Publicado en 3ºPMAR FQ, Física y química, Método científico

El método científico

Libro: FQ 3r ESO T01

Normas de laboratorio
Material de laboratorio I
Material de laboratorio II
Material de laboratorio III
Inventos
Lámina- material de laboratorio
Lámina- química y física
Lámina- química
Método científico y detective
Trabajo mural de científicos
Ficha- galileo y el método científico
Ficha- Hieron II y Arquímedes
Ficha- historia de un farmacéutico
Ficha- la alquimia en la edad media
Ficha- la ballena cabeza de melón
Ficha- material de laboratorio
Ficha- MC Beriberi
Ficha- MC Dirac y la poesía
Ficha- MC el detective y el científico
Ficha- MC la peste negra
Ficha- MC niño en una isla perdida
Ficha- resuelta-introducción al método científico
Ficha- el método científico
Ficha- ejercicios de razonamiento
Ficha- introducción a la ciencia
Ficha- lectura referida a Arquímedes

De El físico loco

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Hazte vegetariano, deja el coche y ten menos hijos si quieres luchar contra el cambio climático

Las medidas más eficaces para reducir las emisiones exigen grandes cambios en el estilo de vida occidental

Hazte vegetariano, deja el coche y ten menos hijos si quieres luchar contra el cambio climático

Mientras los políticos intentan salvar el Acuerdo de París tras el abandono de Donald Trump, los ciudadanos podrían hacer mucho contra el cambio climático. Un estudio ha analizado qué medidas o acciones personales ayudarían a reducir las emisiones de CO2. El problema es que las más efectivas exigen grandes cambios en el estilo de vida occidental: con una dieta vegetariana, prescindiendo del coche y teniendo un hijo menos, no haría falta convencer a Trump.

El cambio climático es, aunque algunos aún lo duden, efecto de la acción humana, de la suma de billones y billones de acciones individuales pasadas y presentes. Desde James Watt y la invención de la máquina de vapor hasta la compra de un vehículo eléctrico por un ciudadano concienciado, muchas decisiones implican emitir más o menos CO2. También es cierto que el grado de responsabilidad de un gobierno como el de EE UU y su renovada apuesta por el carbón no es el mismo que el de una persona que no recicla. Ahora, un estudio estima lo que puede hacer cada uno para reducir las emisiones de todos.

Una fabrica emite CO2 y otros agentes contaminantes a la atmósfera.

“Hay cuatro acciones que podrían rebajar de forma sustancial la huella de carbono de cada individuo: “comer una dieta basada en los vegetales, evitar los vuelos en avión, vivir sin coche y tener familias más pequeñas”, dice el investigador de la Universidad de Columbia Británica (Canadá) y coautor del estudio, Seth Wynes. En cifras (ver gráfico), dejar la carne por las verduras evitaría la emisión de 0,8 toneladas de gases de efecto invernadero (tCO2) por persona y año, según detallan en la revista Environmental Research Letters.

Tras la dieta vegetariana, otra medida individual de gran impacto sería pasarse al coche eléctrico. Las estimaciones cifran en 1,15 tCO2 el ahorro anual. Hay que tener en cuenta que, aunque un vehículo eléctrico se publicite como cero emisiones, un porcentaje de la electricidad que lo mueve se genera con combustibles fósiles y se emitirán nuevas emisiones tanto en su fabricación como en su jubilación. Por eso, la medida más radical sería prescindir por completo de los coches, lo que doblaría la reducción de emisiones respecto a los vehículos eléctricos.

Dejar la carne por las verduras evitaría la emisión de 0,8 toneladas de gases de efecto invernadero por persona y año

Los autores del estudio reconocen el alto potencial de las energías limpias, el problema es que los ciudadanos, como consumidores, no tienen muchas opciones para comprar energía limpia. En España, como recuerda la responsable de la campaña de Cambio Climático de Greenpeace, Tatiana Nuño, “te venden un mix de energía sucia y energía verde”. Sin embargo, ya hay algunos países en los que el consumidor puede ir directamente al generador, lo que podría incentivar la generación de energía verde.

Otra de las acciones individuales con mayor impacto sería la de no volar en avión. Aunque la industria aeronáutica está trabajando para que sus motores sean más limpios y eficientes, harán falta décadas de mejoras para que su aportación disminuya. En cambio, cada vez que una persona evita volar, reduce las emisiones de manera inmediata.

Esa inmediatez es una de las mayores fortalezas de este listado de acciones individuales. Frente a los planes de los gobiernos o las grandes empresas, que dibujan rutas y escenarios de reducción de emisiones para dentro de 10, 50 0 100 años, un cambio en la conducta de la persona tiene un efecto inmediato.

Hay una excepción y es, precisamente, la medida más personal y la de mayor impacto de todas las que puede tomar una persona: tener o no tener hijos. El efecto de dejar de tener un hijo casi se sale de la gráfica, reduciendo las emisiones casi en 60 tCO2. Es la estimación más original y arriesgada ya que se basa en las emisiones futuras que habría provocado ese hijo, así como las de sus hijos y los hijos de estos. Pero las sociedades más avanzadas, con cuyos datos se ha hecho el estudio, ya tienen tasas de natalidad muy bajas.

Mientras un congoleño emite 30 kilogramos de CO2 al año, un estadounidense emite 16,4 toneladas

“El problema no es tanto tener más hijos sino tenerlos en una sociedad insostenible, donde cada persona emite demasiada polución climática”, aclara Wynes. Para hacerse una idea, mientras un habitante de la República Democrática del Congo emite al año 30 kilogramos de CO2 al año, según datos de 2016 del Banco Mundial, un estadounidense emite 16,4 toneladas.”Lograr sociedades de bajas emisiones en su conjunto, lo que implicaría cambios en las instituciones y estructuras sociales y políticas, sería como multiplicar por 17 el efecto de no tener un hijo”, añade el investigador canadiense.

Para la exsecretaria de Estado de Cambio Climático entre 2008 y 2011, Teresa Ribera, “este modelo ultraconsumista, en el que la referencia del progreso y el desarrollo era introducir en el sistema cuanta más producción y consumo mejor, ha llegado a sus límites y están empezando a recaer sobre nosotros sus consecuencias negativas”.

La actual directora de Instituto de Desarrollo Sostenible y Relaciones Internacionales, con sede en París, también recuerda que la aplicación de estas acciones de forma masiva no será fácil. Hay sectores, como el del motor o el agroalimentario, que generan mucha riqueza y empleos en países como España. “Pero lo irresponsable es no planteárselo con tiempo, esperar a que el cielo caiga sobre nuestras cabezas”, comenta Ribera.

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Charlas TED educativas

1Cameron Russell: El aspecto no lo es todo. Créanme, soy modelo

Una charla para hacer ver a los menores que lo importante no es la apariencia sino el interior. Cameron Russell admite que ganó la “lotería genética”: es alta, guapa y modelo de ropa interior. Pero no hay que juzgarla por su físico. Aquí habla sin temores y analiza con ironía de una industria que la hizo parecer muy seductora cuando apenas tenía 16 años.

2Chimamanda Ngozi Adichie: El peligro de la historia única

La novelista nigeriana Chimamanda Adichie cuenta cómo encontró su auténtica voz cultural y advierte que si solo escuchamos una historia sobre una persona o un país, corremos el riesgo de caer en una incomprensión grave.

3Adora Svitak: Lo que los adultos pueden aprender de los niños

La niña prodigio Adora Svitak afirma en esta charla que el mundo necesita un pensamiento infantil: ideas audaces, creatividad salvaje y, en especial, optimismo. “Los grandes sueños de los niños merecen grandes expectativas”, dice, comenzando por la voluntad de los adultos tanto de aprender de los niños como de enseñar.

4Angela Lee Duckworth: ¿La clave del éxito? Determinación

Angela Lee Duckworth dejó un trabajo de prestigio en consultoría y empezó un otro como profesora de matemáticas de séptimo grado en una escuela pública de Nueva York. Allí se dio cuenta de que el coeficiente intelectual no era lo único que separaba a los estudiantes exitosos con lo que no obtenían tan buenos resultados pese a su esfuerzo. Además de contar su caso, en esta charla explica su teoría de la “determinación” como un predictor de éxito.

5Manoush Zomorodi: How boredom can lead to your most brilliant ideas

Las grandes ideas surgen en los momentos menos inesperados: mientras se dobla ropa, se lavan los platos o, simplemente, sin hacer nada en particular. Esto se debe a que cuando el cuerpo se pone en piloto automático, el cerebro se ocupa de formar nuevas conexiones neuronales que conectan ideas y resuelven problemas. Con esta charla, Manoush Zomorodi explica la conexión entre el espaciamiento y la creatividad.

 

El cerebro continúa siendo una incógnita para el ser humano, pero cada vez se sabe más de él. En este vídeo, Uri Hasson —neurocientífico de la Princenton University— nos explica los fundamentos de todo lo que se conoce sobre su funcionamiento y sobre los cambios y patrones que se producen cuando nos comunicamos.

Pocas cosas hay tan increíbles como la tela de araña, tan rígida y durable a pesar de su a priori fragilidad. Cheryl Hayashi es bióloga y especializada en el estudio de las telas de araña, un campo tremendamente especializado cuyos fundamentos nos explica en esta charla.

No somos para nada conscientes de lo que esconde la inmensidad del océano, y por ello David Gallo da esta veterana charla (de 2007) para abrirnos lo que él ha visto y utiliza en su día a día: criaturas increíbles, animales que cambian instantáneamente de color, pulpos que se camuflan…

¿Podemos comunicarnos con más que nuestras palabras o gestos? La comunicación cerebro-a-cerebro es ya una realidad, y aunque experimental, ha sido probada. El neurocientífico brasileño Miguel Nicolelis nos explica en esta charla cómo han sido capaces de crear un exoesqueleto para que pueda ser controlado por un hombre paralizado. ¿Ciencia-ficción? No, es la pura realidad.

La miniaturización hace que los nuevos inventos del ser humano sean cada vez más pequeños, minúsculos, llegando a dimensiones realmente sorprendentes. Sarah Bergbreiter es una de las mayores expertas del mundo en estos robots pequeños, los microrobots, y en esta charla cuenta en qué se inspiran para crearlos.

Sabemos más que de sobra que le mundo del cine hace buen uso de las creaciones digitales, y en lo que respecta al sonido prácticamente todo lo que oímos es mentira. Así nos lo cuenta Tasos Frantzsolas, experto en audio y tecnología el mundo cinematográfico, en esta charla de unos 16 minutos.

Esos que ahora son nuestros estudiantes serán los trabajadores del futuro, y necesitan aprender mucho más que lo que dicen los libros. El emprendimiento y la innovación son, para muchos, materia clave, y precisamente sobre todo esto trata la charla de Jim Hemerling: sobre cómo emerger y tener éxito en un mundo tan cambiante como ese en el que nos encontramos.

Uno de los conocimientos más imprescindibles en el mundo moderno es aquel relativo a los idiomas: ya no vale únicamente con saber el lenguaje materno y es necesario ir a más. John McWhorter es Doctor en Lingüística por Stanford, y en esta charla aborda las principales razones por las que debemos aprender un nuevo idioma.

Kio Stark es escritora, investigadora, profesora y experta en relaciones sociales, y en esta breve charla nos habla de las razones por las que deberíamos iniciar una conversación con gente desconocida, que para ella es su pequeña obsesión. Algo imprevisto y un momento diferente de nuestro día a día más habitual. Hay que probarlo.

A pesar de los innumerables años de estudio, la naturaleza es por momentos una incógnita para nosotros. ¿Son capaces los árboles de comunicarse entre ellos? Es la apuesta de Suzanne Simard, profesora de la British Columbia de Vancouver y experta investigadora de los bosques, con más de treinta años de experiencia, que lo explica en este vídeo.

El biólogo e investigador Edward Osborne Wilson lanza su propio alegato a favor de la juventud: “el mundo os necesita”, exponiendo las características que ha ido aprendiendo en su trayectoria profesional, en la que la creatividad y la fascinación son pilares esenciales de la vida científica, cada vez más necesaria en la sociedad.

Neil Harbisson es un tipo normal, con la salvedad de que su visión le permite ver únicamente en una escala de grises. Sin color en su vida, equipos de científicos le han dado una pequeña antena con la que puede escuchar las frecuencias de los colores para que lleguen a su cerebro las diferentes tonalidades, convirtiendo así un cuadro en una melodía para sus oídos. Muchos lo definen como el primer humano cyborg precisamente por ese llamativo apósito de su cabeza.

Para los amantes de la historia más antigua y los grandes enigmas, Gregory Heyworth es un científico norteamericano que utiliza tecnología de imagen espectral para descubrir los viejos clásicos de la literatura más antigua y descubrir qué información invisible al ojo humano esconden tras el papel.

Como periodista, escritora y comediante, Stella Young está acostumbrada a tratar de forma cómica la vida, algo tremendamente llamativo por haber estado sus 32 años de vida anclada a una silla de ruedas. Su charla trata sobre cómo la sociedad ve a los discapacitados como auténticos héroes, desde un punto crítico, pero también con un gran toque divertido.

El sector de la automoción está en plena reconversión a los nuevos estándares tecnológicos, y los vehículos autónomos se plantean como el futuro más próximo de la industria. Dennis Hong, director y fundador de la compañía RoMeLa dedicada a la robótica, habla sobre las posibilidades que brinda la tecnología para crear un medio de transporte especialmente diseñado para personas ciegas. “Y no es un coche autónomo”, asegura.

Al continuo debate sobre los recursos del planeta se le une el movimiento de respeto a los animales, y es entonces cuando salta la problemática: ¿debemos buscar recursos alternativos para alimentarnos? Andras Forgacs es CEO de Modern Meadow, una startup cuyo objetivo vital es explorar otros medios para crear materiales sin depender de la naturaleza. El cuero o el alimento son sólo dos de los muchos recursos que están buscando con sus investigaciones y con técnicas como la bioimpresión 3D.

Activista desde sus años más jóvenes, Natalie Warne explica en esta charla cómo cualquier joven puede cambiar el mundo si se lo plantea. “Nadie es demasiado joven para cambiar el mundo”, afirma, algo que ha aprendido tras haber colaborado con el movimiento Invisible Children.

“La enfermedad es universal, pero el acceso a los servicios de salud no”. Rak Panjabi ofrece en esta charla su visión sobre cómo debe comportarse la medicina para llegar a la comunidad global en la que el mundo está actualmente convirtiéndose.

Una charla sobre la democracia, partiendo de una pintura del renacimiento creada en el siglo XIV pero de la que Anthony D. Romero, director del ACLU (American Civil Liberties Union), parte hasta llegar a la situación actual de la democracia.

La carrera del uruguayo Jorge Drexler ha estado marcada por el mundo de la música, pero en 2002 un amigo le propuso crear una canción basada en la poesía más tradicional, más concretamente en la décima. El resultado consiste en unir música, poesía y una letra basada en la identidad, que Drexler explica en esta charla.

Elon Musk está a la cabeza de la innovación tecnológica en el mundo con iniciativas como Tesla, SpaceX o la más reciente de todas: The Boring Company, cuyo objetivo es construir túneles en las grandes ciudades. Este vídeo es más una entrevista a Musk que una charla TED, pero bien merece la pena echarle un vistazo para conocer el futuro que nos espera y en el que este sudafricano con raíces canadienses y estadounidenses tiene mucho que aportar.

Hay mucho revuelo últimamente por cómo las noticias falsas pueden afectar a la sociedad al completo. Pero, ¿hasta qué punto esto es cierto? En este vídeo, Stephanie Busari –editora de CNN Internacional– relata el caso real del secuestro de 200 mujeres adolescentes por Boko Haram en 2014, noticia en todo el mundo… excepto en Nigeria, país del suceso que aseguró la falsedad del hecho.

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Miles de relojes biológicos mantienen en hora el cuerpo humano

Ya sabíamos que nuestro cerebro esconde un eficaz reloj biológico, que dicta que por la noche tengamos sueño o al mediodía nos entre el hambre. Pero ese no es nuestro único cronómetro interno, según nos han descubierto recientes estudios genéticos: hay miles de relojes biológicos ocultos por el resto del organismo dirigiendo actividades específicas en el corazón, el páncreas, la piel, los pulmones… Mantener sincronizados estos otros relojes con el cerebral, gracias a una puntual rutina diaria, ayuda a controlar el peso y puede optimizar tratamientos como la quimioterapia contra el cáncer.

Ciclos circadianos

El cuerpo humano nace de serie con un reloj biológico que lo sincroniza con el ritmo de la naturaleza. Este cronómetro corporal nos ata a los ciclos circadianos de luz y oscuridad, debidos a la rotación de la Tierra en su recorrido alrededor del sol. Nuestro reloj interior nos pone a dormir al anochecer y nos despierta con el alba. Estos ciclos de 24 horas no solo determinan los ritmos de sueño, también repercuten en la regulación de la temperatura, la producción de hormonas o las funciones del aparato digestivo.

El primero en investigar sobre ritmos circadianos fue el astrofísico francés Jean-Jacques Dortous de Mairan en 1729, cuando diseñó un experimento para determinar si los seres vivos mantenían estos ciclos. Primero, Mairan observó como una planta de mimosa abría sus hojas durante el día y las cerraba de noche. Después, comprobó como esa misma planta seguía la pauta en la oscuridad absoluta de un armario (al menos durante un tiempo). Algo en el interior del vegetal parecía mantener aquella apertura y cierre diarios.

1_Reloj biologico
La planta mimosa fue uno de los primeros seres vivos donde se descubrió el ritmo circadiano. Crédito: Elba Cabrera.

No fue hasta la década de 1970 cuando se ubicó el reloj circadiano en humanos. Está en el núcleo supraquiasmático, una estructura cerebral localizada detrás de los ojos, en el hipotálamo, que detecta las señales luminosas que entran por las pupilas, distinguiendo cuando es de día y cuando es de noche. El núcleo supraquiasmático envía señales por el cerebro y el cuerpo, que controlan los cambios diarios de presión arterial, temperatura, nivel de actividad y estado de alerta, y también le indican a la glándula pineal del cerebro cuando liberar melatonina, algo que solo ocurre por la noche, para inducir el sueño.

Puntualidad genética

Gracias al avance en la investigación a nivel genético, hoy sabemos que además de este reloj central, situado en el cerebro, hay muchos otros relojes periféricos repartidos por todo el cuerpo, que controlan la actividad de zonas específicas. Estos miles de relojes periféricos funcionan de forma parecida al reloj central, pero de manera concreta sobre el corazón, el hígado, el páncreas o la piel, en lugar de actuar sobre todo el organismo.

El reloj circadiano influye en muchos de los procesos fisiológicos del cuerpo humano. Crédito: Wikimedia Commons

Así, en respuesta a un estímulo externo, los genes del interior de las células que forman estos órganos o tejidos se activan y provocan actividad celular (despiertan funciones concretas de esos órganos o tejidos). Cada zona tiene su hora de mayor y menor ajetreo, porque como explica el cronobiólogo John Hogenesch de la Universidad de Pennsylvania (EEUU), que en 2014 publicó el atlas de los genes circadianos del ratón, la actividad de casi la mitad de todos los genes de mamíferos varía de forma regular a lo largo del día. Por ejemplo, en los pulmones reducen su actividad por la noche, por lo que entonces es más probable sufrir un ataque de asma.

En el año 2000, un estudio en ratones determinó que los relojes periféricos pueden desacoplarse del central con solo cambiar los horarios de las comidas. Para conseguirlo, alimentaron a los roedores solo de día, cuando suelen estar dormidos. Los ratones con los relojes desacoplados engordaban más, comiendo lo mismo, que los que los tenían sincronizados.

En los humanos sucede algo parecido. Según un estudio de la nutricionista Gerda Pot, del King’s College de Londres, que analizó los hábitos de 5000 ingleses, con datos recogidos desde 1946, los adultos que no comen de forma regular tienen mayor riesgo de sufrir problemas cardiovasculares y diabetes. Además, la presencia de diabetes, obesidad y problemas cardiovasculares entre trabajadores nocturnos es mayor. Y las personas que no mantienen un horario regular para alimentarse, o aquellas que viven de noche y duermen de día, experimentan más alteraciones como fatiga crónica o falta de apetito.

Ventajas de la rutina

Para mantener en hora todos los relojes biológicos, lo idóneo es llevar una rígida rutina diaria respecto al descanso, la actividad física y la alimentación. Frente a la mala prensa, en este caso una vida monótona ayuda al buen el funcionamiento del organismo. Tener los relojes corporales sincronizados controla el peso y puede ser fundamental para optimizar determinados tratamientos. Por ejemplo, tomar las pastillas para la tensión antes de irse a dormir, en lugar de por la mañana, es más efectivo.

En el caso de los tratamientos contra el cáncer, suministrar la quimioterapia según los ritmos corporales puede tener importantes ventajas. Las células cancerígenas se caracterizan por ser arrítmicas y duplicarse constantemente, en un cuerpo que bien sincronizado mantiene sus ciclos. Dar quimioterapia en el momento adecuado podría atacar el tumor con menos efectos secundarios para el resto del órgano o tejido, si no está activo. Y para eso hay que conocer al detalle el ritmo de su reloj biológico específico.

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Hallado ‘el puente de África’: un estudio revela un archipiélago hundido en Alborán que le unía con España

Este archipiélago sirvió de puente entre África y Europa para las migraciones de diversas especies animales. Además este arco volcánico dividió el Atlántico y el Mediterráneo. Archipiélago volcánico en el Mar de Alborán. Ubicación del archipiélago sumergido que debió servir de puente terrestre para las especies. CSIC Un equipo científico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha descubierto un archipiélago volcánico sumergido en el mar de Alborán, en la provincia de Almería, que unió Europa y África a través del Cabo de Gata (Almería) y el Cabo de Tres Forcas (Melilla) hace seis millones de años. El trabajo, publicado en la revista Scientific Reports, muestra que este archipiélago sirvió de puente entre África y Europa para las migraciones de diversas especies animales y dividió el Atlántico y el Mediterráneo provocando una gran desecación en el ‘Mare Nostrum’ hace 5 y 6 millones de años, según explica la organización en un comunicado. El estudio revela que esta estructura surgió hace unos 10 millones de años por la actividad volcánica y emergió hasta formar un archipiélago entre la costa de lo que es hoy Melilla y Almería. Este arco volcánico empezó a hundirse hace unos 6 millones de años por el cese del vulcanismo y el enfriamiento de la corteza en la región y terminó por desaparecer definitivamente hace 1,8 millones de años bajo el mar de Alborán. El autor principal del estudio e investigador del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra, Guillermo Booth-Rea, explica que al principio este archipiélago sirvió “como paso de fauna terrestre-acuática”, mientras que más tarde se produjo “intercambio de fauna terrestre, como camellos y conejos”. “El archipiélago contribuyó a la gran riqueza biológica del Mediterráneo occidental, al crear islas en las que se pudieron diferenciar nuevas especies faunísticas. Además, sirvió temporalmente como puente terrestre para el intercambio de especies entre Iberia y África”, explica el investigador César Ranero, científico ICREA del Instituto de Ciencias del Mar del CSIC, y coautor del estudio junto a Guillermo Booth-Rea, autor principal e investigador del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (centro mixto del CSIC y la Universidad de Granada), e Ingo Grevemeye, del centro GEOMAR de Kiel (Alemania). “El registro genético de ADN ribonucleico estudiado en varias especies del Mediterráneo occidental muestra que el paso de especies europeas a África se hizo en varias ocasiones, antes y después de la Crisis de Salinidad, probablemente gracias al archipiélago de Alborán”, añade. Los patrones de especiación y divergencia genética muestran que el sudeste de Iberia fue un punto caliente de riqueza faunística que finalmente se distribuyó por el norte de África gracias al paso por el archipiélago Asimismo, en el norte de África, la fauna estudiada se especió desde el este del Rif, donde se encontraba el archipiélago, hacia el oeste y hacia el este, llegando hasta Argelia y Túnez en el caso de salamandras y lagartijas. El crecimiento progresivo del archipiélago “actuó como una barrera entre el Atlántico y el Mediterráneo, restringiendo el intercambio de agua y desembocando en la conocida Crisis de Salinidad del Mediterráneo”, concluye Booth-Rea.

Ver más en: https://www.20minutos.es/noticia/3433120/0/archipielago-volcanico-mar-alboran-puente-africa-europa-migraciones-animales/#xtor=AD-15&xts=467263

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¿Hablan las células el lenguaje de las matemáticas?

Es apasionante observar el poder de predicción de las matemáticas cuando éstas se asientan en principios biológicos sólidos

Diversas imágenes de tejidos en desarrollo de la mosca de la fruta o mosca del vinagre ('Drosophila melanogaster'), en las que se observan las extensiones celulares (filopodios). La gráfica muestra la simulación matemática de información transportada en el proceso de comunicación (densidad de Sonic Hedgehog).
Diversas imágenes de tejidos en desarrollo de la mosca de la fruta o mosca del vinagre (‘Drosophila melanogaster’), en las que se observan las extensiones celulares (filopodios). La gráfica muestra la simulación matemática de información transportada en el proceso de comunicación (densidad de Sonic Hedgehog).

Tanto durante el desarrollo embrionario como en el individuo adulto, las células necesitan saber dónde están, cuántas son, con qué otras tienen que interactuar y cuánto tienen que proliferar para formar tejidos diferentes de tamaño y forma concretos. Esto requiere que conversen entre ellas, a través de la comunicación celular, que no es más que la capacidad que tienen todas las células de intercambiar información fisicoquímica con el medio ambiente y con otras células para poder actuar coordinadamente. Sin embargo, aún existen muchos interrogantes sobre este proceso: ¿cómo es la comunicación entre células adyacentes o alejadas? ¿Cómo se emiten, reciben e interpretan las señales moleculares en esta comunicación? ¿Están estas señales orientadas y dirigidas hacia células más predispuestas a su recepción? Y la pregunta más importante, ¿cómo podemos influir en este proceso de comunicación? Las matemáticas son una herramienta esencial para responder a estas cuestiones de interés biológico.

¿Hablan las células el lenguaje de las matemáticas?

En 1952 el matemático inglés Alan Turing sentó las bases de la modelización matemática de la morfogénesis. Durante este proceso la comunicación celular es fundamental, ya que es a través de señales cómo se controlan los códigos genéticos que hacen que la célula modifique su comportamiento, o incluso su misma esencia, para construir o diseñar un patrón determinado (forma, tamaño, diferenciación tisular, etc.). Turing atribuyó la formación de patrones a mecanismos de difusión de estas señales (en concreto, al movimiento aleatorio de las señales, que aparece como resultado de interacciones con las moléculas del fluido extracelular) junto a procesos de reacción química entre ellas (activación o represión de la señal) en el entorno que rodea a las células.

En esta última década, el enorme avance de las técnicas de microscopía y el desarrollo de herramientas moleculares permitieron seguir con más detalle la dinámica de estas señales, y gracias a ello se pudo observar una realidad bien diferente a la intuida por Turing. El conocimiento actual nos lleva a considerar que las células se comunican por contacto directo incluso cuando se encuentran muy alejadas entre sí. El proceso de transferencia de señales se lleva a cabo mediante extensiones retráctiles de la membrana celular (denominadas filopodios o nanotubos). La información bioquímica a transmitir circula por estas estructuras, como ocurre durante la comunicación neuronal, en lo que parece ser un sistema genérico de comunicación.

La célula receptora interpreta estas señales mediante las denominadas rutas de señalización, a las que se asocian determinadas moléculas que actúan desde el inicio del estímulo para que las células respondan. Estas rutas son específicas para cada señal y cada una regula la expresión de unos genes concretos. Entre ellas, la ruta de Hedgehog-Gli, en la que centramos nuestra investigación, es fundamental durante el desarrollo animal y en el crecimiento tumoral. En este proceso están involucrados aspectos puramente mecánicos (la dinámica de elongación y retracción de filopodios, los factores responsables del direccionamiento de la información, etc.) y aspectos moleculares, cuyo resultado perfectamente coordinado no da opción a la aleatoriedad.

Todo este perfecto engranaje puede ser modelado por ecuaciones diferenciales en las diversas escalas del proceso (los tiempos de transmisión de la señal y de reacción de la célula son diferentes, al igual que el recorrido espacial de la señal fuera y dentro de la célula), que permiten predecir y aprender de su dinámica. Los modelos matemáticos en biología ayudan a revelar nuevos fenómenos, dinámicas no esperadas o patrones evolutivos, para formular y corroborar nuevos experimentos, y a direccionarlos en la búsqueda de respuestas.

Prototipos

En este caso, el conocimiento básico de lo micro o lo nano nos posibilita establecer prototipos y trasladarlos a una escala macroscópica, la del tejido o tumor. Con estos métodos podemos saber cómo se orientan los filopodios que median la señalización celular, cómo de específico es el proceso en cada tipo de señal y la posibilidad de que comportamientos celulares o moleculares individuales deriven en un comportamiento colectivo. Con intereses terapéuticos, esta modelización es clave para sentar los principios para la identificación de nuevos inhibidores o promotores de estas rutas de señalización que cuando están alteradas son causantes de patologías.

De esta manera, desarrollos matemáticos, como la teoría del potencial o las integrales singulares, las ecuaciones diferenciales aplicadas a transporte sobre filamentos, el cálculo de variaciones o las propiedades de dispersión de flujos saturados, se unen a los avances en microscopía, la comprensión de los mecanismos moleculares de la señalización celular basados en la información bioquímica y genética, y el estudio del comportamiento celular colectivo. Es apasionante observar el poder de predicción de las matemáticas cuando éstas se asientan en principios biológicos sólidos, permitiendo caminar por senderos no explorados de la ciencia y liderar nuevos descubrimientos.

Isabel Guerrero es profesora de Investigación del CSIC, Centro de Biología Molecular Severo Ochoa. Universidad Autónoma de Madrid.

Juan Soler. Catedrático de Matemática Aplicada, Universidad de Granada.

Edición y coordinación: Ágata Timón (ICMAT)

Café y Teoremas es una sección dedicada a las matemáticas y al entorno en el que se crean, coordinado por el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), en la que los investigadores y miembros del centro describen los últimos avances de esta disciplina, comparten puntos de encuentro entre las matemáticas y otras expresiones sociales y culturales, y recuerdan a quienes marcaron su desarrollo y supieron transformar café en teoremas. El nombre evoca la definición del matemático húngaro Alfred Rényi: “Un matemático es una máquina que transforma café en teoremas”.

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