Nacido en el seno de una familia con varias generaciones de médicos, podría decirse que en los genes del catalán Joaquín Fuster (88 años) estaba escrito su destino en la medicina, al igual que en los de su hermano, el reconocido cardiólogo Valentín Fuster. Pero ha sido él mismo quien poco a poco ha redactado su exitosa trayectoria en el área de la Neurociencia, con importantes aportaciones a nivel internacional sobre el órgano más complejo y con más interrogantes del ser humano: el cerebro.

Joaquín Fuster: «Gran parte de nuestras decisiones siguen influencias inconscientes»

Con la intención de buscar respuestas, en los años 60 se marchó a Estados Unidos para dedicarse en cuerpo y alma a la investigación y, desde entonces, continúa profundizando con afán en los secretos mejor guardados de la corteza prefrontal. Uno de ellos, la libertad, un concepto al que Joaquín Fuster brinda su ser neurocientífico, su ser humanístico, sus reflexiones más personales y un libro que publicó en 2014 (Cerebro y libertad).

En su paso por España para abordar hasta qué punto y qué estructuras del cerebro participan en la protección del ejercicio de la libertad, este gran exponente de la Neurociencia nos reserva un hueco en su agenda.

Lleva más de cinco décadas centrado en el estudio de la corteza prefrontal. ¿Por qué eligió esta parte del cerebro?

Las regiones menos conocidas son las más interesantes para nosotros. Concretamente, la corteza cerebral en general y la prefrontal en particular, sede de todas las funciones ejecutivas que son esenciales para la libertad, como la planificación y la toma de decisiones.

Inspirado por algunas de las teorías de Ramón y Cajal sobre las conexiones neuronales, no ha cejado en su empeño por saber más y más de la corteza prefrontal. ¿Qué la hace tan importante?

Hemos verificado su importancia en las funciones cognitivas y ejecutivas. Es lo que abre el organismo del niño y del adulto (su desarrollo no se completa hasta la tercera década de vida) al futuro. Una clave en la educación de los pequeños es justamente el desarrollo de esta parte de la corteza. Sólo postergando la gratificación es posible tomar decisiones desde la libertad.

¿Cómo define usted este concepto?

A grandes rasgos, es la capacidad para elegir acciones entre alternativas, incluyendo no hacer nada, y para adquirir información sensorial o de otro género que sirva para estas funciones cognitivas.

¿Somos realmente libres?

Sí, siempre teniendo en cuenta que naturalmente hay límites: la fisiología, la anatomía y la genética; la responsabilidad social y la ley. No obstante, hay que tener en cuenta que en toda decisión que tomamos, hay otros muchos factores que influyen, como la memoria individual, el pasado, el lenguaje… Estos factores modifican y sesgan nuestras decisiones conscientes e inconscientes.

¿Somos conscientes de que ejercemos nuestra libertad en nuestra toma de decisiones?

Tomamos decisiones a veces por intuiciones sin saber exactamente por qué las tomamos. Lo que llamamos la corazonada.

¿Qué valor diferencial aportan sus conocimientos humanísticos a la Neurociencia?

Son fundamentales. Es un tema que me preocupa muchísimo. Porque nuestra civilización tecnológica está dejando de lado los valores humanísticos que tan importantes son para la sociedad. Cada vez nos aproximamos más a la inteligencia artificial y nos alejamos más de la individual, de la especie humana. Los ordenadores funcionan de un modo más rápido y eficaz que nuestro cerebro para algunas cosas, pero no tienen iniciativa, no pueden crear ni imaginar.

¿Cree que damos demasiado protagonismo a la tecnología en nuestra vida cotidiana?

Nos estamos haciendo esclavos de la máquina. Hace muy bien su trabajo, pero no tiene capacidad para las relaciones sociales ni para los sentimientos y emociones, que es lo que de verdad mueve a la especie humana. Olvidamos la importancia de la música, la historia, el lenguaje y las cosas que tendrían que ser el fundamento de toda civilización.

¿Cómo es la libertad en la política? ¿Hasta qué punto somos libres para elegir a nuestros mandatarios?

En una democracia, la libertad se basa en estas dos cosas: capacidad de adquirir libremente información que no sea sesgada y la capacidad de ejercer el voto de modo libre. Como en todas las sociedades, desgraciadamente, hay individuos, entidades, partidos que miran cómo influir en la opinión publica. Son los magos políticos, los que son capaces de influir en la información, de tal modo que la opinión de la gente está, en el mejor de los casos, sesgada y es poco libre, si no es tiranizada por esas ideas.

¿Hemos perdido la confianza en nuestros políticos?

La confianza en el político es esencial. Cuando tenemos gobernantes que no se ganan la confianza de la gente, no son capaces o son delicuentes, sumamente ambiciosos, sin sentimientos altruistas auténticos, la gente se desmoraliza, desconfía y se rompe el tejido de la sociedad.

¿Cómo deberíamos cuidar nuestro cerebro y, por tanto, nuestra libertad?

Como dice mi hermano Valentín, el corazón regala años de vida y el cerebro calidad de vida. Y estoy muy de acuerdo. Es una frase fantástica. Teniendo en cuenta la combinación, lo primero que hay que cuidar es la nutrición. Después, ejercicio físico. Sin duda, es fundamental el ejercicio mental y la interacción social.

Su interés inicial era la Psiquiatría, la especialidad de su padre, profesor en la Universidad Autónoma de Madrid e impulsor del Hospital Clínic de Barcelona. ¿Cómo fue ese cambio a la Neurociencia?

En la psiquiatría, lo que interesaba e interesa saber es cómo funciona el cerebro y qué papel tiene en la enfermedad mental y qué podemos hacer para aliviarla. En los años 50, en la España de Franco no había una investigación viable en neurofisiología.

¿Y se han hallado claves de enfermedades mentales en la corteza prefrontal?

No hay enfermedad mental de ningún género que pueda localizarse en ninguna región en concreto del cerebro. Lo que sí sabemos es que ciertas enfermedades mentales como la esquizofrenia son resultados de una muerte de conexiones cerebrales entre neuronas corticales. Hay una desconexión. Al desconectarse las zonas del cerebro que más tienen que ver con la cognición, se disgrega al mismo tiempo la distribución de las influencias del cerebro básico de las emociones y te encuentras con enfermos que tienen esta desintegración de la cognición y a la vez tienen estos trastornos tan notables en las relaciones emocionales con los demás. Esto tiene mucho que ver con la prefrontal, que sirve para ligar conocimientos y memorias. Pero la corteza prefrontal no es la única parte del cerebro afectada en la esquizofrenia.

¿Cómo valora la apuesta en España por la ciencia?

La apuesta por la ciencia es variable. Depende de los presupuestos estatales y la prosperidad pública. Hay un problema de fondo. En nuestro país, desgraciadamente, la ciencia es un lujo. Estamos siguiendo al pie de la letra lo que decía Unamuno en su día: que inventen los demás. Esto requiere una reeducación de la sociedad que se ha de empezar en las escuelas. Estamos por debajo del promedio europeo en cuanto a conciencia de la ciencia.

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Representación de lo ocurrido en Arp-299-B: un evento de disrupción de marea – Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF; NASA, STScI.

Astronómos observan por vez primera cómo el agujero negro destruye una estrella.

El núcleo de una galaxia situada a 150 millones de años luz desgarró una estrella y emitió un potente chorro de energía. Los astrónomos han podido observarlo y estudiarlo durante 10 años

La mayoría de las galaxias tienen en su centro una gigantesca y misteriosa acumulación de materia, tan densa, que ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad. Estos extraños objetos reciben el nombre de agujeros negros supermasivos. Alcanzan masas hasta miles de millones de veces superiores a las del Sol. Y como la luz no puede escapar de su influencia, realmente son oscuros y negros. No podemos verlos, así que solo podemos saber de ellos lo que inferimos por las distorsiones de la luz en su entorno y por su efecto sobre los movimientos de otras estrellas. A veces, si los astrónomos tienen mucha suerte, pueden ver cómo una pobre estrella es engullida por estos monstruos. Las explosiones resultantes, que generan increíbles chorros de energía y materia, son tan espectaculares como interesantes, porque contienen mucha información útil.

Esto es precisamente lo que los científicos han podido observar durante 10 años. Investigadores de la Universidad de Turku (Finlandia), junto con astrónomos españoles del Instituto de Astrofísica de Andalucía, han observado un estallido generado por el desgarro de una estrella que fue engullida por un agujero negro supermasivo. Este evento ocurrió en la galaxia Arp-299-B, situada a 150 millones de años luz de la Tierra. Es la primera vez que los científicos pueden observar con tanto detalle un evento así. Esta investigación se ha publicado en Science este jueves, y ha sido realizada por 36 científicos de 26 instituciones distintas.

«Nunca antes se había podido observar directamente la formación y evolución de un chorro como consecuencia de este fenómeno», ha explicado en un comunicado Miguel Pérez-Torres, científico del Instituto de Astrofísica de Andalucía.

El temible evento de disrupción de marea

Arp-299-B fue el escenario de un evento dramático. Un agujero negro de 20 millones de masas solares desgarró una estrella dos veces más masiva que el Sol, en un tipo de fenómeno que se conoce como evento de disrupción de marea. El suceso creó una cascada de fenómenos que nos dicen hoy mucho sobre los agujeros negros, las estrellas y la energía.

«Estos eventos nos dan una oportunidad única para avanzar nuestra comprensión sobre la formación de chorros en la vecindad de estos poderosos objetos», ha añadido Pérez-Torres.

Además, como se cree que este tipo de eventos fue más común cuando el Universo era joven, estudiarlos puede ayudar a los científicos a comprender mejor el medio en el que las galaxias se desarrollaron hace miles de millones de años.

La inmensa fuerza de gravedad que genera el agujero negro, no deja escapar ni la luz

Los científicos creen que estos eventos son comunes, aunque hasta ahora se hayan observado pocos. Se cree que comienzan cuando el agujero negro desnuda a una estrella cercana de algunas de las capas externas de su gas. Entonces se forma un disco giratorio con este gas que cada vez gira más y más rápido, a medida que se acerca al agujero negro. Esta velocidad le permite comenzar a emitir rayos X y luz visible. Y llega un punto en que produce una potente erupción que adquiere la forma de un chorro de alta velocidad en los polos del agujero negro.

El episodio visto en Arp-299-B

Imagen tomada por el telescopio espacial Chandra de Arp 299, un sistema de dos galaxias

Este evento de disrupción de marea tuvo lugar hace unos 150 millones de años. Pero sus fotones llegaron a la Tierra en fechas recientes, de modo que, el 30 de junio de 2005, el Telescopio William Herschel, en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Canarias) lo detectó. En un principio se captó un brillante destello en el rango del infrarrojo en el núcleo de una galaxia. Siete meses después, el telescopio Very Long Baseline Array (VLBA) averiguó que aquel punto coincidía con una fuente de emisión de radio.

«A medida que pasó el tiempo, el nuevo objeto permaneció brillante en el espectro de las ondas de radio y las infrarrojas, pero no en el rango visible ni en el de rayos X», dijo Seppo Mattila, primer autor del estudio e investigador de la Universidad de Turku. Esto no coincide con lo ya visto en este tipo de eventos, ya que se esperaría ver señales en las longitudes de onda ausentes. «La explicación más factible es que una gruesa capa de gas interestelar y polvo cercana al núcleo galáctico absorbiera estas longitudes de onda, y que la radiaran de nuevo en forma de infrarrojos», explicó el investigador.

Las observaciones posteriores, extendidas durante casi una década, mostraron que la fuente de emisión de radio se extendió en una sola dirección, como se espera de un chorro. De hecho, se pudo comprobar que dicho jet se movió a una velocidad de la cuarta parte de la velocidad de la luz.

Quizás hay que tener en cuenta que, al igual que cada instrumento musical vibra de una forma concreta, por ejemplo un violín es más agudo que un violoncelo, cada fenómeno astrofísico produce radiación electromagnética con una longitud de onda determinada. Una parte es para nosotros luz visible, pero otra parte no la podemos ver, como pasa con los rayos X o con los infrarrojos. Lo positivo es que cada una de estas longitudes de onda da una información concreta sobre distintas cosas que ocurren en este agujero negro. También es interesante que cada longitud de onda tiene una capacidad distinta para atravesar materiales: algunas no atraviesan el polvo galáctico al igual que la luz no atraviesa la piel pero los rayos X sí.

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« La Flecha del Tiempo I

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La fotosíntesis

La conocida ecuación básica que describe la reacción endotérmica por la cual se sintetiza una molécula de glucosa a partir de sus seis moléculas de CO₂ y H₂O, y 2’8 MJ de radiación solar, es una simplificadísima caja negra. Una caja negra más realista sería la siguiente:

106 CO₂ + 90 H₂O + 16 NO₃ + PO₄ + nutrientes minerales + 5’4 MJ de radiación

= 3’258 g de protoplasma (106 C, 180 H, 46 O, 16 N, 1 P y 815 g de cenizas minerales) + 154 O₂ + 5’35 MJ de calor disipado.

Sin macronutrientes ni micronutrientes no se puede producir fitomasa, que está compuesta por los nutrientes básicos necesarios para todos los seres heterótrofos: azúcares complejos, ácidos grasos y proteínas.

Para entender esta caja negra hay que comenzar por destacar la acción de unos pigmentos sensibles a la luz entre los cuales destacan las clorofilas. Éstas absorben la luz en dos bandas estrechas, una entre 420 y 450 nm, y la otra entre 630 y 690 nm. Así, la energía necesaria para la fotosíntesis sólo procede de la radiación azul y roja a la que corresponde menos de la mitad de la energía total de la insolación. Esta parte de la radiación fotosintéticamente activa (RFA) no se utiliza en reducir CO₂, sino en la regeneración de compuestos consumidos durante la fijación del gas.

 Las plantas sanas, adecuadamente provistas de agua y nutrientes, hacen posible la producción líquida de fotosíntesis y de fitomasa …

La síntesis de fitomasa en el ciclo reductor del fosfato pentosa (RPP) – un proceso con varios pasos de carboxilación por catálisis enzimática, reducción y regeneración – tiene que empezar con la formación de trifosfato de adenosina (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP), que son los dos compuestos que suministran energía a todas las reacciones biosintéticas. La síntesis de las tres moléculas de ATP y las dos de NADP que se necesitan para reducir cada molécula de CO₂ requiere de diez cuantos de radiación solar con longitud de onda próxima al pico rojo de absorción de la clorofila (680 nm). El carbono procedente del CO₂, combinado con el hidrógeno del agua y con los micronutrientes, dará lugar a nueva fitomasa que contiene 465 KJ/mol.

La cantidad de energía de un cuanto de luz roja es de 2’92×10^-19 J (el producto de la constante de Planck, 6’62×10^-34 por la frecuencia de la luz, que a su vez es el cociente entre la velocidad de la luz y la longitud de onda).

Un einstein (definido como un mol o número de Avogadro, 6’02×10²³) de fotones rojos tiene una energía aproximadamente igual a 17 Kg. Suponiendo que la RFA es el 45% de la luz directa, la eficiencia global de la fotosíntesis es del 11%, que equivale a 456/(1.760/0’43). Esta eficiencia se reduce por lo menos en una décima parte más si tenemos en cuenta la reflexión de la luz en las hojas y la pérdida que supone atravesar la cubierta vegetal. Ninguna planta, sin embargo, se acerca siquiera a esta eficiencia teórica, porque parte de la luz absorbida por las clorofilas (generalmente, el 20 – 25 por ciento) vuelve a ser emitida en forma de calor, debido a que los pigmentos no pueden almacenar la luz y las reacciones enzimáticas no se producen con suficiente velocidad como para utilizar completamente el flujo de energía incidente. En la respiración se cede el carbono fijado en el metabolismo de la planta y en el mantenimiento de las estructuras que la soportan.

Para cada especie, la tasa con la que se pierde carbono está determinada principalmente por el tipo de fotosíntesis. Así, existen diferencias sustanciales entre las plantas C₃ y C₄. La respiración a escala de una comunidad o ecosistema depende del estado de crecimiento, y varía entre menos del 20 por ciento en plantas jóvenes en rápido crecimiento, hasta más del 90 por ciento en bosques maduros.

Con una pérdida del 25 por ciento para la reacción, y otro tanto para la respiración, la eficiencia fotosintética es ligeramente superior al 5 por ciento. En este punto, las estimaciones teóricas y los valores reales coinciden, ya que el valor medio de fotosíntesis neta en plantas muy productivas y en condiciones óptimas y durante cortos periodos de tiempo, oscila entre el 4 y el 5 por ciento. La mayoría de las plantas rinden en función de los nutrientes, especialmente nitrógeno y agua, o por las bajas temperaturas en las regiones de mayor altura y latitud. Los mejores rendimientos en sistemas naturales muy productivos, como los humedales y los cultivos, están entre el 2 y el 3 por ciento. En otros ecosistemas, como los pantanos tropicales templados y los bosques templados, el rendimiento de la transformación es del 1’5 por ciento, y en las praderas muy áridas sólo del 0’1 por ciento. Globalmente, la producción anual es, al menos, de 100.000 millones de toneladas de fitomasa, que se sintetizan con un rendimiento medio del 0’6 por ciento.

… 90% de la fotosíntesis Llevada a cabo por Sol, OCÉANOS Contienen Minerales disueltos, OCÉANOS Cubren Cubre 3/4 de la tierra, OCÉANOS Producen 90% de la …

La fotosíntesis en los océanos, muy afectada por la escasez de nutrientes, es incluso menos eficiente. La productividad medie es de poco más de 3 MJ/m² y se realiza con un rendimiento fotosintético del 0’06 por ciento. La media ponderada total es 0’2 por ciento, es decir, que sólo uno de cada 500 cuantos de energía solar que llega a la superficie de la Tierra se transforma en energía de biomasa en forma de tejido vegetal.

La mayor parte de esta energía se almacena en forma de azúcares simples, que contienen más energía, y que sólo se encuentran en las semillas.

La mayor parte de la fitomasa está en los bosques. En los océanos, los principales productores son los organismos que componen el fitoplancton, que son muy pequeños y flotan libres. Su tamaño varía entre algo menos de 2 y 200 μm de diámetro y están formados por cantidades variables de bacterias y protoctistas eucarióticos. Las cianobacterias cocoides son tan abundantes en algunas aguas oligotrópicas que pueden ser las responsables de la mayor parte de la producción de fitoplancton.

Los protoctistas fotosintetizadores varían entre los más pequeños flagelados pigmentados (como las criptomonas y crisofitos), hasta las diatomeas y dinoflagelados, que son mayores (más de 10 mm) y generalmente dominantes. Las diatomeas están formadas por células sin flagelos, con paredes de silicio amorfo mezclados con otros compuestos orgánicos. Presentan una sorprendente y amplia variedad de diseño, desde las que tienen simetría central (las de forma radial son las dominantes en el océano), a las pennadas (simetría lateral), y otras forman largas cadenas.

La productividad de fitoplancton está controlada por la temperatura del agua y por la disponibilidad de radiación solar y nutrientes. La temperatura no es determinante, porque muchas especies son muy adaptables y consiguen una productividad similar en distintos ambientes. Aunque es frecuente la adaptación a diferentes condiciones lumínicas, tanto el volumen como en contenido en clorofila de las diatomeas aumenta con la intensidad de la luz. En el mar abierto, la mayor limitación es la cantidad de nutrientes disponibles.

Entre las carencias que más limitan la producción de fitoplancton está la de nitrógeno, el macronutriniente más importante, la de fósforo, y la de algunos otros micronutrientes clave como el hierro y el silicio.

Los medios menos productivos de la Tierra están en la capa superficial y la capa inmediatamente inferior de los océanos. En el mar abierto, las concentraciones más altas de nutrientes se encuentran entre los 500 y los 1.000 metros, a bastante más profundidad que la zona eufórica, capa en la que penetra la luz solar y que se extiende a unos 100 metros en las aguas transparentes.

El pequeñísimo tamaño de los productores dominantes es una adaptación eficaz a la escasez de nutrientes, ya que cuanto mayor sea el cociente entre la superficie y el volumen, y más lento el hundimiento de las células de fitoplancton en la capa eufórica, mayor es la tasa de absorción de nutrientes.

Cuando las corrientes elevan a la superficie las aguas frías y cargadas de nutrientes, la producción de fitoplancton aumenta sustancialmente. Las aguas costeras de Perú, California, noroeste y sudoeste de África, y de la India occidental son ejemplos destacados de ascensión costera de aguas frías. También se dan casos de ascensión mar adentro en la mitad del Pacífico, cerca del ecuador y en las aguas que rodean la Antártida. Otras zonas altamente productivas se encuentran en las aguas poco profundas cercanas a la costa que están enriquecidas por el aporte continental de nutrientes. Este enriquecimiento, con una proporción N/P muy descompensada, es especialmente elevados en los estuarios adonde van a parar grandes cantidades de aguas residuales y fertilizantes.

Las diferentes medidas de la productividad en las aguas oligotróficas de los mares subtropicales y de las aguas eutróficas con corrientes ascensionales, varían entre menos de 50 gC/m² y 1 gC/m², más de un orden de magnitud. Las estimaciones de la producción global de fitoplancton están comprendidas entre 80.000 y 100.000 millones de toneladas, que representan entre dos tercios y cuatro quintos de la fitomasa total terrestre. Contrasta con el resultado anterior el hecho de que, dado el corto periodo de vida del fitoplancton (1 – 5 días), la fitomasa marina represente sólo una pequeña fracción de todo el almacenamiento terrestre.

Los satélites de la Nasa, detectan solo el 50% del fitoplancton real del Océano Austral, por ello la captura de carbono en esta gran región es subestimado.

La distribución espacial del fitoplancton muestra zonas delimitadas que se extienden a escala local y global. La exploración desde los satélites es, con gran diferencia, la que permite detectar con mayor precisión las concentraciones de clorofila y la que ha posibilitado obtener las pautas de la distribución de fitoplancton. En las aguas que rodean la Antártida se observa claramente una distribución asimétrica en dos bandas casi concéntricas. La mejor distribución se explica por el hecho de que se deba a corrientes circumpolares y a la abundancia de ácido silicílico. Pero las zonas de mayor riqueza de fitoplancton se encuentran cerca de los continentes donde los ríos arrastran abundantes nutrientes disueltos.

El fitoplancton es la base energética de las intrincadas pirámides tróficas. Las cadenas alimenticias en el océano, generalmente, son redes complicadas. Una gran parte de la fitomasa disponible no la consumen directamente los herbívoros, sino que primero se almacena en depósitos de materia muerta que, transformada por bacterias, se convertirá en alimento para otros seres heterótrofos.

La gran producción de fitoplancton puede alimentar grandes cantidades de zoomasa. El kril, pequeños crustáceos parecidos a las quisquillas que se alimentan de diatomeas, son los organismos más abundantes en la superficie del mar; sus densas acumulaciones pueden contener hasta mil millones de individuos y su producción anual de zoomasa quizá llegue hasta los 1.300 millones de toneladas. Esta prodigiosa cantidad de zoomasa sirve de alimento a focas, calamares y peces, así como a los mayores carnívoros de la biosfera, las especies de ballenas con barbas que se alimentan filtrando el agua.

emilio silvera

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