Tranquilo Nervioso

           
Si analizamos la frase “Más nervioso que cocodrilo en una fábrica de carteras” o vemos el siguiente video http://tinyurl.com/cdtrhnn, podemos encontrar algunos elementos en común. Entre ellos, la aparición de un cambio claro en la conducta del individuo frente a una perturbación externa. En el caso del cocodrilo su nerviosismo está plenamente justificado puesto que corre serio riesgo de dejar de existir. En el segundo caso (¡guatón, tómate un armonyl!), la reacción del oficinista parece  exagerada puesto que nada pone en peligro su integridad física de forma evidente. Aunque ambas reacciones aparecen en ambientes diferentes, corresponden a formas de una respuesta adaptativa conocida como estrés. En esta columna, explicaremos  el fenómeno del estrés y analizaremos su relación con la conducta del ser humano moderno.

            Para tener una idea más clara sobre el estrés necesitamos introducir el concepto de equilibrio interno u homeostasis. Cuando hablamos de equilibrio interno en un organismo nos referimos a que todos los elementos que lo componen  se mantienen funcionando de forma armónica y estable en el tiempo. Los seres vivos poseemos una infinidad de mecanismos que buscan restablecer nuestro equilibrio interno una vez que  lo perdemos. Por ejemplo, si posamos nuestro dedo sobre la pequeña llama de una vela comenzaremos a sentir un dolor que no es habitual  e instintivamente tendemos a retirar la mano del fuego para volver a nuestro punto de equilibrio, libre de dolor. Si fuera de otra manera, nuestra homeostasis o equilibrio corporal se vería severamente afectado por los efectos de una quemadura. De manera análoga, cuando un tigre se lanza a capturar a una cebra, ésta cambia todo su funcionamiento desde el reposo para correr como loca y salvar su vida (o conservar su homeostasis) Entonces podemos entender al estrés como todo evento de respuesta frente a una amenaza para nuestro equilibrio interno. Todas las especies  que conocemos han desarrollado mecanismos comunes de respuesta frente a amenazas que implican riesgo vital. Durante el curso histórico de las especies, estos mecanismos se puede gatillar en contextos diferentes y por motivos distintos.

Mecanismos fisiológicos del estrés

Muchos textos  resumen  el concepto de estrés  como una respuesta  del tipo “pelear o volar”, es decir, como una manera de prepararse para “pelear” frente a un potencial predador  o “volar” lejos  del peligro. Probablemente, esta conducta aparece en nuestra especie  en el contexto de la huida de predadores salvajes o una catástrofe inesperada .Generar este tipo de respuesta requiere una serie de cambios de nuestro organismo que nuestro sistema nervioso y de hormonas (endocrino) ayuda a orquestar rápidamente*. Las hormonas se definen como sustancias químicas que se liberan al torrente sanguíneo en muy  baja concentración y que, sin embargo, tienen un efecto potente en todo nuestro cuerpo. Tal es el caso del cortisol y adrenalina, las principales hormonas del estrés. El Cortisol es una molécula de tipo apolar esteroidal (similar al colesterol) que a diferencia de la adrenalina (polar), puede cruzar la membrana de la célula, llegar al núcleo y modificar la expresión de genes, generando cambios de mayor duración que la adrenalina.

Tanto el exceso de cortisol como de adrenalina tienen variados efectos negativos. El cortisol daña, en el largo plazo, neuronas de diferentes zonas cerebrales, por ejemplo, el hipocampo (necesario para la adquisición de memoria y orientación espacial). También produce daños en ciertas zonas de la corteza que producen una disminución en la capacidad de realizar planes y pensamientos lógicos.  Además, neuronas dopaminérgicas implicadas en los circuitos de placer y recompensa, se atrofian y traen como consecuencia poca motivación y dificultad para experimentar placer. Por si fuera poco, una de las pocas neuronas que el cortisol potencia o favorece en el largo plazo son las implicadas en el circuito de la angustia y miedo. Entonces, la persona estresada termina con dificultad para pensar y sentirse bien, pero con mucha facilidad de sentir pánico o angustia.

Estrés y cerebro,  la mirada de Robert Sapolsky

Es muy interesante notar que los seres humanos no necesitamos tener ningún predador o catástrofe cerca para sentir pánico y estresarnos. Bastaría caminar diariamente un par de cuadras pensando en todo lo malo que nos podría suceder en la vida para que terminemos bastante estresados, y si la conducta persiste, deprimidos. En teoría, mediante pensamientos tristes o de angustia podemos evocar los mismos efectos negativos que produciría un agente estresante “natural”  en la vida salvaje. Este sería un claro ejemplo donde el mundo de las ideas tiene una conexión concreta con el mundo físico, modificando nuestro cuerpo. Robert Sapolsky es un Neuroetólogo** norteamericano especializado en estrés, que intenta explicar este fenómeno desde una perspectiva muy interesante ***

            Para el problema anterior, Sapolsky cita un modelo de sistema nervioso propuesto por Paul MacLean en 1960 llamado “modelo de tres capas”. Éste postula que a lo largo de la historia del sistema nervioso en las especies es posible encontrar tres tipos de “cerebros” o “encéfalos” que se van superponiendo progresivamente, figura 1. El primero (más antiguo o conservado) llamado “cerebro tipo reptil” está encargado de mantener las funciones más automáticas y esenciales  de un organismo tales como la respiración, temperatura,  respuestas instintivas de dominación o agresión, entre otras. El segundo nivel corresponde al cerebro “límbico” o rinencéfalo, vinculado a las emociones y conductas con motivación, el cual permite conductas sociales más elaboradas y propias de los mamíferos. El tercer nivel del cerebro es la neocorteza que Sapolsky identifica como una especialización de los primates (animales similares a simios) que poseemos como humanos. Con este último nivel , en el cerebro surgen funciones como el pensamiento lógico y la imaginación. Lo importante es que estas tres partes del cerebro humano están conectadas funcional y anatómicamente por proyecciones neuronales recíprocas y se modifican entre sí. Por ejemplo, una emoción muy fuerte nos puede nublar el pensamiento y hacernos actuar de forma estúpida, pensando que la estamos “rompiendo”. Por otro lado, los procesos de pensamiento que aparecen gracias a la neocorteza pueden hacer que sintamos emociones fuertes. Esto podría explicar la capacidad de emocionar que tienen las palabras, por ejemplo, en un poema. Es así como ideas negativas pueden disparar la liberación de cortisol en la sangre, iniciando procesos físicos similares al estrés producido por un medio ambiente salvaje.

Figura 1. Modelo de las tres capas de cerebro propuesto por Paul MacLean. Se muestra un cerebro humano anatómicamente moderno donde se distinguen tres estructuras funcionalemente distintas : Cerebro reptil ( regulación de funciones corporales básicas), Cerebro límbico (respuestas emocionales) y Neocorteza (reflexión y pensamiento lógico). Todas estas estructuras están conectadas por neuronas que permiten un flujo de información en ambos sentidos, entre las distintas capas (flechas rojas).

Se sabe  que el estrés está fuertemente relacionado con  diversas patologías tales como hipertensión y  arterioesclerosis. Además, Virus oportunistas como el herpes Zóster, e incluso algunos tipos de cánceres pueden surgir de forma concomitante o posterior a un evento estresante o traumático. A nivel emocional, el estrés es un factor que antecede o facilita la aparición de trastornos del ánimo o cuadros depresivos. Como vemos, el efecto del estrés suele ser paradójico, pues genera un mecanismo de sobrevida en el corto plazo, que sin embargo producirá una serie de efectos negativos para el organismo en el largo plazo. Lo mejor es estresarse poco, lo justo y necesario.

* Bajo estrés, el  flujo sanguíneo a todos los órganos que no sean músculos grandes y cerebro se reduce fuertemente, el corazón comienza a bombear más fuerte y nuestros sentidos se agudizan para reaccionar mejor frente al peligro. Aumenta la degradación de grasas y músculos del cuerpo con el objetivo de producir más glucosa (azúcar, principal fuente de energía) para liberarla en la sangre.  Por otro lado,  la captación de glucosa desde muchos tipos de células disminuye  dado  que  se reduce el número de  transportadores (proteínas que hacen las veces de compuerta para que entre la glucosa desde la sangre) Esto permite re-dirigir las reservas energéticas hacia lugares de mayor demanda como son los músculos. Durante el estrés se interrumpe la irrigación sanguínea de los genitales, la liberación de hormonas sexuales y  el ciclo reproductivo femenino. Podemos ver que se privilegian las funciones que tienen que ver con el movimiento del cuerpo por sobre otras como las reproductivas. 

** Un neuroetólogo es una persona que estudia la conducta de los animales con una perspectiva histórica que establece comparaciones entre el sistema nervioso de diversas especies.

*** Clases de Robert Sapolsky en Standford (Inglés) http://tinyurl.com/lnk3jly

Computadores cuáticos, parte final.

 En tiempos de fin de año, comienzo del siguiente, aparecen las promesas de año nuevo, ese conjunto de objetivos que uno se propone alcanzar durante el año que recién comienza. Puede ser desde bajar de peso, leer más, viajar, o ser más feliz. Cualquiera que sean sus objetivos durante este año 2014, esperamos que los puedan cumplir.  Por nuestra parte, con la columna de hoy, y con ánimo de ir cerrando capítulos, terminamos la serie de artículos sobre computadores cuánticos.
 
En la primera columna de esta serie (puedes hacer click acá para acceder a ella) aprendimos que existen problemas de distinta dificultad, entre los cuales destacamos los problemas tipo NP que en palabras simples* son los problemas difíciles de solucionar, pero los cuales,  si por alguna razón un candidato a solución se encuentra, se puede verificar si ese candidato es o no solución de manera rápida.
En la segunda columna de esta serie, aprendimos un poco de como funciona la mecánica cuántica (accede a esa columna acá). Allí explicamos el
famoso experimento de las dos rendijas, donde los electrones se comportan como onda y como partícula.
Aunque las dos columnas anteriores son (espero) interesantes por si mismas, es obvio preguntarse: ¿están estos dos temas relacionados?.

Para empezar a entender como estos temas se conectan, volvamos al electrón.
El hecho de que el electrón se comporte como onda y partícula simultáneamente se conoce como la dualidad onda-partícula. Es bastante extraño que un objeto posea dos cualidades que son opuestas, de forma simultánea. Nadie anda por la vida siendo de la U y del Colo-Colo al mismo tiempo, o avanzando y retrocediendo simultáneamente. Sucede que el mundo cuántico es completamente diferente, y las cosas si pueden tener dos características opuestas, simultaneamente (como la dualidad onda particula). 

 Para entender mas patentemente esta idea extraña, miremos a otra característica del electrón, su espín. El espín del electrón es una propiedad interna, lo podemos imaginar como su color o su "forma". En particular los físicos asociamos el espín del electrón con un momentum angular intrínseco. Este espín esta caracterizado por la "dirección de giro*" de la partícula. Cuando medimos el espín de un electrón, producimos un colapso de la función de onda, y solo obtenemos dos resultados opuestos, o el espín apunta digamos al norte (N), o al sur (S). Antes de la medición, el espín se encuentra en una superposición de norte y sur. Luego de medir, obtenemos con cierta probabilidad p norte y con probabilidad 1-p sur. Esta característica del sistema es la que permite crear computadores mucho mas poderosos.

Recordemos como funcionan básicamente los computadores actuales. Dejando de lado la arquitectura y el software, a nivel fundamental los computadores actuales usan, para guardar y manipular la información, una serie de ceros y unos, que representan el estado de encendido/apagado. Un estado, o bit, posee dos configuraciones excluyentes, o esta encendido o esta apagado. No existe un bit medio encendido medio apagado. Por otro parte, si  usamos un sistema cuántico (por ejemplo el espín del electrón) para representar los estados de un computador, tendríamos un bit cuántico, qbit, que posee infinitas configuraciones posibles. Mientras que para caracterizar una secuencia de N bits necesitamos N valores, una secuencia de N qbits es caracterizada por 2 elevado a N configuraciones!.  Es este crecimiento exponencial el que hace la computación cuántica tan prometedora.

La idea es entonces construir un aparato que en vez de estar basado en bits, esté basado en qbits. Este sistema tendría la particularidad de que no debe ser medido en ningún momento durante un calculo, ya que una medición destruiría las características cuánticas (colapso de la función de onda, ¿recuerdan?). 

El computador cuántico sería capaz de, en un solo cómputo, calcular todas las posibilidades simultáneamente. Luego de que el cómputo ha finalizado, podemos medir el estado del sistema para obtener la respuesta.

Ahora, como recordarán, una medición en un sistema cuántico entrega distintos resultados con cierta probabilidad. Es aquí cuando el concepto de problemas tipo NP entra en juego. Luego de la medición, tenemos un candidato a respuesta, pero tenemos que verificar si es en realidad una respuesta correcta, dado que la medición pudo habernos entregado otro resultado que no tiene nada que ver con la respuesta que estamos buscando. Esta verificación se puede realizar con computadores convencionales para problemas tipo NP, que son difíciles de solucionar, pero fáciles de verificar dada una solución.

Existe un pero, eso si. Nosotros vivimos en un mundo clásico donde no existen estados opuestos a nivel macroscópico. Entonces el mundo clásico conspira contra estos estados cuánticos, provocando que estos estados pierdan su "cuanticidad". Eso se conoce como decoherencia. Por eso que es tan difícil construir un aparato macroscópico que mantenga sus características cuánticas sobre un número de sistemas y un tiempo suficiente para hacer cálculos.

Un computador cuántico requerirá trabajar a temperaturas muy bajas, donde las fluctuaciones térmicas están suprimidas y la decoherencia es mínima. Imagen The Economist

Pero la ciencia y la curiosidad humana no se detienen, y esperamos que esta poderosa idea avance y logre hacerse realidad.**

Se que esta columna puede ser un poco densa (revisamos 200 años de ideas!), por lo que cualquier pregunta, no duden en dejarla en los comentarios.

*En explicar estos conceptos, he preferido la simplicidad a la rigurosidad técnica.
** Existen algunas compañías que aseguran que ya han construido un computador cuántico. La más conocida de estas compañías se llama Dwave y ha vendido algunos de sus dispositivos a la Nasa y Google por ejemplo. Cuán cuánticos son estos computadores es algo que la comunidad científica no tiene claro, pero lo seguro es que aún no logran la escala necesaria para superar el poder de un computador clásico. Aunque al principio mucha gente veía con reticencia a esta compañía, dado su desprecio a la comunidad científica y secretismo respecto al hardware, un cambio en su política comunicacional y una apertura al testeo por parte de la comunidad, han empezado a cambiar esta situación.

Alimentos Genéticamente Modificados, ¿Esperanza o Desastre?

  Es verano!, temporada de cerezas, frambuesas, damascos, duraznos, plátanos y tomates. Esta temporada es genial para los que disfrutamos de las frutas,, luego en otoño e invierno la variedad de frutas disminuye sustancialmente, y nos vemos limitados y las naranjas y manzanas, pero no te preocupes aun tendrás plátanos y tomates!!..

La razón que en Chile tengamos estas frutas, y otras tantas más, disponibles en invierno (especialmente en los supermercados) se debe a que éstas en la mayoría de los casos son productos genéticamente modificados (GM). En el ultimo tiempo, con el aumento de este tipo de producto y la mayor información al respecto, se ha generado un fuerte debate acerca del uso y regulación de organismos GM, sus pros y contras. La discusión recién ha comenzado en Chile y está lejos de acabar, además la falta de evidencias científicas solidas y el conflicto de intereses existente han hecho difícil que la ciencia pueda verdaderamente aportar a esta discusión (1).

Esta columna no busca defender una posición en particular, pero sí introducir aspectos fundamentales del tema que permitan en una próxima columna discutir en mayor detalle las posiciones existentes.

Qué es un organismo genéticamente modificado (GM)?

Un organismo genéticamente modificado (sea éste un animal, una planta, semilla, fruto o verdura) es aquel cuyo ADN (ácido desoxirribonucleico) ha sido alterado intencionalmente por el ser humano. El ADN, como ya sabemos, es la molécula que contiene la información genética necesaria para el funcionamiento y desarrollo de todo organismo vivo. Esta molécula consiste en una serie de 4 unidades distintas (llamadas nucleótidos) que se conectan de manera específica para producir una estructura tridimensional comúnmente conocida como doble hélice (Figura 1). Estas 4 unidades actúan como letras del abecedario y la secuencia en la que éstas se encuentren determinará que genes se expresaran y que proteínas se producirán en cada célula, y por lo tanto, organismo. 

Figura 1: Un gen es un fragmento de ADN que codifica la secuencia de  una proteína. Cada set de  nucleótidos ( (A) Adenina, (T) Timina, (G) Guanina o (C) Citosina) determinará un aminoácido, la secuencia de aminoácidos proporcionada por el código dará lugar a una cadena de aminoácidos en particular (figura modificada desde http://www.pressenza.com/).

De forma natural los cambios en la secuencia del ADN involucran millones de años. En el laboratorio sin embargo esto se ha puede hacer mucho más rápido. El primer paso en la generación de un organismo GM en el laboratorio consiste en aislar  un gen desde otro organismo que presente alguna característica interesante, como por ejemplo, conferir a una planta mayor resistencia al frio o a la acción de pesticidas. Recordemos que  un gen es un segmento de ADN que contiene la información para sintetizar, entre otras cosas, una proteína en particular que determinará qué tipo de rasgos tendrá esa célula. Para la aislar el gen de interés, se utilizan enzimas (Proteínas especializadas en acelerar reacciones químicas) que permiten cortar el ADN  dentro de una secuencia específica de letras del código, estas se conocen como “enzimas de restricción” Existen cientos de enzimas de restricción y  cada una reconoce una secuencia en particular para el ADN, es sólo cosa de darse el tiempo de encontrar la combinación adecuada de enzimas para extraer lo que nos interesa de un organismo.  Por otro lado, si la secuencia de ADN que codifica dicho gen es conocida, también es posible sintetizarlo de forma artificial letra por letra (base por base). Una vez que el gen ha sido aislado (o extraído) es posible insertarlo  o introducirlo en el ADN  de otro organismo  a través de un proceso mediado por otras enzimas, como  las “ligasas” , las cuales unen fragmentos de ADN que antes estaban separados. Es así como en 20 años se han generado no sólo tomates GM (el primer alimento GM obtenido en 1994), sino también semillas, algodón y mascotas GM (Figura 2).

Figura 2: Desde 1994, con el primer alimento genéticamente, el numero de alimentos GM ha aumentado substancialmente. Además de salmón, papaya y plátanos (entre otros), hoy es posible obtener mascotas fluorescentes, por ejemplo peces fluorescentes que en el mercado se venden en colores "purpura galáctico", "verde eléctrico", entre otros (www.glofish.com).

Pros y Contras

El objetivo principal de la ingeniera genética es modificar  un organismo con diversos fines, ya sea haciéndolo más resistente al clima de la zona, a pesticidas o bien aumentando su poder nutritivo. La promesa de alimentos mejorados implica una serie de beneficios y riesgos, cuyos efectos no han sido aun cuantificados. Han pasado solo 3 décadas desde que los primeros estudios se llevaron a cabo y durante este tiempo aspectos positivos y negativos de esta tecnología se han evidenciado. Nuestro entendimiento esta lejos de ser completo y a continuación indico solo un ejemplo de cada uno:

Una de las contribuciones más importantes de la ingeniería genética ha sido en el área de la medicina. A través de esta tecnología ha sido posible la producción en masa de insulina. Las personas con diabetes no producen suficiente insulina y por lo tanto necesitan obtener esta de forma externa. es así como por muchos años estos pacientes sobrevivieron inyectándose insulina animal purificada. Actualmente es posible insertar los genes relacionados con la producción de insulina en determinadas bacterias, los cuales se expresan y permiten la obtención de este compuesto de forma artificial. Esto además tiene la ventaja de generar una insulina más compatible con el organismo que la obtenida de animales, puesto que a las bacterias se les inserta ADN con un código de un insulina humana. Un procedimiento similar ha sido utilizado para la obtención de hormonas, tal como follistim (para el tratamiento de infertilidad), vacunas y otras drogas (2).

Por otra parte, no de los aspectos más negativos y peligrosos (debido a su rápido aumento) es la disminución en la biodiversidad. La presencia de especies mejoradas ha conducido, ya sea de forma natural o forzada (por ejemplo, a través de las políticas regulatorias de la empresa Monsanto), a la predominancia de determinadas especies. Depender de una sola especie no es bueno, pues si esta se ve afectada por algún virus o microorganismo no existen otras variedades para reemplazarla. Eso pasó en el año 2004 en EEUU con el algodón. A finales de los 90' la mayoría de los granjeros estadounidenses habían adoptado algodón GM y con ello un tipo especial (menos tóxico) de herbicida (ambos vendidos por la empresa Monsanto). En el año 2004 se encontró a primera evidencia de resistencia a dicho herbicida, para el año 2011 esto se había extendido a varias zonas del país y a otros países (3). Los agricultores acostumbrados a variar cada año el tipo de químico utilizado y a arar la tierra para retrasar dicha resistencia habían seguido las tecnologías de punta y con ello en una temporada perdido completamente sus cultivos. En respuesta a esto Monsanto publicó un estudio donde se concluía que la rotación de la tierra y la variación de pesticidas no mejoraba la resistencia (el estudio fue criticado por algunos científicos).

La discusión recién ha comenzado (4) y esperamos poder continuarla aquí en el Tocino.

1-Nature (2013)  497, 5-6; doi:10.1038/497005b

2-http://phys.org/news/2012-12-algae-complex-anti-cancer-drug.html

3-Nature (2013)  497, 24-26 doi:10.1038/497024a

4-http://www.biobiochile.cl/2014/01/07/ley-monsanto-las-dudas-y-temores-que-rodean-el-polemico-proyecto.shtml