La reconstrucción de un océano primitivo revela secretos sobre el origen de la vida

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge ha publicado detalles acerca de cómo podrían haberse vuelto metabólicamente activos los primeros organismos en la Tierra. Los resultados permiten que los científicos especulen sobre la forma en que las células primitivas aprendieron a sintetizar sus componentes orgánicos: las moléculas que forman ARN, lípidos y aminoácidos. Los resultados también sugieren el orden de la secuencia de acontecimientos que llevaron al origen de la vida.

Una reconstrucción en el laboratorio de un océano primitivo de la Tierra reveló la aparición espontánea de las reacciones químicas utilizadas por las células modernas para sintetizar muchas de las moléculas orgánicas cruciales del metabolismo. Crédito: Molecular Systems Biology

Una reconstrucción en el laboratorio del océano primitivo de la Tierra reveló la aparición espontánea de las reacciones químicas utilizadas por las células modernas para sintetizar muchas de las moléculas orgánicas cruciales del metabolismo.
Hace casi cuatro mil millones años la vida en la Tierra comenzó en los océanos ricos en hierro que dominaban la superficie del planeta. Una pregunta que los científicos no han respondido es cómo y cuándo apareció el metabolismo celular – la red de reacciones químicas necesarias para producir ácidos nucleicos, aminoácidos y lípidos, que son los componentes básicos de la vida.
Las reacciones químicas observadas ocurrieron sin la presencia de enzimas, y en cambio, fueron posibles gracias a las moléculas químicas que se encuentran en el mar Arcaico. El hallazgo de una serie de reacciones que se asemejan al “núcleo del metabolismo celular” sugiere que el metabolismo es anterior al origen de la vida. Esto implica que, al menos inicialmente, el metabolismo puede no haber sido moldeado por la evolución, sino por moléculas como el ARN, que se formaron a través de las condiciones químicas que prevalecieron en los primeros océanos.
Los científicos reconstruyeron las condiciones de ese mar prebiótico en base a la composición de varios sedimentos primitivos descritos en la literatura científica. Los diferentes metabolitos se incubaron a temperaturas altas (50 – 90 ^oC), similares a las que se podrían esperar cerca de un respiradero hidrotérmico de un volcán oceánico, una temperatura que no sería conducente a la actividad de las enzimas de las proteínas convencionales. Los productos químicos fueron separados y analizados por espectrometría de masas en tándem de cromatografía líquida.
Algunas de las reacciones observadas también podrían tener lugar en el agua, pero se aceleraron por la presencia de metales que sirven como catalizadores.
La detección de uno de los metabolitos, ribosa 5-fosfato, en las mezclas de reacción es particularmente notable. Su disponibilidad significa que los precursores de ARN en teoría podrían dar lugar a moléculas de ARN que codifican información, catalizan reacciones químicas y replican. Aún queda por establecer si las primeras enzimas adoptaron las reacciones catalizadas por metales, y de haber sido así, cómo ocurrió.
Artículo científico: Markus A. Keller, Alexandra V. Turchyn, Markus Ralser. Non-enzymatic glycolysis and pentose phosphate pathway-like reactions in a plausible Archean ocean. Molecular Systems Biology, 25.04.2014, doi: 10.1002/msb.20145228
Fuente: European Molecular Biology Organization

La Naturaleza de la Estrella Eta Carinae

Eta Carinae ha sido objeto de artículos en todas las revistas de astronomía de este último año. ¿Qué se descubrió de nuevo, después de 105 años de observaciones espectroscópicas? ¿Cuál es la importancia de esta estrella para haber merecido un taller internacional exclusivamente dedicado a estudiarla?. Este artículo muestra la secuencia de eventos que llevaron a la creación de un modelo que explica la naturaleza de esta estrella masiva, que hasta ahora era considerada como misteriosa.

Una erupción gigantesca

Entre los años 1820-1845 Eta Carinae sufrió una serie de erupciones que la convirtieron en la segunda estrella más brillante de todo el cielo, siendo visible en pleno día. Estando a una distancia de 2.3 kiloparsec (aproximadamente 7500 años luz), es fácil concluir que el evento fue mucho más energético que una Nova. ¿Sería entonces una explosión de Supernova? Entre las numerosas explicaciones, en el pasado, esta fue una de las más populares entre los astrónomos. A partir del color de la estrella en el máximo de luminosidad se puede estimar que ella alcanzó una magnitud de M_bol = -14 (luminosidad total en unidades logarítmicas en base 10) lo que equivale a una emisión de 10⁵⁰ ergs durante el evento. Mientras la estrella sobrevivió a la catástrofe, su brillo aparente (es decir su brillo visto desde tierra) cayó significativamente, debido a la formación de una cobertura densa formada de polvo. Sin embargo, su luminosidad total cayó apenas en un factor 4, manteniéndose en torno de M_bol = -12 hasta hoy. El evento en Eta Carinae actualmente es clasificado como una erupción gigantesca y no una detonación nuclear, como sería esperado de una Supernova. Se sabe que este tipo de evento ocurre repetidamente en estrellas supermasivas, al alcanzar la fase de Variable Luminosas Azul (LBV). En esta fase corta (~20-50 mil años) las estrellas que nacen con más de ~50 masas solares pierden la mayor parte de sus masas, antes de entrar en la fase de Wolf-Rayet (estrella con emisión de partículas a altas velocidades que produce vientos fuertes). Los modelos existentes sugieren que la erupción en las LBVs se debe a inestabilidades en las capas externas de la estrella, sin embargo ninguno de estos modelos tiene plena aceptación entre los investigadores del área.

Estrella de alta masa

Un evento como el de Eta Carinae, por la baja probabilidad de ser observado, es extremadamente valioso para entender la estructura y evolución estelar de las estrellas con masas y temperaturas elevadas. La nebulosa del Homúnculus, una nebulosa bipolar eyectada durante la erupción gigantesca, ha entregado datos sobre la dinámica, la composición química y la formación de polvo alrededor de la estrella central. Mientras que la naturaleza de esta misma ha permanecido oscura a pesar del enorme esfuerzo observacional empleado a lo largo de este siglo. El nombre de nebulosa bipolar se debe a la presencia de los dos grandes lóbulos que se muestran en la Figura 1. El objeto central está oculto por el polvo. Sin embargo, su luminosidad puede ser estimada en L=10^6.7 luminosidades solares, con un error de 20%. La masa inicial sería entonces de M=160 masas solares, lo que implicaría una masa superior al límite teórico para una estrella. Por otro lado, la edad del cúmulo abierto al cual Eta Carinae pertenece es de aproximadamente 3 millones de años (Massey et al. 1995). Extrapolando los modelos de Schaller et al. (1992) para esa masa inicial, la estrella debería ser una Wolf-Rayet y no una LBV. Para evitar el problema de masa muy alta, algunos autores sugirieron, en el pasado, que Eta Carinae es un sistema binario o múltiple. Esta es una posibilidad que siempre puede ser aplicada a cualquier otra estrella, debido al límite de resolución angular de los telescopios actuales. Ninguna prueba en ese sentido, sin embargo, había sido presentada hasta recientemente. Así, el modelo universalmente aceptado para Eta Carinae era el de una estrella aislada en fase de post-secuencia principal (es decir, que salió de su etapa inicial de evolución donde la estrella se mantiene quemando hidrógeno en su núcleo). Esa idea sufrió un fuerte golpe con el descubrimiento de una periodicidad de 5.52 años en el nivel de excitación de las líneas espectrales, esto es, ciertas líneas espectrales decrecían o desaparecían (para más detalles ver Damineli 1995 y Damineli 1996). Eventos de este tipo habían sido registrados en 1948, 1965 y 1981, y se pensó que eran debidos a las pulsaciones tipo S Doradus, bien conocidas en otras LBVs. A través de una campaña observacional iniciada en 1989 en el Laboratorio Nacional de Astronomía del Brasil (LNA), registramos por primera vez con detalle, un evento de este tipo en 1992. En conjunto con otros cinco eventos que identificamos en artículos previamente publicados, en los que los autores no se percataron de que habían observado la estrella durante eventos de baja excitación, dedujimos un período de 2014 días, con un margen de error de 50 días (2% de error). Con esto hicimos la predicción de que un nuevo evento de baja excitación ocurriría a inicios de 1998 (denotado como evento 1998.0). Ese período fue rechazado por otros astrónomos, en base a la presuposición de que los mecanismos de inestabilidad no puede funcionar como relojes: las pulsaciones S Doradus en las demás LBVs ocurren en intervalos aleatorios de tiempo, dentro del rango de 5 a 30 años.

Figura1. Nebulosa del Homúnculus alrededor de Eta Carinae y esquema del sistema binario en comparación con el sistema solar.

Confirmación del modelo binario

Propusimos el abandono de la suposición de que los eventos espectroscópicos de Eta Carinae fueran causados por las oscilaciones S Doradus (Damineli 1997), pues al contrario de las demás LBVs, la temperatura efectiva de Eta Carinae se mantiene constante mientras las líneas espectrales muestran fuerte variabilidad. Inmediatamente se hizo sentir la oposición de los investigadores que trabajaban en el área durante los últimos 20 años, apegados a la idea de las oscilaciones S Doradus. La más expresiva de las oposiciones fue la negativa ante el pedido de tiempo del telescopio espacial Hubble, para acompañar el evento 1998.0 que habíamos predicho. Los pedidos de tiempo en los telescopio en tierra también estaban amenazados de recibir el mismo tratamiento, y el cuadro sólo podía ser modificado con una posición científica más agresiva. Hubiese sido absurdo esperar hasta el año 2003 para tener una nueva oportunidad de observar plenamente un evento de baja excitación, como había sido sugerido por el comité de asignación de tiempo de telescopio del Instituto de Ciencias del Telescopio del Espacio (STScI). El camino escogido fue el de desarrollar un modelo físico completo, aunque los datos existentes parecían insuficientes. Basados en que la periodicidad restringida sugería un mecanismo orbital, comenzamos a buscar variabilidad en las velocidades radiales. La dificultad era que sólo en el espectro óptico la estrella muestra más de 700 líneas de emisión y cada una de estas líneas, usando los principios del efecto Doppler, permite medir la velocidad con que se aleja de nosotros la región estelar que la genera. A pesar de esto, obtuvimos las masas y temperaturas de las componentes, edad y ángulo de inclinación del sistema (ver esquema de la órbita en comparación con el sistema solar en la Figura 1; Damineli, Conti & Lopes,1997). El par de estrellas, a pesar de ser el sistema más masivo propuesto hasta ahora (113 ± 88 masas solares), encajaba en los modelos estelares estándares (Schaller et al. 1992). Eta Carinae dejaba así su estigma de peculiaridad y pasaba a la normalidad en el cuadro de la familia estelar. La gran luminosidad de las componentes indicaba que ellas deberían tener fuertes vientos estelares, y por estar en un sistema binario, los vientos deberían entrar chocando entre sí. Las características que se espera observar en un proceso de choque entre partículas a altas velocidades, correspondientes al choque de estos vientos estelares, podían ser estudiadas para corroborar el modelo binario. Esto permitió aumentar el acceso, que ya teníamos desde 1996 al satélite XTE, permitiendo una observación temporal de la fuente en forma semanal y en algunas épocas diariamente. La coherencia del modelo binario atrajo la colaboración de astrónomos del Observatorio Europeo Austral (ESO) y con ellos planeamos una campaña de observación con frecuencia de visitas semanales. Las observaciones en rayos-X resultaron estar en buen acuerdo con el modelo binario. Una observación en el rango de ondas de radio, realizada en Itapetinga (São Paulo) en Octubre/97 (Abraham & Damineli, 1997), mostró de forma decisiva que el evento previsto para 1998.0 estaba realmente aproximándose. Esto motivó un cambio en la postura del STScI y fue posible obtener espectros en la fase central del evento, en varias frecuencias desde el rango ultravioleta hasta el visible. El evento se desarrolló tal cual como se había previsto, con un error de apenas algunos días (Lopes & Damineli, 1997; Jablonski, Lopes & Damineli, 1998).

Figura 2. Predicciones según la variabilidad de las líneas espectrales. Resultado de los espectros obtenidos en LNA (Brasil), en días Julianos. Estos muestran la disminución de las líneas de excitación de Helio (línea continua), en casi exacta coincidencia con las predicciones (línea discontinua), el error entre los mínimos correspondió a un error en la predicción de 0.5%. La curva actual (línea continua) está en proceso de medición, y aquí sólo se muestran los primeros 100 días después del mínimo. Para comparar totalmente ambos ciclos deberá observarse otros 200 días adicionales. La línea de HeI es emitida en el infrarrojo cercano, exactamente en la longitud de onda 10830 Angströms.

Nebulosa del Homúnculus: más evidencias

Varios detalles interesantes fueron descubiertos durante la campaña observacional del evento 1998.0. La curva de luz del objeto central en Eta Carinae tiene una forma sinusoidal, esto corresponde a variaciones continuas en el proceso asociado al grado de ionización, no observándose así la variación esperada por sucesivas eclipses entre las estrellas. Lo mismo ocurre con la intensidad de las líneas espectrales generadas por el Helio neutro. Eso indica que los eventos espectroscópicos están modulados por la entrada y salida de la estrella secundaria en el viento de la estrella primaria, el cual es más denso a medida que ésta más se aproxime a la fotósfera de la primaria. Así, como ya había sido argumentado por Damineli, Conti e Lopes (1997) el mecanismo de variabilidad no es controlado por eclipses.
También, fue observada con los satélites ASCA y BeppoSAX la componente de emisión térmica a 83 millones de grados Kelvin. Esta corresponde a la emision en rayos-X del gas caliente, la cual desapareció durante el evento 1998.0, posiblemente debido a la interferencia de un disco ecuatorial en torno de una de las estrellas. Esa estructura convierte a la estrella primaria del sistema Eta Carinae muy parecida a una estrella B[e]: estrella caliente, luminosa, con disco ecuatorial extenso y con emisión de líneas de nebulosas. La conexión entre estrellas B[e] y las LBVs ya había sido propuesta con frecuencia, en los últimos años por otros autores, basados en argumentos de otra naturaleza.
La observación del evento 1998.0 fue suficientemente amplia como para respaldar totalmente el modelo binario y permitió una mejor determinación de los parámetros del sistema. Otro hecho favorable al escenario de estrellas binarias es que la nebulosa del Homúnculus, que rodea Eta Carinae, está químicamente más evolucionada que la estrella. Lamers et al. (1998) muestran que eso sólo es posible en el caso de que una segunda estrella, más evolucionada y hoy menos luminosa, hubiese eyectado en 1843 la materia que forma la nebulosa. Junto a esto, un modelo de estrellas binarias se torna todavía más atractivo cuando se considera la forma de la nebulosa del Homúnculus y las propiedades geométricas de una órbita. En efecto, el plano orbital del par de estrellas (primaria y secundaria) coincide con el ecuador de la nebulosa, lo cual debería producir eyección de material. Esto explicaría como una erupción esférica, típica en una erupción de estrella aislada, puede generar una nebulosa bipolar. Por otro lado, el ecuador de Homúnculus muestra una estructura de jets cometarios muy elongados, alineados en una estructura de disco extremadamente fino. Esto podría ser explicado por el hecho de que, durante la erupción gigantesca la estrella primaria aumentó su radio en por lo menos un factor 10 (~10 U.A.), lo que implicaría que la otra componente del par a cada pasada por la posición de máxima aproximación (periastro) habría nadado en su atmósfera. Así, el viento de la estrella secundaria, que quedaría aprisionado por la presencia de la estrella primaria, tendería a escapar en la dirección radial. Aún más interesante resulta el hecho que cuando se observa el ecuador de Homúnculus en el infrarrojo existe una estructura en forma de rayos, formando también un sector circular (para mayores detalles ver figuras en Smith & Gehrz, 1998 y Smith, Gehrz & Krautter, 1998).
Sin embargo, no todo cuadra con el modelo binario. Después de la pasada por el periastro, los niveles de emisión vuelven muy lentamente a los niveles normales, indicando que una masa grande de gas del sistema es perturbada durante un período largo. Actualmente, la campaña observacional se restringe a algunas visitas anuales del telescopio espacial Hubble, de los satélites de detección de rayos-X ASCA y BeppoSAX, además de las observaciones en los observatorios ópticos y de radio ubicados en tierra. El satélite RXTE es el único que mantiene una alta frecuencia de observaciones. Además, tendremos observaciones con el satélite AXAF, que nos permitirá por primera vez una capacidad espectroscópica completa en emisión de rayos-X. Esperamos que esas observaciones sean hechas antes del año 2003 (Julio), cuando ocurrirá el próximo evento. En esa época, los telescopios de SOAR y Gemini, localizados en Chile, serán usados para descubrir los detalles del sistema binario.
Es importante resaltar que la naturaleza binaria de Eta Carinae no explica la erupción gigantesca, pero si permite determinar los parámetros físicos de la estrella. Este modelo binario establece bases más firmes para explorar las condiciones en que ocurre este intrigante fenómeno. Informaciones y más detalles sobre este asunto pueden ser encontradas en las homepage:

Referencias Bibliográficas

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Schaller, G., Schaerer, D., Meynet, G., & Maeder, A. (1992). Astron&Astroph Suppl. 96: 269-331

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Smith, N., Gehrz, J. & Krautter J., (1998). Astronomical Journal. 116: 1332-1345

Efectos del campo geomagnético en insectos sociales

La orientación magnética en los insectos sociales, como las hormigas, avispas, abejas y termitas, ha recibido considerable atención en los últimos años. Sin embargo, aún se conoce poco sobre los mecanismos relacionados con la transformación de la información magnética en alguna señal útil para la sobrevivencia de estos insectos. Una de las hipótesis más populares es que la magnetita, un imán natural que ha sido encontrado en abejas (Apis mellifera) y hormigas (Solenopsis sp. y Pachycondyla marginata), puede desempeñar el papel de sensor magnético involucrado en el fenómeno de magnetorecepción. Aquí presentamos un breve panorama de la investigación en el área de magnetorecepción en abejas Apis mellifera y en diferentes especies de hormigas. Incluimos nuestros estudios sobre las propiedades magnéticas de los nanomagnetos biomineralizados por estos insectos, realizados utilizando Resonancia Paramagnética Electrónica (RPE), Magnetometría SQUID y Microscopía Electrónica.

Seres vivos y medio ambiente, medio ambiente y seres vivos: ¿quién altera a quién? Los seres vivos se adaptan al medio ambiente que, por su cuenta, se va modificando por la acción de los seres vivos. Esta interacción que vivimos en la Tierra es una experiencia única, que no se repite con el tiempo. Sin embargo, poco se sabe de la diversidad de los seres vivos que habitan este planeta, o de la de aquellos que ya se extinguieron, al igual que sobre los procesos de adaptación. Se trata de una interacción compleja donde pequeñas alteraciones en el medio ambiente pueden ocasionar grandes desequilibrios entre las diferentes poblaciones, llevándolas a nuevos caminos evolutivos.
Todos los seres vivos son sensibles a señales del medio ambiente, lo que posibilita, por ejemplo, la navegación y la orientación, responsables en parte de la sobrevivencia de la especie. Una de esas señales, presente desde el surgimiento de la vida en la Tierra, es el campo geomagnético. La hipótesis de que la Tierra se comporta como un enorme imán (dipolo magnético) (Fig. 1) fue presentada por primera vez en Inglaterra, en 1600, por el médico de la corte W. Gilbert. Sin embargo, desde el siglo II los chinos ya usaban los imanes para su orientación en la navegación. Los polos del campo geomagnético no siempre han estado en el mismo lugar. A veces ellos invierten su posición. Se ha descubierto que cuando esto ha sucedido, grandes grupos de seres vivos se han extinguido entre cada período de inversión, como por ejemplo, varias familias de animales diminutos, conocidos como radiolarias, que viven en la profundidad del océano (Harrison, 1968; Hays, 1971).

Figura 1. Comparación de las líneas de fuerza del campo geomagnético con las de un dipolo magnético (o un imán). Nótese la inclinación entre los ejes N-S magnético y geográfico. Las líneas negras discontinua y continua representan a los ecuadores geográfico y magnético, respectivamente.

A pesar de relatos bastante antiguos sobre la migración de ciertas aves, sólo desde la segunda mitad del siglo XX se realizan estudios sistemáticos sobre la capacidad migratoria de éstas, y en particular, sobre su capacidad de orientarse detectando el campo geomagnético.?Pero, ¿qué significa detectar el campo geomagnético? ¿Existe algún sensor especializado en la detección de campos magnéticos en estos animales? Hasta hoy sólo se conoce bien la magnetotaxia, que es el mecanismo de interacción entre este campo y algunos microorganismos. Las bacterias magnéticas y algunos organismos unicelulares producen partículas magnéticas suficientes para orientarlas siguiendo las líneas del campo geomagnético. Esta es una respuesta pasiva, funcionando como una brújula, donde la aguja gira alineándose con la dirección de este campo (Farina et al., 1990). En el caso de los animales superiores, como abejas, moscas, mariposas, tortugas, salamandras, salmones, atunes, ballenas, delfines, tiburones, palomas, etc., los diferentes mecanismos de detección del campo magnético son poco conocidos. En varias de estas especies se han encontrado partículas de material magnético biomineralizado, en general magnetita, que es el óxido de hierro magnético más común en la naturaleza, con tamaños de aproximadamente cuatro a diez millonésimos de centímetro. El mecanismo de detección del campo magnético en estos animales (conocido como magnetorecepción [1]), es mucho más complicado que en los microorganismos.
Entre los animales superiores, los insectos constituyen la clase dominante (en número de especies y biomasa). Abejas, hormigas, avispas y termitas pertenecen al grupo de los insectos sociales y viven en colonias, formando sociedades organizadas en tres castas básicas: obreras, soldados y reinas. La orientación magnética en estos insectos ha sido estudiada (Vácha, 1997), y el insecto en el cual se han hecho más estudios, demostrando su capacidad de detectar el campo geomagnético, es la abeja Apis mellifera (Fig. 2). La presencia de magnetita en el abdomen de esta especie de abejas ha estimulado la aplicación y el desarrollo de la hipótesis ferromagnética para explicar su magnetorecepción (Gould et al., 1978).

Figura 2. Abeja Apis mellifera.

Se sabe que las abejas ejecutan una danza en la colmena, tomando como referencia el campo gravitacional de la Tierra. Las abejas forrajeras, cuando regresan de una exitosa búsqueda de alimento, ejecutan una danza cuya orientación en relación a la dirección vertical de los panales de la colmena indica, a las otras abejas, la localización de la fuente de alimento. El ángulo entre la dirección de la danza y la vertical indica el ángulo entre la fuente de comida y el Sol (ver Chittka & Dornhaus, 1999). En esta danza, han sido observados ciertos "errores" de hasta 20⁰ a la izquierda o a la derecha de la dirección "correcta", variando con la dirección del campo geomagnético. Estos "errores" no son "ruidos del sistema", pues todas las abejas, danzando en un instante dado cometen el mismo "error", tanto en intensidad como en dirección (ver Wiltschko & Wiltschko, 1995).
Por otro lado, cuando un enjambre de abejas deja la colmena original, abejas obreras de este enjambre construyen nuevos panales en la misma dirección magnética de la colmena anterior. Son necesarios campos magnéticos relativamente fuertes (» 10 veces el de la Tierra, el que en Rio de Janeiro, Brasil, es de apoximadamente 0.25 Oe) para destruir esta orientación de los panales.
Las preguntas, aún sin respuesta, son: ¿Cómo hacen esto las abejas? ¿Cuál es la naturaleza de su sensor magnético? Como ya fue mencionado, la hipótesis más probable para la magnetorecepción, en el caso de la abeja Apis mellifera, esta basada en la presencia de nanopartículas de magnetita en su abdomen. Las propiedades magnéticas de estas partículas dependen de su tamaño y forma, y pueden ser catalogadas como: multidominios magnéticos (donde la configuración total de los momentos magnéticos de cada dominio da lugar a una baja energía magnética en toda la partícula), monodominios magnéticos (caracterizadas por tener un momento magnético estable) o superparamagnéticas (magnéticamente inestables debido a la energía térmica del medio externo). En general, estas partículas tienen un comportamiento magnético diferente, ya que mientras las de mayor tamaño (multidominios y monodominios) están permanentemente magnetizadas, las menores (superparamagnéticas), con tamaños por debajo de un cierto tamaño crítico, pueden modificar su vector de magnetización y aún perder la magnetización por variaciones en la temperatura, sin que estas partículas se muevan. Así, estas últimas responden rápidamente a variaciones del campo magnético, pudiendo de esta forma, desempeñar el papel de sensor de la variaciones magnéticas del medio ambiente durante el vuelo de las abejas (Wiltschko & Wiltschko, 1995).
Nuestros resultados (aun no publicados) con Resonancia Paramagnética Electrónica confirman la presencia de partículas superparamagnéticas aisladas de magnetita, así como de agregados de las mismas en el abdomen de abejas Apis sp.

¿Y las hormigas?

Con respecto a las hormigas, el número de especies existentes en el planeta es superior a 12,000 y en Brasil, debido al clima y a las selvas tropicales, pueden encontrarse una gran parte de estas especies. Todos nosotros mantenemos un contacto diario con las hormigas. Basta dar una mirada a la cocina de nuestro apartamento, o en el patio de nuestra casa, para que nos encontremos con estos insectos buscando alimento u organizando el nido donde viven. En general, los hormigueros debajo de la tierra están formados por varios túneles subterráneos en completa oscuridad, los cuales irradian a partir de un punto central y terminan en salidas por donde ellas llegan a la superficie. A pesar de las diferencias de cada especie en cuanto al proceso de descubrir y transportar alimento a la colonia, lo que ellas tienen en común es que dejan el nido y exploran las áreas alrededor del mismo, dando vueltas en un patrón aleatorio hasta encontrar alimento, momento en el cual regresan al nido, marcando el camino de vuelta con feromonas características de cada colonia. Este camino de regreso es recto en la dirección de la salida del túnel, independientemente de lo azaroso del camino empleado en la búsqueda de alimento (Hölldobler & Wilson, 1990). Es bastante claro que ellas deben ser sensibles a las diferentes fuentes de información existentes en la naturaleza, como la posición del Sol, la polarización de la luz celestial, el patrón geométrico que las ramas de los árboles forman en el techo celeste, el paisaje del horizonte cercano y el campo geomagnético, entre otras.
Uno de los primeros estudios hechos para mostrar la sensibilidad de las hormigas a campos magnéticos, fue hecho por Kermarrec en 1981. En su laboratorio, colocó imanes intensos cerca de nidos artificiales de hormigas Acromyrmex octospinosus. Kermarrec observó consistentemente que ellas evitaban las regiones que quedaban cerca de los imanes. Este comportamiento de "repulsión magnética" es una evidencia de la sensibilidad de las hormigas a campos de fuerza alterados en su entorno.
En 1993, Anderson y Vander Meer hicieron un estudio de laboratorio con la hormiga Solenopsis invicta, conocida en EEUU como "hormiga de fuego" (fire ant) por el dolor agudo que causa su picada. El experimento consistió en lo siguiente: un nido de hormigas artificial fue colocado dentro de un artefacto que genera campo magnético, conocido como bobina de Helmholtz, para poder manipular el campo geomagnético. Fue colocada una cucaracha como alimento para las hormigas: desde el momento que una hormiga exploradora encontraba la cucaracha, el tiempo de reclutamiento y formación de columna era medido. Dos situaciones básicas fueron estudiadas: el tiempo con el campo geomagnético inalterado y el tiempo con el campo geomagnético alterado a partir de que la exploradora encontraba a la cucaracha. La alteración consistia en una inversión del componente del vector de campo geomagnético paralelo al suelo. Lo que se observó es que el tiempo en el caso del campo alterado fue el doble de aquel tiempo con campo inalterado. Esto demostró la sensibilidad de las hormigas al campo geomagnético, pero no demostro que las hormigas puedas orientarse usando el campo geomagnético.
El trabajo de Çamlitepe y Stradling, en 1995, demostró que las hormigas pueden usar la información direccional del vector de campo geomagnético como una referencia espacial para la orientación. Ellos hicieron estudios en el campo y en el laboratorio con hormigas de la especie Formica rufa. En este estudio, las hormigas fueron condicionadas a buscar alimento en la dirección Norte magnética. Cuando esta dirección fue alterada, la mayoría de las hormigas fueron a buscar alimento en la nueva dirección del Norte magnético. Esto significa que las hormigas son capaces de usar la dirección y el sentido del campo para regresar a un lugar específico.
Estos estudios realizados en diferentes especies de hormigas han servido para determinar su capacidad para sentir y usar el campo geomagnético en diversas situaciones. Sin embargo, son necesarios más estudios para verificar esta hipótesis.
Nuestras investigaciones en diferentes especies de hormigas han confirmado la presencia de material magnético en las mismas (Esquivel et al., 1999; Acosta-Avalos et al., 1999). Una especie interesante es Pachycondyla marginata (Fig. 3) que muestra un comportamiento migratorio. Ellas se encuentran al sudeste de Brasil y sólo se alimentan de termitas de la especie Neocapritermes opacus. Un análisis nuestro de las rutas anuales de migración de varias colonias muestra una preferencia para escoger rutas de migración en un eje desviado aproximadamente 12º del eje Norte-Sur magnético (resultados no publicados). Estos resultados sugieren la capacidad de esta hormiga para utilizar la información del campo geomagnético durante el proceso de migración. Al igual que con la abeja A. mellifera, se pensamos que la hipótesis ferromagnética de la magnetorecepción también podría ser aplicada a esta hormiga. Para demostrarlo aislamos nanopartículas de óxidos de hierro magnéticos de su abdomen, y usando microscopía electrónica las identificamos como partículas de magnetita o maghemita. Además del abdomen, la cabeza también puede estar involucrada en el proceso de magnetorecepción, debido a la presencia de estas nanopartículas en la misma (Acosta-Avalos et al., 1999).

Figura 3. Hormiga Pachycondyla marginata cargando una termita, su único alimento.

Medidas de la magnetización inducida, hechas a través de magnetómetros acoplados con SQUID, en abdómenes secos y machacados de estas hormigas, mostraron la existencia de propiedades ferro(i)magnéticas en coexistencia con un estado superparamagnético a temperatura ambiente (resultados no publicados). Esto puede implicar la existencia de dos tipos diferentes de distribuciones de nanopartículas magnéticas en el abdomen de estas hormigas. Complementando nuestro trabajo, los estudios de RPE en estos abdómenes (Wajnberg et al., 2000) revelaron la presencia de partículas aisladas con volúmenes magnéticos compatibles con los que fueron medidos por microscopía electrónica, y también de pequeños aglomerados.
Una característica importante de la magnetorecepción y de los sensores magnéticos biomineralizados es que son específicos de cada especie. Aún existe un largo camino por recorrer para la comprensión total de este tipo de mecanismo, tomando en cuenta los pocos datos existentes y la enorme diversidad de especies. Aunque se están estudiando comportamientos relacionados con campos magnéticos aplicados en hormigas y abejas, es necesario que, paralelamente, se estudien las características y las propiedades magnéticas del material biomineralizado, para que modelos más adecuados sean propuestos. Siguiendo este último criterio, nuestro grupo ha investigado hormigas y abejas que viven en Brasil. Así, utilizando técnicas físicas aplicadas a estos materiales magnéticos biomineralizados, será posible generar un conjunto de resultados y contribuir a la compresión del mecanismo de percepción del campo magnético.

Notas

Para entender los mecanismos de magnetorecepción, se han postulado tres mecanismos diferentes:

1. la hipótesis ferromagnética, que involucra la existencia de partículas magnéticas como transductores del campo magnético.
2. la modificación del mecánismo de visión, a través de la creación de radicales químicos por pares, la cual depende de la presencia de campos magnéticos.
3. la inducción electromagnética, en la cual variaciones del flujo magnético pueden producir campos eléctricos y corrientes de iones. Este mecanismo ya ha sido encontrado en algunos peces eléctricos.

Bibliografía

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Cómo darle forma a nuestro cerebro: Moldeando la corteza cerebral

El cerebro de mamíferos es el órgano más fascinante y complejo estudiado jamás. Alrededor de 100 billones de células, llamadas neuronas, se organizan formando una inmensa red de conexiones mediante la cual la información procedente del exterior se procesa. Interesantemente, muchas de estas conexiones se realizan en etapas muy tempranas, embrionarias, de nuestro desarrollo. El balance entre información intrínseca (genética) y extrínsica (proveniente de estímulos del exterior) parece jugar un papel crucial en el correcto desarrollo de nuestro cerebro. Una de las más laboriosas e importantes conexiones que realiza nuestro cerebro es la que ocurre entre el núcleo de relevo de toda la información sensorial, el tálamo, y la región donde la mayor parte de esa información es procesada, la corteza cerebral. Localizadas a varias “leguas” de distancia, estas dos regiones tienen que establecer una conexión permanente de manera controlada y precisa. Al mismo tiempo, la corteza cerebral se divide en distintas áreas anatómicas y funcionales encargadas de procesar distintas modalidades sensoriales y motoras. En este proceso de regionalización parecen participar también factores genéticos y epigenéticos, estos últimos provenientes en su mayoría de la información desde el tálamo. Algunos de los mecanismos por los que ocurren estos magníficos eventos, la regionalización de la corteza cerebral y el desarrollo de las conexiones tálamo-corticales, son discutidos a continuación.

La complejidad anatómica del tejido nervioso no fue apreciada hasta la invención del microscopio compuesto. Hasta mediados del siglo XVIII, el tejido nervioso se consideraba un tejido glandular implicado en el transporte de fluido secretado por el cerebro hacia el resto del cuerpo mediante diferentes conductos o nervios. Fue a finales del siglo XIX cuando la histología del sistema nervioso central (SNC) empezó a describirse de forma más precisa a través de los estudios de Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal. Fue éste ultimo quien demostró, en contra de las teorías de aquella época, que el sistema nervioso está constituído por elementos individuales denominados neuronas. Actualmente, sabemos que el sistema nervioso está constituido por dos grandes tipos de células: las neuronas y las células gliales. Las neuronas cumplen la función de recibir e integrar información y de enviar señales a otros tipos de células excitables a través de contactos sinápticos.

Organización del sistema nervioso

El sistema nervioso central (SNC), el cual es bilateral y esencialmente simétrico, consta de seis grandes regiones: la médula espinal, la médula oblongata, el puente y cerebelo, el mesencéfalo, el diencéfalo, y los hemisferios cerebrales. Los hemisferios cerebrales representan lejos la región más grande del cerebro. Están formados por la corteza cerebral, la sustancia blanca, y tres núcleos profundos: los ganglios basales, la formación hipocampal, y la amígdala. En el curso del último siglo y medio, mediante el empleo de nuevas técnicas de análisis e imagen, el manto cortical se ha podido dividir en alrededor de 50 a 100 áreas con distintas características funcionales y estructurales (Figura 1).

Figura 1. Regionalización de la corteza cerebral humana ilustrando sus áreas más relevantes, las cortezas primarias somatosensorial, motora, auditiva y visual. 

Quizás el más famoso de los mapas que describen la regionalización cortical fue generado por Korbinian Brodmann en la primera década del siglo XX, aunque interpretaciones alternativas han sido posteriormente publicadas. Los mapas de regionalización cortical representan una guía indispensable y fundamental a la hora de comprender la citoarquitectura (ver glosario) y funcionamento del SNC. Como ejemplo de ello tenemos el núcleo talámico o simplemente tálamo. El tálamo es el núcleo de relevo de la mayor parte de la información sensorial que nos llega desde el exterior y que acaba en la corteza cerebral para ser procesada. Virtualmente todo el tálamo projecta topográficamente (ver glosario) al área sensorial correspondiente del manto cortical, el cual manda conexiones de vuelta al correspondiente núcleo talámico (Figura 2 y Figura 4). De una manera u otra, la información de cada modalidad sensorial alcanza su respectiva área en la corteza cortical, y ésta manda de vuelta conexiones e información al sistema motor.
Cada hemisferio de la corteza cerebral se caracteriza por procesar información procedente del lado contralateral del cuerpo. La información sensorial o motora procedente del lado izquierdo o derecho del cuerpo entra en la médula espinal y cruza al lado opuesto del sistema nervioso antes de pasar por la corteza cerebral donde es procesada.

Figura 2. Diagrama que ilustra las más relevantes áreas de la corteza cerebral en roedores (A). Si se realiza un corte rostro (R)-caudal (C) con un ángulo de ~ 60 grados se expone la via de conexiones desde los núcleos talámicos hasta la corteza cerebral (B). Cada nucleo talámico recibe una determinada información sensorial del exterior. Por ejemplo, información sensorial llega al complejo ventrobasal (VB, rojo) del tálamo o información visual al núcleo geniculado lateral (LGN, azul). A partir de aquí la información se envía a la corteza correspondiente, sea ésta somatosensorial (S1) o visual (V1), respectivamente. CI, cápsula interna. 

Formación del patrón cortical

La corteza cerebral, región del cerebro única en mamíferos, comprende distintas subregiones definidas anatómicamente por el número de capas (por ejemplo, la neocorteza contiene seis capas (I a VI) mientras que el hipocampo contiene sólo tres) y, como mencionamos anteriormente, por un gran número de áreas funcionales definidas—más de cincuenta en la neocorteza humana. Una de las dificultades en entender cómo se desarrollan las distintas áreas corticales surge de que en pequeños mamíferos como el ratón y la rata, la neocorteza es virtualmente uniforme en estructura y citoarquitectura. Además, como mencionaremos en detalle más adelante, son sólo unos pocos los genes conocidos que se expresan en etapas tempranas del desarrollo y que puedan ser elegidos como candidatos en el control del patrón de áreas corticales. Por lo tanto, por mucho tiempo se pensó que este patrón cortical era impuesto en la neocorteza únicamente mediante factores extrínsicos, principalmente mediante las aferencias talámicas que alcanzan la corteza manteniendo las proyecciones específicas a cada área cortical. Sin embargo, recientes evidencias apuntan a que el neuroepitelio cortical (área de la corteza donde se originan la mayor parte de las neuronas) adquiere el patrón regional antes de que la inervación procedente del tálamo alcance su diana en la corteza. Recientes estudios apuntan a que genes específicos y/o factores de transcripción (ver glosario) se expresan de manera gradual a lo largo del neuroepitelio cortical, siendo su expresión a su vez controlada por concentraciones locales de factores difusibles. Por ejemplo, los genes homeóticos Emx2 y Pax6 se expresan en gradiente opuesto uno del otro pero a lo largo del eje anterioposterior de la corteza (Figura 3), mientras que factores de transcripción como Lef1 se expresan gradualmente en el eje medio-lateral. Mediante el uso de ratones transgénicos (ver glosario), recientemente se ha puesto de manifiesto que los factores de transcripción Emx2 y Pax6 están directamente relacionados con la formación de las áreas corticales (O'Leary & Nakagawa, 2002). Por tanto, estos factores de transcripción son responsables directamente del gradiente de expresión normal en la corteza, mientras que la deficiencia de estos genes causa disminución o amplificación de áreas (Figura 3).

¿Cómo los axones talámicos afectan la formación de áreas en la corteza?

Como ya mencionamos anteriormente, los principales núcleos del tálamo dorsal envían proyecciones a la neocorteza siguiendo una topografía específica. Numerosos estudios han puesto de manifiesto que este input talámico es definitorio para el correcto desarrollo no sólo anatómico sino también funcional de las distintas áreas corticales (O'Leary, 1989; Rakic, 1988). Así, la especificidad de la proyección talámica por cada área cortical se mantiene a lo largo de su desarrollo, estando la posterior diferenciación de las

Figura 3. Modelo de patrón cortical en la corteza cerebral en roedores (A). Factores de transcripción como Emx2 y Pax6 se expresan en gradiente opuesto y en etapas muy tempranas del desarrollo embrionario (B). En colores naranja y azul se muestra el gradiente de expresión de Pax6 y Emx2, respectivamente. Las flechas indican el eje rostro-caudal (B, arriba) o caudo-rostral (B, abajo). La carencia de estos genes ha demostrado tener un fuerte impacto en el desarrollo de las diferentes áreas corticales (C). Por ejemplo, la ausencia del gen Pax6 produce una expansión de áreas caudales del la corteza como el área visual primaria (V1). En el caso del gen Emx2 su carencia produce la expansión de áreas rostrales como las áreas motora primaria (M1) o somatosensorial primaria (S1). 

capas corticales directamente relacionada con el refinamiento de los axones talámicos a nivel cortical. Aunque algunos genes se expresen tempranamente en la corteza cerebral y sean capaces por sí solos de establecer un cierto nivel de regionalización, el input talámico podría ser requerido para el mantenimiento de estas diferencias. Actualmente, existe un gran debate acerca de si el input talámico es suficiente o no para crear la regionalizacion en la corteza, o si por el contrario la información intrínseca (genética) es suficiente en mediar este hecho. Huffman y colaboradores realizaron en 1999 un experimento clave con intención de clarificar este punto (Huffman et al, 1999). El experimento consistió en la ablación de una gran parte de la corteza cerebral antes de que la invasión talámica tuviese lugar, delimitando considerablemente la diana para los axones talámicos. Interesantemente, la corteza cerebral restante desarrolló las áreas principales, somatosensorial auditiva y visual, siguiendo un patrón espacial similar al que ocurre en animales normales. Además, la relación topográfia por parte de los núcleos talámicos y de sus proyecciones al área de corteza correspondiente estaba igualmente conservada.
Los resultados expuestos anteriormente apoyan el hecho de que los axones talámicos se encuentran en una posición ideal para proveer a la corteza de información necesaria para su regionalización. Su acceso al mundo exterior por medio de los órganos sensoriales, la especificidad de sus proyecciones, y su contacto temprano con las células diana en la capa IV son componentes importantes de esta hipótesis.

Desarrollo de la proyeccion talámica: Factores implicados

El desarrollo de la corteza cerebral y del tálamo ocurre sincrónicamente. La mayoría de las células o neuronas del tálamo se generan en la rata entre los días embrionarios 13 y 19 (siendo el periodo gestacional de 22 días), el cual coincide con el periodo de desarrollo neuronal en la corteza. Los axones procedentes del tálamo inician su largo recorrido en este período teniendo que cruzar y navegar a través de distintas regiones del cerebro hasta alcanzar su destino (Figura 4). Pero, ¿cómo saben los axones talámicos dónde tienen que ir y dónde tienen que detenerse?. En los últimos años, muchos están siendo los esfuerzos encaminados a comprender los mecanismos implicados en este proceso. Al igual que ocurre en la corteza, genes y factores de transcripción se expresan también durante su desarrollo en regiones navegadas por los axones talámicos. Experimentos recientes sugieren que la guía de axones talámicos ocurre en parte mediante la expresión y función de estos genes y/o factores de transcripción (López-Bendito & Molnár, 2003). Estudios en detalle en ratones mutantes o deficientes en algunos de estos genes o factores de transcripción han puesto de manifiesto este hecho. La falta de expresión y, por tanto, de función de alguno de estos genes causa anomalías en el desarrollo, recorrido y término de la proyección talámica a la corteza. La carencia de, por ejemplo, los genes Pax6 o Gbx2, expresados en el neuroepitelio cortical y en el tálamo dorsal, respectivamente, tiene como consecuencia la total ausencia de axones talámicos en la corteza.

Figura 4. Desarrollo del sistema tálamo-cortical en roedores. Las neuronas del tálamo y corteza envían sus axones o proyecciones en estadíos muy tempranos del desarrollo embrionario (E14). Durante su largo viaje muchos son los factores conocidos involucrados en controlar la correcta conexión entre estas dos grandes regiones del cerebro. 

Otros factores que parece estar implicados en la guía de la proyección talámica hasta su diana en la capa IV, es la liberación desde la corteza de factores con función repulsora o atrayente (Figura 4). Ejemplo de ello son los factores llamados Efrinas y Neurotrofinas (NT), moléculas y factores de crecimiento que se expresan y liberan por células de la corteza y que actúan sobre los axones talámicos permitiendo y refinando su entrada en el área cortical adecuada. En ratones mutantes en los que la expresión de la neurotrofina 3 (NT-3) en la corteza ha sido interrumpida, se produce una pérdida masiva de proyección talámica en regiones concretas de la corteza, como en la corteza visual. Adicionalmente, receptores para estas neurotrofinas, como el receptor p75, se expresan en forma de gradiente en la corteza. En el ratón mutante en el cual la expresión de p75 se encuentra inhibida, el input talamocortical en la corteza visual está considerablemente reducido. Los resultados expuestos anteriormente apuntan a que las neurotrofinas y sus receptores juegan un papel importante para que los axones talámicos alcancen su correcta diana en la corteza.

Llegada a la corteza

En mamíferos, las fibras o axones talámicos ingresan a la corteza antes de que las células diana de capa IV se hayan formado, teniendo que “esperar” dos o tres días a que este evento ocurra. Otro hecho importante digno de mencionar es que el desarrollo de la conectividad entre el tálamo y la corteza ocurre antes de que las sensaciones del exterior alcancen el tálamo dorsal. Esto es, el cerebro se “prepara” en sus conexiones para la llegada de la información desde el exterior. Se ha sugerido en los últimos años que mientras los axones talámicos esperan a las puertas de la corteza para entrar, invadir y establecer contacto con sus células diana, ellos establecen pequeñas “conversaciones” con los centinelas. Llamamos centinelas a un grupo de células que se localizan en la parte más profunda de la corteza, denominadas células de subplaca, capa por la que los axones talámicos tienen que cruzar (Figura 5). Estas “conversaciones” consisten en señales eléctricas, mediadas por estrechos contactos entre los axones y las células de subplaca, que parece que son importantes en darle la señal de entrada a los axones talámicos en la corteza.
Una vez que las células de capa IV se localizan en su posición final en la corteza, los axones talámicos cruzan la subplaca y se dirijen hacia ésta siguiendo una dirección perpendicular a la superficie de la corteza; esta invasión ocurre hacia el primer día postnatal (Figura 5). Pero, ¿cómo saben los axones cuándo tienen que parar dado que han llegado al final de su recorrido?. Recientes estudios han sugerido la existencia de una señal de “parada” localizada en la corteza, y que está implicada en determinar la especificidad de los axones talámicos en detenerse en la capa apropiada. Estudios in vitro indican que los axones talámicos son capaces de reconocer sus células diana de entre todas las demás. En experimentos de co-cultivo donde explantes de corteza y tálamo se confrontan directamente, las conexiones tálamo-corticales se forman siguiendo la misma especificidad de capa que realizan in vivo. La existencia de una señal de parada se ha demostrado más directamente usando técnicas de captación de imágenes en tiempo real en cultivos celulares. Mediante esta técnica se puede seguir la trayectoria de axones in vitro (Yamamoto et al, 1997). En estos experimentos se realizaron explantes en los que el tálamo se coloca en diferentes posiciones relativas a la corteza. En estas condiciones, los axones talámicos siempre paran y realizan sus conexiones en capa IV, independientemente de su ángulo de entrada. Estos resultados sugieren que la señal o señales de parada se encuantran en la corteza posiblemente siguiendo un gradiente de expresión, siendo éste más intenso en la capa diana, la capa IV. La identidad de esta señal todavía no se ha descubierto pero existen algunos candidatos. Moléculas de la matriz extracelular o localizadas en la superficie de determinadas neuronas, incluyendo algunas Efrinas, semaforinas o caderinas, que se expresan siguiendo un patrón específico de capa, podrían tener una función determinante en este hecho.

Figura 5. Innervación por los axones talámicos de la capa IV cortical. Cuando los axones talámicos llegan a la corteza, sus células diana no han llegado a su destino, por lo que tienen que esperar en la subplaca (E18). Se ha sugerido que los axones talámicos establecen señales eléctricas con las células de subplaca durante este período. Este contacto parece ser importante para que los axones invadan la corteza en el momento y región adecuada. Una vez que las células de capa IV alcanzan su posición final, los axones talámicos la invaden estableciendo su conexión final (P8). 

Conclusiones

Como hemos descrito en este artículo, el desarrollo cortical implica el moldeamiento del epitelio cortical en discretas áreas con aferencias, eferencias y redes de conexiones específicas. La interacción e intercambio de información entre la corteza y el tálamo desde muy temprano en el desarrollo parece jugar un papel importante en este hecho. Durante los últimos años se ha realizado un progreso importante hacia la comprensión de cuáles son los mecanismos implicados en el desarrollo del sistema tálamo-cortical y de su interacción temprana con el circuito cortical. Estos avances se han realizado mayoritariamente estudiando ratones mutantes deficientes en genes o factores de transcripción que se expresan en distintas regiones del cerebro. Ahora, nuestra tarea es la de interpretar estas observaciones y establecer la relación causa-efecto entre estos genes y factores expresados, y el patrón talámico y cortical establecido.

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Glosario

1. Factores de transcripción: Término que se aplica a cualquier proteína requerida en iniciar o regular la transcripcion del ADN en eucariotas. Esto incluye, genes que regulan proteínas y factores de transcripción en general.

2. Ratones transgénicos: Ratones que han sido modificados genéticamente mediante la inserción o delección de un o varios genes específicos. Los genes que son insertados o modificados se denominan transgenes. En casos especiales en los que un o varios genes de interés son inactivados al animal resultante se denomina ratón “knock-out”.

3. Citoarquitectura: estructura de una región del sistema nervioso caracterizada por las relaciones entre células y sus ramificaciones y conexiones.

4. Projección topográfica: proyección de axones de una región del sistema nerviosa a otra diferente y distante con preservación de relaciones laterales de neuronas adyacentes.

5. Cultivos celulares: células de un órgano o tejido son disociadas usando diversas técnicas las unas de las otras y mantenidas en condiciones artificiales (o de cultivo). Así mantenidas, neuronas pueden adherirse al nuevo sustrato (vidrio o plástico), crecer y establecer nuevas conexiones.

El cromosoma Y surgió hace 180 millones de años

¿Hombre o mujer? ¿Macho o mujer? En los seres humanos y otros mamíferos la diferencia entre sexos depende de un solo elemento del genoma: el cromosoma Y, que está presente únicamente en los miembros del sexo masculino, que llevan los dos cromosomas sexuales X e Y. En cambio, las mujeres y las hembras llevan dos cromosomas X. Por lo tanto, el cromosoma Y es en última instancia responsable de todas las diferencias morfológicas y fisiológicas entre hombres y mujeres.

¿Hombre o mujer? ¿Macho o hembra? El cromosoma Y surgió hace 180 millones de años. Crédito de la imagen: OpenClips (Pixabay)

Pero esto no siempre ha sido así. Hace mucho tiempo, los cromosomas X e Y eran idénticos, hasta que el Y comenzó a diferenciarse del X en el sexo masculino. Luego, progresivamente se redujo, hasta tal punto, que hoy en día, aproximadamente sólo contiene 20 genes (mientras que el X contiene más de mil genes). ¿Cuándo se originó el cromosoma Y, y qué genes se han mantenido? La pregunta acaba de ser respondida por el equipo de investigadores de Henrik Kaessmann, profesor adjunto de CIG (UNIL) y líder del grupo del Instituto Suizo de Bioinformática SIB, y sus colaboradores en Australia. En su estudio han establecido que los primeros «genes del sexo» aparecieron simultáneamente en los mamíferos hace unos 180 millones de años.
Mediante el estudio de muestras procedentes de varios tejidos masculinos de diferentes especies – particularmente de los testículos, los investigadores recuperaron los genes del cromosoma Y de los tres principales linajes de mamíferos: placentarios (que incluyen a los seres humanos, los simios, los roedores y los elefantes), marsupiales (como las zarigüeyas y los canguros) y monotremas (mamíferos que ponen huevos, como el ornitorrinco y la equidna, una especie de puercoespín australiano). En total, los investigadores trabajaron con muestras de 15 mamíferos diferentes pertenecientes a estos tres linajes, así como la de un pollo, que incluyeron para comparación.
En lugar de secuenciar todos los cromosomas Y, lo que habría sido una «tarea colosal» según Diego Cortez, investigador de CIG y SIB, y autor principal del estudio, los científicos «optaron por un atajo». Mediante la comparación de las secuencias genéticas, de los tejidos masculinos y femeninos, eliminaron todas las secuencias comunes a ambos sexos, a fin de mantener sólo aquellas secuencias correspondientes al cromosoma Y. Al hacer esto, establecieron el mayor atlas genético que a la fecha se haya creado del cromosoma «masculino».
Para el estudio se necesitaron más de 29.500 horas de computación. Una tarea gigantesca, que requirió medios técnicos avanzados.

Dos genes independientes determinantes del sexo
El estudio ha mostrado que el mismo gen determinante del sexo, llamado SRY, en los placentarios y marsupiales se habría formado en el ancestro común de los dos linajes, hace alrededor de 180 millones de años. Otro gen, AMHY, es responsable de la aparición de los cromosomas Y en monotremas, y apareció hace unos 175 millones de años. Ambos genes, que de acuerdo con Henrik Kaessmann, están «involucrados en el desarrollo testicular», han surgido por lo tanto «casi al mismo tiempo, pero de una manera totalmente independiente».
La naturaleza del sistema de determinación del sexo, presente en el ancestro común de todos los mamíferos, aún no está clara, debido a que los cromosomas Y de los mamíferos no existían a la sazón – al menos los descubiertos en este estudio. Entonces, ¿qué desencadenaba en ese entonces que un individuo fuera macho o hembra? ¿La determinación estaba vinculada a otros cromosomas sexuales, o incluso factores ambientales tales como la temperatura? Este último escenario es posible, teniendo en cuenta que la temperatura determina el sexo de los cocodrilos actuales. En lo que respecta a los mamíferos, «la cuestión sigue abierta» , concluye Diego Cortez.


Artículo científico: Diego Cortez, Ray Marin, Deborah Toledo-Flores, Laure Froidevaux, Angélica Liechti, Paul D. Waters, Frank Grützner, Henrik Kaessmann. Origins and functional evolution of Y chromosomes across mammals. Nature 508, 488–493 (24 April 2014), doi: 10.1038/nature13151

Nanodispositivos ADN camuflados pasan una prueba de fuego

En una escena familiar en la ciencia ficción, el héroe activa su dispositivo de invisibilidad en territorio enemigo. En la realidad, los virus utilizan tácticas similares para hacerse invisibles ante el sistema inmunológico. Ahora, científicos del Instituto Wyss para la Ingeniería Inspirada Biológicamente de Harvard, han imitado las tácticas virales para construir los primeros nanodispositivos ADN que pueden sobrevivir a las defensas inmunitarias del organismo.

Los virus recubiertos (abajo), se cubren a sí mismos con lípidos como parte de su ciclo de vida. Los nuevos nanodispositivos ADN recubiertos con lípidos (arriba) se parecen mucho a los virus, y evaden las defensas inmunitarias de los ratones. Crédito: Instituto Wyss Steven Perrault/Harvard Institute

Los resultados allanan el camino para nanorobots ADN inteligentes que podrían utilizar la lógica para diagnosticar el cáncer, más temprano y con mayor precisión que los médicos pueden hoy en día; dirigir fármacos a los tumores, o incluso elaborar fármacos en el sitio para paralizar el cáncer.

La misma estrategia de camuflaje también se podría utilizar para hacer contenedores microscópicos artificiales, llamados protocélulas, que podrían actuar como biosensores para la detección de agentes patógenos en los alimentos, o productos químicos tóxicos en el agua potable.

El ADN es bien conocido porque contiene la información genética, pero en la actualidad, los bioingenieros lo están utilizando como material de construcción. Para ello utilizan un origami de ADN – un método que el Dr. William Shih , el investigador principal, ayudó a extender de 2D a 3D. Con ese método, los científicos toman un filamento largo de ADN y lo programan para que se pliegue en formas específicas, algo así como una hoja de papel se puede plegar para crear formas distintas en el arte tradicional japonés.

El equipo de Shih monta las formas para construir dispositivos nanométricos de ADN, que algún día podrían ser tan complejos como la maquinaria molecular que se encuentra en las células. Así por ejemplo, están desarrollando métodos para construir pequeños robots de ADN que detectan su entorno, calculan una respuesta, y a continuación llevan a cabo una tarea útil, como la realización de una reacción química o la generación de fuerza mecánica o de movimiento.

Esos nanorobots de ADN pueden parecer sacados de la ciencia ficción, pero ya existen. En 2012 los investigadores del Instituto Wyss reportaron en la revista Science que habían construido un nanorobot que utiliza lógica para detectar una célula diana, y activar un anticuerpo que acciona un “interruptor de suicidio” en las células de leucemia o linfoma.

Para que un nanodispositivo ADN diagnostique o trate con éxito una enfermedad, primero debe sobrevivir las defensas del organismo el tiempo suficiente para hacer su trabajo, pero el equipo de Shih descubrió que los nanodispositivos ADN que se inyectan en el torrente sanguíneo de los ratones se digieren rápidamente.

La naturaleza inspiró la solución: los científicos diseñaron sus nanodispositivos para imitar a un tipo de virus que protege su genoma encerrándolo en una caja de proteína sólida, y luego la recubrieron con una capa aceitosa idéntica a las de las membranas que rodean las células vivas. Ese revestimiento contiene una capa doble (bicapa) de fosfolípido, que ayuda a los virus a evadir el sistema inmune y los lleva al interior de la célula.

Para recubrir los nanodispositivos ADN con fosfolípidos, el Dr. Steve Perrault, un becario del Instituto Wyss y parte del grupo de Shih, primeramente plegó el ADN para lograr una forma de octaedro del tamaño de un virus, y luego aprovechó la precisión de la nanotecnología de ADN para construir manijas para colgar los lípidos, que a su vez dirigen el montaje de una sola membrana bicapa que rodea el octaedro. Bajo un microscopio electrónico los nanodispositivos revestidos son muy similares a los virus recubiertos.

Perrault luego demostró que los nuevos nanodispositivos son capaces de sobrevivir en el cuerpo. Lo logró al cargarlos con un tinte fluorescente, inyectarlos en ratones, y utilizar imagenología de cuerpo completo para ver qué partes del ratón brillaban.

En los ratones que recibieron los nanodispositivos sin recubrimiento sólo brilló la vejiga, lo que significa que los animales los descompusieron rápidamente y estaban listos para excretar sus contenidos. Pero en los animales que recibieron los nuevos nanodispositivos recubiertos, todo el cuerpo brilló durante horas, lo que mostró que los nanodispositivos permanecieron en el torrente sanguíneo por un tiempo similar al que los fármacos eficaces permanecen en el cuerpo.

En el futuro, los nanorobots camuflados podrían activar el sistema inmunológico para combatir el cáncer o suprimir el sistema inmunológico para ayudar a que el tejido trasplantado se establezca.

Artículo científico: Steven D. Perrault, William M. Shih. Virus-Inspired Membrane Encapsulation of DNA Nanostructures To Achieve In VivoStability. ACS Nano (2014), doi: 10.1021/nn5011914

Fuente: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard

El VIH evoluciona de manera diferente en hombres y mujeres

Científicos del Instituto de Física (IF) de la UNAM descubrieron que, en promedio, la carga viral que se manifiesta en hombres y mujeres en la misma etapa de infección por virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), determinada por la cuenta de linfocitos T en la sangre, es mayor –al doble o al triple– en ellos que en ellas, aunque la condición clínica sea similar.

Estructura del virión VIH: (A) Cápside. (B) NA, proteasas, integrasas y transcriptasa reversa. (C) Membrana exterior. (D) Glicoproteína gp41. (E) Glicoproteína gp120. Ilustración por Estefanía Quesnel

Asimismo, al estudiar la respuesta de los pacientes al inicio de la terapia antirretroviral, encontraron que, contrario a lo que se pensaba, una vez que se aplica el tratamiento la población viral en la sangre no disminuye en forma paulatina, sino que se registran oscilaciones fuertes que no están explicadas; hasta después de un par de días se presenta un decaimiento progresivo del virus.

Carlos Villarreal Luján, quien colabora en esta investigación con el también físico e integrante del IF, Germinal Cocho; Leonor Huerta, del Instituto de Investigaciones Biomédicas; la entonces estudiante de la maestría en Física Médica, Paola Ballesteros y con José Luis Estrada, médico integrante de la Torre de Especialidades del Instituto Mexicano del Seguro Social, explicó que el primer hallazgo llama la atención porque “significa que hay un mecanismo asociado a la dinámica infecciosa del virus o con la respuesta del sistema inmune, que varía entre ambos sexos”.

El científico recordó que las últimas estadísticas del Centro Nacional para la Prevención y el Control del VIH y el SIDA (CENSIDA) indican que 0.24 por ciento de la población mexicana (alrededor de 288 mil personas) está infectada con el VIH. De ésta, aproximadamente 16 por ciento son mujeres. Esa cifra se ha mantenido más o menos estable, pues la incidencia no se ha incrementado en los últimos años.

El estudio

Para esta investigación estadística, los expertos emplearon los datos de más de tres mil pacientes del Seguro Social; se trató de una muestra significativa de infectados que inicialmente fueron a una evaluación y, después, a tomar terapia.

Lo primero fue recopilar la información de fichas clínicas y elaborar una base de datos y así desarrollar el análisis estadístico.

“Nos basamos en datos relacionados con las cuentas de carga viral y el conteo de linfocitos TCD4 en el plasma de los pacientes, al tomar muestras antes de la terapia antiretroviral y luego de seis meses de iniciado el tratamiento, para ver cómo varían las cantidades del virus”.

El hallazgo de que los hombres tienen más carga que las mujeres podría deberse a que el virus se aloja en diferentes compartimentos del organismo; la mayor parte (hasta en 98 por ciento) se encuentra en tejidos linfáticos. Ese reservorio se comunica con la sangre, de modo que “lo que se ve en esta última es un reflejo de lo que ocurre a nivel linfático”.

Podría ocurrir que el VIH en la sangre es eliminado de manera más eficaz en ellas que en los varones, o que no se transmite con la misma tasa; así podría explicarse que, a pesar de tener la misma “cantidad” en tejido linfático, en la sangre haya diferencias notables. “Está documentado que, en muchas ocasiones, la respuesta inmune es más robusta en las mujeres (y aún puede tornarse sobrerreactiva)”.

Por ello “no podemos atenernos sólo a la medida de la carga en la sangre, porque se podría tener una conclusión engañosa respecto al estado real del paciente; este factor debe tomarse en cuenta. Para nosotros es importante, sobre todo para entender la dinámica de la interacción del virus con células del sistema inmune, que es uno de los propósitos en esta investigación”, explicó Villarreal Luján.

El hecho es que, a pesar de tener “menos virus”, las mujeres no presentan ventajas. Las terapias no erradican al VIH, sólo mantiene su presencia a bajo nivel; cuando cesa el tratamiento, en ambos sexos alcanza niveles similares en el tejido linfático, aunque no en la sangre.

Su presencia crónica en ese tejido da lugar a la degradación de éste mediante procesos fibróticos y el eventual desarrollo de inmunodeficiencia.

En tanto, el que se presenten fluctuaciones en la presencia del virus al inicio de la terapia podría deberse a que se perturba el equilibrio dinámico entre poblaciones muy grandes del mismo, que se crea y se destruye; esa perturbación se manifestaría, según nuestros modelos matemáticos, como aquellas oscilaciones observadas en los datos clínicos de pacientes.

Es como si se abriera la llave de un tinaco para llenar un vaso: el flujo es muy desordenado. “Estudiamos este tipo de dinámica mediante protocolos clínicos implementados por Isabel Villegas, del Instituto Nacional de Perinatología, en colaboración con grupos encabezados por Hilda Hidalgo, del Centro Médico Nacional, así como por Luis Soto, del Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición Salvador Zubirán. Actualmente trabajamos en la publicación de los resultados”.

Pero no sólo eso. Los físicos tratan de abordar una visión más general e interdisciplinaria de enfermedades denominadas “complejas”, donde está presente una respuesta inflamatoria crónica que mina el funcionamiento de diferentes órganos. El sida (síndrome de inmunodeficiencia adquirida) sería uno de esos padecimientos, pero también la diabetes tipo 2, el cáncer o la ateroesclerosis.

No están claras las interrelaciones entre los factores que influyen en su desarrollo, pero se tiene cierta convicción de que la nutrición, el medio ambiente y el estrés eventualmente dan lugar a una respuesta inflamatoria que provoca la pérdida de funcionalidad de los órganos. Por ello, se pretende evaluar en qué porcentaje es determinante cada uno de los elementos involucrados.

Este tipo de estudios, finalizó Villarreal Luján, deben tomar en cuenta redes de regulación (genética, proteínica y metabólica, entre otras), modelos matemáticos y la comparación estadística y clínica de poblaciones amplias, así como el análisis de casos particulares que pueden revelar aspectos anómalos de la enfermedad.

Por ello se desarrollan en colaboración con instituciones del sector salud e investigadores de distintas áreas. “Es importante tener la posibilidad de que los modelos puedan ser verificados con datos clínicos reales y contrastar nuestras especulaciones con lo que los médicos o biomédicos conocen. Se necesita un trabajo de interacción y aprendizaje”, finalizó el científico.

Fuente: Agencia iberoamericana para la difusión de la ciencia y la tecnología

¿Láser para inducir a llover?

¿Láser para inducir a llover?

Un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona está desarrollando una tecnología cuya finalidad es dirigir hacia las nubes rayos láser de alta energía para provocar que llueva, o para desencadenar tormentas eléctricas.

Crédito de la imagen: Alois Wonaschuetz (Pixabay)/Ciencia al Día

La técnica consiste en rodear un haz de láser con un segundo haz, que actúa como un depósito de energía, para lograr que el haz central alcance distancias hasta ahora imposibles. El haz secundario reaprovisiona y ayuda a prevenir la dispersión del haz principal de alta intensidad, que por sí solo se dispersaría rápidamente.

La condensación de agua y la actividad eléctrica en las nubes están relacionadas con grandes cantidades de partículas cargadas estáticamente. La estimulación de esas partículas con el tipo correcto de láser es lo que haría que algún día se pueda hacer que llueva donde se necesite.

Los láseres ya pueden viajar grandes distancias, pero “cuando un rayo láser se vuelve lo suficientemente intenso, se comporta de manera diferente de lo habitual – colapsa hacia adentro sobre sí mismo”, dice Matthew Mills, un estudiante graduado del Center for Research and Education in Optics and Lasers (CREOL). “El colapso se vuelve tan intenso que los electrones en el oxígeno del aire y el nitrógeno crean plasma – básicamente una sopa de electrones”.

En ese instante, de inmediato el plasma intenta que el haz se propague de vuelta hacia afuera, lo que provoca una lucha entre la difusión y el colapso del pulso de láser ultracorto. Esta lucha se llama filamentación y crea un filamento o “cuerda de luz “, que sólo se propaga durante algún tiempo hasta que las propiedades del aire hacen que el haz se disperse.

“Debido a que un filamento crea electrones excitados en su estela a medida que avanza, de forma artificial crea las condiciones necesarias para que se produzcan la lluvia y los relámpagos”, añade Mills. Otros investigadores han logrado “eventos eléctricos” en las nubes, pero no la caída de rayos.

Pero, ¿cómo se puede acercar uno lo suficiente para dirigir el rayo a la nube sin que el rayo lo haga pedazos?

“Lo que sería bueno es lograr una forma que nos permita producir un ‘cable de extensión filamentoso’ arbitrariamente largo”. Resulta que si el filamento se envuelve con un ‘vestido’ de baja intensidad en forma de rosquilla, y lentamente se mueve hacia adentro, se obtiene esa extensión arbitraria”, dice Mills. “Ya que con nuestro método tenemos control sobre la longitud de un filamento, desde lejos se podrían sembrar las condiciones necesarias para que se produzca una tormenta. En última instancia se pueden controlar artificialmente la lluvia y los rayos sobre una gran extensión”.

Hasta ahora, Mills y su compañero, el estudiante graduado Ali Miri han podido ampliar el pulso de 10 pulgadas a unos 7 pies, pero ya están trabajando para extender el filamento aún más lejos.

“Este trabajo podría conducir finalmente a filamentos de gran longitud inducidos ópticamente o a canales de plasma, que de otro modo son imposibles de establecer en condiciones normales”, dice el profesor Demetrios Christodoulides, quien trabaja en el proyecto con los estudiantes graduados.

“En principio los filamentos vestidos podrían propagarse por más de 50 metros, lo que permitía una diversidad de aplicaciones. Algún día los filamentos ópticos se podrían utilizar para orientar selectivamente las señales de microondas a lo largo de canales de plasma de gran longitud, quizás por cientos de metros”.

La técnica también se podría utilizar en sensores y en espectrómetros de larga distancia para identificar la composición química.

Artículo científico: Maik Scheller, Matthew S. Mills, Mohammad-Ali Miri, Weibo Cheng, Jerome V. Moloney, Miroslav Kolesik, Pavel Polynkin, Demetrios N. Christodoulides. Externally refuelled optical filaments. Nature Photonics 8, 297–301, (2014) doi: 10.1038/nphoton.2014.47

Fuente: University of Central Florida

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