Tag Archives: perlmutter

Nobel 2011: Immunitat, l’expansió de l’Univers i quasicristalls

El desembre és un mes de tradicions. Sobretot cap a finals de mes, però les primeres setmanes no en són òrfenes del tot. Per exemple, a Suècia, tenen el costum d’organitzar una reunió per entregar els premis més prestigiosos de la ciència: els Nobel en Medicina o Fisiologia, Física i Química.

La medalla dels Nobel (Font: Wikimedia Commons)

Dissabte passat a la tarda —en una cerimònia que es va allargar des de quarts de cinc fins a les sis— Bruce Beutler, Jules Hoffmann, Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess i Dan Shechtman van rebre les medalles que els acrediten com a guardonats i van fer els discursos d’acceptació del premi. Aquest any, però, un element va afegir morbo a la cerimònia: es va entregar el premi de manera pòstuma a Ralph Steinman, que va morir sense saber que havia rebut el reconeixement d’un Nobel. De moment, però, centrem-nos en els premis.

Com s’engeguen les nostres defenses?

El 3 d’octubre, l’Assamblea Nobel de l’Institut Karolinska d’Estocolm va fer públic que els guardonats de 2011 en Medicina o Fisiologia eren Bruce Beutler i Jules Hoffmann, pels seus descobriments sobre l’activació de la immunitat innata, i Ralph Steinman, pel descobriment de les cèl·lules dendrítiques i el paper que juguen en la immunitat adaptativa.

Beutler, Hoffmann i Steinman, guanyadors del Nobel en Medicina o Fisiologia 2011

El sistema immunitari és el conjunt de cèl·lules i molècules que actuen com a mecanisme de protecció de l’organisme davant l’atac de microorganismes infecciosos. Tot i això, una activació errònia d’aquest sistema de defensa també pot provocar reaccions d’autoimmunitat —és a dir, l’atac contra el propi cos (com passa en la diabetis mellitus tipus 1 o la malaltia de Crohn)— o reaccions excessives com les que es donen en les al·lèrgies.

L’atac del sistema immunitari contra els agents infecciosos es descompon en dues fases: en primer lloc, actua la immunitat innata i, després, entra en acció la immunitat adaptativa. Les dues respostes són complementàries, però la segona afegeix un nou nivell de complexitat a les defenses del cos i és una innovació  evolutiva que es troba només en els vertebrats (i no en tots).

Quan es produeix una infecció, la resposta del cos es produeix en dues onades successives, cadascuna amb unes característiques concretes

La immunitat innata és la primera línia de defensa, encarregada d’aturar la invasió tan aviat com es detecta l’entrada de patògens. Apareix en pràcticament qualsevol tipus d’animals. De fet, Beuttler i Hoffmann han rebut el premi perquè van descobrir els mecanismes que activen aquesta primera fase de la defensa en animals molt diferents. Els treballs de Hoffmann, publicats el 1996, van identificar en Drosophila el receptor Toll, una peça essencial per a l’activació de les defenses de la petita mosca. Dos anys més tard, Beuttler localitzava en ratolins els parents de Toll en els mamífers, els Toll-like receptors (o TLR), amb una funció idèntica. Aquestes proteïnes es troben a la membrana de les cèl·lules responsables de la immunitat innata. Quan localitzen una molècula estranya al cos provinent d’algun microorganisme aliè, s’hi uneixen i desencadenen la primera gran reacció per aturar la infecció: la inflamació.

Un receptor Toll-like

Així doncs, en certa manera, els receptors Toll són les barreres que les patrulles de l’exèrcit del nostre cos utilitzen per controlar les fronteres.

La immunitat adaptativa és la segona gran línia de defensa dels vertebrats. Permet a l’organisme fer net de la infecció, a més de dotar-lo de memòria per enfrontar-se més ràpidament i fàcil a futures invasions de patògens ja coneguts. Steinman va descobrir el 1973 les cèl·lules dendrítiques, responsables de l’activació de tota la cascada de reaccions pròpia d’aquesta resposta secundària. Són aquestes cèl·lules les que presenten als limfòcits T els elements localitzats en l’etapa anterior amb els receptor Toll-like. Això provoca l’activació i multiplicació dels limfòcits, que acaba conduint a la producció d’anticossos i l’aparició de la memòria. El procés depèn de determinats senyals generats durant l’etapa innata que les cèl·lules dendrítiques detecten.

Una cèl·lula dendrítica (i limfòcits)

Per tant, les cèl·lules dendrítiques són els soldats que —enviats des de les fronteres— informen i aporten proves que s’ha produit una invasió, per tal que l’exèrcit es mobilitzi per eliminar l’enemic.

El premi a Steinman ha estat, de fet, un dels grans punts d’interés dels Nobel d’aquest any, ja que es tracta del primer guardonat pòstum des dels anys 70, quan es van modificar les bases del premi. L’anunci del premi es va produir un dilluns, i el científic canadenc havia mort el divendres anterior per culpa d’un càncer de pàncrees (que justament s’estava tractant amb una teràpia experimental basada en les “seves” cèl·lules dendrítiques). La Fundació Nobel, però, va acordar mantenir l’honor del premiat tot i la seva mort: aquest fet no es va saber fins després de produir-se l’anunci del premi, i es va considerar que aquesta situació encaixa amb la norma que permet guardonar algú que mor entre la comunicació de la decisió i l’entrega del premi. Així ho explicava un web canadenc, país d’origen d’Steinman.

→ Us aconsello fer un cop d’ull a aquest article de El País per completar la informació.

Cap a on va l’Univers?

El 4 d’octubre, la Reial Acadèmia de Ciències sueca va decidir concedir el Nobel en Física a Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess pel seu descobriment de l’expansió accelerada de l’Univers a través de l’observació de supernoves distants.

Perlmutter, Schmidt i Riess, guardonats amb el Nobel en Física 2011

El 1998, el món (bé, sobretot, el món dels cosmòlegs i astrofísics) va quedar sorprès davant de l’anunci que l’Univers no només s’estava expandint, sinó que ho feia de manera accelerada, cada cop més ràpida. Aquesta idea anava contra el que es podia esperar, ja que la lògica feia pensar que l’Univers s’havia d’expandir cada cop més lentament després de l’impuls inicial del Big Bang. Així, s’hauria arribat a un punt d’equilibri i, potser —per acció de l’atracció gravitatòria— l’Univers hauria començat a contraure’s fins a quedar concentrat novament en un punt, l’anomenat Big Crunch.

Els resultats, tot i que sorprenents, van quedar confirmats pel fet que la descoberta la van fer paral·lalment dos equips d’investigadors. El grup liderat per Perlmutter (el Supernova Cosmology Project) treballava en l’anàlisi de supernoves distants des de 1988, mentre que l’equip de Schmidt (el High-z Supernova Search Team), on es va integrar Riess, s’hi havia posat el 1994. El Huffington Post recollia així el premi a aquests dos equips, un americà i l’altre australià.

El punt brillant de baix a l'esquerra és la supernova de tipus 1a 1994D, fotografiada pel Hubble prop de la galàxia NGC 4526 (Font: Wikimedia Commons)

Una supernova (aquí teniu la completíssima entrada en anglès) és una explosió estel·lar que emet una gran quantitat de llum. Aquest fet convertia les supernoves en unes eines molt útils per estudiar la geometria de l’Univers, ja que fins i tot aquelles que es troben molt lluny (als límits propers al perímetre del cosmos) es poden arribar a veure per la seva enorme lluminositat. Tots dos grups van començar a treballar amb les supernoves de tipus 1a, que tenen una brillantor característica i molt semblant per a totes. En aquests estudis, es van trobar que la llum que en captaven era menor de l’esperada.

L'univers està en expansió accelerada (Font: http://bit.ly/hO4npc)

Això només podia voler dir que, de fet, aquestes supernoves eren a una distància més gran que la que es pensava i, per tant, que l’Univers premia l’accelerador en el seu creixement.

L’explicació del perquè d’aquest fenòmen és, encara avui, desconeguda. El que queda clar és que hi ha d’haver alguna força que impulsi l’Univers a continuar creixent, i a fer-ho cada cop més ràpid fins a arribar (en teoria) a un cosmos on tot serà tan lluny de qualsevol altra cosa que serà del tot gelat. Aquesta força, avui per avui, l’anomenem energia fosca. No sabem què la forma. No sabem com actua. Però sabem que és el motor de l’acceleració de l’Univers. No només això, sinó que aquesta energia fosca representa —per increïble que pugui semblar— el 73% de tot el que hi ha a l’Univers. Pel que fa a la resta de components, el 23% de l’espai és matèria fosca (que es pensa que inclou els forats negres, entre altres) i només el 4% (!) és matèria normal (o, dit correctíssimament, bariònica) com la de la pantalla on llegiu aquest post.

→ Aquest vídeo penjat a Microsiervos pot ser un bon complement per entendre el fenòmen de l’expansió accelerada, què és la matèria fosca i que Einstein es va equivocar (o no) amb la seva cosntant cosmològica. És en anglès, i els subtítols en portuguès, però deixa veure.

I la matèria… és com ens pensem?

El 5 d’octubre, era novament la Reial Acadèmia de Ciències de Suècia l’encarregada d’anunciar que el Nobel en Química corresponia a l’israelià Dan Schechtman pel descobriment dels quasicristalls.

Dan Schectman, Nobel 2011 en Química

El reconeixement li arriba a Schechtman 30 anys després de descobrir aquesta nova estructura de la matèria en analitzar al microscopi electrònic un nou al·liatge d’alumini i manganès. En general, els sòlids estan formats per cristalls, disposicions ordenades i —això és el més important— periòdiques (repetides idènticament en les tres dimensions) dels àtoms que els formen. Els quasicristalls també són estructures ordenades però, en canvi, no es repeteixen periòdicament: observant-ne una còpia desplaçada respecte a l’original no hi veurem mai una coincidència exacta.

El premi arriba trenta anys després que es veiessin per primer cop aquestes noves ordenacions atòmiques, observant al microscopi electrònic els patrons de difracció de raigs X de l’al·liatge que esmentàvem. Tan rares són aquestes estructures que, en teoria, no podien existir: qualsevol cristall havia de tenir la propietat de la simetria translacional, i els quasicristalls es sortien de la norma.

Els patrons de difracció d'un cristall i d'un quasicristall. En el primer, la imatge és idèntica sigui quin sigui el punt que prenem de referència; en el segon, el patró és ordenat però no idèntic per a qualsevol punt que usem com a centre (Fonts: http://bit.ly/vG766K i Wikimedia Commons)

La incredulitat de la comunitat investigadora va fer que Schectmans’hagués de sentir dir el nom del porc científicament (i no em refereixo a Sus scrofa domestica ;-)) i que fos expulsat del grup de recerca on treballava. Finalment, però, dos anys després de les primeres observacions i amb el suport d’altres científics, va aconseguir publicar el seu descobriment. I, de fet, ben aviat va trobar un suport afegit per a la nova estructura de la matèria que havia identificat, provinent d’un camp del tot inesperat: l’estudi dels mosaics.

Més concretament, es va poder aprofitar del mosaics aperiòdics. Justament com els quasicristalls, aquestes estructures es caracteritzen per la aperiodicitat (ja ho diu el nom). Aquests tipus de mosaics, tot i que estudiats a fons molt més tard, ja es poden trobar a l’Alhambra, on apareixen amb profusió per les limitacions a la representació de la figura humana que l’Islam imposa als creients. El físic i matemàtic Roger Penrose havia descobert poc abans de la troballa de Schectman que aquests dibuixos es podien obtenir amb la senzilla combinació de només dos tipus de llosetes: un rombe gras i un rombe prim. Quan altres investigadors es van plantejar què passaria si en cada intersecció del mosaic s’hi situés un àtom, la resposta va ser que s’obtenia un patró idèntic al dels quasicristalls.

Els mosaics aperiòdics de Penrose i de l'Alhambra (Font: Wikimedia Commons)

Amb els anys, s’ha rehabilitat la figura del descobridor dels quasicristalls. No només això, sinó que fins i tot s’ha acabat modificant la definició dels cristalls per incloure-hi aquelles organitzacions ordenades però no periòdiques. A més a més, l’anàlisi posterior de tots dos ha fet que els mosaics aperiòdics hagin conduït a un més bon coneixement dels quasicristalls. En tots dos, moltes de les relacions entre els seus elements s’expliquen gràcies al número auri (Φ).

Per les seves propietats úniques, els materials amb estructura qusicristal·lina —majoritàriament sintètics, però ja se n’han trobat de naturals a Rússia— s’estan començant a utilitzar com a materials d’alta resistència mecànica (és el cas de determinats tipus d’acer), com a aïllants tèrmics per a millorar l’eficiència dels motors o com a recobriments superficials antiadherents (molt útils, per exemple, en les paelles).

→ Aquest article de Público fa un bon resum del perquè del premi, a més de valorar la idoneïtat del Nobel en aquest moment, ja que potser hauria estat més adequat als anys 80.

 

El web dels Nobel (www.nobelprize.org) és la millor i més completa font d’informació per a posts com aquest. És ideal per perdre-s’hi unes quantes hores veient com expliquen aquells descobriments que han merescut un honor com el Nobel, en qualsevol dels seus camps: ho podeu veure amb la Medicina, la Física o la Química. Moltes de les imatges d’aquest post també vénen d’allà mateix, excepte aquelles on s’indica el contrari.

Sé que m’ha sortit un post llarg, però és que havia deixat acumular massa feina. Això sí, tant si us resulta curt com llarg, us convido a comentar-lo aquí sota mateix.

Anuncis

1 comentari

Filed under Física, Medicina, Notícies, Química