martes, 8 de marzo de 2016

Ciencia semanal: Del gen egoísta a la bola de cristal

Violaciones de las leyes de Mendel, virus portadores de vacunas, esperma de laboratorio, la sucesora de la coenzima Q10,... 

Barremos estas y otras noticias que nos ha dejado la semana, para luego centrarnos en los detectores de neutrinos, bellísimos laboratorios integrados por miles de “bolas de cristal”, que parecen sacados de una película de ciencia-ficción o un museo de arte moderno.


Ésta ha sido una semana interesantísima para los biotecnólogos: han encontrado un gen de ratón más egoísta que el de Dawkins, que disminuye la fertilidad pero a la vez tiene muchas probabilidades de ser transmitido a la siguiente generación, perjudicando el proceso evolutivo. El gen R2d2 (se llama como el famoso droide por casualidad) se pasa por el forro la base de las leyes de Mendel (equiprobabilidad de la transmisión de los genes): es más probable que una hembra transmita a su descendencia el cromosoma con el gen egoísta que el homólogo sin éste (los seres diploides tienen pares de cromosomas que controlan las mismas características y, en principio, la probabilidad que tiene cada uno de pasar a los hijos es 50%).

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Además de haberse descubierto que las bacterias tienen un mecanismo “similar” a la vacunación para luchar contra los virus (incorporando activamente partes del ARN de éstos en su propio genoma), se está estudiando vacunar con virus transgénicos (transformando el patógeno en algo similar pero que no cause enfermedades, para que sea la versión inofensiva la que se transmita) a los animales vectores, con el fin de evitar contagios como el del Zika y el MERS. Es realmente original la idea de crear virus vacunadores... ¿Habrá que utilizarlos en el futuro para lidiar con los antivacunas?
No puedo cambiar de tema sin mencionar el gran avance logrado al crear espermatozoides viables de ratón a partir de células madre, el hallazgo de que los corales necesitan (como nosotros) vitamina C para ligar las fibras de sus cartílagos, y la profundización en el estudio del comunismo fórmico, con la comprobación de que las hormigas toman decisiones en grupo incluso para elegir el nido.



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Energéticamente, se ha abierto la posibilidad de utilizar el ATP (almacén de energía de la célula) para alimentar a la nueva generación de ordenadores y se ha desarrollado una placa fotovoltaica ultraligera.
El desaparecido Floriano estaría contento, pues a los adelantos de esta semana no les ha faltado piel. Han descubierto que la actividad de un complejo metabólico que es clave para la energía de las células epiteliales disminuye con la edad. Aumentándolo, se podría reducir el impacto de los radicales libres, principales protagonistas (junto a las hormonas) del envejecimiento en general. C’est à dire: puede que los estimulantes del complejo mitocondrial II sustituyan a la coenzima Q10 en los anuncios del futuro. La segunda noticia será más interesante para la mayoría (quitando a Jane Fonda): investigadores farmacéuticos han transformado células de la piel en células madre “cazadoras de cáncer” que destruyen un tipo de tumor cerebral (glioblastoma), abriendo aún más la puerta engrasada por los ganadores del Nobel de Medicina de 2007, cuyo  "impacto en la comprensión de la función de los genes y sus beneficios para la humanidad seguirán aumentando en los años venideros" (según el jurado).


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Valga este párrafo como cajón de sastre, en el que mencionaré que la Agencia Espacial Europea quiere construir una base permanente en la Luna, que se ha comprobado que el idioma del oyente no afecta a su percepción de la música, que los dodos (inventores carrollianos de la carrera sin fin, precursora del triatlón Ironman) no eran tan tontos como se pensaba; y que el fundador de Telegram alega (con razón) que culpar a su aplicación de mensajería cifrada de los atentados de París es como condenar a un fabricante de martillos por todo asesinato a martillazos.


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En clave nacional, el nuevo director del Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), reivindica la importancia del centro (bastante maltratado por la administración): “Si no queremos depender del turismo y el ladrillo, necesitamos competir en ciencia, lo que implica voluntad política y una educación del pueblo para exigir a nuestros representantes actuar en esa dirección”. Asimismo, la FECYT ha abierto la convocatoria para los Campus Científicos de Verano 2016, para estudiantes de 4º de la ESO y 1º de Bachillerato. Asistí hace años y los recomiendo.

Neutrinos, sudor y lágrimas (de cristal)




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Una vez hemos recorrido de puntillas la actualidad científica, pasaremos a hablar de detectores de neutrinos en general (y el Super-Kamiokande en particular) con la excusa de que un experimento del detector de neutrinos de Daya Bay sugiere que no sólo existen los tres tipos (o sabores) de neutrinos conocidos hasta ahora (y propuestos por el Modelo Estándar): tauónicos, electrónicos y muónicos; sino que hay un cuarto tipo de neutrino “estéril”. La predicción se basa en que los neutrinos oscilan entre distintos sabores con el tiempo, es decir, un neutrino que ahora es electrónico puede ser muónico dentro de un rato. Por tanto, al lanzar un haz de neutrinos de un solo tipo hacia un detector lejano, es normal que algunos de ellos cambien de sabor, pero lo que se halló en Daya Bay tras emitir cientos de miles de antineutrinos electrónicos en un experimento que duró siete meses fue que la cantidad detectada era un 6% inferior a la emitida, lo que parece indicar que hubo partículas que se oscilaron a un sabor “indetectable” de neutrino. Hay otros indicios que van en la misma dirección (y sentido) de esta investigación: en el reactor Bugey también se ha percibido el déficit de antineutrinos electrónicos y hace un par de años leíamos en Scientific American que una contradicción entre las observaciones de cúmulos de galaxias y los datos sobre su formación que nos aporta la radiación cósmica de fondo podría ser explicada por la existencia de un cuarto tipo de neutrino que, al tener masa, haría las veces de “pegamento gravitatorio indetectable”.
Me apetecía bastante escribir sobre detectores de neutrinos porque, además de ser un tema de candente actualidad (el Nobel de Física de este año ha sido para Kajita y McDonald [aunque sus equipos lo merecen tanto como ellos, sólo pueden ser premiadas un máximo de dos personas] por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, que indican que éstos tienen masa), su diseño es capaz de dejar con la boca abierta a cualquiera.

Pero antes, una breve introducción al neutrino

Los neutrinos son partículas elementales, propuestas en los años 30 por Pauli para explicar la aparente pérdida de momento en las desintegraciones beta, que sólo interactúan mediante las dos fuerzas menos potentes del universo: la fuerza débil (causante de la desintegración radiactiva) y la gravitatoria. Su masa es muy inferior a la de otras partículas (un electrón es un millón de veces más masivo) y, al no alterarse ante campos electromagnéticos o fuerzas fuertes (las que mantienen unido el núcleo atómico), pasan muy desapercibidos (de hecho, cada segundo atraviesan cada centímetro cuadradado de tu cuerpo sesenta y cinco mil millones de neutrinos procedentes del Sol, y no te das ni cuenta), lo que les hace ser el mejor candidato para integrar lo que se denomina “materia oscura”.
Si nos empeñamos en atraparlos a pesar de ser tan escurridizos es por la cantidad de información que nos pueden aportar: al contrario que los fotones, permanecen intactos ante fenómenos electromagnéticos extremos (un fotón puede tardar miles de años en pasar del núcleo solar a la superficie, cosa que hace un neutrino en un instante), por lo que nos proporcionan datos que nunca podríamos obtener de un telescopio óptico. Asimismo, como hemos mencionado, su función de “pegamento gravitatorio” los lleva a ser actores fundamentales en el origen del universo, siendo vital comprenderlos para responder preguntas tan profundas como ¿Por qué hay algo en vez de nada? (o, traducido al lenguaje físico: ¿Por qué la materia y la antimateria no se aniquilaron mutuamente?).

Físicos coyotes



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Es difícil pero no imposible: hay varios métodos para pillar in fraganti a los neutrinos. En los 50, los captamos por primera vez, cerca del reactor nuclear de Savannah River, a través de escintiladores (sustancias que se iluminan al ser expuestas a un tipo determinado de radiación, en este caso, una disolución de cloruro de cadmio en agua). Los antineutrinos más energéticos produjeron “desintegraciones beta inversas” en los protones del agua que contenía el detector, originando neutrones y positrones (antipartícula del electrón) que aniquilaron a los electrones con los que colisionaron (cuando una partícula choca con su antipartícula, ambas desaparecen y dan lugar a energía pura), emitiéndose fotones que fueron detectados, con lo que se comprobó indirectamente la existencia de neutrinos. Para más inri, el neutrón creado en la desintegración fue captado por el cloruro de cadmio, emitiéndose una radiación gamma que siempre llegaba unos microsegundos más tarde que los fotones procedentes de la aniquilación positrónica.
No obstante, el instrumento más eficiente para captar neutrinos (el que usa nuestro anhelado Super-Kamiokande) es el detector de radiación de Cherenkov, que se produce cuando una partícula cargada atraviesa un medio dieléctrico (como el agua) a una velocidad mayor que la de la luz en dicho medio (es una especie de onda de choque, como la que se da cuando superamos la velocidad del sonido en el aire). Como hemos visto, los neutrinos interactúan con nucleones (protones o neutrones) y originan partículas cargadas que pueden crear radiación de Cherenkov, cuyo estudio puede aportarnos información sobre el sabor, la dirección y la energía de los neutrinos.


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Puede que los fans de la ciencia-ficción se hayan preguntado por qué solemos ver un halo azul alrededor de los reactores nucleares sumergidos en agua. Ésta no es ni más ni menos que radiación de Cherenkov, causada por partículas cargadas altamente energéticas emitidas por el reactor.

Bajo el monte Ikeno, a mil metros de profundidad...

(para atenuar radiaciones cósmicas de fondo indeseadas) hay un tanque cilíndrico lleno de toneladas de agua ultra pura, cuyas paredes están revestidas de miles de bolas de cristal llamadas fotomultiplicadores (tubos de vacío extremadamente sensibles a la visible, ultravioleta e infrarroja, ideales para captar la luz azul de Cherenkov). En esto consiste el Super-Kamiokande, sucesor del Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) construido y ampliado por el gobierno de Japón, con una pequeña colaboración de Estados Unidos, durante los 80 y los 90.
En su corta vida, nos ha permitido demostrar que el Sol es una fuente de neutrinos (a través de la observación de la dirección de los mismos), nos ha dado información sobre la desintegración de los protones y nos ha proporcionado la primera prueba de la oscilación de los neutrinos en el 96, lo que inclinó la balanza a favor de los que defendían que éstos tienen masa.


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Foto del Super-Kamiokande llenándose de agua en enero del 96
Para terminar, os dejo con la “anécdota” de que, en el 2001, un error de mantenimiento provocó la ruptura de unos seis mil fotomultiplicadores, la mitad de los que dispone el experimento. Por causas no muy claras, varios fotomultiplicadores explotaron, creando una reacción en cadena que provocó ese desastre. Afortunadamente, entre el 2005 y el 2006, fueron restaurados (cuestan 3000$ cada uno, ¡ouch!) y se aprovechó para hacerle algunas mejoras electrónicas al detector, que ahora se denomina  Super-Kamiokande-IV.


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El Monte Ikeno, anfitrión del Super-Kamiokande


Fuentes y further reading (por orden de aparición) 

(Por peculiaridades de diseño, para abrir los links de imágenes debéis cambiar a minúsculas la extensión de archivo)

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