dimarts, 4 d’octubre de 2022

Entrellaçament fotònic i computació quàntica: Aspect, Clauster, Zeliniger, Premi Nobel de Física 2022

Física quàntica: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Física a parts iguals a Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger "per experiments amb fotons entrellaçats que estableixen la violació de desigualtats de Bell i obren el camí a la ciència de la informació quàntica". L'entrellaçament de dues partícules implica un comportament quàntic comú que es manté amb independència de l'allunyament entre elles. Aquest fenomen és rellevant en aplicacions telemàtiques (ordinadors quàntics, xarxes quàntiques o encriptació quàntica). El premi és dotat en 10 milions de corones sueques que es repartiran entre els tres.

Esquema d'un experiment sobre l'entrellaçament quàntic viola la desigualtat de Bell. Una font (S) de fotons emet parelles de fotons en un estat de superposició (ν1 i ν2) la polarització dels quals es mesurada pels polaritzadors P1 i P2. La correlació de resultats entre els dos polaritzadors no hauria de superar el nivell teòric calculat per Bell. Però ho supera, la qual cosa és indicativa que en l'entrellaçament quàntic no actuen variables locals amagades.

Alain Aspect

Alain Aspect (*Agen, 15.6.1947) estudià a l'École Normale Supérieure de Cachan i es doctorà a la Universitat de Paris-Sud a Orsay, el 1983. És professor de la Université Paris-Saclay i de l'École Polytechnique de Palaiseau.

John F. Clauser

John Francis Clauser (*Pasadena, 1.10.1942) es graduà en física al California Institute of Technology (1964), on obtingué un mestratge (1966). Es doctorà a la Universitat de Colúmbia el 1969. Desenvolupà la seva carrera acadèmica entre el 1969 i el 1996 al Lawrence Berkeley National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory i a la University of California, Berkeley. La seva companyia, J. F. Clauser & Associates, té seu a Walnut Creek, Califòrnia.

Anton Zeilinger

Anton Zeilinger (*Reid im Innkreis, 20.5.1945) es doctorà a la Universitat de Viena el 1971 sota la supervisió de Helmut Rauch sobre la despolarització de neutrons en cristalls de disprosi (Rauch & Zeilinger, 1972). És professor de la Universitat de Viena. És conegut pels seus treballs sobre mesures sense interacció (Kwiat et al., 1995), per l'estat GHZ de sistemes d'entrellaçament quàntic de tres o més subsistemes (Greenberger et al., 2007) i per experiments en codificació superdensa (Mattle et al., 1996).

Entrellaçament quàntic

L'entrellaçament de dues partícules implica que els seus estats quàntics són mútuament dependents. Que aquesta dependència es mantingui quan les partícules del parell entrellaçat són separades implicaria alguna mena d'interacció a distància. Alternativament, la correlació entre les dues partícules podria obeir a variables amagades. John Stewart Bell treballa sobre aquesta qüestió i desenvolupà la desigualtat matemàtica que les variables amagades introduïen a la correlació entre les partícules entrellaçades. No obstant la mecànica quàntica predeia que la desigualtat de Bell seria depassada en certs experiments quàntics.

John F. Clauser conduí amb Stuart Freedman (1944-2012) un experiment quàntic amb fotons emesos en una cascada atòmica de calci que violava la desigualtat de Bell (Freedman & Clauser, 1972) Les variables amagades, doncs, no podien explicar la no-localitat de l'entrellaçament quàntic (Clauser & Horne, 1974).

L'experiment de Clauser fou qüestionat per la possible influència del dispositiu de mesura en l'entrellaçament dels fotons. Alain Aspect proposà un sistema que desconnectava el dispositiu de mesura després de l'emissió de fotons entrellaçats (Aspect, 1976). Aquest sistema va permetre el seu grup de realitzar experimentalment l'experiment pensat dècades abans per Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen o David Bohm (Aspect et al., 1982). Els resultats indicaven que l'entrellaçament fotònic seguia les prediccions teòriques de la mecànica quàntica i violava considerablement les desigualtats generalitzades de Bell: no hi havia ombra de variables locals amagades.

El grup d'Anton Zeilinger investigà aplicacions dels fotons entrellaçats. Demostrà experimentalment la teleportació quàntica en la transmissió de polarització en un parell de fotons entrellaçats (Bouwmeester et al., 1997). La teleportació quàntica consisteix en la transferència a distància d'un estat quàntic.

Diagrama d'un sistema de teleportació quàntica de l'estat de polarització d'un fotó a un altre

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysik 2022.

- Experimental test of local hidden-variables theories. Stuart J. Freedman & John F. Clauser. Phys. Rev. Lett. 28: 938 (1972).

- Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics Alain Aspect. Phys. Rev. D 14: 1944 (1976).

- Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities. Alain Aspect, Philippe Grangier, Gérard Roger. Phys. Rev. Lett. 49: 91 (1982).

- Experimental quantum teleportation. Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl, Harald Weinfurter, Anton Zeilinger. Nature 390: 575-579 (1997).

dilluns, 3 d’octubre de 2022

La paleogenètica humana: Svante Paabo, Premi Nobel de Fisiologia 2022

Paleoantropologia: L'Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Fisiologia a Svante Pääbo, "per descobertes en relació a genomes d'homínids extingits i l'evolució humana". Pääbo ha estat pioner en les tècniques d'extracció i anàlisi d'ADN antic, i ha contribuït al coneixement genòmic de l'home de Neandertal i altres homes arcaics i a la seva petjada sobre l'home anatòmicament modern.

Imatge d'un espècimen d'húmer de neandertal del que el grup de Pääbo retirà un fragment per extraure'n l'ADN mitocondrial

Svante Pääbo

Svante Pääbo (*Estocolm, 20.4.1955) és fill de la química estoniana Karin Pääbo i del bioquímic suec Sune Bergström (1916-2004, Premi Nobel en el 1982). S'inicià en la recerca en temes de fisiologia de l'exercici i d'endocrinologia comparada (Pääbo et al., 1981). Es doctorà en el 1986 a la Universitat d'Uppsala amb una tesi sobre l'acció de la proteïna adenoviral E19 sobre el sistema immune de l'hoste (Pääbo et al., 1983; Andersson et al., 1985; Pääbo et al., 1986a; Pääbo et al., 1986b). Ben aviat s'interessà en qüestions d'ADN antic, i aconseguí la clonació molecular d'ADN procedents de mòmies egípcies (Pääbo, 1985). Era conscient de la rellevància que això podria tenir en la reconstrucció de processos etnohistòrics (Pääbo, 1987). Realitzà estades postdoctorals a la Universitat de Zuric i a la Universitat de Califòrnia a Berkeley. El 1997 assumí la direcció del Departament de Genètica de l'Institut Max Planck d'Antropologia Evolutiva. Actualment també és professor de l'Institut de Ciència i Tecnologia d'Okinawa.

El genoma dels neandertals

En desenvolupar-se les tècniques de seqüenciació d'àcids nucleics, hom pensava que només podrien aplicar-se a organismes vius i no pas a restes antigues de milers d'anys. Quan s'aconseguí extreure ADN d'aquestes restes, hom assumia que mai no se'n podria obtindre informació genètica exhaustiva. Però també aquesta barrera fou separada i la paleogenòmica accedí a l'estudi directe d'ADN antic.

En el laboratori d'Allan Wilson (1934-1991) a Berkeley, Pääbo treballà sobre el desenvolupament de tècniques adients per accedir a l'ADN antic. La reacció en cadena de la polimerasa no era absent de riscos (Pääbo & Wilson, 1988). Calia adaptar-les a les característiques de l'ADN antic (Pääbo et al., 1988). Eventualment aconseguí accedir a mostres d'ADN de més de 10.000 anys d'antiguitat (Pääbo, 1989), de forma que considerava inaugurada l'arqueologia molecular (Pääbo et al., 1989). Si les tècniques comparatives d'ADN mitocondrial resultaven útils per analitzar les relacions evolutives dels organismes actuals (Kocher et al., 1989) més fascinant era aplicar-les a animals extingits com el llop marsupial (Thomas et al., 1989)

A partir del 1990, ja com a professor a la Universitat de Munic, se centrà en l'ADN mitocondrial dels neandertals. Aconseguí seqüenciar un fragment d'ADN mitocondrial de restes òssies de 40.000 anys d'antiguitat. La seqüència, comparada amb la d'humans i de ximpanzés, mostrava elements distintius (Krings et al., 1997). Per primera vegada hom obtenia dades genètiques directes d'un grup humà extingit.

Els resultats de Pääbo impressionaren prou com perquè se li oferís d'establir un Max-Planck-Institut a Lepzig dedicat a la matèria. En el nou centre es milloraren les tècniques d'extracció i anàlisi d'ADN, guanyant-hi en rendiment.

Fruit d'una col·laboració interdisciplinar impulsada per Pääbo, en el 2010 es publicà la primera seqüència genòmica completa de l'home de Neandertal (Green et al., 2010). Aquest estudi permetia datar en 800.000 anys d'antiguitat l'època del darrer ancestre comú entre neandertals i homes anatòmicament moderns.

La descoberta dels denisovans

Durant un bon temps, es veia la paleogenètica com una mera ciència auxiliar de la paleoantropologia, útil per a complementar genealògicament les afinitats demostrades per l'anatomia o l'arqueologia. Però la descoberta dels denisovans per Pääbo posava de manifest que l'estudi de l'ADN mitocondrial antic podia revelar un grup humà ancestral que havia passat desapercebut.

Amb el coneixement de les seqüències d'ADN mitocondrials de neandertals, el grup de Pääbo veié clar que l'ADN extret d'un os de dit trobat el 2008 a la Cova de Denisova no hi encaixava (Krause et al., 2010). L'antiguitat d'aquestes restes era de 40.000 anys, però l'ADN mitocondrial no es corresponia ni a neandertals ni a homes anatòmicament moderns. Hom havia topat amb un tercer grup humà present a l'Euràsia Central de l'època, cosa que es va fer encara més evident amb una anàlisi del genoma nuclear (Meyer et al., 2012; Prüfer et al., 2014).

L'ADN mitocondrial és un ADN citoplasmàtic d'herència materna, en el sentit que l'embrió només en rep l'ADN mitocondrial de l'òvul. Així la reconstrucció de l'arbre filogenètic de l'ADN mitocondrial és un reflex del llinatge matern. En aquest gràfic de Krause et al. (2010) constatem com els denisovans són un grup extern a neandertals+moderns, alhora que els neandertals són un grup extern a les poblacions humanes modernes.

La introgressió de gens antics en genomes moderns

La paleogenètica podria ser vista com una curiositat sobre el nostre passat. El cas és que ens ha mostrat que de la gran diversitat de llinatges humans pretèrits el nostre és essencialment producte d'un evolucionat a Àfrica fa uns 100.000 anys. Neandertals i denisovans ens haurien de semblar uns oncles exòtics, però el cas és que, poc o molt, les poblacions humanes modernes n'han rebut en herència un grapat de gens adquirits per mestissatge i afavorits per processos sel·lectius. La recerca de Pääbo és, doncs, molt rellevant per entendre la població humana moderna, tant en aspectes fisiològics com patològics.

La recerca genòmica comparada del grup de Pääbo mostrava una major afinitat amb els neandertals de les poblacions eurasiàtiques modernes que no pas de les poblacions africanes. Calia pensar doncs en l'existència d'un flux genètic des dels neandertals fins a l'home anatòmicament modern. Quantitativament és un flux poc rellevant, amb un ventall que va de l'1% al 4% del genoma de les poblacions eurasiàtiques modernes.

Pel que fa als denisovans, el grup de Pääbo trobà que havien deixat petjada en el 6% del genoma de poblacions modernes del Sud-est d'Àsia i de Melanèsia (Reich et al., 2010).

La introgressió d'ADN d'homes arcaics en els homes moderns s'ha vist afavorida en certs casos per la selecció natural. Així el gen EPAS1 denisovà ha ajudat les poblacions tibetanes a adaptar-se a les condicions de l'altiplà.

Lligams:

- Comunicat de premsa de la Nobelförsamlingen vid Karolinska Institutet.

- Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Matthias Krings, Anne Stone, Ralf W Schmitz, Heike Krainitzki, Mark Stoneking, Svante Pääbo. Cell 90: 19-30 (1997).

- A draft sequence of the Neandertal genome. Richard E Green, Johannes Krause, Adrian W Briggs, Tomislav Maricic, Udo Stenzel, Martin Kircher, Nick Patterson, Heng Li, Weiwei Zhai, Markus Hsi-Yang Fritz, Nancy F Hansen, Eric Y Durand, Anna-Sapfo Malaspinas, Jeffrey D Jensen, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Kay Prüfer, Matthias Meyer, Hernán A Burbano, Jeffrey M Good, Rigo Schultz, Ayinuer Aximu-Petri, Anne Butthof, Barbara Höber, Barbara Höffner, Madlen Siegemund, Antje Weihmann, Chad Nusbaum, Eric S Lander, Carsten Russ, Nathaniel Novod, Jason Affourtit, Michael Egholm, Christine Verna, Pavao Rudan, Dejana Brajkovic, Željko Kucan, Ivan Gušic, Vladimir B Doronichev, Liubov V Golovanova, Carles Lalueza-Fox, Marco de la Rasilla, Javier Fortea, Antonio Rosas, Ralf W Schmitz, Philip L F Johnson, Evan E Eichler, Daniel Falush, Ewan Birney, James C Mullikin, Montgomery Slatkin, Rasmus Nielsen, Janet Kelso, Michael Lachmann, David Reich, Svante Pääbo. Science 328: 710-722 (2010)

- The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Johannes Krause, Qiaomei Fu, Jeffrey M. Good, Bence Viola, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Svante Pääbo. Nature 464: 894-897 (2010).

- Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. David Reich, Richard E. Green, Martin Kircher, Johannes Krause, Nick Patterson, Eric Y. Durand, Bence Viola, Adrian W. Briggs, Udo Stenzel, Philip L. F. Johnson, Tomislav Maricic, Jeffrey M. Good, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Qiaomei Fu, Swapan Mallick, Heng Li, Matthias Meyer, Evan E. Eichler, Mark Stoneking, Michael Richards, Sahra Talamo, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Jean-Jacques Hublin, Janet Kelso, Montgomery Slatkin, Svante Pääbo. Nature 468: 1053–1060 (2010).

- A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Matthias Meyer, Martin Kircher, Marie-Theres Gansauge, Heng Li, Fernando Racimo, Swapan Mallick, Joshua G Schraiber, Flora Jay, Kay Prüfer, Cesare de Filippo, Peter H Sudmant, Can Alkan, Qiaomei Fu, Ron Do, Nadin Rohland, Arti Tandon, Michael Siebauer, Richard E Green, Katarzyna Bryc, Adrian W Briggs, Udo Stenzel, Jesse Dabney, Jay Shendure, Jacob Kitzman, Michael F Hammer, Michael V Shunkov, Anatoli P Derevianko, Nick Patterson, Aida M Andrés, Evan E Eichler, Montgomery Slatkin, David Reich, Janet Kelso, Svante Pääbo. Science 338: 222-226 (2012).

- The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Kay Prüfer, Fernando Racimo, Nick Patterson, Flora Jay, Sriram Sankararaman, Susanna Sawyer, Anja Heinze, Gabriel Renaud, Peter H. Sudmant, Cesare de Filippo, Heng Li, Swapan Mallick, Michael Dannemann, Qiaomei Fu, Martin Kircher, Martin Kuhlwilm, Michael Lachmann, Matthias Meyer, Matthias Ongyerth, Michael Siebauer, Christoph Theunert, Arti Tandon, Priya Moorjani, Joseph Pickrell, James C. Mullikin, Samuel H. Vohr, Richard E. Green, Ines Hellmann, Philip L. F. Johnson, Hélène Blanche, Howard Cann, Jacob O. Kitzman, Jay Shendure, Evan E. Eichler, Ed S. Lein, Trygve E. Bakken, Liubov V. Golovanova, Vladimir B. Doronichev, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Bence Viola, Montgomery Slatkin, David Reich, Janet Kelso, Svante Pääbo. Nature 505: 43-49 (2014).

dilluns, 26 de setembre de 2022

L'impacte de DART en el petit planeta Dimorphos

Defensa planetària: La missió DART ha impactat avui amb el seu objectiu, Dimorphos, satèl·lit de l'asteroide Didymos. L'objectiu era induir un canvi orbital que fes de prova a un sistema de defensa planetària per desviar la trajectòria d'asteroides perillosos per a la Terra.

A 2,5 minuts de l'impacte, així retratava la DRACO del DART els asteroides Dimorphos i Didymos. Un asteroide doble ofereix un escenari ideal per comprovar si un impacte directe és capaç de desviar la trajectòria orbital d'un petit planeta.

Test de Redirecció d'Asteroide Doble

El nom de DART es pot llegir doblement com un dard que fa de "Double Asteroid Redirection Test". És una prova d'un sistema de defensa antiasteroidal basat en la deflecció en òrbita. La cinètica de l'impacte persegueix modificar la velocitat i trajectòria de l'asteroide.

La DART fou llençada el 24 de novembre del 2021 amb el Falcon 9 des de la base de Vandenberg, a Califòrnia. Ha trigat doncs gairebé deu mesos en arribar al seu objectiu.

L'objectiu era l'asteroide doble Dídim-Dimorf. No és un asteroide que creuï l'òrbita de la Terra, i malgrat que s'hi acosta, no entranya perill. El sistema és integrat per dos cossos: Dídim, de 780 metres de diàmetre, i Dimorf, de 160. El període orbital de Dimorf al voltant de Dídim era, abans de l'impacte amb DART, d'11 hores i 55 minuts, corresponent a una distància mitjana entre els dos objectes de 1180 metres. Des del pla de visió de la Terra, és un sistema binari eclipsant, la qual cosa n'afavorí la descoberta.

L'impacte de DART havia de resultar en una frenada de Dimorf, i un escurçament del seu període orbital d'uns 10 minuts.

L'impacte

L'impacte ha tingut lloc en el moment previst. La càmera DRACO del DART ha registrat els moments previs a l'impacte.

Darrera imatge de la superfície de l'asteroide Dimorphos presa per la DART just abans de l'impacte

Lligams:

- NASA's DART Mission Hits Asteroid in First Ever Planetary Defense Test, notícia a la web de la NASA.

divendres, 16 de setembre de 2022

Amor de cor i amor de budell: Premis Ig Nobel 2022

Com cada any per aquestes dates, avui a Harvard ha tingut lloc la cerimònia de lliurament (i en van 32) dels Premis Ig Nobel 2022. Són premis que fan riure i pensar sobre el ritme cardíac dels amants, la complexitat del llenguatge jurídic o les dificultats sexuals dels escorpins estrenyits.

Sincronia fisiològica en una cita a cegues (Prochazkova et al., Premi Ig Nobel de Cardiologia Aplicada 2022)

Eliska Prochazkova, Elio Sjak-Shie, Friederike Behrens, Daniel Lindh i Mariska Kret han rebut el Premi Ig Nobel de Cardiologia Aplicada "per cercar i trobar proves que quan nous companys romàntics es coneixen per primera vegada, i se senten atrets mútuament, les llurs freqüències cardíaques se sincronitzen".

En un article publicat a Nature Human Behaviour, aquests investigadors de la Unitat de Psicologia Cognitiva de la Universitat de Leiden i d'altres centres, mesuraven la dinàmica fisiològica entre parelles de participants en una cita a cegues. Els participants duien ulleres de seguiment de la mirada, que a més els monitoritzaven la freqüència cardíaca i la conductància de la pell. Mentre que els somriures, les rialles o les mirades no s'associaven significativament amb l'atracció, sí que ho feien la sincronia en la freqüència cardíaca i la conductància dèrmica. Prochazkova et al. pensen que mentre els primers signes poden simular-se, les variables fisiològiques són inconscients i poc regulables a voluntat. És en el subconscient, doncs, on cal cercar els signes de l'atracció entre parelles que tot just es coneixen.

Eliska Prochazkova i Mariska Kret, les dues autores corresponsals de l'article, foren les que recolliren el guardó en la cerimònia virtual d'ahir.

La mala redacció de textos jurídics (Martínez et al., Premi Ig Nobel de Literatura 2022)

Eric Martínez, Francis Mollica i Edward Gibson han rebut el Premi Ig Nobel de Literatura "per analitzar allò que fa que els documents legals siguin innecessàriament difícils d'entendre".

Aquests investigadors en ciències cognitives del MIT (Martínez i Gibson) i de la Universitat d'Edimburg (Mollica) analitzaren en un article a la revista Cognition un corpus de 10 milions de mots. Trobaren que els contractes analitzats contenien vocabulari de jerga, oracions complexes, estructures en veu passiva i normes peculiars per col·locar majúscules inicials que no eren presents en gèneres diferents de la literatura jurídica. De tots aquests trets són les oracions subordinades les que més dificulten la comprensió del text. Així doncs, el problema de la comprensió dels textos legals és més aviat el resultat d'una pobra redacció i no pas tant del vocabulari especialitzat.

Els tres autors recolliren el guardó en la cerimònia virtual d'ahir.

Pèrdua de cua i capacitat locomotora dels escorpins (García-Hernández & Machado, Premi Ig Nobel de Biologia 2022)

Solimary García-Hernández i Glauco Machado han rebut el Premi Ig Nobel de Biologia "per estudiar com afecta el restrenyiment les perspectives d'aparellament dels escorpins".

Val a dir que aquests dos investigadors en ecologia del comportament de la Universitat de São Paulo es referien, en el seu article a Integrative Zoology a un cas extrem d'estrenyiment en l'escorpí Ananteris balzani: el que resulta de l'autotomia de la cua. Aquest mecanisme de defensa entranya la pèrdua del 25% de la massa corporal, inclosa la porció posterior del tracte digestiu. S'entén, doncs, que la manca d'anus condueix a un estrenyiment sever i irreversible: no hi haurà mai més defecació en aquell individu. És remarcable que la capacitat de córrer es mantingui en aquests animals, com han investigat García-Hernández & Machado. A llarg termini, però, els mascles autotomitzats i, en conseqüència restrenyits, perden velocitat i això pot conduir-los a disminuir la cerca de parella. En tot cas, el restrenyiment que pateixen els conduirà a la mort en qüestió de mesos, però donada la longevitat típica d'un escorpí encara tindran temps suficient per trobar parella i deixar descendència.

Els dos autors recolliren ahir el guardó.

Crioteràpia amb gelat de crema (Jasiński et al., Premi Ig Nobel de Medicina 2022)

Marcin Jasiński, Martyna Maciejewska, Anna Brodziak, Michał Górka, Kamila Skwierawska, Wiesław Jędrzejczak, Agnieszka Tomaszewska, Grzegorz Basak i Emilian Snarski han rebut el Premi Ig Nobel de Medicina "per demostrar que quan pacients passen per alguna forma de quimioteràpia tòxica, pateixen menys efectes adversos quan un gelat de crema substitueix un component tradicional del procediment".

Aquests investigadors i metges polonesos publicaven a Scientific Reports un article sobre l'ús del gelat com a crioteràpia en el tractament de la mucositis oral que apareix com a efecte advers a la quimioteràpia amb melphalan prèvia a un transplantament autòleg de cèl·lules mare hematopoiètiques. En un estudi retrospectiu constataren que pacients que havien rebut aquesta crioteràpia tenien una menor incidència de mucositis oral.

Marcin Jasiński, Anna Brodziak, Kamila Skwierawska, Wiesław Jędrzejczak i Emilian Snarski assistiren a la cerimònia virtual d'ahir per recollir aquest guardó.

Com fer girar un botó cilíndric (Matsuzaki et. al, Premi Ig Nobel d'Enginyeria 2022)

Gen Matsuzaki, Kazuo Ohuchi, Masaru Uehara, Yoshiyuki Ueno i Goro Imura han rebut el Premi Ig Nobel d'Enginyeria "per intentar descobrir la forma més eficient per a la gent d'emprar els dits quan giren un botó cilíndric.

En el 1998 Matsuzaki, Imura i Uehara presentaren en la Tercera Conferència de Disseny Asiàtic, celebrada el 1998, els resultats dels seus estudis experimentals sobre el control rotacional d'un botó cilíndric, amb especial interès sobre el nombre de dits utilitzats per accionar-lo. L'any següent publicaren, juntament amb Ohuchi i Ueno, un article sobre la matèria. Com a subjectes experimentals feren servir 32 joves (23 homes i 9 dones) als que s'exposaven a 45 cilindres de fusta de 5 cm d'alçada, amb diàmetres que anaven dels 7 mm als 13 cm. Amb una càmera de vídeo seguien els moviments dels subjectes. La relació entre el nombre de dits utilitzats i el diàmetre del cilindre seguia aproximadament una funció quadràtica.

Matsuzaki fou qui recollí aquest guardó en la cerimònia virtual d'ahir.

La representació de l'enema ritual en la ceràmica maia (de Smet & Hellmuth, Premi Ig Nobel d'Història de l'Art 2022)

Peter de Smet i Nicholas Hellmuth han rebut el Premi Ig Nobel d'Història de l'Art per l'estudi "una aproximació multidisciplinar a les escenes d'enema ritual de l'antiga ceràmica maia".

Aquest era el títol de l'article que tots dos publicaren el 1986 al Journal of Ethnopharmacology. El punt de partida eren escenes de la ceràmica clàssica maia en la que es representen enemes, que calia interpretar com a enemes rituals, i suposar que es tracta de l'administració per via anal de substàncies psicoactives. Aquests enemes rituals contrastaven amb la visió de la civilització maia com a contemplativa, i aliena a l'èxtasi ritual. De Smet & Hellmuth aportaven indicis que allò que s'administrava per via rectal era un líquid alcohòlic, i que l'enema garantia que el líquid no seria vomitat com podria ser el cas si se'l prenia oralment. Alternativament els enemes podien contenir ingredients com el tabac o el nenúfar. L'aproximació multidisciplinària, és clar, passava per confirmar experimentalment el caràcter al·lucinògen de cadascun d'aquests ingredients potencials.

Els dos autors recolliren ahir aquest guardó.

Aneguets en formació i estalvi energètic (Fish et al., Premi Ig Nobel de Física 2022)

Frank Fish, Zhi-Ming Yuan, Minglu Chen, Laibing Jia, Chunyan Ji i Atilla Incecik han rebut el Premi Ig Nobel de Física "per intentar entendre com els aneguets s'ho fan per nedar en formació".

En el 1994, Frank E. Fish escrigué el capítol sobre la conservació d'energia que comporta nedar en formació d'acord amb les dades metabòliques d'aneguets en un llibre sobre mecànica i fisiologia de la natació animal. Yuan et al. (2021) publicaren un article sobre la base hidrodinàmica de la natació en formació dels aneguets que segueixen la mare. Així establiren un model matemàtic i numèric simplificat en el que calcularen l'arrossegament d'ona d'un grup d'anàtides en formació. Els aneguets, en cavalcar les onades generades per la mare, redueixen aquest arrossegament. Si un aneguet queda massa enrera, la interferència destructiva de les ones l'empentarà cap endavant. Aquesta dinàmica es trasllada als següents aneguets que adopten doncs aquesta formació com a conseqüència de la dinàmica ondulatòria.

Frank Fish, Zhi-Ming Yuan, Laibing Jia, Chunyan Ji i Atilla Incecik recolliren el guardó en la cerimònia virtual d'ahir.

L'honestedat de qui escampa rumors (Wu et al., Premi Ig Nobel de la Pau 2022)

Junhui Wu, Szabolcs Számadó, Pat Barclay, Bianca Beersma, Terence Dores Cruz, Sergio Lo Iacono, Annika Nieper, Kim Peters, Wojtek Przepiorka, Leo Tiokhin i Paul Van Lange han rebut el Premi Ig Nobel de la Pau "per desenvolupar un algoritme per ajudar els xafarders a decidir quan dir la veritat i quan mentir".

Els investigadors, que treballen en el camp de la xafarderia, publicaren un article l'any passat a les Philosophical Transactions of the Royal Society B sobre l'aspecte concret de l'honestedat de qui escampa informació sobre persones absents. A través de models formals proven de fornir un fonament teòric a les estratègies de safareig. Cal considerar la interdependència del xafarder, d'aquell de qui parla i d'aquell a qui parla. Així es defineixen una sèrie de jocs que, únicament si concorden els uns amb els altres, resulten en un llenguatge de cooperació honesta.

Junhui Wu, Pat Barclay, Bianca Beersma, Terence Dores Cruz, Sergio Lo Iacono, Annika Nieper, Kim Peters, Wojtek Przepiorka, Leo Tiokhin i Paul Van Lange participaren ahir en la cerimònia de lliurament del guardó.

L'atzar en el triomf i el fracàs (Pluchino et al., Premi Ig Nobel d'Economia 2022)

Alessandro Pluchino, Alessio Emanuele Biondo i Andrea Rapisarda han rebut el Premi Ig Nobel d'Economia "per explicar, matemàticament, per què l'èxit molt sovint no va a les persones més talentoses, sinó més aviat a les més afortunades".

Els tres professors de la Universitat de Catania publicaren en el 2018 un article sobre el binomi de talent i sort en l'èxit i en el fracàs. En el paradigma dominant de la meritocràcia cal pensar que l'èxit deriva de qualitats personals com el talent, la intel·ligència, les habilitats, l'esforç o la capacitat de prendre riscos. No obstant, mentre les qualitats personals solen seguir una distribució gaussiana entre la població, la distribució de riquesa segueix una llei de potència de Pareto. Aquesta discrepància de distribució, segons els tres autors, és justament l'aleatorietat. Si és cert que cal un mínim de talent per reeixir, també ho és que el pic d'èxit és sovint més assolit per persones de talent mediocre però afortunades. Aquestes conclusions haurien d'il·luminar, per exemple, les estratègies de finançament públic per a la recerca amb vistes a millorar la meritocràcia, la diversitat i la innovació.

Els tres autors assistiren a la cerimònia virtual d'ahir per recollir el guardó. En el 2010 Pluchino i Rapisarda ja havien recollit, en aquella ocasió amb Cesare Garofalo, un premi Ig Nobel per demostrar matemàticament que les organitzacions serien més eficients si promoguessin el personal de manera aleatòria. Justament sembla que això ja ho fa l'organització que anomenem "universitat de la vida".

Un ant de goma per a proves de xoc automobilístic (Gens, Premi Ig Nobel d'Enginyeria de Seguretat 2022)

Magnus Gens ha rebut el Premi Ig Nobel d'Enginyeria de Seguretat "per desenvolupar un maniquí per a proves de col·lisió de vehicles en forma d'ant (Alces alces)".

Efectivament, en el 2001, en el seu treball de màster a l'Institut Reial suec de Tecnologia, s'ocupava de l'amenaça a la seguretat viària que constitueixen els grans animals salvatges a les carreteres d'Escandinàvia. Per tal de fer front a aquestes col·lisions, de la mateixa manera que hi ha maniquís de forma humana que s'instal·len dins dels vehicles de prova, Gens proposava un maniquí amb forma d'ant. Per dissenyar-lo, Gens realizà una visita al zoo de Kolmården, consultà el veterinari Bengt Röken i estudià el cadàver encara calent d'un cérvol atropellat. Dissenyà un maniquí fet de 116 plaques de goma, unides amb peces d'acer. La goma era fabricada per Trelleborg AB a Espanya. El maniquí fou finalment provat amb dos cotxes nous de la marca Saab i un de vell de la marca Volvo. Els vehicles, després de l'impacte, tenien ben bé l'aspecte dels cotxes que han topat amb un ant real.

Gens recollí el guardó en la cerimònia virtual celebrada ahir.

Lligams:

- Ig Nobel Prize Winners.

- Physiological Synchrony is Associated with Attraction in a Blind Date Setting. Eliska Prochazkova, Elio Sjak-Shie, Friederike Behrens, Daniel Lindh, Mariska E. Kret.Nature Human Behaviour 6: 269-278 (2022).

- Poor Writing, Not Specialized Concepts, Drives Processing Difficulty in Legal Language. Eric Martínez, Francis Mollica, Edward Gibson. Cognition 224 (2022).

- Short- and Long-Term Effects of an Extreme Case of Autotomy: Does 'Tail' Loss and Subsequent Constipation Decrease the Locomotor Performance of Male and Female Scorpions?. Solimary García-Hernández, Glauco Machado. Integrative Zoology (2021).

- Ice-Cream Used as Cryotherapy During High-Dose Melophalan Conditioning Reduces Oral Mucositis After Autologous Hematopoietic Stem Cell Transplantation. Marcin Jasiński, Martyna Maciejewska, Anna Brodziak, Michał Górka, Kamila Skwierawska, Wiesław W. Jędrzejczak, Agnieszka Tomaszewska, Grzegorz W. Basak, Emilian Snarski. Scientific Reports 11: 22507 (2021).

- 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. 松崎 元, 大内 一雄, 上原 勝, 上野 義雪, 井村 五郎. Bulletin of Japanese Society for the Science of Design 45: 69-76 (1999).

- A Multidisciplinary Approach to Ritual Enema Scenes on Ancient Maya Pottery. Peter A.G.M. de Smet, Nicholas M. Hellmuth. Journal of Ethnopharmacology 16: 213-262 (1986).

- Energy Conservation by Formation Swimming: Metabolic Evidence from Ducklings Frank E. Fish, in Mechanics and Physiology of Animal Swimming, pp. 193-204 (1994).

- Wave-Riding and Wave-Passing by Ducklings in Formation Swimming. Zhi-Ming Yuan, Minglu Chen, Laibing Jia, Chunyan Ji, Atilla Incecik. Journal of Fluid Mechanics 928 (2021).

- Honesty and Dishonesty in Gossip Strategies: A Fitness Interdependence Analysis. Junhui Wu, Szabolcs Számadó, Pat Barclay, Bianca Beersma, Terence D. Dores Cruz, Sergio Lo Iacono, Annika S. Nieper, Kim Peters, Wojtek Przepiorka, Leo Tiokhin, Paul A.M. Van Lange Philosophical Transactions of the Royal Society B 376: 20200300 (2021).

- Talent vs. Luck: The Role of Randomness in Success and Failure. Alessandro Pluchino, Alessio Emanuele Biondo, Andrea Rapisarda. Advances in Complex Systems 21 (2018).

- Moose Crash Test Dummy: master's thesis. Magnus Gens (2001).

.

dimecres, 7 de setembre de 2022

Una amputació quirúrgica al Borneo de fa 31.000 anys

Paleoantropologia: Fins ara el report més antic d’una amputació quirúrgica reeixida era el de Buquet-Marcon et al. (2007), constatada en un braç esquerre del jaciment neolític de Buthiers-Boulancourt, de fa uns 7.000 anys d’antiguitat. Tim Ryan Maloney és el primer autor d’un article publicat a Nature que fa endarrerir la data de l’amputació quirúrgica reeixida en 23.000 anys. Aquest report fa trontollar el paradigma que entenia que les amputacions quirúrgiques eren una innovació mèdica que responia als problemes de salut ocasionats per la sedentarització neolítica. Maloney et al. han descobert les restes esquelètiques d’un individu juvenil del Borneo de fa 31.000 anys en les que es constata que el terç distal de la cama esquerra havia estat amputat quirúrgicament potser quan era un infant. Calculen que l’individu visqué entre 6 i 9 anys més enllà de la intervenció. L’individu fou soterrat deliberadament a la cova de Liang Tebo (Kalimantan Oriental) en un àrea càrstica de pedra calcària on hi ha alguns dels exemples d’art rupestre més antics coneguts. Cal pensar, doncs, que grups caçadors-recol·lectors de l’home anatòmica modern de l’Àsia tropical ja disposaven d’un coneixement mèdic sofisticat i d’habilitats quirúrgiques. Aquesta pràctica no seria, doncs, el resultat de l’anomenada “revolució neolítica” sinó més aviat de la “modernitat comportamentual”.

Imatges de l’amputació quirúrgica de la part distal de la cama esquerra

La cova de Liang Tebo

La Península de Sangkulirang-Mangkalihat, a Kalimantan Oriental (en el sector indonesi de l’illa de Borneo), acull un extens paisatge kàrstic de pedra calcària (4200 km2). En el Pleistocè Tardà, quan el nivell de les aigües era força més baix que en l’actualitat, la zona era situada a Sunda, en la vora més oriental del continent eurasiàtic. En aquest terreny kàrstic trobem actualment nombroses coves i refugis en les quals hom ha trobat testimonis arqueològics d’ocupació humana, els quals destaquen mostres d’art rupestre figuratiu de no pas menys de 40.000 anys d’antiguitat. Com passa habitualment la riquesa de troballes arqueològiques no s’acompanya gaire sovint de restes esquelètiques.

Liang Tebo és una gran cova d’aquesta península constituïda per tres cambres que fan un volum de 160 m3. La cova se situa a uns 2,5 km del riu Marang, i queda a un 165 metres per damunt del nivell del riu. A la cambra superior s’han trobat restes d’art rupestre. En el 2020, després d’una prospecció geofísica, s’excavà una rasa de 2 metres d’amplada i 2 metres de llargada en l’àrea central del pic de la cambra més gran. La rasa, de 1,5 metres de fondària, no tocà la roca mare. S’hi descrigueren nou grans unitats estratigràfiques. La troballa més important fou un enterrament d’un individu adult que fou designat com a TB1.

En aquesta recerca han contribuït especialment Tim Ryan Maloney (del Griffith Centre for Social and Cultural Research, de Queensland), India Ella Dilkes-Hall (de la University of Western Australia, de Crawley), Melandri Vlok (de la Sydney South East Asian Centre, de la University of Sydney), Adhi Agust Okaviana (de Pusat Riset Arkeometri, de Jakarta), Pindi Setiawan (de l’Institut de Tecnologia de Bandung), Andika Arief Drajat Priyatno (de Balai Pelestarian Cagar Budaya Kalimantan Timur, de Samarinda) i Maxime Aubert (Griffith).

Els autors tenen paraules d’agraïment per al Centre Nacional d’Arqueologia (ARKENAS) de Jakarta, i per al Balai Pelestarian Cagar Budaya Kalimantan Timur, que autoritzaren el treball de camp. També agraeixen el paper el Ministeri de Recerca i Tecnologia d’Indonèsia. La recerca es finançà a través de l’Australian Research Council, la Griffith University i la Southern Cross University.

L’article fou tramès a Nature el 6 d’abril del 2022. Acceptat el 28 de juliol, fou publicat el 7 de setembre.

L’enterrament de TB1

El soterrament de TB1 mostra un límit estratigràfic definit. La tomba s’excava dins de la unitat estratigràfica 8 (SU8) a la qual modificà. El fons de l’enterrament té forma ovalada i no penetra en la unitat estratigràfica inferior (SU9). Damunt del cap del difunt i en cada braç eren situades roques calcàries just per damunt de la terra que s’havia llençat a la tomba. Tot indica, doncs, que és una tomba humana deliberada. TB1 fou soterrat jacent damunt de l’esquena en una alineació de 310° N. Les cames eren flexionades de tal manera que el genoll dret li tocava el pit, i el genoll esquerre era flexionat per sota de la pelvis. La mà esquerra era en posició inferior a la cintura pèlvica, i la mà dreta en posició superior. La ràpida sedimentació i descomposició preservà la posició dels elements ossis més fràgils. Dins de la tomba s’hi trobaren artefactes de sílex en escates i un nòdul de 22x17 mm d’ocre vermell, que era col·locat prop de la mandíbula.

L’excavació de la tomba i de l’esquelet es realitzà en 32 etapes. S’hi recuperà el 75% de l’esquelet. Totes les dents eren presents i intactes. Es tractava d’un home anatòmicament modern (Homo sapiens). Característiques com la fusió epifísia, la símfisi pública, la superfície auricular, la formació dentària, etc. assenyalaven una edat de 19-20 anys. Les característiques cranianes i pelvianes no permeten determinar el sexe de l’individu, però l’estatura entra dins de la típica d’individus masculins prehistòrics. En termes morfològics i morfomètrics, entra dins del rang de variació dels esquelets asiàtics anterior al darrer màxim glacial.

La datació de TB1

Una resta de carbó vegetal de la SU7 fou datada per la prova de radiocarboni per espectrometria de masses d’acceleració en un interval de 31.133-30.437 anys abans del present (1950 CE) amb una probabilitat del 95,4%. Aquesta és una data mínima, ja que SU7 és la unitat estratigràfica situada just per damunt de la tomba.

Una resta de carbó vegetal trobada en la tomba, prop de la cintura pelviana, oferia una datació per la mateixa tècnica de 31.110-30.437 a.P. Una altra resta de carbó vegetal de la SU9, situada immediatament sota la tomba, fou datada en l’interval de 31.519-31.054 a.P.

Tot plegat assenyala que la tomba TB1 remuntaria a l’any calendàric 31.519-30.437 abans del present, amb una data central de 30.978 a.P.

La datació per radiocarboni d’altres restes mostra que Liang Tebo fou ocupat en el període que va del darrer màxim glacial a l’holocè.

La combinació de sèries d’urani i de ressonància electrònica d’espín d’una mostra del molar mandibular M3 esquerra de TB1 ofereix una estimació d’antiguitat de 25,4 ± 4,3 milers d’anys.

Si la tomba té una antiguitat de 31.000-30.000 anys, som davant del soterrament primari més antic conegut d’un home anatòmicament modern del Sud-Est Insular d’Àsia.

Una amputació quirúrgica reeixida

En l’excavació de la tomba TB1, hom trobà que el peu esquerra era completament absent. S’hi recuperaren fragments de la tíbia esquerra i de l’eix del peroné, que es trobaven flexionats sota el fèmur esquerre. Aquests fragments mostraven un creixement ossi distal inusual.

La cama dreta de TB1 era articulada. Els 26 ossos del peu dret foren recuperats íntegrament.

La remodelació òssia de la tíbia i del peroné esquerres indiquen un procés de recuperació. Maloney et al. pensen que el terç distal de la cama esquerra de TB1 fou amputat deliberadament amb una tècnica quirúrgica. No hi ha indicis d’una amputació traumàtica. La secció és neta i obliqua, i abasta alhora la tíbia i el peroné.

Fou la imputació quirúrgica resultat d’un càstig. Maloney et al. pensen que no, pels indicis de recuperació ulterior, i per la pràctica funerària. L’os lamel·lar fou completament remodelat en el marge inferior de la fíbula, en un procés que requerí almenys 6-9 anys. Així doncs, no es tractaria del tractament d’una patologia fatal. Tampoc no hi ha indicis d’infecció en la cama esquerra.

La mida petita de la tíbia i del peroné esquerres en comparació amb la tíbia i el peroné drets indicarien que l’amputació es va fer quan TB1 era un infant. L’aprimament ossi sever de la tínia el peroné esquerres indicarien que en els anys posteriors a l’amputació s’hi va fer un ús fortament restringit del membre, amb l’atròfia musculoesquelètica resultant.

D’altra banda, l’aprimament dels marges corticals de la tíbia dreta indicaria que TB1 rarament caminava.

El coneixement mèdic en el Paleolític

Les restes paleolítiques atribuïdes a l’amputació deliberada són objecte de controvèrsia. Per exemple, el braç de Shanidar 1, un home de Neandertal, tant podria ser el resultat d’una amputació deliberada com una pèrdua progressiva del membre degut a una malaltia o un accident.

Més acceptada és la presència entre comunitats caçadores-recol·lectores d’altres procediments mèdics, com laceracions suturants, tractaments dentaris, trepanació craniana, avulsió dental, escarificació, circumcisió, mutilació genital, etc. Entre aquestes pràctiques, però, sí que hi havia mutacions de falanges digitals bé com a càstig o com a marca cultural o de dol.

Una amputació de membre sencer requereix un gran coneixement mèdic. En les societats occidentals això només s’ha assolit com a norma en els darrers 100 anys.

Qui amputà la part inferior de la cama esquerra de TB1 va haver de disposar d’un coneixement detallat de l’anatomia de la cama i dels sistemes muscular i vascular. Altrament, l’hemorràgia o la infecció haurien estat fatals. També ha d’haver disposat d’un coneixement suficient com per judicar la necessitat de fer aquesta intervenció. En el període post-operatori van haver d’aplicar-se mètodes d’infermeria com la regulació de la temperatura, alimentació regular, bany, i moviments de pacient. La ferida requeria una neteja regular, cobertura i desinfecció.

La comunitat de TB1 havia de viure en un terreny kàrstic de relleu accidentat i de clima típic de selva tropical. Per tal que TB1 visqués 6-9 anys sense pràcticament poder desplaçar-se per ell mateix, ha d’haver estat necessari un alt grau de cura.

Lligams:

- Surgical amputation of a limb 31,000 years ago in Borneo. Tim Ryan Maloney, India Ella Dilkes-Hall, Melandri Vlok, Adhi Agus Oktaviana, Pindi Setiawan, Andika Arief Drajat Priyatno, Marlon Ririmasse, I. Made Geria, Muslimin A. R. Effendy, Budi Istiawan, Falentinus Triwijaya Atmoko, Shinatria Adhityatama, Ian Moffat, Renaud Joannes-Boyau, Adam Brumm & Maxime Aubert. Nature (2022).

dimarts, 30 d’agost de 2022

Genòmica del rejoveniment de l’hidrozou ‘Turritopsis dohrnii’

Genòmica del desenvolupament: La immortalitat biològica no és pas la immortalitat absoluta. Un organisme biològicament immortal pot morir-se com a conseqüència de fenòmens extrems en el seu ambient, inclosa la depredació, la intoxicació o una infestació letal. La immortalitat biològica es defineix específicament com l’absència d’envelliment. La immensa majoria d’espècies animals pluricel·lulars són susceptibles d’envelliment. De fet, l’única espècie de metazou que és capaç de rejovenir-se repetidament després d’haver arribat a la maduresa sexual és l’hidrozou Turritopsis dohrnii. Maria Pascual-Torner, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular i del Instituto Universitario de Oncología de la Universidad de Oviedo, i del Observatorio Marino de Asturias, adscrit al mateix centre, estudia T. dohrni com a model de la immortalitat biològica. És la primera autora d’un article que apareix a la revista PNAS, en el que es presenten els genomes de T. dohrnii i d’una espècie del mateix gènere que no presenta la mateixa capacitat de rejoveniment, T. rubra. Alhora, presenten el transcriptoma, és a dir el conjunt de gens que s’hi expressen, en el procés de reversió del cicle vital de T. dohrnii. Pascual-Torner et al. han identificat variants i expansions de gens associats amb la replicació i reparació de l’ADN, el manteniment de telòmers, la regulació de l’ambient redox, la població de cèl·lules troncals i la comunicació intercel·lular. La inducció de la pluripotència en T. dohrnii passa per l’activació d’una sèrie de gens i el silenciament d’altres en un procés mediat per factors de transcripció en els quals Pascual-Torner et al. veuen els elements cabdals de la capacitat de rejoveniment.

Pascual-Torner et al. han estudiat els genomes de ‘Turritopsis dohrnii’ i de ‘Turritopsis rubra’. Mentre ‘T. dohrnii’ és capaç de rejovenir des d’estadis madurs, ‘T. rubra’ no ho pot fer. La comparació d’un conjunt de gairebé 1000 gens relacionats amb l’envelliment i la reparació d’ADN mostra l’existència d’un transcriptoma específic d’estadi en el procés de reversió del cicle vital de ‘T. dohrni’.

Envelliment i rejoveniment

La teoria evolutiva de l’envelliment assenyala que la pressió selectiva decau amb l’edat. Al capdavall, la selecció natural afecta particularment els gens que són importants en els fenotips pre-reproductius. Si un determinat fenotip pre-reproductiu és avantatjós de cara a deixar descendència tendirà a ésser promogut encara que comporti perjudicis en edats avançades en forma de senescència cel·lular o inestabilitat genòmica.

Si definim l’envelliment com la reducció del potencial de pluripotència i de regeneració cel·lulars, és un tret generalitzat en gairebé tots els animals pluricel·lulars. L’excepció més remarcable es troba entre algunes espècies de cnidaris, que presenten una notable plasticitat en l desenvolupament i, en ocasions, la capacitat de fer reversions ontogèniques.

La reversió d’ontogènia no és, ni de bon tros, un tret general de tots els cnidaris. És present únicament en algunes espècies, i en aquestes sol perdre’s una vegada els individus arriben a la maduresa sexual. Només en tres espècies del gènere Turritopsis (T. dohrni, T. sp.5 i T. sp.2) s’ha reportat la capacitat de rejovenir després de la reproducció. Tan sols en T. dohrnii el potencial de rejoveniment es manté al 100% en els estadis postreproductius, de forma que l’espècie animal més propera al concepte d’immortalitat biològica.

Pascual-Torner et al. han seqüenciat els genomes de dues espècies ben properes, T. dohrnii i T. rubra. Mentre que a T. dohrnii hi ha l’esmentat rejoveniment post-reproductiu, aquest fenomen és absent a T. rubra. En la comparació genòmica entre les dues espècies, hom ha utilitzat també les dades genètiques d’altres tres espècies de cnidaris, Hydra vulgaris, Clytia hemisphaerica i Aurelia aurita.

La procedència de les mostres i els mètodes utilitzats

L’ADN utilitzat de T. dohrnii procedeix d’espècimens recollits a Santa Caterina (Lecce). L’ADN utilitzat de T. rubra procedeix del nord de l’illa de Hokkaido. L’anotació automàtica dels genomes es va fer a través d’una seqüenciació del cDNA derivat d’ARN total.

La reversió ontogènica de T. dohrnii s’aconsegueix experimental en incubar meduses d’1 dia sense aliment en un medi amb CsCl 116 mM durant 5 hores. En el decurs del procés es prenien mostres de les diferents fases (la medusa, la medusa incubada, la medusa post-incubada, la fase de reducció de la medusa, la formació de cist, la formació primerenca d’estoló, l’estoló madur, la formació de gemma, el pòlip primerenc i el pòlip adult).

Els autors agraeixen el suport Susana Acle del Bioparc Acuario de Gijón, així com als membres del grup de Medusas de l’ICM-CSIC. Agraeixen a David Suárez de Neoalgae i a Cetarea El Musel l’aportació d’aigua marina per al manteniment i experimentació amb les meduses. El finançament de l’estudi es fa a través del programa DeAge del Consell de Recerca Europeu i amb fons del Ministerio de Ciencia e Innovación procedents del FEDER. L’Observatorio Marino de Asturias també hi ha contribuït.

La genòmica i la transcriptòmica de la reversió del cicle vital

La seqüenciació genòmica fou duta a terme en la plataforma Illumina. El genoma de T. dohrnii és d’una mida de 390 milions de parells de nucleòtids (Mb). El de T. rubra és substancialment més petit, de 210 Mb. La qualitat de les seqüències genòmiques és semblant: la de T. dohrnii és del 78,88% (74.829 bastides amb una N50 de 10.419 kb) i la de T. rubra del 88,78% (9.508 bastides amb una N50 a 71.856 kb).

D’acord amb una anotació automàtica, el genoma de T. dohrnii constaria de 17.468 gens. La xifra en T. rubra també seria inferior, amb 9.324 gens.

Els elements repetitius ocupen vora la meitat del genoma en tots dos casos. Entre els retroelements més abundants hi ha els LINEs (elements nuclears llargs esparsos) i els LTRs (repeticions llargues terminals).

Pascual-Torner et al. centren l’atenció en gairebé un miler de gens que se sap que participen en la reversió de cicle vital de T. dohrnii, en estar implicats en l’envelliment, la reparació de l’ADN i d’altres vies rellevants. L’objectiu era trobar variants d’aquests gens que fossin presents tan sols en una de les dues espècies analitzades de Turritopsis. Entre les variants cercades n’hi ha que produeixen malalties genètiques en els éssers humans. Per fer més robusta la identificació, les variants eren comparades amb els genomes disponibles de cnidaris, que abasten unes 11 espècies. Les variants trobades eren validades després amb dades de seqüenciació d’ARN i per PCR acoblada a seqüenciació de Sanger.

En total, Pascual-Torner et al. identificaren 28 variacions en nombre de còpia i 10 variants úniques bé per a T. dohrnii o per a T. rubra.

Pascual-Torner et al. esperaven trobar en T. dohrnii un nombre superior de gens amplificats que no pas en T. rubra. No és aquest el cas, de manera que no ha estat un mecanisme global d’expansió genòmica el que explica l’augment diferencial en còpies de gens relacionats amb el rejoveniment en T. dohrnii sinó més aviat esdeveniments de caire esporàdic que s’haurien fixat a través de mecanismes selectius o de deriva gènica.

Pascual-Torner et al. tenen cura d’assegurar-se que les còpies genètiques ho siguin veritable, i no un artefacte del procés d’ensamblatge genòmic. Deixen per més endavant fer un estudi de T. nutricula que és una espècie també mortal però més propera filogenèticament a T. dohrnii.

Pascual-Torner et al. també ha analitzat una sèrie de gens implicats en la replicació i reparació d’ADN. La comparació genòmica sembla indicar que T. dohrnii disposa de mecanismes replicatius i sistemes de reparació més eficients que T. rubra o d’altres cnidaris inclosos en aquest estudi. El gen POLD1 (el de l’ADN polimerasa delta) té quatre còpies en el genoma de T. dohrnii i una sola còpia a T. rubra. El gen POLA2 (del de l’ADN polimerasa alfa) té dues còpies en el genoma de T. dohrnii i una sola a T. rubra. El gen RFC3 (factor de replicació C3) té dues còpies en T. dohrnii (com també en H. vulgaris). El gen TOP3B (el de l’ADN topoisomerasa III beta) té quatre còpies a T. dohrnii i tres còpies a T. rubra. Gens implicats en la reparació d’ADN com XRCC5, GEN1, RAD51C i MSH2 es troben en dues còpies en T. dohrnii i una sola còpia a T. rubra. La majoria de tots aquests gens es transcriuen activament durant la reversió de cicle vital de T. dohrnii.

En el gen LMNA (que codifica per la lamina A/C) trobem la variant p.G523A a T. dohrnii i la variant p.E82Q a T. rubra.

La maquinària de resposta a l’estrès oxidatiu sembla més potent en el genoma de T. dohrnii que en el de T. rubra. El gen TXN (que codifica per la tioredoxina) té cinc còpies a T. dohrnii i dues còpies a T. rubra. El gen GSR (que codifica per la glutatió-reductasa) té dues còpies a T. dohrnii i una sola en els altres cnidaris analitzats en aquest treball. Tant el gen TXN com el GSR es troben activats en la reversió de cicle de T. dohrnii.

La regulació telomèrica en cnidaris és força semblant a la dels animals bilaterals. El gen GAR1 es troba en dues còpies a T. dohrnii i en una sola en altres cnidaris analitzats. En el gen POT1 trobem la variant p.G272N a T. dohrnii i la variant G.272R a T. rubra. Aquestes característiques semblen indicar que a T. dohrnii hi ha un millor manteniment dels telòmers.

En els gens implicats en la senescència cel·lular també hi ha diferències rellevants. En el gen ATM s’hi detecten a T. dohrnii les variants p.P2553Y i p.H255Q. En el gen HECW2 s’observa la variant p.Q1362R a T. dohrnii i la variant p.Q1362H a T. rubra.

Entre els gens implicats en la reprogramació i diferenciació cel·lulars Pascual-Torner et al. remarquen una sèrie de diferències. El gen GLI3 es troba en dues còpies a T. dohrnii, en una còpia a T. rubra i en cap còpia a H. vulgaris, C. hemisphaerica i A. aurita.

La comunicació intercel·lular sembla rellevant en la regeneració del cap de H. vulgaris o en la reversió de cicle vital de T. dohrnii, particularment pel que fa a la regulació de l’apoptosi. Encara que sembli paradoxal la mort cel·lular programada per apoptosi juga un paper en la regeneració i rejoveniment en cnidaris. El gen PSEN1 es troba en dues còpies a T. dohrnii i en una còpia a T. rubra. El gen BMP7 es troba en vuit còpies a T. dohrnii (cinc de les quals són actives durant la reversió de cicle vital), en cinc còpies a T. rubra i en tres còpies a H. vulgaris. Durant la reversió de cicle vital de T. dohrnii hi ha una sobreexpressió dels gens CASP3, BCL2 i BAX.

Dels gens que participen en la regulació de microtúbuls, Pascal-Torner et al. destaquen una sèrie de diferències. T. dohrnii presenten duplicacions dels gens TUBG1, CLASP1 i SPAST. Tots aquests gens s’expressen activament durant la reversió de cicle vital.

Pel que fa a gens que participen en modificacions epigenètiques i modulació de la transcripció, Pascal-Torner et al. troben que el gen MORC3 es troba en quatre còpies a T. dohrnii mentre que les altres espècies analitzades arriben a un màxim de tres còpies. En el gen TPP1 es registra a T. dohrnii la variant p.V518I.

La reversió del cicle vital de T. dohrnii passa per una alteració en els patrons d’expressió gènica. L’activació del gen PRC2 condueix a la trimetilació de la posició Lys-27 de la histona 3, que comporta el silenciament d’una sèrie de gens que promouen la pluripotència en les cèl·lules troncals embrionàries. La inactivació de PRC2 va en el sentit contrari. També és rellevant l’activació de gens promotors de la pluripotència com NANOG, OCT4, SOX2 o MYC.

La capacitat de rejoveniment de T. dohrnii combinaria, doncs, diferents esferes més enllà de la reprogramació a favor de la pluripotència de cèl·lules troncals. L’estabilitat genòmica, el manteniment dels telòmers, el manteniment de la funció mitocondrial, la prevenció de la senescència cel·lular i la comunicació intercel·lular serien alguns d’aquests aspectes.

Lligams:

- Comparative genomics of mortal and immortal cnidarians unveils novel keys behind rejuvenation. Maria Pascual-Torner, Dido Carrero, José G. Pérez-Silva, Diana Álvarez-Puente, David Roiz-Valle, Gabriel Bretones, David Rodríguez, Daniel Maeso, Elena Mateo-González, Yaiza Español, Guillermo Mariño, José Luis Acuña, Víctor Quesada, Carlos López-Otín. PNAS 119: e2118763119 (2022).

dilluns, 29 d’agost de 2022

L’acció sobre les vies de senyalització de la insulina explicarien el benefici del liti en el trastorn bipolar

Psiquiatria molecular: Iain H. Campbell, Harry Campbell i Daniel J. Smith, del Centre for Clinical Brain Sciences de la University of Edinburgh proposen en un article a Translational Psychiatry que el liti exerciria el seu efecte terapèutic en el trastorn bipolar actuant sobre vies de senyalització de la insulina. S’hi refereixen específicament a la via de senyalització de la insulina a través de la PI3K/Akt. El liti actuaria sobre la GSK3 i el PI conduint a una estabilització de la conducta. Altres accions del liti (sobre la mateixa Akt, la PKC i els transportadors de mio-inositol sòdic) també passarien per la via de la insulina. Aquest mecanisme va en la línia dels estudis que indiquen que darrera del trastorn bipolar hi ha una desregulació energètica. Això darrer explicaria la co-morbiditat habitual entre el trastorn bipolar i la diabetis tipus 2 i altres malalties del metabolisme de la glucosa. Campbell et al. proposen l’ús de vesícules extracel·lulars per comprovar el rol de la senyalització neuronal de la insulina en pacients amb trastorn bipolar.

Mecanisme d’acció del liti en les vies de senyalització de la insulina proposat per Campbell et al.

Liti i trastorn bipolar

Iain H. Campbell concebé aquesta hipòtesi de la senyalització de la insulina i redactà el primer esborrany de l’article. Harry Campbell i Daniel J. Smith desenvoluparen els arguments d’aquesta hipòtesi i contribuïren a l’article final, que fou tramès a Translational Psychiatry el 20 de juny del 2022. Després d’una revisió completada el 9 d’agost, l’article fou acceptat el dia 16 i publicat el dia 29.

El liti és el tractament d’elecció en el trastorn bipolar. Des de fa 60 anys hom investiga el mecanisme d’acció que explica aquesta efectivitat. Campbell et al. avançaren en el seu moment la idea que darrera del trastorn bipolar hi ha una alteració del metabolisme de la glucosa i de la funció mitocondrial, caracteritzades per una disrupció de la fosforilació oxidativa i un augment de la glucòlisi. Ara consideren que aquestes alteracions s’expliquen millor com el resultat d’una alteració de la via de la senyalització de la insulina en el cervell, concretament de la via de la fosfatidilinositol-3-kinasa/protein-kinasa B (PI3K/Akt).

Un dels elements clau del metabolisme glucídic és garantir una aportació continuada de glucosa als teixits neuronals. Històricament s’interpretà aquesta preferència en el sentit que el cervell seria independent de l’acció de la insulina. No obstant, en els darrers anys s’ha comprovat en l’hipocamp, el cerebel o el bulb olfactori que la via de senyalització de la insulina a través de la PI3K/Akt té un paper important en la regulació del metabolisme de la glucosa en neurones.

El rol de la desregulació energètica en el trastorn bipolar es manifesta en símptomes com els desplaçaments en el ritme circadià i en el cicle d’activitat i de repòs. A principi dels anys 2000s s’hi constava, a més, a nivell neuronal una disfunció mitocondrial amb la disrupció associada de la producció energètica. Associada al trastorn bipolar apareix sovint una disfunció metabòlica caracteritzada per resistència a la insulina i un metabolisme anormal de la glucosa. Aquesta intersecció és especialment preocupant si atenem als canvis en l’alimentació i en els patrons d’activitat física experimentats per la població humana en les darreres dècades: al consegüent càrrega al·lostàtica sobre la fisiologia humana es manifesta en una epidèmia global de síndrome metabòlica.

En els teixits perifèrics, la síndrome metabòlica es manifesta en un augment de la prevalença de la diabetis de tipus 2. Campbell et al. alerten que la síndrome metabòlica i la resistència insulina també constituiria una estressor crònic sobre el cervell. Com ja s’ha dit, no és del tot cert que la insulina jugui un paper irrellevant en el cervell. Des de principi del segle XXI s’han reportat en neurones la presència de receptors de la insulina i dels mecanismes de senyalització subjacents. Neurones del sistema nerviós central són susceptibles, doncs, a la resistència a la insulina. La insulina hi regula la captació de glucosa i la generació d’ATP a través de la fosforilació oxidativa mitocondrial. Ratolins modificats genèticament perquè no expressin el receptor d’insulina en l’hipocamp manifesten comportaments de depressió i d’ansietat, amb dificultats cognitives i anormalitats metabòliques.

A banda de les neurones, la senyalització de la insulina també seria important en la regulació del metabolisme de la glucosa en les cèl·lules de suport del sistema nerviós, la glia. Els astròcits, per exemple, expressen la isoforma B dels receptors d’insulina. Així doncs, en cultius cel·lulars d’astròcits s’ha mostrat com la fructosa pot induir resistència a la insulina amb una disminució de l’expressió de receptors i de la fosforilació de l’Akt. Ratolins modificats genèticament perquè els seus astròcits no expressin receptors d’insulina tenen uns nivells més baixos d’alliberament de dopamina i manifesten ansietat i depressió.

L’acció del liti

Els estudis sobre l’acció del liti han posat de manifest múltiples efectes, però Campbell et al. assenyalen especialment l’efecte inhibidor sobre la GSK3 i el cicle de fosfatidilinositol (PI-cicle). Tant la GSK3 com el PI-cicle són components de la via de senyalització de la insulina a través de la PI3K/Akt. Si el PI-cicle és fonamental en el metabolisme de l’inositol i en el segons missatgers que se’n deriven, la GSK3 és influïda per l’Akt. La GSK3 és constitutivament activa de manera que la senyalització de la insulina hi actua a través d’una fosforilació transitòria d’efecte inactivador. La supressió temporal de l’activitat GSK3 afavoreix la importació de glucosa cap a l’interior de la cèl·lula, la seva metabolització a piruvat (glucòlisi) i la fosforilació oxidativa d’aquest en l’interior dels mitocondris amb generació d’ATP.

La insulina és una hormona peptídica que actua sobre les cèl·lules que expressen en les seves membranes receptors d’insulina (IR). La interacció dels IR amb el seu substrat produeix complexos (IRS) que activen adaptadors a la cara interna de la membrana que fosforilen residus de tirosina de diverses proteïnes. Aquesta cascada de fosforilacions arriba a la PI3K, activant-la. La PI3K fosforila el metabòlit fosfatidil-inositol 4,5-bisfosfonat (PIP2) convertint-lo en fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfat (PIP3). És el PIP3 qui activa la Akt. Entre altres efectes, l’Akt fosforila els residus Ser21 de la GSK3α i Ser9 de la GSK3β: això inactiva transitòriament la subunitat β de la GSK3. Com ja s’ha dit aquesta inactivació transitòria és suficient per estimular el metabolisme energètic de la cèl·lula (captació de glucosa, respiració mitocondrial i producció d’ATP).

La resistència a la insulina és deguda en darrer terme a una sobreactivació crònica d’aquesta via de senyalització. Per exemple, la hiperinsulinèmia crònica acaba per saturar receptors i transductors de manera que, de retruc, la GSK3 queda en una estat de sobreactivitat permanent. Entre els efectes de la resistència cel·lular a la insulina hi ha una reducció del transport de glucosa mediat pel transportador GLUT 4, una inhibició del complex de la piruvat-deshidrogenasa i de la maquinària mitocondrial de la fosforilació oxidativa.

Ja en els anys 1980, hom havia observat que el liti era capaç de restaurar la sensibilitat a la insulina en models animals de resistència a la insulina. En el múscul s’ha observat que el liti pot duplicar amb escreix la captació de glucosa mediada per la insulina.

Pel que fa a la GSK3β, se sap que inhibidors específics d’aquest enzim milloren la sensibilitat a la insulina en models animals d’insulinoresistència.

A banda de l’efecte sobre els components de la via de PI3K/Akt, el liti també inhibeix directament la GSK3 en desplaçar el magnesi del seu lloc d’unió a l’enzim.

L’acció del liti sobre el cicle de PI alenteix el recanvi del PIP2. Aquest efecte sobre el PIP2 contrarestaria l’elevació crònica d’aquest metabòlit en pacients de trastorn bipolar en fase de mania. En pacients de trastorn bipolar eutímics, els nivells de PIP2 són inferiors als normals. La fluoxetina, fàrmac utilitzat contra la pressió, estimula el recanvi de PIP2.

Un dels productes del metabolisme del PIP3 és el diacilglicerol (DAG). El DAG té un efecte inhibidor sobre la via de senyalització de la insulina que s’interpreta com a retroalimentació negativa. El DAG actua sobre la protein-kinasa C (PKC), que és un dels mediadors de la via PI3K/Akt. El liti té un efecte inhibidor sobre l’activitat PKC.

En el metabolisme del DAG hi ha participa la diacilglicerol-kinasa (DGK) que el reincorpora al cicle de PI. És significatiu que estudis d’associació genòmica hagin identificat variants del gen DGHK com a factor de risc de desenvolupar trastorn bipolar.

Una altra via d’actuació del liti són els transportadors de sodi-mioinositol (SMIT). Els SMIT tenen el paper de fornir inositol a l’interior de la cèl·lula. En alguns pacients de trastorn bipolar de tipus 1 s’ha detectat una sobreexpressió de l’ARN del SMIT.

A la recerca de biomarcadors del sistema nerviós central

La detecció en sang perifèrica de vesícules extracel·lulars d’origen neuronal s’ha considerat en l’estudi de malalties neurodegeneratives. Això s’ha aplicat en l’estudi de la via de senyalització neuronal PI3K/Akt/GSK3β en la malaltia d’Alzheimer. La rellevància de la via en aquest procés de neurodegeneració va conduir a investigacions sobre l’efectivitat de la administració intranasal d’insulina. L’acoblament entre l’administració intranasal d’insulina i la imatge de ressonància magnètica del cervell s’ha assajat per detectar resistència a la insulina en diverses regions cerebrals.

Recentment, s’ha començat a estudiar les vesícules d’origen neuronal en sang perifèrica de pacients amb trastorns bipolar. Campbell et al. proposen estudiar-hi biomarcadors relacionats amb la funció mitocondrial i el metabolisme de la glucosa, com ara els nivells vesiculars de lactat, piruvat i components del cicle de Krebs. També s’hi podrien estudiar biomarcadors relacionats amb la senyalització de la insulina com els IRS, el PI3K, l’Akt, el GSK3β o el mTOR.

Val a dir que assaigs clínics com TRIO-BD, desenvolupat entre el 2015 i el 2021 ja han demostrat que l’administració de metformina (un sensibilitzador a la insulina) durant 26 setmanes millora els símptomes depressius de persones amb trastorn bipolar.

Lligams:

- Insulin signaling as a therapeutic mechanism of lithium in bipolar disorder. Iain H. Campbell, Harry Campbell, Daniel J. Smith. Translational Psychiatry 12: 350 (2022).