Biología cuántica y la orientación magnética de las aves migratorias.

Publicado por The Royal Society of Chemistry (RSC) en nombre del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y del RSC.

El origen de la orientación magnética de las aves migratorias es todavía un tema de discurso en la comunidad científica. Varias propuestas se han hecho en las últimas décadas, aunque la más prometedora y aceptada tiene que ver con los efectos cuánticos que se producen entre las moléculas de los ojos de las aves, producto a su vez de varias reacciones químicas desencadenadas por la interacción entre los criptocromos (fotorreceptores) y la luz del Sol dispersada por la atmósfera terrestre. Según el artículo publicado en Faraday Discuss por Thomas P. Fay y colaboradores (2020) los fotorreceptores producen un par de radicales entrelazados cuánticamente, que son sensibles al campo magnético terrestre. Esta sensibilidad desemboca una serie de cambios en la velocidad y naturaleza de las reacciones químicas, dotando a las aves de un “sexto sentido”. Con el objetivo de entender la magnetorrecepción de las aves debemos explicar primero qué es un radical y qué es el entrelazamiento.

Los electrones en los átomos se ordenan en niveles de energía u orbitales: a mayor energía mayor es la distancia media al núcleo del mismo. Se distribuyen por los orbitales siguiendo unas reglas fijas. Cuando un nivel está completo, los electrones pasan a llenar el siguiente nivel. Según esto, el único nivel que puede quedar incompleto es el último. Además, los átomos incompletos tienden a “negociar” con el resto cediendo o compartiendo electrones para completar sus orbitales, estos reciben el nombre de radicales.

Molécula estable con todas las capas electrónicas completas (izquierda). Molécula con un electrón desapareado en la última capa/radical (derecha). Tomada de http://www.biosciencenotes.com/free-radical/

Como dijimos anteriormente, tras las reacciones químicas que tienen lugar en las retinas de las aves migratorias se originan un par de radicales de Dinucleótido de Flavín-Adenina (FAD) que se acoplan por sus electrones libres de los últimos orbitales.

La propiedad que hace que átomos y moléculas se acoplen entre sí no es la carga eléctrica, tal y como ocurre entre electrones y protones, en este caso el protagonista es el espín. Este es intrínseco a cualquier entidad cuántica, definiendo muchas de las propiedades físicas de la materia. Usualmente se dice que el espín es el sentido de giro que tiene esa entidad sobre sí misma, pero esto es erróneo porque implicaría velocidades de giro superiores a la velocidad de la luz. La manera más fidedigna a la realidad de entender el concepto de espín es comparándolo con el momento magnético de un imán.

Los imanes tienen un polo Norte por el que salen las líneas de campo magnético (fuente) y un polo Sur por el que entran (sumidero), tal y como puede verse en la figura de abajo:

Analogía entre el espín del electrón y el momento magnético de un imán. Tomada de https://cuentoscuanticos.files.wordpress.com/2013/11/98715-electron-spin.jpg?w=422&h=296&zoom=2.

A diferencia de las cargas eléctricas, los polos de los imanes no pueden separarse entre sí; si partes un imán por la mitad volverá a aparecer un polo Norte y uno Sur en cada mitad. El momento magnético es una flecha que empieza en el polo Norte y acaba en el polo Sur. Así, en el electrón de la izquierda las líneas de campo magnético van de abajo a arriba (↑), mientras que en el de la derecha van de arriba a abajo (↓). En este sentido, el espín es un “imán” intrínseco a cada partícula/átomo/molécula que se orienta con los campos magnéticos externos. Según el sentido del espín lo denotaremos como |↑>, asociado a un valor de 1/2 o |↓> asociado a -1/2. Llegados a este punto, es correcto pensar que la sensibilidad al campo magnético se debe principalmente a esta propiedad cuántica. Pero, ¿cómo se acoplan los espines del par de radicales FAD?

La mecánica cuántica explora todas las posibilidades en las que pueden combinarse los valores de los espines, ignorando los signos hay tres combinaciones para que los dos radicales tengan espín total 1:

  1. |↑>|↑>
  2. |↓>|↓>
  3. |↑>|↑> + |↓>|↓>

Las dos primeras corresponden a electrones con los espines paralelos y la tercera con una combinación de todas las anteriores. Esto es análogo al clásico gato de Schrödinger, que puede estar vivo (|↑>|↑>), muerto (|↓>|↓>) o vivo y muerto al mismo tiempo (↑>|↑> + |↓>|↓>). A estos tres los llamamos el triplete de espín. Por otro lado, sólo hay una posibilidad de que el espín total sea 0, el singlete de espín:

  1. |↑>|↓> – |↓>|↑>

Nótese que el singlete y el 3 del triplete tienen en común que hasta que no les preguntemos cuál es su espín no sabemos en qué sumando se encuentra. De hecho, de esta característica fundamental concluímos que para conocer los espines de los dos electrones sólo hace falta medir uno de ellos.

Imaginemos que dos personas, Alicia y Roberto, preparan el par de radicales FAD en el estado singlete, cada uno mete un radical en una caja y se separan una distancia muy grande. Alicia decide abrir la caja y ver cuál es el espín de su radical, obteniendo |↑>, por lo tanto sabrá automáticamente que Roberto tiene el radical con espín |↓>. También ocurre en el otro sentido, si Roberto mide su radical y obtiene el espín |↑> sabrá que Alicia tiene el radical |↓>. Esta conexión entre la información de ambos radicales es el ejemplo más simple de entrelazamiento cuántico.

Los productos de las reacciones químicas en las retinas de las aves migratorias son altamente sensibles al espín del par de radicales FAD, por tanto, son sensibles al entrelazamiento cuántico entre ellos. Tal y como discuten en el artículo, este entrelazamiento persiste lo suficiente como para ser alterado por el campo magnético terrestre. Así, las aves podrían ver el campo magnético y orientarse.

Los autores simularon en sus ordenadores la dinámica del sistema, teniendo en cuenta la estructura de las moléculas FAD y el número de átomos inicialmente en el estado singlete, para así, calcular el efecto del campo magnético en las transiciones al estado triplete de espín. Los resultados que obtuvieron se presentan en la siguiente figura:

Fracción de moléculas en el estado single con respecto a los moléculas en el estado triplete en el modelo del par de radicales. (a) En ausencia de campos magnéticos externos. (b) En presencia de un campo magnético de intensidad similar al campo de la Tierra. (c) Igual que (b) pero con el campo magnético rotado 90º. Publicado por The Royal Society of Chemistry (RSC) en nombre del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y del RSC.

En todas las gráficas se presenta la fracción del número de moléculas en el estado singlete con respecto al triplete en función del tiempo. En la gráfica de arriba no se tiene en cuenta el campo magnético y en las dos siguientes sí, con intensidades similares a las del terrestre y distintas orientaciones. Lo principal a observar es que una intensidad del campo magnético similar a la terrestre afecta a estos sistemas de moléculas y que, además, son sensibles a la orientación del mismo.

En el artículo original los autores motivan su estudio con la pregunta: ¿es posible describir la migración de las aves a partir de mecanismos cuánticos? En ciencia estamos acostumbrados a pensar que la física cuántica es la descripción correcta de los sistemas más pequeños del Universo y que por tanto, los sistemas biológicos no sienten más que efectos residuales de las reglas microscópicas. Este estudio no sólo sirve para dar fiabilidad a la magnetorrecepción de las aves migratorias debido al entrelazamiento cuántico, sino también para abrir un nuevo campo de estudio: el de la biología cuántica.

Referencia:

Thomas P. Fay, Lachlan P. Lindoy, David E. Manolopoulos, and P. J. Hore. How quantum is radical pair magnetoreception? Faraday Discuss., 221:77–91, 2020. doi:10.1039/C9FD00049F. URL http://dx.doi.org/10. 1039/C9FD00049F.

Una startup española diseña un sistema de esterilización que podría neutralizar el Sars-CoV-2 en 14 minutos | madrimasd

Los científicos españoles jamás podremos hacer transferencia si no hay un sector empresarial tecnológico que entienda y desarrolle nuestras propuestas. Nosotros no somos, ni seremos nunca empresarios. Mi enhorabuena a todos esos doctores, másters, ingenieros, y graduados que se plantean crear una empresa para aplicar todo lo que saben y que genera poco más que curiosidad, cuando no desconfianza, en la industria española “de toda la vida” (la de “que inventen otros”).

La tecnología descrita, además de destruir material biológico, tiene el potencial de destruir otros contaminantes. Si la relación eficacia/precio y la toxicidad (o los daños a materiales), se ajustan, podríamos estar ante una herramienta más versátil que los UV.

 

La empresa Cedrion, incubada en el ESA BIC Comunidad de Madrid, utiliza el plasma atmosférico para mantener espacios y superficies esterilizados

Origen: Una startup española diseña un sistema de esterilización que podría neutralizar el Sars-CoV-2 en 14 minutos | madrimasd

Murciélagos y su sensibilidad al cambio global

El orden Chiroptera, comúnmente conocido como murciélagos, acoge a todos los mamíferos voladores que se conocen hoy en día. Es un orden que acoge a más de 1000 especies, afectado por múltiples agentes contaminantes de diferentes naturalezas y que causan un grave impacto negativo en la supervivencia de este grupo. Se trata de un grupo muy sensible ya que se ve afectado por la amplia mayoría de tipos de contaminación conocidos hoy en día.

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Ejemplar de murciélago de pies grandes (Myotis macropus), en Melbourne, Australia (fotografía de L. Lumsdem; Straka et al., 2016).

Posiblemente la contaminación más conocida sea la de carácter químico: los metales pesados son más que conocidos por disminuir la riqueza de especies en el entorno natural debido a su alta toxicidad (Straka et al., 2016). De hecho, un biomarcador utilizado y que es interesante por su carácter no invasivo es la propia piel y pelaje de los murciélagos, al reflejar la acumulación de metales pesados (como el cadmio, el cobre, el plomo y el zinc) en riñones, huesos o estómago (Hernout et al., 2016). Además, el mercurio es relativamente peligroso en este grupo, debido a la biomagnificación que se ha visto que pueden presentar en zonas contaminadas (Kumar et al., 2018).

No solo los metales pesados tienen un grave efecto tóxico en los murciélagos; se ha observado que productos de la industria agraria repercuten en ellos de manera muy grave. Por ejemplo, podemos destacar organoclorados como el DDT (diclorodifenilcloroetano), un insecticida que produce mortalidad en muchos quirópteros (Buchweitz et al., 2018) y el endosulfán (EDS), otro insecticida que induce alteraciones morfológicas en órganos vitales y estrés oxidativo (Oliveira et al., 2017) afectando a los procesos fisiológicos de estos organismos. Debemos destacar también los compuestos organofosforados como el clorpirifós, que afectan muchas veces en comportamientos de vuelo y movimientos de trepa de los murciélagos y pueden potencialmente causar daños en sus organismos (Eidels et al., 2016).

Posiblemente la mayoría de las personas podrán imaginarse también que la contaminación lumínica es muy grave para los quirópteros: es bien sabido que la luz artificial durante periodos nocturnos supone un estresor de origen humano muy importante, ya que afecta a actividades de los organismos de la noche de formas muy variadas, como la reproducción o la comunicación (Stone et al., 2015). Por ejemplo, la presencia de luces aumenta en gran medida la cantidad de zumbidos producidos por los murciélagos. Además, hay autores que han demostrado que las luces nocturnas pueden distraer a los quirópteros de sus rutas de migración por fototaxia positiva (Voigt et al., 2017), es decir, se sienten atraídos hacia la luz. Así, acabamos observando zonas donde al final, la riqueza de especies de quirópteros se reduce drásticamente por culpa de esta contaminación lumínica (con excepción de aquellas especies adaptadas a entornos urbanos, que son una minoría) (Straka et al., 2016).

También podemos destacar la contaminación sonora. Hay diferentes experimentos que relacionan este tipo de contaminación con el bienestar de los quirópteros, pero muy pocas veces se han llevado más allá del laboratorio. Algunos autores han demostrado que la actividad de determinadas especies de murciélago puede disminuir en gran manera cuando se encuentran en zonas con maquinaria humana muy ruidosa. De hecho, la propia ecolocalización se ve alterada y, por ende, su capacidad de caza (Bunkley et al., 2014).

Podríamos determinar por otro lado un tipo especial de contaminación sonora cuyo origen tiene lugar por culpa de la arquitectura humana: los murciélagos, al orientarse y moverse en el espacio por ecolocalización, necesitan superficies que reflejen bien los ultrasonidos. Es por ello por lo que pueden confundir superficies verticales y pulidas con caminos abiertos sin obstáculos, chocándose contra ellos y produciéndose graves contusiones (Greif et al., 2017).

Pero, existen tipos de contaminación menos obvias, como puede ser la de carácter electromagnético y que tienen la misma importancia que las anteriores. Estudios han demostrado que los murciélagos presentan magnetita (Fe3O4) en su organismo, un mineral que les permite sensar el campo magnético terrestre, así como orientarse en función de él (capacidad magnetorreceptiva) (Tian et al., 2010). De hecho, autores como Wang et al. (2007) han demostrado en laboratorio que se puede modificar la orientación de estos organismos artificialmente: bajo influencia de un campo magnético normal, los murciélagos tienen preferencia a mirar al norte cuando cuelgan en reposo, pero si se somete el campo a determinadas alteraciones, puede cambiar de posición, mirando al sur.

Esto podría llegar a extrapolarse: si por efecto de las tecnologías humanas se alterara el campo magnético, aunque fuera de manera muy localizada, los quirópteros podrían sufrir desorientaciones muy graves. Esto ocurre con sistemas radar de incluso muy pequeño tamaño, como investigaron Nicholls y Racey (2009), que emitían pulsos electromagnéticos que ahuyentaban a los quirópteros de la zona.

Como se puede ver, los murciélagos están expuestos a innumerables fuentes contaminantes, ya que tanto la luz y el ruido, como la contaminación electromagnética y la química pueden causar estragos en los quirópteros, no solo en comportamiento y hábitos, sino también en su propia vida, pudiendo matarlos.

Referencias utilizadas:

  1. Buchweitz, J. P., Carrson, K., Rebolloso, S., Lehner, A. 2018. DDT poisoning of big brown bats, Eptesicus fuscus, in Hamilton, Montana. Chemosphere 201: 1-5.
  2. Bunkley, J. P., McClure, C. J. W., Kleist, N. J., Francis, C. D., Barber, J. R. 2014. Anthropogenic noise alters bat activity levels and echolocation calls. Global Ecology and Conservation 3: 62-71.
  3. Eidels, R. R., Sparks, D. W., Whitaker, J. O. Jr., Sprague, C. A. 2016. Sub-lethal effects of chlorpyrifos on big brown bats (Eptesicus fuscus). Archives of Environmental Contamination of Toxicology 71 (3): 322-335.
  4. Greif, S., Zsebok, S., Schmieder, D., Siemers, B. M. 2017. Acoustic mirrors as sensory traps for bats. Science 357: 1045-1047.
  5. Hernout, B. V., McClean, C. J., Arnold, K. E., Walls., M., Baxter, M., Boxall, A. B. A. 2016. Fur: a non-invasive approach to monitor metal exposure in bats. Chemosphere 147: 376-381.
  6. Kumar, A., Divoll, T. J., Ganguli, P. M., Trama, F. A., Lamborg, C. H. 2018. Presence of artisanal gold mining predicts mercury bioaccumulation in five genera of bats (Chiroptera). Environmental Pollution 236: 862-870.
  7. Nicholls, B., Racey, P. A. 2009. The aversive effect of electromagnetic radiation on foraging bats – a possible means of discouraging bats from approachin wind turbines. PLoS ONE 4(7): e6246.
  8. Oliveira, J. M., Brinati, A., Miranda, L. D. L., Morais, D. B., Zanuncio, J. C., Gonçalves, R. V., Peluzio, M. D. C. G., Freitas, M. B. 2017. Exposure to the insecticide endosulfan induces liver morphology alterations and oxidative stress in fruit-eating bats (Artibeus lituratus). International Journal of Experimental Pathology 98: 17-25.
  9. Stone, E. L., Harris, S., Jones, G. 2015. Impacts of artificial lightning on bats: a review of challenges and solutions. Mammalian Biology.
  10. Straka, T. M., Lentini, P. E., Lumsden, L. F., Wintle, B. A., Van der Ree, R. 2016. Urban bat communities are affected by wetland size, quality and pollution levels. Ecology and Evolution 6(14): 4761-4774.
  11. Tian, L., Lin, W., Zhang, S., Pan, Y. 2010. Bat head contains soft magnetic particles: evidence from magnetism. Bioelectromagnetics 31: 499-503.
  12. Voigt, C. C., Roeleke, M., Marggraf, Petersons, G., Voigt-Heucke, S. L. 2017. Migratory bats respond to artificial green light with positive phototaxis. PLoS ONE 12(5): e0177748.
  13. Wang, Y., Pan, Y., Parsons, S., Walker, M., Zhang, S. 2007. Bats respond to polarity of a magnetic field. Proceedings of the Royal Society 274: 2901-2905.

Metamateriales. Medios zurdos

¿Qué son los metamateriales? El prefijo “meta” significa “más allá”, por lo que estas estructuras o materiales presentan propiedades electromagnéticas inusuales, “más allá de las que se encuentran en la propia naturaleza”. Son estructuras artificiales que poseen ciertas propiedades electromagnéticas según el diseño que tengan, siendo estas propiedades distintas a las de sus constituyentes. Según dichas propiedades, el material puede estar o no estar en un rango de frecuencias determinadas y están basadas en estructuras periódicas para cumplir un determinado requisito.

Las propiedades de estos materiales han dado lugar a componentes y sistemas fundamentales en el campo de las antenas, filtros, sistemas de generación de imágenes, estructuras sintonizables, estructuras de alta impedancia, miniaturización de guías de onda/circuitos planos y aplicaciones de THz, es decir, que pueden ser usadas en el espectro de IR y UV-Vis.

Existen varios tipos de metamateriales: Estructura de plasma, Superficies selectivas en frecuencia, Elementos fractales, Conductor magnético artificial, Electromagnetic/ Photonic Band Gap y Medio “zurdo”.

Los metamateriales zurdos presentan una permitividad Ɛ y una permeabilidad μ negativas, por lo que han sido muy estudiados por ingenieros y científicos a lo largo de los últimos años. Un medio zurdo presenta propiedades opuestas a las de un medio convencional, también llamado medio diestro. El campo magnético H ⃗, el campo eléctrico E ⃗y el número de onda ν ⃗ forman una triada zurda, lo cual hace que la luz se propague en sentido contrario al flujo de energía (vector de Poynting S ⃗). En un medio zurdo, este vector y el número de onda tienen sentido opuesto, mientras que en un convencional tienen el mismo sentido. En el medio zurdo, las ondas se propagan hacia la fuente, justamente al revés de lo que ocurre en el convencional, donde la onda se aleja de la fuente. Es por ello que en estos medios las ondas se denominan ondas de retroceso donde la velocidad de fase y de grupo lleva sentidos opuestos.


Debido a que la permeabilidad y la permitividad son negativas, esto supone cambios en el desplazamiento Doppler, en las ecuaciones de Fresnel, principio de Fermat, en el principio básico de la óptica: la ley de Snell. También se puede comprobar a raíz de las leyes de Maxwell, es que el índice de refracción (n) es negativo, como se observa en la siguiente fórmula:

n=-√μƐ

Con ello sacamos también los fenómenos asociados a la propagación de las ondas electromagnéticas y llegamos al coeficiente de reflexión en la interfaz de en un medio zurdo es cero, es decir, para incidencia normal al plano. De aquí llegamos a la inversión de la ley de Snell:

n sin⁡θ=n sin⁡θ

Siendo el ángulo de en el medio zurdo negativo. Lo que significa, que la energía es refractada hacia el mismo lado de la inferida.

Los medios zurdos suelen ser estructuras periódicas simples que presentan unas propiedades físicas en conjunto que difieren de las propiedades de materiales convencionales y son “al gusto” del que los fabrican. A pesar de los átomos y las interacciones diferentes que hay entre ellos (determinan las propiedades del material), desde el punto de vista electromagnético solo es importante la permitividad como la permeabilidad, ya que las ondas electromagnéticas atraviesan los objetos de una forma u otra según la longitud de onda. Aun así, hay restricciones ya que las estructuras dependen de la frecuencia de la onda.

Bibliografía:

Junkin y J. Parron Granados. 2005. Simulación de configuración de medida para la obtención de los parámetros S de metamateriales. ResearchGate. Ver referencia en: https://www.researchgate.net/profile/Gary_Junkin/publication/229014648_Simulacion_de_configuraciones_de_medida_para_la_obtencion_de_los_parametros_S_de_metamateriales_utilizando_FDTD/links/0deec5368b548bb083000000.pdf

Garcia Aguilar, A. 2008. Análisis, diseño y prototipado de una lente plana basada en estructuras metamateriales para antenas. Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Ver referencia en: http://oa.upm.es/1631/