James Lovelock (1919-2022), el químic atmosfèric que postulà la teoria de Gaia

El dimarts 26 de juliol es moria el mateix dia que complia 103 anys a Abbotsbury (Dorset) el químic atmosfèric James Lovelock, autor de la teoria que postula un superorganisme en la interacció entre la biosfera, l’atmosfera, la hidrosfera i la litosfera terrestres. Si la Terra és el planeta, Gaia seria el resultat del procés ecopoiètic desencadenat per l’abiogènesi que ha marcat el planeta des dels seus inicis.

James Lovelock, a 86 anys

Els primers anys

James Ephraim Lovelock nasqué el 26 de juliol del 1919 a Letchworth Garden City (Hertfordshire, Anglaterra) del matrimoni quàquer format per Tom Arthur i Nell Lovelock. Per a Tom Arthur Lovelock, llibreter, era el seu segon matrimoni. Pocs anys més tard la família es traslladà a Londres, i James estudià a la Strand School (Tulse Hill).

En acabar els estudis primaris, Lovelock entrà a treballar en una companyia fotogràfica alhora que al vespre assistia al Birkbeck College. Així aconseguí ser admès als estudis de química de la University of Manchester. Entre els seus professors hi havia Alexander Todd (1907-1997). Combinà els estudis amb el treball en una granja quàquera. Fou Todd qui el recomanà al Medical Research Council, on treballà en el desenvolupament de proteccions personals anti-cremades per a soldats. Aquesta posició i el fet d’ésser estudiant li permetia recórrer a pròrrogues en el servei militar en el context de la Segona Guerra Mundial, però de tota manera es registrà com a objector de consciència. Més endavant, influït per les atrocitats de l’Alemanya nazi, retirà aquesta objecció, i provà d’allistar-se, però li fou denegat per la rellevància militar de la seva recerca.

El 1942 es casà amb Helen Hyslop, amb qui tindria quatre fills.

La investigació biomèdica

L’experiència al Medical Research Council el dugué a la London School of Hygiene and Tropical Medicine, on es doctorà amb una tesi sobre les propietats i aplicacions dels àcids alifàtics i hidroxi-carboxílics en la desinfecció de l’aire (1947). De llavors en endavant treballà en el National Institute for Medical Research, de Londres, i als Estats Units, a Yale, al Baylor College of Medicine i a la Harvard University.

A mitjan dels anys 1950 treballà amb Audrey U. Smith (1915-1981) en tècniques de criopreservació, emprant com a model hàmsters que eren sotmesos a banys a -5°C i reanimats posteriorment. En aquesta i altres recerques, Lovelock començà a destacar en el desenvolupament d’instrumental científic, com un emissor de microones basat en un magnetró.

La recerca en química atmosfèrica

A partir del 1961 començà a col·laborar amb la NASA en el desenvolupament d’instrumental analític adreçat a integrar sondes interplanetàries. Fou en aquesta etapa que començà a interessar-se en la química atmosfèrica. Ja en temps d’Alfred Russel Wallace (1907) hom havia esgrimit que la composició atmosfèrica de Mart, rica en CO₂ i pobre en O₂, CH₄ era indicadora d’una condició estable propera a l’equilibri químic. Lovelock contrastava aquesta situació de l’atmosfera de Mart amb la barreja químicament dinàmica de l’atmosfera de la Terra. Aquests i altres principis oferien una base física a experiments de detecció de formes de vida (Lovelock, 1965).

Fou en el context d’aquest treball que Lovelock realitzà l’invent pel qual és més conegut: el detector de captura electrònica. Naturalment, a l’espera d’una missió marciana, l’aparell s’havia d’assajar en l’atmosfera terrestre. Aparells i models teòrics el dugueren a interessar-se pels compostos de clorofluorocarboni (Lovelock, 1971). Aquests compostos d’origen antropogènic havien augmentat en l’atmosfera terrestre, i Lovelock et al. (1973) aportaren mesures més precises des del RSS Shackleton, que assenyalaven una concentració de 60 ppb de CFC-11.

El nou instrumental permetia resoldre qüestions obertes sobre els cicles biogeoquímics, com ara la identificació del sulfur de dimetil en el cicle natural del sofre (Lovelock et al., 1972).

La teoria Gaia

Els treballs sobre la química atmosfèrica de Mart i de la Terra, juntament amb la familiarització de les aportacions d’Alfred C. Redfield (1890-1983) i G. Evelyn Hutchinson (1903-1991) dugueren Lovelock a formular la hipòtesi que de les interaccions entre la biosfera, l’atmosfera, la hidrosfera i la litosfera emergia un organisme únic a que denominà Gaia (Lovelock, 1972). Aquesta denominació fou suggerida per William Golding (1911-1993). Podríem estendre el criteri i demanar-nos com és que la Terra ha donat lloc a Gaia, mentre que Mart no ha donat lloc a Ares.

La hipòtesi Gaia fou contestada des de diferent rodals de la biologia evolutiva, particularment per Richard Dawkins (*1941), Ford Doolittle (*1942) i Stephen Jay Gould (1941-2002). Per respondre a aquestes crítiques desenvolupà amb Andrew Watson (*1952) una paràbola computacional de Gaia a la que denominaren Daisyworld (Watson & Lovelock, 1983). Quan Daisyworld és un planeta inhabitat, la temperatura planetària depèn exclusivament de l’energia rebuda del seu estel. En canvi, quan Daisyworld és habitat per margarides, la competició ecològica entre espècies de diferent albedo acaba per produir un efecte homeostàtic en la temperatura global: si l’energia estel·lar és baixa predominen les margarides negres que fan que el planeta acaba per absorbir més energia, amb la qual cosa les margarides blanques comencen a proliferar fins que en reduir l’albedo planetari hom acaba per tornar a la situació originària.

La intricació entre components de la hidrosfera (fitoplàncton oceànic) i de l’atmosfera (compostos de sofre i núvols) amb el clima general de la Terra (Charlson et al., 1987) suggereix quelcom de semblant als mecanismes homeostàtics que regulen la temperatura corporal i altres variables en la fisiologia d’organismes.

En el 1989 es moria la seva dona Helen, afectada per l’esclerosi múltiple. El 1991 es casà per segona vegada, amb Sandy Orchard.

La conscienciació de l’impacte dels CFCs sobre la capa estratosfèrica d’ozó, o de l’acció dels gasos d’efecte hivernacle en un escalfament global antropogènic ha fet augmentar l’interès en la teoria Gaia en les darreres tres dècades. A “Gaia: A New Look at Life on Earth” (1979), Lovelock aprofundia en aquesta teoria. Lovelock aplicà la teoria a qüestions com l’extinció de final del Cretàcic (“Great Extinction”, 1983, escrit amb Michael Allaby) o la terraformació de Mart (“The Greening of Mars”, 1983, també escrit amb Michael Allany). La perspectiva de la història geològica de la Terra era vista a la llum de la teoria a “Ages of Gaia” (1988, amb reedició del 1995). En diferents títols Lovelock presentà el concepte de “medicina planetària”, és a dir de remeis contra els problemes ambientals d’abast global (“Gaia: The Practical Science of Planetary Medicine”, 1991; “Gaia: Medicine for an Ailing Planet”, 2005).

En el 2000 la seva autobiografia fou publicada amb el títol d’“Homage to Gaia: The Life of an Independent Scientist”, i encara l’hauria d’ampliar a “The Earth and I” (2016). En les dues primeres dècades del segle XXI la veu de Lovelock ha estat ben activa en els debats ambientals: “The Revenge of Gaia” (2006), “The Vanishing Face of Gaia” (2009), “A Rough Ride to the Future” (2014). En el 2019 proposà el concepte de “Novacè” per referir-se a la futura era de la hiperintel·ligència (“Novacene: The coming age of hyperintelligence”).

En aquests llibres, Lovelock considera els efectes profunds del canvi climàtic antropogènic, que podria conduir-nos a un màxim tèrmic anàleg al viscut en la transició del Paleocè-Eocè. En el 2004 defensà que únicament l’energia nuclear podia aturar aquest canvi climàtic a condició que substituís en bona mesura als combustibles fòssils. En el 2007 proposà amb Chris G. Rapley un sistema de fertilització dels oceans a través de la barreja de la columna d’aigua, de forma que es promogués la captació de CO₂ atmosfèric (Lovelock & Rapley, 2007). En termes generals, Lovelock sostenia la necessitat d’una “retirada sostenible” en el marc de l’adaptació al canvi climàtic.

Actiu i amb relativa bona salut en arribar al segle de vida ha estat una caiguda recent la que, en complicar-se, ha posat fi a la seva vida als 103 anys justos d’existència.

Lligams:

- Pàgina oficial de James Lovelock.

- The properties and use of aliphatic and hydroxy carboxylic acids in aerial disinfection. J. E. Lovelock (1947).

- Studies on golden hamsters during cooling to and rewarming from body temperatures below 0° C. III. Biophysical aspects and general discussion. James Emphraim Lovelock, Audrey U. Smith. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 145: 427–442 (1956).

- A Physical Basis for Life Detection Experiments. J. E. Lovelock. Nature 207: 568-570 (1965).

- Atmospheric Fluorine Compounds as Indicators of Air Movements. J. E. Lovelock. Nature 230: 379 (1971).

- Atmospheric Dimethyl Sulphide and the Natural Sulphur Cycle. Nature 237: 452-453 (1972).

- Gaia as seen through the atmosphere. Atmospheric Environment 6: 579-580 (1972).

- Halogenated Hydrocarbons in and over the Atlantic. J. E. Lovelock, R. J. Maggs, R. J. Wade. Nature 241: 194-196 (1973).

- Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld. Andrew J. Watson, James E. Lovelock (1983). Tellus B: Chemical and Physical Meteorology 35: 286–9.

- Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate. Robert J. Charlson, James E. Lovelock, Meinrat O. Andreae, Stephen G. Warren. Nature 326: 655-661 (1987).

- Ocean pipes could help the Earth to cure itself. James E. Lovelock, Chris G. Rapley. Nature 449: 403. (2007)

La funció de lluminositat ultraviolada de les galàxies molt i molt llunyanes: primeres dades del JWST

Astronomia: L’entrada en funcionament del James Webb Space Telescope (JWST) ha obert noves perspectives en cosmologia. Callum Thomas Donnan, de l’Institute for Astronomy de la University of Edinburgh, és el primer autor d’una recerca que fa ús d’imatges d’instruments (ERO, ERS NIRCam) del JWST sobre els camps SMACS0723, GLASS i CEERS, juntament amb les del UltraVISTA DR5 sobre el camp COSMOS, per oferir una nova mesura de la funció de lluminositat ultraviolada de les galàxies primerenques que tenen desplaçaments de l’espectre al vermell de z = 8-15. D’aquesta nova estimació se’n deriva una densitat de la taxa de formació còsmica d’estels per als primers 300 milions d’anys posteriors al Big Bang. La funció de lluminositat seguiria una llei de doble potència en el declinació gradual i continuada al llarg d’aquest rang de z. Donnan et al. ofereixen en aquesta recerca detalls de 55 candidats a galàxia de z elevada, dels quals 44 no havien estat descrits en la literatura prèvia. Entre aquests 55 objectes, hi ha 6 que tenen z igual o superiors a 12, i un d’ells, CEERS-93316 tindria una z de 16,7.

El James Webb Space Telescope ens ofereix imatges d’infraroig de camps ben profunds de l’univers

El JWST en la comprensió de l’univers jove

L’observació de les galàxies més allunyades ens ofereix un retrat de les primeres etapes del nostre univers. Habitualment, hom defineix el període juvenil de l’univers com els primers 1000 milions d’anys des del Big Bang (avui som 13 vegades més que aquest límit). Els telescopis d’infraroig de la superfície terrestre però especialment els orbitals (Hubble Space Telescope o HST, Spitzer) han servit per reconstruir l’evolució de galàxies amb desplaçaments al vermell (z) de fins a 10. En un univers en expansió el desplaçament de les línies espectrals cap a la banda vermella (de major longitud d’ona i de menor freqüència) és un indicatiu de distància i, alhora, d’antiguitat de l’objecte.

Gràcies a les dades acumulades en els darrers anys, sabem que el jove univers disposava d’un nombre considerable de galàxies formadores d’estels. Aquests estels constituïren una font de fotons d’alta energia que desencadenaren una reionització còsmica de l’hidrogen. Segons dades de la Col·laboració Planck, aquesta reionització es trobaria a una z de 7,8 ± 0,7. De tota manera, les densitats galàctiques estimades pel HST seria insuficients per assolir aquest nivell de reionització, de manera que cal pensar en l’existència de galàxies menys lluminoses (que haurien passat desapercebudes en les imatges de l’HST) i/o en galàxies molt més antigues. Així, la reionització podria haver començat a una z superior a 15. El JWST ofereix la possibilitat potencial de detectar galàxies a z de 20, i esclarir la discrepància.

La NIRCam del JWST ofereix imatges multibanda fins a una longitud d’ona de 5 μm d’alta resolució angular: resulten així més accessibles galàxies amb z superior a 7.

Les dades utilitzades

Donnan et al. utilitzen dades de JWST de tres camps diferents, totes elles incloses en la primera publicació de dades d’aquest telescopi situat en un dels punts de Lagrange del sistema orbita Sol-Terra. El primer camp és el cúmul galàctic SMACS J0723 (captat pels filtres F090W, F150W, F200W, F277W, F356W i F444W del NIRCam). El segon camp és el camp CANDELS, observat en el marc del programa CEERS (captat pels filtres F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F510M i F444W del NIRCam). El tercer camp ha estat captat en el marc del programa GLASS ERS (captat pels filtres F090W, F115W, F150W, F200W, F277W, F356W i F444W). En total l’àrea d’estudi és d’uns 45 arcmin².

Del telescopi VISTA de l’observatori euro-xilè utilitzen dades d’infraroig proper del camp COSMOS. Aquest camp COSMOS inclou dues àrees, una de “fonda” i una altra “d’ultra-fonda”.

En el camp COSMOS apareixen 15 estels brillants que cal processar. Seguidament cal construir els catàlegs per cadascuna de les imatges. Pels diferents objectes identificats es determina el desplaçament fotomètric al vermell a través del codi EAZY.

En el camp COSMOS es compten 16 galàxies, 8 de les quals es troben la regió “fonda”.

En les imatges de JWST hi ha 39 galàxies amb una z superior a 8,5: 16 són a SMACS0723, 21 a CEERS i 2 a GLASS. GLASS-1698 té una z de 10,56 i GLASS-17487 té una z de 12,42. El valor més elevat de z correspon a CEERS-93316 (z = 16,7).

La funció de lluminositat calculada per Donnan et al. és log₁₀(ρ_UV) = (-0,227 ± 0,038)z + (27,4 ± 0,3).

La formació d’estels en les joves galàxies

Donnan et al. assenyalen que el JWST ens ofereix una finestra a l’evolució de les galàxies en els primers 300 milions d’anys del nostre univers. Reporten d’entrada un llistat de 37 galàxies prèviament desconegudes amb una z superior a 8,5. El rang de lluminositats d’aquestes galàxies els permet de fer una nova estimació de la funció de lluminositat.

La funció de lluminositat calculada per Donnan et al. no té pas una caiguda ràpida a una z superior a 8, sinó un declivi continu i exponencial fins a 12. La formació de galàxies arriba més enllà d’una z de 15.

És en aquest context que és tan remarcable que descriguin un candidat a galàxia amb una z = 16,7. Aquest objecte el veiem tal com era 250 milions d’anys després del Big Bang (un univers 50 vegades més jove que l’actual!). La caiguda de lluminositat que presenta aquest objecte a F150W no es correspon a la lluminositat que conserva a F277W, la qual cosa indica que la ruptura de Lyman es produeix més enllà de la longitud d’ona del filtre F200W. Segons Donnan et al. la formació d’estels arrencà en aquest objecte entre 120 (z=18) i 220 (z=36) milions d’anys després del Big Bang. Aquestes estimacions coincideixen amb la funció halo-massa del model cosmològic Λ-CDM, especialment pel que fa a la distribució de la matèria fosca.

Lligams:

- The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ~ 8-15 from deep JWST and ground-based near-infrared imaging. C. T. Donnan, D. J. McLeod, J. S. Dunlop, R. J. McLure, A. C. Carnall, R. Begley, F. Cullen, M. L. Hamadouche, R. A. A. Bowler, H. J. McCracken, B. Milvang-Jensen, A. Moneti, T. Targett. (2022).

- Fluctuacions angulars en el camp galàctic de desplaçament al vermell com a observable cosmològic (27.03.2021).

- Una galàxia molt llunyana (a 13,5 milers de milions d’anys-llum) (09.04.2022).

L’accés del SARS-CoV-2 a neurones a través de túnels de nanotubs

Virologia: Cada nova onada de covid-19 es manifesta no tan sols d’una forma aguda sinó també d’una forma subaguda en la persistència de símptomes en una fracció gens negligible dels qui han superat la infecció aguda. En la covid persistent, les manifestacions neurològiques constitueixen una part important de la morbiditat global. Una de les qüestions obertes és com el SARS-CoV-2 arriba a produir una afectació en el sistema nerviós central. És sabut que el SARS-CoV-2 accedeix principalment a les cèl·lules per un procés d’endocitosi després d’haver interactuat amb la proteïna de membrana ACE2 (enzim 2 de conversió de l’angiotensina). Però l’expressió de l’ACE2 és pràcticament residual. El laboratori de Chiara Zurzolo sobre el rol del tràfic transmembrana en la patogènesi, de l’Institut Pasteur, proposa en un article a Science Advances que els nanotubs tuneladors poden constituir una ruta per a la dispersió de SARS-CoV-2. En cultius cel·lulars han mostrat que cèl·lules neuronals humanes, que no poden infectar-se a través de la via endocítica, sí es poden infectar si se les co-cultiva amb cèl·lules epitelials infectades de SARS-CoV-2. El SARS-CoV-2 indueix la formació de nanotubs tuneladors (TNTs) en la cèl·lula infectada, els quals arriben a les neurones del co-cultiu i, a través d’ells, hi penetra el SARS-CoV-2. L’article detalla a través de tècniques microscòpiques de fluorescència i de tomografia crio-electrònica que el SARS-CoV-2 s’associa als TNTs intercel·lulars: a dins observen estructures vesiculars múltiples (vesícules de doble membrana), on el virus es replica.

Pepe et al. han emprat diverses tècniques microscòpiques per seguir el curs del SARS-CoV-2 en cultius cel·lulars. Els túnels de nanotubs (TNTs) permeten el SARS-CoV-2 d’accedir a cèl·lules neuronals que no li serien accessibles a través dels receptors habituals.

Cultius cel·lulars per investigar com el SARS-CoV-2 infecta neurones

Aquests experiments foren concebuts pels investigadors de l’Institut Pasteur Anna Pepe, Stefano Pietropaoli, Giovanna Barba-Spaeth i Chiara Zurzolo. Pepe i Zurzolo són membres de la Unité de Trafic Membranaire et Pathogénèse del Département de Biologie Cellulaire et Infection. Pietropaoli i Barba-Spaeth són membres de l’Unité de Virologie Structurale del Département de Virologie. Pepe preparà les imatges i redactà la proposta inicial d’article; també realitzà el co-cultius i les quantificacions de TNTs i d’infecció per immunofluorescència; i establí i realitzà tots els experiments co-relatius de criomicroscòpia i de reconstrucció tomogràfica. Pietropaolí formà Pepe en el maneig del SARS-CoV-2 i de les cèl·lules infectades; alhora realitzà l’assaig de formació de focus i les tècniques immunològiques. En la discussió de resultats participaren Pepe, Pietropaoli, Matthijn Vos (de la Plateforme Technologique Nanoimagerie de l’Institut Pasteur), Barba-Spaeth i Zurzolo. Zurzolo, qui concebé el projecte, supervisà tota la feina. Zurzolo, Vos i Barba-Spaeth contribuïren a l’adquisició de fons, procedents de la campanya “Urgence Covid-19”, de l’Equipe Fondation Recherche Médicale i de l’Agence Nationale de la Recherche. Els autors tenen paraules d’agraïment per a companys de l’Institut Pasteur.

El desembre del 2019 foren descrits els primers casos d’allò que ara anomenem malaltia coronavírica del 20219 (covid-19). Aquesta és la malaltia provocada per la infecció del SARS-CoV-2, virus descobert aleshores. En general, la infecció per SARS-CoV-2 afecta principalment el tracte respiratori. Més enllà dels símptomes respiratoris de la covid-19, la infecció per SARS-CoV-2 pot presentar manifestacions intestinals, hepàtiques, renals i neurològiques. Els símptomes neurològics de la covid-19 poden ser aguts o persistents.

Val a dir, que hom ha trobat en autòpsies de pacients morts de covid-19 que el seu teixit cerebral presentava ARN de SARS-CoV-2. Això indica que, efectivament, el SARS-CoV-2 és capaç d’arribar al sistema nerviós central, quelcom que ja s’havia descrit pel SARS-CoV-1 i pel MERS-CoV.

La via d’entrada del SARS-CoV-2 a les cèl·lules és la unió de la proteïna S (Spike) del virus al domini enzimàtic del receptor cel·lular ACE2 i, seguidament, es produeix l’endocitosi viral i la fusió de la membrana vírica amb la membrana cel·lular. La fusió de membranes es pot fer per l’activació proteolítica de la proteïna S en l’endosoma, o bé per l’acció del TMPRSS2 en la pròpia membrana citoplasmàtica. Això provoca diverses qüestions quan es tracta de l’entrada del SARS-CoV-2 en neurones. Primer, cal entendre els mecanismes pels qual el SARS-CoV-2 és capaç de creuar la barrera hematoencefàlica. D’altra banda, hi ha la qüestió de l’expressió diferencial de l’ACE2. El receptor ACE2 és ben present en les cèl·lules de la mucosa oral i orofaríngea, així com en altres tipus cel·lulars. En el cervell humà, l’expressió d’ACE2 és molt baixa, encara que no és negligible en àrees com el tàlam o el plexe coroideu.

Pepe et al. partien de la hipòtesi que els nanotubs tuneladors (TNTs) podrien participar en una dispersió intercel·lular de SARS-CoV-2. Els TNTs són conductes prims i membranosos rics en actina. Funcionen com a autèntics ponts intercel·lulars i serveixen al transport d’orgànuls i de proteïnes. És sabut que alguns tipus de virus utilitzen TNTs per disperar-se en els teixits.

Pepe et al. utilitzen com a model cultius de la línia cel·lular Vero E6. Aquestes són cèl·lules epitelials d’origen renal que han estat a bastament emprades en investigacions sobre el SARS-CoV-2. Com a model neuronal han triat la línia cel·lular humana SH-SY5Y, i deixen per més endavant el treball amb cultius primaris de neurones humanes.

Les cèl·lules SH-SY5Y no són permissives a la infecció per SARS-CoV-2. No obstant, en co-cultivar-les amb cèl·lules Vero E6 prèviament infectades, sí es poden infectar a través d’un mecanisme mediat per TNTs.

Una ruta de dispersió del SARS-CoV-2 independent de l’endocitosi mediada per receptor

Pepe et al. cultivaren paral·lelament neurones humanes SH-SY5Y i neurones murines CAD amb SARS-CoV-2. Després de tres dies d’exposició, tenyien les monocapes dels cultius amb un anticòs específic de la proteïna N (nucleoproteïna) de SARS-CoV-2. Cap de les dues línies neuronals mostrava indicis d’infecció. Quan passa això diem que són línies cel·lulars no-permissives a la infecció per SARS-CoV-2.

Quan fan el mateix experiment amb les línies cel·lulars Vero E6 i Caco-2, el SARS-CoV-2 aconsegueix d’infectar els cultius. Diem que aquestes sí són línies cel·lulars permissives a la infecció per SARS-CoV-2.

La impermissivitat de les cèl·lules de SH-SY5Y a infectar-se per SARS-CoV-2 s’explica per la nul·la o extremadament baixa expressió d’ACE2.

Quan Pepe et al. co-cultiven cèl·lules Vero E6 infectades per SARS-CoV-2 amb cèl·lules SH-SY5Y marcades amb un plàsmid portador del gen mCherry, troben que al cap de 24 hores, el 36,4% de les neurones ja reaccionen amb l’anticòs anti-N. A 48 hores, aquest percentatge puja a 62,5%.

La immunotinció amb un anticòs anti-S de co-cultius confirma la infecció de SARS-CoV-2 de neurones: un 21,8% ja són positives a 24 hores i s’arriba a un 42,4% a 48 hores. En utilitzar simultàniament els anticossos anti-N i anti-S, hi ha una colocalització del senyal, indicativa de la presència de virions madurs dins de vesícules endocítiques de les neurones. Aquests virions poden ésser el resultat d’una transferència directa de les Vero E6, o producte d’una síntesi dins de les pròpies neurones.

Per conèixer si en els co-cultius, el SARS-CoV-2 és capaç de replicar en les cèl·lules neuronals. Pepe et al. empren un anticòs J2 anti-RNA-bicatenari. A 48 hores de co-cultiu, la immunotinció amb aquest anticòs indica la replicació activa del SARS-CoV-2 en neurones, possiblement en vesícules de doble membrana. La immunotinció dels co-cultius amb un anticòs anti-nsp3 indica que en les neurones hi ha presència efectiva de SARS-CoV-2.

Pepe et al. empren remdesivir com a inhibidor de la replicació viral. En cultius de Vero E6, una concentració de 30 μM de remdesivir és prou alta com per inhibir la producció de virus. En presència de remdesivir, la infecció de neurones co-cultivades queda força reduïda.

El rol dels TNTs en la transmissió de SARS-CoV-2

L’exposició de cèl·lules SH-SY5Y en monocultiu a sobrenedants de monocultius de cèl·lules Vero E6 infectades no indueix la infecció per SARS-CoV-2 en les neurones. En canvi, el sobrenedant de cultius infectats és capaç per ell mateix d’infectar nous monocultius de Vero E6.

Sembla doncs, que la infecció de les neurones requereix un contacte directa amb cèl·lules epitelials infectades. La microscòpia confocal permet identificar estructures de contacte intercel·lular. Moltes d’aquestes estructures es basen en el citoesquelet d’actina, com és el cas de fil·lopodis o dels túnels de nanotubs (TNTs). Mentre que els fil·lopodis són protrusions membranoses d’una cèl·lula que la posen en contacte amb les veïnes directes, els TNTs poden assolir llargades més considerables. Pepe et al. observen en co-cultius la formació de TNTs entre cèl·lules Vero E6 i SH-SY5Y.

L’ús d’anticossos contra components del SARS-CoV-2 (nsp3, S, N) indiquen que dins dels TNTs hi hauria complexos replicatius i virions madurs de SARS-CoV-2.

La infecció per SARS-CoV-2 promou una llargada superior de TNTs. Si en cèl·lules Vero E6 no infectades, els TNTs tenen una longitud mitjana de 8 μm, la infecció quadriplica aquesta xifra fins a 34 μm. Si en co-cultius no infectats el percentatge de TNTs que connecten els dos tipus cel·lulars és del 35%, en co-cultius infectats aquest percentatge s’enfila al 62%. La infecció per SARS-CoV-2 promou i/o estabilitza la formació de TNTs.

D’altra banda, en co-cultius infectats, Pepe et al. també detecten la presència de la proteïna N de SARS-CoV-2 en TNTs que connecten neurones. Així doncs, les neurones infectades poden infectar neurones que encara no s’havien infectat a través de cèl·lules epitelials.

El rol dels TNTs en la transmissió de SARS-CoV-2 entre cèl·lules epitelials

Pepe et al. estudien la transmissió de SARS-CoV-2 entre cèl·lules Vero E6 infectades i no-infectades (marcades aquestes darreres amb mCherry) quan se les co-cultiva amb un anticòs anti-S neutralitzant (C3 235). L’anticòs és capaç de frenar la transmissió, però no pas d’anul·lar-la: a 24 hores, el 42,9% de les cèl·lules marcades amb mCherry ja són infectades, i a 48 hores ho són el 64%. Sense l’anticòs, les xifres són, respectivament, del 95% i del 97%. Quan analitzen la infectivitat de sobrenedants, Pepe et al. troben que els cultius que han estat incubats amb l’anticòs neutralitzant no són pas infectius, tal com evidencien amb un assaig de formació de focus.

Això indica que, quan hi ha una presència d’anticòs neutralitzant que barra l’entrada endocítica del virus, el SARS-CoV-2 encara fa transmissió intercel·lular per un mecanisme de contacte.

En co-cultius de Vero E6 i de SH SY5Y, l’anticòs neutralitzant no té cap efecte per evitar que el virus sigui transmès a les neurones.

L’associació entre SARS-CoV-2 i TNTs

Pepe et al. utilitzen de manera correlativa tècniques d’imatge CLEM, cryo-EM i cryo-ET que ofereixen una resolució superior a la de la microscòpia de fluorescència. Amb aquesta major resolució es constata la interacció entre partícules de SARS-CoV-2 i TNTs. En TNTs s’observen partícules de 50 a 100 nm, que en els tomogrames són positives per a la proteïna S. També s’hi observen estructures vesiculars d’una mida semblant en TNTs que connecten cèl·lules infectades.

En cultius controls de cèl·lules SH-SY5Y, els TNTs consisteixen feixos de nanotubs individuals (iTNTs). Els TNTs que contacten cèl·lules Vero E6 i SH-SY5Y són tubs aïllats, rics en actina. És aquesta darrera tipologia de TNTs la que explota el SARS-CoV-2 en la transmissió intercel·lular.

TNTs i covid-19

Prèviament s’havia descrit el rol de TNTs en la transferència intercel·lular de genomes vírics com del virus de la grip, el virus de la immunodeficiència humana (HIV) o el virus de l’herpes símplex (HSV). Aquesta via de transmissió comporta una elusió del sistema immunitari, el qual s’adreça especialment a les formes extracel·lulars del virus (les partícules víriques o virions).

Els TNTs poden constituir una via ràpida de dispersió de virus. La dinàmica de formació i esvaïment de TNTs es fa en qüestió de 30-60 segons, a través de la ràpida polimerització i despolimerització de l’actina. En el transport a través de TNTs els virus poden aprofitar l’acció motora de les miosines MyoVa o MyoX.

Pepe et al. ens mostren que la infecció per SARS-CoV-2 promou la formació de TNTs, fa que siguin més llargs i que es formin amb més freqüència entre tipus cel·lulars diferents. Quelcom semblant s’havia descrit per l’HIV.

Investigacions prèvies havien indicat que el SARS-CoV-2 també estimular la formació de protrusions filopodials, a través d’una activació de la casein-cinasa II (CK2). Pepe et al. pensen que la CK2 potser també és al darrera de l’augment de TNTs: la CK2 potser fosforilaria MyoX i aquesta regularia positivament la polimerització d’actina. Conèixer si aquests mecanismes realment funcionen en el seu model és la tasca que es proposen Pepe et al. També tenen per davant esclarir la dinàmica de transmissió del SARS-CoV-2 a través del TNTs.

Lligams:

- Tunneling nanotubes provide a route for SARS-CoV-2 spreading. Anna Pepe, Stefano Pietropaoli, Matthijn Vos, Giovanna Barba-Spaeth, Chiara Zurzolo. Science Advances (2022).

L’origen de l’endotèrmia en mamífers podria remuntar a l'episodi pluvial de fa 233 milions d’anys

Paleofisiologia: Hom s’ha referit al Cenozoic com l’època del domini ecològic dels tetràpodes endoterms, és a dir de mamífers i d’aus. L’endotèrmia o homeotèrmia fa que la temperatura interna d’aquests animals sigui regulada internament en un marge estret. Deixant de banda les aus, la qüestió de l’origen de l’endotèrmia en mamífers ha estat matèria de discussió entre els paleontòlegs. Dins d’aquesta discussió arriba un article publicat a Nature amb Ricardo Araújo, Romain David i Kenneth D. Angielczyk com a autors corresponsals en el que proposen, a partir de la biomecànica de l’orella interna de fòssils mesozoics, un origen de l’endotèrmia dels mamífers en el Triàsic Tardà, fa uns 233 milions d’anys. Els ossicles de l’orella mitjana són el tret diagnòstic fonamental dels mamífers en la paleontologia. Araújo et al., però, es fixen en la morfologia dels conductes semicirculars plens d’endolimfa de l'orella interna, és a dir l’òrgan de l’equilibri que, a través l’autopercepció de la rotació cefàlica, juga un paper ben important en la coordinació motora, la navegació i la consciència espacial. La idea és que la transició de l’ectotèrmia a l’endotèrmia anà marcada d’un augment de la temperatura corporal, la qual cosa conduiria a una menor viscositat de l’endolimfa. De retruc, això faria necessària una alteració de la biomecànica del conducte semicircular, bo i més que una major temperatura corporal comporta una major activitat comportamentual i una major necessitat d’un bon òrgan de l’equilibri. Així doncs, la transició ectotèrmia-endotèrmia va haver d’anar acompanyada de canvis morfològics dels conductes membranosos i dels canals ossis que els acullen. Araújo et al. presenten en aquest article dades sobre 56 espècies fòssils de sinàpsids, derivant-n un índex de termo-motilitat. Del quadre resultant dedueixen que la transició a l’endotèrmia fou relativament abrupta, i tingué lloc en el Triàsic Tardà entre els Mammaliamorpha. Aquesta transició comportà un augment de la temperatura corporal de 5 a 9 K, i una expansió de les capacitats metabòliques aeròbies i anaeròbies. Araújo sostenen que els primers mammaliomorfs eren probablement tots ectoterms, i que l’endotèrmia seria veritable un tret distintiu aparegut amb els primers mamífers. L’article també comenta el rol de la inestabilitat climàtica del període en aquesta innovació metabòlica.

Estructura de l’orella interna humana

L’endotèrmia dels mamífers

Els animals endoterms o homeoterms, clàssicament dits “animals de sang calenta” poden mantindre temperatures corporals elevades (típicament entre 304 i 318 K segons l’espècie) d’una manera gairebé constant. Això no exclou que algunes espècies d’endoterms siguin capaces d’entrar en estats més o menys duradors de torpor, amb una temperatura corporal força inferior. Sigui com sigui, l’endotèrmia és possible gràcies sobretot a una producció de calor metabòlica.

En els animals ectoterms o poiquiloterms, clàssicament dits “animals de sang freda”, la temperatura corporal depèn de les temperatures ambientals. Val a dir, que alguns ectoterms poden elevar la seva temperatura corporal amb la generació de calor metabòlica o, com fan les sargantanes, exposant-se a la radiació solar.

L’endotèrmia s’associa a una major activitat comportamentual, una major capacitat aeròbica, una superior capacitat de locomoció (en termes de resistència i de velocitat). És clar que això té un cost metabòlic considerable. El cas és que els tetràpodes endoterms (mamífers i aus) ocupen tota una sèrie de nínxols ecològics que no són a l’abast dels tetràpodes ectoterms (amfibis i rèptils).

L’endotèrmia és un dels trets distintius de la classe zoològic dels mamífers. Es troba íntimament lligada a altres trets distintius, com les glàndules sudoríferes i el pèl.

La paleontologia de bell antuvi ha cercat l’origen de l’endotèrmia i d’altres distintivitats dels mamífers a través de l’anàlisi de restes esquelètics, i de dades icnològiques, osteohistològiques i isotòpiques. Hom ha intentat trobar pistes sobre l’endotèrmia a través de la capacitat aeròbica, la taxa metabòlica basal, l’aïllament tèrmic, la cura parental, la nocturnitat o la mateixa temperatura corporal.

L’índex de termo-motilitat

Araújo et al. es fixen en la morfologia funcional del sistema de conductes semicirculars de l’orella interna. La relació entre temperatura corporal i la viscositat de l’endolimfa que omple aquests conductes és la base d’aquesta investigació. Els primers endoterms havien de fer front a una menor viscositat de l’endolimfa i a uns majors requeriments de l’òrgan de l’equilibri que constitueix aquesta orella interna.

Araújo et al. han desenvolupat l’índex de termo-motilitat (TMI). Per a una determinada mida corporal, la funcionalitat del sistema de conductes semicirculars es relacionaria amb aquest TMI i amb l’invers de la temperatura corporal. Qualsevol augment de la temperatura corporal s’ha de compensar amb un augment en el TMI. Al mateix temps el TMI ha d’augmentar si augmenta també el moviment angular cefàlic com a conseqüència d’una major activitat comportamentual.

El sistema de conductes semicirculars no fossilitza, però si ho fan els laberints membranosos. Araújo et al. han computat el TMI de 362 espècimens, entre els quals inclogueren 68 fòssils de sinàpsids. Així doncs comparen les dades de laberints membranosos d’espècies actuals (n’afegeixen 50 de noves) amb dades de laberints ossis de sinàpsids dels mesozoic.

El TMI es correlacionaria positivament amb la temperatura corporal a través d’una relació causal. Les relacions es veuen més clarament a nivell genèric (28 clades estudiats) que no pas a nivell específic (230 espècies estudiades), probablement perquè a nivell d’espècie entren en joc més variables (ecologia comportamentual, pla corporal, agudesa visual, etc.).

El TMI dels endoterms actuals (143 espècies estudiades) és significativament superior al TMI dels ectoterms actuals (127 espècies estudiades). Així doncs, peixos, amfibis i tortugues tenen un TMI baix associat a una temperatura corporal certament baixa. Aus i mamífers tenen el TMI més elevat. A mig camí queden cocodrils i lepidosaures. Entre els tetràpodes, el TMI correlaciona negativament amb el gruix dels canals normalitat pel radi de la curvatura. També correlaciona amb el radi de la curvatura dels canals en relació a la massa corporal. Els mamífers són els que tenen uns canals semicirculars menys gruixuts i corbats. En les aus, en canvi, aquests valors no són gaire diferents dels de la resta d’amniotes: en aquest cas l’adaptació a l’endotèrmia s’acompanya de modificacions dels laberint membranós i de propietats físico-químiques de l’endolimfa.

L’origen filogenètic de l’endotèrmia dels mamífers

Araújo et al. fan un càlcul invers per als sinàpsids fòssils: a partir de la dada de TMI cerquen una estimació de la temperatura corporal i de la probabilitat d’endotèrmia.

D’entre els diferents clades de sinàpsids estudiats, el llindar de l’endotèrmia s’assoleix entre els Mammaliomorpha. Hom no troba endoterms en els altres clades de sinàpsids. Contràriament, llinatges no-mamiferians dels Mammaliomorpha (els tritilodòntids) presenten indicis d’endotèrmia.

Així doncs, el darrer ancestre comú de tritilodòntids i mamífers, que va viure fa 233 milions d’anys, ja era endoterm. En aquella època tenia lloc l’episodi pluvial del Carnià. L’endotèrmia d’aquest ancestre no devia ser gaire diferent de la dels monotremes, que són capaces de produir calor corporal però que, amb una taxa metabòlica baixa, tan sols poden arribar a temperatures corporals de 304 a 307 K, i viuen períodes de torpor. Aquesta estratègia rep el nom de basoendotèrmia.

Crani de “Kayentatherium wellesi”, un tritilodòntid de principi del Juràssic. Llinatge col·lateral al dels mamífers, els tritilodòntids ja haurien desenvolupat una forma de basoendotèrmia.

L’episodi pluvial del Carnià tingué lloc fa uns 233 milions d’anys. El clima de Pangea es va fer més humit i càlid, amb majors precipitacions i menors intervals d’eixutesa. Això esperonà la diversificació de diversos tetràpodes, i l’aparició probablement dels primers tetràpodes de sang calenta.

Lligams:

- Inner ear biomechanics reveals a Late Triassic origin for mammalian endothermy. Ricardo Araújo, Romain David, Julien Benoit, Jacqueline K. Lungmus, Alexander Stoessel, Paul M. Barrett, Jessica A. Maisano, Eric Ekdale, Maëva Orliac, Zhe-Xi Luo, Agustín G. Martinelli, Eva A. Hoffman, Christian A. Sidor, Rui M. S. Martins, Fred Spoor & Kenneth D. Angielczyk. Nature (2022).

El certificat covid digital de la UE estalvià 3.979 morts a França i pèrdues del producte interior brut de 6.000 milions de euros

Epidemiologia: El certificat COVID digital de la Unió Europea, com d’altres instruments anàlegs, ofereix una prova de vaccinació contra la covid-19, de recuperació post-infecció o d’un test negatiu recent. S’empra per poder accedir als espais o activitats que ho requereixen. Com d’efectiva ha estat aquesta mesura? Miquel Oliu-Barton, Bary S. R. Pradelski i Nicolas Woloszko són els primers autors d’un article a Nature Communications que ofereix una estimació del certificat pel que fa a la vaccinació a França, Alemanya i Itàlia. Per fer-ho utilitzen contrafactuals construïts a través d’una teoria de difusió de la innovació. L’anunci dels certificats COVID al llarg de l’estiu del 2021 s’associaren amb un augment de la vaccinació a França del 13 punts percentuals de la població total (amb un interval de confiança del 95% entre 9,7 i 14,9), mentre que a Alemanya fou de 6,2 (2,6-6,9) i a Itàlia de 9,7 (5,4-12,3). D’aquesta associació, però, no es pot inferir directament una causalitat. Sigui com sigui, d’aquestes xifres es desprèn que la introducció del certificat s’associació amb la prevenció de 3979 morts a França (3453-4298 en un interval de confiança del 95%), de 1133 a Alemanya (-312 a 1358 en un interval de confiança del 95%) i de 1331 a Itàlia (502-1794). Alhora això es traduí en la prevenció d’unes pèrdues sobre el producte interior brut de 6.000 milions d’euros a França (5,9-6,1), de 1.400 milions a Alemanya (1,3-1,5) i de 2.100 milions a Itàlia (2,0-2,2). És a França especialment on l’aplicació dels certificats covid previngueren una alta ocupació de les unitats de cures intensives.

La introducció del certificat covid a França, Alemanya i Itàlia conduí a un nombre de vaccinacions més elevat del que no pas hom esperaria d’acord amb l’evolució prèvia de la campanya de vaccinació

Els certificats com a eina política

La pandèmia de covid-19 ha fet que molts governs apliquessin polítiques abans impensables. Quan la Xina prengué mesures draconianes a Wuhan a final de gener, resultava inimaginable fer quelcom semblant a Europa. Certament, a Europa la política no ha estat gairebé mai la de “covid zero”, i les mesures preses s’han orientat a “aplanar la corba” per tal de protegir els sistemes sanitaris. En la primera i segona onada, se’ns deia, es tractava de guanyar temps mentre que no hi hagués vaccins o tractaments a l’abast. Sota aquesta premissa es tancaven activitats públiques, es limitaven els contactes socials i es restringia la mobilitat. Les mesures es prenien d’acord amb simulacions matemàtiques.

Els certificats COVID són una d’aquestes mesures. En general, un certificat COVID certifica la vaccinació anti-covid-19, la recuperació post-infecció o un test negatiu recent. En tots tres casos es considera que la persona dipositària d’un certificat COVID té un menor risc de transmetre el virus o de patir una forma severa de la covid-19 i, en conseqüència, no se li apliquen les mesures restrictives de la població general. Els detractors, és clar, alertaven dels perills ètics i polítics d’aquesta discriminació o de l’accés a informació personal. Els defensors, per contra, consideraven els certificats com una forma de garantir una interaccions socials segures. Més endavant els defensors dels certificats consideraven que era una forma de promoure la vaccinació.

Oliu-Barton et al sostenen que l’efecte incentivador de la vaccinació per part dels certificats COVID n’ha estat l’aspecte més beneficiós en termes sanitaris i econòmics.

El certificat COVID digital de la UE fou acordat el juny del 2021. Paulatinament, diversos estats membres de la UE adoptaren l’exigència del certificat per a moltes activitats. França, Alemanya i Itàlia són els estats que han estudiat Oliu-Barton et al. França (des del 12 de juliol del 2021), Itàlia (des del 22 de juliol) i Alemanya (des del 10 d’agost) empraren el certificat com a criteri per regular l’entrada a instal·lacions i activitats públiques, restaurants, cafès, bars, botigues, etc. A França i a Itàlia el criteri era d’exigència generalitzada. A Alemanya únicament eren requerits en les regions on la incidència setmanal de covid-19 fos superior a 35 casos per cada 100.000 habitants, cosa que d’altra banda era ben freqüent.

Com els certificats COVID esperonaren la vaccinació

Oliu-Barton utilitzen la teoria de difusió de la innovació per construir el contrafactual de l’evolució de la vaccinació anti-covid-19 a França, Itàlia i Alemanya sense la intervenció que suposaren els certificats COVID. Al capdavall, aquesta intervenció era una innovació. Com tota innovació, era adoptada per individus “pioners” i després per individus “seguidors”. El model resultant es basa en la teoria de creixement amb un límit de capacitat i contempla dos paràmetres crítics: el “coeficient d’innovació” i el “coeficient d’imitació”. En aquesta cas, el “coeficient d’innovació” és la taxa instantània a la qual una persona no-vaccinada opta per fer-se vaccinar. El “coeficient d’imitació” és la taxa a la qual una persona no-vaccinada és influïda pel percentatge de persones vaccinades alhora de prendre la seva decisió personal.

Quan s’anuncià l’entrada en vigor del certificat covid, a França el 53,8% de la població havia rebut almenys una dosi de vaccí anti-covid-19. A Alemanya aquesta xifra era del 62,5%. A Itàlia, del 61,6%. A final del 2021, aquestes xifres havien pujat al 78,2% a França; 73,5% a Alemanya; i 80,1% a Itàlia.

Segons el contrafactual d’Oliu-Barton et al., és a dir sense certificat covid, les xifres a final d’any de percentatge de persones que haurien rebut una dosi de vaccí seria del 65,2% a França, 67,3% a Alemanya i 70,4% a Itàlia. Així doncs, se’n deriva un 13% de diferència a França, un 6% a Alemanya i un 10% a Itàlia.

Val a dir que els certificats covid continuaren després de l’estiu. S’incorporà de vegades el requeriment de presentar-lo per accedir al centre de treball. Alhora, s’integrava en el certificat l’exigència d’una dosi de record més enllà de la pauta inicial de vaccinació. És interessant veure que l’efecte del certificat és notable des de l’estiu tant a França com a Itàlia. Per contra, a Alemanya només se’n veu un efecte notable a partir del mes de novembre del 2021, quan començaren a exigir-se els certificats en els centres de treball. En el cas de França i Itàlia, Oliu-Barton et al. constaten que l’impacte promocional de la vaccinació dels certificat fou superior entre la població més jove.

Oliu-Barton et al. constaten que l’efecte de l’anunci del certificat fou sobretot de caire nacional, seguint un ritme a cada país d’acord amb la normativa aplicada pels respectius governs estatals.

Entre els majors de 60 anys, el certificat covid esperonà la vaccinació d’un 8,9% addicional a França (8,0-9,4 segons l’interval de confiança del 95%). La xifra d’Itàlia és més modesta: 4,4% (2,9-5,2).

Oliu-Barton et al. fan ús del mètode economètric de control sintètic. Per això construeixen contrafactuals per a cadascun dels tres països d’acord amb una mitjana ponderada dels països que no aplicaren el certificat covid. Les trajectòries obtingudes entren en els intervals de confiança del model de difusió d’innovació, si més no fins al setembre del 2021 (quan el nombre de països que no empraven el certificat era ja ben minso). Aquesta comprovació és necessària per certificar que “xocs exògens” com la difusió de la variant Delta (des de final de juny) no interferí en aquestes estimacions.

L’impacte del certificat sobre la salut

Atenent als valors de protecció dels vaccins que indica la literatura científica, Oliu-Barton et al. estimen l’efecte de la protecció directa dels vaccins administrats arran de la introducció dels certificats covid.

Segons el mètode de contrafactuals, estimen que a França s’evitaren 32.065 ingressos hospitalaris (26566-35306 com a interval de confiança del 95%). A Alemanya aquesta xifra fou de 5229 (-1774 a 6822). A Itàlia la xifra seria de 8735 (2999-12261). Això es tradueix en un estalvi de morts de 3979 (3453-4298) a França, de 1133 a Alemanya (-312 a 1358) i de 1331 a Itàlia (502-1794). Sense el certificat, a França hi hauria hagut un 31,3% més d’hospitalitzacions; un 15,5% més a Itàlia; i un 5,0% més a Alemanya.

Impacte dels certificats covid en l’activitat econòmica

Inicialment, l’atenció sobre el valor econòmic dels certificats covid se centrà en el fet que esperonaria la recuperació econòmica a curt termini a mesura que la gent ja vaccinada reprengués activitats econòmiques presencials (treball presencial, consum presencial, etc.). Addicionalment hi ha un efecte indirecte que deriva d’evitar d’haver de reintroduir restriccions.

Oliu-Barton et al. empren les estimacions de l’OCDE Weekly Tracker. Arriben a estimar que gràcies a l’esperonament de la vaccinació, els certificats estalviaren a l’economia de França 6.000 milions d’euros. L’efecte a Alemanya (1.400 milions d’euros) i a Itàlia (2.100 milions d’euros) fou més modest.

Lligams:

- The effect of COVID certificates on vaccine uptake, health outcomes, and the economy. Miquel Oliu-Barton, Bary S. R. Pradelski, Nicolas Woloszko, Lionel Guetta-Jeanrenaud, Philippe Aghion, Patrick Artus, Arnaud Fontanet, Philippe Martin & Guntram B. Wolff. Nature Communications 13: 3942 (2022).

La manca de cohesió de la superfície de l’asteroide Bennu

Planetologia: El 20 d’octubre del 2020, la missió de la NASA OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) impactava en l’asteroide carbonaci del grup Apol·lo 101955 Bennu. L’asteroide Bennu ocupa el primer lloc en l’Escala Tècnica de Risc d’Impacte de Palermo, i hom calcula en 1 contra 1800 la probabilitat que impacti contra la Terra en alguna de les aproximacions que realitzarà entre el 2178 i el 2290, especialment en la del 24 de setembre del 2182. Així doncs, l’interès de la missió OSIRIS-REx no és purament planetològica. L’impacte de l’OSIRIS-REx amb Bennu tenia com a objectiu captar mostres de l’asteroide. Havia arribat a l’entorn de l’asteroide el 3 de desembre del 2018, després d’haver estat llençada des del Cap Canaveral el 8 de setembre del 2016. És previst que el 24 de setembre del 2023, l’OSIRIS-REx llenci la càpsula amb mostres de Bennu a la Terra, i que llavors emprengui una nova missió envers un altre asteroide de risc, 99942 Apophis, a on arribarà el 2029. Abans de disposar de les mostres de Bennu, les dades directes de l’impacte ja han estat objecte de recerca. Així, aquesta setmana a la revista Science Advances apareix un article encapçalat per Kevin J. Walsh en el que descriuen que la superfície i la subsuperfície propera de l’asteroide de Bennu té una cohesió gairebé nul·la i un empacament lleuger. Era ja sabut que Bennu és un exemple d’asteroide “pila de runa”, consistent en fragments de roca en repòs en un context de microgravetat. Welsh et al., però, ens ofereixen un model més precís: la superfície de Bennu és un llit granular de cohesió gairebé nul·la que té la meitat densitat que la mitjana del petit planeta. Bennu té una massa total de 7,33·10¹⁰ kg, i la poca gravetat que en resulta no permet que hi hagi una compressió de les capes superiors, de manera que la cohesió interparticular juga un paper ben minso en la geologia de superfície. Welsh et al. indiquen que aquesta seria una característica de tota la superfície de Bennu, de 0,78 km², i no pas exclusiva del punt d’impacte d’OSIRIS-REx.

Imatges del punt d’impacte de l’OSIRIS-REx sobre Bennu del 20 d’octubre del 2020.

L’impacte d’OSIRIS-REx en l’asteroide Bennu

Aquesta investigació fou concebuda per Kevin J. Walsh, Ronald-Louis Ballouz, Edward B. Bierhaus, Harold C. Connolly Jr., Patrick Michel, Michael C. Nolan, Paul Sánchez i Daniel J. Scheeres. La metodologia fou dissenyada per Walsh, Ballouz, Erica R. Jawin, Joseph Demartini, Sánchez, Scheeres, Derek C. Richardson i Stephen R. Schwartz. La investigació fou realitzada per Walsh, Ballouz, Jawin, Olivier S. Barnouin, Bierhaus, Michel, Joshua P. Emery, Nolan, Benjamin Rozitis, Bashar Rizk, Andrew J. Ryan, Sánchez, Scheeres, Schwartz, Yun Zhang i Dante S. Lauretta. Els gràfics són obra de Welsh, Jawin, Carina A. Bennett, Brent J. Bos, Daniella N. Dellagiustina, Dathon R. Golish i Rizk. El finançament, procedent de la NASA, la National Research Agency, el CNES i d’altres, fou obtingut per Lauretta, Michel i Marco Delbo. El projecte fou administrat per Walsh, Connolly, Barnouin, Emery, Patrick C. Haas, Carl W. Hergenrother, Huikang Ma, Ryan Olds, Sanford H. Selznick i Lauretta. La supervisió la feren Walsh, Connolly, Barnouin, Emery, Olds, Selznick i Lauretta. El primer esborrany de l’article fou redactat per Walsh, Ballouz, Jawin, Chrysa Avdellidou, Barnouin, Bierhaus, Saverio Cambioni, Delbo, Joseph Demartini, Nolan, Rozitis, Richardson, Schwartz i Lauretta.

L’objectiu de la missió OSIRIS-REx de la NASA era recollir i retornar a la Terra una mostra d’un mínim de 60 grams de material superficial de l’asteroide Bennu. Aquest asteroide fou descobert per la col·laboració LINEAR (Lincoln Near-Earth Asteroid Research) l’11 de setembre del 1999, i rebé la designació provisional 1999 RQ₃₆ fins que se li donà la numeració 101955 i, a proposta de Michael Puzio, se’l batejà amb el nom de l’ocell mitològic Bennu. Bennu té un diàmetre de 500 metres i una composició carbonàcia. L’estructura de Bennu és la d’una pila de runa, integrada per còdols i grava que es reacumularen després d’una disrupció catastròfica d’un cos parental més gran.

OSIRIS-REx era equipat d’un mecanisme d’adquisició de mostra de tocar i anar (TAGSAM): un contenidor anul·lar d’alumini i una placa de 32 cm de diàmetre a l’extrem d’un braç robòsit extensible. TAGSAM només havia de contactar amb la superfície de l’asteroide durant uns segons, alliberar-hi gas nitrogen i capturar les partícules mobilitzades en la cambra de recol·lecció de mostra.

L’operació d’impacte fou fixada per al 20 d’octubre del 2020 i la localitat seleccionada era propera al centre del cràter Hokioi, una estructura de 20 metres de diàmetre situada en l’hemisferi nord de l’asteroide. TAGSAM topà de manera gairebé perpendicular amb la superfície de Bennu a una velocitat de 10 cm/s. Un segon després del contacte, alliberà gas nitrogen a alta pressió. A 6 segons del contacte, OSIRIS-REx inicià la maniobra de retrocés.

Per bé que caldrà esperar al 24 de setembre del 2023 per disposar de la mostra capturada, l’impacte mateix ja ofereix dades sobre la superfície de Bennu. Missions semblants en asteroides i cometes han fornit dades sobre la força compressiva o el coeficient de restitució. Impactes experimentals fets en el laboratori han il·lustrat sobre la dinàmica que hom esperaria en asteroides de tipus de pila de runa, i OSIRIS-REx trasllada aquestes dades a un context natural.

Walsh et al. defineixen la subsuperfície propera com els primers 10 cm de fondària de l’asteroide. En aquesta recerca utilitzen dades d’imatge i d’accelerometria per reconstruir la interacció entre TAGSAM i la regolita de Bennu durant el primer segon de l’impacte. Després, quan l’OSIRIS-REx alliberà gas nitrogen, aquest factor passà a predominar sobre les forces de contacte.

El 3 de desembre del 2018, l’OSIRIS-REx arribava a l’entorn de Bennu. En l’etapa d’investigació que arrencà des de llavors, els responsables de la missió van poder determinar una densitat mitjana de l’asteroide de 1190 kg·m³. La porositat dels còdols que integren Bennu arriba al 55%. A més, hem de considerar que la macroporositat entre els còdols seria de 12-15%. L’estudi de la superfície de Bennu revelava algunes serres de llarg recorregut, que suggerien l’existència de forces cohesives, però en general la cohesió no devia arribar a una pressió de 1 Pa. A diferència de 433 Eros o de 25143 Itokawa, a Bennu no hi ha dipòsits extensius de partícula fina i la coberta superficial de pols és mínima.

Imatges i accelerometria

La SamCam (Sample Acquisition Verification Camera) recollí imatges abans, durant i després del mostreig del 20 d’octubre del 2020. Les més rellevants foren captades a les 21:49:48.882UT i 21:49:50.101UT. En aquell moment, l’hora solar local era les 15:10, i l’angle de fase era de 60°, amb un angle d’emissió de 16° i un angle d’incidència de 71°. Aquestes dues imatges tenen una precisió tal que cada 1,5 mm de superfície es correspon a un píxel.

Les unitats de mesura inercial (IMUs) a bord de OSIRIS-REx mesuraven l’acceleració de la nau a 200 Hz. Les dades més rellevant són les del període de 21:49:49UT a 21:49:50.5UT. Per convertir les dades en newton, s’assum que la massa d’Osiris-REx era de 1391 kg.

Entre la nau i el TAGSAM hi havia vinculades al braç extensible tres ampolles de gas nitrogen d’alta pressió. L’ampolla n. 3 tenia un contingut inicial de 60,7 grams de N₂ a 2,0105·10⁷ Pa. En la interacció únicament s’utilitzà aquesta ampolla. Les dades (captades a una freqüència de 10 Hz) indiquen que no començà a davallar en pressió fins a les 21:49:50.66UT.

Entre el braç de la nau i el TAGSAM hi ha una molla telescòpica de força constant. La molla es comprèn a forces superiors a 60 N. Les dades de telemetria indiquen que no s’arribava a activar el microinterruptor associat a la molla.

La topografia de la localitat de l’impacte ha estat reconstruïda per tècniques d’estereofotoclinometria combinades per altimetria làser. La resolució és d’uns 2 cm.

A través de les imatges s’ha analitzat el perfil del cap del TAGSAM pel que fa a canvis relatius en orientació. Entre la imatge a 21:49:46.446UT anterior al contacte i la imatge 21:49:50.101UT durant el contacte hi ha un canvi de 6,8°. La reorientació de l’eix semi-major s’explicaria pel contacte amb un còdol de 5 cm durant l’impacte.

El límit superior de la força compressiva en la localitat de l’impacte seria de 125-187,5 Pa per a forces de 10-15 N en un àrea de 0,08 m². Si hom té present un canvi de velocitat de 0,4 cm/s en els primers 0,7 segons de la interacció, resulta una força compressiva màxima de 2 Pa.

Què s’ha après de la superfície de Bennu

La SamCam feia imatges cada 1,2 segons, amb una escala de píxel de 1 mm. La imatge presa 30 segons abans de l’impacte (21:49:12.362UT) mostra la presència d’un còdol de 20 cm, amb una protusió de 5 cm respecte de la superfície local. Entre les imatges SAM48 (21:49:48.882UT) i SAM50 (21:49:50.101UT) es produeix el contacte. En la SAM50 gairebé tota partícule visible s’ha mogut o reorientat al llarg de la circumferència de TAGSAM. L’àrea que patí la pertorbació de l’impacte fou de 0,51 m², encara que l’empremta de TASGSAM fou de tan sols 0,08 m². Una roca de 40 cm de longitud fou empesa cap amunt arran de l’impacte. Partícules de la vora d’un mil·límetre experimentaren una mobilitat considerable, indicativa de la mínima cohesió entre aquesta roca i les partícules del voltant.

Les dades d’accelerometria durant l’impacte mostren un augment gradual de l’acceleració. Això es deuria a l’impacte amb una roca de 5 cm d’altura. En el moment que s’obrí l’ampolla de gas nitrogen, TAGSAM havia arribat a una profunditat de 5,95-6,91 m. En tot cas, l’acceleració mai no superà els 0,014 m/s², ni les forces passaren de 10-15 N. La molla telescòpica del braç anterior de TAGSAM no arribà a experimentar compressió.

La cohesió de la regolita de Bennu no arriba a 10 Pa. La densitat per als primers 6-7 cm de la columna de l’asteroide seria de 440-600 kg·m^-3, i això probablement també val per a la capa fins a 10-20 cm de fondària.

D’aquesta manera, la superfície de Bennu té una densitat del 37-50% respecte de la densitat mitjana de tot l’asteroide. La microporositat dels còdols de Bennu podria anar del 24% (per a una densitat de 1332 kg·m^-3) al 55% (per a una densitat de 2249 kg·m^-3). La fracció d’empacament a la superfície seria de 0,2-0,45, la meitat de l’estimada per al conjunt de l’asteroide. A Bennu les forces gravitacionals són molt més rellevants que els vincles de cohesió.

La força compressiva de Bennu és comparable a l’estimada per al cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko o per a l’asteroide Ryugu. És dos o tres ordres de magnitud inferior a l’estimada per a la Lluna.

La manca de cohesió de la superfície de Bennu també explicaria l’extensa manta d’ejectes que envolta el cràter Bralgah, o la presència de terrasses que resulten de moviments de massa. Aquesta manca de cohesió resulta de la mida i rugositat de les partícules, i de la pols intersticial. A Bennu no hi ha presència substancial de pols superficial.

Walsh et al. pensen que les característiques que han trobat per al cràter Hokioi són extensibles a tota la superfície de Bennu. De fet, el cràter Hokioi fou seleccionat per l’abundància de partícules de menys de 2 cm, de manera que a la resta de l’asteroide la manca de pols encara podria ser m´s pronunciada. La manca de cohesió és la que explicaria el moviment de materials des de latituds mitjanes cap a l’equador. L’estructura macroporosa de l’asteroide podria fomentar la percolació de partícules petites cap a l’interior.

Imatge de l’asteroide Bennu obtinguda el 2 de desembre del 2018 per OSIRIS-REx a una distància de 24 km

Lligams:

- Near-zero cohesion and loose packing of Bennu’s near subsurface revealed by spacecraft contact. Kevin J. Walsh, Ronald-Louis Ballouz, Erica R. Jawin, Chrysa Avdellidou, Olivier S. Barnouin, Carina A. Bennett, Edward B. Bierhaus, Brent J. Bossaverio Cambioni, Harold C. Connolly Jr., Marco Delbo, Daniella N. Dellagiustina, Joseph Demartini, Joshua P. Emery, Dathon R. Golish, Patrick C. Haas, Carl W. Hergenrother, Huikang Ma, Patrick Michel, Michael C. Nolan, Ryan Olds, Benjamin Rozitis, Derek C. Richardson, Bashar Rizk, Andrew J. Ryan, Paul Sánchez, Daniel J. Scheeres, Stephen R. Schwartz, Sanford H. Selznick, Yun Zhang, Dante S. Lauretta. Science Advances (2022).

- Pàgina web de la NASA OSIRIS-REx.

- OSIRIS-REx Mission Data Archive.

- SAOImageDS9.

ATA22, un maxil·lar humà al nivell TE7 del quadre K20 de la Sima del Elefante (Atapuerca)

Paleoantropologia: Ahir l’equip de recerca d’Atapuerta presentava ATA22, un conjunt de fragments ossis de maxil·lar humà. En l’acte participà el conseller de Cultura, Turisme i Esport de la Junta de Castella i Lleó, Gonzalo Santonja, juntament amb els co-directors del Projecte Atapuerca, Juan Luis Arsuaga, José María Bermúdez de Castro i Eudald Carbonell, i Rosa Huguet, investigadora i coordinadora del jaciment de la Sima del Elefante. AT22 ha estat identificat en el curs de la campanya d’enguany d’excavacions en el nivell TE7 de la cova de la Sima del Elefante. Ofereix una visió parcial d’un rostre de 1,4 milions d’anys d’antiguitat.

ATA22 és constituïda per fragments ossis corresponents a una part d’un maxil·lar humà de 1,4 milions d’anys d’antiguitat

El nivell TE7 de la Sima del Elefante

Ja a la segona meitat del segle XIX hom posà de manifest la riquesa arqueològica de la Serra d’Atapuerca, a la província de Burgos. A final dels anys 1990, les troballes realitzades en el nivell TD6 del jaciment de la cova de la Gran Dolina dugueren els responsables del projecte a descriure l’espècie Homo antecessor. Amb una antiguitat de 850.000 anys, l’Homo antecessor destaca per la “modernitat” del seu rostre en comparació amb el comú de les formes arcaiques del gènere humà. En aquest sentit, ATA22 fa retrocedir la data d’aquest “rostre modern” a 1,4 milions d’anys.

La construcció del ferrocarril a la Sierra d’Atapuerca generà una trinxera (inici, 1) al llarg de la qual es troben la Sima del Elefante (2), la Galeria (3) i la Gran Dolina (4)

La campanya del 2022 a la Sima del Elefante es presentava inicialment com la continuació de la del 2021. En la campanya de l’any passat s’havien iniciat treball d’excavació en la part superior del nivell TE7 d’aquesta cova. La Sima del Elefante fa part del sistema kàrstic de la Cova Major d’Atapuerca, formada en arenisca del Cretàcic per un riu subterrani.

Seqüència estratigràfica de la Sima del Elefante, a la Sierra de Atapuerca. La Sima del Elefante va rebre aquest nom en el 2001, quan s’hi descobrí un molar inicialment atribuït a un elefant que més tard s’identificà com a rinoceront. En trobar-se un astràgal efectivament d’elefant conservà el nom

El nivell TE7 de la Sima del Elefante es troba a prop d’una de les entrades principals d’aquesta cova. Nivells anteriorment excavats de la Sima del Elefante havien posat de manifest la diversitat i abundància de restes òssies.

La descoberta d’ATA22

El dijous de la setmana passada, el 30 de juny, l’arqueòleg Edgar Téllez, membre de l’Equip de Recerca d’Atapuerca, trobà en el quadre K29 de la Sima del Elefante diferents restes òssies entre les argiles del nivell TE7. Després de netejar-los, l’opinió de diversos especialistes de l’Equip assenyalava que formaven part d’un maxil·lar humà. Foren catalogats com a ATA22.

En el 2007 s’havia trobat en el nivell TE9 de la Sima del Elefante, a uns dos metres per damunt del quadre K29 del nivell TE7, una mandíbula humana. En aquests dies de juliol, els investigadors d’Atapuerca han pensat que ATA22 estigui relacionada amb aquella mandíbula. En el 2007, els investigadors havien pensat que la mandíbula del nivell TE9 podria ésser d’Homo antecessor, però des de llavors no han aventurat classificació més enllà del gènere Homo per la manca de distintius diagnòstics. De tota manera, aquestes restes i d’altres assenyalen la presència humana a la Sierra de Atapuerca fa més d’1 milió d’anys. La datació del nivell TE7 és més antiga que la del TE9, i seria probablement de 1,4 milions d’anys.

La intenció dels investigadors del Projecte Atapuerca és realitzar una comparació detallada entre ATA22 i les restes humanes que ells identifiquen sense embuts com a Homo antecessor.

Una altra línia d’investigació, no pas menys important, és la datació. Per això ara s’obtenen i seleccionen mostres geològiques del nivell TE7 que s’enviaran al Centro Nacional de Investigación sobre la Evolución Humana (CENIEH). Precisament al CENIEH, Téllez treballa en una tesi doctoral sobre anàlisi tafonòmica de restes faunístiques associades a jaciments paleolítics.

Paral·lelament peces d’indústria lítica i restes faunístiques amb indicis de consum humà trobades en el nivell TE7 seran trameses a l'Institut de Paleoecologia Humana i Evolució Social (IPHES). La informació faunística no tan sols s’adreça a la cronologia absoluta sinó també a les condicions climàtiques i ecosistèmiques.

Lligams:

- Encuentran en Atapuerca la cara del Primer Europeo, notícia a la Fundación Atapuerca (08/07/2022).

Duminil-Copin, Huh, Maynard i Viazovksa: Medalles Fields 2022

Matemàtiques: Com cada quatre anys, a les portes del Congrés de la Unió Matemàtica Internacional (IMU), es fan públics els guardonats amb la Medalla Fields, que premia contribucions de matemàtics de menys de 40 anys d'edat. Enguany, han rebut aquest reconeixement Hugo Duminil-Copin, June Huh, James Maynard i Maryna Viazovksa, tal com s'ha anunciat avui. La Medalla Fields s'instituí a partir dels fons dipositats per J. C. Fields a la University of Toronto, i el guardó s'ha complementat enguany a través de la Klaus Tschira Stiftung.

Hugo Duminil-Copin

Hugo Duminil-Copin (*Châtenay-Malabry, 26.8.1985) ha rebut la Medalla Fields per haver resolt problemes en la teoria probabilística de les transicions de fase en física estatística, especialment en tres i quatre dimensions.

Duminil-Copin estudià el preparatori de matemàtiques al Lycée Louis-Le-Gran de París. Es graduà a la Université Paris XI (2007). Després de passar per l'École Normale Supérieure, va realizar la tesi doctoral a partir del 2008 a la Université de Genève, sota la supervisió de Stanislav Smirnov. El 2013 esdevingué professor ajudant a la Université de Genève, esdevenint ordinari en el 2014. Des del 2016 és professor permanent de l'Institut des Hautes Études Scientifiques (IHÉS). En l'actualitat compagina la docència a totes dues institucions.

June Huh

허준이 (*Stanford, 9.6.1983) ha rebut la Medalla Fields per haver introduït idees de la teoria de Hodge a la combinatòria (Adiprasito et al., 2018), la prova de la conjectura de Dowling-Wilson per a reticles geomètrics, la prova de la conjectura de Heron-Rota-Welsh per a matroides, el desenvolupament de la teoria de polinomis lorentzians (Brändén & Huh, 2020), i la prova de la conjectura forta de Mason.

Huh es graduà en física i astronomia a la Universitat Nacional de Seul (2007). Va fer un mestratge de matemàtiques al mateix centre, sota la supervisió de Kiem Young-Hoon (2009). La tesi doctoral la realitzà a la University of Michigan, sota la supervisió de Mircea Mustaţă (2014). Ha estat membre del Clay Mathematics Institute (2014-2019) i de l'Institute for Advanced Study and Princeton University (2014-2020). El curs del 2020-2021 fou professor a la Stanford University, i després tornà a Princeton ja com a professor.

James Maynard

James Maynard (*Chelmsford, 10.6.1987) ha rebut la medalla Fields per contribucions a la teoria analítica de nombres, que han conduït a grans avenços en la comprensió de l'estructura dels nombres primers i en l'aproximació diofantina.

L'abril del 2017, James Maynard era entrevistat per Brady Haran a Numberphile sobre la conjectura dels nombres primers bessons, és a dir els nombres primers p i q, on q = p-2.

Maynard es graduà en matemàtica al Queens' College de Cambridge (2008). Es doctorà en el 2013 al Balliol College d'Oxford amb la tesi Topics in analytical number theory, supervisada per Roger Heath-Brown. Va fer el postdoctorat a la Université de Montréal (2013-2014). Ha estat membre del Clay Mathematics Institute (2015-2018), del MSRI de Berkeley (2017) i de l'Institute for Advanced Study de Princeton (2017). Des del 2018 és professor de teoria de nombres de la University d'Oxford, amb una recerca especialment orientada als mètodes de sedàs i als nombres primers.

Maryna Viazovksa

Марина Сергіївна В'язовська (*Kiiv, 1984) ha rebut la medalla Fields per la prova que el reticle E₈ forneix l'empaquetament més dens d'esferes idèntiques en vuit dimensions, i per contribucions addicionals a altres problemes d'extrems i d'interpolació en anàlisi de Fourier.

Viazovska es graduà a la Universitat Nacional de Kiiv Taras Shevtxenko. Va fer el mestratge a la Universitat Tècnica de Kaiserslautern. Es doctorà en el 2013 a la Universitat de Bonn. Realitzà el post-doctorat a l'Institut d'Hautes Études Scienfiques (IHÉS) i a la Universitat Humboldt de Berlin. En el 2017 fou professora visitant a la Princeton University. El mateix any començà com a professora ajudant a l'EPFL, i el 2018 n'esdevingué professora titular. Fa docència sobre matemàtica discreta, superfícies de Riemann i formes modulars.

Lligams:

- Medalles Fields 2022.

L’expansió de l’Anticicló de les Açores no tindria precedents en els darrers 12 segles

Meteorologia: L’Anticicló de les Açores és una carena d’altes pressions sobre l’Atlàntic Nord encerclada per vents anticiclònics dirigeixen sistemes d’oratge portadors de pluja i modulen el transport de la humanitat oceànica cap a Europa. L’extensió de l’Anticicló de les Açores afecta, doncs, la precipitació arreu de l’Europa Occidental, particularment durant l’hivern. El laboratori de Caroline Ummenhofer, de la Woods Hole Oceanographic Institution, ha encapçalat una recerca que apareix en forma d’article avui a la revista Nature Geosciences en el que integren observacions i simulacions climàtiques. Han trobat que els hiverns amb un àrea extremadament gran de l’Anticicló de les Açores són significativament més habituals en l’actual era industrial (des del 1850 en endavant) que en el mil·lenni anterior (850-1850). Això comporta que es fan més freqüents les condicions anormalment eixutes a la Mediterrània Occidental, inclosa la Península Ibèrica. Les dades de precipitació de Portugal semblen confirmar l'expansió de l’Anticicló de les Açores en el darrer segle i mig. L’expansió arrenca ja en la segona meitat del segle XIX i s’enforteix al llarg del segle XX, en una cronologia que indica la participació d’un escalfament antropogènic.

Els dos pols de l’Oscil·lació Nord-Atlàntica

La variabilitat climàtica de la Península Ibèrica

Les regions del sud i de l’est de la Península Ibèrica es caracteritzen per un clima mediterrani, mentre que les regions del nord i de l’oest són exposades als sistemes meteorològics atlàntics. L’“Espanya seca” i l’“Espanya humida” són el reflex d’aquesta distinta variabilitat climàtica espacial. En termes generals, els estius són calents i eixuts, i els hiverns frescos i humits, la qual cosa fa que la precipitació d’hivern sigui vital per a la salut ecològica i econòmica de tota la Península. La precipitació mitjana és de 732 ± 141 mm/any, de la qual un 40% es correspon als mesos hivernals. En la segona meitat del segle XX s’ha registrat una caiguda de la precipitació mitjana de 5 a 10 mm/any cada dècada. Les projeccions indiquen que la caiguda a final del segle XXI serà de 10-20% respecte dels valors pre-industrials.

Aquest canvi climàtic cap a condicions més eixutes constitueix una amenaça per a l’agricultura en general. Per a les regions oleícoles del sud d’Espanya la caiguda de producció vers el 2100 seria del 30%. Per a les regions vinícoles d’arreu de la Península el canvi podria conduir a una disminució de l’àrea de cultiu entre el 25% i el 99% pel 2050.

L’Anticicló de les Açores en un sistema subtropical d’alta pressió que s’estén damunt de la franja subtropical de l’Atlàntic Nord-Oriental i de l’Europa Occidental durant l’hivern, i que s’associa amb vents anticlònics a tot l’Atlàntic Nord subtropical. Es forma pel descens d’aire sec en el subtròpic i seria la branca descendent de la Circulació de Hadley. Els vents de ponent del límit sud de l’anticicló es carreguen d’humitat mentre creuen l’Atlàntic Nord i alimenten les pluges d’hivern de la Península Ibèrica.

Canvis en la mida i en la intensitat de l’Anticicló de les Açores condueixen a desplaçament en els vents dominants i alteren el transport d’humitat cap a Europa. Aquests canvis serien la causa primària de la tendència a l’eixutesa que viu el sud d’Europa i la Península Ibèrica en particular.

En aquest estudi, Cresswell-Clay et al. mostren que l’Anticicló de les Açores ha patit un canvi substancial en el darrer segle, a un nivell sense precedents en el darrer mil·lenni. Mentre la carena d’alta pressió del Pacífic Nord-Occidental tendeix actualment a afeblir-se i a desplaçar-se cap a l’est, les carenes d’alta pressió del Pacífic Nord-Oriental i de l’Atlàntic Nord-Occidental s’intensifiquen. L’Anticicló de les Açores respondria a l’escalfament continental de l’Europa Occidental i d’Àfrica. Això té un impacte arreu de l’Atlàntic Nord. L’Anticicló de Bermuda modula la precipitació al sud-est dels Estats Units a través dels vents sud-orientals que aporten humitat del Golf de Mèxic. La part nord de l’Anticicló de les Açores modula l’oratge d’Europa en interactuar amb els vents occidentals que conformen la pista de tempestes de l’Atlàntic Nord. Els canvis de les darreres dècades han desplaçat cap a latituds més elevades aquesta pista de tempestes, alhora que augmenta la freqüència d’anticiclons en la vora nord de la zona d’altes pressions de les Açores.

Aquests canvis es vinculen a l’Oscil·lació de l’Atlàntic Nord (NAO), un dipol atmosfèric que representa la diferència en la pressió a nivell de mar entre les Açores (zona d’alta pressió) i Islàndia (zona de baixa pressió). Quan la NAO té una fase positiva augmenta la diferència de pressió entre Açores i Islàndia. Quan la NAO té una fase negativa es redueix aquesta diferència.

Al llarg de l’Holocé recent, la NAO ha experimentat variabilitats en l’escala de dècades o segles, amb fases prolongades positives o negatives. Des dels anys 1980 domina la NAO positiva.

L’Àrea d’Alta Pressió de les Açores

Cresswell-Clay et al. introdueixen en aquest article l’àrea d’Alta Pressió de les Açores (AHA) definida com la superfície sobre el sector de l’Atlàntic Nord que tenia una mitjana de pressió durant l’hivern (desembre-febrer) més gran de 0,5 desviacions estàndards que la mitjana a llarg termini. Com a límits longitudinals s’empren els meridians 60ºW i 10ºE, i com a límits latitudinals els paral·lels 10ºN i 52ºN.

Empren dades del model CESM1.1, que cobreix el període de l’any 850 al 2005. L’AHA és estimada a partir d’observacions, productes de reanàlisi i simulacions climàtiques. Per al període 1850-2005, l’AHA té una variabilitat interanual considerable. Hi ha hiverns amb un AHA molt extensa: aquests hiverns extrems són els que centren l’interès de Cresswell-Clay et al. L’expansió d’AHA es fa clara a final del segle XX. En el període del 1980 al 2005, uns 6 hiverns tenien AHA extremes. Això contrasta amb la freqüència del període 1850-2005, quan era de 2,6 hiverns cada 25 anys.

L’anàlisi d’atribució d’aquesta tendència assenyala la concentració de gasos d’efecte hivernacle. Aquests hiverns anticiclònics comporten una menor precipitació en el litoral occidental de la Península Ibèrica.

Lligams:

- Twentieth-century Azores High expansion unprecedented in the past 1,200 years. Nathaniel Cresswell-Clay, Caroline C. Ummenhofer, Diana L. Thatcher, Alan D. Wanamaker, Rhawn F. Denniston, Yemane Asmerom, Victor J. Polyak.Nature Geoscience (2022)

Una plataforma de descoberta d’epítops per identificar la immunitat cel·lular contra el SARS-CoV-2

Immunologia: En l’estudi de la immunitat cel·lular i, particularment en la detecció de respostes immunodominants de cèl·lula T, l’atenció se centra en l’antigen. Per això s’assagen grans pools de pèptids a la recerca d’aquells que desencadenin una activació cel·lular funcional. El laboratori de Paul G. Thomas, del St. Jude Children’s Research Hospital de Memphis (TN), troba que aquesta metodologia requereix massa esforç de treball i massa quantitat de mostra, que augmenta dramàticament com més gran és el peptidoma del patogen d’interès. En un article a Cell Reports Medicine, amb Mikhail V. Pogorelyy, Elisa Rosati i Anastasia A. Minervina de primers autors, es presenta una plataforma inversa. El punt de partida és que els receptors de cèl·lula T (TCR) que reconeixen un mateix epítop sovint tenen seqüències altament semblants. Si hom analitza seqüències del repertori de TCR i hi troba clústers de similitud és molt probable que aquests indiquin les respostes immunodominants. Pogorelyy et al. fan una metaanàlisi de bases de dades de TCR d’individus infectats per SARS-CoV-2 per identificar-hi d’aquesta manera respostes de cèl·lula CD4⁺. Reporten més de 1200 αβTCRs que formen sis clústers de prominència semblant. Han validat les prediccions de restricció d’HLA i d’especificitat d’epítop de cinc clústers a través de línies transgèniques de cèl·lula T. D’aquesta manera alternativa arriben a aconseguir una informació sobre respostes immunodominants de cèl·lula T CD4⁺.

El grup de recerca de Paul G. Thomas ofereix una plataforma d’identificació i validació experimental de respostes de cèl·lula T CD4⁺ a la infecció per SARS-CoV-2. Es basa en la predicció de restricció per antígens leucocitaris humans (HLA) i d’epítops vírics. Aquesta marc d descoberta d’epítops, inversa al procés habitual, es pot aplicar també a altres malalties infeccioses

De la seqüència de TCR a l’epítop

Aquesta recerca fou concebuda per Elisa Rosati (de l’Institut de Biologia Molecular Clínica i de l’Institut d’Immunologia de la Universitat Christian-Albrecht de Kiel), Mikhail V. Pogorelyy (del Department of Immunology del St. Jude Children’s Research Hospital, de Memphis, Tennessee) i Anastasia A. Minervina (St. Jude). L’anàlisi fou a càrrec de Rosati, Pogorelyy, Minervina i Robert C. Mettelman (St. Jude). Els gràfics han estat realitzats per Minervina i Rosati. Paul G. Thomas, Petra Bacher (Kiel), Alexander Scheffold (Kiel) i Andre Franke (Kiel) hi aportaren recursos a través dels seus projectes amb la Fundació de Recerca Alemanya, del Land de Schleswig-Holstein i NRSA-NIAID. Bacher i Thomas feien la supervisió i coordinació. El primer esborrany fou redactat per Rosati, Pogorelyy i Minervina. Tots els autors participaren en el redactat final que fou tramès a Cell Reports Medicine el 18 de novembre del 2021. Després d’una revisió completada el 8 de maig del 2022, l’article fou acceptat el 24 de juny, i publicat l’1 de juliol.

En la recerca immunològica sobre la covid-19 l’accent s’ha posat sobre els anticossos produïts pels limfòcits B, és a dir sobre la immunitat humoral. No obstant, també hi ha un gran esforç per la immunitat cel·lular, és a dir la mitjançada directament per limfòcits T. L’especificitat dels limfòcits T ve condicionada pel seu receptor TCR. Així doncs, la caracterització dels repertoris de TCR de les cèl·lules T activades després de la infecció per SARS-CoV-2 o de l’administració d’un vaccí anti-covid-19 forneix informació sobre aquesta immunitat cel·lular.

El TCR és un heterodímer de cadenes alfa i beta. Gràcies a un procés de recombinació semi-aleatori cada individu genera un repertori únic de TCR. Les tècniques de seqüenciació fan possible accedir directament a aquest repertori. El repertori de TCR depèn dels antígens que l’individu es va trobant al llarg de la vida. Els epítops immunodominants d’aquests antígens estimulen grans expansions colonials de cèl·lules T que, en principi, disposaran de seqüències de TCR altament semblants. L’anàlisi de seqüències de repertoris de TCR poden així, doncs, evidenciar allò de comú i allò de diferent que tenen les persones exposades davant d’un mateix antigen.

Existeixen dues aproximacions per identificar repertoris de TCR. La primera aplica mètodes de seqüenciació a l’engròs, que mesures quantitativament les freqüències de grans nombres de clonotips desaparellats de cadenes alfa i beta de TCR. La segona fa la seqüenciació sobre cèl·lules T individuals. Ara bé, cal no oblidar que, fins i tot quan hom es troba en el pic de la resposta immune de la infecció per SARS-CoV-2, tan sols una petita fracció de les cèl·lules T perifèriques reconeix epítops virals de SARS-CoV-2. Per encarar aquest problema s’aplica una etapa prèvia d’enriquiment basada en peptidoteques. En el cas del SARS-CoV-2, una peptidoteca que reflecteixi tot el peptidoma víric ja és força feixuga.

Pogorelyy et al. proposen una tècnica de descoberta inversa d’epítops. Per comptes de fer triatges sobre un gran nombre de pèptids, utilitzen bases de dades de repertori de TCR. Aquesta aproximació TCRòmica els permet identificar respostes immunodominant sense biaixos previs. A través d’una meta-anàlisi exhaustiva de TCR de bases de dades identifiquen més de 1200 TCR altament reactives amb el SARS-CoV-2. Com que d’aquestes 1200 seqüències tenen una informació completa de les cadenes alfa i beta, poden inferir la corresponent restricció d’HLA. La interacció TCR-HLA, és a dir entre el receptor de cèl·lula T i els complexos de presentació d’antigen dels teixits, condiciona la resposta immune. La plataforma resultant permet d’identificar motius de TCR prominents, predir-ne l’especificitat antigènica i validar la predicció experimentalment a través de línies transgèniques de cèl·lula T.

Els resultats de la meta-anàlisi

El primer grup de base de dades procedeix de 59 individus, 49 positius per la covid-19 i 10 controls sans que ni foren exposats al virus ni al vaccí corresponent. D’aquests 59 individus hi ha bases de dades unicel·lulars de limfòcits T CD4⁺ amb una metodologia basada en la sobreexpressió de CD154⁺ després de l’estimulació d’un pool de pèptids.

El segon grup de base de dades inclou dades de la cadena beta de TCR de poblacions de cèl·lula T de 786 mostres sanes pre-pandèmiques i de 1.414 pacients de covid-19.

El tercer grup de base de dades procedia de participants d’un estudi als qui s’extragueren mostres abans i després de la immunització amb el vaccí ChAdOx1 d’AstraZeneca.

D’aquestes bases de dades seleccionaren, després d’un control de qualitat, 125.258 cèl·lules. Aquestes cèl·lules s’agrupaven en 13 clústers funcionals:
- el clúster 1-2 es corresponia a cèl·lules T fol·liculars auxiliars (Tfh).
- el clúster 3 a cèl·lules T auxiliars de tipus 1 (Th1).
- el clúster 4 a cèl·lules Tfh transicional i de T de memòria central (Tcm).
- el clúster 5 a cèl·lules Tcm plenament diferenciades.
- els clústers 6-7 a fenotips Th17.
- el clúster 8 a cèl·lules T de memòria efectora (Tem).
- els clústers 9-10 a cèl·lules T de signatura d’interferó de tipus I.
- els clústers 11-12 de cèl·lules T citotòxiques.
- el clúster 13 de cèl·lules T cicladores.

En pacients de covid-19 s’observa un enriquiment de la fracció de cèl·lules Tfh, particularment en els casos de malaltia severa. En la covid-19 severa també hi ha una major expressió de marcadors citotòxics (CCL3, CCL4, CCL5, XCL1, XCL2, GZMB i GNLY).

Pogorelyy et al. identifiquen 1248 αβTCRs compartits entre individus que es troben fortament enriquits en pacients de covid-19 respecte dels controls. També identifiquen 594 αβTCRs que eren enriquits en els controls respecte dels pacients de covid-19, cosa que Pogorelyy et al. atribueixen a la limfopènia associada a la covid-19.

Els 1248 αβTCRs enriquits en la covid-19 es concentraven en les cèl·lules Tfh. Els 594 αβTCRs empobrits en la covid-19 es concentraven en cèl·lules Tem.

Pogorelyy creuen les dades de seqüència de βTCR amb les de HLA i MCH de classe II. Alhora, analitzen l’especificitat reactiva sobre pèptids de SARS-CoV-2. Els clústers de seqüències de TCR solen compartir l’especificitat peptídica.

La validació en vaccinats amb el vaccí d’AstraZeneca

A 28 dies de la vaccinació amb ChAdOx1, hi ha un enriquiment exclusiu de seqüències de βTCR reactives contra antígens de la proteïna S de SARS-CoV-2. Això és esperable, car aquest vaccí només incorpora aquesta proteïna de SARS-CoV-2.

La validació en cèl·lules Jurkat

Les cèl·lules Jurkat nul·les per a TCR poden incorporar per transducció constructes de TCR. Pogorelyy et al. ho fan sobre seqüències de TCR representatives de cinc dels sis clústers de TCR més grans. Les línies cel·lulars individuals Jurkat-TCR són co-cultivades amb cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (PBMCs, majoritàriament limfòcits) de donadors sans portadors de la restricció d’HLA predita per tal d’unir i presentar els epítops peptídics. En aquests co-cultius, Pogorelyy et al. introdueixen pèptids de 17 aminoàcids: l’activació de les cèl·lules Jurkat es pot seguir a través del sistema NFAT-GFP que porten incorporades.

Els resultats indiquen la utilitat de l’ús del repertori de cèl·lula T i de l’especificitat individual per predir la unió d’antigen fins a arribar a una resolució d’epítop únic. Aquesta aproximació depèn de la disponibilitat de bases de dades però comporta un estalvi respecte de les plataformes focalitzades en les seqüències peptídiques del patogen.

Lligams:

- Resolving SARS-CoV-2 CD4+ T cell specificity via reverse epitope discovery. Mikhail V. Pogorelyy, Elisa Rosati, Anastasia A. Minervina, Robert C. Mettelman, Alexander Scheffold, Andre Franke, Petra Bacher, Paul G. Thomas. Cell Reports Medicine (2022).