Hace cerca de una semana me referí al uso de proteínas anticongelantes en la exploración espacial. Hoy continuamos esta serie con el tema que dejé antedicho, la retención de oxígeno.
Un factor clave en la supervivencia de cualquier organismo animal de la Tierra, desde esponjas hasta lechuzas, es que necesitamos una concentración mínima (límite) de oxígeno en nuestras células para funcionar, ya que nuestro metabolismo, y por ende, nuestra forma de vivir, evolucionaron a partir de la oxidación con O2 de moléculas orgánicas para la obtención de energía. Al proceso oxidativo por el cual obtenemos la energía que utilizamos para la síntesis de biomoléculas, replicación del ADN, mitosis celular, correr y pensar, se lo llama fosforilación oxidativa, y ocurre en todos los organismos superiores (incluyendo plantas) y en la gran mayoría de los inferiores.
En el caso de nuestros ancestros marinos, el oxígeno se filtraba desde el agua hasta el fluido nutritivo que abastecía sus células (para nosotros sangre), por medio de un sistema de agallas. Para los animales terrestres (insectos, arácnidos, miriápodos, algunos decápodos, oniscídeos, onicóforos, anélidos de tierra, gasterópodos pulmonados y tetrápodos), el oxígeno debe ser filtrado desde el aire. Actualmente, los humanos no podemos sobrevivir bajo el agua más que unos cuantos minutos debido a esta restricción aérea, y eso a pesar de que el agua posee oxígeno disuelto suficiente como para que sobrevivan peces colosales. ¿Qué nos queda entonces para ambientes que carecen de oxígeno?
En el caso marciano la atmósfera presenta un 0,13% de oxígeno en relación al 22% que posee la atmósfera terrestre. Por otro lado la filtración de oxígeno desde la atmósfera a la sangre depende de la presión del gas y de la diferencia de concentraciones entre la atmósfera y la sangre desoxigenada que pasa por nuestros pulmones. La presión de la atmósfera marciana es una centésima parte de la terrestre, luego la presión parcial de ese 0,13% de oxígeno es cien veces menor, vale decir, casi nulo.
Ciertamente no podemos hacer mucho si virtualmente no hay oxígeno, pero sí podemos usar mejor el que llevamos con nosotros. Los buzos pueden sobrevivir bajo el agua cargando un tanque de oxígeno comprimido (de manera similar a como lo hacen los exploradores espaciales). Una innovación inteligente, mas, los humanos no somos ni los primeros ni los últimos animales que retornan al agua ancestral. Multitud de animales terrestres se han ido "readaptando" a los ambientes acuáticos para mejorar sus chances de supervivencia, ¿cómo lo hacen sin tener que cargar con tanques de oxígeno? La respuesta es que sí lo hacen.
Un género de saurópsidos destaca por su capacidad de inmersión, Crocodylus. Los cocodrilos poseen la capacidad de almacenar oxígeno en las células transportadoras de oxígeno (eritrocitos) debido a una modificación de la estructura de su hemoglobina (el complejo proteico que transporta el oxígeno en la sangre), esto, sumado a su metabolismo reptiliano de bajo consumo, les permite permanecer bajo el agua durante horas sin necesidad de respirar.
Un caso más cercano es el presente en los mamíferos del orden Cetacea, entre los que destacan los misticetos (ballenas barbadas, grupo que incluye a las ballenas azules) y dentro de los odontocetos (ballenas dentadas) el Physeter macrocephalus (cachalote). Dependiendo de la especie, estos cetáceos pueden estar desde 20 ó 30 a 90 minutos (con extremos de hasta 180 minutos en los cachalotes más experimentados) sin tener que salir a la superficie a respirar. ¿Cómo pueden animales tan enormes mantener oxigenados cuerpos tan monumentales durante estas inmersiones prolongadas? La respuesta se halla en un metabolismo variable (pueden ralentizarlo) y en un complejo similar a la hemoglobina: la mioglobina. La mioglobina es la versión muscular de la hemoglobina sanguínea, y las ballenas poseen una mioglobina modificada que, tal y como la hemoglobina de los cocodrilos, puede almacenar oxígeno de manera mucho más eficiente. Además estos animales poseen proporcionalmente mucha más mioglobina por unidad muscular que un mamífero promedio, y las ballenas tienen mucho músculo: Es como si tuvieran un tanque de oxígeno gigantesco encerrado en su volumen corporal, lo que les permite permanecer oxigenadas sin respirar durante más tiempo.
¿Qué queda para nosotros? Tres sencillas respuestas. Primero, cambiar nuestra hemoglobina por la hemoglobina de cocodrilo. Segundo, cambiar nuestra mioglobina por la mioglobina de ballena. Y tercero, hacer nuestro metabolismo mucho más lento cuando fuera requerido. Realizando estas tareas (la tercera la de mayor dificultad) obtendríamos humanos capaces de sobrevivir en ambientes de bajo o nulo oxígeno durante periodos mucho más prolongados que los que se logran hoy y cargando menos peso del vital gas, bajando los costes de transporte, considerando como he mencionado en otras entradas, que menos peso significa menos combustible. Por lo demás, nuevamente esta aplicación espacial se reflejaría en beneficios para los que nos quedemos en la Tierra. Podríamos colonizar los océanos y las altas cumbres, donde el oxígeno escasea. En la siguiente entrada no trataremos más sobre exploración espacial, pero eventualmente se irán agregando nuevas entradas a esta serie. Hasta entonces.
jueves, 18 de febrero de 2010
viernes, 12 de febrero de 2010
Exploración espacial y transhumanismo (III): Bajo el punto de congelación.
Continuamos explorando los distintos tipos de modificaciones sobre nuestra biología que podrían aumentar nuestras probabilidades de sobrevivir en ambientes hostiles lejos de la protección de la Tierra. Ya hemos comentado cuán útil les sería a nuestros exploradores espaciales no tener que convivir con los malos olores de sus compañeros, y poseer resistencia UV en ambientes que carecen por completo de ozonósfera. Ahora ha llegado el momento de lidiar con un nuevo conflicto entre el ambiente extraterreste y el cuerpo humano: El punto de congelación del agua.
Es de saber popular que el agua es un componente importante del volumen corporal humano, y que se presenta en la Tierra bajo tres formas: sólida (hielo), líquida (agua) y gaseosa (vapor), siendo el límite entre hielo y agua líquida el punto de temperatura ubicado en 0ºC. Este punto varía dependiendo la composición salina del agua y la presión. Sobre la superficie terrestre una gran parte de la masa total del agua (la mayor parte) se comporta como un líquido de densidad media de 1000 ± 27 kg/m3 (debido a la presencia de sales disueltas), bajo condiciones de temperatura media que rondan los 20ºC, con una presión a nivel del mar de alrededor de 1,033 kilógramos-fuerza/cm2 (1 atm). Un kilógramo de agua libre de sales se congela a los 0ºC a 1 atm de presión, pero uno que posea sales disueltas tomará más tiempo (y más frío) en congelarse.
No obstante en los mundos donde nos interesa hacer exploración espacial las condiciones de temperatura y presión se alejan bastante de las condiciones terrestres.
Sobre la superficie de la Luna la presión media se acerca a cero en todos los sistemas de medida (no retiene una atmósfera mensurable), y por lo mismo no posee temperaturas cordiales: Oscila entre -230ºC y 120ºC dependiendo de si da o no directo al Sol. Por lo tanto si uno dejara un kilógramo de agua líquida sobre un cráter lunar, muy probablemente se convertiría en una escarcha volátil.
Marte, por otro lado retiene una atmósfera cuya presión es de alrededor de una centésima parte de la atmósfera terrestre, con temperaturas que rara vez superan los 0ºC. Por lo mismo el agua se halla sólida, o, debido a la baja presión, como vapor helado. Y ciertamente que bajo ninguna de estas formas nos gustaría tener el agua de nuestro cuerpo.
El cuerpo humano adulto retiene más de un 60% de agua líquida, la mayor parte concentrada dentro de las células individuales (líquido intracelular). El resto se reparte en los distintos fluidos del cuerpo, entre ellos la sangre. Un humano en el espacio interplanetario ebulliría debido a la falta de presión, y se congelaría debido a la escasez de temperatura (probablemente no alcanzaría a explosionar debido a un congelamiento súbito). Un humano en la superficie de Marte correría un destino similar, aunque más amortiguado (más demoroso y más sufrido), pues hay más presión y temperatura que en el espacio vacío. ¿Qué hacer luego?
El problema de la presión resulta difícil de solucionar. Luego, lo más económico es que los humanos sigan usando trajes que los presionen durante la exploración espacial (por ahora). No obstante pudiera ser que en el futuro no llegáramos a necesitar materiales aislantes como los requerimos hoy. Una propiedad interesante del agua a la que ya hice mención es que si tiene sales disueltas demora más en congelarse. Esto se debe a que para que el agua se congele, debe cristalizarse. Los cristales se forman cuando las moléculas de agua se agrupan en sistemas ordenados. Si hay otras moléculas (por ejemplo, sales disueltas) interfiriendo en este orden, el agua en cuestión no puede cristalizarse. El resultado, debe exponérsele a una menor temperatura para que logre solidificarse. Estas moléculas que interfieren en la cristalización existen en los sistemas biológicos, y reciben el nombre de proteínas anticongelantes.
Ejemplos de especies que poseen estas proteínas abundan: Gymnodraco acuticeps (pez), Lithobates sylvaticus (rana), Tenebrio molitor (escarabajo), son especies que poseen proteínas que evitan la formación de cristales de agua y de esta manera pueden sobrevivir a temperaturas mucho menores a las que se consideran aptas para vertebrados e insectos.
No obstante, y aun cuando pudiéramos evitar congelarnos en la superficie marciana, nuestro metabolismo no sólo depende de que nuestros líquidos permanezcan líquidos. Necesitamos temperaturas "fisiológicas", donde nuestra química interna pueda funcionar adecuadamente. Lo ideal sería poder cambiar nuestro metabolismo por completo (como una suerte de hibernación, que ya ha sido probada exitosamente por la naturaleza en mamíferos). Por lo demás, bombardear nuestro organismo con proteínas anticongelantes en exceso pudiera afectar nuestro potencial osmótico (funcionamos mal si hay demasiadas, o muy pocas "sustancias" disueltas en nuestros fluidos). Por lo que este es un tema que habrá que tratar con cuidado. Sin embargo, pudiera salvar vidas, y tiene cientos a aplicaciones en nuestro planeta, sobretodo para quienes lidian con inviernos pesados o practican deportes en el hielo o la nieve. En la próxima entrada hablaremos sobre otra clase de modificación que salvará vidas: La retención de oxígeno.
Es de saber popular que el agua es un componente importante del volumen corporal humano, y que se presenta en la Tierra bajo tres formas: sólida (hielo), líquida (agua) y gaseosa (vapor), siendo el límite entre hielo y agua líquida el punto de temperatura ubicado en 0ºC. Este punto varía dependiendo la composición salina del agua y la presión. Sobre la superficie terrestre una gran parte de la masa total del agua (la mayor parte) se comporta como un líquido de densidad media de 1000 ± 27 kg/m3 (debido a la presencia de sales disueltas), bajo condiciones de temperatura media que rondan los 20ºC, con una presión a nivel del mar de alrededor de 1,033 kilógramos-fuerza/cm2 (1 atm). Un kilógramo de agua libre de sales se congela a los 0ºC a 1 atm de presión, pero uno que posea sales disueltas tomará más tiempo (y más frío) en congelarse.
No obstante en los mundos donde nos interesa hacer exploración espacial las condiciones de temperatura y presión se alejan bastante de las condiciones terrestres.
Sobre la superficie de la Luna la presión media se acerca a cero en todos los sistemas de medida (no retiene una atmósfera mensurable), y por lo mismo no posee temperaturas cordiales: Oscila entre -230ºC y 120ºC dependiendo de si da o no directo al Sol. Por lo tanto si uno dejara un kilógramo de agua líquida sobre un cráter lunar, muy probablemente se convertiría en una escarcha volátil.
Marte, por otro lado retiene una atmósfera cuya presión es de alrededor de una centésima parte de la atmósfera terrestre, con temperaturas que rara vez superan los 0ºC. Por lo mismo el agua se halla sólida, o, debido a la baja presión, como vapor helado. Y ciertamente que bajo ninguna de estas formas nos gustaría tener el agua de nuestro cuerpo.
El cuerpo humano adulto retiene más de un 60% de agua líquida, la mayor parte concentrada dentro de las células individuales (líquido intracelular). El resto se reparte en los distintos fluidos del cuerpo, entre ellos la sangre. Un humano en el espacio interplanetario ebulliría debido a la falta de presión, y se congelaría debido a la escasez de temperatura (probablemente no alcanzaría a explosionar debido a un congelamiento súbito). Un humano en la superficie de Marte correría un destino similar, aunque más amortiguado (más demoroso y más sufrido), pues hay más presión y temperatura que en el espacio vacío. ¿Qué hacer luego?
El problema de la presión resulta difícil de solucionar. Luego, lo más económico es que los humanos sigan usando trajes que los presionen durante la exploración espacial (por ahora). No obstante pudiera ser que en el futuro no llegáramos a necesitar materiales aislantes como los requerimos hoy. Una propiedad interesante del agua a la que ya hice mención es que si tiene sales disueltas demora más en congelarse. Esto se debe a que para que el agua se congele, debe cristalizarse. Los cristales se forman cuando las moléculas de agua se agrupan en sistemas ordenados. Si hay otras moléculas (por ejemplo, sales disueltas) interfiriendo en este orden, el agua en cuestión no puede cristalizarse. El resultado, debe exponérsele a una menor temperatura para que logre solidificarse. Estas moléculas que interfieren en la cristalización existen en los sistemas biológicos, y reciben el nombre de proteínas anticongelantes.
Ejemplos de especies que poseen estas proteínas abundan: Gymnodraco acuticeps (pez), Lithobates sylvaticus (rana), Tenebrio molitor (escarabajo), son especies que poseen proteínas que evitan la formación de cristales de agua y de esta manera pueden sobrevivir a temperaturas mucho menores a las que se consideran aptas para vertebrados e insectos.
No obstante, y aun cuando pudiéramos evitar congelarnos en la superficie marciana, nuestro metabolismo no sólo depende de que nuestros líquidos permanezcan líquidos. Necesitamos temperaturas "fisiológicas", donde nuestra química interna pueda funcionar adecuadamente. Lo ideal sería poder cambiar nuestro metabolismo por completo (como una suerte de hibernación, que ya ha sido probada exitosamente por la naturaleza en mamíferos). Por lo demás, bombardear nuestro organismo con proteínas anticongelantes en exceso pudiera afectar nuestro potencial osmótico (funcionamos mal si hay demasiadas, o muy pocas "sustancias" disueltas en nuestros fluidos). Por lo que este es un tema que habrá que tratar con cuidado. Sin embargo, pudiera salvar vidas, y tiene cientos a aplicaciones en nuestro planeta, sobretodo para quienes lidian con inviernos pesados o practican deportes en el hielo o la nieve. En la próxima entrada hablaremos sobre otra clase de modificación que salvará vidas: La retención de oxígeno.
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