Premios Nobel 2019, cuatro viñetas

Medalla del Premio Nobel. Autor: Alexander Mahmoud 2018 

Artículos publicados originalmente por Brenda Valderrama en la Columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca los días 14, 21, 28 de octubre y 4 de noviembre de 2019.

Ni contigo ni sin ti. Nuestra compleja relación con el oxígeno.

Como cada año por estas fechas, la comunidad científica en su totalidad permanece atenta al anuncio de la fundación Nobel para la entrega de sus premios en la categoría de Medicina, Física y Química. En esta ocasión el premio se entregó a tres grupos de investigadores y en esta columna reseñaremos sus logros comenzando, hoy, con el Premio Nobel de Medicina 2019 otorgado a William G. Kaelin, Sir Peter J. Radclifee y Gregg L. Semenza.

Nada tan natural como respirar. La respiración es el proceso fisiológico que canaliza la capacidad oxidante del oxígeno para extraer la energía de los alimentos de una forma útil para el organismo. La gran paradoja de la vida en la tierra es que la capacidad oxidante del oxígeno es, al mismo tiempo, su peor enemigo. 

La actividad oxidante del oxígeno es tan poderosa que cuando se sale de control ocasiona daño irreversible, un ejemplo de eso son las cataratas donde las cristalinas del lente ocular se oxidan cambiando su estructura y perdiendo su carácter cristalino. De manera menos dramática pero igualmente importante se encuentra el envejecimiento celular, donde la acumulación lenta pero irreversible de daño oxidante conlleva a la pérdida de función en prácticamente todas las células de un organismo.

Pero si el exceso de oxígeno causa daño a nivel celular la falta del mismo ocasiona la muerte por infarto. Por estas razones los organismos hemos desarrollado sensores de la más alta precisión para determinar los niveles disponibles de oxígeno dentro de las células así como mecanismos para responder a situaciones críticas cuando falta esta molécula, un fenómeno conocido como hipoxia.

En los animales los niveles de oxígenos son monitoreados por el cuerpo carótido que se encuentra en el cuello que responde enviando al cerebro la señal de acelerar el ritmo de la respiración al mismo tiempo que incrementa la producción de glóbulos rojos en la médula ósea, las células que distribuyen el oxígeno en la sangre. Las investigaciones de los Dres. Semenza y Radclifee sobre el mecanismo molecular subyacente a esta respuesta incluyendo la caracterización del factor HIF que es el regulador de la proteína eritropoyetina, el mensajero central.

De manera independiente, el Dr. Kaelin identificó que el factor promotor de un tipo muy particular de cáncer hereditario conocido como síndrome von Hippel-Lindau llamado VHL posee la capacidad de interactuar físicamente con la proteína HIF resultando ser el elemento faltante para entender el mecanismo completo de respuesta a la falta de oxígeno en los animales. 

Gracias al trabajo seminal de estos tres investigadores y de muchos mas quienes han aportado al conocimiento, ahora sabemos cómo los diferentes niveles de oxígeno detonan diferentes respuestas balanceando los procesos fisiológicos. De manera colateral, el mecanismo de respuesta al oxígeno participa en otros padecimientos como por ejemplo en pacientes con daño renal crónico, una enfermedad que afecta los niveles de eritropoyetina la cual debe administrarse de forma externa. 

Finalmente no hay que menospreciar la relación entre el metabolismo de oxígeno y el cáncer, donde se sabe que una de las características generales entre los diferentes tipos de cáncer es su exacerbada tasa respiratoria que requiere el rediseño de las redes de vasos sanguíneos alrededor de los tumores. Dado que es uno de los muy pocos aspectos comunes entre diferentes tipos de cáncer, hay un interés particular de los investigadores en identificar su mecanismo para la producción de un muy necesario medicamento de amplio espectro. 

El enorme poder de un pequeña batería

El siglo XXI va a ser el siglo de las energías renovables. En todo el mundo se han invertido grandes cantidades de dinero para el desarrollo de nuevas y más eficientes formas para extraer la energía del sol, del viento, de las mareas o de la biomasa. Sin embargo, todas estas fuentes son intermitentes, es decir, el sol se oculta de noche, el viento amaina, las mareas tienen ciclos y la biomasa depende de la cosecha. Para hacerlas completamente útiles será necesario desarrollar dispositivos para el almacenamiento de la energía generada.

Las baterías, también conocidas como pilas, son dispositivos de almacenamiento de energía cuyo diseño es relativamente sencillo. Se trata de dos electrodos, cada uno de ellos conectado a un circuito eléctrico, separados por un electrolito que es una sustancia conductora de cargas. Frecuentemente los electrodos se encuentran separados por un material no conductor que evita que la batería entre en corto circuito.  Durante su operación, la batería genera electricidad mediante la transmisión acoplada de cargas del electrodo negativo (ánodo) al positivo (cátodo) y de electrones en el mismo sentido pero a través del circuito eléctrico conectado. La batería será funcional mientras contenga material para la producción de las cargas, cuando éste se agote la batería deberá ser reemplazada. El costo ambiental del uso masivo de baterías es abrumador. Cada año se desechan 3 mil millones de baterías en todo el mundo.  

Las primeras baterías potencialmente útiles fueron desarrolladas por el sueco Waldemar Jungner en 1899 y llegaron al mercado en 1946. Estas baterías utilizaban la combinación de níquel y cadmio para los electrodos y llegaron a dominar el mercado bajo el nombre de pilas alcalinas. Sin embargo la alta toxicidad del cadmio motivó que se exploraran otras fuentes de materiales.

De manera circunstancial, la crisis del petróleo de los años 70 aceleró las investigaciones en este sentido. Junto con otras corporaciones, la empresa petrolera Exxon comenzó a invertir en el desarrollo de energías renovables y entre sus proyectos se encontraba el diseño conceptual de baterías recargables a cargo de Stanley Whittingham quien se dedicó al desarrollo de materiales superconductores ricos en energía destacando aquellos con base en disulfuro de titanio y litio metálico. Este diseño era de enorme potencial gracias a su capacidad de almacenamiento de energía sin embargo la inestabilidad del litio metálico provocaba un alto riesgo de explosión de la batería.

Para 1980 John B. Goodenough predice que la capacidad de almacenamiento de la batería será mayor si se sustituye el sulfuro por un óxido desarrollando de manera sistemática un nuevo material con base en dióxido de cobalto para el cátodo el cual puede intercalar los iones de litio. Este nuevo diseño genera 4 volts, el doble que el diseño de Whittingham. Gracias a estos descubrimientos, en 1985 Akira Yoshino complementa el diseño de la batería con un nuevo material para el ánodo basado en cristales de grafito, un material rico en carbono con el que se fabrica la puntilla de los lápices. Este nuevo diseño, al ya no contener litio metálico, deja de sufrir riesgo de explosión. 

La suma de estas investigaciones dio lugar a una batería ligera, económica, segura, de larga duración, no tóxica y recargable. La primera batería de litio llegó al mercado en 1991y gracias a su bajo costo se posicionó rápidamente en el gusto del consumidor acelerando la aparición masiva de dispositivos electrónicos móviles y teléfonos celulares. Gracias a estos avances nos encontramos ahora en una mejor posición para atacar el desarrollo de una nueva generación de baterías que deberán poseer las virtudes de las de litio pero a gran escala para ser usadas en automóviles, autobuses, camiones de carga, barcos y aviones y eventualmente para colaborar en la sustitución del petróleo, el gas y el carbón en la generación de energía eléctrica para las ciudades. 

Por la importancia de sus investigaciones, los doctores Whittingham, Goodenough y Yoshino recibieron de manera conjunta el Premio Nobel de Química 2019.

Hasta el infinito y más allá

El estudio del cosmos ha fascinado a la humanidad desde sus inicio. La complejidad y regularidad de los cuerpos celestes dio motivo de estudio a los sabios y derivó en la primera gran aplicación del conocimiento científico, la agricultura. Nuestro entendimiento del cosmos ha estado regulado por el desarrollo convergente de la teoría, un cuerpo de hipótesis que buscan conocer sus principios y explicar su comportamiento, y de la instrumentación, que abarca desde los sextantes para medir la posición relativa de las estrellas con respecto al horizonte hasta el telescopio espacial Hubble. El Premio Nobel de Física 2019 fue otorgado a tres sobresalientes astrofísicos: la mitad a James Peebles y el resto compartido por Michel Mayor y Didier Queloz, el primero por el desarrollo de una teoría y los segundos, por un instrumento.

El área de trabajo de James Peebles es la cosmología física, la cual estudia la estructura a gran escala y la dinámica del universo con la intención de explicar su origen y predecir su destino. La  primera gran aportación de Peebles fue el planteamiento en 1965 de las características que debiera tener la Radiación de Fondo de Microondas (CMB por sus siglas en inglés) la cual es una forma de energía predicha por el modelo del Big Bang. Veinte años después el modelo vuelve a ser revisado por Peebles quien lo complementa con la reintroducción de la constante cosmológica, originalmente propuesta por Einstein en 1917, con lo que se pueden explicar aspectos aparentemente contradictorios como el problema de la edad en el cual la edad estimada de las estrellas más antiguas parecería ser mayor que la del universo.

La teoría fue confirmada en 1992 mediante el estudio de la radiación en el espectro de cuerpo negro y actualmente se utiliza para hacer barridos de cielo completo con la finalidad de acopiar mas y mejor información sobre el origen del universo. Gracias a estas y otras aportaciones de James Peebles, el método de medición de la radiación de fondo de microondas pudo ser desplegado con tal acuciosidad que se convirtió en la medición más precisa en la naturaleza dando nacimiento a una nueva disciplina, la cosmología de precisión. 

Por su lado, la aportación de Mayor y Queloz fue el desarrollo de un instrumento llamado ELODIE que consiste en una serie de detectores que permiten la cuantificación radial de un objeto mediante el efecto Doppler. El efecto Doppler es el cambio de frecuencia aparente de una onda con respecto al movimiento. No es lo mismo recibir una onda de frente cuando el objeto se aproxima hacia nosotros que una vez que el objeto ha pasado, como sabemos sucede con las ondas sonoras emitidas por la sirena de una ambulancia. 

Gracias a ELODIE, los investigadores pudieron establecer el estudio sistemático de 142 diferentes sistemas solares buscando evidencia de la existencia de nuevos planetas y derivando en la identificación, en 1994, del primer planeta fuera de nuestro sistema solar, un cuerpo que gira alrededor de la estrella 51 Pegasi b, en la constelación de Pegaso. Este planeta posee una masa similar a la de Júpiter, una temperatura de mil grados centígrados y una trayectoria alrededor de su sol de 4 días. A este descubrimiento siguieron otros planetas alrededor de las estrellas 70 Virginis y 47 Ursa Majoris. A la fecha se han descubierto ya 34 exoplanetas.

Gracias a las aportaciones de estos grandes científicos hemos mejorado nuestro conocimiento del universo y de las leyes que lo determinan pero también hemos abierto la puerta a nuevas aventuras espaciales, quizá para algunos ya en los terrenos de la ciencia ficción, como son el establecimiento de colonias en otros planetas o la minería espacial.

Divide y vencerás

Las ciencias sociales difieren de las ciencias naturales en numerosos aspectos por lo que es imposible compararlas ya sea en su metodología o en sus alcances. Entre las muchas variables que hay que considerar en un experimento social se encuentra la conciencia del individuo sobre su participación en el estudio la cual tiene consecuencias en la toma de decisiones. Igualmente complejo es determinar las variables a estudiar o identificar todos los aspectos relacionados que podrá afectar la interpretación de los resultados. Estos temas y muchos otros afectan la validez y generalidad de las investigaciones y, en ocasiones, limitan la capacidad de aplicar los resultados en la forma de acciones.

La pobreza es una situación vigente y lacerante que impacta todos los aspectos de la vida de una persona limitando su desarrollo físico, económico y emocional. En el mundo hay actualmente mas de 700 millones de personas que subsisten con ingresos extremadamente reducidos afectando de manera especial a niños y mujeres. La pobreza no es solamente la falta de dinero sino que es también la falta de acceso a servicios y oportunidades en aspectos claves como son educación, salud y movilidad social. El Premio del Banco de Suecia en Ciencias Económicas en Memoria de Alfred Nobel también llamado Premio Nobel de Economía 2019 fue otorgado de forma conjunta a tres destacados investigadores por sus aportaciones al estudio de la pobreza y de los mecanismos para aliviarla:  Abhijit Banerjee, Esther Duflo y Michael Kremer.

Como se menciona arriba, realizar experimentos sociales es complejo por la conciencia y voluntad de los sujetos de estudio. Igualmente complejo es predecir cuál sería el resultado de no hacer algo, por ejemplo, una campaña de vacunación. En esta sentido los galardonados realizaron dos aportaciones fundamentales, la primera desarrollar una metodología para la realización de experimentos de campo aleatorios controlados y la segunda, que si un fenómeno complejo como la pobreza se descompone en sus elementos constitutivos como salud o educación, puede ser estudiado de manera racional y productiva. 

En lo relativo a educación, estudios realizados en Kenia y la India demostraron que el desempeño de los estudiantes es mejor si se invierte en los maestros que si se hace en libros o material didáctico. En este sentido la mejor práctica identificada fue la contratación anual de maestros eventuales para los primeros años de la primaria siempre y cuando su permanencia fuera decidida por los propios padres de familia y no por el gobierno. Igualmente, las clases impartidas por profesores con puestos definitivos no mejoraron al reducir el tamaño de los grupos pero sí cuando los estudiantes se distribuyeron en grupos dependiendo de su desempeño individual ya que el nivel de la enseñanza pudo ser entonces ajustado con mayor precisión.

En salud se demostró que la existencia de programas preventivos no se aprovecha de manera espontánea a pesar de la gravedad de sus consecuencias. Es decir, que la conciencia de las familias sobre los efectos de una enfermedad prevenible no es suficiente para que tomen medidas como la aplicación de una vacuna o dejar de consumir refrescos. Sin embargo, la incorporación de incentivos como por ejemplo la entrega de alimentos sanos mejora notablemente los resultados. 

Las posibilidades que abren las investigaciones sobre pobreza son infinitas sin embargo su potencial beneficio depende de la sensibilidad de los gobiernos para su aprovechamiento. En este sentido debemos exigir como sociedad no solamente que se otorguen recursos para la investigación científica en todas sus ramas sino que se incorporen sus resultados en el diseño de programas de gobierno y en su evaluación.