerra, ex rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León y Premio Alfonso Reyes, al hacer un elogio del libro durante la ceremonia inaugural de la Casa Universitaria del Libro, en la vieja y restaurada casona ubicada en el cruce de las calles Padre Mier y Vallarta, en el primer cuadro de la ciudad. En la ceremonia se contó con la presencia del rector de la UANL, doctor Jesús Áncer Rodríguez; del ingeniero José Antonio González Treviño, secretario de Educación de Nuevo León; del ingeniero Rogelio Garza Rivera, secretario general de la UANL, del licenciado Rogelio Villarreal Elizondo, secretario de Extensión y Cultura; del historia

CONOCIMIENTO

dor y cronista de la ciudad, profesor Israel Cavazos; de exrectores de la máxima casa de estudios, de escritores y artistas y de invitados especiales, así como de catedráticos y estudiantes universitarios. En su intervención, Rangel Guerra recordó la primera estrofa de un soneto de Francisco de Quevedo, poeta español del Siglo de Oro, que “dejó escrita en un poema la expresión cabal de lo que permite la escritura: Retirado en la paz de estos desiertos, con pocos, pero doctos libros juntos, vivo en conversación con los difuntos y escucho con los ojos a los muertos. “Lo que nos dicen estos maravillosos versos –prosiguió Rangel Guerra- es que la lectura es otra forma de diálogo y, consecuentemente, una actividad relacionada con el proceso de la cultura humana. La lectura permite superar la ausencia establecida por el tiempo o por la distancia. Esto quiere decir que, mediante la lectura, tenemos acceso al pensamiento escrito en los libros, aunque varios siglos separen al autor o al lector, o a éstos los separe la distancia, cualquiera que ésta sea”. VINCULACIÓN CON LA SOCIEDAD El rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, doctor Jesús Áncer Rodríguez, reconoció, en su intervención, que “la gestión del ingeniero (José Antonio) González Treviño fue un detonador importante de la cultura en la UANL”, y aseguró que una de las preocupaciones más importantes de la casa de estudios es la vinculación con la sociedad y el hacer llegar el arte y la cultura a la mayor cantidad posible de universitarios y de ciudadanos en general. Y sentenció: “Esta Casa Universitaria del Libro, hermosa y espléndida, es una demostración de la disposición y de la voluntad institucional por hacer de la lectura y del arte patrimonios colectivos; el entusiasmo, sin embargo, parece dirigirse a contracorriente; la Encuesta Nacional de Consumo Cultural arrojó resultados que pueden desanimar: el 57 por ciento de la población nunca ha entrado en una librería; el 73 por ciento no ha leído un libro en el último año; el 86 por ciento nunca ha pisado un museo; el 48 por ciento de los mexicanos no se interesa por la cultura”. Las cifras asustan –dijo a continuación, pero reconoció que no es suficiente con lamentar y enunciar estas deficiencias. “Para superar estos índices, es necesario actuar con decisión y pertinencia, convencidos de que el libro es una presencia luciente y viva, que necesita interlocutores que le doten de sentido y de valores”. COMPROMISO CON LAS ARTES Más adelante, el rector dijo que Nuevo León es una de las entidades con mayor interés por la cultura, no obstante el clima de adversidad por que atraviesa y los índices precarios de lectura en general; “pero las instituciones están obligadas, aquí y en el país entero, a revertir la situación y estimular la inteligencia, la sensibilidad, la imaginación y la creatividad. Por ello refrendamos nuestro compromiso con las artes y las humanidades a través de la docencia, la

Sociedad Max Planck

investigación y la extensión y difusión de la cultura”. “La universidad –aseveró el rector más adelante- es la entidad rectora de la cultura en el noreste de México, y se consolidará esta situación con el Instituto de Investigaciones Estéticas y la Biblioteca de las Artes; pero todo este proyecto, toda esta visión universitaria nuestra adquiere ahora nuevos bríos con la apertura de esta Casa Universitaria del Libro, destinada a convertirse en símbolo de una tradición histórica, de un compromiso permanente de la institución: editar, publicar y difundir el conocimiento científico y la sensibilidad literaria”. LOGROS IMPORTANTES Anteriormente, el secretario de Extensión y cultura de la UANL, Villarreal Elizondo, había enumerado tres de los proyectos culturales estratégicos logrados durante la gestión y con el irrestricto apoyo del actual rector: Ha sido fundada la Compañía Titular de Danza Contemporánea, con tanto éxito que ya tiene una invitación para ir a China este año. Se fundó la Compañía de Danza Folklórica, y es muy probable que se acepte una invitación para hacer una gira por Europa. Ahora se procede a la inauguración de la Casa Universitaria del Libro. RECONOCIMIENTO A LA UANL A su vez, el ingeniero José Antonio González Treviño felicitó a las actuales autoridades universitarias “por mantener esa alta dinámica permanente de alta exigencia que se tiene en el ámbito de las instituciones de educación superior en todo el país” y por este “extraordinario proyecto de la Casa Universitaria del Libro, que es un gran orgullo para Nuevo León”. Tras la ceremonia inaugural, los presentes hicieron un recorrido por las instalaciones.

Sociedad Max Planck

CONOCIMIENTO

dice luis e. Todd, comentarista de la obra

comunicación, literatura y sociedad, libro digno de leerse y analizarse c

omo un libro que merece leerse y sobre todo analizarse, porque aunque no produce respuestas, “sí genera múltiples y variadas preguntas, y quizá eso sea lo mejor, porque sacude las conciencias y quizá mueva las almas para poder hacer frente a la dicotomía moral y ética, así como a la inversión de la escala axiológica que está propiciando la comunicación moderna”, calificó el doctor Luis E. Todd la obra Comunicación, literatura y sociedad. Investigaciones y reflexiones, de la doctora Patricia Liliana Cerda Pérez. La Casa Universitaria del Libro, por la calle Padre Mier, fue escenario para la presentación de la obra coordinada por la catedrática universitaria, titular del Departamento de Investigaciones en la Facultad de Ciencias de la Comunicación de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Todd, ex rector de la máxima casa de estudios y actual director de la Coordinación de Ciencia y Tecnología del Estado fue comentarista único en la presentación del libro, el cual analizó no solamente en cuanto a su contenido material, sino también en cuanto a sus implicaciones éticas y sociológicas.

DICTADURA DE LA COMUNICACIÓN El libro se adentra –aseveró Todd en una comunicación escrita, a la que dio lectura el licenciado Juan Roberto Zavala, director de Cultura Científica del COCYTE, antes de la intervención oral“a través de los participantes y de tu motivación, en una de las dicotomías más importantes de la sociedad contemporánea: me refiero a la dictadura imperial que la comunicación está ejerciendo sobre la visión y percepción del mundo en la llamada aldea global”. El libro se inicia con una visión futura de un grupo de expertos de la Universidad de Texas, que dan un horizonte amplio, preciso y con una causología documentada sobre la influencia

de la sociedad de la información y la comunicación, para insertar a continuación opiniones de la prensa española en que se muestra la importancia de la Web. Insiste posteriormente en el poder mediático sobre la democracia, y aborda, mediante la participación de Roberto Silva, director de la Facultad de Ciencias de la Comunicación, la violencia intrafamiliar y comunitaria; pasa después al análisis de la equidad de género, de la participación del magisterio y de la tiranía del ciberespacio. “Después les das énfasis –prosigue el texto de Todd- a las industrias culturales de Monterrey del siglo XX, al nacimiento del radio, el cine, la televisión, y tocas un delicadísimo y espinoso asunto, que es el del consumismo cultural que distorsiona y contamina la educación básica a través de la enajenante parálisis de la creatividad que está produciendo la televisión en nuestros niños y adolescentes”. Tras la intervención del doctor Todd, hizo breve uso de la palabra la coordinadora de la obra, quien agradeció la participación de diferentes personas a través de sus textos, y agradeció asimismo, de manera particular, los comentarios del titular de la Coordinación de Ciencia y tecnología de Nuevo León.

La Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Secretaría de Investigación, Innovación y Posgrado y el Instituto de Biotecnología te invitan al

Diplomado en Innovación y Comercialización de Biotecnología Objetivo: Desarrollar las capacidades de innovación que lleven a la creación de proyectos de base tecnológica de alto valor agregado y que establezca los esquemas de comercialización en el sector de biotecnología. Dirigido a: Investigadores, Directores de Innovación, de Comercialización e Investigación de empresas vinculadas al sector de biotecnología con proyectos de investigación en etapa previa a la comercialización, y que busquen desarrollar proyectos innovadores en materia de biotecnología de sectores como: salud, alimentos, farmacéutica, entre otros.

Inscripciones abiertas del 21 de febrero al 28 de marzo

Fecha de inicio:

Costo:

120 hrs

I. Innovación sistemática como elemento para la competitividad.

jueves, viernes de 14:00 a 20:00 hrs. y

II. Herramientas de creatividad e innovación.

sábado 9:00 a 15:00 hrs.

III. Innovación sistemática

$22,500 más IVA

IV. Prospección de propiedad intelectual en biotecnología

V. Innovación en empresas biotecnológicas

VI. Modelo de negocio innovador

jueves 7 de abril

Fecha de cierre: sábado 2 de Julio Horarios:

Módulos

Cupo limitado Conferencistas Dr. Rodolfo Quintero Ramírez Dr. Luis J. Galán Wong

VII. Apoyos financieros para la innovación

Dr. Jacques Pappo

VII. Factibilidad de proyecto

Dr. Inocencio Higuera Ciapara Ing. Luis A. Cárdenas Franco Ing. Juan René Martínez Cruz

Para mayor información e inscripciones favor de contactarse al correo: diplomado.innovacionbio.uanl@gmail.com, cfranco20102010@hotmail.com, o al teléfono 8329 4000 Exts. 2119, 7303, 6435 y 6415 http://www.uanl.mx/eventos.html

6 12