La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

Archive for the ‘Biología’ Category

La cresta de los lambeosaurios, vista por tomografía axial computarizada

Posted by Carlos en octubre 17, 2008

Uno de los aspectos más fascinantes de la paleobiología como ciencia es el desafío que supone inferir pautas de comportamiento o características fisiológicas de criaturas extintas hace millones de años, y de las que se dispone de limitadísima evidencia fósil. Esto se suple de dos maneras: exprimiendo al máximo la información extraída de los restos disponibles, y extrapolando a partir de lo que se conoce sobre otras especies relacionadas, presentes o pasadas. Esto tiene su componente de bootstrapping, y es por supuesto sensible a interpretaciones erróneas, como sin ir más lejos puede apreciarse consultando tratados y láminas de comienzos del siglo pasado. En cualquier caso, esto se va mitigando gracias a que las técnicas de análisis biomolecular permiten tener una mejor compresión de la filogenia de las especies actuales, y a que los medios técnicos disponibles hoy en día facilitan acceder a facetas de los restos fósiles impensables hace tiempo.

Reconstrucción de un Corythosaurus. Cortesia de Michael Skrepnick.

Reconstrucción de un Corythosaurus. Cortesía de Michael Skrepnick.

Una buena muestra de esto lo tenemos en un reciente trabajo de David C. Evans y colaboradores -del Royal Ontario Museum, la Ohio University, y la Montana State University- en el que han analizado la estructura y función de la llamativa cresta que lucían los lambeosaurios (véase la imagen superior). El trabajo en cuestión lleva por título

y acaba de ser presentado ayer, 16 de octubre, en la reunión anual de la Society of Vertebrate Paleontology. Como puede apreciarse en la ilustración anterior, los lambeosaurios estaban dotados de una espectacular cresta, sobre cuya función se han vertido todo tipo de suposiciones. Indudablemente, al menos por lo que podemos saber de otras especies animales que exhiben aparatosos “adornos”, la cresta pudo cumplir una función visual, ya sea de identificación o de exhibición para el apareamiento. En cualquier caso, razonable como esto puede parecer, no excluye que hubiera otras funciones -incluso quizás más importantes- para las que la cresta fuera esencial. Hay que notar en este sentido que la cresta enraíza con la nariz, y que está atravesada por largos conductos nasales. Así, una de las propuestas lanzadas a la luz de esta observación era que dichos conductos permitían albergar grandes receptores olfativos, que dotarían al animal de un olfato de gran sensibilidad. Es en este contexto en el que se ha realizado el estudio de Evans et al. En el mismo se ha usado tomografía axial computarizada para analizar las cavidades craneales y los conductos nasales de diferentes especímenes de Lambeosaurus, Corythosaurus, y Hypacrosaurus.

Reconstrucción del cráneo de un coritosaurio joven. Cortesia de Witmer & Ridgely, Ohio University.

Reconstrucción del cráneo de un Corythosaurus joven. Cortesía de Witmer & Ridgely, Ohio University.

El análisis ha sido revelador en diferentes sentidos. Por un lado, la cavidad craneal es similar a la de otros hadrosáuridos, y los bulbos olfativos se revelan pequeños, lo que no apoya la hipótesis de que la cresta tuviera una función primordialmente olfativa. El cerebro ocupaba una proporción relativamente elevada de la cavidad (un 43%), lo que a su vez sugiere un desarrollo mayor de las funciones cognitivas, esto es, estos animales tendrían el potencial para sostener formas de comunicación más complejas que la olfativa, basadas en estímulos visuales y auditivos. De hecho, parece no haber correlacción entre la estructura externa de la cresta, que presenta gran variabilidad entre especies, y la estructura interna, mucho más homogénea, y con grandes cámaras resonantes. Unido a la delicada estructura del oído interno, todo sugiere que el rol fundamental de estas cavidades es la comunicación. No sólo es un resultado muy interesante, sino que demuestra la utilidad de este tipo de tecnología informática para el estudio peleobiológico.

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Los “osos de agua” sobreviven a la exposición al ambiente espacial

Posted by Carlos en septiembre 9, 2008

La posibilidad de que haya formas de vida (o proto-vida) capaz de sobrevivir a un viaje espacial es un tema al que se le viene dando vueltas desde hace siglos. La hipótesis de la panspermia se basa precisamente en la idea de que la vida sobre la Tierra surgió a partir de la llegada de esporas o microorganismos de algún tipo en cometas o meteoritos. Para que un viaje de estas características fuera posible es preciso que se den tres circunstancias: (1) que los organismos en cuestión sobrevivan al lanzamiento al espacio, (2) que sobrevivan al viaje, y (3) que sobrevivan a la reentrada en el planeta destino. Los puntos (1) y (3) son bastante dependientes de las condiciones particulares en las que se produce el lanzamiento/llegada, y no es descabellado suponer que existe la posibilidad de que bien sea a través de impactos meteoríticos, o simplemente a través de un programa espacial (la contaminación de las sondas es algo que se toma muy en serio por las agencias aerospaciales; considérese por ejemplo el caso de la sonda Galileo, que fue lanzada contra Júpiter para evitar la contaminación accidental de Europa), se pueda producir la transferencia de formas de vida. Por supuesto, siempre y cuando se salve el punto (2), la supervivencia en el espacio exterior durante el viaje.

La supervivencia en el vacío espacial es extremadamente difícil para las formas de vida terrestre, como es fácil imaginar. Los organismos que se vieran expuestos a este ambiente tendrían que hacer frente a la microgravedad, temperaturas extremas (de apenas unos 4ºK en el espacio profundo, mayor -e incluso potencialmente letal- si hay exposición directa a la luz solar), presiones ínfimas (del orden de 10-14 Pa, aproximadamente 10-19 atmósferas), y altas dosis de radiación ionizante (al menos tres órdenes de magnitud superior a la que se recibe en la superficie terrestre). Existen diversos extremófilos que pueden soportar algunas de estas condiciones, pero sobrevivir a la combinación de todas ellas durante un periodo potencialmente muy largo de tiempo es indudablemente un desafío biológico. Este desafío es incluso superior si en lugar de microorganismos unicelulares simples consideramos organismos pluricelulares. Pues bien, sorprendentemente parece haber organismos capaces de sobrevivir en estas hostiles circunstancias, tal como K. Ingemar Jönsson y 4 colaboradores, de las Universidades de Kristianstad, Sttutgart y Estocolmo, acaban de mostrar en un artículo titulado

recién aparecido en Current Biology. El estudio de Jönsson et al. se centra en los tardígrados, popularmente conocidos como “osos de agua” (hay un par de páginas muy buenas con fotografías y películas sobre tardígrados aquí y aquí). Se trata de unos pequeños invertebrados de hasta 1.2 mm de tamaño que constituyen un filo propio, y que tienen la curiosa propiedad de ser eutélicos, i.e., todos los individuos adultos de una cierta especie tienen el mismo número de células (hasta 40,000 en algunas especies). Son ovíparos, tienen reproducción sexual, y una resistencia extrema: pueden soportar (al menos temporalmente) temperaturas de +151ºC a -271ºC, altísimas dosis de radiación, presiones de hasta 6000 atmósferas, y pueden permanecer en estado criptobiótico durante años.

Tardigrado (Hypsibius dujardini). Micrografia por Bob Goldstein

Tardígrado (Hypsibius dujardini)

El estudio de Jönsson et al. se ha realizado en el contexto de la misión Foton-M3 de la ESA, y tiene el sugerente acrónimo geek de TARDIS (Tardigrades in Space). Hay un blog en el que los investigadores dan cuenta de las novedades del proyecto. Durante 10 días dos especies de tardígrados –Richtersius coronifer y Milnesium tardigradum– han estado expuestos al vacío en una órbita terrestre baja, y a dos espectros diferentes de radiación ultravioleta (280-400nm y 116.5-400nm). Mientras que la exposición al vacío no ha parecido tener efectos en la supervivencia de los tardígrados, la exposición a la radiación UV -especialmente en el espectro más amplio- produjo una considerable mortandad en los animales. No obstante, algunos especímenes de M. tardigradum fueron capaces de sobrevivir en estas condiciones, soportando (en estado desecado) una dosis de radiación de 7000 kJ/m2.

El mecanismo por el que estos organismos son capaces de soportar estas condiciones de desecación y radiación no está claro, y se presume la existencia de algún sistema de reparación del ADN dañado. En cualquier caso, dado que estas condiciones no se presentan en la Tierra, debe concluirse que son un efecto secundario de su adaptación criptobiótica. Realmente apasionante.

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Autocatálisis y sistemas autorreplicantes artificiales

Posted by Carlos en agosto 29, 2008

Sopa prebiótica (ilustración de Jac Depczyk)

Sopa prebiótica (ilustración de Jac Depczyk)

La autorreplicación no es sólo uno de los ingredientes fundamentales de la vida, sino que la precede y eventualmente da lugar a la misma. Así, las diferentes hipótesis planteadas sobre el origen de la vida -dispares en sí la genética precedió al metabolismo o no, o en si la proto-vida se desarrolló en medio de los océanos o en superficies minerales submarinas o subterráneas, por citar algún ejemplos- coinciden en la aparición de sistemas autorreplicantes o autocatalíticos. Contrariamente a lo que pueda pensarse, un sistema de estas características no ha de ser de manera forzosa extremadamente complejo, y de hecho se han podido conseguir en el laboratorio en la última década. Véase por ejemplo el trabajo de Natasha Paul y Gerald F. Joyce, del Scripps Research Institute, titulado

publicado en Current Opinión in Chemical Biology en 2004. Lo interesante de los sistemas autorreplicantes es que pueden explotar el entorno hasta dominarlos completamente. Un buen ejemplo es el proporcionado por Douglas Philp, de la Universidad de St Andrews. En un trabajo de 2006 con Eleftherios Kassianidis titulado

y publicado en Angewandte Chemie International Edition, mostraron una molécula que actuaba como plantilla para su propia replicación. Lo más interesante sin embargo es que si se da la composición química adecuada, incluso sin la presencia de la molécula en cuestión, el proceso se pone en marcha, llegando un momento en el que la sopa química está compuesta casi exclusivamente por copias de dicha molécula. Estos resultados han sido presentados la última reunión nacional de la American Chemical Society, celebrada en Filadelfia del 17 al 21 de agosto, en una comunicación que tiene por título

El trabajo, realizado conjuntamente por Douglas Philp y Jan Sadownik, un miembro de su grupo, describe como cuando en una sopa química formada por 24 aldehídos se añade una cierta maleimida, se dispara una reacción autocatalítica en relación con la molécula señalada anteriormente. A pesar de que las posibilidades de interreacción entre los compuestos de la mezcla son inmensas, esta reacción domina totalmente la dinámica del sistema, amplificando la especie autorreplicante hasta una proporción 15:1 (i.e., el 93% de la sopa química). En palabras del propio Philp, “esto muestra que se puede extraer orden del caos“.

Esta investigación no sólo da pistas sobre los procesos autocatalíticos que pudieron dar lugar al origen de la vida, sino que puede resultar de gran interés también en relación al diseño de sistemas para la producción bajo demanda de compuestos químicos específicos, una suerte de ingeniería molecular a través de sistemas autorreplicantes artificiales que podrían ser controlados a través de las especies presentes en la sopa química primordial. Se trata sin duda de uno de los grandes desafíos de la química moderna para los próximos años.

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Evidencia de magnetorrecepción en grandes mamíferos

Posted by Carlos en agosto 27, 2008

La magnetorrecepción, esto es, la capacidad sensorial para percibir los campos magnéticos, es una habilidad bien conocida en numerosas especies animales, desde insectos como abejas y termitas hasta aves migratorias, pasando por peces como la carpa y las anguilas. También se ha podido obtener evidencia de que hay mamíferos con esta capacidad, en particular varias especies de roedores (i.e., Cryptomys hottentotus, Phodopus sungorus, Spalax ehrenbergi) y una de murciélagos, pero no hay evidencia conclusiva de que los grandes mamíferos la tengan. O no la había, ya que un reciente trabajo aparecido en PNAS indica que vacas, venados y corzos exhiben en campo abierto un comportamiento que sugiere el alineamiento con el campo magnético terrestre. Este trabajo ha sido realizado por Sabine Begall, del Departamento de Zoología General de la Universidad de Duisburgo-Essen, y colaboradores, lleva por título

y aparecerá en el número del 9 de septiembre de PNAS. En este trabajo, los autores han tomado datos del alineamiento de 8,510 vacas (en 308 rebaños) y 2,974 ciervos (en 241 localidades), y han comprobado que no sólo éste es significativamente diferente (a nivel 0.01) de un alineamiento aleatorio, sino que muestran una preferencia al alineamiento en sentido Norte/Sur (el ángulo medio es 6.4º/186.4º, con relación al Norte magnético). Los datos se han obtenido de diferentes fuentes. Una de ellas es Google Earth, que proporciona imágenes de rebaños de vacas en todos los continentes. También se ha realizado trabajo de campo (tanto diurna como nocturna) en la República Checa, incluyendo tanto observación directa como de las marcas dejadas por los animales en pasto o nieve.

Hay diferentes motivos diferentes del campo magnético que pueden influir en el alineamiento de los animales. Los más obvios son los accidentes geográficos, la presencia de agua, animales en periodo de lactancia, etc. Estos se han tenido en cuenta durante la fase de preparación de los datos, eliminando los ejemplares que no estaban pastando o descansando en campo abierto y llano. Otro factor es el viento, con el que los animales se pueden alinear para minimizar pérdidas de calor. Sin embargo, este factor no puede dar cuenta de que los animales tengan una alineación consistente en dirección N/S en muy diferentes localizaciones geográficas y en diferentes épocas del año. Más aún, la observación directa se hizo en días sin viento. El sol es otro factor importante, ya sea por termorregulación, orientación, o sencillamente para evitar destellos. Nuevamente puede excluirse como factor central debido a la presencia de observaciones nocturnas, la eliminación de ejemplares que se hallan claramente tomando el sol, y la ausencia de indicación de que haya estrés por calor en los animales. De hecho no hay correlación entre la orientación de los animales y la hora del día en la que se hizo la observación de campo.

Queda pues la opción del campo magnético como la mejor explicación hasta el momento. De hecho, cuando la posición del animal es más cercana a los polos (y por lo tanto la diferencia en dirección entre el Norte geográfico y el Norte magnético es mayor), hay diferencia significativa en los alineamientos cuando se usa como referencia el Norte geográfico, pero no la hay (ni siquiera a nivel 0.1) cuando se usa como referencia el Norte magnético. Otra pista al respecto la da el hecho de que en zonas en las que hay un campo magnético fósil de gran intensidad, las vacas tienen a estar desalineadas con relación al Norte magnético.

Es un cierto misterio por qué se produce este alineamiento. En términos biofísicos no hay grandes requisitos para que se tenga habilidad magnetorreceptora, y de hecho se ha argumentado que otros grandes mamíferos como caballos, cetáceos e incluso humanos la poseen (hay al parecer pequeñas diferencias en la latencia del movimiento rápido de ojos y de la actividad electroencefalográfica de individuos orientados N/S frente a los orientados E/O). La cuestión es cuál es la ventaja evolutiva que el ejercicio de esta habilidad puede suponer a los rumiantes. Los autores especulan con la posibilidad de que permita mantener una orientación espacial constante, de utilidad en caso de que tengan que realizar una huida rápida. De todas formas, lo más sorprendente es que este comportamiento haya permanecido inadvertido desde los albores de la ganadería.

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La esencia de la Ciencia es …

Posted by Carlos en junio 13, 2008

(Si la resolución horizontal de tu pantalla es de 1024 píxels o menor, haz click sobre la imagen para ver el desenlace final).

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La épica hippy de la síntesis de proteínas

Posted by Carlos en mayo 27, 2008

Estamos en 1971 y el que 9 años más tarde sería Premio Nobel de Química, Paul Berg, catedrático de bioquímica de la Universidad de Stanford decide realizar una película divulgativa sobre la síntesis de las proteínas. ¿Y qué es lo que hace? Lo normal en estos casos: agarrar a una caterva de hippies y hacerles representar el papel de biomoléculas. El resultado es simplemente apoteósico como se ve en el vídeo inferior. Es fácil imaginar que cuando el Prof. Berg reunió a los intérpretes y les empezó a hablar de los aminoácidos, éstos se metieron en el papel y se pusieron de otros ácidos hasta las cejas. El vídeo tiene en cualquier caso su encanto “flower power“, y hay que reconocer que el factor de iniciación 2 está de muy buen ver (mucho más que el factor de iniciación 1, no hay comparación). El pavo del GTP tiene por otra parte su gracia, y anima -como le corresponde- bastante el cotarro.

Bromas aparte, la realización del vídeo tuvo un enorme mérito, aunque sólo fuera por explicarle a los figurantes su papel (también es verdad que a lo mejor más de uno era estudiante de biología). Quizás por esto en parte, en 2006 Paul Berg recibió el premio Carl Sagan a la popularización de la ciencia. Y es que el valor divulgativo del vídeo es doble: te enseña lo maravilloso que son los procesos bioquímicos, y las nefastas consecuencias que la ingesta de ciertas sustancias puede acarrear.

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Pájaros que desafían a la gravedad (pero no volando)

Posted by Carlos en mayo 21, 2008

Hace algunos meses hablábamos de mecánica de fluidos y de un curiosísimo fenómeno mediante el cual una gota de líquido dispuesta sobre una superficie inclinada no sólo no descendía, sino que incluso llegaba a ascender por la misma si dicha superficie vibraba de una forma adecuada (véanse los vídeos en el artículo reseñado anteriormente). Este fenómeno puede tener su interés en procesos científicos o industriales en los que haya que controlar el movimiento de pequeñísimas porciones de líquido. Pues bien, como en tantas otras ocasiones parece que la Madre Naturaleza ya había descubierto procesos como éstos en los que la histéresis del ángulo de contacto de las gotas con la superficie resulta en un movimiento “hacia arriba” del líquido. Esto es lo que describen Manu Prakash, David Quéré, y John W. M. Bush, del MIT y de la Escuela Superior de Física y Química industrial de París, en un trabajo titulado

publicado en Science. En este trabajo Prakash et al. estudian el mecanismo por el que algunas aves acuáticas se alimentan. Pensemos en algo obvio pero no frecuentemente considerado: los picos de las aves no están preparados para la succión. En parte por esto es por lo que vemos por ejemplo a las aves zancudas realizar esos movimientos de cuello para conseguir ingerir con ayuda de la gravedad los peces que capturan. La situación es diferente en el caso de las aves acuáticas que se alimentan de insectos. Estos se encuentran en la superficie del agua, y deben ser capturados junto con el líquido en el que se hayan. La técnica que usan las aves en este caso es tremendamente interesante. En primer lugar, el ave nada en rápidos círculos, creando un vórtice que lleva hasta la superficie a insectos y pequeños crustáceos. A continuación, “picotea” el agua con una frecuencia de en torno a 1.5 Hz, realizando movimientos rápidos de apertura y cierre del pico, mediante los cuales gotas de líquido de unos 2mm suben por el interior del mismo a una velocidad de 1 m/s hasta llegar a la garganta del ave. Estas gotas transportan consigo pequeños insectos que le sirven de alimento.

ratchet regime

Credit: M. Prakash et al. – Science 320(5878):931-934

La explicación del fenómeno es similar a la de las gotas de líquido que subían por la superficie vibrante, y tiene que ver con los diferentes ángulos de contacto en un extremo y otro de la gota (el -interno- más cercano a la garganta y el -externo- más cercano al extremo del pico. Esta diferencia de ángulos hace que al cerrar el pico la parte interna alcanza el ángulo de avance por lo que se desplaza hacia la garganta, mientras que el lado externo no se mueve. Al abrir el pico ocurre lo contrario: el lado interno no se ve afectado, y el lado externo alcanza el ángulo de recesión, como se ve en la figura superior. Hay que tener en cuenta que el proceso necesita estar cuidadosamente ajustado, ya que un cierre excesivo causaría un aplastamiento de la gota, con ambos extremos moviéndose en sentidos opuestos, mientras que una apertura excesiva rompería la gota en dos mitades.

Esta investigación tiene dos vertientes. Por un lado pone de manifiesto la fragilidad de los ecosistemas ante la intervención humana. Los vertidos de aceites o de productos tensoactivos procedentes de los detergentes alteran la tensión superficial del líquido, haciendo que el mecanismo de alimentación (que es innato) del ave se torne ineficiente e incluso ineficaz. Por otra parte, este tipo de fenómenos podría ponernos en camino –según se apunta– a ventanas autolimpiables, o a superficies que sean adherentes sólo para los líquidos que fluyan en un cierto sentido.

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Aprendizaje evolutivo en bacterias

Posted by Carlos en mayo 15, 2008

La capacidad de aprendizaje (esto es, de predicción del estado próximo del entorno) es patente en organismos dotados de sistemas nerviosos más o menos complejos. El campo de las redes neuronales artificiales se basa precisamente en la utilización de ideas basadas en el proceso de reajuste de las interconexiones entre neuronas durante la vida de un organismo. Más sorprendente es sin embargo observar capacidades predictivas en organismos mucho más simples como las bacterias. Dada la ausencia de sistema nervioso en las mismas, el comportamiento de este tipo de organismos se explica mediante mecanismos físico-químicos de homeostasis, presentes en la célula gracias a la acción de la selección natural. Siendo esto así, no hay que dejar de lado en cualquier caso que toda célula contiene un sistema enormemente complejo en su interior, en la forma de redes genómicas, proteómicas y metabólicas, y que un sistema de estas características es capaz de dar muchas sorpresas.

Una de estas sorpresas es la capacidad que ciertas bacterias tienen de asociar cambios ambientales inmediatos con cambios ambientales que ocurrirán con posterioridad. Un ejemplo de este comportamiento es el que exhibe la conspicua Escherichia coli. Esta bacteria es capaz de asociar incrementos rápidos de temperatura (como los que ocurrirían al pasar de un entorno abierto al interior de la boca de una persona) con posteriores decrementos del nivel de oxígeno (como los que ocurrirían posteriormente al llegar al tracto intestinal). Un estudio al respecto ha sido publicado por Ilias Tagkopoulos, Yir-Chung Liu, y Saeed Tavazoie, de la Universidad de Princeton, en un trabajo titulado

recién aparecido en Science. Tagkopoulos et al. han realizado en primer lugar un estudio computacional, empleando técnicas de computación evolutiva y de vida artificial. En sus simulaciones se mantiene una población de organismos, cada uno de los cuales contiene una red metabólica en su interior. Esta red metabólica evoluciona mediante la aplicación de ciertos operadores de mutación al llegar a la fase reproductiva. El entorno se simula mediante una serie de señales más o menos correlacionadas con la aparición de ciertos eventos. Concretamente, consideran un evento consistente en la aparición de un recurso del que es posible extraer energía siempre que la célula exprese una cierta proteína. La energía que se gana de esta forma se ve reducida por el propio coste de mantenimiento de la red metabólica, dando lugar a un saldo energético final. En un grupo de simulaciones este saldo energético se usaba para seleccionar los individuos que pasaban a la siguiente generación, mediante el clásico procedimiento de ruleta. En otro grupo de simulaciones el proceso de reproducción era asíncrono, y se producía individualmente en cada individuo cuando acumulaba suficiente energía.

Escherichia coli at 10000x

Este tipo de simulaciones (realizadas en supercomputadores) permitieron demostrar la viabilidad en principio de que a escala evolutiva pueda producirse aprendizaje a nivel de interacción bioquímica. El siguiente experimento se realizó con ejemplares de E. coli bajo condiciones controladas en las que se realizaban cambios de temperatura entre 25ºC y 37ºC y cambios en la concentración de oxígeno entre 0% y 18%. No sólo se observó el efecto mencionado anteriormente en relación a la predicción de las condiciones del tracto digestivo, sino otro más interesante. Concretamente se realizaron experimentos con las condiciones inversas a las naturales, es decir, se evolucionó una población de E. coli en un entorno en el que el incremento de temperatura iba seguido de un incremento de la concentración de oxígeno. Se obtuvo de esta manera una cepa que era capaz de anticipar este escenario ecológicamente incoherente, mostrando así un aprendizaje genuinamente asociativo.

Según afirman los autores del trabajo, este tipo de estudios puede conducir a una mejor comprensión de la dinámica adaptativa de las bacterias y la aparición de resistencia a los tratamientos, lo que puede resultar de gran utilidad.

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Modelos antrópicos de evolución y aparición de vida compleja

Posted by Carlos en abril 30, 2008

Siempre que se considera la posibilidad de existencia de vida fuera de la Tierra y se intenta cuantificarla, es inevitable tener en cuenta el sesgo observacional que nuestra propia existencia como observadores introduce. Dada la diversidad y abundancia de formas de vida que nos encontramos en la Tierra, y dada la enorme escala del Universo, la idea de que no haya vida (simple, compleja o incluso inteligente) en ningún otro lugar suele repeler nuestra intuición. Con independencia de que nuestra intuición esté o no en lo cierto, es indudable que el hecho de que estemos aquí es la consecuencia de toda una serie de circunstancias de índole cosmológica, astronómica, geológica, y biológica. Centrándonos en este último aspecto, somos el resultado de un largo camino evolutivo a lo largo del cual han tenido lugar eventos de mayor o menor probabilidad. La hipótesis de la Tierra Rara, formulada como reacción a la aparente paradoja de Fermi, nos indica que algunos de estos eventos han de ser bastante improbables, y el análisis de las implicaciones que ello conlleva arroja consideraciones que pueden ser de gran interés.

Un estudio de este tipo ha sido realizado por Andrew J. Watson, de la Universidad de East Anglia, en un trabajo titulado

que acaba de ser publicado en Astrobiology. Este trabajo estudia la distribución de este tipo de eventos “improbables” y muestra como puede establecerse una correspondencia razonablemente sólida (en términos probabilisticos) con las principales transiciones evolutivas de las que tenemos constancia. El artículo de Watson comienza con una observación a la que no siempre se le presta la debida atención: ya hemos cubierto aproximadamente el 80% de la ventana temporal durante la cual la Tierra ha sido y será habitable (para formas de vida compleja). El mantenimiento de la biosfera depende entre otros factores de que la temperatura no supere un umbral de en torno a 50ºC, y de que la concentración de CO2 sea al menos de unas 10 ppm. Por lo que conocemos de la futura evolución de la luminosidad del Sol y de los ciclos del CO2 atmosférico, en un periodo de 1.0±0.5 Ga (1Ga=1000 millones de años) las condiciones dejarán de ser aceptables.

El hecho de que la vida inteligente haya surgido en una fase tardía del periodo de habitabilidad de la Tierra sugiere que no es un fenómeno sumamente probable a priori (o de manera más precisa, el hecho de que no haya surgido en una fase temprana no apoya que el surgimiento de vida inteligente sea un fenómeno muy probable). Watson elabora en este sentido un modelo de Brandon Carter en el que se asume la existencia de un número n de pasos críticos, cada uno con una probabilidad por unidad de tiempo λi. La criticidad de estos pasos se traduce en el hecho de han de darse de manera consecutiva, y de que si th es el tiempo de habitabilidad de la Tierra, entonces λith<<1. En estas circunstancias, puede demostrarse que la probabilidad de que se hayan producido los n pasos tras un tiempo t es

P_{n/n}(t) \approx L \prod_{i=1}^n \lambda_it^{n-1}

Si se ajusta la constante K  al hecho conocido a posteriori de que existimos sobre la Tierra, obtenemos

P_{n/n}(t) = nt^{n-1}t_h^{-n}

Calculando la esperanza matemática del momento t en el que se realizan los n pasos críticos se obtiene

E[t_{n/n}] = \frac{n}{n+1}t_h

Suponiendo que la Tierra empezó a ser habitable hace unos 4 Ga y que lo seguirá siendo 1 Ga más, lo anterior sugiere que ha habido 4 pasos críticos en nuestro caso, aunque esto depende mucho de la estimación futura (si la Tierra sólo fuera habitable 0.5 Ga más, n podría ser 8). En cualquier caso, el resultado más interesante puede ser que el tiempo esperado hasta que se dé el paso m-ésimo es

E[t_{m/n}] = \frac{m}{n+1}t_h

esto es, los eventos críticos suceden en promedio a intervalos regulares dentro de la ventana de habitabilidad (siempre con la condición a posteriori de que se satisfagan todos dentro de la misma). Bajo esta premisa, puede evaluarse la criticidad de eventos evolutivos históricos sobre la base de cuál es la probabilidad de que se dieran en el momento en el que lo hicieron (ya que se tiene una estimación de la distribución de probabilidad de los eventos críticos para un número cualquiera de los mismos). Así, un modelo basado en 7 pasos críticos indica que la aparición de código genético o de reproducción sexual habrían ocurrido de manera excepcionalmente temprana para lo que cabría esperar. Sin embargo, un modelo de 5 pasos críticos encaja bastante bien. Dichos pasos críticos serían:

  1. Aparición del código genético (establecimiento del flujo de información clásico determinado por el dogma central de la biología), ocurrido hace unos 3.5 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 41%.
  2. Aparición de los eucariotas, ocurrido hace 2.5-1.5 Ga, lo que arroja una probabilidad del 66%.
  3. Reproducción sexual, ocurrida también hace 2.5-1.5 Ga, lo que indica una probabilidad del 32%.
  4. Diferenciación celular, ocurrida hace 1.0-0.6 Ga, lo que arroja una probabilidad del 41%.
  5. Transición de primates a humanos modernos hace 0.001 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 33%.

Este análisis -además de apoyar la hipótesis de la tierra Rara- proporciona algunas indicaciones sobre lo que cabe esperar de la vida fuera de la Tierra. En primer lugar, la abiogénesis parece un evento probable, con un tiempo esperado de ocurrencia de 0.1 Ga. Sin embargo, el desarrollo de vida compleja es mucho más improbable. Por lo tanto, podría esperarse que el Universo estuviera lleno de formas simples de vida, similares a los procariotas, pero sólo podría esperarse la existencia de formas complejas de vida en los raros casos en los que la secuencia de pasos necesarios se hayan dado. Si además llegan a ser inteligentes, posiblemente llegarán también a esta misma conclusión.

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Nanobacterias, nanopartículas y proto-vida

Posted by Carlos en abril 23, 2008

ALH84001 nanostructuresCuando en 1996 se hicieron públicos los estudios preliminares de las nanoestructuras encontradas en el meteorito marciano ALH84001 hubo un gran revuelo, controversia y expectación. Se sugería que estas nanoestructuras -con un tamaño de 20-100 nm- podrían ser restos fosilizados de formas de vida bacteriana o similar, lo que supondría la confirmación de la existencia de vida fuera de la Tierra. Entre los primeros argumentos contrarios a tal interpretación de estas estructuras estaba su pequeño tamaño, inferior a la de las más pequeñas bacterias terrestres conocidas (los micoplasmas, de unos 150-250 nm de tamaño). Actualmente sigue sin estar claro si dichas estructuras tienen origen biológico, o incluso si de tenerlo hay que buscarlo fuera de la Tierra o puede ser una contaminación posterior a la llegada del meteorito. En cualquier caso, es interesante retomar la cuestión del tamaño, precisamente en relación con otra hipotética familia de microorganismos (o mejor dicho, nanoorganismos) que está dando que hablar en los últimos tiempos: las nanobacterias.

Las primeras referencias específicas hacia las nanobacterias en un entorno biológico datan de 1998 (previamente -en 1981- había habido especulación a partir de hallazgos en rocas, similares a los mencionados en el caso del meteorito marciano). En un artículo publicado en PNAS, dos investigadores de la Universidad de Kuopio en Finlandia sugerían que este tipo de organismos -autorreplicantes y con ADN- eran los responsables de la deposición de fosfato de calcio en los cálculos renales. Este planteamiento fue muy controvertido, ya que se estaba hablando de tamaños inferiores a los de la mayoría de virus, que no pueden replicarse de manera autónoma. De hecho, se ha sugerido que unos 140 nm es el límite inferior para el tamaño de una célula: con menos de eso no hay espacio para el ADN y las proteínas necesarias para que ésta funcione. La interpretación alternativa era la de nanopartículas contaminadas con ADN de bacterias circundantes y que de alguna forma eran capaces de replicarse y producir apatita, extremo este último que no resultaba tampoco muy satisfactorio como planteamiento.

La controversia puede estar sin embargo cerca de su fin si se confirman los hallazgos de Jan Martel y John Ding-E Young en un reciente trabajo titulado

y que ha sido publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences. En este trabajo los autores han sido capaces de sintetizar nanopartículas cuya apariencia y comportamiento son idénticos a las supuestas nanobacterias identificadas en el suero sanguíneo. Estas nanopartículas se forman a partir de una reacción química entre calcio y CO2, sustancias que se encuentran de manera natural en la sangre, y asombrosamente son capaces de “reproducirse”, esto es, de producir nuevos cristales calizos. El fenómeno distintivo que hace que estos cristales no sean de gran tamaño es la presencia de moléculas orgánicas que envuelven a estas nanopartículas, impidiendo su crecimiento normal y forzándolas a adoptar la forma esférica o alargada típica de bacterias. No se ha localizado traza alguna de ADN, y las supuestas bacterias continuaron comportándose de la misma forma tras ser literalmente cocidas con una dosis de 30 kGy de rayos gamma (el doble de lo que tolera Deinococcus radiodurans, la bacteria más resistente a la radiación).

Aunque esto puede suponer el fin de la especulación acerca de si estas partículas eran realmente seres vivos o no, no deja de ser interesante especular con el papel que han podido jugar en el origen de la vida. Ya en 1985 el químico y biólogo molecular Graham Cairns-Smith propuso la teoría de que la vida tal como la conocemos surgió a partir de un proto-ecosistema basado en cristales de arcilla que por medios puramente químicos se “reproducían” y estaban sujetos a una suerte de selección natural. Las moléculas orgánicas eran inicialmente una “adaptación evolutiva” de estos cristales que encontraban en ellas una ventaja con vistas a su propagación. Eventualmente el proceso se cortocircuitó, y las moléculas orgánicas alcanzaron la capacidad de autorreplicación de manera independiente de los cristales arcillosos. ¿Pudiera ser que un proceso análogo hubiera podido producirse de alguna forma a través de cristales de carbonato cálcico? Quién sabe. La cuestión es en cualquier caso apasionante, y engarza con algunas discusiones que tuvimos hace tiempo sobre formas de vida fundamentalmente diferentes a la bioquímica terrestre. Merecerá la pena retomar este hilo próximamente.

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