Las proteínas que están en las membranas celulares
sufrirían la fuerza de Casimir y esto les permitiría comunicarse entre
sí y estimular una respuesta frente al ambiente.
Somos la única especie conocida capaz de hacer que el Universo se
comprenda a sí mismo o, al menos, que lo pueda intentar. En esta
aventura en la que materia se organiza sin parar se han formado
estrellas, galaxias, nuevos elementos que no estaban presentes en el Big
Bang, planetas con y sin atmósfera, sustancias orgánicas complejas,
células, la célula eucariota, seres pluricelulares e incluso criaturas
que sueñan con que pueden pensar.
Posiblemente estos últimos logros biológicos se han intentado alcanzar en muchos otros sitios del Universo sin conseguirse. El azar ha querido que se dieran aquí. Puede que el Universo esté poblado de vida, pero hasta ahora no tenemos absolutamente ninguna prueba de que eso sea así, sólo la fe puede sustentarlo. Lo más seguro es que si existen otras civilizaciones estén tan lejos de nosotros que nunca podremos entrar en contacto con ellos, tal y como la paradoja de Fermi indica.
Puede que incluso seamos los únicos seres medianamente inteligentes en toda la galaxia. Si esto es así entonces la responsabilidad que recae sobre nosotros es inmensa, pues no podemos delegar nuestro deber en nadie más. También puede ser la única razón por la que un dios justo, de existir, no nos elimine para siempre, ya que con nuestra estulticia hemos obtenido suficientes puntos como ganar el castigo de nuestro propio exterminio.
Nuestro deber tiene que ser conseguir conocimiento, si encima éste está salpimentado con una pizca de sabiduría mejor que mejor. Comprender el Universo y todo lo que contiene y las leyes que lo rigen hasta entender los procesos por los que la materia se organiza para dar lugar a lo que llamamos vida y consciencia puede ser la más noble de nuestras tareas. El premio es encontrar constantemente belleza por el camino.
Decía un famoso físico que puesto que él sabía Física y las reacciones químicas estaban controladas por leyes físicas entonces él sabía Química. También hay un chiste que dice que un biofísico habla de Química con los químicos y de Física con los físicos, pero que cuando se junta con otro biofísico sólo habla de mujeres. Pero ambas posturas son incorrectas.
En los últimos tiempos hemos podido ver, incluso en estas mismas páginas, que cada vez que se profundiza lo suficiente en los procesos biológicos se pueden observar fenómenos que se creía que sólo estaban restringidos a los laboratorios más sofisticados. Así por ejemplo, se ha podido ver el papel de las partes más misteriosas de la Mecánica Cuántica en el mundo biológico, como la coherencia cuántica en la fotosíntesis, o la superposición de estados en la orientación magnética en los ojos de algunos pájaros. La evolución habría seleccionado el poder alcanzar tal grado de sensibilidad a los fenómenos cuánticos porque simplemente así algunos procesos son más eficientes. Ya hay expertos que hablan de la “Biología cuántica”.
El último ejemplo de esta Biología cuántica nos llega de algunos físicos norteamericanos que sostiene que en determinados procesos de las membranas celulares está involucrada la fascinante fuerza de Casimir.
El efecto Casimir está explicado por la Teoría Cuántica de Campos. La Mecánica Cuántica no era lo suficientemente adecuada como para explicar los fenómenos relativistas y los campos de fuerza, incluso cuando se usaba la ecuación de Dirac en lugar de la ecuación de Schrödinger. Por eso, en el pasado siglo, se desarrolló la Teoría Cuántica de Campos (TCC), en lo que posiblemente fue el último fruto intelectual digno que ha dado la Física hasta ahora.
Según la TCC las partículas se pueden crear y destruir, las fuerzas producidas por los campos se pueden explicar por un intercambio de partículas (bosones) virtuales y el vacío no está realmente vacío, sino que está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen sin cesar.
Un modelo físico puede ser tan bueno como cualquier otro hasta que las pruebas físicas lo apoyen, entonces hay que tomarlo bien en serio. Hendrik B. G. Casimir y Dirk Polder propusieron en su día que si hay partículas virtuales en el vacío y disponemos dos placas metálicas paralelas entonces las presión ejercida por los fotones virtuales del espacio entre placas es menor que la que presión que ejercen los que están fuera y entonces aparece una fuerza que tiende a juntar las placas. La predicción se pudo confirmar años más tarde cuando se pudo medir la fuerza de Casimir en el laboratorio.
Ahora unos físicos de las universidades de Cornell y Michigan proponen que las proteínas que están en las membranas celulares sufren fuerza de Casimir y que esto les permite comunicarse entre sí y estimular la respuesta, por ejemplo, de la célula a los alergenos como el polen.
Según la teoría del mosaico fluido las membranas celulares están formadas por lípidos, pero en esta capa lipídica hay proteínas que están embebidas y que se mueven libremente a través de ella. Algunas de estas proteínas tienen funciones esenciales, como el de hacer de bombas de iones y así mantener el equilibrio osmótico o mantener dentro a los electrolitos adecuados y no a otros. Hay muchas otras funciones que pueden realizar y para cada una de ellas está la proteína específica. En un principio se creía que la distribución de lípidos era uniforme, pero ulteriores investigaciones demostraron que se formaban estructuras distintivas cientos de veces más grandes que las moléculas de lípidos individuales. Lo que no se entendía bien era de dónde venía la energía para mantener esas estructuras.
Sarah Veatch y sus colaboradores demostraron en 2008 que por encima de los 25 grados centígrados la membrana de células aisladas de mamífero está en una sola fase, mientras que por debajo de esa temperatura se produce una separación en dos fases distintas compuestas de diferentes lípidos y proteínas. Es decir, había un punto crítico por debajo del cual aparecían parches fluctuantes de una segunda fase que crecían en tamaño. Estas fluctuaciones medían varias micras de anchura y eran visibles con el microscopio óptico. No requerían grandes cantidades de energía (relativa) para formarse.
Veatch, Benjamin Machta y James Sethna quisieron entender el propósito de esta criticidad. Descubrieron que ciertas proteínas se veían atraídas hacia una de las fases mientras que las demás lo hacía hacia la segunda. Veatch sugiere que estas proteínas interactúantes podrían dar lugar a un fenómeno de cascada para así trasmitir señales, como información acerca de los componentes presentes en la vecindad celular, desde los receptores proteicos de la membrana hasta el interior celular. Esta información podría usarse, por ejemplo, para decidir si es un buen momento para la división celular o si es seguro moverse hacia unos nutrientes. Veatch cree que una de las razones por las que la membrana tiene esta criticidad fluctuante es para facilitar los pasos previos en el envío de señales.
Machta ha calculado las fuerzas de Casimir entre las proteínas de la membrana y ha encontrado, como esperaba, que estas fuerzas son atractivas para proteínas similares y repulsivas para las que son diferentes. Además, la energía potencial que esto proporciona es varias veces la energía térmica de las proteínas a lo largo de distancias de decenas de nanometros. Las fuerzas electrostáticas son más intensas, pero son de más corto alcance, en torno al nanometro. La razón de que esta criticidad esté tan finamente ajustada se debería a que así las células han conseguido maximizar las fuerzas de largo alcance entre proteínas.
“Es sorprendente en cuántas reacciones en las células están involucradas energías de la misma magnitud que las fluctuaciones térmicas. Creemos que esta es la manera de que tiene la célula de ser ahorradora. ¿Para qué pagar más?”, dice Sethna.
Los investigadores sospechan que la existencia de estas fuerzas de Casimir explicarían por qué las células bajas en colesterol (el colesterol es fundamental para el funcionamiento celular y no tiene que ver con el que nos detectan en sangre y que es un indicador de riesgo de arteriosclerosis) no funcionan como lo deberían de hacer, pues la retirada de este colesterol saca a la membrana fuera de su punto crítico.
Además, especulan que todo esto tendría un papel incluso en el estornudo. Cuando los receptores proteicos de una célula inmunitaria detectan un alergeno, como un grano de polen, se agregan y esto dispara las histaminas que producen el estornudo. Sethna especula que quizás el alergeno simplemente cambia la preferencia del receptor por una fase u otra de la membrana.
Este equipo de investigadores espera que el estudio sirva para obtener aplicaciones médicas, pues los defectos en las membranas pueden contribuir a la aparición de enfermedades como el cáncer o las enfermedades autoinmunes, inflamatorias, etc. “Este trabajo arroja luz sobre cómo los lípidos pueden impactar sobre ciertos aspectos de estas enfermedades. En el futuro imagino medicamentos que específicamente usen a ciertos lípidos como blancos para regular la interacción entre proteínas para así tratar enfermedades humanas”, dice Veatch. Sin embargo, pasará tiempo hasta que semejantes aplicaciones se hagan realidad.
Sethna señala que los biólogos siempre tienden a explicar cómo funcionan las células en función de un resultado de la evolución. La evolución ha podido empujar a las células hasta alcanzar el punto crítico, pero una vez ahí se pueden usar otras teorías para así poder explicar muchos comportamientos sin necesidad de recurrir reiteradamente a la evolución.
De todos modos, queda mucha investigación por hacer hasta que se acepten estas nuevas ideas. Algún experto del campo ya señala que no está claro que la membrana celular de un tejido se comporte de igual manera cuando forma parte de éste que cuando se hacen experimentos con ella estando aislada del resto. Pero si asumimos que esta teoría es cierta no podemos por menos que admirar la belleza que entraña.
Así que, amigo lector, si ahora se encuentra en la primavera austral y es alérgico al polen piense que cuando estornuda unas proteínas bailan una danza precisa ajustada por la evolución hasta el punto crítico en el que se sienten las partículas virtuales del vacío cuántico. Procesos semejantes pasan en cada célula de su cuerpo e incluso, y esto es una especulación, puede que en las neuronas de su cerebro pase algo similar y que las fluctuaciones cuánticas le permitan alcanzar una idea original, un pensamiento profundo o un sentimiento intenso.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3942
Fuentes y referencias:
Nota en PhysicsWorld.
Artículo original.
Nota en Nature sobre Biología cuántica.
Ilustración: esquema de una membrana celular, Wikimedia Commons.
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Posiblemente estos últimos logros biológicos se han intentado alcanzar en muchos otros sitios del Universo sin conseguirse. El azar ha querido que se dieran aquí. Puede que el Universo esté poblado de vida, pero hasta ahora no tenemos absolutamente ninguna prueba de que eso sea así, sólo la fe puede sustentarlo. Lo más seguro es que si existen otras civilizaciones estén tan lejos de nosotros que nunca podremos entrar en contacto con ellos, tal y como la paradoja de Fermi indica.
Puede que incluso seamos los únicos seres medianamente inteligentes en toda la galaxia. Si esto es así entonces la responsabilidad que recae sobre nosotros es inmensa, pues no podemos delegar nuestro deber en nadie más. También puede ser la única razón por la que un dios justo, de existir, no nos elimine para siempre, ya que con nuestra estulticia hemos obtenido suficientes puntos como ganar el castigo de nuestro propio exterminio.
Nuestro deber tiene que ser conseguir conocimiento, si encima éste está salpimentado con una pizca de sabiduría mejor que mejor. Comprender el Universo y todo lo que contiene y las leyes que lo rigen hasta entender los procesos por los que la materia se organiza para dar lugar a lo que llamamos vida y consciencia puede ser la más noble de nuestras tareas. El premio es encontrar constantemente belleza por el camino.
Decía un famoso físico que puesto que él sabía Física y las reacciones químicas estaban controladas por leyes físicas entonces él sabía Química. También hay un chiste que dice que un biofísico habla de Química con los químicos y de Física con los físicos, pero que cuando se junta con otro biofísico sólo habla de mujeres. Pero ambas posturas son incorrectas.
En los últimos tiempos hemos podido ver, incluso en estas mismas páginas, que cada vez que se profundiza lo suficiente en los procesos biológicos se pueden observar fenómenos que se creía que sólo estaban restringidos a los laboratorios más sofisticados. Así por ejemplo, se ha podido ver el papel de las partes más misteriosas de la Mecánica Cuántica en el mundo biológico, como la coherencia cuántica en la fotosíntesis, o la superposición de estados en la orientación magnética en los ojos de algunos pájaros. La evolución habría seleccionado el poder alcanzar tal grado de sensibilidad a los fenómenos cuánticos porque simplemente así algunos procesos son más eficientes. Ya hay expertos que hablan de la “Biología cuántica”.
El último ejemplo de esta Biología cuántica nos llega de algunos físicos norteamericanos que sostiene que en determinados procesos de las membranas celulares está involucrada la fascinante fuerza de Casimir.
El efecto Casimir está explicado por la Teoría Cuántica de Campos. La Mecánica Cuántica no era lo suficientemente adecuada como para explicar los fenómenos relativistas y los campos de fuerza, incluso cuando se usaba la ecuación de Dirac en lugar de la ecuación de Schrödinger. Por eso, en el pasado siglo, se desarrolló la Teoría Cuántica de Campos (TCC), en lo que posiblemente fue el último fruto intelectual digno que ha dado la Física hasta ahora.
Según la TCC las partículas se pueden crear y destruir, las fuerzas producidas por los campos se pueden explicar por un intercambio de partículas (bosones) virtuales y el vacío no está realmente vacío, sino que está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen sin cesar.
Un modelo físico puede ser tan bueno como cualquier otro hasta que las pruebas físicas lo apoyen, entonces hay que tomarlo bien en serio. Hendrik B. G. Casimir y Dirk Polder propusieron en su día que si hay partículas virtuales en el vacío y disponemos dos placas metálicas paralelas entonces las presión ejercida por los fotones virtuales del espacio entre placas es menor que la que presión que ejercen los que están fuera y entonces aparece una fuerza que tiende a juntar las placas. La predicción se pudo confirmar años más tarde cuando se pudo medir la fuerza de Casimir en el laboratorio.
Ahora unos físicos de las universidades de Cornell y Michigan proponen que las proteínas que están en las membranas celulares sufren fuerza de Casimir y que esto les permite comunicarse entre sí y estimular la respuesta, por ejemplo, de la célula a los alergenos como el polen.
Según la teoría del mosaico fluido las membranas celulares están formadas por lípidos, pero en esta capa lipídica hay proteínas que están embebidas y que se mueven libremente a través de ella. Algunas de estas proteínas tienen funciones esenciales, como el de hacer de bombas de iones y así mantener el equilibrio osmótico o mantener dentro a los electrolitos adecuados y no a otros. Hay muchas otras funciones que pueden realizar y para cada una de ellas está la proteína específica. En un principio se creía que la distribución de lípidos era uniforme, pero ulteriores investigaciones demostraron que se formaban estructuras distintivas cientos de veces más grandes que las moléculas de lípidos individuales. Lo que no se entendía bien era de dónde venía la energía para mantener esas estructuras.
Sarah Veatch y sus colaboradores demostraron en 2008 que por encima de los 25 grados centígrados la membrana de células aisladas de mamífero está en una sola fase, mientras que por debajo de esa temperatura se produce una separación en dos fases distintas compuestas de diferentes lípidos y proteínas. Es decir, había un punto crítico por debajo del cual aparecían parches fluctuantes de una segunda fase que crecían en tamaño. Estas fluctuaciones medían varias micras de anchura y eran visibles con el microscopio óptico. No requerían grandes cantidades de energía (relativa) para formarse.
Veatch, Benjamin Machta y James Sethna quisieron entender el propósito de esta criticidad. Descubrieron que ciertas proteínas se veían atraídas hacia una de las fases mientras que las demás lo hacía hacia la segunda. Veatch sugiere que estas proteínas interactúantes podrían dar lugar a un fenómeno de cascada para así trasmitir señales, como información acerca de los componentes presentes en la vecindad celular, desde los receptores proteicos de la membrana hasta el interior celular. Esta información podría usarse, por ejemplo, para decidir si es un buen momento para la división celular o si es seguro moverse hacia unos nutrientes. Veatch cree que una de las razones por las que la membrana tiene esta criticidad fluctuante es para facilitar los pasos previos en el envío de señales.
Machta ha calculado las fuerzas de Casimir entre las proteínas de la membrana y ha encontrado, como esperaba, que estas fuerzas son atractivas para proteínas similares y repulsivas para las que son diferentes. Además, la energía potencial que esto proporciona es varias veces la energía térmica de las proteínas a lo largo de distancias de decenas de nanometros. Las fuerzas electrostáticas son más intensas, pero son de más corto alcance, en torno al nanometro. La razón de que esta criticidad esté tan finamente ajustada se debería a que así las células han conseguido maximizar las fuerzas de largo alcance entre proteínas.
“Es sorprendente en cuántas reacciones en las células están involucradas energías de la misma magnitud que las fluctuaciones térmicas. Creemos que esta es la manera de que tiene la célula de ser ahorradora. ¿Para qué pagar más?”, dice Sethna.
Los investigadores sospechan que la existencia de estas fuerzas de Casimir explicarían por qué las células bajas en colesterol (el colesterol es fundamental para el funcionamiento celular y no tiene que ver con el que nos detectan en sangre y que es un indicador de riesgo de arteriosclerosis) no funcionan como lo deberían de hacer, pues la retirada de este colesterol saca a la membrana fuera de su punto crítico.
Además, especulan que todo esto tendría un papel incluso en el estornudo. Cuando los receptores proteicos de una célula inmunitaria detectan un alergeno, como un grano de polen, se agregan y esto dispara las histaminas que producen el estornudo. Sethna especula que quizás el alergeno simplemente cambia la preferencia del receptor por una fase u otra de la membrana.
Este equipo de investigadores espera que el estudio sirva para obtener aplicaciones médicas, pues los defectos en las membranas pueden contribuir a la aparición de enfermedades como el cáncer o las enfermedades autoinmunes, inflamatorias, etc. “Este trabajo arroja luz sobre cómo los lípidos pueden impactar sobre ciertos aspectos de estas enfermedades. En el futuro imagino medicamentos que específicamente usen a ciertos lípidos como blancos para regular la interacción entre proteínas para así tratar enfermedades humanas”, dice Veatch. Sin embargo, pasará tiempo hasta que semejantes aplicaciones se hagan realidad.
Sethna señala que los biólogos siempre tienden a explicar cómo funcionan las células en función de un resultado de la evolución. La evolución ha podido empujar a las células hasta alcanzar el punto crítico, pero una vez ahí se pueden usar otras teorías para así poder explicar muchos comportamientos sin necesidad de recurrir reiteradamente a la evolución.
De todos modos, queda mucha investigación por hacer hasta que se acepten estas nuevas ideas. Algún experto del campo ya señala que no está claro que la membrana celular de un tejido se comporte de igual manera cuando forma parte de éste que cuando se hacen experimentos con ella estando aislada del resto. Pero si asumimos que esta teoría es cierta no podemos por menos que admirar la belleza que entraña.
Así que, amigo lector, si ahora se encuentra en la primavera austral y es alérgico al polen piense que cuando estornuda unas proteínas bailan una danza precisa ajustada por la evolución hasta el punto crítico en el que se sienten las partículas virtuales del vacío cuántico. Procesos semejantes pasan en cada célula de su cuerpo e incluso, y esto es una especulación, puede que en las neuronas de su cerebro pase algo similar y que las fluctuaciones cuánticas le permitan alcanzar una idea original, un pensamiento profundo o un sentimiento intenso.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3942
Fuentes y referencias:
Nota en PhysicsWorld.
Artículo original.
Nota en Nature sobre Biología cuántica.
Ilustración: esquema de una membrana celular, Wikimedia Commons.
Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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