Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

diciembre 25, 2010

La ciencia de la nieve

Copo de nieve tomado con un
microscopio electrónico
(foto D.P. Depto. de Agricultura de
EE.UU. vía Wikimedia Commons)
El solsticio de invierno es sinónimo con la nieve, al menos en las latitudes al norte de los trópicos donde las estaciones son más acusadas. Y sin embargo, entre los trópicos, la gente gusta de imaginarse la nieve, decorar sus árboles (herederos de la vieja tradición druídica adoptada por el cristianismo) con nieve artificial y soñar que su paisaje sufra la tremenda transformación que implica la caída de un manto de nieve.

Quizá la nieve sea la forma más apasionante y atractiva que puede asumir el agua. Y es también, alternativamente, un desafío apasionante (o, mejor dicho, muchos desafíos apasionantes distintos) para la ciencia, un peligro cuando se descontrola – ya sea al caer o al deslizarse en avalanchas –, una inspiración deportiva para actividades como las diversas formas de esquí, el snowboard o las carreras en trineo, una fuerza de la selección natural debido a la que muchos animales que viven en la nieve tengan un rico pelaje blanco… y un excelente material para jugar.

La nieve se forma en regiones de la atmósfera donde el aire tiene un movimiento hacia arriba alrededor de un sistema de baja presión al que los meteorólogos llaman “ciclón extratropical”, en condiciones de muy baja temperatura (de 0 ºC o menos) y de un elevado contenido de humedad.

El agua de los copos de nieve está “superenfriada”, porque las moléculas de agua suspendidas en la atmósfera pueden mantenerse sin congelarse hasta los -35 ºC a menos que se reúnan alrededor de un núcleo de polvo, arcilla, arena, bacteria o cualquier otra partícula que pueda hallarse suspendida en el aire. No es sino hasta llegar a menos 35 grados que se pueden formar copos sin necesidad de polvo. Una vez que comienza el proceso de congenación, rápidamente se forman cristales de agua.

La forma característica del copo de nieve hexagonal plano que con frecuencia se utiliza para representar las festividades de la época, es sólo una de las que pueden adoptar los cristales de nieve. En función de la temperatura y la humedad del ambiente, se pueden dar también cristales en forma de agujas, de columnas huecas o de prismas, o copos de nieve tridimensionales llamados “dendritas”, entre otros muchos, incluidas unas curiosas columnas que desarrollan un cristal hexagonal en un extremo, y bolas que son resultado de sucesivas congelaciones y descongelaciones que ocurren mientras los cristales de nieve aún están suspendidos en la atmósfera, incluso mientras caen.

La nieve no se clasifica solamente por la forma y tamaño de los copos, sino también por su velocidad de acumulación y la forma en que se reúne en el suelo. La ideal “nieve polvo” de los esquiadores es una nieve ligera, muy seca y suave, a veces tanto que con ella no se pueden hacer bolas de nieve porque se deshace. Sin embargo, desde el momento en que la nieve se deposita en el suelo, se ve sujeta a la compactación y a cambios de temperatura en ciclos de congelación y descongelación que van haciendo que esta nieve polvo se vuelva granular, desarrolle una capa o costra de hielo y acabe convirtiéndose ya sea en hielo o en agua fangosa.

La compactación es fundamental para algunos de los usos más festivos de esta forma de agua, como las guerras de bolas de nieve y la fabricación de esculturas en nieve, desde el más sencillo y común muñeco hasta las fantasías nevadas que año tras año producen escultores especializados en este material.

Uno de los principales estudiosos de la nieve, el Dr. Ed Adams, investigador de materiales en la Universidad de Montana, destaca la enorme complejidad que se oculta detrás de la aparente sencillez de la nieve: “si pongo una caja de nieve en la nevera y vuelvo una hora después, habrá cambiado significativamente”.

Avalanchas

El estudio de las avalanchas o aludes, deslizamientos de nieve que se cobran numerosas víctimas todos los años, es una de las más activas áreas de investigación de este peculiar material, y la que ocupa al Dr. Adams.

Como ocurre con las erupciones volcánicas, los terremotos y otros desastres naturales, grandes esfuerzos se han invertido en tratar de predecir cuándo ocurrirán. En el caso de las avalanchas, además, es posible provocarlas preventivamente (y, se espera, controladamente) utilizando sistemas como cargas explosivas.

La complejidad de la nieve es un elemento clave en la formación de avalanchas. Las zonas de acumulación de nieve no son uniformes, sino que están formadas de capas con distintas propiedades y a distintas temperaturas, que se mantienen unidas entre sí y sobre la tierra por la fricción de los cristales entre sí.

En pendientes de entre 25 y 60 grados de inclinación, se pueden formar acumulaciones o losas de nieve. Cuando la fricción disminuye y se presenta además un detonante (como un árbol que cae, un cambio brusco en la temperatura y, casi nunca, por un ruido fuerte como suele presentarlo Hollywood), la nieve se desliza sobre las capas inferiores o directamente sobre el suelo, arrasándolo todo a su paso.

El estudio de las avalanchas se ha llevado al laboratorio para duplicar las condiciones que afectan a la nieve. El Dr. Adams ha concluido así que la causa más común de las avalanchas es una capa débil de nieve sobre una más sólida. Las capas débiles tienen cristales con facetas que tienen menor fricción y por tanto se pueden deslizar más fácilmente en lugar de permanecer unidos al resto de la nieve. La comprensión de la dinámica de la capa superior de las acumulaciones de nieve, espera el Dr. Adams, puede mejorar la predicción de las avalanchas.

Una mejor predicción de las avalanchas nos ayuda a tener una blanca navidad más segura. Lo que nos lleva a un último aspecto de la nieve que ha ocupado a la ciencia: ¿por qué es blanca? El impactante color de la nieve se debe a que el hielo es traslúcido, y la luz se refracta o cambia de dirección al pasar del aire al agua congelada que forma los cristales de nieve, de nuevo al pasar al aire y luego al chocar con otro cristal en otra posición. En resumen, la luz “rebota” por los cristales hasta que sale nuevamente de la nieve. Y como el hielo refracta de igual modo las distintas frecuencias de la luz, la que sale de la nieve es tan blanca como la luz del sol que entra en ella.

¿Los 400 nombres de la nieve?

Uno de los mitos más extendidos respecto de la nieve es que los pueblos inuit tienen una gran cantidad de palabras para distintos tipos de nieve. En 1911 el antropólogo Franz Boaz comentó que los inuit tenían cuatro palabras para la nieve, y… la bola de nieve creció hasta hablar de 400 vocablos. Resultó falso. Las lenguas de los grupos inuit tienen a lo mucho dos palabras para nieve. Siendo muy laxos, se contaría a lo mucho una docena, según el lingüista Steven Pinker. Pero incluirían los sinónimos de palabras en español como “ventisca”, “avalancha” y “granizo”.

diciembre 11, 2010

Somos ecosistemas

House Dust Mite
Ácaro común del polvo, Dermatophagoides
pteronyssinus.
(foto D.P. gobierno de los EE.UU.,
vía Wikimedia Commons) 
La idea de tener parásito nos horroriza y, sin embargo, asombrosas cantidades de seres vivos que nos habitan e incluso nos ayudan a vivir.

El piojo, la pulga, las infestaciones por hongos y, por supuesto, las abundantísimas infecciones ocasionadas por bacterias, protozoarios e incluso virus conforman una enorme proporción de las enfermedades que pueden afectarnos. Pero hay otros muchos seres que viven en nosotros y de los que habitualmente no estamos conscientes. Quizá, en gran medida, porque la sola idea de albergar diversos seres vivos es difícil de tolerar para muchas personas.

Afortunadamente, es imposible deshacernos de la enorme cantidad de seres vivos que viven en nosotros y sobre nosotros. Han sido siempre parte de nuestra vida y la de nuestros antepasados, y muchas de las especies que nos habitan no sólo no nos causan daños, sino que tienen una relación mutualista con nosotros, realizando tareas benéficas y con frecuencia fundamentales para nuestra vida.

Y si pretendemos tener una mayor cosciencia ecológica, es oportuno asumir también que nosotros, nuestro cuerpo, somos un entorno ecológico, con nichos de gran diversidad que atraen a habitantes igualmente variados y que nos acompañan desde el momento del nacimiento en nuestra piel, en nuestro tracto respiratorio y en el tracto digestivo. Son parte de lo que somos.

Los seres vivos más conocidos que viven en nosotros, y que nos parecen los menos amenazantes, son las numerosas bacterias y otros microorganismos que conforman nuestra “flora intestinal”, esencial para la vida aunque, si sale del entorno donde nos resulta útil, se pueden volver patógenas. En casos de ruptura de nuestros órganos, por ejemplo, esas mismas bacterias causan la infección de la cavidad abdominal llamada peritonitis.

Los participantes más conocidos de la flora intestinal, debido a la publicidad a veces exagerada de ciertos productos, son los del genus Bifidobacterium, unas bacterias que viven sin necesidad de oxígeno y que ayudan a la digestión, colaboran con el sistema inmunitario y fermentan ciertos carbohidratos. Estas bacterias conviven en nuestro tracto intestinal (y en la vagina), con los lactobacilos, que convierten la lactosa y otras azúcares en ácido láctico, provocando en su entorno niveles de acidez que impiden la proliferación de otras bacterias dañinas.

Nuestro intestino es hogar de otros lactobacilos, así como de bacterias del genus Streptococcus. Aunque solemos identificar a estas últimas, los estreptococos, como patógenos causantes de enfermedades como la neumonía, la meningitis, las caries y la fiebre reumática, hay variedades inocuas que viven en nuestra boca, piel, intestinos y tracto respiratorio superior. Algunas especies, por cierto, son indispensables para la producción del queso emmentaler.

Es en el intestino grueso donde encontramos una verdadera selva rica en vida formada por bacterias de más de 700 especies en números elevadísimos. Estos seres hacen de nuestro intestino grueso un enorme recipiente de fermentación donde digieren ciertos componentes de los que no se puede hacer cargo nuestra digestión, como la fibra alimenticia, que convierten en ácidos grasos que sí puede absorber el intestino y producen parte de las vitaminas que necesitamos, como la K y la B12 y producen algunos anticuerpos.

Si el intestino grueso es el Amazonas, nuestra boca es un océano vibrante lleno de vida. Se calcula que en cada mililitro de saliva se pueden encontrar hasta mil millones de bacterias diversas, parte de un ecosistema altamente complejo de más de 800 especies de bacterias, algunas de las cuales viven sólo en ciertas zonas de nuestra boca, como la superficie de los dientes o entre ellos, donde hay poco oxígeno (formando la placa dental que puede conducir a la caries).

Y queda además la compleja orografía de nuestra piel, con bacterias que buscan lugares húmedos y oscuros, como los sobacos, las ingles y los pies con zapatos, sobreviviendo y reproduciéndose alegremente, sin siquiera enterarse de que provocan olores que los seres humanos hallamos ofensivos y contra los cuales se han montado industrias enteras, como las de los desodorantes, así como prácticas higiénicas.

Los ácaros

Los ácaros son parientes de las garrapatas y ambos pertenecen a la clase Arachnida, que comparten con todas las arañas y escorpiones. De hecho, los ácaros son uno de los grupos más exitosos de invertebrados, ocupando numerosos hábitats aprovechando su arma fundamental: su tamaño microscópico. A la fecha, se han identificado más de 48.000 especies de ácaros, algunos de los cuales son parásitos de plantas, animales y hongos, mientras que hotros son unos bien conocidos comensales de nuestras casas: los ácaros del polvo.

Los ácaros del polvo viven en nuestros muebles y se alimentan principalmente de las escamas de piel que vamos dejando caer todos los días y que forman buena parte del polvo doméstico. Generalmente inofensivos, los ácaros del polvo sin embargo pueden provocar en algunas personas reacciones alérgicas que pueden ser graves.

Pero hay otras dos especies de ácaros que viven no sólo con nosotros, sino en nosotros, especialmente en nuestros rostros. Uno es Demodex folliculorum, que vive, como su nombre lo indica, en los folículos pilosos de las pestañas, cejas y pelos de la nariz de la gran mayoría de las personas. Este ácaro, del que se han llegado a observar hasta 25 en un solo folículo piloso, se alimenta de piel, hormonas y el sebo que produce nuestra piel. El otro habitante arácnido más común de nuestro rostro es Demodex brevis, pariente del anterior, que vive preferentemente en las glándulas sebáceas.

Al mirarnos la cara al espejo estamos viendo un mundo de vida, aunque sea microscópica, un universo apasionante de ácaros, hongos, virus y bacterias que, en lugar de provocarnos rechazo o asco, deberían servir como un constante recordatorio de la enorme capacidad de la vida de manifestarse y florecer donde quiera que haya un nicho habitable. En el complejo engranaje del equilibrio ecológico, no somos simples individuos, participamos como ecosistemas.

Antibióticos en nuestro ecosistema

El uso de antibióticos de “amplio espectro” (lo que quiere decir que son capaces de atacar a bacterias de muchas distintas variedades) puede disminuir nuestra flora intestinal, provocando diarrea, con el consecuente peligro de la deshidratación, y permitiendo que se reproduzcan otras bacterias patógenas resistentes a los antibióticos, que pueden provocar enfermedades más difíciles de tratar. Una forma de evitar estos riesgos, o minimizarlos, radica en no utilizar antibióticos innecesariamente, en siempre llevar hasta su fin previsto cualquier tratamiento con antibióticos y consumir probióticos (siempre bajo recomendación del médico) junto con el tratamiento.

diciembre 04, 2010

La ciencia del deporte

Cuando miramos hacia atrás, a los deportistas del pasado, no podemos sino admirarnos de las hazañas que algunos de ellos consiguieron con equipaciones y formas de entrenamiento que hoy se nos antojan arcaicas e, incluso, peligrosas.

Eddie Merckx en 1966
(Foto CC de Foto43 vía Wikimedia Commons)
Como ejemplo de esto último, Eddie Merckx, leyenda belga del ciclismo que ganó cinco veces el Tour de France entre 1969 y 1974 y conquistó el récord de la hora en 1972, casi nunca utilizó casco, o lo que se consideraba tal en el ciclismo: un curioso adminículo formado por tres o cuatro tiras de piel acolchadas.

El primer casco para ciclismo útil apareció a mediados de la década de 1970, demasiado tarde para el belga, y tenía poco que ver con los actuales, diseñados con materiales de máxima seguridad, malla de nylon, espuma protectora y un exterior ligero diseñado con orificios de ventilación para añadir comodidad a la seguridad del ciclista. Por no mencionar los cascos aerodinámicos extremos que aparecieron hasta los años 80, cuyos descendientes hoy vemos en las pruebas contrarreloj y algunas pruebas de pista.

Lo que desde tiempos de la Grecia clásica se consideraba solamente un enfrentamiento entre las capacidades, fuerza, agilidad, astucia y potencia de los contendientes, se ha convertido hoy también en una competencia científica. Los principios científicos dentro de las más diversas disciplinas se han orientado a la competición deportiva buscando optimizar la preparación y rendimiento del deportista. Los científicos detrás de cada deportista son actualmente un factor fundamental del éxito… o el fracaso.

La implantación de la ciencia en el deporte es, sin embargo, una consecuencia inevitable de la curiosidad científica misma, al plantearse preguntas sobre el tiempo de reacción, la resistencia muscular, los límites de la velocidad, la nutrición, la forma en que el cuerpo humano corre, salta, gira… la ropa usada por los deportistas y el rendimiento del equipamiento: balones, zapatos y zapatillas, jabalinas, canoas, raquetas, palos… y también sobre algunos aspectos especialmente atractivos, como el efecto o curvado de la trayectoria de las pelotas en el fútbol o el béisbol.

Así, por ejemplo, en septiembre de 2010 los medios informaron de un estudio publicado en la respetada revista científica ‘New Journal of Physics’ que analizaba y explicaba en detalle y en base a las leyes de la física el famoso “gol imposible” que Roberto Carlos marcó a la selección francesa en un amistoso previo al Mundial de 1998.

A los campos deportivos acudieron los científicos con sus aparatos de medición, cuando no llevaron a los propios deportistas a sus laboratorios, para analizar minuciosamente cada detalle que marcaba la diferencia entre el primer lugar y los demás. Y conforme la ciencia iba entendiendo cada vez mejor los distintos aspectos que se conjuntan en un excelente rendimiento deportivo, los entrenadores, los preparadores físicos, los patrocinadores y los propios atletas fueron acudiendo a ellos para obtener una ayuda en la consecución del ideal olímpico: citius, altius, fortius… más rápido, más alto, más fuerte.

El entrenamiento y preparación física de los deportistas, así como su nutrición, han sufrido extraordinarios cambios en las últimas décadas, maximizando sus resultados por medio del conocimiento de sistemas y técnicas probados para conseguir sus objetivos deportivos, sustituyendo a muchas creencias y supersticiones que durante mucho tiempo dominaron los entrenamientos

La tecnología de materiales es una de las más visibles en el desarrollo del deporte. La fibra de carbono, desarrollada en 1958, llegó al mundo deportivo en la década de 1980, es uno de los materiales más utilizados. Se trata de hilos formados por miles de filamentos de carbono, de gran resistencia y flexibilidad, que se emplean en materiales compuestos, formados por la fibra incrustada en una resina. Desde 1980, la fibra de carbono se encontró sirviendo por igual a los ciclistas que a los tenistas, con raquetas mucho más duras y ligeras, a los golfistas. El propio Eddy Merckx, hoy de 65 años y fabricante de bicicletas, las ofrece producidas en fibra de carbono y en aleaciones de aluminio-escandio, mucho más resistentes y ligeras que aquéllas en las que conquistó la gloria.

Los nuevos materiales se encontraron en la década de 1970 con los primeros conocimientos sólidos sobre la biomecánica del pie y la pierna… y la zapatilla deportiva pasó a ser elemento dedicado a maximizar el uso de la energía, devolviendo al pie parte de la que invierte en cada paso, acolchando, guiando y colocando el pie para conseguir el “paso perfecto”. También incluyen tecnologías de ventilación o de conservación del calor, diseños y materiales repartidos en toda su estructura para responder a la torsión, tensión y choques que sufren las distintas partes del pie, o incluso para impedir que entren al zapato piedrecillas durante las carreras a campo traviesa. Cada milisegundo de cada paso, patada, salto, giro o aterrizaje que haga un deportista se mide, registra y estudia para mejorar el rendimiento mediante sus zapatillas.

En las carreras de todo tipo, desde los míticos 100 metros lisos hasta las carreras de patines sobre hielo o la natación, la ciencia de la aerodinámica está jugando también un importante papel. Y los túneles de viento, como los usados para probar los diseños de los autos de Fórmula Uno, se emplean también para conocer la resistencia aerodinámica y el gasto energético de distintos tejidos, incluyendo detalles en apariencia tan poco relevantes como la colocación de los medios de sujeción (cremalleras, botones, cintas, etc.) que pueden representar una o dos centésimas de segundo en la crono final.

¿Puede la ciencia realmente decidir una competición? Si todos los participantes cuentan con lo último en tecnología y ciencia, tanto en su preparación como en su equipamiento, las condiciones son equitativas y el resultado seguirá siendo esencialmente responsabilidad del atleta, de su capacidad y actitud. El magistral Jesse Owens que dominó los juegos olímpicos de 1936 en Berlín, humillando las ideas racistas, también tenía lo último en tecnología de su tiempo, por más que nos parezca tecnología arcaica 74 años después.

Beneficios para todos

La ciencia y tecnología del deporte no se agota en las grandes competiciones de alto rendimiento, sino que ha ofrecido apoyo a todos quienes se ejercitan o practican cualquier deporte como aficionados. Porque no se trata únicamente de tener mejores resultados, sino también de ejercitarnos con mayor eficacia y seguridad. El moderno equipamiento tiene entre sus objetivos el evitar lesiones y problemas que eran comunes en el pasado y representaban muchas veces un gran obstáculo para el disfrute y ejercicio de nuestro deporte favorito.