Archive for the 'Biología' Category

Hormigas pueden resolver complejos problemas matemáticos

Investigadores de la Universidad de Sídney descubrieron que las hormigas son capaces de resolver complejos problemas matemáticos, e incluso de gestionar lo que sólo pueden hacer unos cuantos algoritmos computacionales, adaptando una solución óptima una vez descubierta para  encajar en un problema en evolución.

Las conclusiones de un equipo internacional de científicos, publicados en el Journal of Experimental Biology, creen haber profundizado en la comprensión humana de cómo incluso los animales relativamente simples pueden superar los problemas difíciles y dinámicos en la naturaleza, y podrían ayudar a los científicos en el desarrollo de un mejor software que permita resolver problemas de logística e incluso maximizar la eficiencia en las industrias.

En el pasado se crearon algoritmos que simulaban el comportamiento de las hormigas para trazar rutas, siguiendo un rastro de feromonas. Sin embargo estos algoritmos no tenía la capacidad para adaptarse al cambio. “Aunque inspirados en la naturaleza, estos algoritmos de computadora a menudo no representan el mundo real, ya que son estáticos y diseñados para resolver un solo problema, que no cambia”, expreso Chris Reid, del Laboratorio de Comportamiento y Genética de Insectos Sociales.

Así que se recurrió de nuevo a las hormigas para ver sus habilidades de resolución de problemas frente al cambio (si se fijaban una solución única o pueden adaptarse). Los investigadores probaron las hormigas argentinas (Linepithema humile), utilizando las Torres de Hanói o rompecabezas de la Torre de Brahma, donde los jugadores están obligados a mover discos entre unas barras con el uso de normas establecidas y con un mínimo de movimientos.

Con las hormigas, obviamente, al no poder utilizar la versión humana del juego, se hizo una conversión de las Torres de Hanói en un laberinto tridimensional en forma de diamante formado por 64 hexágonos, donde había 32.768 posibles caminos para llegar a una fuente de alimento. Se les permitió explorar el laberinto a unas cuantas hormigas con el objetivo de encontrar el alimento en una cierta cantidad de tiempo y sólo dos de las rutas fueron consideradas como las más cortas representando la solución óptima.

Las hormigas fueron capaces de resolver rápidamente la Torre de Hanói, encontrando el camino más corto alrededor del borde del laberinto y aun cuando estaba bloqueado, fueron capaces de hallar la segunda ruta más corta. Sin embargo no todas eran iguales de rápidas en su búsqueda de caminos. Las que habían explorado primero el laberinto eran más eficaces. Los científicos creen que esto se debió a una “feromona exploratoria” que dejan las hormigas para buscar nuevos territorios y así poder adaptarse a las nuevas condiciones.

“Tener al menos dos feromonas por separado les da mucha más flexibilidad y les ayuda a encontrar buenas soluciones en un entorno cambiante. Descubrir cómo las hormigas son capaces de resolver problemas de dinámica servirían de inspiración para los nuevos algoritmos de optimización, que a su vez puede conducir a un mejor software para resolver problemas y por lo tanto, una mayor eficiencia para la industrias”, dijo Reid.

Es recalcado por los investigadores que encontrar un eficiente camino a través de una red muy ocupada es un desafío muy común que enfrentan los routers telefónicos e ingenieros en la búsqueda de una respuesta optimizada, y las colonias de hormigas parecen estar dando la solución al problema.

 

De nuevo nos asombramos de que animales “simples” son capaces de resolver complejos problemas matemáticos.

Mitocondria

En esta ocasión la Universidad de Harvard nos presenta una serie de videos muy detallados y sorprendentes entre ellos uno sobre lo que sucede en el interior de una mitocondria. Las mitocondrias  son orgánulos ubicados en el citoplasma, provistos de doble membrana que se encuentran en la mayoría de las células eucariotas. Su función principal es la de producir la mayor parte de la energía (cerca del 90%) en la célula, por medio del ATP o trifosfato de adenosina. Además las mitocondrias están implicadas en otros procesos, como la señalización celular, diferenciación celular, isostasia del calcio, muerte celular programada, así como el control del ciclo celular y el crecimiento celular.

http://www.youtube.com/watch?v=RrS2uROUjK4

Bacteria contiene el fatal Arsénico en su ADN

El arsénico tiene una merecida reputación como un veneno muy potente para la vida, pero no necesariamente tiene que ser así. En el lago Mono dentro del Parque Nacional Yosemite de California, lugar con una de las más altas concentraciones de arsénico en el planeta, Felisa Wolfe-Simon ha descubierto que las bacterias no sólo hacen caso omiso a los efectos tóxicos del arsénico, sino que también prosperar positivamente en él. Incluso pueden incorporar el elemento en sus proteínas y el ADN, utilizando en su lugar del fósforo.

El fósforo ayuda a formar la columna vertebral del ADN y es una parte crucial de la ATP, molécula que se puede convertir directamente en energía para la célula. El arsénico se encuentra justo debajo del fósforo en la tabla periódica. Los dos elementos tienen propiedades similares que el arsénico puede usurpar el lugar de fósforo en muchas reacciones químicas. Sin embargo, el arsénico cuando se encuentra con el fosforo producen productos similares, pero menos estable. Esto explica en parte por qué el elemento es tan tóxico. Sin embargo, las bacterias del lago Mono han encontrado una manera de hacer frente a esto.

Bajo el microscopio, las bacterias, una cepa conocida como GFAJ-1, crecieron un 50% más sobre el arsénico en comparación con el fósforo, y se desarrollan grandes compartimientos internos llamados vacuolas. Estos podrían ser la clave para su éxito. Wolfe-Simon considera que las vacuolas podrían actuar como un refugio para las moléculas estables y seguras en contra de las moléculas inestables del arsénico.

En 2008, Ronald Oremland (quien también participó en el último estudio), descubrió  bacterias en el Lago Mono que pueden sustentarse sobre el arsénico. Como las plantas, pueden hacer fotosíntesis, creando su propia comida utilizando el poder del sol. Pero en vez de agua utilizan el arsénico. Wolfe-Simon llevo estos descubrimientos un paso más allá, mostrando que las bacterias en realidad han incorporado arsénico en sus moléculas más importantes.

Wolfe-Simon tomó sedimentos del lago Mono y los deposito en platos de Petri con una sopa de vitaminas y otros nutrientes, pero sin rastro de fósforo, mientras tanto, añadió más y más arsénico.  Sorprendentemente, las bacterias siguieron creciendo. Aislando una cepa llamada GFAJ-1 y usando una técnica extremadamente sensible llamada ICP-MS que mide la concentración de diversos elementos, mostraron que las células de estas bacterias, contenían grandes cantidades de arsénico.

Al dar a las bacterias una forma ligeramente radiactiva de arsénico, también detecto donde el elemento se había depositado en las células. La respuesta: en todas partes. Hubo arsénico en las proteínas de la bacteria y en sus moléculas de grasa. Se ha sustituido el fósforo en muchas moléculas importantes, como el ATP y la glucosa (un azúcar). Fue incluso en su ADN. Toda vida hace uso del fósforo para crear la columna vertebral de la famosa doble hélice, pero el ADN del GFAJ-1 ADN tiene una columna de arsénico.

Este es un resultado sorprendente, pero incluso en este caso, hay espacio para las dudas. Las  bacterias no dependen del arsénico, todavía contienen niveles detectables de fósforo en sus moléculas. Los niveles eran tan bajos que las bacterias no hubiera sido capaz de crecer, pero todavía no está clara la importancia de esta fracción de fósforo. Queda la pregunta si la bacteria ha sido realmente capaz de sobrevivir sin fósforo en absoluto. Tampoco está claro si las moléculas con base de arsénico son “naturales” de las bacterias naturales ya que Wolfe-Simon cultivo estos microorganismos en extremas condiciones con niveles cada vez mayores de arsénico. De este modo, podría haber impuesto a las bacterias para que utilizaran el arsénico en lugar del fósforo, provocando que evolucionaran nuevas habilidades.

En todo caso, este descubrimiento podría ampliar nuestra perspectiva de la bioquímica de la vida. De los más de cien elementos en existencia, la vida es en su mayoría compuesta por sólo seis: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Sin embargo, las bacterias del lago Mono parecen haber roto su dependencia con el fósforo sustituyéndolo con arsénico.

Microscopio revela imágenes detalladas de la célula

Nuevo microscopio ofrece imágenes de alta resolución en 3D de una célula, cerrando así una brecha entre las técnicas convencionales de microscopio. Esta es una ventaja sobre la microscopía electrónica, en el que se monta una imagen en 3D de muchas secciones delgadas llegando a tardar hasta semanas para una sola célula. Además, la célula no tendrá que ser marcada con tintes, a diferencia de la microscopía de fluorescencia, donde sólo las estructuras marcadas se hacen visibles.

El nuevo microscopio de rayos X en cambio explota el contraste natural entre la materia orgánica y el agua para formar una imagen de todas las estructuras celulares.  Hasta los más pequeños detalles son visibles: la doble membrana del núcleo celular, los poros nucleares en la envoltura nuclear, los canales de la membrana en el núcleo, las numerosas invaginaciones de la membrana mitocondrial interna e inclusiones en los organelos celulares como los lisosomas.

Esta es la primera vez que la llamada ultraestructura celular- estructura que es demasiado pequeña como para ser vista con un microscopio óptico- ha sido fotografiada con rayos X con una precisión, de hasta 30 nanómetros. Diez nanómetros son cerca de una diez milésima parte del grosor de un cabello humano. Todo ello ofrecerá una nueva herramienta para biología estructural y tener una mejor comprensión de la estructura celular que será crucial para el esclarecimiento de los procesos internos celulares: por ejemplo, cómo los virus o las nanopartículas penetran en las células o en el núcleo.

 

Imagen que muestra el nucléolo y los canales de la membrana que atraviesa el núcleo.

Un velcro para nanopartículas: ADN

El ADN puede hacer más que solo controlar como se hacen nuestros cuerpos, también puede orientar la composición de muchos tipos de materiales. Byeongdu Lee y sus colegas en la Universidad Northwestern descubrieron que filamentos de ADN puede actuar como una especie de nanoscópico “velcro” que puede unir nanopartículas de distintos tipos. “Por lo general es difícil de controlar con precisión las nanoestructuras”, expresó Lee. “Pero mediante el uso de ADN, estamos pidiendo prestado el poder de la naturaleza.”

El efecto “velcro” del ADN se debe a los “extremos pegajosos” de la molécula, que son regiones de nucleótidos desapareados – los bloques básicos del ADN – que son aptos para unir químicamente a sus pares de bases, al igual que en nuestros genes. Cuando regiones similares entran en contacto, uniones químicas forman un entramado rígido. Los científicos y los ingenieros creen que estas nanoestructuras complejas tienen el potencial para formar la base de nuevos plásticos, electrónicos y combustibles.

En 2008, Lee y sus colegas unieron ADN a nanopartículas esféricas de oro, con la esperanza de controlar la forma en que las partículas se organizaban en compactos cristales. Este proceso se llama “embalaje” de nanopartícula y se cree que al colocar el ADN a las nanopartículas, se puede controlar la forma del mismo envase. “Los materiales que se embalan de manera diferente – incluso si se hacen de la misma sustancia – han demostrado que exhiben propiedades físicas y químicas dramáticamente diferente”, indicó Lee.

Si bien el experimento de 2008 mostró que el ADN parece controlar el embalaje de nanoesferas, no se sabe si el efecto se produciría con geometrías diferentes de nanopartículas. En el experimento más reciente se analizo diferentes formas de nanopartículas para determinar si sus contornos afectan cómo son embalados. La forma de las partículas modificó la estructura final del material, pero sólo en la medida en que se alteraron los “extremos pegajosos” del ADN.

 

Nanopartículas unidas por ADN.

Abejas y el Problema del Viajante

Las abejas pueden encontrar la solución a un problema matemático complejo que mantendría ocupada a una computadora durante días. Científicos del Queen Mary y Royal Holloway de la Universidad de Londres han descubierto que las abejas aprenden a reconocer la ruta más corta posible entre las flores. Las abejas han demostrado que son efectivas al resolver el “Problema del Viajante”, y de hecho son los primeros animales en hacerlo.

El Problema del Viajante también conocido como Problema del Viajante de Comercio, es uno de los más famosos y de los más complejos de resolver. Consiste en encontrar la ruta más corta que le permita visitar todos los lugares en su ruta. Las computadoras pueden resolverlo mediante la comparación de la duración de todas las rutas posibles y elegir la más corta. Sin embargo, las abejas pueden hacerlo sin la ayuda de un ordenador y con un cerebro del tamaño de una semilla de pasto.

El profesor Lars Chittka de la Escuela de Ciencias Biológicas y Químicas del Queen Mary expreso: “En la naturaleza, las abejas tienen que enlazar cientos de flores de una manera que minimice la distancia de los viajes, y luego de forma fiable encontrar su camino a casa – no es una proeza trivial si usted tiene un cerebro del tamaño de una cabeza de alfiler. Sin embargo tales problemas del viajero mantienen supercomputadoras ocupadas por días. El estudio de cómo el cerebro de la abeja puede resolver tareas tan difíciles nos permitiría identificar los circuitos neuronales necesarios para la resolución de problemas complejos.”

El equipo utilizó flores artificiales controladas por computadoras para comprobar si las abejas siguen una ruta definida por el orden en que se descubrieron o si encontraban la ruta más corta. Después de explorar la ubicación de las flores, las abejas rápidamente aprendían a volar la ruta más corta.

Co-autor y colega, el Dr. Mathieu Lihoreau añade: “Hay una percepción común de que cerebros más pequeños limitan a los animales a solo ser simples máquinas de reflexión, pero nuestro trabajo con las abejas muestra avanzadas capacidades cognitivas con un número de neuronas muy limitada. Hay una necesidad urgente para entender el hardware neuronal que sustentan la inteligencia animal, y sistemas nerviosos relativamente simples, tales como los de los insectos hacen de este misterio más manejable.”

Nuestro estilo de vida se basa en redes tales como el tráfico en las carreteras, el flujo de información en la web y cadenas de suministro. Al comprender cómo las abejas pueden resolver ese tipo de problemas con un pequeño cerebro nos brindaría la oportunidad de mejorar nuestra gestión de estas redes sin necesidad de gastar mucho tiempo en una computadora.

 

Primeros animales en resolver el "Problema del Viajante".

Ondas magnéticas alteran la moral

Investigadores del MIT descubrieron  que impulsos magnéticos dirigidos al cerebro puede alterar  en las personas la capacidad de distinguir el bien del mal. En un nuevo estudio, los voluntarios fueron sometidos a pulsos magnéticos justo por encima y detrás de la oreja derecha, centrándose en el área del cerebro que se cree la zona del control de la moralidad.

Con los pulsos se pretende bloquear la actividad celular que contribuye al sentido del bien y del mal de los voluntarios. “Se cree de la moral como un comportamiento de muy alto nivel”, expresó el Dr. Liane Young, investigador principal del estudio, de la British Broadcasting Corporation. “El poder aplicar un campo magnético a una región específica del cerebro y cambiar los juicios de la moral en las personas es realmente sorprendente.”

Para ver el efecto de un pulso magnético de 500 milisegundos, los investigadores dieron a 20 voluntarios una serie de pruebas. En una prueba, se les dio un dilema ético: si un hombre deja a su novia cruzar un puente que él sabía que no era seguro. Los voluntarios basaron sus respuestas en base a cómo el escenario jugaba. Si la novia cruzaba el puente de forma segura, no era culpa del hombre. Los voluntarios basaron su decisión en el resultado del dilema, y no en el principio moral debido al pulso magnético, declararon los investigadores.

En otra prueba, los voluntarios fueron expuestos a 25 minutos de corrientes eléctricas débiles que impedían a las células del cerebro funcionar correctamente. Luego tenían que leer historias sobre personajes moralmente cuestionables y juzgar si las acciones de los personajes habían causado un daño. Los investigadores encontraron que los voluntarios habían aceptado acciones moralmente dudosas que resultaron en un final “feliz”.

 

Impulsos magnéticos alteran capacidad de distinguir el bien del mal.