miércoles, 12 de junio de 2013

A imagen y semejanza


    El pasado 28 de mayo se celebró el décimo aniversario del fallecimiento de Ilya Prigogine. No es un nombre demasiado conocido, ni ha sido recordado en un “doodle” del más famoso buscador de Internet, a pesar de que recibió el Premio Nobel de Química en 1977. Sin embargo, siempre destacó entre los científicos contemporáneos debido a un punto de vista completamente inusual.


Ilya Prigogine (1917 - 2003) - nobelprize.org

    En 1946, Prigogine presentó una conferencia sobre el tema en que se había especializado durante su estancia en la Universidad Libre de Bruselas: la termodinámica de procesos irreversibles. Cuando concluyó su exposición, uno de los mayores expertos en la materia comentó: “Me asombra, joven, que tenga usted tanto interés en la química del no-equilibrio. Los procesos irreversibles son transitorios. ¿Por qué no esperar y estudiar el equilibrio como todo el mundo?” Prigogine quedó tan sorprendido ante el comentario que no tuvo el ánimo de contestar: “¡Pero nosotros somos seres transitorios! ¿No es natural interesarse por esta condición en común con los humanos?”.

    En efecto, Prigogine no entendía por qué se debía esperar a que se produjera el equilibrio, a que todo quedase detenido para ser estudiado. Si se aplicara esta idea a la medicina, por ejemplo, sólo se estudiaría el cuerpo humano una vez estuviera en equilibrio con el entorno, esto es, muerto. No existirían, por tanto, médicos que estudiaran síntomas y procesos del organismo mientras éste fuese aún un sistema dinámico. Esta disciplina no merecería llamarse termodinámica sino “termoestática”, la ciencia que trata de los sistemas dinámicos y que espera a que se detengan para estudiarlos.

    Al impulsar el estudio de los procesos irreversibles, Prigogine plasma la idea del filósofo Henri Bergson que hablaba del tiempo como “brote efectivo de novedad imprevisible”. La irreversibilidad de los procesos naturales, esa imposibilidad de marcha atrás como sucede en el desarrollo de un ser vivo, es la que posibilita que existan coherencias en el universo. Que exista química, que exista vida y, por supuesto, culturas humanas, ya que sin una noción de tiempo que transcurra sólo en una dirección, incluso la adquisición de conocimiento sería una utopía. El Big Bang como inicio mismo del universo constituye el proceso irreversible por excelencia que, sin posibilidad de retroceder, sólo pudo avanzar desarrollando todo su potencial en espacio, materia y energía. En este sentido, son las interacciones entre los elementos lo que constituye la novedad, la creatividad de la naturaleza, tanto en los sistemas vivos como en los inanimados.
    Para ilustrar cuánto de íntimamente relacionados están todos los sistemas dinámicos, tanto vivos como inertes, veamos con detalle dos ejemplos.

    El primero de ellos se descubre en los años 50 del pasado siglo. El químico Boris Belousov trata de encontrar una secuencia de reacciones equivalentes al ciclo de Krebs, que le permitan estudiarlo más fácilmente en el laboratorio. Y hace su acto de presencia la serendipia, ese descubrimiento afortunado que no se perseguía. Resultó que una mezcla de bromo y cerio en un medio ácido era capaz de cambiar de color varias veces, y en intervalos de tiempo bastante regulares. Un auténtico reloj químico. Esto era del todo inusual, pues en una reacción química lo habitual es que al poner en contacto varias sustancias (reactivos), reaccionen generando otras sustancias diferentes (productos). La reacción alcanza un punto de equilibrio en el que todas las cantidades permanecen constantes y ya no sucede ningún cambio. Pero en la descubierta por Belousov se origina una oscilación en el color: ahora es roja, ahora es azul, de nuevo roja, de nuevo azul… Esta oscilación indica que la reacción se encuentra alejada del equilibrio, algo típico en los sistemas dinámicos.

 Oscilación de color de la reacción de Belousov - YouTube 

    No obstante, la reacción aún se guardaba un as en la manga. Si en lugar de suceder en un frasco, se dispone en un recipiente amplio con sólo una delgada lámina de líquido (como en una placa de Petri), la sorpresa está asegurada. La superficie líquida comienza a producir una serie de ondas en forma de espirales concéntricas que se van expandiendo a pulsos.

Patrón de ondas en la reacción de Belousov - YouTube

   El segundo de los ejemplos es un caso aún más singular. A los biólogos siempre les ha desconcertado que un organismo conocido como moho del limo (Dyctiostelium discoideum) se encuentre a caballo entre un ser unicelular y uno pluricelular. Mientras se encuentra en un lugar con abundante alimento, vive como una solitaria ameba que se reproduce asexualmente dividiéndose en dos células idénticas. Cuando los nutrientes escasean, las células del moho comienzan a emitir una señal química (un compuesto llamado AMP cíclico) que sirve de estímulo a las células adyacentes para acercarse unas a otras y emitir también la señal química. Esta agregación origina diferenciación de células y producción de esporas, que se diseminarán y generarán nuevas amebas cuando las condiciones sean más favorables.
    Lo asombroso es que, mientras las células emiten la señal química y estimulan a otras a hacerlo, se crea un patrón que… ¿lo adivinas? ¡produce ondas en forma de espirales concéntricas que se expanden hacia el exterior! Sí, exactamente el mismo patrón oscilante que en la reacción de Belousov.

Patrón de ondas en el moho del limo - YouTube


 Simulación por ordenador del patrón de ondas en el moho del limo - YouTube

    La Química dota de creatividad y acción a muchos sistemas dinámicos de la naturaleza, y la vida no es sino el más fascinante de los sistemas dinámicos que emplea la Química para autoorganizarse y mantenerse alejada del equilibrio. Además, la vida como sistema dinámico tiene una originalidad más: ha logrado emplear al ser humano para estudiarse a sí misma.       

Referencias:
J. A. Bustelo, El gato y la pregunta, Bubok, 2009, 161 p.


Este post participa en el Z=26 Edición del Carnaval de Química, organizado por Luís Moreno Martínez (@luisccqq) en su blog El cuaderno de Calpurnia Tate.



lunes, 10 de junio de 2013

COV. La preocupación está en el aire (y II)


Desde hace ya décadas, la interacción de las actividades humanas con la atmósfera son las más preocupantes por el grado de intensidad que llegan a alcanzar. Entre los problemas muy conocidos, la disminución del ozono en la estratosfera a causa de los CFC, y el efecto invernadero por las emisiones crecientes de dióxido de carbono. Pero aún hay una pequeña fracción de la atmósfera, concretamente un 0,06%, en absoluto inocua.

 Las Blue Mountains con el característico tono azulado provocado por la emisión de COV. Wikipedia

Existen dos lugares separados por más de 15.000 km que tienen en común un curioso fenómeno. Uno de ellos está en las Great Smoky Mountains, en Tennessee (EE UU), mientras que el otro se sitúa en las Blue Mountains, en Nueva Gales del Sur (Australia). Ambos hacen mención en su nombre (con los términos “smoky” y “blue”) de una característica neblina azul que envuelve las extensas áreas de pinos y eucaliptos. La causa de esta bruma no es meteorológica, aunque puede provocar efectos insospechados en el clima global. En realidad, está originada por la emisión de sustancias que procede de la propia vegetación llamadas COV (compuestos orgánicos volátiles). Forman parte de los COV los aromas naturales de las plantas como el geraniol (esencia de rosas), el limoneno (fragancia de cítricos), el terpinoleno (aroma a pino) o el cineol (olor a eucalipto). La variedad de COV emitida por las plantas es muy amplia, y no se ciñe solamente a los compuestos que pueden verse u olerse. Además, la cantidad que emiten a la atmósfera es enorme, rondando los 1.150 teragramos/año, ocho veces superior a la cifra de hidrocarburos de origen antropogénico.

Los motivos por los que las plantas emiten estos compuestos, y cuáles pueden ser sus efectos sobre la química de la atmósfera, están suponiendo un auténtico reto en los últimos años. Es tal la importancia del estudio de este fenómeno que en Malasia, uno de los países donde se realizan las más exhaustivas mediciones de isopreno (el COV más abundante), los equipos de científicos han de soportar condiciones de montaña rusa, sobrevolando la selva malaya a escasos cien metros sobre las copas de los árboles, mientras los pilotos maniobran entre los valles y someten a intensas aceleraciones a los sufridos tripulantes que, sujetos con arneses, miden los niveles de isopreno en el aire (nunca mejor dicho).

Contaminación por smog fotoquímico. UCDavis Chemwiki

Los motivos por los que las plantas emiten COV son diversos: repelentes contra herbívoros, atracción de polinizadores, protección contra altas temperaturas... y sus efectos atmosféricos están comenzando a preocupar, por ejemplo, con la formación de ozono en las capas bajas de la atmósfera. En un núcleo urbano donde exista contaminación por óxidos de nitrógeno (proveniente de los gases de escape de los automóviles) la producción de ozono está equilibrada con su destrucción y no se acumula. Pero en presencia de COV, las reacciones químicas no consumen el ozono producido y su nivel en el aire aumenta. Lo que tiene de beneficioso el ozono a 30 km de altitud como filtro contra la radiación ultravioleta, lo tiene de perjudicial a nivel del suelo, produciendo un tipo de contaminación de color marrón rojizo conocido como smog fotoquímico, tóxica e irritante para las vías respiratorias.

Otro aspecto que se conoce es que las emisiones de COV por parte de la vegetación aumentan con la temperatura, haciendo sospechar que se trata de una defensa ante el calentamiento global. Lo que aún supone una incógnita es si esta respuesta de las plantas potenciará o atenuará las consecuencias de un cambio climático. Unido a lo anterior, ciertos COV tienen la capacidad de formar aerosoles, suspensiones de partículas con un importante papel en la formación de nieblas y nubes, contribuyendo al enfriamiento del entorno las primeras, y bloqueando parcialmente los rayos del Sol las segundas. El fitoplancton, al igual que la vegetación terrestre, también emite COV, y los datos no parecen dejar lugar a dudas: contribuyen significativamente a la formación de nubes.

Actualmente, los organismos fotosintéticos continúan librando la batalla entre la biología y la química atmosférica. No se sabe si los vertidos incontrolados de COV al inmenso océano de gas que nos rodea tendrán un balance positivo o negativo para el clima El resultado nunca ha sido tan incierto.

Referencias

R. Guerrero, M. Berlanga, Actualidad SEM 2003, 36, 16-22.
R. Pike, The science behind a climate headline, Vídeo en línea, TED talks, bit.ly/3sa8c1
J. Peñuelas, J. Llusià, Ecosistemas 2003, 12, 83-89.
N. Meskhidze, A. Nenes, Science 2006, 314, 1419-1423.


Este post participa en la Z=26 Edición del Carnaval de Química que organiza Luís Moreno Martínez (@luísccqq) en su blog El cuaderno de Calpurnia Tate.




COV. La preocupación está en el aire (I)

Si seres extraterrestres quisieran cerciorarse de la existencia de vida en la Tierra, no necesitarían aterrizar en nuestro suelo. Bastaría con que analizaran nuestra atmósfera. De manera inmediata se percatarían de que somos una anomalía planetaria rodeada de gases imposibles de explicar con la mera acción de las leyes de la Química. Todas las reacciones habrían tenido lugar mucho tiempo atrás, provocando una atmósfera inerte, en equilibrio, sin cambio alguno en su composición durante los siguientes miles de millones de años.

 Las capas superiores de la atmósfera, desde el espacio. Wikipedia

Si la evolución propugnada por Darwin relaciona a todas las especies del planeta en el tiempo, la atmósfera relaciona a todos los seres vivos en el espacio, en tanto que es originada y regulada por la vida, que ha sido la encargada de esculpir el destino de nuestro planeta desde épocas muy tempranas, convirtiéndolo en un lugar único dentro de las fronteras cósmicas conocidas.

Las cianobacterias fueron los primeros ingenieros genéticos involuntarios, introduciendo una innovación que les permitía incorporar el dióxido de carbono del aire empleando la luz solar como motor de su metabolismo. Nacía la fotosíntesis que heredarían más adelante las plantas. El consumo de dióxido de carbono disminuyó considerablemente el intenso efecto invernadero, con lo que la Tierra pasó de ser una caldera hirviente con una presión de sesenta atmósferas a un lugar de condiciones más suaves. Pero esta innovación bacteriana tenía una "pega": liberaba a la atmósfera un gas tóxico y muy reactivo llamado oxígeno. Como una plaga letal y silenciosa, este veneno exterminó a gran parte de las formas de vida existentes hasta el momento. El primer gran cambio climático, provocado por un organismo hace 2.500 millones de años, estaba dado.

 Cianobacterias. Wikipedia

En la atmósfera actual, el oxígeno ocupa aproximadamente el 21% del aire. A excepción de otros componentes minoritarios, como el propio dióxido de carbono o el argón, resulta paradójico que casi el 80% restante lo ocupe un gas que entra en nuestros pulmones sin que, aparentemente, aporte nada al organismo. El nitrógeno es un gas inerte que inhalamos y exhalamos sin que interaccione de ninguna manera con nuestro metabolismo y, sin embargo, es un elemento esencial para moléculas biológicas como el ADN o las proteínas. Una vez más, una innovación bacteriana (la fijación de nitrógeno) permite la transformación del nitrógeno atmosférico en amoniaco asimilable por las plantas. El ciclo logra cerrarse cuando al descomponerse la materia orgánica, el nitrógeno vuelve a la atmósfera mediante la acción de las bacterias desnitrificantes. De esta manera, el aire se convierte en la reserva mundial de nitrógeno para uso biológico. Si el nitrógeno no regresara a este colosal depósito gaseoso se perdería para siempre, lavado por las lluvias desde el suelo hasta el fondo de los océanos.

Hasta aquí, una radiografía sobre cómo la vida ha esculpido en el pasado la química atmosférica. Pero hay cuestiones en la actualidad que sólo estamos comenzando a comprender. Las trataremos en la segunda parte de este post.


Este post participa en la Z=26 Edición del Carnaval de Química que organiza Luís Moreno Martínez (@luisccqq) en su blog El cuaderno de Calpurnia Tate.