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Archive for the ‘Historia de la ciencia’ Category

Happy Birthday Carl!

9 noviembre, 2010 5 comentarios

Hoy no me puedo ir a dormir tranquilo sin rendirle un pequeño tributo a uno de los más grandes científicos y divulgadores que ha dado este punto azul pálido. Como tal vez sabréis o tal vez no, hace 76 años nació un ilustre ejemplar de persona capaz de transgredir el estatus de divulgador de aquel entonces, donde la persona que ejercía la divulgación estaba mal visto por la comunidad científica; nació un científico capaz de acercar la ciencia a millones de individuos de una manera tan eficaz como bella; nació una de las mayores personalidades sustentadora del pensamiento crítico y escéptico como base del avance social y tecnológico; nació uno de los mayores impulsores y responsables del proyecto SETI; nació el hombre que define el concepto de vida en la enciclopedia británica. Señoras y señores, hace 76 años nació Carl Sagan.

Science is a way of thinking much more than it is a body of knowledge.

Curiosidades sobre taxonomía: hablemos de mamuts

3 octubre, 2010 58 comentarios

Cuando, a finales del siglo XVII, el naturalista alemán Ludolf describió unos huesos pertenecientes a los que los pueblos de los Urales denominaban Mamantu recogió que las criaturas a la que pertenecían semejantes restos eran una suerte de gigantes bestias excavadoras que se ocultaban bajo el suelo, razón por la que nunca eran vistos vivos. Ludolf utilizó el término mammoutovoi para referirse a esta misteriosa criatura y así la recogió la Royal Society a través de un informe del reconocido científico inglés Robert Hooke. Contemporáneamente a Ludolf, el explorador y diplomático Witsen utilizó en término «mammut» para referirse a las osamentas de dicho animal, llamadas mammatovoykost por los pueblos siberianos. Casi medio siglo después, el célebre naturalista y anatomista francés Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon, se refirió en su más conocida obra, Histoire naturelle (1749), a los huesos de bestias relacionadas con los elefantes y procedentes de Siberia, las cuáles denominó mamuts (en francés, mammouths) latinizando el término empleado por las poblaciones nativas que conocían de la existencia de dichos restos. Por aquel entonces, Linneo todavía no había acabado su compendio que sentaría las bases de la nomenclatura taxonómica actual y no fue hasta 1799 que el eminente antropólogo alemán Johann Friedrich Blumenbach estableció el género Mammut asignándolo a unos restos supuestamente pertenecientes a estas bestias extintas.

Sin embargo, los restos que Blumenbach asignó a dicho género no eran los pertenecientes a osamentas de los paquidermos siberianos, sino a unos restos procedentes de Norteamérica atribuídos también a estos supuestos mamuts y que se conocían también por los nombres de “animal de l’Ohio” (Daubenton, 1765) o “American incognitum” (Hunter, 1768). En cambio, el propio Blumenbach englobó a los mamuts procedentes de Siberia bajo la especie Elephas primigenius (elefante primitivo) debido a su parentesco con los elefantes actuales. Tal y como Georges Cuvier había demostrado años antes, el mamut americano y el siberiano pertenecían a linajes diferentes.

Pero, en 1806, el propio Cuvier prosiguió sus estudios con el todavía conocido como “animal de l’Ohio” y, recogiendo trabajos anteriores, describió detalladamente al animal y lo denominó Mastodon giganteus. Cuvier dio ese nombre a la bestia debido a la distintiva forma de sus molares, con cúspides pronunciadas en forma de senos (de ahí su nombre) acentuadamente diferentes de los molares lofodontos de mamuts siberianos y elefantes actuales. Sin embargo, al haber sido nombrado anteriormente por Blumenbach como Mammut americanum fue éste el nombre reconocido siguiendo las reglas de la nomenclatura taxonómica establecidas. Aun así, la designación de Cuvier no cayó ni mucho menos en el olvido y, hoy en día, tanto el Mammut americanum como otras especies del mismo género y familia son conocidas vulgarmente como mastodontes. Es curioso el hecho de lo que actualmente conocemos como mamuts no pertenezcan al género homónimo, sino que sean sus parientes los mastodontes. Los mamuts, muy emparentados con los elefantes actuales, se agrupan hoy bajo el género Mammuthus, descrito en 1828 por el naturalista y anatomista inglés Joshua Brookes.

Molar de mastodonte (izquierda) y mamut (derecha)

Comparación entre las denticiones de un mastodonte (izquierda) y un mamut (derecha). Se observan claras diferencias entre la peculiar bunodoncia del primero y la acentuada lofodoncia del segundo.

A la izquierda, reconstrucción de un esqueleto completo de mamut lanudo (Mammuthus primigenius). A la derecha, ejemplar de mastodonte (Mammut americanum) en el Museo de los Apalches, Saltville (Virginia).

Referencias

Cuvier, Georges. 1806. “Sur le grande Mastodonte, animal très-voisin de l’éléphant, mais à mâchelières hérissées de gros tubercles, dont on trouve les os en divers endroits des deux continens, et surtout près des ords de l’Ohio, dans l’Amérique Septentrionale improprement nommé Mammouth par les Anglais et par les habitans des États-Unis.” Annales du Muséum d’Histoire Naturelle 8:270-312, pls 49-56.

Daubenton, Louis Jean Marie. 1765. Mémoire sur des os et des dents remarquables par leur granduer. Mémoiries de l’Académie royale des science. Paris (1764): 206-209.

Hunter, W. 1768. Observations on the Bones Commonly Supposed to Be Elephant Bones, Which Have Been Found near the River Ohio in America. Philosophical Transactions. 58: 34-45.

El vídeo del Viernes: a pale blue dot

23 abril, 2010 7 comentarios

Creo que este vídeo no necesita presentación, y mucho menos la persona, la “voz”, detrás de estas imágenes y esta música. Carl Sagan sigue siendo uno de mis héroes de la infancia, y cada vez que escucho algo de él, recuerdo esos años de mi niñez cuando veía Cosmos y quería llegar a ser astronauta para poder ver todas las maravillas que relataba en sus documentales.

PD: astronauta no, pero estoy en una carrera científica y creo que una buena parte de la “culpa” la tiene este hombre.

Explorando la metáfora del bricolaje

If a man were to make a machine for some special purpose, but were to use old wheels, springs and pulleys, only slighted altered, the whole machine, with all its parts, might be said to be specially contrived for that purpose. Thus thought nature almost every part of each living being has probably served, in a slightly modified condition, for diverse purposes, and has acted in the living machinery of many ancient and distinct specific forms.

(Darwin, 1862)

On the Origin of Species no fue el último trabajo original que publicó Charles Darwin antes de morir, sino que tras el gran éxito de su obra más conocida e impactante, publicó diversos trabajos que trataban en detalle aquellas cuestiones que sólo habían quedado apuntadas en lo que el llamó el “resumen” de su teoría. Entre estos libros, tenía uno dedicado a la fecundación de las orquídeas por insectos publicado en 1862 y reeditado en 1886 bajo el título On the various contrivances by which British and foreign orchids are fertilised by insects and on the good effects of intercrossing [1]. En esta obra, Darwin estudió los diversos “artilugios” (contrivances) desarrollados por las orquídeas para evitar la autopolinización y favorecer la alopolinización. En todos los casos, estos intricados dispositivos estaban elaborados a partir de los componentes comunes de las flores vulgares, partes habitualmente utilizadas para funciones muy distintas. De este modo, quedaba de manifiesto, que las orquídeas no son obra de ningún ingeniero ideal que hubiera diseñado una hermosísima máquina, sino que son sólo ajustes provisionales hechos a partir de un juego limitado de piezas disponibles. En resumen, en esta bella obra, Darwin lucha contra el argumento de la creación perfecta e ingenieril, y subraya  las imperfecciones estructurales y funcionales del mundo vivo.

En los últimos treinta años, Jacob ha popularizado esta dinámica del proceso evolutivo con la metáfora del bricoleur [2]. Para el biólogo francés, la actividad que más se parece al funcionamiento de la evolución no es la del ingeniero, sino la de un “chapuzas”. En en sus propias palabras: “la naturaleza es una magnífica chapucera, no un divino artífice”. El trabajo de la persona que hace bricolaje se opone en efecto al del ingeniero: mientras el segundo crea la estructura mejor adaptada a su proyecto, el primero toma lo que tiene en mano y cambia la función primaria de ciertos objetos para adaptarlos a sus objetivos con mayor o menor éxito. Como ya hemos visto en la cita que abre este post, Darwin fue el primero en hablar en términos parecidos de la acción de la selección natural en su libro sobre las orquídeas, pero este uso pasó desapercibido y el mérito de su popularización se debe sin duda a Jacob. La metáfora refleja muy bien el hecho de que la evolución no produce novedades desde cero. Funciona con lo que ya existe, bien transformando un sistema para darle nuevas funciones, bien combinando varios sistemas para producir uno más elaborado. El biólogo teórico Diego Rasskin ha denominado “el desván de la evolución” [3] a esta idea de que la evolución hace lo nuevo con lo viejo.

Quizás es a nivel molecular, como Jacob ha documentado extensamente, donde se manifiesta más claramente el carácter chapucero de la selección natural. Un ejemplo bastante conocido de bricolaje molecular es el fenómeno del reclutamiento, la utilización de secuencias viejas para funciones nuevas. Un caso asombroso de esto, es el de las cristalinas [4], las proteínas que forman la parte transparente de las lentes de los ojos. Se descubrió que en la mayoría de los casos estas proteínas tienen otra función. Por ejemplo, la cristalina alfa es una pequeña proteína de choque térmico y muchas cristalinas de pájaros, reptiles y otros animales tienen una actividad enzimática como la argininosuccinato liasa (cristalina δ) y la lactato deshidrogenasa (cristalina є). Son enzimas funcionales, que desempeñan una función central en el metabolismo, reclutadas o recicladas por el cristalino para fines estructurales, algo que resulta realmente sorprendente.

La metáfora del bricolaje evolutivo hace incapie en el papel de la contingencia y del azar en la evolución y subrayar los límites adaptativos de los seres vivos. El mundo vivo tal y como lo conocemos es sólo uno de entre los muchos mundos posibles. Los organismos son productos de la historia (son estructuras históricas en palabras de Jacob)  y constituyen el resultado del oportunismo de la selección natural que refleja la naturaleza de un proceso histórico lleno de contingencias. La estructura de la biosfera es en parte e producto de la particular historia del planeta Tierra. Como decía el malogrado Stephen Jay Gould, si rebobinásemos la “Cinta de la Vida” y la volviésemos a pasar, en esta segunda proyección quedaríamos sorprendidos con el contenido tan distinto de la película y horrorizados con su final: la no aparición del hombre.


[1] “La fecundación de las orquídeas” ha sido traducida y editada por primera vez en castellano en la Editorial Laetoli dentro su colección Biblioteca Darwin dirigida por Martí Domínguez.

[2] JACOB, F. (1977). Evolution and tinkering. Science. 196: 1161-1166.

[3] Este es el título que recibe una recopilación de textos de Jacob realizada por Andrés Moya y Juli Peretó y publicada por la Universitat de València en la colección Honoris Causa.

[4] PIATIGORSKY, J. Y G.J. WISTOW. (1989). Enzyme/ crystallins: gene sharing as an evolutionary strategy. Cell,. 57: 197-199.

The long path of carbon in photosynthesis II

23 marzo, 2010 2 comentarios

El camino hacía la ruta de la fijación del carbono estaba preparado. El descubrimiento previo del isótopo de C14 y la técnica analítica de la cromatografía en papel bidireccional fueron fundamentales para que el grupo de Calvin realizara experimentos acerca del destino del CO2 fijado en la fotosíntesis. El principio del experimento era sencillo, el CO2 acaba incorporándose en todos los materiales vegetales, principalmente y en primera instancia en los carbohidratos. La intención del grupo de Calvin era reducir el tiempo de viaje de esta molécula para discernir la ruta de fijación del CO2 (pulso y caza). Para ello, se suministraba 14CO2 a un organismo fotosintético y se detenía la reacción a tiempos adecuados matando al organismo con metanol hirviente al 80%. El metanol servía para dos propósitos, detenía la reacción inutilizando los enzimas y extraía los azúcares para su posterior análisis cromatográfico.

Los experimentos preeliminares confirmaron la separación, ya documentada, entre las fases luminosa y oscura de la fotosíntesis. El montaje consistía en un aparato llamado por Calvin y sus colaboradores lollipop, por su forma de piruleta, en el que crecían algas del género Chlorella preilumindas, almacenando suficiente poder reductor como para llevar acabo la fijación de CO2 en las condiciones de oscuridad posteriores. Estos experimentos de corta preiluminación y luego oscuridad eran poco viables al no ir mucho más allá del poder reductor almacenado en ese breve período de tiempo, por eso decidieron hacer experimentos en fotosíntesis en fase estacionaría (CO2 y iluminación constantes).

Las cromatografías se revelaban en una película fotográfica sensible a la radiación del C14. Determinando luego los compuestos con radiactividad incorporada a los diferentes tiempos de iluminación y analizando posteriormente la distribución de la radiación en cada compuesto con el tiempo se podía obtener una familia de curvas del incremento de radiación de cada compuesto respecto al tiempo.

Para determinar la ingente cantidad de compuestos presentes en un organismo fotosintético, se ensayaron numerosos procedimientos. En primera instancia, se utilizaron los métodos analíticos clásicos de la química orgánica, pero la lentitud y el requerimiento de grandes cantidades de material biológico para el análisis hicieron que fueran sustituidos por otros procedimientos. Dada la experiencia del grupo de Calvin en los años de guerra en separar plutonio y otros elementos radiactivos en columnas de intercambio iónico, utilizaron este método para determinar que los compuestos marcados a tiempos cortos eran de naturaleza aniónica. Debido a la dificultad en eluir después los componentes radiactivos de las resinas, parecía plausible que el material era de naturaleza acídica, disponiendo de varios puntos de unión a la resina.  Aunque esta técnica presentaba resultados, se necesitaba de otra que permitiese resolver a la vez todos los componentes del extracto en menos tiempo.

La técnica de la cromatografía bidimensional en papel permitía la separación de aminoácidos, azúcares y otros compuestos. Al grupo de Calvin le sirvió para analizar de manera rápida los productos marcados presentes en los extractos de algas fotosintéticas. El fundamento de esta técnica subyace en la pérdida de agua de la solución solvente a medida que se desplaza por el papel. Las separaciones son el  resultado de la partición entre la fase orgánica en movimiento y la fase acuosa estacionaria. El coeficiente de partición de cada sustancia es particular y puede proporcionarnos información para identificarlo. De este modo, la solución se vuelven más orgánica, separándose los solventes aniónicos, como los azúcares fosfatos, con el solvente rico en agua mientras que los más hidrofóbicos como los lípidos y los pigmentos permanecen en la fase orgánica. El uso de dos solventes diferentes y la rotación del papel 90º ( cromatografía bidimensional), permitía una resolución de las sustancias similares. Las cantidades relativas de los compuestos se podían determinar cualitativamente de las autoradiografías o cuantitativamente previa elución. Se realizaban cromatografías paralelas con compuestos patrones para ayudar a establecer las propiedades de la manchas.

Los primeros resultados de estas cromatografías mostraron que, en apenas 30 segundos, el carbono marcado había pasado a una gran variedad de compuestos. Si querían obtener la relación temporal entre las distintas sustancias debían acortar el tiempo de exposición. Efectivamente, al reducir el tiempo, algunos de estos compuestos no mostraban radiactividad, indicando que se trataba de compuestos que se sintetizaban en pasos tardíos de la ruta de fijación del carbono. El primer producto de la fotosíntesis, cuando el tiempo de esta se reducía  a apenas unos segundos, era un ácido carboxílico, el 3-fosfoglicerato, tal y como lo encontraron Ruben y Kamen.

Se disponía del inicio del ciclo, del primer producto de la fijación del CO2, siendo la determinación del aceptor el próximo compuesto a determinar. La degradación de los intermediarios marcados, permitía establecer la cantidad de radiación en cada carbono del compuesto. De este modo, se llegó a establecer que el 3-fosfoglicerato estaba inicialmente marcado en el grupo carboxilo. Es fácil de ver por qué Calvin y sus colaboradores pensaron que el aceptor inicial era un compuesto de dos carbonos. En la búsqueda de este aceptor de dos carbonos se identificaron muchos de los otros compuestos que aparecían en las cromatografías. Tras realizar muchos experimentos, aparecieron dos nuevas manchas que no correspondían con ninguno de los compuestos que ya conocían. La primera mancha desconocida resultó ser para su sorpresa, un azúcar de siete carbonos, la sedoheptulosa, recibiendo confirmación por comparación con sedoheptulosa de Arnold Nordal. El segundo compuestos era la ribulosa-1,5- bisfosfato, ninguno de ellos el compuesto C2.La búsqueda fútil del compuesto C2 terminó cuando consideraron la posibilidad de que el aceptor inicial fuese un compuesto con cinco carbonos. Estudiando el marcaje radioactivo de los carbonos de la sedoheptulosa y la ribulosa-1,5-bisfosfato, establecieron las rutas de síntesis de estos compuestos a partir de  combinaciones de otros compuestos identificados.

Aun habiendo determinado los caminos por los cuales se podían generar todos los intermediarios del ciclo; pentosas, hexosas y  heptosas, se presentaba el problema adicional de que todos ellos aprecian simultáneamente junto con la triosa. Para dilucidar finalmente quien era el aceptor inicial del ciclo decidieron utilizar datos cinéticos. Se apoyaron en el hecho que los compuestos se saturaban con radiactividad muy rápidamente indicando que eran las concentraciones de estos en estado estacionario. Los efectos de la luz en las concentraciones de los intermediarios sirvieron para determinar el aceptor del ciclo. Para probarlo bidireccionalmente, se hicieron experimentos similares en los que el alga era suministrada CO2 marcado y luego era transferida atmósferas con CO2 ausente, se detectaba la disminución de la mancha del 3-fosfoglicerato y aumentaba el marcaje en la ribulosa-1,5-bisfofato.

Los experimentos de autoradiografías y cromatografías en papel llevados a cabo por el grupo de Calvin no se detuvieron en la regeneración del aceptor del ciclo. Mediante experimentos similares a los ya vistos anteriormente, determinaron el destino del gliceraldehído-3-fostato (triosas fostato) neto de la fijación. El primer carbohidrato libre que aparecía en las cromatografías era la sacarosa. Las posiciones de la fructosa y la glucosa que la conforman no aparecían con radiactividad. Aunque la ausencia de radiactividad en un determinado compuesto no necesariamente implicaba que este no era el intermediario de la síntesis de sacarosa ( fuertemente unido al enzima, por ejemplo); parecía más plausible que los intermediarios en la síntesis de la sacarosa fuesen la glucosa-1-fosfato y la fructosa-6-fosfato.

Tras 10 años de duro trabajo, Calvin y colaboradores habían cerrado finalmente el ciclo al enlazarlo con la producción de la sacarosa.

The long path of carbon in photosynthesis I

21 marzo, 2010 1 comentario

Vamos a empezar un pequeño viaje por la historia del descubrimiento del ciclo de Clavin-Benson, la fase “oscura” de la fotosíntesis. Este proceso despertó el interés de los primeros fisiólogos vegetales desde el s. XVIII. Stephen Hales (1677-1761), quien publicó el primer tratado de fisiología vegetal, intuyó que las plantas “se alimentaban del aire”. Sin embargo, fue Joseph Priestley (1733-1804) quien intentó verificar la certeza de esta intuición. Priestley realizó experiencias en las que introducía en una campana cerrada una vela encendida un ratón y, a veces, una planta verde . Si dejaba la vela y el ratón en la campana, esta se apagaba y el ratón moría, al introducir la planta, el sistema podía permanecer estable durante más tiempo. De estas experiencias concluyó que las plantas revitalizaban el aire flogistificado, alimentándose a su vez de éste. Las conclusiones de Priestley fueron confirmadas posteriormente por Jan Ingelhousz (1730-1799) que demostró que las partes verdes de las plantas fijan CO2 en presencia de luz, pero en la oscuridad realizan el proceso opuesto.

Los primeros intentos de estudiar el mecanismo químico de esta ruta de fijación del CO2 vinieron de Richard Willstätter y Arthur Stoll a principios del S.XX. Como muchos otros científicos de su época, pensaban que la fotosíntesis requería de la combinación del CO2 con la clorofila y  la posterior fotoexcitación y producción de formaldehído que luego polimerizaba a hexosas. El modelo fotoquímico de Willstätter no convenció a Sam Ruben y Martin Kamen de la Universidad de California, Berkeley, que realizaron experimentos de marcaje radioactivo del CO2 con C11 para registrar los productos de períodos breves de fotosíntesis, tratando de identificar la naturaleza del primer compuesto sintetizado. Ruben y Kamen concluyeron que este primer compuesto producido era un ácido carboxílico y no un aldehído puesto que las sustancias marcadas obtenidas precipitaban con iones de calcio o bario y desprendían el CO2 marcado al tratarlas con pirolisis. Aunque con acierto determinaron la naturaleza del primer compuesto (el 3-fosfoglicerato), Ruben y Kamen no llegaron más allá, al  ser la vida media del isótopo utilizado de 22 minutos, dejando escaso tiempo para realizar los complejos análisis orgánicos que se requerían en la determinación de la naturaleza de los compuestos.

Puesto que la corta vida media del C11 resultaba problemática para los experimentos, Kamen y Ruben junto con Ernst Lawrence, se embarcaron en la búsqueda del C14, más estable ( 5730 años). Tras probar todas las rutas nucleares considerables, finalmente tuvieron éxito. En 1942, Andrew Benson se incorporó al grupo de Kamen en Berkeley realizando numerosos experimentos con C11 marcado. Cuando sus compañeros hubieron descubierto el C14, empezó a experimentar con el alga unicelular Chlorella sp y el C 14 ( BaC14O3) recién aislado.

En 1943, Ruben murió en un accidente con fosgeno, dejando la elucidación de la ruta de fijación del carbono sin su líder. En 1945 Melvin Calvin fue reclutado por Ernst Lawrence para continuar con los trabajos sobre la fotosíntesis en el laboratorio de radiación de la Universidad de California. Melvin invitó a Benson a participar en el proyecto. Llevaron a cabo experimentos con pre-iluminación, amplificando  la fijación del CO2, y análisis de los resultados con cromatografías. El enfoque fue fructífero y Melvin Calvin y Andrew Benson presentaron los artículos “The path of carbon in photosynthesis “ falsando definitivamente  la  teoría del formaldehído que había perdurado durante más de 60 años.