Ciencistorias

¿CUÁNTO VALE UN CUANTO?

La génesis de la física cuántica coincide con el inicio del siglo XX, y un físico alemán dio el puntapié inicial. Su nombre es Max Planck. Antes de Planck, la energía se consideraba infinitamente divisible, al igual que un gramo o un metro pueden dividirse en una serie de unidades cada vez menores (metro, decímetro, centímetro, milímetro, micrómetro, nanómetro...). En forma similar, la intensidad de la luz emitida por un fósforo, el propulsor de un cohete o cualquier otra forma de energía podían dividirse sin límites. La maravillosa idea de Planck fue considerar que la energía debía tener un valor mínimo. En otras palabras, mostró un límite para dividirla. De esta manera, la luz emitida por una vela estaría conformada por pequeñas cantidades mínimas de energía. Planck utilizó el latín para nombrar a esta cantidad mínima o paquete de energía, y patentó la palabra cuanto, que significa “¿qué cantidad?” o simplemente “¿cuánto?”. Este nombre revela que los cuantos son muy muy pequeños y no podemos determinar su tamaño.

Una vez que el concepto del cuanto se conoció entre los físicos, Albert Einstein le dio “fama internacional”. Lo usó para explicar un fenómeno conocido como el efecto fotoeléctrico, mediante el cual los electrones son desalojados de la superficie de un metal como consecuencia del impacto con fotones (nombre que adquieren los cuantos cuando se trata de la luz) de energía determinada. Siempre y cuando haya una frecuencia mínima, conocida como frecuencia umbral, la intensidad de la luz incidente sobre el metal, que se relaciona con el número de fotones, influirá directamente sobre el número de electrones desalojados del metal. Si mayor es la intensidad luminosa, mayor es el número de fotones y, en consecuencia, el número de electrones desalojados se incrementa. Es como si varias bolas de billar chocaran contra otras cediendo su energía y produciendo movimiento. Para que la explicación del efecto fotoeléctrico funcione, se debe considerar a la luz como una radiación discontinua, que se manifiesta en forma de pequeños paquetes de energía. Esto llevaría a formular el concepto dual, en el cual la luz se comporta como onda o como partícula.

En 1911 el danés Niels Bohr propuso un modelo atómico en el cual se considera que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas que poseen una energía determinada. Estas reciben el nombre de órbitas cuantizadas y son muy importantes en los procesos de absorción y emisión de energía. Cuando el electrón, en determinada órbita, interacciona con un fotón de energía específica, pasa a una órbita superior mediante un “salto cuántico”; cuando regresa a su órbita normal emite un fotón. Estos procesos explican de forma clara y sencilla los colores que se observan cuando un elemento específico se somete a una llama, tal y como ocurre en los fuegos artificiales. De igual manera, estos conceptos ayudaron notablemente a elaborar semiconductores, que a su vez permiten el desarrollo de los transistores, los circuitos integrados, los microchips y la informática en general. La física cuántica, o mecánica cuántica, permitió el desarrollo explosivo de las telecomunicaciones y la medicina moderna. Nuevos campos como la superconductividad, la microscopía electrónica, la física de las partículas elementales y la física nuclear se han apoyado en la cuántica. Por lo tanto, el valor de los cuantos para la humanidad es realmente incalculable. En síntesis, ¿cuánto vale un cuanto? En una palabra, la respuesta que se me ocurre es: “Muchísimo”. ■

¡PILAS, VIENE LA RANA!

Imagina un mundo en donde no existan fuentes de energía portátiles de larga duración y simple uso. ¿Cómo usarías tu iPod, tu computadora o tu celular? Existen cientos de artículos de uso común que no podrían funcionar sin ellas: una afeitadora portátil, juguetes, relojes, calculadoras, punteros láser, etc. Cualquiera de estos inventos quedaría en nada sin la invención previa del artilugio que los hace trabajar y les entrega energía. Me refiero, por supuesto, a las pilas. La inspiración para construir la primera pila eléctrica fue nada más y nada menos que un animal, específicamente, una rana. Más concretamente: las ancas de una rana.

LEVANTANDO A LOS MUERTOS

Era el año 1786 en la ciudad de Bolonia. Luigi Galvani, un profesor italiano de anatomía y obstetricia, realizaba experimentos en su laboratorio. Un día observó que las ancas de una rana se contraían bruscamente cuando se encontraban cerca de un generador de energía eléctrica. Galvani, intrigado, continuó investigando el sorprendente fenómeno. Colocó ranas sobre una superficie metálica durante una tormenta y obtuvo igual resultado. Concluyó que se encontraba en presencia de “electricidad animal”, es decir, de electricidad almacenada en la anatomía de la rana.

En 1791, Galvani publicó todos sus experimentos y conclusiones (ahora erróneas) en el libro De Viribus Electricitas, título que no encuentra traducción con sentido en el español actual, pero que se puede interpretar como “De la electricidad vivificante”. Con tal publicación, la fama de Galvani se difundió en forma notable. Uno de sus discípulos y primo suyo, Giovanni Aldini, llegó al punto de experimentar con cadáveres y cabezas humanas cortadas al pie de las guillotinas. Les insertó electrodos y generó las más espeluznantes muecas jamás vistas hasta ese momento. En una ocasión el ojo izquierdo del rostro de un cadáver se abrió de una manera espantosa. Algunos de los asistentes a la experiencia comenzaron a gritar y llorar, temiendo que el hombre volviera a la vida y tuviera que ser ejecutado por segunda vez. Uno de los asistentes quedó tan impresionado por tal espectáculo que sufrió un ataque cardiaco y murió en forma instantánea.

QUÍMICA Y ELECTRICIDAD SON AMIGAS

Los trabajos de Galvani sobre el efecto de la electricidad en las patas de esa anónima rana llamaron la atención de otro italiano, Alejandro Volta, profesor de física de la Universidad de Pavía. Para Volta, las contracciones de la rana no indicaban nada fuera de lo común. No existía ningún tipo de electricidad distinta a la ya conocida. En varios escritos publicados entre 1792 y 1793, Volta explicó que las contracciones se debían a la corriente eléctrica externa. Simplemente, los nervios y músculos de la rana se comportaban como un aparato en extremo sensible, capaz de detectar corrientes eléctricas muy débiles, mucho más que las medibles con el instrumental de entonces. Para apoyar su razonamiento, Volta experimentó con combinaciones de varios metales, con el fin de demostrar que eran capaces de generar corriente eléctrica. La primera prueba fue colocar su lengua en los terminales del sistema; al detectar la pequeña descarga, concluyó que la saliva de su boca contribuía al efecto al cerrar el circuito. En 1800 Volta escribió una carta a la prestigiosa Royal Society of London, con la descripción de su invento: la primera pila eléctrica práctica o “pila voltaica”. Este prodigio se constituyó en la primera pila húmeda funcional del mundo. Estaba compuesta por discos alternados de cobre y zinc, separados por rodajas de cartón humedecidos en solución salina y conectados en serie. La potencia de la pila dependía del número de discos utilizados. El invento de Volta despertó un gran entusiasmo y sirvió de impulso para los científicos de toda Europa, y casi en forma inmediata se descubrió que la corriente eléctrica podía descomponer el agua, en un proceso ahora muy conocido que se denomina electrólisis.

Los estudios de la pila sirvieron de base para los trabajos de Humpry Davy, químico inglés descubridor de varios elementos químicos. Davy construyó una poderosa pila que contenía 250 placas de metal e hizo pasar corriente eléctrica a través de sosa y potasa, sustancias conocidas que, se sospechaba, podrían descomponerse. De la potasa se obtuvo un metal brillante y blando, que resultó explosivo al colocarse en contacto con agua. En vista de su procedencia, el elemento fue bautizado como potasio. Una semana después, Davy obtuvo el sodio a partir de la sosa, y un año después, consiguió aislar cuatro elementos adicionales: el bario, el calcio, el estroncio y el magnesio. La fama adquirida por Davy después de sus descubrimientos fue tal que la gente pagaba hasta 1 500 euros actuales por asistir a algunas de sus conferencias. Davy terminó su vida siendo rico y famoso, presidiendo la Royal Society y considerado un símbolo nacional. Sin la pila de volta y las conclusiones previas de Galvani acerca de las “ranas convulsionantes”, nada de aquello hubiese sucedido.

EL MONSTRUO

El concepto erróneo de la electricidad animal causó tal impresión en el público, que inspiró otra gran obra, en este caso literaria, y que constituye el primer texto del género de ciencia ficción. En 1818, Mary Shelley publicó su primera y más espectacular novela, en cuya trama un excéntrico y solitario científico, Victor Frankenstein, intenta rivalizar con Dios; decide construir una criatura a partir de restos de seres humanos y brindarle el hálito de vida mediante la electricidad. Tan espectacular relato es el eje central de la obra Frankestein o el moderno Prometeo, en relación con que el protagonista toma el fuego de la vida (ejemplificado en la electricidad) y es capaz de crear, inconsciente de las consecuencias, un monstruo sin igual.

El experimento inicial de Galvani es, por tanto, un claro ejemplo de cómo una ranita y, en especial, el razonamiento del ser humano pueden influir en la sociedad, incluso muchos años después de hecho un descubrimiento. Galvani bien podría haber dicho: “Pilas, ahí viene la rana” si hubiera adivinado el magnífico potencial de su experimento. Sin que la pobre ranita pudiera llevarse los honores, actualmente el nombre de Volta se conmemora en la unidad del potencial eléctrico, el voltio, y el de Galvani en el muy usado término galvanizar y en el instrumento de detección y medida de la corriente eléctrica: el galvanómetro. ■

TE QUIERO MUERTO I

En la naturaleza es muy normal competir por la supervivencia. En algunos casos, esto implica ser el más rápido, poder camuflarse, tener resistencia o fuerza física notable. Uno de los mecanismos más fantásticos que ha elaborado la evolución es poder inmovilizar a una presa sin necesidad de perseguirla y, mucho menos, combatir con ella. Me refiero a la producción de veneno, una mezcla compleja de químicos que paralizan a la víctima y la dejan lista para convertirse en el festín del día.

La taipán es la serpiente más venenosa del planeta. Pertenece a una especie de la familia de las cobras que vive en el este de Australia; su veneno es 800 veces más activo que el de la serpiente de cascabel. En el caso de las arañas, es emblemática la viuda negra, que toma su nombre debido a que generalmente se come al macho después de aparearse. El veneno de la hembra de este arácnido produce dolores musculares intensos y, en caso que la víctima sea un varón, como efecto colateral, produce una prolongada erección para nada deseable en esa desafortunada ocasión. Como curiosidad, este efecto es el origen de la popular expresión “el picado de la araña”, que los chilenos usan para referirse a aquel hombre que suele ser muy coqueto, enamoradizo, lanzado o picarón.

No todos los venenos son iguales ni actúan de manera similar. Esto conlleva a que los científicos formulen una pregunta esencial: ¿cómo es el mecanismo mediante el cual un veneno actúa dentro de un organismo? La respuesta no es simple, pero puede catalogarse dentro de las interacciones moleculares que siguen el principio de llave y cerradura. Para que las sustancias que consideramos tóxicas actúen en un organismo, se necesita de la llave adecuada, el veneno, que interactúa con algún tipo de cerradura que existe en el cuerpo receptor. Estas cerraduras pueden ser de varios tipos: moléculas fundamentales para la supervivencia, sitios activos en una enzima determinada o impulsos nerviosos que se ven limitados por la presencia de la molécula llave.

En el caso de la taipán, el veneno obstaculiza la transmisión de los impulsos nerviosos, provocando parálisis respiratoria y cardiaca; aunque, según estudios recientes, su principal mecanismo de acción es agotar los factores de coagulación, lo cual produce hemorragias severas e incontrolables. En caso de una mordedura tienes cerca de media hora para despedirte de tus seres queridos.

En lo concerniente a la viuda negra, el veneno en el organismo de la víctima causa parálisis en el sistema nervioso central y un dolor que corroe el alma y que, aunque suene extraño, raras veces ocasiona la muerte. Por el contrario, existe una araña muy peligrosa denominada armadeira, procedente del Brasil. Es un tipo de tarántula y la araña más venenosa del planeta. ¡Es una verdadera asesina! En contraste con la viuda negra, que es tímida, sedentaria y solitaria, la armadeira es altamente agresiva y produce un veneno cuyo principal componente es un neurotóxico tan potente que solo 0,006 mg matan a un ratón. En el caso de un ser humano, el veneno lleva a la muerte en apenas 25 minutos.

Si crees que alejándote de la tierra estarás más seguro, no estás ni tibio. Cerca de las costas australianas, viven las criaturas marinas más letales del planeta. Entre los corales se encuentra camuflado el pez piedra, un horrible pez puntiagudo que provoca una dolorosa sensación no mortal, pero que requiere atención médica inmediata. Un poco más hacia el interior, en el gran arrecife de coral, existe un pequeño cefalópodo muy colorido: el pulpo de anillos azules. Su color, al igual que el de algunos anfibios terrestres, significa “¡Cuidado, muy peligroso!”. Cuando alguien irrumpe en su territorio, es capaz de inyectar una combinación mortal de sustancias que causan bloqueo neuronal, colapso respiratorio y cardiovascular, parálisis y, por supuesto, la muerte. Una dosis de veneno es suficiente para enviar al otro mundo a 20 personas. No obstante, el mar australiano aún nos reserva la sorpresa más impactante. Se trata de una criatura conocida como avispa marina, una belleza letal. Se cree que es el ser vivo más venenoso del planeta. Su piel contiene una combinación de neurotoxinas tan potente que solo 1,4 mg envían al panteón a un adulto humano. En cuanto a su aspecto, es muy parecida a una medusa, con el agravante de que es casi invisible en aguas profundas.

Las sustancias químicas componentes de estos venenos van desde neurotransmisores como la acetilcolina, la dopamina y la histamina, hasta sustancias realmente peligrosas como la tetrodotoxina, cuya acción nociva es 100 veces más potente que el veneno inyectado por la viuda negra. En definitiva, el veneno generado por estos animales actúa mediante un proceso llave-cerradura, que causa una serie de reacciones en cadena y afecta a las condiciones vitales de los organismos que, en caso de no existir antídoto o el tratamiento adecuado, derivan irremediablemente en la muerte. ■

TE QUIERO MUERTO II

Es 1967, James Bond se encuentra en Japón y acaba de deleitarse con una extravagancia culinaria. Luego de disfrutar una combinación entre lo picante y lo astringente, se siente muy preocupado. Podría estar envenenado y, si es el caso, tiene el tiempo contado…

Esta escena corresponde a uno de los relatos de Ian Fleming, creador del célebre agente 007. Es parte del libro Solo se vive dos veces y, excepto por la existencia del emblemático agente secreto, su contenido es cierto. James Bond ha consumido una especie de pez globo llamado fugu. Este pez es sumamente venenoso, su hígado y glándulas sexuales secretan uno de los venenos más potentes del reino animal. Esta delicia gourmet japonesa debe ser preparada por chefs especialistas; es muy apreciada y muy peligrosa. Los comensales de tan especial manjar buscan la mezcla de sabores y la sensación de saber que se está consumiendo un veneno, que si sobrepasa la dosis puede matarte en minutos. Hoy se sabe que la sustancia química responsable del envenenamiento es la tetrodotoxina. Su toxicidad es 1 000 veces mayor que la del cianuro y, dependiendo de la dosis ingerida, puede causar la muerte en apenas un minuto. ¿Cómo actúa esta sustancia? Bien, la tetrodotoxina pertenece a los venenos que actúan sobre el sistema nervioso. Las células nerviosas poseen un mecanismo de transmisión de información conocido como intercambio de iones a través de canales. Uno de los iones claves en este proceso es el ion sodio. La tetrodotoxina bloquea los canales de sodio e impide su ingreso. ¿Cuál es la consecuencia? Se produce hormigueo, sensibilidad alterada, pérdida del equilibrio, atrofia muscular, parálisis y la muerte.

Casos de envenenamiento en la historia de la humanidad existen por miles. Desde los griegos era conocido el “veneno de estado”, obtenido a partir de la cicuta y que Sócrates usó como medio ejecutor. También son famosos los “polvos o veneno de sucesión”, usados para usurpar el poder, en donde hijos envenenan a padres con fines “políticos” o de herencia anticipada. Una envenenadora famosa fue Catalina Deshayes, que levantó un lucrativo negocio vendiendo venenos a mujeres deseosas de enviudar. Su último intento de asesinato fue contra Luis XIV; se cree que llegó a terminar con la vida de unas 2 200 personas, incluidos niños, al establecer un monstruoso sistema de planificación familiar.

¿NAPOLEÓN ENVENENADO?

Uno de los casos más estudiados y controvertidos quizás sea el ocurrido al general y gobernante francés Napoleón Bonaparte. La versión oficial de la muerte de Napoleón asegura que la causa del deceso del gran emperador, soberano de cerca de la mitad del planeta, fue cáncer de estómago, y ocurrió el 5 de mayo de 1821 en la isla de Santa Helena, lugar al que fue confinado después de su derrota en la mítica batalla de Waterloo. Según el acta médica, la enfermedad lo llevó a la tumba en menos de seis meses. Este lapso fue el pretexto para que algunos de sus allegados sospecharan de un asesinato. Según esta versión, confirmada por el testamento del propio Napoleón, que aseguraba que la oligarquía inglesa quería terminar con su existencia, lo ocurrido durante su estancia en la isla no fue sino un muy bien planeado asesinato.

Para aquella época ya se conocía una gran variedad de sustancias que, ingeridas, podrían llevar a la muerte. No obstante, el veneno, para evitar sospechas, debería tener características especiales: ser soluble en agua, insípido, de acumulación (mata paulatina y lentamente) y de fácil dosificación en pequeñas cantidades en la comida o bebida del emperador. El estudio del caso no fue fácil, pero el arsénico era uno de los candidatos más promisorios como veneno. El arsénico elemental no es dañino, la sustancia comúnmente utilizada y que posee las características adecuadas es el óxido de arsénico (As₂O₃). Este compuesto es el famoso veneno de sucesión o polvo de la herencia.

LA CIENCIA AL RESCATE

Ciento cuarenta años después de la muerte de Napoleón, dos médicos escoceses y un físico sueco decidieron aceptar el reto. La primera tarea fue bastante frustrante, pues, ¿qué podía quedar como muestra de la existencia del emperador después de tantos años? Ropa, utensilios de uso personal, libros…, en ninguno de ellos era posible detectar el nocivo arsénico. ¡Ah!, sin embargo, si se encontraban muestras de cabello tal vez sería viable determinar si el organismo de Napoleón estuvo en contacto con el veneno. Tiempo después, casi a punto de abandonar la búsqueda, los científicos consiguieron el maravilloso tesoro: cabellos de Napoleón obtenidos directamente del “relicario de Santa Helena”, nombre con el cual se conoce al depositario de los restos del gobernante.

Era el momento de actuar de la física y, gracias a un maravilloso método de análisis llamado radiactivación o activación con neutrones, que permite determinar cantidades de incluso 0,000000001 partes de gramo, el investigador sueco logró determinar que los cabellos contenían 13 veces más arsénico que lo normal. ¡Confirmado! Napoleón habría sido asesinado. No obstante, el caso daría un giro interesante en la década de los noventa. Nuevas investigaciones aseveran que las paredes del tapiz del estudio, en donde Napoleón pasaba gran parte de su tiempo, contenían un pigmento verde obtenido a partir de arsenato de cobre. Esta nueva hipótesis plantea que el asesino sería un moho que, al crecer sobre la superficie del tapiz, en presencia del arsenato sintetiza trimetilarsina, un compuesto volátil muy venenoso. Según esta versión, el gran emperador podría haber muerto a causa de la inhalación de los residuos volátiles de pintura generados por un simple organismo microscópico. El caso no está cerrado aún…■