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ESTIGACION

El sistema inmunitario de alerta precoz

e IENCIA

luke A. J. O'Neill

edición e spañola de

SCIENTIFIC

AMERICAN

La respuesta inmunitaria innata constituye la primera línea de defensa contra microorganismos invasores.

Marzo de 2005

Número 342

3 HACE... 50, 100 Y 150 años.

16 El universo maduro Amy J. Sarger El universo ha perdido la actividad que llegó a desarrollar, pero aún forma estrellas y crea agujeros negros a buen ritmo.

4 ApUNTES Incendios forestales . Revolución científica . Zoología .. Biología . Informática.

El ojo del observador Emily Harrison Las imágenes de un concurso de microfotografía exhiben bellezas que se escapan alojo humano.

30 CIENCIA y SOCIEDAD Microbiología evolutiva... Comportamiento eléctrico anómalo del agua... El bacalao salado.

36 Gases de Fermi atrapados ópticamente John E. Thomas y Michael E. Gehm Unos pocos cientos de miles de átomos, enfriados casi al cero absoluto, simulan la física de otros sistemas singulares, como las estrellas de neutrones y los superconductores.

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44

DE CERCA

Una bomba biológica en la Antártida.

El virus de la gripe de 1918 Jeffery K. Taubenberger, Ann H. Reid y Thomas G. Fanning Se ha conseguido resucitar a la cepa más mortífera del virus de la gripe de toda la historia. ¿Puede revelar el virus de 1918 cómo mató a millones de personas y dónde pueden ocultarse otros similares?

85 TALLER Y LABORATORIO Arqueometalurgia, por Marc Boada

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neos

JUEGOS MATEMÁ La dote del sultán, por Juan M.R. Parrondo I

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Geometría no conmutativa y espaciotiempo cuántico José L. Fernández Barbón Resultados recientes de la teoría de cuerdas sugieren los primeros modelos de la estructura cuántica del espacio y el tiempo matemáticamente consistentes.

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90 IDEAS APLICADAS El yo·yo, por Mark Fischetti

70 El mito de la autoestima Hoy F. Baumeister, Jennifer D. Campbell, Joachim l. Krueger y Kathleen D. Yohs Fomentar la autoestima no mejora el rendimiento académico ni desalienta la mala conducta.

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78 la ceca de lulia Traducta Salvador Bravo Jiménez En tiempos de Octavio Augusto, la moneda constituyó un vehículo de extraordinaria fuerza propagandística al servicio del poder. Lo comprobamos en la ceca de la ciudad romana de Algeciras.

LIBROS Genética Nuevas aportaciones sobre la ilustración española Viruela.

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COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Ascsornmíento y traducción: Felipe Cortés: El sistema inmunitario de alerta precoz; M.' Rosa Zapate­ ro: El universo mad uro y Gases de Fermi atrapados ópticamente: Josep­ Maria Gili: El ojo del observado r: M.' José B águ en a: El virus de la gripe de 1918; Ramón Pascual: Criptografía cu ántica comercial; Luis Bou: El mito de la autoestima ; J. Vilardell: Hace..., Ap untes e Ideas aplicada s; Pere Molera: Taller y laboratorio

José M." Valderas Gall ard o Pil ar Bronchal Gar fell a EDICIONES Ju an Pedro Campos Gómez Laia Torr es Ca sas PRODUCCIÓN M." Cruz Iglesias Capón Albert Marín Garau SECRETARi A Purifi cación May oral Martínez ADMINISTRACIÓN Victori a Andrés Laigle sia SUSCRIPCIONES Conc ep ción Or en es Del gad o Oiga Blanco Rom ero EDITA Pren sa Cien tífica, S.A. Muntan er, 339 pr al. l. a 08021 Bar celon a (España) Telé fon o 934 143 344 Tele fax 934 145413 www.investigacionycien cia .es DIRECTOR GENERAL

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Portada: Kenn Brown

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Printed in Spain - Impreso en España

ACE

...cincuenta años

...ciento cincuenta años

MU ROS DE CIERRE. «La expresión 'muro de cierre' se emplea hoy para designar el revestimiento, forro o 'piel' de los edificios modernos. Su aspecto difiere sobremanera del de su antecesor, el antiguo muro de carga. Constituye un gran avance en la evolución de la arquitectura. La especialización estructural que separa en los edificios la piel del esqueleto se corresponde con la especialización que los tejidos biológicos han adquirido en el transcur­ so de la evolución. Sin embargo, ningún revestimiento arquitectónico moderno iguala en prestaciones a la piel biológica. El muro de cierre es un elemento pasivo, in­ capaz de ajustarse a un entorno exterior cambiante. Debería poder intervenir activamente en el esfuerzo que realiza el edificio para mantener su estabilidad interna. -James Marston Fltch»

CONFUSiÓN. «Al capitán Norton debemos varias innovacio­ nes de suma utilidad para balas y granadas. Hace más de diez años las recomendó a los responsables del ejército británico; éstos, sin embargo, hicieron caso omiso. Ahora que el peligro amenaza en Crimea, se arrepienten de no haberle prestado atención. En 1826 fue mostrada a Lord Fitzroy Somerset (hoy Lord Raglan) una de las granadas de percusión para cañón de Norton. El personaje replicó: 'Todas las invenciones para mejorar el armamento tienden a poner a los débiles a la altura de los fuertes; puesto que nosotros somos los fuertes, no apoyamos tales mejo­ ras'. No podría ofrecerse mejor prueba de la incapacidad de Lord Raglan para dirigir la guerra de Crimea que la anterior muestra de aturdimiento y cequera.»

«En 1950, en un estudio epidemio­ lógico sobre la parálisis infantil en un pueblo del norte de El Cairo , las muestras de sangre de tres niños dieron positivo respecto al virus del oeste del Nilo. El hallazgo causó conmoc ión, pues nadie había visto un caso humano de esa infección desde la origina l de 1937. Otros estudios egipcios no tardaron en mostrar que Egipto constitu ía un caldo de cultivo para la in­ fección del oeste del Nilo; cerca del 100 por ciento de los adultos muestreados resultaron portadores de anticuerpos. El virus del oeste del Nilo se ha aislado no sólo en niños egipcios sino también en mosquitos (del género Culex), cornejas cenicie nta y palomas. Una amplia variedad de huéspedes.» N ILO OCCIDENTAL.

R OCAS FLOTA NTES. «En la isla de Manhattan se contem­ plan incontables rocas sueltas de todos los tamaños, desde pequeños cantos a grandes peñascos de varias toneladas de peso. Esas rocas no se formaron donde se hallan y ninguna mano humana las llevó hasta allá. ¿De dónde vinieron? La única teoría plausible sostiene que los lugares donde ahora se hallan fueron antaño un lecho marino, sobre el que flotaban icebergs procedentes de un océano ártico, con dichas piedras adheridas a ellos; corrientes de agua cálidas los habrían derretido y así se habrían liberado sus cargas pedregosas. Sin embargo, concebir un período en que grandes icebergs flotaran sobre el lugar donde ahora se alza la ciudad de Nueva York resulta tan fantasioso como creer en la maravillosa lámpara de Aladino.»

...cien años L A MÁQUINA DE ESCRIBIR. «Un abismo separa el ambien­ te silencioso de la celda del monje escribano del vivo tableteo de la moderna máquina de escribir, que en un cuarto de siglo ha revolucionado y transformado el mundo de los negocios. Su llegada señala el comienzo de una nueva era de progreso no inferior al que acompañó la aparición del telégrafo y el tel étono. » L AS TUMBAS DE M UKDEN. «Estas tumbas de Manchu­ ria se hallan en una llanura, de forma que todos los enterramientos se pueden observar fácilmente desde una colina cercana. Los antiguos emperadores manchú­ tártaros llegaron a ofrecer sacrificios en las tumbas de sus antecesores, pero esa práctica se interrumpió hace largo tiempo. La Calzada Sagrada constituye el elemen­ to más interesante de este cementerio. Está bordeada en ambos costados por colosales estatuas monolíticas, separadas por trechos de unos 200 metros. En total se levantan treinta y seis estatuas, de las que veinticuatro representan animales (véase la ilustración) y doce, altos dignatarios. »

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

Estatua colo sal en Mukden (comienzo de la dinastía Qing). Actual Shen yang, 1905 .

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INCENDIOS FORESTALES

Los efectos del fuego

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egún Pascal, el enterado desprecia la opinión del vulgo, pero el que de verdad entiende (es decir, el propio Pas­ cal), opina como el pueblo, sólo que por otras razones. El vulgo cree que es mejor apagar siempre los incendios fo­ restales; los expertos, que muchos bos­ ques necesitan del fuego, que el fuego es parte de su ciclo de vida, hasta el punto de que conviene a veces provocar incendios controlados. Haber apagado durante docenas de años los fuegos, dicen, ha hecho de los montes una densa yesca que convierte en deflagraciones letales incendios que, en otras circunstancias, hubieran facilitado la regeneración posterior. El viejo leo­ na, en medio de oleadas de incendios, hasta publicó un anuncio cantando las excelencias científicas del fuego. Pero el fuego, natural o provocado, no siem­ pre coexiste con el bosque; más que parte de su autorregeneración, puede ser agente de su extinción. La actual deforestación del interior de Australia se atribuye ahora a las quemas que

efectuaron los primeros colonizadores, hará unos 50.000 años. De acuerdo con cierta simulación informática, el fuego natural ha limitado en los últimos seis u ocho millones de años, sin que se sepa el origen del proceso, la extensión de los bosques en muchas partes del planeta, sobre todo en Africa y Sudamerica. Sin el fuego, desaparecían en la simula­ ción grandes extensiones de prados y sabanas, sustituidos por árboles.Y la razón de la mayor o menor agresividad de los fuegos en sistemas forestales concretos podría guardar relación con los cambios climáticos. Según otro estudio, la prevalencia de los incendios de baja intensidad en equilibrio con una densidad baja de los bosques de pinos ponderosa en el oeste norteame­ ricano se correlaciona con períodos históricos más fríos, como el habido entre los siglos xv y xx. En cambio, durante períodos más cálidos, como el actual y la baja Edad Media, ocurren fuegos que acaban en un cambio del tipo de vegetación.

REVOLUCION CIENTIFICA

¿Lleno o vac ío? os filósofos de las postrimer ías del siglo XVII decían aplicarse a la "nueva filosofía", donde la novedad designaba la oposición al aristotelismo anquilosado en las aulas universitarias. Pero no había una sola filosofía nueva. Las rivalidades iban incluso por naciones. De una manera hiperbólica lo recuerda Voltaire (1694-1778) en sus Cartas filosóficas: "Un francés que amanezca en Londres caerá pronto en la cuenta de que allí rige otra filosofía también. Advierte que ha dejado un mundo pleno, para encontrar otro vacío. En París se habla de un mundo compuesto de vórtices y ma­ teria sutil. Nada de eso hay en Londres, donde la presión de la Luna es la que provoca las mareas." Voltaire contra­ pone la filosofía natural de Descartes a la de Newton. En Descartes los fenómenos de la naturaleza se explicaban mediante materia y movimien­ to; todos los cuerpos consta­ ban de partículas mínimas e invisibles, que conformaban diversas combinaciones y dis­ posiciones a través de movi­ mientos. No cabían espacios vacíos. Si algo cambiaba de lugar, otro cuerpo o partíc ula ocupaba el sitio abandonado. Newton dejaba, por contra, amplia cancha a la atracción, a la acción a distancia.

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ZOOLOGlA

Ballenas y buzos os biólogos marinos suponían que las ballenas eran inmunes a sufrir el mal de descompresión que padecen los buzos cuando ascienden demasiado deprisa desde las profundidades. Pero las ballenas expuestas a las señales de los sonares militares muestran síntomas agudos que recuerdan al mal de los buzos. En la Fundación Oceano­ gráfica de Woods Hale han descubierto en esqueletos de cachalotes adultos, reunidos desde 1870, alteraciones óseas. El deterioro, que se agrava con la edad, concuerda con el tipo de daños óseos que sufren quienes se sumergen a grandes profundidades. Si el mal de los buzos es la causa de esas degeneraciones, es probable que las ballenas hayan desarrollado conductas que lo eludan, como la emersión gradual. Perturbaciones como el sonar quizás alteren ese comportamiento de prevención adquirido y causen la patolo­ gía descubierta. -J. R. Minkel

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las ballenas no son inmunes a la enfermedad de la descompresión .

BIOLOGIA

Vida en Atacama

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o se habían encontrado microorga­ nismos en el suelo del desierto de ',' Atacama, donde llueve como mucho una vez cada diez años. Pero un equipo de la Universidad de Arizona ha desmentido " " la idea arraigada de la esterilidad de ese terreno. Han cavado cada 300 metros a lo largo de cerca de 200 kilómetros. Tras cada cota, desinfectaban la paleta utiliza­ da. Antes se había excavado sólo hasta unos 10 centímetros de profundidad; ahora llegaron hasta los 30. Al hume­ decer las muestras, tomadas en suelos carentes de vegetación desde hace al menos un millón de años, medraron bacterias. Los microorganismos habrían permanecido allí en estado de latencia. La misión Fénix de la NASA realizará en el año 2008 un experimento parecido en Marte. -Charles Q. Choi

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INFORMATICA

Banda ancha por el tendido

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l secreto del acceso universal a Internet por banda ancha quizá "penda sobre nuestras cabezas". El tendido eléctr ico puede transportar la banda ancha mediante señales eléctricas de alta frecuenc ia. Algunas compañías eléctricas europeas y estadounidenses ya lo están ensayando. El problema está en que las bifurcaciones de la red reflejan las señales de la banda ancha y degradan la transmisión. En la Universidad estatal de Pennsylvania hicieron una simulación de lo que ocurriría si las líneas se sincronizaran con los transformadores y otras cargas eléctricas, al objeto de minimizar la reflexión. Descubrieron que así se brinda­ ría a los hogares unas velocidades de transferencia de datos de cientos de megabits por segundo, decenas de veces mayores que las ofrecidas por las mejores transmis iones de ADSL o cable. Un inconveniente de la línea eléctrica de banda ancha: interferiría con señales de radio. -J. R. Minkel

En principio, las líneas eléctricas proporcionarían un acceso más rápido a Internet que el cable o el ADSl.

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El sistema inmunitario de alerta precoz La respuesta inmunitaria innata constituye la primera línea de defensa con tra microorganismos invasores. Recientes hallazgos relativos a la acción del sistema pod rían abrir nuevas vías para el tratamiento de infecciones y trastornos inmunitarios Luke A. J. Q'Neill

na mujer se encuentra a bordo de un ascenso r. Los pasaj e­ ros que la acompañan empieza n a esto rnuda r. Mientras ella se pregunta qué enfer medades podrían contag iarle, su sistema inmunit ario entra en acció n. Si el microb io que dispersan los estornudos corresponde a uno con el que la mujer ha estado ya en contacto, un batallón de células inmunitarias entrenadas - la infantería del sistema inmun itario adaptativo- lo reconocerá y, en cuestión de horas, lo eliminará. Puede incluso que j amás llegue a darse cuenta de que ha sido infectada . Pero si el virus o bacteri a correspo nde a uno contra el que nuestra des­ venturada pasaje ra nunca ha luchado, acudirá en su aux ilio otro tipo de respuesta: el sistema inmunita rio "innato". Este sistema de defensa reconoce clases genéricas de molécul as producidas por múlti ples y variados agentes patógenos. Cuando detecta alguna de estas moléculas extrañas, el sistema inmun itario dispara una respu esta inflamatoria; en ella, dete rminadas células del siste ma inmuni tario se esfuerzan por aislar al invasor con un muro y dete ner así su propagac ión. La actividad de estas células -y de los com ­ puestos que segrega n- prec ipita el enrojecimiento y la hinchazón de los puntos afectados; tambi én es responsable de la fiebre, malestar general y otros síntomas gripales que acompañan a numerosas infecci ones. El asalto inflamatorio se inicia mediante los receptores tipo TolI (TLR, de "Toll-like receptors"), una familia de proteína s ancestrales que median la inmun idad innata en una gra n varieda d de organismos, desde los cangrejos bayoneta (o herradura) hasta los humanos. Si los TLR fallan, el sistema inmunitario se desp loma, deja ndo el cuerpo totalmente expuesto a la in­ fección. Pero si se cae en el extremo opuesto de una res puesta inmunitaria exage rada, el organismo no corre mejor suerte, pues se inducen trastorn os carac terizados por inflamación crónica y lesiva: artritis, lupu s e inclu so enfe rmedades cardiovasculares . El entusias mo que ha ge nerado entre los inmun ólogos el descubrimiento de los TLR pod ría co mpara rse al que causaba antaño el descubrimiento de una tierra desconocida . Numerosos investigadores esperan hallar respu es­ tas a un sinfín de cuest iones inmun ológicas aún sin resolver. El estudio de estos receptores, así co mo de los aco nteci mie ntos molecul ares qu e 1. EL PRIMER ENCUENTRO con agentes patógenos activa el sistema inmunitario innato, que entraña mayor complejidad de lo que se pensaba .

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LAS DOS RAMAS DEL SISTEMA INMUNITARIO

El sistema inmunitario de los mamíferos se divide en dos ramas principales. La división innata (izquierda) opera cerca de los puntos de entrada en el cuerpo y está siempre Patógeno -

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alerta. Si ésta no consigue contener el patógeno, la división adaptativa (derecha) entra en juego, organizando un ataque más tardío, aunque muy selectivo.

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Moléculas antimicrobianas

Célula T reconociendo un antígeno específico

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SISTE MA INMUNITARIO INNATO

SISTEMA INMUNITARIO ADAPTATIVO

Este sistema consta de moléculas antimicrobianas y fagocitos (células que ingieren y destruyen patógenos), entre varios componentes. Lo mismo que las células dendríticas y los macrófagos, los fagocitos activan una respuesta inflamatoria, mediante la secreción de cito­ quinas: proteínas que disparan un aluvión de células defensivas procedentes de la sangre. Con las células reclutadas llegan nuevas dotaciones de fagocitos; sobre todo monocitos (que maduran y se transforman en macrófagos) y neutrófilos.

Las células B y T son las protagonistas de este sistema. Las células B activadas secretan moléculas de anticuerpos que se unen a los antígenos (componentes específicos y exclusivos de un invasor concreto) y destruyen el invasor o lo marcan para que sea atacado por otros. Las células T reconocen los antíge­ nos presentados por otras células. Algunas de ellas ayudan a activar las células B y a otras células T (no se muestran); otras atacan directamente a las células infectadas. Las células T y B engendran células "de memoria" que eliminan rápidamente a los invasores reincidentes.

desencaden an cuando detectan un agente patógeno, ya está empeza n­ do a dar frutos : se han identificado posibles dianas para fárm acos que podrían potenciar la activ idad pro­ tectora del cuerpo, reforzar el efecto de las vacunas y tra tar una amplia gama de enfermedades devas tador as y potenc ialmente mortales .

La cenicienta de la inmunología Un lustro atrás, el interés de los in­ munólogos se centraba, casi exclusi­ vamente, en el sistema inmuni tario adaptativo. Los libros de texto llena­ ban sus páginas con detalles sobre las células B (y cómo éstas fabrican los anticuerpos que se unen a proteínas específicas, o antígenos, en la super-

Inmunidad innata • La inmunidad innata constituye un sistema de alerta precoz pa ra detec­ tar y combatir infecciones de cualquier tipo. Está mediada por recepto­ res tipo Toll (TLR), producidos por numerosas células de defensa. • Cuando los TLR detectan un agente invasor, promueven la producción de una batería de prote ínas de señalización que inducen la inflamación y organizan una respuesta inmunitaria completa. • La hipoactividad de los TLR inut iliza el sistema inmunitario; la hipe­ ractividad de los mismos induce la aparición de artritis reumatoide, enfermedades cardiovasculares y otros trastornos. El control de los TLR o de las proteínas con las que éstos interactúan ofrecería nuevas vías para el tratamiento de enfermedades infecciosas e inflamatorias.

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ficie de un patógeno invasor) y las células T (que presentan receptores capaces de reconoce r fragmentos de proteínas de patógenos). Se denomi­ naba adaptativa la respuesta porqu e, dur ante el curso de una infección, se ajustaba -en función del tipo de agente invasor- para optimizar la acción defensiva. La inmunid ad adaptativa destaca­ ba también por otra particularidad: dota de memoria al sistema inmu­ nitario. Una vez eliminada la infec­ ción, siguen presentes las células B y T especialmente entrenadas para prevenir ataques posteriores. En esta capacidad de recordar infecciones pa­ sadas basan su efec tividad las va­ cunas: expone n el cuerpo a formas desactivadas de un patógeno (o partes inofensivas del mismo) para que el sistema inmunitario reaccione como si se tratase de un ataque verdadero, generando células de memoria protec-

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toras. Así nos resguardan de enferme­ dades víricas o bacterianas. Una vez que el organismo se ha enfrentado con un patógeno y ha sobrevivido, las células T y B se encargan de que el mismo microbio no nos vuelva a sorprender desprevenidos. En comparación con el adaptativo, el sistema inmunitario innato parecía bastante primitivo. Por un lado, se pensaba que sus componentes - in­ cluyendo las enzimas antibacterianas de la saliva y un grupo de proteínas interrelacionadas (co nocidas en su conjunt o como el complemento) que matan las bacterias en el torrente san­ guíneo- era n más simples que los anticuerpos dirigidos contra blancos específicos y las células T asesi nas. Por otro, su respuesta no muestr a capacidad de ajuste.

Sin embargo, al despreciar así la respuesta inn ata, los inmunólogos eludían un fenómeno de suma impor­ tancia, a saber, que este sistema in­ nato, de presumida tosquedad, cons­ tituía un elemento esencial para la operatividad del sistema adaptativo . Así es: sin respuesta innata, no hay respuesta adaptativa. El sistema inna­ to produce citoquinas, unas proteínas de señalización que no sólo induc en la inflamació n, sino que también ac­ tivan las células B y T protagoni stas de la respuesta adaptativa. A finales de los años noventa del siglo pasado, el sistema inmunit ario adaptativo se conocía con profundi­ dad. Poco se sabía, en cambio, sobre la inmunidad innata. ¿Cómo activa­ ban los microbio s la respuesta inna­ ta? ¿Cómo dirigía ésta la respuesta

adaptativa de las células T y B? Poco después, se desc ubriría que los TLR - producidos por distin tas células in­ munit ari as- encierran la clave de estas cuestiones. Pero el camino no fue fácil. Para llegar a dic has proteí­ nas, los expertos debieron recorrer un tortuoso y serpenteado viaje a través de estudios del desarrollo de la mosca del vinagre, la búsqueda de drogas para tratar la artritis y el amanecer de la era genómica.

T011, una proteína misteriosa La historia de este hallazgo nos re­ trotrae a los primeros años ochenta, cuando los inmunólogos empezaron a estudiar la actividad molecu lar de las citoq uinas. Estos mensajeros pro­ teicos son prod ucidos por diferentes células inmunitarias : macrófagos y

TLR AL MANDO

Los receptores tipo TolI (TLR, de "TolI-like receptor"), produ­ cidos por muchas células del sistema inmunitario innato, or­ questan la respuesta inmunitaria innata, al propio tiempo que desempeñan una función crítica en la respuesta adaptativa. El TLR4, por ejemplo, activa las defensas ante la invasión de una bacteria gram-negativa. Detecta las incursiones por medio de su unión a un Iipopolisacárido (LPS), un tipo de azúcar

Bacteria gram-negativa

exclusivo de las bacterias gram-negativas. Una vez reconoci­ dos LPS, una pareja de TLR4 envía la señal a cuatro molé­ culas que se encuentran en el interior de la célula: (MyD88, Mal, Tram y Trif); éstas, a su vez, desencadenan una cascada de interacciones moleculares que terminan por activar un . regulador principal de la inflamación (NF-KB). Este regulador acciona entonces la expresión de genes que codifican activadores inmunitarios. Entre ellos se cuentan las citoquinas (derecha), inductoras de la inflamación y activadoras de las células T y B de la división inmunitaria adaptativa. líiI ~ ~ • ~ 4rIL-1 YTNF-alfa: 4r • 4r líiI~ 4r potencian la respuesta ~ líiI inflamatoria •

líiI ~~ líiI~

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IL-S: atrae los neutrófilos

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células dendríticas entre otras . Los macrófagos patrull an po r los tej i­ do s del cuerpo en busca de señales de infección. Cuando detectan una proteína extraña, inician la respuesta inflam atoria. Eng ulle n y destruyen el invasor port ado r de esa prot eína y sec retan varias citoquinas; algu­ nas de éstas disparan entonc es una alarma que recluta otr as cé lulas al sitio infectado y pon e todo el siste­ ma inmunitario en alerta total . Las cé lulas dendríticas ingieren los mi­ crobios invasores y se dirigen a los nódulos linfáticos, donde pre sent an fragm ent os de las prot eínas del pató­ geno a multitud de cé lulas T y liberan citoquinas: una sec uencia de opera­ cion es que co ntribuye a la puesta en marcha de la respuesta inmunitaria adap tativa. Para estudiar la funció n de las di­ ferentes citoquinas, lo s expertos nece­ sitaban hallar una vía indu ctora de su producción. Observaron que el modo más eficaz para conseg uir qu e los macr ófagos y las cé lulas dendríticas produj eran citoquinas en el laborato­ rio era exponerlas a bacterias o, lo que revestía mayor interés, a co m­ ponentes bact eri anos específicos. El lipopolisacárido (LPS), por eje mplo, una molécula que fabrican numero sas bacterias, desenc adena una poten te respu esta inmunitaria. En hum anos, la expo sición a LPS causa fiebre y puede provocar un shock séptico, una disfun ción vascular mortal debid a a una respu esta exce siva y destru ctiva de las célula s inmunitarias. Los LPS desenc adenan esa respuesta inflama­ toria al incit ar a los ma cr ófagos y a las célu las dendríticas a libe rar ci­ toquinas: en concreto, el factor de necrosis tum or al- alfa (TNF-alfa) y la interleucina-I (IL- I). Se demo stró que estas dos citoqui­ nas gobernaban la respuesta inflama­ tori a mediante la ac tivación de las células inmunitari as. Si se descon­ trolan, precipitan la aparición, entre otros, de la artritis reum atoide, una enfe rmedad autoinmune en la qu e una inflamación excesiva de las arti­ cul aci ones co nduce a la destru cción de las mismas. Los expert os dedu­ jeron entonces que si limitaban los efecto s del TNF-alfa y la IL-I po­ drían demorar el avance de la enfer­ medad y aliviar así el sufrimiento de los pacientes artríticos. Pero toda vía no es taban en co ndiciones de diseñar

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2. UNA MOSCA DEL VINAGRE que carecía de la prote ína TolI muere víctima de una infección por hongos generalizada; las esporas cubren el cuerpo como un abrigo de pieles. (La cabeza se halla abajo a la derecha.) El estudio en cuestión, publica­ do en 1996, aportó uno de los primeros datos sobre la función protectora que las proteínas TolI desarrollan en la mosca del vinagre.

dicha terapi a; necesitab an co nocer mejor el mecan ism o de operació n de es tas molécul as. Para empezar, debían identifi car las proteínas con las que interactuaban. En 1988, John E. Sims y su equipo de Immunex , en Sea ttle, desc ubrie ­ ro n un a prot eína rece ptora que re­ conoce la IL-I . Este receptor reside en las memb ranas de cé lulas muy di spares, in clu idos los ma cr ófago s y las célu las dendríticas. La frac­ ción de recept or que sobresale de la cé lula se une a la IL-I , mientras que el seg me nto que permanece en el interior transmite el men saj e de qu e IL -l ha sido det ect ada. Sims exa minó co n detalle la parte intern a del receptor de la IL-I , co n la es ­ peranza de hallar alguna pista sobre dicha transm isión: por eje mp lo, qué mol écul as de señ alización activa la proteín a en el interior de las células . Pero se llevó una buen a sorpresa: el dominio int ern o del receptor de la IL-l hum ana no guardaba semeja nza co n nada que hub iese visto antes. En 1991, Nick 1. Gay, de la Univer­ sidad de Ca mbridge, hizo un ex tra­ ño descubrimi ento mientras buscaba proteínas similares a Toll, una pro­ teína de la mosca del vinag re. Toll había sido ide ntificada por Christiane Nuss lein-Volhard en Tubinga, qui en bautizó así a la proteín a porque las moscas que carece n de ella mues­ tran un aspec to extraño (Tol! significa

"extraño" en alemá n). La prot eín a ayud a al embrió n en desarroll o de Drosop hila a distin guir entre la par­ te dorsal y la ventral; por ello las mo scas que carece n de Toll parecen en total co nfusión, como si hubi esen per dido la lateralidad. Gay consultó la base de dato s que conte nía toda s las sec uencias génicas co noci das entonces, en su búsqu eda de genes cuyas secuencias mostra sen máxim a coincide ncia co n la de Toll, supo niendo que és tos podrían codifi­ car proteínas similares a aquélla. Des­ cubrió que part e de la prot eína Toll guarda una sor pren de nte semeja nza con el domini o intern o del recept or humano para la IL-I , preci samente el mi smo seg mento que tanto había desconc ert ado a Sims . Aque llos resultados parecían ca­ recer de se ntido. ¿Por qué una pr o­ teín a implicada en la infl amación en hum anos se parecería a una prot eín a qu e les dice a los embriones de la mo sca cu ál es la part e de arriba ? El misterio permaneció sin reso l­ ver hast a qu e, en 1996, Jul es A . Hoffmann y sus col aboradores del CNRS en Es tras burgo dem ostraron que las mo scas se servían de Toll par a defend erse de infecc iones fún ­ gicas . En Drosophila , pues, Toll es multifuncional: participa en el de­ sarro llo embrionario y en la inmu­ nidad del adulto.

Receptores tipo T011 El receptor par a la IL-I y la proteí­ na Toll guarda n semej anza só lo en los segmentos que se ocultan en el interior de la célula; los que están expuestos al exterior parecen bastant e diferentes. Esta observación llevó a los expertos a buscar proteínas hu­ man as idénti cas a Tol!. Despu és de todo, la evo luc ión suele conservar los diseños eficaces ; si Toll mediaba la inmunidad en las moscas, qui zá proteínas similares estaban haciend o lo propi o en humanos. Siguiendo el con sejo de Hoffmann , en 1997, Ruslan Me dzhitov y el desa­ parec ido Charles A. Jan eway, Jr., de la Univers idad de Yale, hall aron la primera de estas prot eínas, a la qu e llam aron Toll humana. En uno s seis meses, Ferna ndo Bazán y sus compa­ ñeros de DNAX, en Palo Alto, habían ide ntificado cinco Toll humanas: se de no minar ía n receptor es tipo Toll (TLR) . Uno de ellos, el TLR4, coi n-

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cidí a con la Toll humana descrita por Medzhitov y Janeway. Llegado s a este punto , todavía no se sabía co n exactitud cómo podrían contribuir los TLR a la inmunid ad hu­ mana. Janeway habí a obse rvado que llenar las membranas de las células dendríti cas con TLR4 incitaba la pro­ ducción de citoquinas. Sin embargo, no logró explicar cómo se activaba el TLR4 en una infecci ón. La respuesta llegó en 1998, cuando Bruce Beutl er y su equipo del Insti­ tuto Scripps en La Jolla descubri eron raton es mutantes incapaces de res­ ponder a los LPS: portaban una ver­ sión defectuo sa de TLR4. Mientras que los raton es norm ales morían de sepsis dentro de la hora posterior a ser inyectados con LPS, los mutan tes sobreviví an y se comportaban como si no hubieran estado expuestos a la molécul a. Es decir, la mut ación en el gen del TLR 4 insensibili zaba a los ratone s frent e a los LPS. Aquellos result ados indi caban que el TLR4 se activa cuando interac­ túa con un LPS. De hech o, ahora

sabe mos que su función co nsiste en detectar los LP S. El hallazgo arrojó luz sobre la co mprensión de la sepsis, pues reveló el mecani s­ mo molecular que subyace tras la inflamación y suministró un posi­ ble blanc o para su tratamient o. En dos años, los exper tos determinaron que la mayorí a de los TLR - una decena de los cuales se ha iden ti­ fic ado ya en hum anos- reco noce n molécul as básicas para la supervi­ vencia de bacteri as, virus, hongos y parásit os. El TLR 2 se une al ácido lip oteicoico, un componente de la par ed bacteriana; el TLR 3 reconoce el material ge nétic o de los virus; el TLR 5 reco noce la flagelina , una proteín a que form a el flag elo que las bacterias usan para despl azarse; y el TLR9 reco noce una sec uencia génica distin tiva llamada CpG, que se encue ntra en bacteri as y virus en un a forma cuya estructura química difiere de las sec uencias CpG en mam íferos. Resul ta evidente, pues, que los TLR evolucionaron para reconocer

y responder ante componentes mole­ culares básicos de los patógenos. Ello impide que un agente infeccioso elu­ da los TLR mediante la eliminación o alteració n química de cualquiera de estos co mponentes, para pasar inad­ vertido; al ser fundamentales, termi­ naría por inutili zarse. Además, dado que much os elementos de éstos se comparten entre diversos organismos, bastan sólo unos la TLR para pro­ tegern os virtualmente de cualquier patógeno conocido. La inmunidad innata no es exclu­ siva de los humanos. De hecho, se trata de un sistema ances tral. Dispo­ nen de respues ta inmu nit aria inna ­ ta las moscas, las estrellas de mar, las pulgas de agua y casi todos los organismos estudiados hasta ahora. Muchos usan los TLR co mo de­ sencade nantes. Los nemátodo s, por ejemplo , se sirven de un TLR para detectar las bacterias infecciosas y esca par de ellas nadando. Los TLR abundan también en las plantas: el tabaco requi ere la prot eín a N para combatir el virus del mosaico del

FUNCIONES DE LOS RECEPTORES TIPO TOLL

I

Cada receptor tipo Toll detecta algún componente esencial de una amplia gama de patógenos; en su conjunto, los TLR reconocen casi todos los invasores que podrían causar enfermedad. Cada tipo de célula encierra una combinación diferente de estos recepto­ res, que operan por pares. Se han iden­ tificado diez TLR humanos y un gran número de las moléculas que éstos reconocen (abajo) . Se desco­ nocen aún las funciones de TLR10 así como la parej de TLR3, TLR5, TLR7, TLR8 Y TLR9.

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tabaco . Arabidopsis thaliana cuenta con más de 200. La primera proteína tipo Toll de­ bió surgir en un orga nismo unice­ lular, antepasado comú n de plantas y animales . Puede inclu so que estas moléculas facilitara n nuestra evolu­ ción. Sin un sistema de defensa eficaz contra la infección, quizá los orga­ nismos multicelulares j amás hubieran sobrevivido.

Asalto al castillo El sistema inmunitario innato se com­ paraba antaño, debido a su supuesta simplicidad, con la muralla de un casti llo. Se pensaba que la acció n defens iva tenía lugar una vez que en la muralla se abría una brecha y las tropas que estaban dentro - las células T y B- entraban en bata lla. Ahora sabemos que en la muralla del castillo se aposentan centinelas (TLR) que identifican al invasor y tocan a rebato para movilizar a las tropas y preparar las defensas contra el atacante. En otras palabras, los TLR disparan am bos sistemas: el innato y el adaptativo . La esce na podría describirse como sigue . Cuando un patóge no entra por primera vez en el cuerpo, uno o varios TLR (como los que se en­ cuentra n en la superficie de los ma­ crófagos y cé lulas dendríticas que patru llan sin cesar) se une n a las moléculas extrañas; por ejemp lo, los

LPS de las bacterias gram- negativas. A continuació n, los TLR incitan a las células a liberar varias ci toquinas. Estos mensaje ros proteicos reclutan entonces macrófagos ad ic iona les , cél ulas dendríticas y otras cél ulas inmunitari as para aislar y atacar (sin espec ificidad) el microorganis­ mo intruso. Al propio tiem po, las citoquinas liberadas por esas células causa n fiebre, dolor corporal y otros síntomas de tipo gripal. Los macrófagos y las células den­ dríticas que han troceado e l agente invasor muest ran fragmentos del mis­ mo en su superficie, junto con otras moléculas para avisar de la presen­ cia del patógen o. Esta ex hibició n, en combinació n con las citoquinas liberadas en resp uesta a los TLR, activa por fin las células B y T, que identifican dichos frag mentos . Ello provoca -en el curso de var ios días- que esas célu las proliferen y dirijan un ataque violento y polari­ zado contra el invasor. Sin el efecto cebador de los TLR, las células B y T no se activarían y el organis­ mo no sería capaz de organ izar una resp ues ta inmunitaria completa ni recordar infecciones previa s. Tras la infección inici al, se rese rva una cantidad suficiente de células T y B de memoria para que el cuerpo pueda enfre ntarse al invaso r con ma­ yor eficacia en el caso de que éste regrese . En ocas iones, este ejérci to

LAS PULGAS DE MECHNIKOV El descubrimiento de las proteínas TolI y los receptores tipo TolI retoma una línea de investigación iniciada hace más de un siglo por Ilya Mechnikov, descubridor de los fundamentos de la inmunidad innata. A principios de los años ochenta del siglo XIX, Mechnikov arrancó algunas espinas de un manda­ rina y las clavó en una larva de estre­ lla de mar. A la mañana siguiente, las espinas estaban rodeadas por células móviles; supuso que éstas trataban de engullir las bacterias que, junto con otros cuerpos extraños, habían sido introducidas allí por las espinas. Observó entonces que pulgas de agua (Daphnia) expuestas a esporas de hongos organizaban una respuesta similar. Descubrió así la fagocitosis, la piedra angular de la inmunidad innata. El hallazgo le valió a Mechnikov un premio Nobel en 1908.

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MECHNIKOV era todo un personaje. Refi­ riéndose a los tiempos en que trabajaba en el Instituto Pasteur, se cuenta de él que calzaba botas de goma en cualquier época del año. llevaba un paraguas y los bolsillos llenos a reventar de publicaciones científicas. Lucía siempre el mismo somo brero; a menudo, cuando estaba exaltado, se sentaba en él.

de células de memoria opera con tal pro ntitud que no llega a producirse ninguna inflamación. Ello hace que la víct ima no se encue ntre tan mal; puede incluso que ni siquiera note la reinfección. La inmunidad innata y la adapta­ tiva for man parte del mismo sistema de reco nocimiento y eliminación de patógenos. La interacción entre es­ tos dos mecan ismos de defensa es lo que confiere robustez al sistema inmunitario en su conjunto.

Respuesta "personalizada" Para lograr un conocimiento más plen o del contro l operado por los TL R sobre la actividad inmuni taria, se prec isa identificar las molécul as que transmite n señales desde los TLR activados en la superfic ie celular has­ ta el núcleo, induciendo la expresión de genes que codifican citoquinas y otros activadores inmunitarios. Ob­ jeto de intensa investigación , han co menzado a aflorar los prime ros hallazgos. Sabemos ahora que los TLR, lo mismo que un gran número de re­ cep tores que residen en la superficie celular, reclu tan una larga cadena de pro teínas de seña lizac ión que llevan su mensaje al núcl eo; a la manera de una brigada que transpo rta cubos de agua hasta un ince ndio. Salvo el TL R3, todos los TLR transfieren su seña l a MyD88, una proteína adap ­ tadora. Qué otras proteínas partici­ pen en la transmisión de la señal depe nderá del TLR . En mi labora­ torio estudiamos Ma l, una proteín a que ayuda a portar señales generadas por TLR4 y TLR2. El TLR4 también requiere de otras dos proteínas (Tram y Trif), para enviar la seña l, mientras que el TLR3 sólo necesi ta de Trif. Shizuo Akira, de la Universidad de Osaka, ha demostrado que ratones tra nsgé nicos que no sintetizan algu­ nas de estas proteínas de señalizació n intermediarias tampoco respo nden a los productos microbianos; ello su­ giere que las pro teínas asocia das a los TLR podrían constituir las dianas para nuevos fár maco s antiinflamato­ ríos o antimicrob ianos . La interacción con diferentes gru­ pos de proteínas de señalización per­ mite a los TLR activar varios grupos de genes que afinan la resp uesta de la célu la en función del tipo de pa­ tógeno. Por ejemplo, TLR3 y TLR7

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detectan la presencia de virus; acto seguido, desencadenan una cascada de interacciones moleculares que in­ ducen la prod ucción y liberación de interferón, la más importante citoqui­ na antiviral. El TLR2, que detecta bacterias, estimula la liberación de una mezcla de citoq uinas que, si bien no inclu ye el interferón, resulta más apropiada para combatir un ataque bacteriano. El descubrimiento de la espec ifici­ dad de los TLR -capaces de detectar diferentes productos microbianos y ayudar a confecc ionar la respuesta inmunitari a más adec uada- mina la hipótesis, largo tiempo admitida, según la cual la inmun idad innata co nstituiría una barr era estática e incapaz de discriminar. La verdad es que nos hallamos ante un siste­ ma dinámico que gobierna casi todos los aspectos de la inflamac ión y la inmunidad.

Oe la legionella al lupus Tras reconocer el papel ce ntra l que desempeñan los TLR en la activación de la respu esta inmunitaria, se em­ pezó a sos pechar que las versiones deficientes y las hiperactivas de estos receptores podr ían acarrea r trastor­ no s en el sis tema de defensa. Se andaba en lo cierto. Ciertos defectos en la inmunidad innata co nducen a una mayor suscep tibilidad a los virus y a las bacteri as. En las personas con una form a de TLR4 hipoactiva, la probabilidad de sufrir infecc iones bacterian as severas, en el transc urso de un período de cinco años, quin­ tupli ca la probabilidad de padecerlas quienes portan un TLR4 normal. Las personas que mueren de legionelosis presentan a menud o una mutación en TLR5 que incapacita la proteí­ na, comprometiendo así la respuesta inmunitari a inn ata y dej ándolos a merced de la bacteria Legionella . Una respuesta inmunitaria exagera­ da puede resultar igualmente destruc­ tiva. Sólo en los EE.UU. y Europa, más de 400.000 persona s mueren cada año de sepsis, provocada por una respuesta inmunitaria hiperactiva capi taneada por la TLR4. Otros estudios señalan la participa­ ción de los TLR en el lupus eritema­ toso sistémico, la artritis reumatoide y otras enfermedades autoinmunes. En estos casos, podría ser que los TLR respondieran a productos procedentes

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Sustancias que activaran los TLR y, por tanto, potenciaran la respuesta inmunitaria mejorarían la eficacia de vacunas y protegerían contra la infección. Podrían incluso orientar el sistema inmunitario hacia la destrucción de tumores. En cambio, los fármacos que bloquearan la actividad de los TLR, resultarían útiles para tratar tras­ tornos inflamatorios. Se está investigando en ambos tipos de medicación (abajo).

TIPO DE FARMACO

EJEMPLOS

Activador de TLR4

MPL: tratamiento de la alergia y coadyuvante (activador del sis­ tema inmune) para vacunas de Corixa (Seallle). Se ha sometido a ensayos clínicos a gran escala

Activador de TLR7

ANA245 (isatoribina): agente antiviral de Anadys (San Diego). Han empezado las primeras fases de su ensayo en humanos para hepatitis C

Activador de TLR7

Imiquimod: tratamiento para verrugas genitales, carcinoma de células basales y queratosis actínica, de 3M (SI. Paul, Minneso­ ta). Se encuentra ya en el mercado

y TLR8

Activador de TLR9

ProMune: coadyuvante para vacunas y tratamiento para el me­ lanoma y el Iinfoma no de Hodgkin, de Coley (Wellesley, Massa­ chusetts). Se ha sometido a ensayos clínicos a gran escala

Inhibidor de TLR4

E5564: antiséptico de Eisai (Teaneck, Nueva Jersey). Han empe­ zado las primeras fases de su ensayo en humanos

Inhibidor general de TLR

RDP58: medicamento para la colitis ulcerosa y la enfermedad de Crohn , de Genzyme (Cambridge, Massachusells). Se ha someti­ do a ensayos clínicos a gran escala

Inhibidor general de TLR

OPN201: medicina para trastornos autoinmunes, de Opsona Therapeutics (Dublín). Se está ensayando en modelos animales de inflamación

de células dañadas, propagando una respuesta inflamatoria inapropia da y pro mov iendo una reacc ión erró nea del siste ma inmunit ario adaptativo. En el ejemplo del lupus, se ha ob­ servado que el TL R9 reacc iona ante el ADN del propio organismo. La inmunid ad innata y los TLR po­ drían estar relacionados también en la enfermedad cardíaca. Las personas co n una mutació n en TLR4 parecen ser menos propensas a desarroll ar trastornos car diovasculares. Pues to que la inflamación contribuye a la formac ión de las placas que atasca n las arterias coro nar ias, una forma de proteger el corazó n consistiría en aca­ llar el TLR4. La manipul ación del TL R4, pues, podrí a abrir una nueva vía para prevenir o limit ar esta en­ fer medad.

Equilibrio de fuerzas Los laboratorios farmacé uticos es­ tán interesados en los TL R y sus proteínas de seña lizació n asoc iadas ; podrían operar como dianas farma­

cológicas en el tratamiento de in­ feccio nes y trastornos inmunitarios. Con la expansión de la resistencia a los antibió ticos, la emerge ncia de virus nuevos y más virule ntos y la crec iente amenaza bioterrorista, la necesid ad de desarrollar nuevos tratamien tos que ayude n a nuestro organismo a luchar contra la infec­ ció n se está haciendo cada vez más perentori a. El estudio de los TLR guiaría, por eje mplo, el desa rro llo de vac unas que ofrecier an mayor seg urida d y eficacia . En su mayoría, las vacu­ nas dependen de la incl usión de un coady uvante, una sustancia que inicia la respu esta inflamatoria, que a su vez impulsa la capac idad del sistema adaptativo para generar células de memori a. En la actualidad, las va­ cunas suelen utilizar un coadyuvante que, si bien no provoca una respuesta adaptativa comp leta, pri ma las célu­ las B sobre las T. Para potenciar esta resp uesta, varias compañías se han fija do en compuestos que activan el

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ha publicado sobre el tema, entre otros, los siguientes artículos:

Bases moleculares de la esqui zofre nia, de Daniel C.Javitty Joseph T. Coyle Marzo 2004 El cerebro adicto, de Eric J. Nestler y Robert C. Malenka Mayo 2004

El sho ck y sus causas, de Donald W. andry y Juan A. Oliver Junio 2004

Lipotoxicidad y diabetes, de Gema Medina-Gómez, Chris Lelliot y Antonio Vidal Puig Septiembre 2004

Det ección de la enfermedad de las vacas locas, de Stanley B. Prusiner Septiembre 2004

TL R9, un receptor que reconoce un repe rtorio muy amplio de bacterias y virus, y, por tanto, co nduce al des­ pliegue de una respuesta inmunitari a más enérgica. Conocer la actividad de los TLR nos permi te afrontar mejor la amena­ za bioterrori sta. El virus de la virue ­ la, que aca lla los TL R evitando así su detección y eliminac ión, co nsti tu­ ye una arma biológica poten cial. En colaboración co n Geoffrey L. Smit h, del Co legio Imperial de Londres , en mi laboratorio desc ubrimos que eli­ minando la proteína vírica que inuti­ liza los TLR, se generaba un virus debilitado a partir de l cual podría ob tenerse un a vac una inocu a. Armados co n una mayor compren­ sión de los TLR y la inmunidad in­ nata, los médicos pod rían predecir qué pacien tes to lerarían peor una infección y aplicarle s tra tam ientos más agresivos. Si alguie n llegara al hospit al con una infecc ión bacteriana y resultase tener, por ejemp lo, un TLR4 mutante, se le podría n sumi­ nistrar ant ib iót icos o age ntes que reforzaran su respuesta inmunitaria para preve nir que la infección causara mayor daño. El objetivo es estimular una res ­ puesta inmunitaria equilibrada : su­ ficiente para eliminar un patógeno, sin que precipite una reacción in­ flamato ria que aporte más daño que beneficio. En ese sentido , cualquier tratamiento médico que pretenda ali­ viar la inflamación mediante la repre­ sión de la ac tividad de los TLR y la liberación de citoquinas no debe, al

propi o tiemp o, socavar las defe nsas co ntra la infección . Los fárm acos ant iinf1ama torios que se in terpon en a la acc ió n de TNF-alfa, un a de las cito qui nas que se pr odu cen como resultado de la activación de TLR4, ofrec en un eje mplo de la fragilidad de es te equi librio. Los TNF-alfa sintetizados dura nte la infección e inflamación se ac um ula n en la s artic ulac iones de pacientes co n artritis reumatoid e. Lo s antiinfl ama torios , pues, alivia n la artritis. Sin embargo , algunos de los pacien tes que los toman termi­ nan co n tube rc ulosis . Ocurre que al de te ner la respu est a inflam atoria se amo rtiguan también las respu esta s patógeno-es pecíficas, dejand o vía li­ bre a la bac teri a qu e, probablem ent e, se h alla ba en es ta do latent e. E n resumen, los T LR vendrían a opera r co mo el ma ndo qu e co ntro la el vo lume n de un aparato es tére o, es tablecie ndo un equilibrio e ntre la inmunid ad adaptativa y la infla ­ maci ón . Se buscan aho ra mét od os para ma ni pula r es te co ntro l, de forma que se pu ed a redu ci r la in ­ fl am aci ón sin perjudicar el sis tema inmunitari o. Teniendo en cuenta que los TLR se descubrieron hace sólo siete años, son notables los progresos que se han llevado a ca bo en la co mprensión del papel central que estas proteínas desarr oll an en la primera línea de defe nsa del organismo. La inmunidad inn ata, cubierta largo tiemp o por el velo del olvido, se ha convertido de pronto en el ce ntro de atención.

El cristali no, de Ralf Dahm Diciembre 2004

Inje rt os para el corazón, de Smader Cohen y Jonathan Leor Enero 2005

Endocannabinoides cerebra les, de Roger A. Nicoll y Bradley E. Alger Febrero 2005

El autor Luke A. J. Q'Neill obtuvo el doctorado en farmacología por la Universidad de Londres en 1985 con una tesis sobre la cito quina proinflamatoria intarleucina-l . Desarrolla su labor investigadora en la Fundación irlandesa para la Ciencia y dirige el departamento de bioquimica del Trinity College en Dublín. Fundó la compañia farmacéutica dublinesa Dpsona Therapeutics.

Bibliografía complementaria INNATEIMMUNIl Y. Ruslan Medzhi tov y Charles Janeway en Ne w England Journal of Medicine, vol. 343, n.o 5, págs. 338·344; 3 de agosto, 2000 . INFERENCES, QUESTIONS ANO POSSIBILlTlES IN TOll 'L1 KE RECEPTOR SIGNALlNG. Bruce Beutler en Nature, vol. 430, págs. 257·263; 8 de julio, 2004.

Prensa Científica, S.A.

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TOll 'L1KE RECEPTOR CONTROL OF THE AOAPTlVE IMMUNE RESPONSES. Akiko Iwasaki y Ruslan Medzhitov en Nature Immunology, vol. 5, n." 10, págs. 987·995; octubre 2004. TLRs: PROFESSOR MECHNIKOV, Sil ON YOUR HAT. L. A. J. O'Neill en Trends in Immunology, vol. 25, n.O 12, págs. 687·693; diciembre, 2004.

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CP

Prensa Científica) S.A.

MENTE y CEREBRO REVISTA BIMESTRAL

N° 11

YA A LA V .

asta hace poco, la ma­ yoría de los astrónomos pensaba que el universo había entrado en una ma­ du rez abur rida. Fuegos cós micos ag ita ron sus primeros seis mil mill ones de años : las galaxias choca ban entre sí y se fundía n en otras mayores, poderosos aguje ros negros succionaban giga n­ tescas espirales de gas y las estrellas se formab an con una profusión monu­ mental. Duran te los siguientes ocho mil millon es de años, en cambio, ha­ bía habido cada vez menos colisiones galácticas, los descomun ales agujeros negros se habían calmado y la forma­ ción estelar se había reducido a casi nada. A pocos les quedab a alguna duda de que estábamos presenciando el final de la historia cósmica y de que el futuro no conoce ría sino la incesante expansión de un universo apacible y envejec ido. Sin embargo, las obse rvaciones de los últimos años demuestran con clarid ad que se había exage rado la senectud del universo. Grac ias a los observatorios espaciales y la instala­ ción de instrum entos de nuevo cuño en los telescopios terrestres, se ha descub ierto que en el pasado reciente sí ha habid o procesos enérgicos en las ga laxias cercanas. (La luz de las galaxias lejanas necesita más tiem­ po par a alcanzarnos; las observamos, pues, en un estadio más temprano de su evolución.) El análisis de los rayos X emitidos por los núcleos de galaxias no muy lejanas ha descu­ bierto agujeros negros de masa muy grande que siguen absorbiendo el gas y el polvo de sus alrededo res. Y un estudio profund o de la luz emitida por galaxias de edades variadas ha

descubierto que el ritmo de forma­ ción estelar no ha declin ado tanto como se pensaba. Hoy se tiende a cree r que en los pri meros mill ares de mill on es de años la actividad se concentraba en un pequeño número de galaxias gi­ gantes, dond e ocurrían pro digiosos brotes de formación estelar y que contaban con agujeros negros colo­ sales en su cent ro. Ahora la activi­ dad se dispersa más; la creac ión de estrellas y la agregació n de material en los aguje ros negros se reparte por un gran núm ero de galaxias de ta­ maño mediano o pequ eño. Esta mos en medio de un cambio de escala de la actividad cósmica.

Imágenes de campo profundo Antes de co mpilar una historia del cos mos , prim ero hay que entender la sorprende nte di ver sid ad de los obje tos que encont ramos en él. Las imágenes ópticas más sensibles pro­ ceden del Telesco pio Espacial Hub­ ble. Gracias a sus estudios "de campo profundo" -exposiciones a lo largo de diez días de dos regio nes dimi nu­ tas de l cie lo observadas a través de cuatros filtros de sendas longitud es de onda-, se han hallado miles de galaxias lej anas, la más antigua sólo mil millones de años posterior a la gran explosió n. Un estudio muy re­ ciente, de "c ampo ultraprofund o", ha mostrado ga laxias aún más jóvenes - jóve nes cuando la luz que ahora les vemos salió de ellas-o No obstante, la obtención de estas imáge nes de campo profundo es sólo el prin cipio. Se quiere saber cómo evolucio naro n los objetos cercanos en el tiempo a la gran explosión hasta convertirse en las galaxias que conoce mos actual­

• Los primeros miles de millones de años del universo conociero n cho­ ques de galax ias, gigantescos brotes de formación estelar y agujeros negros con la masa de miles de millones de soles. El declive de la actividad cósmica desde entonces ha llevado a pensa r que los días gloriosos del universo pasaron hace ya mucho. • Recientemente, sin embargo, se han hallado potentes agujeros negros que devoran el gas de muchas gala xias cercanas. Las nuevas ob­ servaciones indican tamb ién que el ritmo de formación estelar no ha declinado tanto como se creía. • Los resultados apuntan a una reducción de escala de la actividad cós­ mica: dominaban el universo temprano galaxias gigantes, en un número no muy grande; ahora , la actividad se ha repartido entre un número extenso de galaxias menores .

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mente. Ligar presen te y pasado es uno de los asuntos principales para la astro nomía actual. Un paso imp ort an te haci a ese objetivo: determinar la estratigrafía cósmica de los miles de galaxias que llenan una image n de cam po profun­ do; es decir, establecer qué objetos es tá n por delant e en la imagen y cuáles dista n más de nosotros. Para ello se mide el corrimiento al rojo del espec tro de esas galaxias. La ex­ pansión del universo dilata la luz de las fue ntes más lejanas; su longitud de onda se ha despl azado hacia la co la roja del espec tro. Cuanto más desplazada esté al rojo la luz, más remoto será el momento en que se emitió y más lejana la fuente. Co n un corrimiento al rojo igual a uno, la longitu d de onda se dilata un cien por cien (se dupli ca); una luz que presente ese desplaza miento se hab rá emitido unos seis mil millones de años tras la gran explosión, menos de la mitad de la edad actual del univer­ so. Los astrónomos suelen referirse más a los desplazamientos al rojo que a las edades, porque el corrimiento es lo que miden directamente. Los desp laza mie ntos al rojo en­ cie rran en sí la reconstrucción de la his toria cós mica, pero result a casi imposible medírsel os a todas las ga­ laxias presentes en lo más profundo de un campo . Una de las razones es lo abultado de su número. Pero el prob lema funda mental reside en la debilidad intr ínseca de alg unas galaxias. La luz de los obje tos más débil es llega con suma parsimoni a, a un ritmo de tan sólo un fotón por minut o y por centí metro cuadrado . y c uando se toma su espectro, la red de difracción del espec trógrafo dispersa la luz sobre un área grande, deb ilitando aún más la seña l en cada longitud de onda. A finales de la década de 1980 , un equ ipo dirigido por Lennox L. Cowie, del Instituto de Astrono mía de la Univers idad de Hawai, y por Si mon J. Lilly, aho ra en el Institu­ to Federa l Tecnológ ico de Zúrich, desarroll ó un método novedoso que evi taba las labori osas observac iones del corrimie nto al rojo. Tomaro n datos de varias regiones del cielo co n unos filtros que selecc iona ba n ban das es pectrales estrec has, ce n­ tradas en longitudes de onda ultra­ vio letas, verdes y rojas, y midieron

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el brillo de las ga lax ias en cada una de esas band as (véase el recuadro "As í se descubren galaxias prim iti­ vas"). Una galaxia cerca na dond e se es tén formando estrellas presentará el mism o brill o e n los tres filtros . La luz intrínseca de una ga lax ia co n formación es telar ex hibe un co rte abrupto j us to despu és de la banda ultr avioleta , a la longitud de onda de 9 12 ang strom . (Ese co rte se debe a que el hidrógeno neutro gaseoso ex istente dentro y alrede do r de la galax ia abs orbe la radia ción a lon ­ gitudes de onda men ores.) Co mo la luz de las galax ias lej anas está des­ plazad a al rojo, el cort e tamb ién se mueve haci a ma yores lon gitudes de onda; si el desp lazami ento es gra n­ de, no aparece rá luz de la galax ia en el filt ro ultraviolet a, y si es aún mayor, tampoco se percibirá en el filtro verde .

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De esta forma, Cow ie y Lill y ag ru­ paron las ga laxias dond e se origi­ nab an es tre llas en diversos anchos interva los de co rrimiento al roj o. Proporcionaron así una idea general de las edades . En 1996 Charles C. Steidel, del Institut o Tecnológico de Ca lifo rn ia, y sus colabora do res apli­ ca ron este método a cie ntos de ga­ laxias rem otas en las que se producía for mac ión este lar (su desplazami ent o al rojo era de alrededo r de tres; su luz nos las mostra ba co mo fueron unos dos mil millones de años des ­ pués de la gra n explos ión). Muchos desplazami ent os al rojo dedu cidos fotométricamente se confirmaro n me­ dia nte los correspondientes espec tros de las galaxias, tomados co n el po­ deroso telescopio Keck de 10 metro s, instalado en Ma una Kea, Hawa i. Una vez co noc idos los desplaza­ mient os al rojo de las galax ias, se

puede empre nder la reco nstrucc ió n de la histori a de la for mac ión estelar. Grac ias a la obse rvac ión de galax ias cercanas sabemos que, a la vez, se crea un núm ero pequeño de estre­ llas de gran masa y num erosísima s estre llas de masa pequ eña. Por cada 20 estre llas de tipo so lar, nace sólo una estrella cuya masa decuplique la solar. Las es trellas de masa grande emite n luz ultravioleta y azu l, mien­ tras que las pequeñas des piden sobre todo luz amari lla y roj a. En cuanto se conoce el co rrimiento al rojo de una galaxia dista nte, se sabe tam bién cuál es su espectro intrínseco, su es­ pectr o en el sistema de referencia en que se encue ntra en reposo. Y conociendo la ca ntidad total de luz ultravio leta ta l y como se med iría en ese sistema en reposo, se puede calc ular la ca ntidad de estrellas de gra n masa en aquella galaxia.

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tre cuatro mil y seis mil mill ones de años . Este result ado llevó a muchos a pensar qu e los mej ores días del universo habí an quedado atrás hacía ya mucho.

SCUBA y Chandra

2. SE HAN DESCUBI ERTO galaxias ultraiu­ minosas en los primeros tiempos del univer­ so temprano gracias al "bolómetro de uso común para el submilimétrico", o SCUBA, aparato instalado en el telescopio James Clerk Maxwell de Mauna Kea, en Hawai. Se sospecha que la mancha brillante de la izquierda es una galaxia primitiva cubierta de polvo, engend radora de estrellas a un ritmo trepidante, equivalente a más de mil soles por año .

Las estrellas de masa enorme viven apenas unas dece nas de millones de años; un período muy corto según una vara de medi r ga láctica . Su nú­ mero refleja, pues, las variaciones del ritmo globa l de formación estelar en la galax ia de que se trate. Cuando se reduce el ritmo a que se crean nuevas estrellas, el núm ero de estrellas gran­ des disminu ye enseg uida porqu e su vida es corta. El núm ero de estrellas de masa grande que se ha observado en la Vía Láctea - bas tante parecida a las galaxias espirales de gran enver­ gadura que tiene cerca- indic a que en ella se está n formando estrellas a un ritm o de unas pocas masas solares por año . En 1996 Piero Madau, ahora en la Universidad de Californ ia en Sa nta Cruz, ap licó idéntic o méto­ do a los datos del Ca mpo Profund o Norte del Hubbl e, ideales para este tipo de estudi o porqu e inc luyen me­ dici on es pre cisas de intensid ad en cuatro filtros de longitud es de onda . Madau combinó sus res ultados con los disponibl es a partir de observa­ ciones ópticas de un corrimi ento al rojo menor. Pretendía afinar la his­ tori a de la formación estelar en el universo. Co ncluyó qu e el ritm o de la generac ión de estrellas llegó a un máxim o cuando el universo tení a en­

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El análisis de Mada u de có mo ha ido evolucio nando la for mación de estrellas fue un hito importante, pero sólo abord ó una pequeña pa rte del problema. Las búsqueda s de galaxias con telescopi os ópticos no detectan todas las fuentes del universo tem­ prano. Cuanto más alej ada es té una galaxia, may or desplazamiento cos ­ mológico al rojo sufrirá, y cuando el desplazam iento es muy elevado, la radi ación óptica y ultr avioleta en el sistema en repo so aparece rá en nuestro s instrumentos cor rida hacia la parte infrarroja del espect ro. Es más, las estrellas suelen hallarse en entornos que las explosiones de su­ pern ovas y otros procesos vue lven muy polvori entos. La luz es telar ca­ lienta los gra nos de polvo, que radian después su energía en el in frarrojo lejano. En fuentes muy lejanas, la ex­ pansión del universo despla za, hacia longitud es de onda subrnilimétricas (es decir, la convierte en ondas de radio cuya longitud no llega al milí­ metro), la luz absorbida por el polvo y reemitida en el infrarr ojo lejano. Por tant o, una fuente que percib i­ mos brill ante en luz submilim étrica esconde con frecuencia una intensa form ación es telar. Hasta hace poco tiemp o, no re­ sulta ba fácil tom ar ob ser vaci ones submilimétricas con los telescopios terr estres, en gra n part e porque el vapor de agua de la atmósfera absorbe la señal en esas longitud es de onda. Pero las dificultades mermaron gra­ cias al "bolóme tro de uso común en el submilimétrico" , SCU BA, una cáma­ ra instalada en 1997 en el telesco pio James Clerk Maxwe ll de Ma una Kea. (Este observatorio, a una altura de cuatro kilóm etros sobre el nivel del mar, se halla más arrib a que el 97 % del vapor de agua de la atmósfera.) Varios grupos, uno de ellos dirigido por el auto r, exploraron gracias a SCU BA diversas regiones del cielo con una sensibilidad y una profundi ­ dad que permitieron descubri r fuen­ tes, aunque excepcionalmente lumino­ sas , oscurec idas por polvo. Debido a la pobre reso lución del instrumento,

esas fuentes aparece n como manchas (véase la fig ura 2). Son bastante es­ casas : incluso tras muchas hora s de expos ición, apenas si se impres io­ nan unas pocas en cada imagen de SCUBA; no obstante, se encuentran entre las galaxias más luminosas del universo. Que hasta la insta lación de SCU BA no supiéramos siquiera que existían estos sistemas tan lejanos y vigorosos, nos reco mienda humildad. Sus ritmos de form ación de estrellas son cie ntos de veces mayores qu e los de las galaxias actuales, un in­ dicio más de los mayores bríos del universo antiguo. .El descubrimiento de tod a es ta inten sa formación de estrellas antes oculta fue revolucionari o. Pero, ¿no podría esta r el universo tapando otros procesos violentos? Por eje mplo, el gas y el polvo que rodean las ga­ laxias podrían osc urecer la radiación procedente de los discos de materia l que circundan a los aguje ros negros supermasivos (aque llos cuya masa es miles de millones de veces la solar). Se cree que estos discos constituye n las fuentes de energía no sólo de los cuás ares, obje tos de inmensa lumi­ nos idad con desplazamientos al rojo elevados, sino también de los núcleos activos en el ce ntro de muchas ga­ laxias próxim as. Los es tudios ópti­ cos realizados en los años ochenta daban a entender que los cuása res abundaban más, varios miles de mi­ llon es de años después de la gran explos ión, que los núcleos activos de galaxias hoy en día. Los agujeros negros supe rrnasivos que generaban la energía de los cuása res lejano s no se pueden haber destruido; por lo tant o, se presum ía qu e much as galax ias cercanas contenían cuása­ res extintos, aguje ros negros que han ago tado sus reservas. Y, en efecto, se han descubi ert o estos aguje ros negros supermasivos latent es grac ias a su influencia grav i­ tatori a. Las estrellas y el gas sig uen orbitando a su alrededor aunqu e sólo un poco de materi a ca iga todavía en ellos . En el ce ntro de la propi a Vía Láctea reside un aguje ro negro ape nas ac tivo. La co mbinac ión de estos result ado s llevó a suponer qu e la mayoría de los agujeros negros supermasivos for mados durante la era de los cuása res agot aron, con su voraz creci miento, el material qu e los rodeaba y desap arecieron de las

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observaciones ópticas una vez con­ sumido e l co mbusti ble . En pocas palabr as: se creía que la actividad ligada a los cuásares fue, al igual que la for mación este lar, bastant e más vigorosa en un pasado lejano. Era la tercera señal de que vivíamos en tiempos más aburrido s. Pero el cuadro no estaba comple­ to. A partir de las observaciones en rayos X y en luz visible, se está re­ visando ahora la conclusión a que se habí a llegado: que la gra n mayoría de los cuása res murió hace mucho tiemp o. La importancia de los rayo s X estriba en que, al contrario que la luz visible, pueden atravesar el gas y el polvo que ocultan a los agujeros negros. Co mo la atmósfera terrestre bloqu ea los rayos X, se requi eren telesco pios espaciales - Chandra y el Obse rva torio de rayos X XMM/ Newton- para detectar la actividad que un agujero negro genera a su al­ rededor [véase "Inventario cósmico", por Günther Hasinger y Roberto Gil­ li; INVESTIGACIÓN y CIENCIA, mayo de 2002]. En el año 2000, Cow ie, Richard F. Mushotzky, de l Centro

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Goddard de Vuelos Espac iales de la NASA, Eric A. Richards, entonces en la Universida d es tatal de Arizona, y yo nos valimos del telescopio Subaru de Ma una Kea para iden tificar los obje tos visibles en las longitudes de onda ópt icas correspondie ntes a las 20 fuentes de rayo s X halladas por Chandra en un ca mpo de observación determinado. De spués, tomamos los espectros de esos objetos con el te­ lescopio Keck de 10 metros. Obtuvimos un resultado inespera­ do: muchos de los agujeros negros supermasivos activos detectados por Chandra residen en galaxias hasta cierto punto luminosas y cerca nas. Lo s constructores de modelos del fon do cósmico de rayos X hab ían predicho la existencia de una nume­ rosa població n de aguje ros negros su­ permasivos oscurecidos, pero nunca hubieran imagin ado que est uviera n tan cerca . Es más, los espectros óp­ ticos de muchas de estas galaxias no muestran ningún indicio de actividad ligada a los agujeros negros; sin las observaciones en rayos X, jamás se hubiera descubie rto la presenc ia de

tales agujeros negros supermasivos en el núcleo de las galaxias. Este trabajo de investigac ión indi­ ca que no todos los agujeros negros supermasivos se formaro n durante la era de los cuásares, sino que se han venido creando des de los tiempos más primitivos hasta el prese nte. No obstante, los que siguen activos no exhiben los mismos patrones de com­ portamiento que los antiguos cuásares. Los cuásares, voraces consumidores, engullen toda la materia que los rodea a ritmos altísimos. Por el contrario, la mayo ría de las fue ntes cercana s desc ubiertas por Chan dra absorben materia con mayor moderación y, por lo tanto, brillan con menor intensi­ dad . Se desconoce todavía el porqué de comportamientos tan diferentes. Una posi bilidad es que los agujeros negros de hoy día cuenten con me­ nos gas que puedan co nsumir. Las galaxias cerca nas, más evolucio na­ das, padecen menos colisiones que las más primitivas y distantes, colisiones que conducirían el mate rial hacia los agujeros negros supermasivos de los centros galác ticos.

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3. LAS OBSERVAC IONES EN RAYOS X sirven para detectar agujeros negros ocultos. El obse rvatorio de rayos X Chandra ha descubierto muchos en su exploración de la región Campo Norte Profundo (izquierda) . Algunos son cuásares primitivos, muy brillantes, que florecieron unos pocos miles de millones de años después de la gran explosión (arriba derecha) . Otros se hallan en el centro de galaxias no muy lejanas; están produciendo rayos X en la época actual (abaj o derecha).

Chand ra reveló otro secreto: a pe­ sar de que las fuentes moderadas de rayos X son mucho menos luminosas que los cuásares --generan apenas un uno por ciento de la radiación emitida por ésto s--, al sumar la luz producida por toda s las fuentes mo­ deradas en los tiempos act uales se encue ntra que es una décima parte de la orig inada por los cuásares en los tiempos remotos. La única forma de que este resultado tenga sentido es que existan hoy muchos más agujeros negros moderados y activos que cuá­ sares activos en el pasado. En otras palabras, el contenido del universo ha evo lucionado : de un número pe­ queño de objetos muy brill antes a un número grande de objetos débiles. Los agujeros negros supermasivo s si­ guen formándose, pero son menores y consumen menos materia; a pesar de ello, su efecto comb inado sigue siendo significativo. Las ga laxias don de se produ ce form ación estelar tam bié n han ex­ perim entad o una reducción cós mica. Cierto es que algunas galaxias cerca­ nas generan estrellas con la profusión típica de las galaxias ultralumin osas, oscurecidas por el polvo, que descu­ brió SCDBA . Pero la densidad de ga­ laxias muy lumin osas en el universo present e es más de 400 veces menor

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que en el uni verso de antaño . De nue­ vo compensa n las galaxias pequeñas esa diferencia. Un equipo integrado por Cow ie, Gilli an Wilson, ahora en el Centro de Análisis y Procesado de Datos Infrarrojos de la NASA, Doug J. Burke, hoy en el Centro Smithso­ niano de Ast rofís ica de Harvard, y el autor ha refinado las estimac iones de la densidad luminosa del universo. Estudiamos imágenes de muy buena calidad, tomadas con un ampli o rango de filtros; rea lizamos a continuación su análisis espec troscó pico. Encontra­ mos que la densidad luminosa en luz óptica y ultr avioleta no ha cambiado tanto con el paso cós mico del tiem­ po. A pesar de que el ritm o global de formación estelar ha caído en la segunda mitad de la vida del univer­ so porqu e las ga laxias gigantesc as y polvorientas de antes ya no están creando estrellas, es tal la abundancia de galaxias pequeñas y cercanas con formac ión estelar, que la densidad de luz óptica y ultravioleta decae sólo poco a poco. Este resultado nos ofre­ ce un pronóstico más optimista de la salud del universo.

Actividad madura Esa persistencia de la vitalidad en­ caja bien co n la teoría cosmo lóg ica . Segú n las recientes simulaciones por

orde nador, el paso de la hegemonía de unas pocas galax ias vastas y vi­ gorosas al imper io de muchas ga­ laxias más pequeñas y mansas es una consec uencia directa de la expansión cós mica. A medida que el universo se expande, las galax ias se separan, las colisiones entre ellas escasean y el gas que las rodea, al enrarecerse, se ca lienta con mayor facilidad. Puesto que el gas caliente es más energético que el gas frío, no caerá tan fácilmen­ te en el pozo de potencial gravitatorio de la galaxia. Fabrizio Nicastro, del Centro Smithsoniano de Astrofísica de Harvard, y sus co laboradores han hall ado hace poco una neblin a in­ tergaláctica caliente ; la descubrieron porqu e absorbía la luz ultr avioleta y los rayos X procedentes de cuásares y núcl eos de galax ias act ivas más lejanos. Esa neblina caliente rodea a nuestra galaxia por todas partes; per­ tenece al Grupo Local galáctico, que inclu ye la Vía Láctea, Andrómeda y otras 30 galaxias de menor tamañ o. Parece muy posible que este material gaseoso sea un residuo del proceso de creació n de galaxias, pero ahora está ya demasiado caliente para engendrar nuevas generaciones galácticas . Las galax ias pequ eñas qui zá resi­ dan en entornos más fríos: no habrán caldea do tant o el gas de sus alre­ dedo res, con la energía desprendida por superno vas y cuás ares, como las gra ndes ga lax ias . Ade más, la s ga lax ias pe queñas deben de haber con sumido menos materia l, lo qu e les habría permitido continuar con su modesto estilo de vida hasta el pre sent e. Por el co ntrario, las ga­ laxias mayores, más dispend iosas, han secado sus fuentes, y ya no les es posible capt urar nueva materia de sus alrededores. Los est udios en marcha sobre las propiedad es gaseosas de las galax ias pequeñas y ce rcanas revela ­ rán la interacción entre esos sistemas es te lares y sus entornos ; prop orcio­ nar án así claves para comprender la evolución galáctica. No obstante, qu eda por resolv er un a parte cruc ia l del probl ema: ¿có mo pudo el universo crear cuá­ sares descomunales tan pront o? El Estudio Digital Sloa n de los Cie los, gra n proyecto astronómico que car­ togra fía un cuarto del cielo y mide las distanci as a más de un mill ón de objetos rem oto s, ha descubi er­ to cuása res de cuando la edad del

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universo era sólo un dieciseisavo de la actual; es decir, existían ya 800 millones de años después de la gran explosión. En el año 2003, Fabian Walter, entonces en el Observatorio Radi oastr onómi co Nac ional, y sus colaborad ores observaron la señal del monóxid o de carbono en la emisión de uno de estos cuása res . Puesto que el carbono y el oxígeno sólo se origi­ nan en las reacciones termonuclea res de las es trellas, su presencia indi ca la importancia de la form ación este­ lar ya duran te los primeros cientos de millones de años del universo. Los últim os resultados de la Sond a Wilkinson para la Anisotropía en Mi­ croondas, un satélite que estudia la radiación del fondo cósmico, apuntan tambi én a que empezó a haber es­ trellas 200 millones de años después de la gran explosión. Las simulaciones por co mputadora muestran que las prim era s estre llas fu er on , co n mu ch a pr ob abi lid ad , cientos de veces más pesad as que el Sol. Esas estre llas brillaban tan­ to, que ago taban su combustible en apenas unas decenas de mill ones de años; se derrumb aban entonces sobre sí mismas, hasta crea r unos aguje ros negros que quizá fuesen las semillas de los aguje ros negros supermas ivos que ence nderían los primeros cuása ­ res. Puede que el estudio de las erup­ ciones de rayos gamma, originadas seg uramente dur ante la co nversión de una es trella de masa muy gra nde en un ag ujero negro, respalde esa explicac ión de la precocidad de los primeros cuásares. Las erupcio nes de rayos gamma son las de tonaciones más potent es que el universo ha co­

nocid o tras la gran exp losión; se las detecta a distancias muy largas. En noviembre de 2004, la NASA lanzó la misión Swift. Este satélite, que ha cos tado 250 mill ones de dól ares, lleva tres telesco pios diseñados para observar estallidos en rayos gam­ ma, rayos X, luz ultravioleta y luz visible . Las medid as que haga de los espec tros de las er upcio nes y de su brill o remanente deberían me­ jo rar nuestro co noc imiento de los colapsos gravitatorios de las estrellas y del crec imiento de los ag uje ros negros supermas ivos en el universo temprano. La visión en rayos X que prop or­ cion an los satélites Chandra y XMM/ Newton nos ha abierto las regiones más polvorient as del universo. Las galax ias gigantes co n intensa for­ mación estelar y los agujeros negros más voraces del pasado del univer­ so están ahora moribundos. En los próximos miles de millones de años, las galaxias pequeñas que hoy siguen activas habrán agotado la mayor parte de su combustible; la cantidad total de radiación cós mica menguar á nota­ blemente. Nuestra propia Vía Láctea sufrirá ese mismo destino. Mientras continúe la reducción de escala de la ac tividad cós mica, las galax ias enanas - que contienen apenas unos pocos millon es de estrellas cada una, pero abundan más que los dem ás ti­ pos de galaxias- se convertirán en las principales sedes de la formac ión de estrellas. Al final, sin embargo, el universo se osc urecerá. Sólo queda­ rán los fósi les de las galaxias de un glorioso pasado . Las viejas galax ias no mueren; sólo se apagan.

ha publicado sobre el tema, entre otros, los siguientes artículos:

Procesos de formación en la Vía Láctea actual, de Bart P. W akker y Philipp Richter j ulio 2004

El universo antes de la gran explosión, de Gabriele Veneziano jul io 2004

El interior de los planetas, de Sandro Scandolo y Raymond j eanloz Sept iembre 2004

Cassini-Huygens en Saturno, de Jonat han 1. Lunine Septiembre 2004

La muerte de las estrellas comunes, de Bruce Balick y Adam Frank Octubre 2004

Un universo de discos,

La autora Amy J . Barger es profesora asociada de astronomía en la Universidad de Wisconsin· Madison. También enseña en la Universidad de Hawai en Manoa. Se doctoró en astro­ nomía en 1997 en la Universidad de Cambridge y rea lizó investigaciones posdoctorales en el Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai.

Bibliografía complementaria STAR FORMATION HISTORY SINCE Z - 1 AS INFERREO FROM REST·FRAME Ul TRAVIOl ET LUMINOSITY DENSITY EVOl UTlON. Gillian Wilson et al. en Astronomical Journal, vol. 124, págs. 1258­ 1265; septiembre 2002 . Disponible en www.arxiv.org/abs/astro-ph/02031 68. THE COSMIC EVOl UTION OF HARO X·RAY SEl ECTEO ACTIVE GAl ACTIC NucLEI. Amy J. Barger et al. Astronomical Journal, en prensa. Disponible en www.arxív.org/abs/astro- ph/0410527. SUPERMASSIVE BlACK HOlES IN THE DISTANT UNIVERSE. Dirigido por Amy J. Barger. Astrophy ­ sics and Space Science Library, vol. 308, Springer, 2004.

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de O mer Blaes Diciembre 2004

Orión, de César Briceño Avila Diciembre 2004

La red cósmica, de Robert A. Simcoe Enero 2005

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Prensa Científica, S.A.

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IENCIA y SOCIEDAD

Microbiología evolutiva Los estromatolitos de Cuatro Ciénegas uatro Cié negas co nsti tuye un sistema compl ejo de manant ia­ les fríos y calientes, marismas, ríos y lagun as de desecac ión con agua muy pob re en fósforo y rica en sales. Present a una diversidad de micro or­ ganis mos es pec tacular. Medr an en sus múltiples pozas y forman con­ sorcios microbianos. Este "acuario en el desierto", así se le ha denomin ado al ecosiste ma, se halla en peli gro de extinción por el desvío incesante de recursos hídric os a los cultivos de alfalfa. Situado en el estado de Coa hui­ la, en Méx ico septentrional, Cuatro Cié neg as oc upa una exte nsió n de 150.000 km'. Se encuentra a 735 me­ tros so bre el nivel del mar. Tiene forma de marip osa, rod eada por tres serranías: la Purísima, la Fragua y la

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1. Estromatolitos de Cuatro Ciénegas. Se observan las diversas capas del tapiz microbiano: en la superficie, gran diversidad de diatomeas y filamentos de la cianobacteria Calothríx sp. entre otras (a); la segunda capa presenta una mayor abundancia de filamentos de otras ciano ­ bacterias, además de Calothrix sp., como

Halomieronema excentticum, Pleetonema cf. battersii, Dscillatoría negleeta y iepto­ Iyngbya sp . (b); en la tercera predominan las bacterias heterótrofas (e).

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Madera. Con un suelo de roca caliza, que emergió, por acción tec tónica, de los fondos marin os, hay en las serranías picos de hasta 3000 metros de altur a. Las "a las de la marip osa" se parten por la sie rra de San Marcos y la falla inversa de San Marcos , quebrada que presenta surge ncias de basalto. Algu­ nos de los mananti ales son term ales (30-35 oC), lo que nos habla de un magma profundo en la falla. En el camino superficial del agua de esos manantiales, su temp eratura dismi­ nuye corriente abajo, por disipación , o por mezcl a con la procedente de otras fuentes qu e tejen el sistema hidrológico. La falta de fósforo en el agua con­ vierte a Cuatro Ciénegas en un sis­ tema oligotrófico; las algas alcanzan un crecimiento limitado. La cadena trófica recuerda allí la que se supone característica del Cámbrico tempran o, hace unos 540 millones de años. En esa época, las bacterias fotótrofas, qui­ mioautótro fas y heterótrofas de los consorcios microbianos constituían la fuente de alimento de los metazoos: camarones, ca racoles y peces . Sue le trat ar se de ag uas duras. Co ntiene n gra n ca ntidad de sa les de calcio, magnesio, sodio, potasio, sulfatos, carbonatos y cloruros. La dureza aumenta con su curso desde los manan tial es hasta los ríos y las laguna s de desecación ; en éstas la salinidad alcanza el nivel de satura­ ción. El pH cambia de forma para­ lela y varía de neutr o (7,0-7,2) en los manantiales a básico (8, 0-9,7) en los lagos terminales en fase de desecación. En razón de su extraordinaria ri­ queza de es pecies, muchas de ellas endémicas, Cuatro Ciénegas fue de­ clarada Reser va de la Biosfera en 1994. Apenas si se ha explorado la razón de tam aña biodiversid ad, aun­ que se ha suge rido que el valle sirvió de refu gio a los peces y la fauna terrestre del Pleistoceno. La historia

geo lógica del valle podría dar cuenta tambi én de esa variedad de especie s; formó parte de la reg ión cos tera del prot o-Golfo de Méx ico, hace al me­ nos 206 millones de años, en cuyo mom ento se desarroll aron las comu­ nidad es de tapices microbi anos y es­ trom atolit os co n s us invert ebr ado s asoc iados (caracoles y crustáceos) . Este relicto del mar del Jur ásico que­ dó aislado de la cos ta hace unos 150 mill ones de años , cuando se produj o la elevac ión de la región oriental del continente norteamericano. Los tapices microb ianos y los es­ trom atol itos son es truc turas forma­ das por conso rcios de procariotas, que se distinguen por una notable complej idad taxonóm ica y un des ­ tacad o dinamismo metabólico. Estos consorcios revisten suma importancia evolutiva. Sabido es que los estroma­ tolitos constituye n los fósiles conoc i­ dos más antiguos de nuestro plan eta; dom inan el registro fósil dur ante los miles de millones de años de vida que precedieron al Cá mbrico. Merced a su elevado co mponente miner al , los estromatolitos opo nen resisten ­ cia a los procesos de transformación geo lógica, por cuya razó n han persis­ tido fósi les . En la act ualidad crec en adosa dos a talud es o en el fondo de aguas someras, for mando arrec ifes en mini atur a, o sueltos a la manera de esférulas deform adas sobre los sedime ntos (oncolitos) . En general, los es tromatolitos me­ dran sólo en ambientes muy particu­ lares: zonas de intermareas marin as, de elevada salinidad, y enclaves de agua dulc e, rica en calcio ; estos h á­ bitats suelen ser pobres en espec ies aje nas a los estromatolitos. Cuatro Ciénegas constituye el lugar del pla­ neta que alberga mayor diversidad de est romatolitos y tapices microbi ano s vivos . Nuestros est udios indican que dichos conso rcios microbi anos po­ drían enco ntrarse en la base de la cade na trófica de este sistema. Desde otro punt o de vista, los ta­ pices microbi anos y est romatolitos representan un modelo exce lente para el est udio de la eco logía microbi ana y la biogeoqu ímica. Observamos allí

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2. Poza Azul. Cuatro Ciénegas, Coahuila. Bajo el agua se observan arrecifes de estromatolitos.

gradientes fisicoqu ímicos del medi o a los que se han adaptado los diferentes componentes del consorci o. Des tacan los consorc ios por su eficaz fij ación de carbono , nitrógeno y azu fre, con su consig uiente repercu sión en los ciclos biogeoquímicos. Ahora bien, si estas maravillas mi­ crobianas resultan tan eficaces, ¿por qué no las vemos repartid as por todo tipo de ambientes? Demuestra el regis­ tro fósil que se produj o una caída de la abundancia de estromatolitos hacia el Cámbrico temprano; merm a que se atribuye a su tasa de cre cimiento, muy lent a, y a la acción directa de los herbí voros primitiv os. Tales consor­ cios quedaron confinados a ambientes extremos de escasez nutrientes y alta salinidad, que impedían el desarrollo de muchos metazoos diversos. Este es el ambiente que encuentran hoy en Cuatro Ciénegas. Los diferentes grupos bacte rianos que integran estos consorcios se orga­ nizan en láminas horizont ales, en una disposición que depende de las carac­ terístic as biogeoquímicas requerid as por cada grupo metabólico. En los estromatolitos de Cuatro Cié negas se observa una capa superficia l de color verde claro, que alberga una gran di­ versidad de diatomeas y filamentos de Calothrix sp., cianobacteria portadora de scitonemina, un pigment o que, al proteger de la radiación ultr avioleta, facilita el crecimiento celular. En la segunda capa, de color verde osc uro, se aprecia una mayor abundancia de

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filam entos de Calothrix sp. y de otras cianobacterias como Halomicronema excentricum, Plectonema cf. batte rsii, Oscillatoria neglecta y Leptolyngbya sp.; se estima que la actividad de fija ­ ción de C y de N z es máxima en esta capa. En la tercera, de color café, se reduc e la presencia de filamentos de cianobacterias y abundan las bacterias heterótrofas, ya que ahí es donde se acumula may or cantidad de materia orgánica. Si por sí solos los microorganism os hacen ya de Cuatro Ciénegas un atrac­ tivo laborat orio vivo, la coexistencia de las comunidades estromatolít icas co n peces, car acoles, crus táceos y otros anim ales com plejos, convierten a estos manantiales y pozas en un ecosistema único en el mund o mo­ dern o. Ade más , este valle permit e es tudiar la evoluci ón tempran a de la vida en nuest ro plan eta. La va­

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rie dad de ambientes parti culares, la abundancia de especies endémicas y la elevada biodiversida d configuran un tesoro que debe conservarse para las generaciones futuras . Sin em bargo, la labo r de conserva­ ción debe afro ntar varios obstác ulos . Por una parte, debido a las condi cio­ nes amb ient ales extrema s, se trata de un eco sistema extraordinaria mente frági l. Por otra, la activi dad agrícola provoca alteraciones del ento rno con efec tos dramáticos para la diversidad: fertilizantes y pesticid as que contami­ nan los acuíferos y desvíos del agua para el riego que termin a por agotar cauces y pozas natur ales. L UISA 1. FAL CÓN, L UIS E . EGUIARTE

Y V ALERIA SOUZA Depto. de Ecología Evolutiva, Instituto de Ecología UNAM, Coyoac án (México)

Comportamiento eléctrico anómalo del agua

Películas negras de Newton

E

l agua no deja de sorprendernos . Sus propied ades han desafiado, un a vez más, nuestro con ocimi ent o científico. En fech a reciente, hemos mostrado que el agua atrapada en­ tre películas de detergente común (el surfactante Dodecil sulfato sódico, o SDS) present a un co mpor tamiento eléc trico anómalo. Estos resultados podrían arroj ar luz sobre campos tan diversos como la fisicoq uímica de los detergentes, la física de los líquid os y la biofísica de las membranas ce­ lulares. En circuns tancias ordinarias, el agua se co mporta como un medi o di eléctrico con una permi sivid ad rel ativa de 80; signi fica esto qu e atenúa los campos eléc tricos que se le aplican hasta hac er su inten sidad 80 veces más pequ eña. Las co nse ­ cuenci as químic as de este fenóme no revisten suma import ancia. Afe cta, por eje mplo, a los campos y fuerzas eléctricos que crea el SDS y otro s sur­ factantes iónicos, que intervi enen en la formación de burbujas y espuma . La s teorías físicoquímicas actuales permiten predec ir estos campos en determinadas experime ntos, pero fra ­ cas an en otros . Todavía no sabemos qué es lo que fa lla.

Para reso lver ese enigma, hemos es­ tudiado capas de agua de entre 0,75 y 5 nanómetros de ancho, recubiertas de SDS, como las que forman las paredes de las burbujas de jabón. Reciben el nombre de películas negras de Newton, en honor a Isaac Newton, el primero en estudiarlas. (Bajo una luminosidad normal muestran una coloración negra, a diferencia de las burbujas o pelícuE

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1. Campo eléctrico debido sólo a la respuesta dieléctrica del agua tlinee de ountos; Campo eléctrico total creado por los iones del surfactante (SD - y Na ' ) y las moléculas de agua (línea continua); en virtud del comportamiento eléctrico anóma lo del agua, aparece confinado en una estrecha región de contacto entre las dos sustancias.

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comp lejas. Crea as í capas de unas tres moléculas de gro sor, ligadas a las moléculas de SDS. Ello le permite contra rrestar el ca mpo eléc trico que crea el surfactante ionizado. A med i­ da que nos alej amos del surfac tante, la organización del agua decrece. Se observa, pues, un ca mpo eléctrico en­ teramente confinado en una estrecha región de contacto entre el surfacta nte y el agua, campo que se anula en el res to de la películ a acuosa . Result a sorprende nte que el agua no respond a de form a local a las va­ riaciones del ca mpo creado por el surfac tante, co mo se esperaría en un medi o dieléctrico ordinario. Se com­ porta, en ca mbio, de form a global. Si se trata de película fina de agua, el comportamiento global ofrece mayor estabilidad term odin ámi ca que el lo­ cal. Cabe pensar qu e esta respuesta anómala se mani fieste en numerosos sistemas de interés biológico donde el agua está en contacto con espec ies dotadas de carga eléctrica ; por eje m­ plo , en el caso de las interacciones entre membr anas celulares o entre cade nas de ADN . 2. Película negra de Newton: capa acuosa de un grosor -en general- entre 0,75 y 5 nanómetros de ancho recubier ta de detergente. En la imagen se distinguen los átomos de sodio (azun y las cabezas de surfactan te (roj o y amarillo) del SDS. Estructuras como ésta se encuentran en las paredes de las burbujas de jabón.

las más gruesas, que se presentan en colores.) En razón de su semejanza con las membranas celulares, resultan útiles para crear modelo s sobre las fuerzas que actúan durante la fusión de dos membra nas biológicas y otros procesos de parejo interés . Hemos realizado simulaciones por ordenador de sistemas en equilibrio termodinámico for mado s por capas delgadas de agua recubiertas de molé­ culas de SDS . Los cálc ulos se realiza­ ron en uno de los superco mputadores más pote ntes del mundo: el HPC x del Ce ntro de Supercomputación de Edimb urgo . El cam po eléctrico generado por el surfactante ionizado debería re­ ducirse en un factor de 80 deb ido al comportamiento dieléctrico de l agua . Eso afirma la teoría vigente. Sin embargo, la rea lidad observada revela otra cos a. El agua se comporta de una forma atípica: se organi za en su conjunto para for mar estructuras

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l ORD! F ARAUDO

Depto. de Física, Universidad Autónoma de Barcelona F ERNANDO BR ESME

Depto. de Química, Imperial College, Londres

El bacalao salado Su origen y preparación esde muy ant iguo, se ha con­ D sumido baca lao en los paíse s nórdicos. Se empleaba el secado al sol como medio de conservarlo . Al que para su secado se exponía en pértigas, de las que colgaban pares de eje mplares atados entre sí por la co la, se le llamaba "stockfish" , Se le distinguía del "rockfísh" , baca­ lao seco tambié n, que había sufri­ do previamen te un ligero salado. Se atribuye a los ba lleneros vasco s la aplicación del salado como método de conservac ión del bacalao . En com­ paración con los países del norte de Europ a, la sal abundaba en los paíse s mediterráneo s. El bacalao salado se convirtió pron­ to en el rey de las salazo nes. En esa situac ión de privilegio ha permanecí -

do durante siglos, aportando proteínas de elevado valor biológico a la dieta de numerosas regi ones del mund o. Una afortunada conj unció n de facto­ res, algunos concatenado s, lo posib i­ litó: abundancia, fác il capt ura, precio asequible, su naturaleza de pescado blanco (con muy bajo contenido en grasa) que permitía una prolongad a conse rvac ión, menor proclividad al enra nciamiento y desarrollo de una serie de aromas y sabores muy apre­ ciados por los consumidores. Añáda ­ se a ello, en los países católicos, la absti nencia de carne en cuaresma, los viernes de todo el año y determina­ das vigilias religiosas, que venían a supo ner unos 120 días al año, que potenció su consumo co mo fuente de proteínas.

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El baca lao salado empezó a tener

gran importancia comercial en España

en el siglo XVI.

Existe constancia de que el bacalao salado comenzó adquirir importancia comercial en España a partir del si­ glo XVI. Se introduj o en el mercado ante la esc asez de merlu za secada al aire, que era el pescado cec ial que .ocupaba antes su lugar en los hábitos de consumo de los españoles. Arraigó tanto que, cuando se emplea todavía hoy la palabra bacalao evoca mos a su forma salada. . Un produ cto hoy hart o co mún en las mesas de España entera, aunque con parti cul ar incid encia en el País Vasco y Cataluña, distin guí anse an­ taño dos ámbitos de co nsumo. De bacal ao seco se alimenta ban los es­ clavos de las planta ciones de caña de azúcar del Caribe, prácti ca que sigue siendo hoy habitu al en ambas zonas. La expres ión castellana "e l que cor ta el bacalao", para referi r­ se a la persona que mand a, parece der ivar de ese co ntexto : en los in­ genios azuc areros el que "co rtaba el bacalao" era el cap ataz. El otro ámbito de consumo corres ponde a Euro pa, cuyos con sumid ores era n mucho más exige ntes en cuanto a la calidad del produ cto salazo nado . El mercado caribeño se aprovisio­ naba del bacalao procedente de los bancos de Terranova y El Labrador. Europa termin ó abasteciéndose con las capturas en sus pro pias aguas sep tentrionales ; su mayor ca lidad respondía a un proceso más refinado de elaboración. La forma tradicional de obtención del bacalao salado ha sido el apil ado de capas suces ivas de sal .y pescado eviscerado y limpio . Los montones suelen alcan zar en torno a un metro. El tiemp o mínimo del proceso de salado o curado dur a un par de se­ manas, en el transcurso de las cuales penetra cantidad suficiente de sal en el interior del bacalao para hacerlo estable y se desarrollan el sabor y aroma característicos. Al final del pe­ ríodo de perm anencia en pila de sal, se separan las piezas y se eliminan los cristales de sal de la superficie. El bacalao así obtenido se conoce como "baca lao verde" . Pasa éste a la operación de secado, que rind e el bacalao seco-sa lado; suele clasi-

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fic ársele en función de la humedad absorbida. Además de apil arlo en sal só lida, se puede salar sumergié ndolo en sal­ muera o a través de llamado salado mixto ; en este tercer procedimient o, el bacalao empieza rodead o de sal sólida y aca ba rodeado de una sal­ muera debid o a la disolu ción de la sal en el agua que sale del int erior del bacalao dur ante el salado . Al­ gunas empres as al sa lado con sal sólida le antep onen un salado con salmuera dur an te varias horas. En otro orde n, co nvie ne di stin­ guir entre "bacalao nacion al" y de "importación" . El prim ero se ela­ bor a en bacal ader os es pañoles qu e fae na n en mar es del norte. Sa la n api ladas las pi ezas en alta mar. El bacala o de importac ión sue le pro­ ce de r de Nor ueg a, Islandia y Dina­ marca, co n ban cos en sus pr opi as ag uas . Sus bar cos salan las piezas de bacalao, frescas, re frigera das o con gelad as, en factor ías ubi c ad as ce rca de las áreas de pesc a . La investigaci ón ha dem ostrado qu e el rendimien to del sa lado del bacalao antes de qu e entre en rigor m ortis es mu ch o men or qu e cua ndo se le sa la tra s varios días de alma­ ce na mie nto.

El bacalao salado pasa actualmen­ te por una situació n contradictoria. Por un lado se ha co nvertido en un producto muy apreciado co mo in­ gredie nte de platos típi cos, pero por otro lado sufre una serie de factores adversos . Nos encontramos, además, con un os bancos esquilmados . De hecho, atraves amos un período de moratori a, que proh íbe pescar baca­ lao en Terr ano va y zonas cercanas . Aunque no de una fo rma tan drás­ tica, tambi én se aprec ia una dismi­ nución de los bancos de bac alao del nort e de Euro pa. Por otro lado, asis timos a una tendencia hacia el consumo de pro­ ductos con bajo conte nido en sodio para reducir riesgos cardiovasculares conduce a la exclusión del bacalao de muchos regímenes alim entici os. El bacalao salado, por último , ha de hacer frente a los cambios en los hábito s de vida. Las empresas comer­ cia lizado ras han intro ducido en el mercado bacalao desalado congelado, que una vez descongelado se encuen­ tra listo para ser coc inado .

rosa M ANUEL

B ARAT

Depto. Tecnol ogía de Alimentos, Universida d Politécnica Valencia

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Texto y fotografías: Ricardo Anadón

Una bomba biológica en la Antártida

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1. Durante el deshielo, en el transcurso del breve verano austral, se producen intensas floraciones de microalgas. Estas constituyen la base del transporte acelerado de materiales carbonatados hasta el sedimento. Durante las campañas oceanográficas FRUElA se utilizaron trampas de sedimentación (abaj o) para medir el efecto de la "bomba biológica " de carbono en las aguas antárticas.

L

os océanos inciden en el clima a través del intercam­ bio de dióxido de carbono con la atmósfera. Mediante la asimilación del carbono disuelto, las microalgas y todos los organismos que medran en las aguas superficia­ les facilitan el transporte de partículas orgánicas hacia el sedimento y las capas profundas. El material carbonatado depositado se entierra bajo nuevas capas de sedimento y permanece almacenado durante millones de años hasta transformarse en nueva roca sedimentaria. A este meca­ nismo de transporte acelerado de carbono se le denomina "bomba biológica" de carbono. En el transcurso del verano austral, en las aguas antárticas se producen intensas floraciones de microalgas, que aprove­ chan la elevada disponibilidad de nutrientes y el comienzo de la estratificación estival. De ellas se alimentan el krill y las salpas, entre otros organismos del zooplancton. Ambos producen paquetes fecales de gran tamaño, que se hunden a velocidades de hasta un kilómetro diario. En estas áreas oceánicas, la "bomba biológica" desempeña una importante función en el transporte vertical de carbono; el sedimento se convierte así en un sumidero de carbono atmosférico. Las campañas oceanográficas del proyecto FRUELA analizaron el funcionamiento de la bomba biológica en estas áreas productivas. Se recogieron los materiales que sedimentaban con trampas; después de filtrarlos (a través de un filtro de 0,2 micras) se observaron mediante microscopía electrónica de barrido. Entre los sedimentos antárticos destacan las cé­ lulas de fitoplancton, fracciones de las mismas, agregados de diversos materiales y paquetes fecales de gran tamaño.

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2. En las zonas de mayor prcducti­ vidad, con elevada concentración de fitoplancton, el filtro de sedimentos aparece recubierto por un material orgánico amorfo. Sobre éste se ob­ servan valvas de diatomeas aisladas o en cadena IEucampia antarctica, Coccinodiscus sp, Rhizoso/enia sp y Corethron antarctica) y un paque­ te fecal de eufausiáceo.

3. En áreas poco productivas, con escasa sedimentación, el filtro de sedimentos aparece limpio de materiales orgánicos. En su lugar se observan dia­ tomeas aisladas o en cadena IFragi/ariopsis sp), restos de valvas, espinas de otra diato­ mea (Chaetoceros) y pequeños dinoflagelados.

4. Esta imagen aumentada muestra la complejidad de los agregados recogidos en el filtro de sedimentos. Se observan restos de diatomeas, escamas de Pyramimonas y material no identificable, posiblemente orgánico.

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Gases de Fermi atrapados ópticamente Unos pocos cientos de miles de átomos, enfriados casi al cero absoluto, simulan la física de otros sistemas singulares, como las estrellas de neutrones y los superconductores John E. Thomas y Michael E. Gehm

1cuenco, que apenas mide un milímetro de largo por una décima de milím etro de ancho, tiene paredes de pura luz. Un recipi ente etéreo, como exige su contenido, un conjunto de átomos de litio enfriados a menos de una millonésim a de grado por encima del cero absoluto. Pero no debemos pensar que esa muestra atrapada en la vasija de luz es una mera nub e de litio (al igual que no pen­ samos que un diaman te sea un cúmulo de carbonos) . Su verdadero valor se encuentra, no en los átomos que la componen, sino en su singular co nfiguración: la de un gas de Fermi degenerad o. Se trata de un nuevo es­ tado de la materia; quizá, de cuantos pueda haber en una mesa de laboratori o, el estado más próximo a una estrella de neutrones y a la materia quark del universo primigenio. Aunque predicha la exis tencia de los gases de Fermi degenerados hacia los años treinta del siglo pasado, no se creó uno realment e independi ente, en el laboratorio, hasta hace algo más de un lustro. Lo más parecido que conocíamos era la nube de electrones del interior del cobre o de cualquier metal común. A pesar de la solidez del metal, los electro nes se comporta n co mo un gas: cuentan con libertad para moverse (por eso co nducen electric idad los metales), pero sus energías han de seguir un estricto orden jerárqui co, el mismo hallado en los gase s de Fermi degenerados que hemos producido. Estos gases están relacionados con otro curioso ente cuántico que aparece a temperaturas muy bajas: el co n­ densado de Base-Einstein. El equipo de Eric Cornc ll y de Carl Wiema n, de la Universidad de Colo rado, creó el primero de esos condensados en 1995 . (En el año 200 1, Corne ll y Wieman fueron galardonados por su trabajo con el Premio Nobel j unto con Wolfgang Kette rle, del Instituto Tecnológ ico de Massachuse tts, MIT). El gas atómico degenerado de Fermi resulta más difí cil de crea r porque enfrenta entre sí dos preceptos de la mecánica cuántica : el principio de indetermin ación de Heisenberg y el principi o de exclusión de Pauli. El pri­

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mero establece que la posición de una partícula se hace más ambigua cuanto mejor se conoce su velocidad. En un gas ultrafrío, la velocidad de los átomos se conoce con una gran precisión: casi cero. Por lo tanto, los átomos se expanden en manchas de diez a mil veces mayores que los átomos a temperatura ambiente. Estos borron es no representan un problema para el condensado de Bose­ Einstein, porque lo componen átomos "sociables", de la famili a de los bosones, que gustan de solaparse. Pero el gas de Fermi dege nerado está formado por átomos aislados, del tipo de los fer miones (co mo el litio de nuestra trampa), los cuales, de acuerdo con el principi o de exclusión de Pauli, no pueden compartir el espacio con sus vecinos. Fabrica r uno de estos gases viene a ser como querer guardar globos en un armario. Recientemente, nuestro grupo ha podid o examinar la natur aleza cuántica de los globos expandiendo su ta­ maño por medio de una estratage ma cuántica: recurrir a las interacciones fuertes, que ligan átomos entre sí a distancias mucho mayor es que las ordinarias. Existen algunos indicios interesantes, todavía no prob ados, de que las interacciones fuertes hacen que los átomos se agrupen en "pares de Coo per". La presencia de pares de Cooper exp lica la superconductividad y algunos ti­ pos de la superfluidez. Pero antes de que describam os las propiedades más notables del gas, tomémonos unos momentos para detallar los grandes obstáculos técnicos que hubo que superar.

Enfriamiento por láser La creación de sistemas cuánticos macroscópicos, como los gases de Fer mi degenerados y los condensados de Ba se-Einstein , ha sido posibl e gracias a los avanc es técnic os del enfria miento óptico. En la mayoría de los experimentos con gases ultrafríos, los campos magnéticos atrapan a los átomos . Lo s cuencos ópticos utili zan, en cambio, campos eléctricos, que tienen la particularidad de acorra lar cualquier cla se de átomo, mientras que las trampas magnéticas actú an sólo sobre ciertos tipos.

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En el caso más simple, un cuenco óptico co nsiste en un intenso rayo láser muy enfocado hacia una de­ terminada región donde se ha hecho un vacío casi perfecto. La luz dirige los átomos o moléculas fríos hacia el punto focal, dond e los co nfina en un entorno sin calor y sin fric­ cio nes, ideal para el estudio de los fenómenos fundamentales . ¿Por qué un haz de luz enfoc ado atrae a los átomos? La luz es una onda elec tromagnética, formada por campos magnéticos y eléc tricos os­ cilantes. El campo eléc trico de un rayo de luz ejerce una fuerza sobre las partícul as con carga, y los elec­ trones y los protones del átomo es­ tán cargadas. Un átomo, no obstante, tiene el mismo número de electro nes y protones y, por lo tan to, es eléc­ tricamente neutro. Aun así, aparece una fuerza, por una razó n un tanto sutil: el gradiente del campo. Si, por ejemplo, el campo eléctrico apunta hacia arriba y hacia el foco, el núcleo de un átomo, cargado positi­ vamente, que se encuentre debajo del haz de luz será atraído hacia arri ba, mientras que su nube electrónica, de carga negativa, sufrirá una atracc ión hacia abajo . El núcleo, al estar más cerca del foco del haz, donde el cam­ po eléctrico es mayor, experimentará una atracc ión un poco superior a la repulsión de la nube de electrones. Habrá, pues, una fuerza neta hacia arriba que actuará sobre los átomos . Si la situación fuera a la inversa, con el campo eléctrico apuntando al revés que el haz de luz, los núcleos se alejarían y la nube de electrones se acercaría. La fuerza neta seguiría estando dirigida hacia el foco . Por razo nes demas iado complejas para exp licarlas aqu í, sucede lo mismo con los átomos situados a lo largo del eje del haz de luz, aunque por delante y por detrás del foco . Por lo tanto, sin importar en qué dirección apunta el campo eléctrico, el átomo será siempre atraído suavemente ha­ cia el interi or. La palabra clave es "s uavemente" . A temperatur a ambiente, o incluso muy por debajo de ella, los movi­ mient os térmi cos alea tor ios de un átomo superan con creces el débil empuje del láser. Para encerrar los átomos en un cuenco óptico se ha de utili zar un láser de gran potencia y enfriar el entorno hasta temperaturas

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1. LOS EXPERIMENTOS CON GASES DE FERMI ULTRAFRIOS ayudan a comprender la física de sistemas extremos; entre ellos el interior de las estrellas de neutrones, como la creada tras la explosión de supernova de la Nebulosa del Cangrejo (arriba). Las estrellas de neutro­ nes no se convierten en agujeros negros; lo impide la "presión de Fermi", consecuencia ésta del principio de exclusión de Pauli.

bajísimas, de suerte que los átomos se muevan muy despacio . El láser de dióxido de car bono que empleamos en nuestros exper imentos posee una intensidad en el punto foca l de dos millones de watt por centímetro cua­ drado, más que suficiente para cortar el acero. Pese a tamaña intensidad, el cuenco óptico sólo es capaz de confinar átomos cuya temperatura ini­ cia l sea inferior a una milésim a de grado por encima del cero absoluto. (Hab lando con precisión técnica, los átomos, individu almente considera ­ dos, no posee n temperatura per se . Pero no cuesta convertir su energía cinética a un equivalente de temp e­ ratura, que nos dice la frialdad que debe tener el gas para que permanez­ ca dentro del cue nco óptico) . Puesto que los áto mos han de es­ tar muy fríos para poder apresarlos

con un rayo láser, la creacion del cuenco óptico es la seg unda par te de un procedimiento que consta de tres . Primero, enfriamos varios cientos de miles de millones de átomos de litio hasta temperaturas de 15 millonési­ mas de grado por encima del cero abso luto con una trampa magnetoóp­ tica, método hoy ya corriente. Esa trampa emplea seis rayos láser rojos, ordena dos en tres pares orto ­ gonales. Cada par de l áseres frena a los áto mos de litio en una única dirección mediante el efecto Doppler. Desde la pers pec tiva de un átomo en movimi ento, el rayo láser que se propaga en dirección opuesta parece tener una frec uencia mayor ; para el átomo es como un "vien to de cara" crecido. Al propio tiempo, el rayo láser que se prop aga en la misma dirección que el átomo tendrá, desde

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2. SE PU ED EN ATRAPAR LDS AT OM OS NE UTR OS de una nube de gas enrarecida y fría (nube naranja) con un "cuenco óptico", un láser intenso (azul) que conduce los átomos hacia su foco. El campo eléctrico oscilante del láser provoca que los núcleos atómicos con carga positiva se separen de los electrones cargados negativamente. Puesto que el campo eléctrico (flechas negrasl es mayor cerca del foco, la fuerza en el lado positivo del átomo no queda compensada del todo por la fuerza opuesta en el lado negativo. Así, debajo del haz de luz la fuerza ejercida hacia arriba sobre la parte superior del átomo supera ligera­ mente a la fuerza ejercida hacia abajo sobre su parte inferior. De igual forma, por encima del haz de luz, la fuerza hacia abajo ejercida en la parte inferior del átomo supera a la fuerza hacia arriba sobre la parte superior. Por lo tanto, en todos los casos aparece una fuerza neta (flechas de color magenta) que empuja a los átomos hacia el interior.

el punto de vista del átomo, una fre­ cuencia menor: un "v iento de cola" atenuado. Puesto que estos efectos aumentan con la velocidad del átomo, la luz del láser parecerá actuar como una fuerza viscosa. Esta es la razón por la que uno de los inventores de la trampa magnetoóptica , el premio Nobel Steven Chu, de la Universidad de Stanford , acuñó la muy apropiada expresión "melaza óptica". Sin estas "melazas" , un átomo que entrase en nuestro cuenco óptico lo atravesaría sin más, igual que una canica tirada contra una fina taza de té la aguje reará. La trampa magne­ toóptica equivale a llena r de miel la taza; la canica llegaría al fondo del cuenco frenada casi de l todo . Parecía, pues, que teníamos que poder inac­ tivar las melazas una vez cargado el cuenco óptico y retener en éste los átomos durante mucho tiempo . Al menos, en teoría. En la práctica, los cuencos ópticos no funcionaron co mo se esperaba hasta finales de los años novent a, c uando nuestr o grupo descubri ó el causante de su destrozo. Los átomos osci lan dentro de un cuenco óp tico co n una fre­ cue nc ia característica: en nuestr os ex perime ntos , oscila n 6600 vece s

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por seg undo en la di rección corta y 230 veces por segundo en la lar­ ga. (Esta seg unda frec uencia result a menor porqu e la atracción hacia el centro del cuenco óptico es más débil que en la dirección axial.) Los láseres que se utili zaban no eran es tables; presentaban fluctuaciones de inten­ sidad que dupli caban la frec uencia de los átomos en la trampa. Para hacernos una idea del probl e­ ma que ello supone, imaginemos un átomo oscilando de lado a lado en un cuenco cuyas paredes vibren hacia dentr o y hacia afuera. El movimi ento hacia dentro de un lado del cuenco empuja al átomo. Cuando alcan za el otro lado (a la mitad de su período de oscilación), se encuentra con el otro extremo de la pared, que de nuevo se mueve hacia dentro. Y el áto mo recibe un nuevo empujó n. Una y otra vez las paredes agitan al átomo hacia delante y hacia atrás, hasta echarlo del cuenco en unos segundos . Resol vim os es te pr obl em a en 1999 al construi r un láser diseñado para operar sin tales osc ilaci ones de intensidad. Logram os atrapa r los átomos dur ant e cinco minutos, un tiempo cientos de veces mayor que en cualquier cuenco óptico anterio r.

Desde entonces, hemos reemplazado este láser con una unid ad comercial suma mente esta ble y más potente; ahora podemos contener los átomos durante casi siete minut os. Tr as co nfinar los átomos en el cuenco, aún no está n lo suficiente­ mente fríos para que sucedan los fe­ nómenos cuánticos. Hay que enfriar aún más en el tercer y último paso: el enfriamiento por evaporación. No exis te nada extra ño en este proceso ; está inspirado en la manera en que se enfría una sopa . Cuando choca n dos átomos , en ocasiones consiguen unir sus energ ías y uno de ellos gana el ímpetu necesario para esca par de la tram pa o "evaporarse" . El otro se frena. Entonces co lisiona co n otros átomos de la trampa, enfriá ndolos, y el proceso continúa . Con el tiem ­ po, los átomos están tan enfriados , que incluso dos de ellos juntos no suman la energía necesaria para que uno esca pe. En este punt o finali za la evaporac ión y se estanca el en­ fria miento. Para solventar el nuevo contrati empo, disminuimos poco a poco la intensidad del rayo láser atra­ pador: bajamos los bordes del cuenco óptico . De ese modo, algunos de los átomos más calientes puedan esca­ par. Así perdemos una tercera parte de los átomos, pero los que quedan está n tan fríos, que forman el gas de Fermi degenerado.

Efectos cuánticos Según la mecánica cuántica, la mate­ ria exhibe propiedades de partícula y de onda. Cuando a una partícula, un electrón o un átomo completo, se la considera una onda, se dice que tiene asoc iada una "longitud de onda de De Broglie", que determina el "tamaño" efec tivo de la partícula. La longitud de onda de De Broglie varía con la inversa del momento. Al aumentar el momento, como ocurre en un acele­ rador de partículas, la onda se hace muy pequeña. (Por eso se necesitan aceleradores de partículas para explo­ rar los diminut os componentes de los átomos.) Con un momento muy pe­ queño -es el caso de nuestra trampa óptica-, el átomo se expande como un globo. A estas temperaturas tan bajas, el globo tiene un diámetro de casi una micra, tamaño resoluble con un buen microscopio. Si la lon gitud de onda de De Bro glie crece dem asiado, los glo-

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bos empeza rán a tocarse e intentarán solaparse . En este moment o, el gas recibe el nombre de "degenerado"; su co mportamiento no viene gobernado por las leyes de la físic a clás ica , sino por las reglas cuá nticas.

El Yin y el Yang Desde los años treint a, se sabe qu e las partícul as cuánticas se agrupa n en dos ca tego rías : bosones y fer mio­ nes. Los bosones idénti cos son partí­ cul as grega rias : prefieren oc upar los mismos es tados de energía que sus vecinos. Esa es la naturaleza de los fo tones (las part ícul as de la luz); se ve en los l áser es, dond e los fotones de una det erminad a energ ía estimu­ lan a los átomos par a qu e emita n más foton es de la mism a energía. Las partícul as de las qu e es tá compuesta la materia co mún - los protones, electro nes y neutrone s­ so n fer miones . Su compor tamie nto difiere mucho del de los bosones. Tal y como Enrico Fe rmi y P. A. M. Dira c descubri eron , estas partícul as rehú yen la compañía. Dos fer miones con el mismo "es pín" no pueden ocu­ par el mismo nivel de energía ni la misma región del espacio. (El "es pín" de una part ícula guarda relación con la orientac ión de ésta en un campo magnéti co. Hay espín hacia arr iba y espín hacia abajo .) Este compor­ tamiento present a consec uencias de peso en la vida cotidia na. Explica la tabla periódi ca de los elementos . La segunda fila de la tabla peri ódica, por eje mplo, cuenta con ocho elementos porqu e la segunda capa electrónica de los átomos tiene otros tantos hue­ cos para los electrones . Dos electro ­ nes nunca pueden ocupar el mismo hueco, porqu e son fermiones . Las partícul as co mpues tas, entre ellas los átomos y las molécul as, actúan como fermiones si están for­ madas por un número impar de fer­ miones, y como bosones si contienen un número par. Por tanto, el 6litio, con tres protones, tres neutrones y tres electrones, es un fermión compuesto, mientr as que el 7litio, que cuenta con un neutrón más, es un bosón compues­ to. A temp eraturas corrientes, los dos isótopos presentan propiedades quí­ micas similares, pero a temperaturas ultrabajas salen a luz sus diferentes personalidades cuánticas. Cuando un gas de bosones com­ puestos, así uno de 7litio, se enfría

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3. LA CREACION y ESTUDIO POSTERIOR de un gas de Fermi degenerado comienzan con una nube de átomos de litio, a los que se frena con seis rayos láser dirigidos hacia el interior de una trampa magnetoóp· tica (líneas rojas en el diagrama superior), donde se genera una "melaza óptica". (Las flechas azules en forma de anillos indican la dirección de la corriente en dos parejas de bobinas adyacentes, generadoras de un campo magnético.) Una vez que los átomos se han enfriado a 150 millonésimas de grado por encima del cero absoluto, quedan confinados en el "cuenco óptico" por un haz láser enfocado (verde). Puesto que la fuerza es mayor en la dirección perpendicu­ lar al haz que en la longitudinal, el cuenco produce una nube de átomos con forma de puro (centro). Al disminuir poco a poco la intensidad del láser, algunos de los átomos se escapan, enfriando los que quedan hasta 50 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. El gas está "degenerado" a esta temperatura: se trata de un estado muy organizado, que se comporta como un átomo supergigante. Los autores estudiaron este fenómeno apagando el láser que crea­ ba el cuenco óptico, con lo que el gas se expandía. Obtuvieron una secuencia de irná ­ genes de la evolución de la nube mediante pulsos cortos de luz de láser (amarillo en la imagen de abajo) que atraviesa el gas antes de incidir en una cámara (verde). El comportamiento de la nube durante la expansión "recuerda" su pasado de gas de Fermi degenerado.

en un cuenco óptico, ocurre una rá­ pida transición en el moment o de la degen er ación (la " temperatur a de transición"). De repente, el gas cambia de clásico, con los átomos en varios niveles de energía, a gas en el que todos los átomos tienen la misma energía, la menor perm itida por el conte nedor. Es decir, todos los átomos oscilan con la mínima energía y la mayor longitud de onda posibles. Vibran al unísono, como si fueran un átomo enor me : un co ndens ado de Ba se-Ein stein . Cuando un gas de fermiones com­ puestos, por ejemplo uno de 6litio, se enfría hasta la temper atura de transició n (llamada "temperatura de Ferrni" en el caso de los fermiones), ocurre una transformación diferente: los átomos se agrupan por sí mismos

de manera muy organiza da; dos es­ tán en el mínimo estado energé tico perm itido, otros dos en el siguiente estado de menor energía, y así suce­ sivamen te, como si fuera n electrones de un átomo regular. El resultado final es un gas de Fermi degenerado. Poco después de que Cornell y Wie­ man crearan el primer condensado de Ba se-Ein stein, se intentó producir un gas atómico degenerado de Fer mi. (Rec uérdese que los gases de Fermi degenerados de electro nes ya se cono­ cían, en cualquier metal conductor.) En 1999 Deborah Jin, de la Univer­ sidad de Colorado, lo logró con po­ tasio-40 y una versió n modificada de las trampas magnéticas de Cornell y Wieman. Por desgracia, el método de Jin no es aplicable a todos los átomos. A otros grupos de investigadores les llevó más tiemp o desarrollar técnicas

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4. TODOS LOS ATOMOS DE UN CONDENSADO DE BOSE·EINSTEIN se encuentran en el mismo nivel de energía, el mínimo disponible (izquierda). En un gas de Fermi degenerado, en cambio, sólo dos átomos (con espín nuclear opuesto) pueden compartir el mismo nivel de energía (derecha) . En virtud de ello, los átomos de este gas se distribuyen en una serie de niveles energéticos, hasta alcan zar el nivel correspondiente a la temperatura de Fermi. Cuanto mayor sea el nivel de energ ía del átomo, más amplio resultará el movimiento oscila­ torio dentro de la trampa.

generales. En el año 200 1, los equipos de Rand y Hulet, de la Universidad Rice, de Christophe Sa loman, de la Escuela Superior Norma l francesa, y de Ketterle, del MIT, consig uieron el objetivo enfriando los fermiones con bosones ence rrados de ntro de la misma tramp a mag nética . Hulet y Saloma n demostraron que el gas de fermiones de Iitio-6 ocupa un vo­ lumen mucho mayor que el litio-7 bosóni co. Esta diferencia procede de que los fermiones hayan de ocupar niveles distinto s de energía; algunos deben entonces moverse en órbitas de gran radi o, mientra s que los boso nes se agrupan en el es tado de menor energía y goza n de un pequeño radio de movimiento. Al mismo tiempo, nuestro equipo de la Universidad de Du ke tambi én creó gases de Fer mi degen er ados cuya temp eratura no llegaba ni a una décima de la temp eratu ra de Fermi. Utilizamos métodos de enfriamiento exclusivamente ópticos. Estos gases muy degenerados son bastante esta­ bles y exhiben propiedades es pec­ taculare s en cuanto se los somete a " interacc iones fuertes" como las que mencion amos en la introducc ión.

La magia de las interacciones fuertes En un gas común, los choques entre átomos escasea n mucho y duran muy poco, de ahí que en los átomos no influyan en gran medid a sus vecinos. Este no es el caso de los gases de

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Fermi con interacciones fuertes dege­ nerados, donde los átomos se empujan unos a otros y se encuentran casi en un estado de colisión consta nte. La palabra "co lisión" o "c hoque" es qui zás un tanto drástica para des­ cribir el co mpo rtamie nto de es tos gases . Se suele emplear el término "interacc ión", más neutro. Per o no se deben confundir estas interacciones de gran distanc ia con las fuer zas clá­ sicas . Una interacción ocurr e cuando dos partículas intent an compartir el mismo estado rea l de energía; o bien lo hacen amigableme nte (como es el caso de los bosones), o luchan por ello (el ca so de los fermiones) . La distancia a la cual las part ícula s "notan" la presencia de otras partí­ cul as se den omina longitud de dis­ persión. Se dice que una inter acción es fuerte si su longitud de dispersión es gra nde. En los últim os años, se ha demostrad o que resulta posibl e ca mbiar la lon gitud de disp ersión medi ant e la aplicación de campos magnéticos, aumentarla cuanto se ne­ ces ite e inclu so cambiar su signo, de atractiva a repulsiva. ¿Por qu é res ulta posibl e ? Par a empezar, nuestro gas de Fermi de­ generado co ntiene en realid ad dos poblaciones de fermiones , una con el espín hacia arrib a y otra con el esp ín hacia abajo. La prohibi ción de que dos fermiones ocupen el mismo es pacio no se apli ca a fermiones con espín opuesto . Por lo normal, los áto­ mos de Iitio-6 con espín opuesto no

perciben la existencia de los otros; su longitud de dispersión es cas i nula. Cuando aplicamos un ca mpo mag­ nético, cambia la energía magnética intern a del átomo, que actú a como una barr a imanad a. Si la energía total de una pareja de átomos de es pín opues to co incide co n la de una molécula diatómi ca, los áto mos interact úan fuerte me nte. En cierto sentido, el campo magnético enga ­ ña a los átomos ; les lleva a creer que se encuentran en una molécula. Este fenómeno se denomina "reso­ nanci a de Feshbac h" en honor del fís ico del MIT Herman Fes hbach, qu e lo predij o. Cua ndo el ca mpo magn ético se ajusta correctamente, los átomos sienten la presencia de otros átomos que, desde un punto de vista atómi co, se encuentra n a distan cias enormes. Mas, ¿cuán enorm e? La longitud de onda de De Broglie impone una limitación: si dos átomos están más se para dos qu e la lon gitud de D e Bro glie, no se influir án mutu amente; sería como dos globos que pasaran el uno junto al otro sin tocarse. En un gas de Fermi, la longitud de dis­ persión no puede superar la longitud de o nda de De Broglie, qu e a su vez no debe ser mayor que el espa­ cio entre partícula s (para evitar que algunos fermiones de mismo espín se solapen). Per o a te mpe raturas mu y frías, la lon gitud de onda de De Brogli e crece hasta coi ncidir con el espa­ cio entre átomos. Ade más, cuando se ajusta de manera co nveniente el campo magnético, la resonancia de Feshbach dilata la longitud de disper­ sión hasta su máxim o valor posibl e: la lon gitud de onda de De Brogli e. Por lo tan to, cuando se co mbinan las temperaturas ultrabajas co n un campo magnético bien ajustado, la longitud de dispersión, la longitud de onda de De Broglie y el espacio entre partículas valen lo mismo . Nuestro equipo fue el primero en obser var el curioso fenó meno qu e ocurre cuando se prepara un gas de estas característica s y a continuació n se elimina el contene dor apagando el cue nco óptico. Al principi o, el gas atómico atrapado presenta la misma forma que el cuenco óptico : un puro largo, estrecho y fino. Al liberarse los átomos, el gas se expande radialmen­ te (en la dirección es trec ha del puro )

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mi entras permanece casi inm óvil en la direcci ón axial (la dirección larga del puro). Es un a consec uen cia de las fuerzas de presión qu e sufre el gas : cada pequeña porci ón gaseosa es imp elid a haci a fuera por la presión del gas de atrás y hacia de ntro por la presión del gas qu e tien e delant e. Es decir, el gradiente de presiones de­ termina la fuer za hacia fuera, que es mayor en las direcci ones radi ales del puro. En un gas co mún, los átomos dejan de ej ercer una pres ió n mutua en cuanto hall an un a vía de escape . Pero en nuestro gas de Fermi co n intera cciones fuer tes, los propi os áto­ mos (en rea lidad sus "g lobos" cuán­ ticos) continúan exp andié ndose hasta med ir tan to com o el espac io qu e ha y entre ellos; el gradiente de presio­ nes per siste, pu es, duran te bastan­ te tiempo . Esta met amor fosis sigue produ ciénd ose incluso cua ndo el gas dej a de int er actuar, porqu e, mi en tras los átomos se muevan librem ent e, su veloc idad radia l será ma yor que la axial. La nub e gaseosa se expande mu cho más dep risa radi al men te que longitud in alm ent e; su fo rma cambia, de pur o a ca labaz a. Deb ido a las interaccio nes fuer­ tes, los gases de Fe rmi degenerado s ex hibe n tambié n "co mporta miento univ er sal" . Valen así de mode lo de mucho s otros sistemas físicos natu ­ rales. "U niversa l" sig nifica aquí que todos los sis temas de Fermi co n in­ teracciones fuertes (cualq uier sistema cuya lon gitud de disper sión coinc ida con la se pa ració n entre partículas) se co mporta n de form a aná loga. No imp ort a qu e los fermio nes sea n áto­ mos, elec tro nes , qu arks o cualquier otra cosa . La manera en que es tos sistemas, tom ados en su co nj un to, int eraccion an es siempre similar. Por es ta razón , el gas de Fermi degen e­ rado de nuestro laboratorio sirve de model o ex per imental par a invest iga r las últimas teor ías sobre los quarks o las estrellas de neut rones. La transfor­ mación morfológi ca qu e observamos en nu estro gas rec ue rda mu ch o al co mpo rtamiento din ámi co que se les ha predich o hace poco a los pla sm as de qu arks y gluones . He mos in ten tad o ta m bié n deter­ min ar co n expe rimentos la "en ergía net a de int er acci ón " de un gas de Fermi co n interacciones fuer tes, es decir, la energía total de atracción o repulsión de un a pa rtícula sobre

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todas las qu e es tén en su radio de alca nce . Se pued e dem ostrar qu e en un sistema uni versal esta ca ntida d es proporci onal a la energ ía cinética m edia de las pa rtícul as. De la co nstante de proporci on a­ lid ad , beta, dep end e la estabilida d mecáni ca del sis te ma. La energía c iné tic a da lu g ar a un a re pulsión entre los fermiones interac tivos , la pres ión de Ferm i, que, al tender a se pa ra rlos, libra a las estrellas de ne utro nes de l co la pso gravita to rio y da estabilidad mecán ica a nu estro gas atra pa do . Pero la energía net a

de interacci ón también es fue nte de una pr esión , que pue de emp uj ar ha­ cia den tro o hacia fu era en razó n de l signo de la co nstante de pro­ porcion alidad . Si beta fuera menor qu e - 1, la presión haci a el interi or debid a a la energía de inte racción sería ma yor que la presión de Fermi hacia fu era, y el sistema se hun diría sobre sí mism o. Los fís icos nucleares han venido batallando dur ante treinta años para calcula r bet a. La complej idad de esta tarea se debe a que requi er e calcular inte racc iones donde participan mu ­

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Campo magnético (militeslas) 5. LA RESONANCIA DE FESHBA CH altera el comportamiento de un gas de Fermi deqene­ rado . A ese fenómeno se debe que la distancia a la cual los átomos influyen unos sobre otros - la "longitud de dispersión"- aumente drásticamente cuando se aplica un campo magnético de una intensidad determinada (arriba) . (Una longitud de dispersión positiva significa repulsión; negativa significa atraccién.) En el caso de los átomos de litio -B, la resonancia de Feshbach ocurre a la intensidad de 85 militeslas. En un campo magnético menos intenso, la molécula posee una energía menor que una pareja de átomos libres. Un campo magnético más intenso favorece energéticamente a los átomos libres (abaj o). Cerca de la resona ncia, los átomos libres y los que están ligados en moléculas se comportan de forma análoga; eso explica el aumento sustancial de la longitud de dispersión, o lo que los físicos denominan "interacciones fuertes ".

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Expansión de un gascomún

Comprimido

• •••• • •••• •••• Enexpansión

Expansión de un gascon interacciones fuertes

Comprimido

Enexpansión

6. EL COMPORTAMIENTO OE LOS GASES DE FERMI con interacciones fuertes cuando se expanden difiere del comportamiento de los gases normales. En un gas común, los átomos, una vez que se han liberado de un estado de compresión, rara vez interaccionan entre sí. En un gas de Fermi, oscilan dentro de "globos cuánticos", que se expanden a la vez que la separación atómica. En consecuencia, los átomos siguen ejerciendo una mutua presión de Fermi, interacción que opera a largas distancias.

chas partícul as. La mejor estimación teórica se cifra en torn o a - 0,5. Es decir, la energía neta de interacción debería aplicar una fuerza hacia den­ tro cuya intensidad fuera la mitad de la ejercida por la fuerza expa nsiva de la presión de Fermi. Ello resulta coherente con la mani fiesta estabi­ lidad de las estrellas de neut rones. Ni que decir tiene que no se puede raspar un trozo de una estre lla de neutron es y comprobar si ese valor es exac tamente -0,5 . Pero ahora hemos medido beta en nuestro laboratorio. Rudolf Grimm, de la Univers idad de Innsbruck, y Saloman han efectuado después mediciones parecidas. Nues tros prim eros experimentos han determinado que beta vale - 0,26. Hace poco, Saloma n ha obtenido un valor de - 0,3 a una temp eratura su­ perior, y Grimm ha medido valores más próximos a - 0,5. Es demasiado

Nube atrapada

temp rano para alcanzar un veredicto final, puesto que tanto los exper i­ mentos como los cálcul os teór icos pueden adolece r de errores sistemá­ ticos. Alienta la semejanza de todas las mediciones: se parecen tanto, que experimentado res y teóricos tendrán de qué hablar dur ante los próximos años.

La búsqueda de la superfluidez Sandro Stringari, teórico de la Uni­ versidad de Trento, predijo el fenó­ meno del cambio de forma de los gases de Fermi co n interacciones fuertes degenerados; lo hizo en 2002, antes de que se hubiese producido uno. Sos tuvo, además, que esa me­ tamorfosis qu izá fuese una señal de superfluidez . Los super fluidos, descubi ertos en los años treinta, cursa n sin ningu­ na fricción, como los electro nes de

Expansión anisótropa

7. LA TEORIA PREDICE QUE LOS GASES DE FERMI con interacciones fuertes se expanden de manera anisótropa, una vez liberados de una trampa óptica. La presión disminuye más deprisa en la dirección radial hacia fuera de la nube elongada; por ello, el gas se expande a mayor velocidad en esa dirección que a lo largo del eje (flechas negrasl. En consecuen­ cia, cambia de forma con el tiempo, de puro (izquierdal a calabaza (derecha!. La presencia de esta expansión con cambio de forma revela la existencia de interacciones fuertes y, quizá, de superfluidez.

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los materiales superco nductores, que

experimentan una resistencia nula. Los cables superconductores serían muy útiles, en espec ial para trans­ mitir electricidad a largas distancias sin perder energía. En la práctica, sin embargo, los superco nductores comunes sólo operan a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto. Inclu so los super­ conductores de "alt a temperatura" , conoc idos desde los años ochenta, han de enfriarse hasta la temperatu ra del nitrógeno líquido. La búsqueda de un superco nductor operativo a tem ­ peratur a ambiente constitu ye uno de los sueños de la física de la materia conde nsada . Lo s áto mos de un superfl uido imitan a los electro nes de un super­ co nductor; por esa razón, los gases de Fermi degenerados suponen una buena ayuda en esa búsqueda . Desde hace cincuenta años se sabe que los conductores se convierten en super­ conductores cuando los electrones de espín opuesto se empareja n y fluyen juntos a través de la red atómica. De for ma análoga , un líquido de fer­ miones, de helio-3 por eje mplo, se convierte en un superfluido cuando los áto mos fo rman parejas. Estas asociaciones débil es, no tan inten­ sas com o los enlaces moleculares, se denomin an pares de Coopero En todos los superco nductores co­ nocidos, los pares de Coo per son estab les só lo a temper aturas mu y inferi ores a la de Fermi: a temp e­ raturas de entre 10 Y 100 gra dos por encima del cero absoluto, una milésima o una centés ima de la de Fermi. (La temp er atura de Fermi de un metal -entendido como un gas de Fer mi degenerado- result a tan elevada porque contiene muchos electrones, muchos fermiones pues. Por ello, todos los niveles de energía se hallan oc upados hasta una ener­ gía muy alta . Los electro nes más energé ticos, los que se encuentran en la banda de co nducción, tienen eq uivalentes de tem peratur a de diez mil grados). Rec ien teme nte, tres grupos teó­ ricos han predi ch o que los gases de Fermi con inter acciones fuertes degenerados se co nvierten en super­ fluidos a temp eraturas de hasta la mitad de la temp eratura de Fermi. Si la teorí a anda en lo cierto, estos sis te mas produ cirían los par es de

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100 microsegundos

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8. LOS DATOS DE LOS EXPERIMENTOS confirman la expansión anisótropa de la nube de gas de átomos de litio-B . La secuencia de imágenes muestra el cambio de forma y densidad de la nube de gas a medida que se calienta . El gas sigue siendo degenerado y con interacciones fuertes durante al menos 400 microsegundos tras el momento en que se lo libera (se muestra en las tres primeras

Coo per de mayor temp eratura que se conoce n en física; dond e mayor debe reputarse en cuanto fracc ió n de la temperatura de Fermi. Varios equipos, incluido el nu estr o, han creado gases degenerados a tempe­ ratura s del orden de una décim a de la temperatura de Fermi. Quizá haya­ mos conseg uido así ya superfluidos de alta temp eratura. Sin embarg o, no existen prueb as experimentales sólidas qu e lo ratifiqu en. Parecerá engañoso hablar de un superfluido de "a lta tem peratura" cuando en realidad su temperatur a es menor que una millonésima de grado por encima del cero absolu­ to. Pero no lo es. Pense mos en la siguiente analogía . Cuando se pro­ yec ta un nuevo avión, se empiez a por unos esquemas sobre el papel y unos modelos a esca la, y se llega a construir un prototi po. En nuestro caso , vale como "es quema sobre el papel" el co ncepto de siste ma univer­ sal de Ferrni. El "modelo a esca la" es el gas de Fermi con interaccio­ nes fuertes degenerado. Está a esca la tanto en la temperatur a co mo en el tamaño fís ico. El principi o universal establece que el cambio de escala no modifica las propiedades funda­ mentales de l sistema. Si el modelo a esca la no funcionara, tendríamos

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O

100

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Coordenada axial (micras)

imágenes) . Después de esos 400 microsegundos, la alta velocidad inicial de los átomos hace que la nube siga cambiando de forma, aunque los átomos hayan dejado de interaccionar. Las mediciones cuantitativas de estas imágenes demuestran que la expansión es más rápida en el eje radial de la nube (gráfica de la izquierda) que en el longitudinal (gráfica de la derecha).

razo nes para sos pechar que los pares de Cooper no se pueden for mar a la temperatur a de Fermi. Pero si el modelo funciona -si puede haber pares de Cooper a temperaturas que sean una fracció n sustancial de la de Fer mi-, podría sucede r lo mismo con un conductor. Cabe dentro de lo verosímil que algún día se creen materiales que superco nduzca n in­ cluso a dos mil grados o más: no

ya a temp eratur a ambi ente, sino a temp eraturas mucho mayores. De cualquier modo , creer que ha­ brá superco nductores calientes en un futuro cerca no es soñar dema sia ­ do. Es pere mos , al men os, que los nuevos result ados obte nidos de los trabaj os co n gases de Fermi dege­ nerados nos lleven hasta los mate­ rial es superco nductor es de muy alta temp er atur a.

Los autores John E. Thomas, "profesor distinguido Fritz London de física" de la Universidad Duke, pertenece a la Sociedad Americana de Física. Michael E. Gehm obtuvo su doctorado en física en el año 2003 mientras trabajaba en el equipo de investigación de Thomas. Actualmente disfruta de una plaza postdoctoral en el Centro Fitzpatrick de Sistemas Fotónicos y de Comunicaciones de la Universidad Duke.

©American Scientist Magazine.

Bibliografía complementaria OPTlCAl DIPOlE TRAPS FOR NEU TRAL AroMs. R. Grimm, M. Weidemüller e Y. B. Ovchinnikov en Advances in Atomic, Molecular & Optical Physics, vol. 42, págs. 95-165; 2000. OBSERVATION OF FERMI PRESSURE IN A GAS OF TRAPPEO ATOMS. A. G. Truscott, K. E. Strecker, W. 1. McAlexander, G. B. Partridge y R. G. Hulet en Science, vol. 291 , págs. 2570-2572; 2001. All·OPTICAl PROOUCTION OF A DEGENERATE FERMI GAS. S. R. Granade, M. E. Gehm, K. M. O'Hara y J. E. Thomas en Physical Review Letters, vol. 88, pág. 120405; 2002 . OBSERVATION OF A STRO NGlY INTERACTING DEGENERATE FERMI GAS OF ATOMS. K. M. O'Hara, S. L. Hemmer, M. E. Gehm. S. R. Granade y J. E. Thomas en Science, vol. 298, págs. 2179-2182; 2002.

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El virus de la gripe ~r." r -. de 1918 Jeffery 1

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1

Jeffery K. Taubenberger, Ann H. Reid y Thomas G. Fanning se hallan adscritos al Instituto de Patología de las Fuerzas Armadas en Rockville. En 1993, Taubenberger, patólogo molecular, participó en la fundación de un laboratorio dedicado al diagnóstico molecular de las enfermedades. Los trabajos de Reid, bióloga de formación, permitieron al grupo desarrollar las técnicas de extracción de ADN y ARN de tejidos dañados o en putrefacción; con la aplicación de las mismas se recuperaron fragmentos de los genes del virus de la gripe 1918. Fanning, experto en la evolución de los genomas, se ocupó de desentrañar las relaciones de estos genes con otros virus animales y humanos de la gripe.

Bibliografía complementaria AMERIGA'S FORGOTTEN PANOEMIG: THE INFLUENZA OF 1918. Segunda edición. Alfred W. Crosby. Cambridge University Press; 2003. THE ORIGIN OF THE 1918 PANOEMIG INFLUENZA VIRUS: A CONTINUING ENIGMA. Ann H. Reid y Jeffery K. Taubenberger en Journa/ of Genera/ Vir%gy, vol. 84, parte 9, páginas 2285·2292; septiembre 2003. GLOBAL HOST IMMUNE RESPONSE: PATHOGENESIS ANO TRANSGRIPTIONAL PROFILlNG OF TVPE A INFLUENZA VIRUSES EXPRESSING THE HEMAGGLUTININ ANO NEURAMINIDASE GENES FROM THE 1918 PANOEMIG VIRUS. J. C. Kash, C. F. Basler, A. García·Sastre, V. Cartera, R. Billharz, D. E. Swayne, R. M. Przygodzki, J. K. Taubenberger, J. G. Katze y T. M. Tumpey en Journa/ of Vir%gy, vol. 78, n.O 17, páginas 9499·9511 ; sep­ tiembre 2004.

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Criptografía cuántica comercial La criptografía cuántica no pertenece a la mera teoría. Pasó del papel a los laboratorios y, ahora, se materializa en productos tangibles, puestos a la venta Gary Stix

harles Bennett no tiene mucha experiencia en el laboratorio. De él se cuenta una de esas típicas anécdotas de físicos dis­ traídos, de teóricos que, ausentes del mundo tangible, causan pequeños desastres; quemó, dicen, una tetera hasta cambiarle el color. Y sin embargo, a él y a sus colegas John A. Smolin y Gilles Brassard se les debe un experimento fundamental, que demostró en 1989 la existencia de una nueva criptografía basada en los principios de la mecánica cuántica. En aquel experimento los fotones recorrieron un canal de 30 centímetros dentro de una cavidad impermeable a la luz a la que llaman "el ataúd de la tía Marta" . La dirección en que oscilaban los fotones, su polarización, representaba los O o los 1 de una serie de bits cuánticos, o qubits. Los qubits contenían una clave criptográfica que valía para cifrar o descifrar un mensaje. Salvábase de intromisiones la clave con el principio de in­ certidumbre de Heisenberg, uno de los fundamentos de la física cuántica: la medida de una propiedad de un estado cuántico perturbará otra. En un sistema criptográfico cuántico, cualquier intruso que quiera fisgonear en un haz de fotones los alterará. Esa perturbación no les pasará inadvertida ni al remitente ni al receptor. Se garantiza así, al menos en principio, la perfecta seguridad de las claves criptográficas . Hoy en día, la criptografía cuántica ha recorrido un largo camino desde aquella precaria exhibición. Ya hay dos pequeñas empresas que venden sistemas criptográficos cuánticos; otros productos semejantes vie­ nen de camino. Con este nuevo método de encriptación, la ciencia de la información cuántica, que combina la mecánica cuántica y la teoría de la información, llega al mercado. El dispositivo supremo que podría darnos sería una computadora cuántica tan potente, que no hubiese otra protección contra su prodigiosa capacidad de descifrar mensajes que la criptografía cuántica. La criptografía segura requiere que las claves con que se cifran y descifran los mensajes no puedan ser descubiertas por terceros. La criptografía de clave pública es una forma de proveer claves secretas de manera que la encriptación efectuada por una de las partes sólo pueda ser desencriptada por la otra y por nadie más; y ello, pese a que parte de la información pertinente sea de dominio público. La seguridad del procedimiento depende de la dificultad inherente a ciertos problemas matemáticos; en especial, INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

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CLAVES QUE LA MECANICA CUANTICA MANTIENE SECRETAS Alicia y Bob intentan mantener en secreto una clave de criptografía cuántica . Para ello, la transmiten en forma de fotones polari zados, proced imiento ideado por Charles Bennett , de IBM, y Gilles Bras­ sard, de la Universidad de Montreal, durante los años ochenta y ahora materializado en algunos incipientes productos comerciales .

Modo de polarización recto

1

Para crear una clave, Alicia envía un fotón a través de la rendija O o de la 1 de unos

filt ros polarizantes rectos o diagonales ; mientras,

anota las distintas orientaciones.

~

Modo de polarización diagonal

Valor establecido del bit

Para cada bit que llega , Bob elige aleator ia­

mente qué filtro utiliza para la detección y

anota tanto la polarización como el valor del bit.

2

3

3

Eva quiere espiar el tren de fotones, pero la mecánica cuántica le prohíbe usar a la vez ambos filtros para detectar la orie ntación de

cada fotón. Si elige el filtro incorrecto, modificará su polarización y creará errores.

O

Eva

Filtro de detección

2

1

Filtro de polarización Alicia

Fotón transmitido

.- ­ Filtro de detección

Láser

O

Secuencia de bitsde Alicia:

O

1

~

-,

{o

{o

O

~

{o O

{o

Mediciones de bits de 80b:

o

O

O

Secuencia de bitsconservados

(la clave):

o

O

/

Losmodos de detección de 80b:

{o

Una vez que todos los fotones han llegado a Bob, éste le dice a Alicia, por un canal público , quizá por teléfono

o con un correo electrón ico, la secuencia

de modos de medición que utilizó para

los fotones entrantes, pero no el valor

del bit de los fotones .

4

1

O

/ {o

Los filtros de Alicia:

-, {o

4

Alicia

({o x {o {o x {o {o {o {o~

5

l +'"

x v'• •

~v'+'"•

+'"• J

Bob

Alicia le dice a Bob, durante la mis­ ma conversación , en qué casos eligió correctame nte. Los correspond ientes bits formarán la clave que Alicia y Bob utilizarán para cifra r los mensajes.

5

56

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

el de factorizar un número. Es fácil calcular el producto de dos números grandes, pero dificilís imo volver lo a factoriza r en números primos . En esa asimetría se basa el algor itmo de cifrado RSA, muy usado en la crip­ tografía de clave pública . El mensaje confidencial que se trans fiere entre el remi tente y el receptor, previamen­ te convertido por un procedimiento estánda r en un número, se encripta medi ante una operació n matemáti­ ca en la que intervienen un número grande, digamos que 40850809 1 (en la práctica ser ía mucho mayor), y otro número relacionado con los fac­ tores prim os -en este caso 18.313 y 22.307- del prim ero . Quebrar un cifrado de clave públi ­ ca resulta tan difícil, que el secreto de las claves se puede mantener durante una docena de años, como poco. Pero el adve nimiento de la era de la infor­ mación cuántica, y en particular de computadores cuánticos capaces de realizar con rapidez fac torizac iones monstruosas, supondría seguramente el declive final del RSA y de otros método s criptográficos. Al contra rio que la criptografía de clave públ ica, la criptografía cuánti­ ca seguiría siendo segura, aunque se dispusiese de ordenadores cuánticos. Una forma de enviar una clave crip­ tográfica cuántica entre el remitente y el receptor consiste en que un láser transmita fotones, cada uno polarizado de una de dos maneras. En la primera, la polarización es vertical u horizontal (lo denomin aremos "modo recto"); en la segunda, se orienta 45 grados hacia la izquierda o la derec ha de la vertical ("modo diagonal" ). En cualquiera de los modos, las polarizaciones opues­ tas de los fotones representan un O o un 1 digitales. El remi tente, a quien los criptó­ grafos acos tumbra n llam ar Alic ia, envía una cadena de bits ; para cada fotón, que codificará uno de esos bits, elegirá aleatoriamente si lo envía en el modo recto o en el dia gonal. El receptor, al que se llama Bob, de­ cide al aza r qué les med irá a los bits entrantes, si el modo recto o el diagonal. El principi o de incertidum­ bre de Heisenberg dicta que podrá medir a los bits nada más que un modo. Bo b sólo obtendrá con toda certeza el valor correcto cuando le mida a un bit el mism o modo en que lo envió Alicia.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

EMPRESA

TECNICA

id auantique Ginebra

Envía por fibra óptica claves criptográficas cuánticas a distancias de decenas de kilómetros

Magia Techno logies NuevaYork

Envía por fibra óptica claves criptográficas cuánticas a cien kilómetros de distancia, como máximo; incluye componentes y programas para la integración en redes ya existentes

NEC Tokio

Venderá un producto de fibra óptica muy pronto; en 2004 transfirió en un ensayo claves a la mayor distancia conseguida por ahora, 150 kilómetros

auinetia Farnborough

Ofrece por contrato sistemas que transfieren claves a través del aire a distancias de hasta 10 kilómetros; ha proporcionado uno a SSN Technologies, de Cambridge, Massachusetls

Des pués de la transmi sión , Bob se co munica con Alicia, interc ambio que no tiene ya por qué ser secreto, para decirl e cuál de los dos modos le mid ió a cada fotón . Sin embar­ go, no revela el valor, O o 1, que obtuvo en cada caso. Alicia le dice entonces a Bob cuáles se midi eron en el modo que co rrespondía; am­ bos descartan los demás. Los modo s medid os correc tamente constituyen la cla ve qu e se int roducirá en el algoritmo empleado para encriptar o descifrar el mensaje. Si alguien - lIamémosla Eva- in­ tent a interceptar esta serie de foto­ nes, no podrá medir ambos modos, gracias a Heisenberg. Si Eva mide en el modo incorrecto, aunque re­ envíe los bits a Bob en el mismo modo en que los midió, introducirá errores. Alicia y Bob pueden detectar la presencia de la espía co mparando bits seleccionados y comprobando si hay errores. Desde 2003, dos compañías - id Q uantique, de Gine bra, y Mag iQ Technologies, de Nueva York- han presen tado prod uctos co merciales que envían una clave de criptografía cuántica a más de los 30 centíme­ tros recorridos en el experimento de Bennett. Tras exhibir una distancia de transmisión de ISO kilómetros - la mayor conseg uida-, se espera que NEC presente un producto en el mer­ cado el año que viene. IBM, Fuj itsu y Toshiba trabaja n en lo mism o. Los productos ya comercializados pueden enviar claves por un enlace de fi bra óptica a decenas de kilóme­ tros. Un sistema de MagiQ cues ta de 70.000 a 100.000 dólares. El número

de clientes es aún pequeño; el sistema no se ha imp lantado en ninguna red a gran escala. Ciertos organismos gubernamenta­ les e insti tuciones financi eras temen que un mensaje cifrado espiado hoy se guarde hasta el día en que un or­ denador cuántico pueda descifrarlo . Entre los posib les clie ntes de los sistemas de criptografía cuántica se hallan también los abas tecedores de servicios de telecomuni cacion es que prevén ofrecer a sus cliente s un ser­ vicio ultraseguro. Está n en marcha los primeros in­ tentos de dotar con criptografía cuán­ tica, no a conexiones punto a punto, sino a verdaderas redes. DARPA - la Agencia de Proyectos de Investiga­ ción Avanzados para la Defensa- , el organismo estadounidense que pa­ trocinó los inicios de lo que luego se llamarí a Int ernet, ha financiado una conexión en red de seis nodos pertenecientes a la Universidad de Harvard , la Univers idad de Boston y BBN Technologies, empresa de Cam­ bridge, Massachusetts , que también desemp eñó un pape l fundamental en aquellos orígenes de Int ern et. Las claves cifradas se envían por enlaces reservados, por Internet los mensajes cifrados con ellas. Es la primera red de criptog rafía cuántica que opera sin interrupción fuera de un laboratorio. Se ha crea do sólo para demostrar la viabilidad del procedim iento; no transmite informaciones confidencia­ les. El pasado otoñ o, id Quantique, junto co n Deckpoint, proveedor de serv icios de Int ern et , exhibió una red que un grupo de servidores de Ginebra utilizó para almacenar sus

57

LA ENCRIPTACION que involucra estados cuánticos utiliza técnicas tan avanzadas que mucha parte del trabajo todavía se hace en laboratorios; así, éste de MagiO Technologies.

datos a 10 kilómet ro s de distanci a. Un enlace co n encriptación cuá ntica repartía -se trata de un a operac ió n frecuente- nuevas claves . La ac tua l criptografía cuán tica está destinada a aplicarse a redes de alca n­ ce geográfico limitado. En su mayor virtud - que al es piar un mensaj e o cl ave encriptados cuá nticame nte se ca mbie sin rem edi o- está su peor defect o: los disposit ivos qu e restau ­ ran en la red las seña les debilitad as

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para que se las pueda transmitir hasta el re petido r siguiente no podrían eje ­ cutar esa tar ea con las se ña les que codificaría n las cl aves cu ánticas. Un amp lificado r óptic o co rro mpería los bit s cuánticos, los qubits. Par a qu e pueda hab er un a mayor distanci a entre enlaces, se per sigue que un med io di feren te de la fibra óptica distribu ya las claves cuánticas . Se ha subido a montañ as - do nde la altitud redu ce al mínimo la turbulen-

cia atmosférica- para probar la via­ bilidad de enviar los fot ones a tra vés del aire . Un ex per ime nto, reali zado en e l año 2002 e n e l Labor atori o Nac ional de Los A lamas, es tablec ió un enlace de 10 kil óm etr os. O tro ensayo , ese mism o año, de Qine tiQ, en Farn bo ro ug h, y la Uni­ vers idad Ludw ig M aximilian de M ú­ nich , cubrió 23 kiló metros entre dos cum bres de los Alpes meridionales. Optimizand o es ta técni ca -con ma ­ yo res telescopi os pa ra la dete cci ón y mejor es filtros y recubrimient os antirreflec ta ntes-, se podría co ns­ truir un sis te ma ca paz de tran smitir y rec ibir se ña les a más de 1000 ki­ lóm etros; bastaría par a llegar a los sa té lites situa dos en una órbita te ­ rrest re baj a. Una re d de saté lites de ese tip o ofrecería un a co be rtura mundi al. La Age nc ia Es pac ial Europea ha empezado a proyectar un ex perime n­ to qu e co nec taría un saté lite a tierra. (E n abril del año pasado, la U nió n Euro pea puso en mar cha tambi én pIa­ nes para desarroll ar la encriptació n cuántica en redes de co municac iones; la ha movido a ello, en parte, el deseo de preveni r el es pio naje de Eche lo n, siste ma que intercept a mensajes elec­ tró nicos para los se rvicios de inteli­ ge nc ia de los Estados Unidos, Gran Bret aña y otras naci ones.) En última instancia , los criptóg ra­ fas desean algún tip o de rep etid or cuántico, qu e vendría a ser una forma ele me nta l de co mputado r cu ánti co ca paz de superar las limitaciones de la distancia. Funcio naría gracias a las qu e Alber t Einstein llam ó sp ukhaf­ te Fernwirkungen , "fantasmagóricas acc io nes a distancia" . Un equipo del Instituto de Física Ex per ime ntal de Viena, diri gid o por Anto n Ze ilinge r, ha dad o un prim er pa so ha ci a un repetidor así : en el núm ero de Na ture del 19 de agos to de 2004 informaron de qu e hab ían tendido bajo el Danu­ bio, por un co nduc to del alcantarilla­ do, un cable de fibra óptica co n un fotó n "entrelaza do " en cada extremo. La medida del es tado de polari zación de un o de esos fo to nes es tablecía

INVESTIGACiÓNy CIENCIA, marzo, 2005

inmedi atamen te en el otro un esta do de polarización correlac ionado co n el prim ero - j usto en eso consiste el entrelaza miento . Pese a qu e el entrelaza mie nto cuántico le pareciese fantas magóri­ co a Einste in, les valió a Zei linger y su equipo para que la co nex ión por fibra óptica entre los dos foto­ nes entre laza dos "teletranspo rtase" la inform ación co ntenida en un tercer fotón al otro lado del Da nubio, a 600 metros de distancia. Se podría extende r el montaje med iante re pe­ tidores mú ltipl es, hasta que los qu­ bits de una clave se tra nsmitiese n a través de co ntinentes o de océa nos. Pero ese ca mbio de escala requ eri­ ría la creación de compo nentes muy peculi ares, mem orias cuánt icas, por eje mplo, qu e almace nase n los qubits sin co rromperlos antes de que se los reexpidi era al enlace siguiente . Falta mucho para siquiera acercarse a la fabricac ión de elementos de esa es­ pecie. [Ace rca de un ex perimento un poco anterior, en que se co mprobó qu e el entre lazamiento de foto nes tran smitidos por el aire se man ten ía entre amb as orillas del Da nubio, pero sin que se teletransportase un es tado, véase "Experi mento en el Danubi o", de Ga briel Ma lina Terriza, INVESTI­ GACIÓN Y CIENCIA, agosto de 2004, págs. 40-41 ]. Qui zá se realizaría mej or una me­ moria cuántica co n átomos que co n foton es. Un experimento, publi cado en el núm ero del 22 de octubre de 2004 de Science, ha mostrado una man er a de hacerlo. Basándose en una idea de Lu Mi ng Duan, Mik hail Lukin, Ign acio Cirac y Pe ter Zo ller, do s investi gad ores del Instituto de Tecnolo gía de Geo rgia, Alex Kuz­ mich y Dzmitry Ma tsukevich, entre­ lazaron un par de nubes de átomos de rubidio ultra enfriados para ins­ cribirles un qubi t - las nub es los almace na n mucho más tiemp o que los fo tones- y transferirl o despu és a un fotó n. Traspasaron , pues, in­ formac ión de la materia a la luz, y una memoria cuántica entregó un bit. Esperan crear medi ante ese proce­ dimi ento repetidores que transm itan qubits a largas distancias. La supuest a inviol abili dad de la cr iptog rafía cuántica se apoya sob re un co nj unto de hipótesis que qui zá no se cum plan en el mun do real. Seg ún una de ellas, cada qubit está

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

representado por un fotón y sólo uno. Para efectuar un encriptado cuántico, se dism inuye la energía de un láser que funciona a impul sos hasta que sea poco probable que más de uno de ca da diez de esos impul sos co nte nga un fotón -el resto son "oscuros"-; po r esa razó n es el ritm o de transm i­ sión de datos tan bajo . Pero só lo se trata de una prob abilidad esta dística. El pul so puede contener más de un fotón. Un espía podrí a, en teor ía, ro­ bar los fotones adicionales y descifrar co n ellos un men saje. Un algoritmo de programación - una "a mplifica­ ción de la intimidad"- prot ege de es ta posibilidad enmascarando los valores de los qubits. Los cr iptógrafos quisieran co ntar co n mejores detectores y fuen tes de fotones. El nort eamericano Instituto Nacional de Pes os y Medidas (N IST) es una de las mu chas orga nizaciones qu e invest iga n en esa línea. Tienen interés en co nstruir detect ores que distinga n entre la llegada simultá nea de uno, dos o más fotones . Allí tam­ bién intent an pal iar el probl em a de la lenta velocidad de transmi sión me­ di ante la generación de claves cuán­ ticas a un ritm o de un megabit por seg undo, cien veces más deprisa que hasta ahor a. Basta ría para distribuir cl aves en aplicacio nes de vídeo. La criptografía cuántica, co n todo, seg uiría siendo vulnera ble a c ier to tip o de ataques . Un es pía podría sa bo tea r el detector que recib e los fo to nes haciend o que los qubits que le llegan pasasen a una fibra, do n­ de se los intercept ar ía. Y co ntra la d efecci ón interna , co ntra la mera trai ci ón , no hay defen sa cuá ntica qu e valga .

Bibliografíacomplementaria CRIPTOGRAFIACUÁNTICA. Charles H. Bennett, Gilles Brassard y Artur K. Ekert en Investigación y Ciencia, págs. 14·22; diciembre, 1992. THE COOE BOOK. Simon Singh. Anchor Books, 1999. Se puede encontrar información sobre productos de criptografía cuántica en las páginas Web de id Ouantique (id· quantique.com) y MagiO Technologies (magiqtech.coml.

ha publicado sobre el tema , entre otros , los siguientes artículos :

Caos en la escala cuántica, de Masan A. Porter y Richard L. Liboff Abril 2003 La resolución del problema de los neutrinos solares, de Arthur B. McDonald, J. R. Klein y David L. Wark Abril 2003 Más allá del modelo estándar de la física, de Gordon Kane Agosto 2003 Ident idad cuántica, de Peter Pesic Septiembre 2003 Aguje ros negros en condensados de Ba se-Einstein, de Carlos Barceló y Luis J. Garay Febrero 2004 Borrado cuán tico, de S. P. Walborn, M. O.Terra S. Padua y C. H. Monken Febrero2004 Ata m os del espacio y del tiempo, de LeeSmolin Marzo 2004

CP Prensa Científica, S.A.

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Geometría no conmutativa

y espaciotiempo cuántico

Resultados recientes de la teoría de cuerdas sugieren los primeros modelos de la estructura cuántica del espacio y el tiempo matemáticamente consistentes José L. Fernández Barbón

uriosament e, la prim era teoría relativista de la historia data de 1864, cuando James Clerk Maxwe ll escr ibió sus famosas ecuaciones del electromag netis mo. En la teoría de Maxwell la luz se interpreta como una onda del campo electromag nético. Lo sorprendente es que la velocidad de propagación de estas ondas es una constante, independi ente del estado de movimiento del observador. Por supuesto, esta predicci ón se halla en contradicción directa con la mecánica newtoniana, según la cual la velocidad de cualquier cosa que reciba mos será mayor si nos acercamo s a la fuente, y menor si nos alejamos de ésta. Se comprende así por qué la paul atina verificación experimental de la teo ría de Max well acabó co nducie ndo a una profunda crisis teórica. En esencia, 10 que hizo Einstein en 1905 fue resolver el dilema a favor de Maxwe ll media nte la construcción de una mecánica que fuera compati ble con el extraño comportamiento de la luz. Queda entonces claro que la velocidad de la luz es un límite: si la velocidad de la luz, c, es siempre la misma, no parece posible "perse­ guir" un rayo de luz, y mucho meno s "adelantarlo". En realid ad, tales situaciones son impo sibles porqu e en la teoría de Einstein la inercia de un objeto (su resistencia a la ace leración) aumenta con la velocidad, haciéndose infinita cuando alcanza la velocidad .de la luz. Es decir, hace falta una energía infinit a para dar alcance a un rayo de luz. Para velocidades pequ eñas en co mparación co n la de la :luz (lo que, matemáticamente, viene a ser como tomar un valor infinit o de c) las fórmulas de Einstein se aproximan a las de la mecánica newtoniana. Sin embar­ go, a velocidades cercanas al límite se hacen evide ntes todas las predicciones sorprendentes de la relatividad especial, tales como la contracción longitudinal de los obje tos en la dirección de movimiento, la ralenti zaci ón de los relojes móviles o la famosa equivalencia entre masa y energía: E = 111 C2. Desde el punto de vista matemático el espacio y tiem­ po abso lutos de New ton quedan fusionados en una 60

nueva entidad denominad a espaciottempo, introducida por Hermann Minkowski en 1908. El espaciotiempo de Minkowski tiene cuatro dimensiones, las tres dimensiones espa ciales ordinarias más el tiempo. Aunque es geo mé­ tricamente "plano", matemáticamente result a peculi ar, puesto que el tiemp o se comporta co mo si fuese una coo rdenada espacial, pero con valores en los número s imaginarios. En cualquier caso , la relatividad especial, con el espacio de Minkowski sirviendo de "escenario" pasivo, comparte con la teoría newtoniana el carácter a priori del espaciotie mpo. Pero la relatividad especial no tiene en cuenta los efectos de la gravitación, como si la constante G de Newto n, que determina su inten­ sidad, fuese nula. La segunda parte de la revoluci ón einsteiniana consistió en combinar e y G en una teoría única, la teoría de la relatividad general de 1915. En ella, el espacio tiempo deja de ser pasivo, para adquirir carácter dinámico; el efec to de la gravitación equivale a la curvatura del espac iotiempo de Minkowski. Ya en el siglo XIX, los matemáticos se dieron cuenta de que la geo metría de los espacios con curvatura di­ fiere de la geo metría euclidiana. Un eje mplo sencillo de espacio con curvatura en dos dimensiones es la superfi­ cie de una esfera. De modo análogo, es perfectamente concebibl e que el mund o físico tridim ensional aparezca "c urvado" cuando se lo imagin a inmerso en un espacio de dimensión superior. Esta intuici ón llevó a notables matemáticos del siglo XIX, como Gauss o Riemann , a proponer que la geo metría es una propi edad física que ha de ser determinada experimentalmente. Fue Eins­ tein el que realizó esta idea de forma concreta, con la premisa de que el espaciotiempo adqui ere curvatura en presencia de masas materiales con distribu ciones dad as de energía, de acuerdo con un conjunto de ecuaciones de la forma: CURVATURA = G x DENSIDAD DE ENE RGIA Estas ecuaciones nos dicen que la constante de Newton, G, mide la " rigidez" del propio espaciotiempo, es decir, INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

marzo, 2005

su resistencia a ser curvado por la presenci a de energía (en partic ular, materia). Cuando la densidad de ener­ gía es pequ eña, que correspo nde a campos gravitac ionales débiles o a movimientos lento s en co mparación con la velocidad de la luz, las ecua­ ciones de Einstein se aproximan a la ley de Newton, con pequ eñas des­ viaciones que constituyen los tests clás icos de la relatividad ge nera l (el desplazamiento del perihelio de Mercurio o la curva tura de la luz en torno al Sol). Las ecuaciones de Einstein predicen además fenómenos cualitativamente nuevos, tales como las ondas grav itaciona les, los agu­ jeros negros o la propi a expans ión del universo. Una de las nociones famili ares de la mecánica celeste es la de "veloci­ dad de escape" de un campo gravi­ tacional, definida como la velocidad mínim a necesaria para que un satélite no quede atrap ado en ningun a órbita cerra da. Por eje mplo, para el caso de las sondas espac iales Voyager que se alejan hasta la parte exterior del sis­ tema solar, la velocidad de esca pe es de unos II kilómetros por segundo . Pues bien , la noción de velocidad de esca pe sigue siendo válida en la teoría relativista, y su co nsec uencia más sorprendente es que una masa M comprimid a en una esfe ra de ra­ dio inferior a un cierto valor crítico, R s = 2GM/c 2 , tendría una velocidad de escape superior a la veloci dad de la luz. Esto significa que nada, ni siquiera la propia luz, podría es­ ca par del cam po grav itac ional de esta masa, ju stifi cand o el nomb re de "ag uje ro negro". El radio crítico R s ' denominado radio de Schwarzs­ child, represe nta una superficie de no retorno (llamada horizonte de suce­ sos) ya que, una vez atravesada, es imposible salir de nuevo al exte rior. Para hacernos una idea, el radio de Schwarzschild del So l tiene unos pocos kilómetros. Si toda la masa del Sol se comprimiera por debajo de este radio crítico, la curvat ura del espaciotiempo en la vecindad del Sol sería tal, que se convertiría en un agujero negro. Los aguj eros negros no son sólo soluciones exóticas de las ecuacio nes de Einstein. Su existencia como ob­ jetos astrofísicos asociados a fuentes de rayos X o a los centros de las galaxias está prácticamente aceptada INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

por la comunidad científica. Co mo vere mos, también resultan cruciales en las especulaciones teóricas sob re la teoría cuántica de la gravitación.

El espaciotiempo a través del microscopio cuántico La revolución cuántica fue conce p­ tua lme nte más radi cal. Así co mo la veloc idad de la luz controla la estructura del espacio y del tiemp o en la relatividad, otra constante uni­ versal, h, estab lece otro límite físico infranqueable y dicta el co mporta­ miento de la materia a escala ató­ mica. Representa la acció n mínima posible. La acción (una magnitud fí­ sica menos familiar que la velocidad) es el prod ucto de la energía de un cier to proceso físico por el tiempo carac terístico en el que esa energía es liberada. La constante de Planck es, inás o menos, la acción típica de un electrón en una órbita atómica. Un fe nómeno será clásico cuando su ac­ ció n resulte mucho mayor que (es decir, el límite clás ico corres ponde matemáticamente a -7 O). La naturaleza de está ligada a un carácter fundamentalmente "difuso" de las partícul as subatómicas. Re­ sulta que la idealización matemática de una partícula como un punto que sigue una trayect oria bien definid a es inadecuada cuando la acció n de esa trayec toria es del orden de Es más adecuado im aginar, siguiendo a Feynman, que las partículas cuánticas siguen todas las trayectorias posibles simultáneamente. El movimiento es, al pie de la letr a, un promedio en­ tre todas las posibilidades, cada una con un cierto peso estadístico. Esta carac terización del movimiento de las partículas cuánticas se puede elevar a la categoría de principio fundamen tal de la mecánica cuántica: cuando un proceso se puede realizar a través de varias "histor ias" alternativas, las leyes de la mecánica cuántica dete r­ minan la proba bilidad de que ocurra el proceso mediante un promedio ade­ cuado de todas las posibilidades. Una medida cuantitativa del grado de "fluctuación" de las trayectorias viene dada por la relación de indeter­ minación de Heise nberg . De acuerdo co n este resultado fundamental, el producto de las indetermi naciones en posición, M, y en impul so, !.lP, de una partíc ula ha de ser mayor que la constante de Planck. En fórmulas:

n

ñ

ñ

ñ

.

M !.lP ~ n/2, donde el impul so está

definido como el prod ucto de la masa por la velocidad, P = m X v. Para de­ finir una trayectoria con exa ctitud es necesario especificar la posición y veloc idad de la pa rtíc ula en un momento dado, pero esto es impo­ sible, ya que la precisión abso luta de la posición, M -7 O, implica una incerti dumbre total en la velocidad, !.lP -7 00, Yviceversa. Desde el punto de vista pragmático, la consecuencia más importante de las relaciones de Heisenberg es que los microscopios cuánticos cues tan mu cha energía . En efecto, para estudiar un sistema físico co n una precisió n espacial de orden M, hace falta com unicar un impul so de orde n 111M a esa región del espac io. Como el impul so cues ta energía, se explica así por qué son necesarios aceleradores cada vez más energéticos para estudiar distancias cada vez más diminutas. Las relaciones de Heisen berg son la expresión gráfica de la estruc tura matemática de la mecánica c uántica . Estas matemáticas, un tanto exó ti­ cas, se basan en que la posición y el impul so no son números ordinarios, sino objetos denominados matrices. La característica definitoria de las matr ices es que, al multiplica rlas, el orde n de los factores sí altera el producto. Es lo que se de nomina una multi plicación "no conmutativa". En símbolos: X x P no es lo mismo que P x X en el mundo cuántico, donde 7' O. Es decir, la limitación física impuesta por la existenc ia de está asoc iada a una no co nmutatividad fundame ntal entre posiciones y ve­ locidades. El inten to de aplicar las leyes de la mecánica cuántica a partículas relati­ vistas (con velocidades próximas a c) lleva directamente a la teoría cuántica de campos. La novedad principal de la teoría cuántica de cam pos es que trata de colectivos de partículas, de forma que las partícul as individu ales pueden crearse y destruirse localmen­ te. Segú n la ecuació n de Einste in, E = mc 2 , la energía "co ndensada" en forma de masa no es diferente en esencia de otras formas de energía . Así que la energía de movimiento de partícu las suficienteme nte ráp i­ das puede condensarse en forma de otras par tículas con masa, y vice­ versa; una partícula pesada puede dona r su energía de reposo desinte­ ñ

n

61

G /

I

---- - - - -

------- - - - ---~

Gravedad

I I

newtoniana

/ / /

-

general

I

de la relatividad

/

I I I

/

/

-

I I

/

/

I

Mecánica 1cuántica : no relativista

/

/

Teoría

-

-

­

------- ---- - -- -" en

o

o -c a:

o

'" 1. Materiales y utensilios necesarios para obtener bronce.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

85

des ingentes de vapores sulfurosos, irritantes y tóxicos, desaconsejamos el uso de minerales como la calcopi­ rita (CuFeS 2). La reducción se aplica a óxidos y carbonatos; ofrece mayor comodidad , entraña menores difi­ cultades técn icas y produce menos contam inación. Pese a todo, cuando se opera con metales líquidos , a más de 1000 oC, toda precaución es poca ante posibles derrames, salpicadu­ ras y emisión de gases recalentados; además, debemos protegernos de la poderosa radiac ión calo rífica. En primer lugar, construiremos el horno. Una buena opc ión consiste en recubrir el interio r de una barbacoa doméstica con ladrillos y cemento refractarios. Una vez secos, estarán listos para opera r. En un mayorista de material para joyería, nos proveeremos de un cri­ sol de graf ito de unos 70 u 80 mm de diámetro, junto con su tapa y fun­ dente (mate rial que facilita la fus ión) para bronce . El siguiente paso con­ sistirá en adqu iri r los minerales de cobre y estaño. Los más adecuados son la malaqu ita (CuC0 3Cu (OH) 2' sobre todo la originaria del Zaire) ; la buscaremos masiva o formando con­ creciones; también sirve la casiterita (Sn0 2), hab itualmente en macias , que separa remos de la ganga. Rom­ peremos los bellos cristales en frag­

86

mentas de 10 o 20 mm y, junto con algunos trozos de ca rbón vegetal , los introduciremos en el crisol. De este mismo carbón necesitaremos unos 10 kg para usar como com­ bust ible (la cantidad dependerá del tamaño del horno).

Alcanza r una temperatura cerca­ na a los 1200 oC exige una fuente copiosa de oxígeno (la abundancia de oxígeno asegura una combustión completa y, por tanto , maximiza la temperatu ra de la llama) . Para ello recurriremos a un secador de cabello, alargado con un tubo de hierro de unos 500 mm de long itud. El extremo libre de éste, la tobera , se deformará en forma de pico de pato para repartir el oxígeno sobre un mayor volumen de carbón. Este dispositivo perm ite llevar las brasas al rojo blanco, libe­ rando (con un escaso rendimiento) los megajoule de energ ía por kilo de carbón que se requieren para reducir los compuestos , liberar los metales y fundir los. Acome teremos entonces el encen­ dido del horno. Procederemos con parsimonia, buscando una dilatación gradual de la mampostería refracta­ ria. El consumo elevado del horno exige un suministro incesante de combustible. Emplazaremos el cri­ sol cerca de la tobera, la zona más caliente; lo envolveremos completa­ mente en carbón, procurando que esté en contacto permanente con las brasas. Ajustaremos entonces la po­ tencia del secador para mantener el rojo anaranjado de las brasas, has­ ta que el crisol entero muestre ese

2. Vertido de bronce en un molde metálico.

INVESTIGACiÓN

y CIENCIA, marzo, 2005

PLANETA AZUL,PLANETA VERDE AAMON MAAGAlEF

3. Proceso de obtención de un hach a de bronce a partir de casiterita y malaquita.

mismo color. Mantendremos esta temperatura durante unos treinta mi­ nutos. Luego, con toda precaución, abriremos el crisol y añadiremos una pequeña cantidad de fundente, que mezclaremos varias veces con una larga varilla. Retomaremos el calentam iento durante , al menos , otra media hora. Lograremos así que los minerales se conviertan en aleación metá li­ ca. Aparece rán unos glóbulos que deberemos unir mediante agitación con una varilla de madera, cuya combust ión ayudará a purificar el producto. A partir de aqu í, su pu­ reza dictará el proceso a seguir . Si hemos partido de mine rales muy puros , sin ganga , hallaremos en el fondo del crisol un líquido al rojo vivo. Pero si hemos utilizado minera les impuros, con un exceso de carbón o fundente , obtendremos una esponja de consistencia pasto ­ sa; para Iicuarla, aumentaremos la temperatura. En cualquier caso, conviene verter el contenido en una lingotera. Para fabricarla , llenamos una caja (un molde) con yeso. En el bloque que obtendremos, una vez seco, excava­ remos un volumen aproximadamente troncocónico.

INVESTIGACiÓN y CIENCIA, marzo, 2005

Para minimizar el riesgo de acci­ dentes (salpicaduras o roturas, por ejemplo) la lingotera debe estar ca­ liente; por ello, la habremos situado, desde el comienzo, cerca del fuego. Cuando el metal (ya vertido ) se haya enfriado ligeramente, lo sumergire­ mos en agua. Al recocerlo, recupe­ rará ductilidad. Un buen martilleado final liberará la escoria y compactará el metal. El rendimiento del proceso resul­ ta un tanto frustrante. Con un crisol pequeño obtendremos sólo algu ­ nas decenas de gramos de metal en cada reducción. Será necesario unir el producto de varios procesos para fundir, por ejemplo, un hacha de 300 gramos. El molde será de la misma factura que la lingotera. Una vez dominado el proceso, es­ taremos en condiciones de introducir variaciones que nos aproximen toda­ vía más a la arqueometalurgia : sus­ tituiremos el ventilador eléctrico por unos odres de cuero, trabajaremos con toberas y crisol de cerámica, ela­ boraremos el molde sobre una roca arenisca, excavaremos el horno en el suelo y lo cubriremos, parcialmente, con grandes piedras. Así conseguire­ mos remedar la técnica de nuestros antepasados prehistóricos.

Un vo lum en de 22 x 23 ,S cm y 265 páginas, profusam ente ilustrado en negro y en co lor.

SUMARIO

• El planeta que la vida acabó po r hacernos confortable • Síntesis y descomposición orgánica • El océano • Los continentes • Las aguas epicontinentales • El dominio de los animales • El camb io incesante: entre la sucesión y la perturbación

Prensa Científi ca, S. A.

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UEGOS MATEMÁTICOS

Juan M.R. Parranda

La dote del sultán

E

l mes pasado terminábamos la sección propon ien­ do a los lectores un prob lema ya clásico en matemáticas: la dote del sultán. Un sultán tiene cien hijas y decide dar la mano de una de ellas a uno de sus súbditos si supera la siguiente prueba: Las hijas desfilarán ante el pretendiente, al que se le anunciará la dote que acompaña a cada una de ellas. El súbdito sólo podrá casarse con la hija de mayor dote si adivina cuál de ellas es. Para ello debe decidir ante cada una de las hijas si la elige para esposa o si prefiere continuar viendo al resto. Una vez rechazada una de las hijas, la decisión no se puede cambiar. Supondremos que todas las dotes son distintas y que el pretendiente no tiene ninguna información previa acerca de su cuantía. ¿Cuál es entonces la mejor estrategia para superar la prueba? Una estrategia bastante general consiste en dejar pasar un cierto número n de hijas y después elegir la primera cuya dote supere a todas las preceden tes (incluyendo las n primeras, obviamente). El problema consiste entonces en calcular el número n que maximiza la probabil idad de elegir la dote más alta. Analicemos el problema con sólo 4 hijas. Si n = 0, elegiremos siempre a la primera de las hijas. Si n = 1, no elegiremos en ningún caso a la pr imera y luego esperaremos hasta que aparezca una con una dote mayor que ella. Las otras dos estrategias posibles son similares, pero con n = 2 o n = 3. Esta última , n = 3, es en realidad muy sencilla: puesto que se rechazan las tres primeras hijas, con esta estrategia elegiremos siempre a la última de ellas. En la tabla se analizan todas las posibilidades. Las cuatro hijas se numeran de mayor (1) a menor dote (4). En la columna de la izquierda se presentan todas las posibles ordenaciones en las que pueden aparecer las cuatro hijas , resaltando en naranja a la de mayor dote. En el resto de las columnas se indica la hija elegida al utilizar cada una de las cuatro posibles estrategias y se destacan en verde los aciertos. Si, por ejemp lo, las cuatro hijas aparecen en el orden 4, 1, 3, 2, la estrategia con n = elegirá a la primera de ellas, es decir, a la 4, que es la de menor dote. La estrateg ia con n = 1, rechaza a la 4 y, al aparecer la 1 en segundo lugar, la acepta , superando la prueba. Sin embargo, las estrategias con n 2 o n 3, rechazan la 1 y se quedan ambas con la hija número 2. Para el caso de 4 hijas , la estrategia óptima es la n = 1, con la que se alcanza una probabilidad de ganar 11/24 = 45,83 % (24 es el núme ro total de casos u ordenaciones). Es una probabilidad bastante alta si la comparamos con la probabilidad de ganar si se elige una de las hijas al azar, que sería 1/4 = 25 %, la misma que

°

=

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=

°

tienen las estrategias con n = y n = 3. Como vemos, la estrategia óptima se alcanza para un número n medio. Si n es muy pequeño, nos precipitamos y elegimos demasiado pronto, cuando es aún poco probable que haya aparec ido la hija de mayor dote. Por otro lado, si n es demasiado alto , lo más probable es que la hija de mayor dote aparezca entre las n primeras y la rechacemos . Veamos cuál es la probabilidad de acertar con N hijas habiendo rechazado a las primeras n. Ace rtamos si la de mayor dote está en el puesto n + 1 y esto ocurre con probabilidad 1/N. También acertamos si la mayor está en el puesto n + k + 1, lo que ocurre con probab ilidad 1/N, y la mayor de las n + k precedentes está entre las n primeras , lo que ocurre con probabilidad n/(n + k). Por tanto, esta posibilidad ocurre con una probabilidad

1 n N n+ k

- --

Combinación 1 2 4 3 1 2 4 3 1 3 2 4 1 3 4 2 1 4 2 3 1 4 3 2 2 1 3 4 2 1 4 3 2 1 4 3 4 1 2 3 2 4 1 3 1 243 4 2 3 3 14 2 2 1 4 3 2 4 1 3 1 2 3 4 342 1 3 2 4 4 13 2 4 2 1 3 1 4 2 3 4 1 2 3 4 1 3 2

n =O 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4

n =1

Aciertos

6

11

CJ

ITJ

4

3 4

2 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 3 3

n=2 4 3 4 2 3 2 4 3 1 1 1 1 4 2 1 1 1 2 3 2 1

1 1 2

10

INVESTIGACiÓN y CIENCIA,

n=3 4 3 4 2 3 2

4 3 4 1 3 1 4 2 4 1

2 1 3 2 3 1 2 1

6 marzo, 2005

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