domingo, 17 de septiembre de 2017

La energía de los desastres

Por Martín Bonfil Olivera
Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM
Publicado en Milenio Diario, 17 de septiembre  de 2017

Nota: este texto se escribió el sábado 16 de septiembre
y fue publicado, en versión resumida, en Milenio Diario el domingo 17,
antes del terremoto que asoló a gran parte de nuestro país
el martes 19 de septiembre.


Daños en Juchitán, Oaxaca,
luego del terrremoto del 7 de
septiembre de 2017
Las pasadas fiestas del 15 y 16 de septiembre no fueron muy alegres en nuestro país, en gran parte debido a las desgracias, climáticas y telúricas, que en las semanas anteriores lo han asolado, con la lamentable pérdida de más de cien vidas humanas y miles de damnificados y hogares destruidos en los estados de Oaxaca, Chiapas, Veracruz y otros.

Pero son quizá los sismos los que han quedado más traumáticamente grabados en la mente de los mexicanos. En parte por la historia reciente: el terremoto de 1985, que causó destrucción sin precedentes en la capital, es algo que dejó marcada a las generaciones que lo vivimos y, a través de la tradición oral, a las siguientes.

Y es que los temblores, igual que los huracanes, son manifestaciones espectaculares de la verdadera fuerza de la naturaleza, y de la impotencia real del ser humano –con toda su historia, su cultura y sus avances científicos y técnicos– ante ella.

¿Cuál es la fuente de esa fuerza? O en términos más precisos, ¿de dónde proviene la inmensa energía que se libera en huracanes o en sismos? En el primer caso, en última instancia del Sol. Tendemos a pensar que todos los cambios que ocurren en nuestro planeta, incluyendo la vida, son impulsados por la energía solar. Y a grandes rasgos es cierto: el sol es la fuerza motriz de las corrientes atmosféricas y marinas que causan los fenómenos climáticos. Y controla también, a través del movimiento de traslación de la Tierra a su alrededor, y de otros fenómenos como las manchas solares, el transcurso de las estaciones y los ciclos climáticos de mayor duración, como glaciaciones y deshielos.

Es también la energía solar, a través de la fotosíntesis, la que provee la energía que permite la existencia de prácticamente la totalidad de los organismos vivos. Pero no toda la vida en la Tierra depende del Sol: una parte importante de la vida microbiana subsiste no con energía solar, sino con la energía química liberada por compuestos inorgánicos que forman parte de la corteza terrestre. Y fueron este tipo de microorganismos quimiosintéticos, que no dependen de la energía solar, los primeros seres vivos que existieron sobre la Tierra.

Estructura interna de la Tierra
¿Qué hay respecto a los terremotos? En días pasados, la angustia ante su poder ha llevado a que circulen las ideas más absurdas acerca de la relación de los temblores con las manchas solares, o con supuestas “armas tectónicas” que, por medio de ondas electromagnéticas, serían capaces de causar dichos fenómenos.

Tales ideas revelan lo difícil que es concebir la escala de estos fenómenos. Recordemos que la Tierra está formada por varias capas: una corteza sólida, un manto de magma o roca fundida –formados ambos principalmente por silicatos, compuestos de silicio y oxígeno–, y un núcleo metálico sólido, compuesto principalmente de hierro y níquel.

Corrientes de convección
en el manto terrestre
Los sismos son causados, como es más o menos bien sabido, por los desplazamientos, fricción y choques de las placas sólidas que forman la corteza terrestre (o más precisamente, la litósfera, que abarca la corteza y la capa superior, también sólida, del manto… porque la estructura terrestre es un poco más complicada de lo que nos enseñan en la escuela). Estas placas tectónicas flotan sobre el manto. Tanto el manto como el núcleo terrestres tienen temperaturas altísimas: de 500 a 4 mil y de más de 5 mil grados, respectivamente. Debido a esto, en el manto hay corrientes de convección que hacen que el magma circule lentamente, y es este movimiento el que impulsa –entre otros mecanismos– el desplazamiento de las placas tectónicas.

Energía liberada en terremotos
de distintas magnitudes
Para entender la magnitud de las fuerzas involucradas en un terremoto, ayuda tener un sentido de la proporción. La corteza es una capa extremadamente delgada: su grosor promedio es de unos 35 kilómetros. Como comparación, la altura de crucero de un avión comercial es de unos 10 kilómetros. Pero esto es nada comparado con el grosor del manto terrestre: unos 3 mil kilómetros. O con el radio total de la Tierra: más de 6 mil kilómetros. Las placas tectónicas son sólo una delgadísima nata sólida que flota sobre el manto fundido.

¿Y de dónde viene la energía que mantiene tan calientes el núcleo sólido y el manto fundido de la Tierra, y que impulsa el movimiento de las placas tectónicas? De dos fuentes principales: alrededor de un 20 por ciento es calor residual que quedó una vez que nuestro planeta se solidificó a partir de una nube incandescente de materia estelar. El 80 por ciento restante es generado por los elementos radiactivos contenidos en su composición.

En el fondo, los temblores son causados por la lenta liberación de calor terrestre, que se originó con el nacimiento de nuestro mundo. (Otros planetas, como Mercurio, se han enfriado lo suficiente como para ya no tener actividad tectónica; Marte se halla en un estado intermedio, básicamente inactivo pero probablemente aún con un manto fundido que puede causar alguna actividad sísmica o volcánica ocasional.)

Ante fuerzas –y energías– de esta magnitud, es claro que los humanos poco podemos hacer. Pero hoy entendemos mucho mejor sus causas, y eso nos ayuda a tomar mejores medidas de prevención de desastres.
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domingo, 10 de septiembre de 2017

Temblores, luces misteriosas y dudas

Por Martín Bonfil Olivera
Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM
Publicado en Milenio Diario, 10 de septiembre  de 2017

El pasado jueves casi a la media noche, como tantos otros, me sobresalté al escuchar la alarma sísmica y, luego de bajar corriendo cuatro pisos, sentí uno de los temblores más intensos que me ha tocado vivir (aunque no tanto como el del 85).

Afortunadamente, en la Ciudad de México prácticamente no hubo daños… cosa que por desgracia no puede decirse de los estados de Oaxaca y Chiapas, que hasta el momento de escribir esto suman ya 65 muertos, además de heridos y damnificados.

Pero, daños aparte, en la capital llamaron especialmente la atención de los ciudadanos que, en paños menores, salimos a la calle, unas llamativas luces que pudimos observar en las nubes que cubrían el cielo. No tardó mucho para que en las redes sociales comenzaran a circular comentarios sobre las “misteriosas” luces en el cielo, y hasta a relacionarlas con posibles fenómenos ovni. A mí se me ocurrió, como hace uno sin pensar mucho en estos casos, publicar el siguiente tuit: “Eran cortos por cables eléctricos de alta tensión que chocaban unos con otros. Nada misterioso.”

Inmediatamente recibí la airada respuesta de un tuitero anónimo: “Me sorprende que un divulgador ‘científico’ no conozca el efecto piezoeléctrico, y qué (sic) no sepa que los cables de 23k Volts no crean arco así”.

Mi curiosidad se despertó, pues nunca había oído hablar de que el efecto piezoeléctrico tuviera que ver con temblores. Una investigación somera me reveló que, efectivamente, existe un fenómeno reconocido como “luces de terremoto”, que ha sido reportado en muchos países por lo menos desde el siglo XIX. Ya el viernes comenzaron a circular artículos periodísticos mencionando el fenómeno y explicándolo.

Vale la pena analizarlo. ¿Qué podría producir destellos semejantes a rayos durante un temblor? Hay que tomar en cuenta que, aunque el fenómeno se reconoce como algo real y se está estudiando de manera seria, los expertos concuerdan en que aún no se entiende de manera clara. Es más, ni siquiera queda claro cuándo se presenta realmente y cuándo se le confunde con otras cosas.

Un estudio de 2014 publicado en la revista Seismological Research Letters (Cartas de Investigación Sismológica) y el sitio GeoScienceWorld, firmado por John Derr y colegas, analiza reportes detallados de 65 temblores intensos en América y Europa, y retoma el modelo presentado en 2010 por otro investigador, Friedemann Freund, en la revista Acta Geophysica, para proponer que la causa de las luces de terremoto es la acumulación de cargas positivas en el suelo, producto de los movimientos de las rocas debidos a su vez al movimiento tectónico (recordemos que la causa de los terremotos es el deslizamiento, fricción y choque de las placas tectónicas que flotan sobre el manto terrestre y que forman su corteza sólida).

Modelo de propagación de cargas
negativas en el suelo durante un temblor
(imagen: By ScienceResearch - Own work, CC BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=62291598)
Estas cargas positivas podrían luego fluir a la superficie a lo largo de zonas de baja resistencia, secuestrar electrones (que tienen carga negativa) de las moléculas del aire y ionizarlas (cargarlas eléctricamente). Esto podría dar origen a destellos luminosos o, cuando el cielo está nublado, a chispazos como los observados.

Pero, ¿por qué ocurre esto? Hay varios mecanismos posibles. Comencemos por recordar cómo se producen los rayos: las nubes están formadas por gotitas de agua y pequeños cristales de hielo. El aire frío que baja y el caliente que sube dentro de ellas puede arrastrar estas partículas de distintos tamaños en distintas direcciones y hacer que choquen. Los átomos y moléculas que las forman son normalmente neutros, pero al rozarse pueden ceder o ganar electrones, y adquirir así cargas eléctricas. Las negativas se acumulan en las zonas inferiores de las nubes, y las positivas en las superiores.

La separación de cargas al transmitirse electrones de un material a otro debido a la fricción se conoce como efecto triboeléctrico (de la palabra griega para “frotar”). Ocurre también cuando dos materiales sólidos (sobre todo cristalinos) se frotan con otros. Cuando las cargas separadas se vuelven a juntar, puede haber emisión de fotones de luz visible: destellos de luz (triboluminiscencia).

Existe también el efecto piezoeléctrico, en el que ciertos materiales –nuevamente, con frecuencia cristalinos– al ser deformados o sometidos a presión –como ocurre durante un movimiento tectónico–, pueden acumular cargas eléctricas debido al movimiento de electrones. (El efecto piezoeléctrico se utiliza, por ejemplo, en muchos micrófonos modernos: al recibir la presión de las ondas de sonido, los cristales del micrófono emiten corrientes eléctricas que son transmitidas por el cable hasta el equipo de grabación.)

Así, las emisiones de luz asociadas a temblores podrían ser fenómenos de triboluminiscencia o luminiscencia piezoeléctrica. Además, si hay nubes cercanas –como las había la noche del jueves– las cargas positivas liberadas podrían formar arcos eléctricos con las cargas negativas de la parte inferior de las nubes y producir los destellos observados.

Pero en ciencia hay que andar con cuidado y no brincar a conclusiones. Y además, hay que aplicar el principio conocido como “navaja de Occam”, y preferir siempre las explicaciones más simples. Si bien los destellos pudieron ser producto de los fenómenos aquí descritos, no todos los científicos expertos en estos temas están de acuerdo: el consenso es que hace falta más investigación para llegar a entender con claridad las luces de terremoto (de hecho, tampoco se entienden con total claridad los fenómenos mismos de triboluminiscencia, el efecto piezoeléctrico, ¡y ni siquiera los rayos!).

Imagen: Pictoline
(http://bit.ly/2f5N2Cj)
Las luces fueron reales. Pero pudieron ser producidas por otras causas: simples relámpagos (había llovido y estaba nublado) o el choque de cables de alta tensión a causa del temblor (que sí, llegan a producir cortocircuitos y arcos eléctricos luminosos… por eso, entre otras cosas, hay apagones durante los temblores). El investigador Gerardo Suárez, del Instituto de Geofísica de la UNAM, entrevistado en el programa ADN 40 de Azteca Noticias, se mostró escéptico sobre que se tratara de luces de terremoto, dado la lejanía de la Ciudad de México al epicentro del temblor, localizado en la costa de Chiapas.

De cualquier manera, no se trata de fenómenos misteriosos ni inexplicables (y menos causados por “armas tectónicas”, como argumentan los infaltables conspiranoicos que creen que el proyecto estadounidense HAARP, de investigación sobre auroras, puede causar terremotos). En lo personal, yo prefiero creer que el mundo es comprensible, no misterioso.

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domingo, 3 de septiembre de 2017

El virus que quiso ser célula

Por Martín Bonfil Olivera
Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM
Publicado en Milenio Diario, 3 de septiembre  de 2017

El Klosneuvirus 
(fuente: Science Magazine 
http://ow.ly/cg4j30eY2qF)
Si algo nos ha demostrado la biología es que la vida es flexible. Los sistemas vivos son capaces de la más sorprendente adaptación, que es el principal producto de la evolución en la continua lucha por sobrevivir.

Es esta enorme diversidad y flexibilidad la que hace que sea tan difícil definir la vida. Cada vez que uno trata de delimitar una serie de rasgos distintivos que caracterizan a los seres vivos, surge alguna excepción que da al traste con el intento.

Los virus son un caso especialmente interesante. Tradicionalmente se considera que no son organismos. Se los define como partículas formadas por una cápsula (o “cápside”) de proteínas que protege a una pequeña porción de ácidos nucleicos (el clásico ADN o bien su pariente más antiguo, el ácido ribonucleico, ARN). Pueden estar o no cubiertos por una membrana flexible parecida a la que rodea a las células.

Pero los virus no son células: por el contrario, para multiplicarse necesitan infectar células y apoderarse de su maquinaria genética, para que copie su genoma y fabrique sus proteínas. En ese sentido, tampoco están vivos: sólo están activos cuando se hallan dentro de una célula.

La inmensa mayoría de los virus son más pequeños que cualquier célula y contienen pocos genes: algunos sólo dos, pero normalmente unos cuantos. Como comparación, el genoma de la bacteria intestinal Escherichia coli tiene unos 4,300 genes, y el genoma humano, 20 mil.

Pero en 2003 se identificó un virus tan enorme que era mayor que algunas células, y que tiene un genoma con casi mil genes: mayor que el de muchas bacterias. Como parecía mimetizarse con una verdadera célula (de hecho se le confundió con una cuando fue descubierto), se le llamó “mimivirus”; ya hemos hablado de él en este espacio.

Posteriormente se han descubierto otros virus enormes, tanto en tamaño como en complejidad y número de genes; entre ellos el pandoravirus, que tiene 2,500 genes.

Virus gigantes
(fuente: Science Magazine
http://ow.ly/cg4j30eY2qF)
Y resulta que estos virus gigantes poseen además genes relacionados con funciones metabólicas que hasta hace poco se consideraban exclusivas de las células, como la fabricación de las enzimas sintetasas de ARN de transferencia.

Estos y otros descubrimientos llevaron a proponer que estos grandes virus podrían ser descendientes de una cuarta rama del gran árbol de la vida. Las tres ya conocidas son las células con núcleo (eucariontes, como protozoarios, hongos, plantas y animales), las bacterias, y las arqueas (primas de las bacterias, aunque distintas a nivel molecular y metabólico). Los hipotéticos organismos de la cuarta rama habrían ido perdiendo funciones –y genes– hasta convertirse en los parásitos que son actualmente.

Recientemente, un equipo de virólogos encabezados por Frederik Schulz, del Instituto de Genómica del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en California, halló algo nuevo al analizar lodos provenientes de una planta de tratamiento de aguas de la ciudad de Klosterneuburg, en Austria. Sus resultados se publicaron en la revista Science en abril pasado.

Utilizando métodos de metagenómica, que permiten identificar a los organismos presentes en una muestra a partir sólo de su ADN, hallaron lo que parece ser el genoma de un nuevo virus gigante, al que llamaron klosneuvirus. Lo interesante es que este virus tiene 20 distintas enzimas sintetasas de ARN de transferencia, correspondientes a cada uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas. Es decir, un juego completo de dichas enzimas… igual que una célula viva.

Esto no quiere decir que el virus pueda producir sus propias proteínas, pues no tiene ribosomas, las fábricas moleculares que hacen dicho trabajo en las células (hasta ahora no se ha hallado señal de los genes necesarios para fabricar ribosomas en ningún virus conocido). Pero sí parecería, a primera vista, fortalecer la hipótesis de que los virus gigantes descienden de antiguas células, quizá pertenecientes a esa hipotética cuarta rama del árbol de la vida.

Para investigarlo más a fondo, Schulz y sus colegas estudiando, con métodos de análisis genético comparado, la procedencia de dichos genes. Lo que hallaron fue inesperado: cada gen parecía provenir de un linaje evolutivo distinto, principalmente de algas. En otras palabras, no parecían descender de un antepasado común, una célula antigua que fue perdiendo genes hasta convertirse en el klosneuvirus actual. Por el contrario, éste parece haber surgido a partir de un virus pequeño que fue adquiriendo enzimas una por una, por aquí y por allá, a partir de distintos organismos. Un fuerte golpe para la hipótesis del cuarto dominio de la vida. (Aunque otros virólogos desconfían, y opinan que la posibilidad de una cuarta rama del árbol de la vida no puede descartarse hasta que no se aísle al klosneuvirus mismo, en vez de sólo confiar en deducciones sobre su existencia a partir del ADN hallado en muestras.)

¿Y para qué querría un virus, por gigante que sea, tener sus propios genes para fabricar enzimas relacionadas con la producción de proteínas? Quizá porque algunas células, al detectar que han sido infectadas por virus, dejan de fabricar dichas enzimas, como mecanismo de protección. Los genes transportados por el virus podrían ser una forma de pasar por encima de esta defensa.

Queda claro que los virus son un territorio todavía poco explorado, que probablemente seguirá dándonos sorpresas que quizá sigan haciendo más borrosa la línea entre virus y células.

Y también que los organismos y las especies vivas son en realidad sistemas modulares formados por combinaciones enormemente flexibles de distintos genes, casi como bloques de lego moleculares.

Sin duda, la flexibilidad es una de las características fundamentales lo vivo.


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