Les portes d’entrada de virus en epitelis bovins visualitzades amb PixF

Histologia: El grup de recerca de Ratul Chowdhury i Rahul Kumar Nelli del College of Veterinary Medicine de la Iowa State University treballa, entre d’altres coses, en virus que afecten la cabana bovina. Ning-Chieh Twu, del mateix grup, és interessat en les interaccions virus-hoste. Com a model en les seves investigacions empren el virus de la grip A, tenint en ment els brots recents de grip aviària H5N1 d’alta patogenicitat que hi ha hagut en granges bovines dels Estats Units. També treballen amb el coronavirus SARS-CoV-2, també reportat en granges bovines. Twu et al. publiquen aquesta setmana a Scientific Reports un estudi que investiga la distribució espacial de receptors d’aquests virus en teixits bovins emprant PixF. PixF és una eina d’anàlisi d’imatges. L’apliquen sobre teixits respiratoris (tràquea i pulmó) i digestius (intestí prim i intestí gros) de bous creuats Holstein-Angus. Amb una tinció histoquímica de lectina amb receptors d’àcid siàlic α2,6-Gal (del saüc Sambucus nigra) i α2,3-Gal (de Maackia amurensis) identifiquen receptors del virus de la grip. Amb immunofluorescència indirecta detecten ACE2. TMPRSS2, APN, DPP4 i CEACAM1, que actuen com a receptors de coronavirus. PixF ofereix un marc de processament d’imatge per a quantificar i mapar l’expressió de receptors. Així, Twu et al. troben un predomini de receptors SA α2,3-Gal en regions epitelials, mentre que els receptors SA α2,6-Gal es troben limitats a teixits glandulars del tracte respiratori. TMPRSS2, APN i DPP4 tenen una alta expressió en l’epiteli de mucoses respiratòries. ACE2, TMPRSS2 i DPP4 tenen una alta expressió en l’epiteli de la mucosa intestinal. CEACAM1 té una baixa expressió general. El més rellevant és que PixF ofereix una informació quantitativa i localitzada de la distribució de receptors virals, essencial per a entendre les interaccions hoste-patogen.

Microfotografies confocals que mostren la distribució de receptors de coronavirus en els tractes respiratori i intestinal de bestiar boví

Receptors virals

Les pandèmies de grip i de malalties coronavirals s’expliquen per l’elevat contagi respiratori en humans d’aquestes infeccions. Molts coronavirus també poden donar lloc a infeccions entèriques, la qual cosa ha estat la base d’epizooties en animals de granja. El concepte d’Una Sola Salut ens recorda permanentment que aquests són virus zoonòtics, que poden mutar i evolucionar ràpidament. Troben reservoris no tan sols en la població humana i en la cabana domèstica, sinó també en la fauna salvatge, terrestre i marina, en mamífers i aus.

Es tracta de virus d’ARN, amb una alta taxa de mutació que s’explica pel procés de replicació genòmica. Un aspecte central en el cicle víric és la interacció entre la partícula vírica i la membrana de cèl·lules susceptibles d’infecció. Els virus de la grip empren com a receptors els àcids siàlics (SA) tant en l’adhesió inicial a la cèl·lula com en l’entrada ulterior.

Els virus de la grip A d’origen aviari s’uneixen preferentment a receptors d’àcid siàlic enllaçats a galactosa per un enllaç α2,3 (SA α2,3-Gal). En pollastres, concretament, la preferència és per a SA α2,3-Gal-β (1–4) N-acetilglucosamina (GlcNAc). En ànecs, en canvi, la preferència és per a SA α2,3-Gal-β (1–3) N-acetilgalactosamina (GalNAc).

Els virus de la grip A d’origen humà o porcí s’uneixen preferentment a receptors SA amb un enllaç α2,6-galactosa (SA α2,6-Gal).

Val a dir que els àcids siàlics també funcionen com a receptors o co-receptors potencials d’altres famílies de virus, com els Coronaviridae, els Paramyxoviridae, els Flaviviridae, els Picornaviridae, els Reoviridae, els Parvoviridae, els Adenoviridae, els Papillomaviridae, els Polyomaviridae, els Caliciviridae, etc.

Els coronavirus, a banda de l’àcid siàlic, empren diversos receptors cel·lulars, com l’ACE2 (enzim convertasa 2 de l’angiotensina), APN (aminopeptidasa N), CEACAM1 o DPP4 (dipeptidil-peptidasa 4). La interacció amb aquests receptors és cabdal per determinar el rang potencial d’espècies on pot circular cada coronavirus. Per això tenen gran interès les tècniques de tinció i imatge que posen de manifest la distribució d’aquests receptors virals en cèl·lules i teixits de l’hoste. La tinció dual amb tints fluorescents pot ajudar a fer anàlisis de co-expressió. La microscòpia confocal forneix resolucions d’imatge per a aquests senyals fluorescents (habitualment d’emissió verda i vermella). L’anàlisi píxel a píxel pot identificar els casos de veritable co-localització dels dos senyals.

Twu et al. han desenvolupat una eina d’anàlisi de fluorescència basada en píxels per a una ràpida caracterització d’imatges. L’anomenen ‘PixF’, i amb ella mesuren la intensitat espacial de l’emissió vermella i verda de cada punt de la imatge. PixF ofereix una visualització en tres dimensions, on els eixos x i y representen el pla del tall histològic i z és el valor d’intensitat absoluta de la fluorescència.

Twu et al. són conscients que PixF no és capaç de suplir tota la funcionalitat de plataformes com ImageJ, CellProfiler o Imaris. L’objectiu de PixF és la velocitat i l’accessibilitat que pot oferir en segons sobre centenars d’imatges.

La plataforma PixF

Twu et al. recolliren mostres de tràquea, pulmó, intestí prim i intestí gros de tres bous de tres anys del creuament Holstein-Angus sacrificats en el Iowa State University Meat Laboratory. Els teixits eren fixats en 10% de formalina neutra tamponada i inclosos en blocs de parafina. Els talls de 4 μm eren transferits a portaobjectes i preparats per a anàlisi.

La tinció amb lectina posa de manifest els àcids siàlics:
- la lectina SNA de Sambucus nigra interactua amb α2,6 SA.
- la lectina MAL-I de Maackia amurensis interactua amb SA α2,3-Gal-β (1–4) GlcNAc.
- la lectina MAL-II de Maackia amurensis interactua amb SA α2,3-Gal-β (1–3) GalNAc.
Prèviament els portaobjectes eren desparafinats i blocats amb biotina i streptavidina. Les lectines eren marcades amb isotiocianat de fluoresceïna (FITC).

L’assaig d’immunofluorescència per a la detecció de SA es feia amb un anticòs policlonal anti-Neu5Gc.

L’ús d’anticossos específics marcats amb fluorocrom (immunofluorescència indirecta) posa de manifest receptors de coronavirus.

Els portaobjectes, després de la immunotinció, eren mantinguts en la foscor durant 24 hores, i llavors se’n prenien imatges amb un microscopi confocal.

En l’anàlisi PixF hi havia un pas inicial de definició dels mapes de color que tradueixen la fluorescència a l’escala RGB. Els canals vermell i verd reporten els senyals dels dos fluorocroms emprats, i el canal groc reporta la superposició dels dos senyals.

La distribució de l’àcid siàlic en el tracte respiratori boví

En l’epiteli del tracte respiratori trobem un predomini de receptors SA α2,3-Galβ (1–3). Això el fa potencialment susceptible a virus de la grip aviària. Troben aquests receptors especialment en la membrana apical de cèl·lules de l’epiteli pseudoestratificat ciliat de tràquea i bronquis, però també en bronquiols i alvèols.

Els receptors SA α2,6-Gal es troben relativament confinats en les cèl·lules calciformes (secretores de mucus), en les cèl·lules basals i en les glàndules submucoses. Aquests són els receptors típics de virus de la grip A d’origen mamífer.

La distribució d’àcid siàlic en el tracte intestinal boví

En el tracte intestinal boví hi ha una expressió abundant de receptors SA α2,3-Gal. En canvi, SA α2,6-Gal es troba relativament restringit a la regió subepitelial i a les cèl·lules calciformes.

La distribució de receptors de coronavirus en els tractes respiratori i intestinal

Hi ha una forta expressió d’ACE2 en l’epiteli de la tràquea, dels alvèols i dels budells. És menor aquesta expressió en l’epiteli de bronquis i bronquiols.

TMPRSS2, APN i DPP4 són àmpliament expressats en l’epiteli respiratori, i especialment en els alvèols. En l’epiteli intestinal, TMPRSS2 i DPP4 tenen una expressió uniforme, tant en la regió de les vellositats com en les criptes. CEACAM1 és present en el tracte respiratori però no se’l detecta en el tracte intestinal.

L’aplicació de PixF en predicció virològica

El bestiar boví és susceptible als virus de la grip C i grip D, al coronavirus boví (BCoV) i al SARS-CoV-2. Aquests virus poden produir afectacions respiratòries i gastrointestinals.

L’àcid siàlic és el receptor que permet l’adhesió i entrada del virus de la grip A. Però també són molts altres els virus, bacteris, fongs i paràsits que hi interactuen.

Entre el virus de la grip A es distingeixen habitualment entre els virus d’origen aviar i equí, que tenen una afinitat preferent per SA α2,3-Gal, i els virus d’origen humà i porcí, que tenen una afinitat preferent per SA α2,6-Gal. Els porcs, amb presència simultània dels dos receptors, poden actuar com a reservori de contacte entre els dos tipus de virus de grip A. Ara bé, Twu et al. ens recorden que també en teixits bovins coexisteixen els dos tipus de receptors, la qual cosa fa que també la cabana bovina sigui un lloc potencial de recombinació de virus de grip A d’origen diferent.

Cal recordar, però, que la distribució de receptors cel·lulars varia segons l’edat, sexe, raça i estat de salut de cada animal, i que és alhora específica de teixit. A això hem d’afegir l’efecte del tipus d’anticòs, temps d’incubació i tècnica d’imatge per visualitzar-los.

PixF es troba actualment en l’estadi de versió beta. Té aplicacions potencialment en la patologia i radiologia diagnòstiques. El Laboratori de Chowdhury la posa en forma de pàgina web a disposició d’investigadors i clínics. Confien que també pot ésser una eina d’aprenentatge per als qui s’inicien en l’àmbit de processament de microfotografies d’immunofluorescència.

Lligams:

- Spatial mapping of influenza and coronavirus receptors in the respiratory and intestinal tract epithelium of beef cattle using advanced PixF image analysis. Ning-Chieh Twu, Yee Chuen Teoh, Curwen Pei Hong Tan, Riza Danudoro, Xiaoyi Cheng, Raquel Espin-Palazon, Todd Bell, Luis Giménez-Lirola, Ratul Chowdhury, Rahul Kumar Nelli. Scientific Reports 15: 44029 (2025).

- Pixel Analytics Suite (PixF), de Chowdhurylab.

La predicció de resistència a antimicrobians en mostres bacterianes

Microbiologia: La resistència als agents antimicrobians (AMR) constitueix una amenaça de salut en forma d’infeccions intractables. En general, aquesta resistència és mitjançada per gens, de manera que la seqüenciació genòmica es pot fer servir en la detecció. Les dades de vigilància genòmica de patògens bacterians generen una quantitat ingent de dades de manera que hom confia en aplicacions d’aprenentatge mecànic (ML) per predir i identificar els determinants de la resistència. Yanying Lu, Nicole E. Wheeler i Lars Barquist, però, hi veuen un problema en aquesta aproximació. Malgrat el que ens pugui semblar, les poblacions bacterianes tenen una estructuració elevada, de manera que qualsevol programa de vigilància hauria de fer un esforç per seleccionar-hi mostres representatives. Ara bé, els mostreigs microbiològics tenen un biaix lògic a favor de mostres clíniques, de manera que la vigilància genòmica es fa preferencialment sobre isolats relacionats amb malalties humanes. La ML requereix una independència entre les mostres que aquest biaix fa impossible. En un article a PLos Biology Yu, Wheeler i Barquist posen de relleu l’efecte de confusió derivat de l’estructura mostral que es produeix en una anàlisi de 24.000 seqüències genòmiques completes de cinc tipus de patògens bacterians amb diferents fenotips AMR. La ML en aquest cas confon resistència i filogènia, la qual cosa n’afecta els models predictius resultants. Per a resoldre-ho no n’hi ha prou amb un augment de la mida mostral d’entrenament. Yu et al. analitzen 6740 models per entendre l'efecte derivat d’espècie i de fàrmac antimicrobià. Això mostra la importància d’una perspectiva d’una sola salut en la vigilància genòmica de microorganismes patògens per tal de bastir mètodes representatius de l’estructura poblacional de tots els contextos ecològics on es troben aquests microorganismes.

Electromicrografia de bacils d’Escherichia coli obtinguda per Peter Highton en el 1968

L’aprenentatge mecànic en el seguiment de la resistència a agents antimicrobians

Aquest article ha tingut com a editor acadèmic Tobias Bollenbach (Universitat zu Koln). L’article fou tramès a PLoS Biology el 7 de febrer, i després d’un procés de revisió fou acceptat el 13 de novembre, i publicat el 16 de desembre.

Aquesta recerca ha rebut finançament del Ministeri bavarès de Ciència i Arts i un ajut del NSERC canadenc.

La resistència a fàrmacs antimicrobians (AMR) és al darrera cada any de 4,95 milions de morts, i la perspectiva és que aquesta xifra augmenti. Si l’amenaça creix, es pot arribar a posar en entredit la indicació de teràpies mèdiques avançades que impliquen cirurgia i/o immunosupressió, ja que el risc associat a patògens resistents pot sobrepassar els beneficis d’aquestes teràpies.

Les tècniques microbiològiques clàssiques, com els antibiogrames, han estat complementades en les darreres dècades amb tècniques de seqüenciació que investiguen els gens responsables de les resistències. Aquestes tècniques permeten fer una monitorització de l’aparició i difusió d’AMR. Ara bé, les tècniques de seqüenciació generen un volum tan ingent de dades que calen sistemes automatitzats que transformin les seqüències nucleotídiques en prediccions de perfils de resistències i en identificacions de nous mecanismes de resistència.

L’aprenentatge mecànic (ML), en el marc de l’anomenada intel·ligència artificial, pot fer front a aquestes tasques? Els mètodes clàssics de ML assumeixen que les dades d’entrenament són de distribució independent i idèntica. Ara bé, les mostres de vigilància de patògens rarament poden reflectir l’estructura subjacent de les poblacions bacterianes. En un context epidèmic, els clons bacterians més aptes es difonen més ràpidament. Entre els factors d’aquesta aptitud hi poden haver determinants d’AMR, de forma que pot emergir una associació entre fenotip i marcadors filogenètics no directament involucrats en l’AMR. A més, les mostres analitzades en aquestes campanyes de vigilància presenten tota una sèrie de biaixos: mostres clíniques en detriment de mostres ambientals; mostres de pacients greus en detriment de mostres de la població general; mostres de països rics en detriment de mostres de països subdesenvolupats; etc.

La biologia comparativa i evolutiva ha tractat la qüestió de la dependència filogenètica de gens i trets des de fa més de mig segle. Hom ha desenvolupat eines estatístiques per corregir-ne els efectes. Per exemple, en estudis d’associació genòmica (GWAS) en microorganismes es poden aplicar models d’efecte mixt de correcció de biaixos mostrals.

L’impacte del biaix mostral en la predicció per aprenentatge mecànic de resistències a antimicrobians

Yu et al. han aplegat entre 3204 i 7188 genomes de cadascuna de tres espècies de bacteris gram-negatius i dues espècies de bacteris gram-positius, representatives dels patògens prioritaris de l’OMS:
- Escherichia coli, responsable d’infeccions dels tractes gastrointestinal i urinari.
- Klebsiella pneumoniae, responsable d’infeccions oportunistes.
- Salmonella enterica, responsable d’infeccions gastrointestinals.
- Staphylococcus aureus, membre de la microbiota cutània i responsable d’infeccions oportunistes.
- Streptococcus pneumoniae, principal responsable de la pneumònia nosocomial.

Aquesta base de dades inclou fenotips de resistència per a 27 antibiòtics.

Yu et al. exclouen les combinacions antibiòtic-microorganisme amb menys de 1000 genomes. També són excloses les soques resistents o susceptibles que abasten més del 80% de les dades. Així tenen un nombre mitjà de genomes de 2700, amb un 44% de soques resistents.

Per a cada espècie construeixen un alineament genòmic amb posicions Roary. Amb SNP (polimorfismes mononucleotídics) identifiquen les posicions variables en l’alineament.

Com model representatiu ML, Yu et al. seleccionaren LightGBM, que consisteix en un mètode d’arbre de decisió estimulat per gradient.

Amb IQ-Tree identifiquen clades discrets per a cadascuna de les cinc espècies bacterianes. Coincideixen amb els tipus de seqüència establerts en la literatura. Amb l’estructura de clade poden simular biaixos en els casos d’entrenament patològic, en quatre escenaris:
- escenari a: exclusió d’isolats resistents en les dades d’entrenament del clade de prova.
- escenari b: exclusió d’isolats susceptibles.
- escenari c: exclusió de soques susceptibles d’un altre clade.
- escenari d: exclusió de soques resistents d’un altre clade.

L’exclusió de soques resistents, com era previsible, condueix a una manca de precisió, i a una insuficiència en detecció d’AMR. L’exclusió de soques susceptibles condueix al biaix contrari. Yu et al. consideren que els models de ML prenen marcadors de llinatge com a indicadors d’AMR.

L’ampliació de les dades d’entrenament a tots els clades no resol el biaix d’excloure de la mostra isolats resistents o susceptibles, però sí que l’atenua.

La predictivitat de la resistència antimicrobiana varia segons l’antibiòtic i l’espècie.

Quan l’entrenament es fa amb dades d’espècies gramnegatives, la capacitat de predicció dels models és inferior que quan es fa amb espècies grampositives. Yu et al. ho atribueixen a la membrana exterior de les cèl·lules bacterianes gramnegatives.

De manera semblant, la predicció de resistències a la fluoroquinolona varia segons l’espècie.

En el cas de la resistència a la ciprofloxacina, la capacitat de predicció és influïda per la diversitat de gens que hi ha al darrere. El gen parC és responsable de la resistència a la ciprofloxacina de la majoria de clades resistents d’E. coli i S. aureus. El gen gyrA només apareix com a responsable de la resistència a la ciprofloxacina en un sol clade de S. aureus. En altres clades de E. coli i S. entèrica la resistència a la ciprofloxacina és mitjançada pel gen kdgR (un regulador transcripcional), mobB (gen de mobilització), qorA (quinona-oxidoreductasa) o gens codificadors de proteïnes hipotètiques sense funció definida.

Una de les dificultats per a ML és que l’AMR és mitjançada per un gran nombre de variants gèniques, de manera que són rars els predictors forts. En aquest context és fàcil prendre com a indicadors genuïns d’AMR marcadors associats a llinatges que no hi tenen res a veure.

Hem de llençar la tovallola?

Un sistema ML d’AMR té dues aplicacions potencials:
- predicció de resistència d’una soca que ha estat detectada.
- identificació de variants genètiques que causen resistència.

Quan totes les soques d’un mateix llinatge microbià comparteixen resistència a un antibiòtic, la confusió de marcadors de llinatge amb resistència per part d’un ML pot no afectar la seva capacitat de predicció en un context de vigilància microbiana. Ara bé, aquest no sempre és el cas, i quan ho és, la confusió dificulta la identificació de la base molecular de la resistència.

Algoritmes de ML amb capacitat de percebre les relacions de llinatge tindrien una major capacitat per tractar amb l’estructura jeràrquica de les poblacions bacterianes. També hi pot ajudar la incorporació de senyals evolutives com la conservació filogenètica de seqüències. Yu et al. pensen de tota manera que un sistema de vigilància ha d’incorporar mostres clíniques i ambientals representatives. Això passa per incorporar-hi els països de renda mitjana i baixa. També cal que els sistemes de vigilància tinguin una continuïtat en el temps, més enllà dels moments de brots epidèmics.

Lligams:

- Biased sampling driven by bacterial population structure confounds machine learning prediction of antimicrobial resistance. Yanying Yu, Nicole E. Wheeler, Lars Barquist. PLOS Biology (2025).

- BarquistLab/AMR_prediction, on podem consultar el codi utilitzat.

Les acceleracions no-gravitacionals del cometa interestel·lar 3I/ATLAS

Astrometria: El passat 29 d’octubre el cometa interestel·lar 3I/ATLAS va fer el pas pel periheli, quedant a una distància de 1,4 UA del Sol. Aquesta setmana 3I/ATLAS farà la màxima aproximació a la Terra, a una distància de 1,8 UA. L’objecte ha pogut ésser estudiat des de la Terra i des de diferents cosmonaus. T. Marshall Eubanks et al. publiquen un article a Research Notes of the ASS en el que ens venen a dir que la trajectòria d’aquest cometa entra dins del rang típic. Ho fan a partir de sis observacions de dues cosmonaus interplanetàries. Recordem que 3I/ATLAS, com el seu nom indica, és el tercer objecte interestel·lar conegut. Com passa amb qualsevol objecte astronòmic en la seva trajectòria hi participen les interaccions gravitatòries i fenòmens no-gravitatoris. L’ús d’observacions terrestres des de maig a desembre serien prou suficients per donar-nos una idea de les primeres, però per descriure l’acceleració no-gravitacional amb prou precisió resulten fonamentals les observacions realitzades per cosmonaus allunyades de la Terra. Eubanks et al. redueixen d’aquesta manera els errors formals d’aquests paràmetres en un 20-40%. L’acceleració no-gravitacional juga un paper significatiu en la trajectòria de 3I/ATLAS, amb una magnitud vectorial a 1 UA de 89,3±4.6·10^-9 UA·dia^-2 i una diferència temporal (ΔT) de -34,60±2,62 dies. Aquesta acceleració no-gravitatòria fa un pic un mes abans del periheli. Eubanks et al. estimen així que la massa de 3I/ATLAS és de 44 milions de tones a principi d’agost del 2025, la qual cosa equivaldria a un radi de nucli dominat per neu carbònica (CO₂) de 374 m.

J. Miller & M. Rodriguez (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab), T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani (NSF NOIRLab) van aconseguir aquesta imatge de 3I/ATLAS el 26 de novembre amb el telescopi Gemini North, de Hawaii

3I/ATLAS, un objecte interestel·lar

La determinació de l’òrbita d’objectes interestel·lars (ISO) ens informa del seu origen, de la seva cinemàtica i de les seves propietats nuclears. L’acceleració n’és el paràmetre clau. En l’actualitat la determinació de l’òrbita d’ISOs no depèn exclusivament d’observacions preses a la superfície de la Terra o en l’òrbita baixa terrestre, sinó que també hem de recórrer a les sondes interplanetàries que segueixen òrbites heliocèntriques.

L’acceleració no-gravitacional

Els cometes es defineixen per una activitat consistent en l’emissió de gasos (CO, CO₂, H₂O) per sublimació que, juntament, amb partícules de pols, integren la coma o cabellera, i la cua, i poden acabar formant eixams de meteors. Aquest procés de pèrdua de material del nucli cometari pot provocar acceleracions de la trajectòria que no obeeixen a les interaccions gravitatòries. L’acceleració no-gravitatòria d’un cometa es pot modelar amb paràmetres constants i un terme escalant g(r) que depèn de la distància heliocèntrica r(t), assumint que g(1 UA) = 1. Els paràmetres que cal resoldre són Ai, on i = 1, 2, 3 fan referència a les acceleracions radial, transversal i perpendicular respecte del pla orbital.

La coma de 3I/ATLAS es troba dominada pel diòxid de carboni (CO₂), i cal pensar que aquest és el material predominant del nucli. Això fa pensar que g(r) seria propera a l’invers del quadrat de la distància heliocèntrica (1/r²). El valor de ΔT dependria de g(r(t)), de manera que g’(r(t)) = g(r(t+ΔT). El pic d’emissions de gasos tindria lloc al voltant del periheli, abans o després segons quin sigui el signe de ΔT.

En el cas de 1I/’Oumuamua, hom disposa de 111 observacions preses entre el 18 d’octubre del 2017 i el 2 de gener del 2018. El cas de 2I/Borisov hom disposa de 2117 observacions preses entre el 17 de març del 2019 i el 28 d’abril del 2020.

Per a 3I/ATLAS hom disposa de 4836 observacions entre el 8 de maig del 2025 i l’1 de desembre. Eubanks et al. empren 4194 observacions per fer les seves estimacions. El conjunt E d’observacions inclou totes les dades òptiques preses per observatoris terrestres així com astrometries dels satèl·lits TESS i HST (Telescopi Hubble). El conjunt P afegeix a E dos observacions per la sonda Psyche, realitzades el 8 de setembre i el 29 d’octubre. El conjunt TGO afegeix a E quatre observacions del Trace Gas Orbiter fetes el 3 d’octubre.

L’estimació de la massa de 3I/ATLAS

Com que hi ha acceleració no-gravitacional significativa, Eubanks et al. s’animen a fer una estimació de la massa de 3I/ATLAS a partir de la fórmula:
Ma = (dM/dt)·v.
a és la magnitud de l’acceleració no-gravitacional. dM/dt és la taxa total de pèrdua de massa degut a l’emissió de gasos. v és la velocitat d’aquests gasos.

La velocitat v dels gasos emesos depèn de la massa molecular d’aquests gasos:
v=ζ(8kT/πm)^1/2.
on k és la constant de Boltzmann, T és la temperatura, m és la massa molecular (7,38·10^-26 en el cas del CO₂) i ζ és una constant 0,5-0,6.
de forma que v seria aproximadament de 155 m·s^-1.

Les observacions del JWST de principi d’agost oferien un valor de dM/dt de 150 kg·s^-1 quan el cometa es trobava a 3,3 UA del Sol. A 1,8 UA, el 24 de setembre, el valor d’a era de 8,9·10^-9 UA·dia^-2.

Així la massa de 3I/ATLAS seria de 4,4·10¹⁰ kg (44 milions de tones mètriques). Si assumim que el nucli cometari té una densitat entre 200 i 600 kg·m^-3, el radi seria entre 260 i 374 metres.

La natura de 3I/ATLAS

El radi del nucli cometari 3I/ATLAS es trobaria entre 260 i 374 metres. L’estimació del nucli cometari 2I/Borisov era entre 200 i 500 metres.

L’astrometria indica que 3I/ATLAS pateix una acceleració no-gravitacional en els tres components (radial, transversal i perpendicular). Hi ha un desplaçament significatiu en el pic d’acceleració respecte del periheli. Eubanks et al. confien que l’addició de cinc conjunts de dades d’altres sondes interplanetàries afinarà una mica més l’estimació de massa i de radi.

Lligams:

- Astrometry with Interplanetary Spacecraft: Determination of the Non-gravitational Accelerations of the Interstellar Object 3I/ATLAS. T. Marshall Eubanks, Adam Hibberd, Bruce G. Bills, W. Paul Blase, Andreas M. Hein, Robert G. Kennedy III, Adrien Coffinet, Pierre Kervella. Research Notes of the AAS 9: 329 (2025).

‘Halobacteriovorax’ HE7 contra ‘Salmonella’ multiresistent

Microbiologia: Quan pensem en alternatives en antibiòtics se sol fer referència als bacteriòfags. Ara fa un parell de setmanes parlàvem de la potencialitat d’utilitzar bacteriòfags contra les formes multiresistents d’Edwardsiella tarda que infecten piscifactories de panga. Però des de principi dels anys 1960 es coneixen bacteris depredadors que podrien fer un servei semblant. La tecnòloga alimentària i dietista Stefania Di Lullo, de l’Istituto Zooprofilattico dell’Umbria e delle Marche, ha liderat una recerca en bacteris depredadors que ha conduït a l’isolament d’una soca de Halobacteriovorax en mostres d’aigua d’estuari amb l’ús d’una soca d’Escherichia coli que produeix beta-lactamases CTX-M d’ampli espectre com a presa. Aquesta recerca respon a una idea promoguda per l’Agència Europea del Medicament (EMA) i per l’Autoritat Europea de la Seguretat Alimentària (EFSA), desitjoses de trobar alternatives per al combat de patògens resistents a agents antimicrobians. Les CTX-M són un exemple d’enzims que confereixen resistències a la penicil·lina i a altres antibiòtics beta-lactàmics. En un article publicat precisament a la revista Antibiotics, Di Lullo expliquen els resultats de la seva investigació sobre la capacitat depredadora d’aquesta soca contra soques multi-resistents d’E. coli i Salmonella. Han designat la soca com a HE7, i n’identificaren l’espècie per anàlisi de 16S rRNA. L’aïllament el van fer per la tècnica de placa d’agar de doble capa. HE7 té activitat depredadora in vitro contra totes les soques multi-resistents que han assajat. Quan la ratió és de 10000:1 en favor del depredador l’anihilació de la presa és total en 6 hores. L’efecte es manté fins i tot quan la relació depredador:presa és de 1:1, amb la supervivència d’una milionèsima de les preses. Aquests efectes es mantenen fins a 24 hores.

Di Lullo et al. han estudiat l’acció d’una nova soca d’Halobacteriovorax sobre ‘Escherichia coli’ (A) i ‘Salmonella’ (B). En A I i B I veiem les plaques control on aquests enterobacteris han crescut fins a la confluència. En II i III veiem les zones de lisi que en aquesta confluència genera l’acció d’Halobacteriovorax.

Els BALOs com a bacteris depredadors

Farà aviat cent anys que investigadors com Clodomiro Picado o Alexander Flemming s’adonaren que determinats fongs són capaços d’inhibir el creixement de certs bacteris. Picado investigà l’aplicació de ‘vaccins fúngics’ en malalties causades per bacteris, i Flemming aconseguiria aïllar el principi actiu de l’acció antibacteriana del Penicillium. La penicil·lina es convertiria en la primera de tota una sèrie de substàncies que van rebre el nom d’antibiòtics.

L’efectivitat dels antibiòtics aviat es convertí en un parany. Els Lederberg ja van mostrar que en una població bacteriana susceptible a un antibiòtic hi ha una petita fracció que bacteris que en són resistents. Així, un ús excessiu o inapropiat d’antibiòtics en medicina, en agricultura, en ramaderia o en altres activitats econòmiques acaba per facilitar la selecció positiva de patògens resistents a aquests mateixos agents antimicrobians. Alguns són, de fet, multi-resistents, en el sentit que poden escapar a l’acció de diferents agents antimicrobians.

L’Organització Mundial de la Salut ha enumerar la llista de patògens resistents que constitueixen un perill per a la salut humana, particularment en el context d’infeccions nosocomials. En la llista tenen un protagonisme els bacteris granmengatius. La paret cel·lular dels bacteris gramnegatius els fa, en principi, susceptibles a l’acció de cefalosporines, penicil·lines i altres agents beta-lactàmics. Ara bé, hi ha una porció de bacteris gramnegatius que són capaços d’expressar enzims beta-lactamases que poden hidrolitzar aquests agents. Especialment preocupants són les beta-lactamases d’ampli espectre (ESBL). Entre les ESBL més freqüents hi ha les codificades pels gens blaCTX-M. Aquests gens poden trobar-se en elements mòbils com ara transposons i integrons, i amb aquests vectors poden entrar en els microbiomes animals i humans.

Una de les alternatives contemplades per a aquests bacteris multi-resistents són els bacteris depredadors, com ara Bdellovibrio i organismes semblants (BALOs). Els BALOs són bacteris aeròbics gramnegatius, que depreden selectivament altres bacteris gramnegatius. Bdellovibrio vol dir literalment ‘sangonera de vibrions’.

Entre els elements que indiquen el potencial dels BALOs hi ha l’ampli espectre d’activitat, l’absència de gens de resistència a antimicrobians (AMR), l’alta capacitat de penetrar en biofilms i l’aparent absència de resistència específica contra ells.

Entre els BALOs hi ha Alphaproteobacteria (Micavibrio) i Deltaproteobacteria (Bdellovibrionaceae, Peredibacteraceae, Bacteriovoracaceae, Pseudobacteriovoracaceae i Halobacteriovoraceae). Els halobacteriovoracis són bacteris d’aigua salada, principalment de mars i oceans, però també d’estuaris salobrosos o de llacs hipersalins.

El grup de recerca de Stefania Di Lullo, Silvia Pieralisi, Giulia Talevi, Gabriele Angelico, Maira Napoleoni, Claudia Gabucci o Donatella Ottaviani, de ISZ Togo Rosati de Perugia, ha isolat anteriorment soques d’Halobacteriovorax que poden depredar bacteris halofílics com Vibrio però també no-halofílics com E. coli i Salmonella.

L’estuari del riu Musone

El juliol del 2024, Di Lullo et al. realitzaren dos mostrejos d’aigües de l’estuari del riu Musone, en el sud-est del Parc Natural de Monte Cornero, en el litoral Adriàtic situat entre Numana i Porto Recanati. En cada mostreig es collien dos litres d’aigua abocades a ampolles estèrils de polipropilè. Amb una sonda Handy Gamma es mesurava in situ la temperatura de l’aigua i la salinitat, que foren de 23 °C i 26 ppt. Les ampolles eren ficades en un refrigerador i transportades al laboratori en menys de quatre hores.

El laboratori

Les preses investigades en aquest estudi procedien de les col·leccions bacterianes del Laboratori Nacional de Referència de contaminació de mol·luscs bivalves i del Centre Enteropatogènc Regional de l’ISZ dell’Umbria e delle Marche.

Com a presa primària se seleccionà una soca d’E. coli productora de CTX-M, sota la denominació d’E7. Les preses eren criades en un brou BHI fins a arribar a una densitat òptica de 0,8 en 600 nm, que es correspon a 10⁸ unitats formadores de colònies per mL.

La tècnica de placa d’agar en doble capa s’aplicava sobre 500 mL d’aigua filtrada per una mida de porus de 0,45 μm. En aquesta tècnica primer es deixa solidificar la capa de sota, i es manté l’agar líquid damunt a 48 °C, on es fa l’inòcul. Després es deixa solidificar la capa superior a 26 °C.

L’acció del bacteri depredador es manifesta en forma de plaques de lisi sobre la confluència del bacteri depredat. Aquestes plaques eren les mostres utilitzades, un cop resuspeses, en l’assaig de PCR. En aquesta PCR s’empraven els encebadors Bac676F i Bac1442R. L’amplicó era seqüenciat, i la seqüència assajada en els bancs de dades genòmiques.

La soca HE7

De les dues mostres d’aigua assajades una era positiva per a la presència d’Halobacteriovorax contra E7. Al cap de 24 hores ja eren visibles plaques sobre el creixement de la presa primària, amb una diàmetre de 3 mm.

La PCR confirmà que en les plaques de lisi hi havia Halobacteriovorax. La soca rebé la denominació d’HE7, i l’amplicó fou registrat a GenBank com a PV613536.

HE7 era capaç de lisar E. coli E3, Salmonella S3 i Salmonella S9. Per a E3 les plaques de lisi eren visibles al cap de 24 hores, amb un diàmetre de 3 mm. Per a S3 i S9 el diàmetre era inferior, d’1 mm, indicatiu d’una menor capacitat depredadora.

Quan HE7 és co-cultivada amb E7 amb una ratio igual de 10⁷ PFU/CFU, el depredador augmenta en un 30% al cap de 3 hores i assoleix llavors una població constant. La presa es veu reduïda en 5,4 ordres de magnitud en les primeres 6 hores, i aquesta minsa població esdevé constant.

Quan la ratio és de 10⁷PFU contra 10³CFU (10000 depredadors contra 1 presa), les preses queden limitades fins a 8,6 ordres de magnitud entre 3 i 24 hores.

Aplicacions potencials d’Halobacteriovorax HE7

Aquesta mena de bacteris depredadors no tenen tan sols un interès mèdic, sinó que també podrien trobar aplicacions en la indústria alimentària, el control, l’aqüicultura i el tractament d’aigües residuals. Que el bacteri depredador en qüestió sigui halotolerant amplia la tipologia de nínxols on pot créixer. HE7, segons aquests experiments, es capaç a més de créixer en condicions microaeròfiles i anaeròbiques. Més qüestionable és la seva aplicació com a probiòtic, ja que queda per veure si resistiria el pas per l’ambient àcid de l’estomac.

De moment a l’ISZ ja han començat a comprovar si HE7 és capaç d’eliminar E. coli i Salmonella resistents a antimicrobians en entorns de processament i emmagatzematge d’aliments. Di Lullo conclouen amb una referència a la perspectiva de l’ecologia microbiana. Els enterobacteris segueixen un cicle de transmissió fecal-oral que connecta el reservori present en l’intestí humà amb ambients marins i terrestres. És sobretot en aquest segon reservori on poden topar amb aquests ‘vampirs’ bacterians que són els BALOs.

Lligams:

- Novel Isolate of Halobacteriovorax Capable of Killing Multi-Drug-Resistant Escherichia coli and Salmonella. Stefania Di Lullo, Silvia Pieralisi, Giulia Talevi, Gabriele Angelico, Elena Rocchegiani, Francesca Leoni, Maira Napoleoni,Diego Maiolatesi, Francesca Barchiesi, Sara Nardi, Annalisa Petruzzelli, Claudia Gabucci, Angela Conti, Gianluigi Cardinali, Donatella Ottaviani. Antibiotics 14: 1133 (2025).

La indústria lítica pliocènica del jaciment de Namorotukunan

Arqueologia: David R. Braun és professor d’antropologia al Columbian College of Arts & Sciences. Dan Palcu és un geòleg de la Universitat d’Utrecht especialitzat en l’aplicació del paleomagnetisme en les reconstruccions paleoambientals. Els dos són els autors primers i corresponsals d’un article aparegut ahir a Nature Communications sobre els treballs realitzats al jaciment de Namorotukunan, en la Conca del Llac Turkana, a Kènia. Aquest jaciment, recentment descobert, constitueix, en paraules de Braun et al., ‘una finestra a les adaptacions comportamentuals hominines’. Efectivament, ens retrotrau a la situació de fa 2,75 milions d’anys, quan la Conca de Turkana experimentava canvis ambientals que n’augmentaven l’aridesa i la variabilitat meteorològica. Namorotukunan es troba entremig del Tulu Bor i del Burgi de la Formació Koobi Fora del Districte de Marsabit. Representa una època no gaire ben conservada en el registre fòssil com a conseqüència de fenòmens erosius. El més notable és haver-hi trobat peces de tecnologia olduvaiana, que serien les més antigues de Koobi Fora. Cal afegir-lo a la migrada llista de jaciments olduvaians de més de 2,6 milions d’anys d’antiguitat. Les peces trobades a Namorotukunan es correspondrien a un període de 300.000 anys (fa 2,75-2,44 milions d’anys), i segons Braun et al. són un testimoni d’estabilitat tecnològica i continuïtat comportamentual. Les poblacions humanes presents feien una selecció sistemàtica dels tipus de roca que treballaven.

El jaciment de Namorotukunan posa de manifest com la tecnologia lítica del primer Olduvaià resistí durant els canvis ambientals del Pliocè en la Conca de Turkana

La primera indústria lítica

L’ésser humà ha aconseguit colonitzar gairebé tots els ecosistemes terrestres gràcies a una sinergia entre l’evolució biològica i l’evolució tecnològica. Ja en els sediments Plio-Pleistocènics els arqueòlegs han trobat artefactes lítics que són testimonis d’aquesta tecnologia humana. Els més antics es corresponen a un període de fa 2,9-2,6 milions d’anys, i hom els ha descrit en quatre localitats de l’Àfrica Oriental.

Una d’aquestes localitats és el jaciment arqueològic de Namorotukunan, que rep el codi FwJj52 dels Museus Nacionals de Kènia o d’Àrea de Col·lecció Paleontològica 40. Es troba al nord-est de la Conca de Turkana, dins de la Formació Koobi Fora. Els artefactes de pedra trobats es corresponen a horitzons datats amb antiguitats de 2,75, 2,58 i 2,44 milions d’anys.

Els primers indicis de fabricació d’eines tenen, doncs, una antiguitat de més de 3,0 milions d’anys. Els hominins de l’època feien servir una tecnologia percussiva que trobem arreu del registre arqueològic i que també ha estat reportada en altres primats. Diferents espècies de primats no-humans aprofiten com a eines objectes que troben a la natura. Ara bé, la producció sistemàtica més antiga d’artefactes de pedra amb fil tallant es correspon a l’Olduvaià que ha estat descrit a Ledi-Geraru i a Gona en la Conca d’Afar (amb una antiguitat de 2,6 milions d’anys) i a Nyayanga (amb una antiguitat de 2,6-2,9 milions d’anys).

A Namorotukunan s’han trobat instruments olduvaians, així com marques d’escorxament en ossos, que testimonien l’aplicació d’aquestes eines afilades en el comportament alimentari d’aquests hominins.

El final del Pliocè es caracteritza a l’est d’Àfrica per una transició cap a hàbitats oberts, com ara sabanes o herbassars. Els hominins hi respongueren amb una desplaçament adaptatiu cap a l’explotació regular d’aliments que requerien l’ús d’eines, com ara la carn o el moll de l’os.

A Namorotukunan hi ha presència de tecnologia d’eines afilades en tres horitzons temporals diferents, dels quals el dos extrems es troben separats per 300.000 anys.

El context geològic

La Formació Koobi Fora (KF) és constituïda per estrats sedimentaris del Grup Omo a la banda oriental del Llac Turkana. Es troben dipositats damunt de roques volcàniques del Miocè i del Pliocè. En el Grup Omo també són inclosos altres dipòsits lacustres i fluvials Plio-Pleistocènics pertanyents al Sistema del Rift de l’Àfrica Oriental. La ratio 40Ar/39Ar dels sediments de cendra volcànica, la ratio K/Ar dels basalts intercalats i l’estratigrafia paleomagnètica, han permès la datació precisa del Grup Omo, que va de 4,02 a 0,75 milions d’anys d’antiguitat. La KF es troba dividida en vuit membres d’acord amb el llit marcador de tefra volcaniclàstica de cadascun. A l’Àrea 40, on es troba Namorotukunan, els estrats sedimentaris tenen antiguitats d’entre 4,3 i 1,6 milions d’anys. Aquesta seqüència cronològica es troba interrompuda per la Inconformitat de Burgui en el període de 3,0-2,5 milions d’anys. Per damunt d’aquesta inconformitat una sèrie d’argiles lacustres indiquen un canvi local dels patrons tectònico-sedimentaris, i la regressió del Paleollac de Lorenyang.

Les investigacions geològiques s’han centrat en un interval estratigràfic de 46 metres, examinat en set seccions. La inferior és un nivell de tefra (TB), identificat com a toba de Tulu Bor. La superior és una seqüència d’argiles lacustres (L2b) associades amb el turó Namorotukunan.

El paquet sedimentari més antic es caracteritza per llims vermells, paleosols i sorres damunt de TB, corresponent a una plana fluvial inundable. El segon paquet és integrat per graves i paleosols. Els horitzons amb artefactes se situen dins d’aquest darrer paquet sedimentari, amb paleosols més foscos (P0-P3) a la part inferior, i paleosols bruns i rogencs (P4-P6) a la part superior. Les estructures testimonien l’evolució de tres rius locals en un context d’aridització progressiva.

El sistema paleofluvial permetia l’arrossegament de còdols. Vet ací el material d’origen per a les eines de pedra. També és el context geològic que preservà artefactes i restes faunístiques.

La ratio 40Ar/39Ar ofereix una edat de feldespat de 3,44 ± 0,02 milions d’anys per a la toba β de TB. Les investigacions paleomagnètiques revelen quatre intervals diferents de polaritat magnètica: NZ1 en els 16,5 metres inferiors, RZ1 en els 20 metres següents, NZ2 en els 9 metres següents i RZ2 en el metre superior (corresponent al pic del turó Namorotukunan). Tot plegat afavoreix una datació de 3,44-2,2 milions d’anys. NZ1/RZ1 seria de 2,610 milions d’anys d’antiguitat; RZ1/NZ2 de 2,137 milions d’anys i NZ2/RZ2 de 2,116 milions d’anys.

Les troballes arqueològiques

Realitzades entre el 2013 i el 2022, les excavacions NMT1 (a S3-C1), NMT2 (a C2-P2) i NMT3 (a C3) han permès recuperar 1290 artefactes: 198 a NMT1, 775 a NMT2 i 317 a NMT3. També s’hi han trobat fòssils. En alguns d’aquests fòssils hi ha marques d’escorxament.

La indústria lítica

En els artefactes hi ha indicis de fractura concoidal antropogènica, com ara bulbs prominents de percussió, plataformes de colp, cicatrius d’escates contigües, etc. Tenen els trets típics de l’Olduvaià primerenc de més de 1,8 milions d’anys d’antiguitat.

Les eines indiquen selectivitat pel que fa al tipus específic de roca, però no hi ha indicis de transport de pedra.

Context ambiental

La seqüència estratigràfica permet una reconstrucció paleoecològica de 3,44-2,0 milions d’anys d’antiguitat. En l’interval de 2,7-2,2 milions d’anys hi hauria hagut una disminució de la disponibilitat d’aigua, i un augment de la fracció de la vegetació C4 en detriment de la C3. Paral·lelament s’haurien afuat els contrastos estacionals entre l’època de pluges i l’època eixuta. Fa 2,2 milions d’anys la situació s’hauria invertit, i haurien tornat els ambients lacustrins.

Les restes faunístiques indiquen un predomini de bòvids antilopins i alcelafins, juntament amb èquids, i en menor mesura de suids (Metridiochoerus).

Els hominins de Namorotukunan coneixien les propietats mecàniques de les roques utilitzades en la manufactura d’artefactes. Tenien una preferència per les roques basàltiques. La tècnica és distintiva de jaciments anteriors com Lomekwi 3 (de 3,3 milions d’anys d’antiguitat). Els hàbitats més oberts i eixuts a partir de 2,8 milions d’anys d’antiguitat esperonarien la manufactura d’eines. L’aridització de l’Àfrica Oriental en el període de 2,8-2,5 milions d’anys obeiria als canvis induïts pel tancament del Pas de Panamà, que destarotà la circulació oceànica. En qualsevol cas, promogué entre els hominins de la regió la necessita d’incorporar nous recursos alimentaris, particularment eixits animals. La persistència de les tècniques lítiques en el període de 2,75-2,44 milions d’anys d’antiguitat indicaria una adaptació persistent.

Lligams:

- Early Oldowan technology thrived during Pliocene environmental change in the Turkana Basin, Kenya. David R. Braun, Dan V. Palcu Rolier, Eldert L. Advokaat, Will Archer, Niguss G. Baraki, Maryse D. Biernat, Ella Beaudoin, Anna K. Behrensmeyer, René Bobe, Katherine Elmes, Frances Forrest, Ashley S. Hammond, Luigi Jovane, Rahab N. Kinyanjui, Ana P. de Martini, Paul R. D. Mason, Amanda McGrosky, Joanne Munga, Emmanuel K. Ndiema, David B. Patterson, Jonathan S. Reeves, Diana C. Roman, Mark J. Sier, Priyeshu Srivastava, Kristen Tuosto, Kevin T. Uno, Amelia Villaseñor, Jonathan G. Wynn, John W. K. Harris, Susana Carvalho. Nature Communications 16: 9401 (2025).

El pas pel periheli del cometa interestel·lar 3I/ATLAS

Astronomia: Aquesta setmana, concretament el dijous 29, el cometa interestel·lar 3I/ATLAS va fer el seu primer i únic pas pel periheli, és a dir pel punt de mínima distància al Sol de la seva trajectòria hiperbòlica. Aquesta distància mínima ha estat de 1,3561±0,0001 UA, de manera que no ha arribat a creuar l’òrbita terrestre. Tot i amb tot, el periheli s’ha fet, des del punt de mira de la Terra, amb el cometa situat en conjunció amb el Sol. Així durant el darrer mes poques han estat les observacions realitzades pels telescopis òptics de la superfície terrestre. Ara bé, els observatoris orbitals especialitzats en l’estudi de Sol, sí han tingut l’oportunitat de fer un seguiment precís del cometa. Els astrofísics Qicheng Zhang (del Lowell Observatory) i Karl Battams (del US Naval Research Laboratory) autopublicaven dimarts un article sobre aquestes observacions en el que assenyalen el ràpid augment de lluminositat que ha experimentat el cometa entre setembre i octubre. En aquest article reporten les dades fotomètriques de STEREO-A (SECCHI HI1 i COR2), de SOHO (LASCO C3) i GOES-19 (CCOR-1). L’augment de la lluminositat escala amb la reducció de la distància heliocèntrica r en una relació r^(-7.5+/-1.0). L’instrument CCOR-1 evidencia una coma aparent de 4 minuts d’arc de diàmetre. L’instrument LASCO indica que el cometa és més blau que no pas el Sol, cosa atribuïble a una emissió de gasos incandescents. Zhang & Battams actualitzaven ahir el seu article, i ja l’han presentat a la revista ApJL.

El cometa 3I/ATLAS

El cometa 3I/ATLAS fou descobert l’1 de juliol del 2025, quan es trobava a una distància heliocèntrica de 4,5 UA. Els càlculs mostraven que seguia una trajectòria hiperbòlica, pròpia d’un objecte d’origen interestel·lar, i la denominació 3I indica que és el tercer objecte catalogat amb aquest origen. La trajectòria indicava que faria el periheli el 29 d’octubre, a una distància de 1,36 UA. La lluminositat que tenia llavors el cometa 3I/ATLAS era comparable a la de 2I/Borisov. A mesura que passaven els dies quedà clar, però, que 3I/ATLAS augmentava de lluminositat en relació a l’acostament al Sol a un ritme superior a com ho havia fet 2I/Borisov.

Podem expressar l’augment de lluminositat en relació a la distància Solar com una escala r^-n. Un objecte inert que merament reflecteix la llum solar ho faria amb una n = 2, a distàncies entre 8 i 2 UA. En canvi, la n de 3I/ATLAS era superior, amb un valor mitjà de n = 3,8 ± 0,3, per a distàncies entre 6 i 2 UA. Per acabar-ho d’adobar, aquesta n variava amb el temps. Això s’explicaria bé per la natura del nucli cometari o bé per la rapidesa amb la qual s’acostava al Sol.

Les observacions de juliol, i les recuperades corresponents al mes de juny, es basaven en la llum difosa per la pols del cometa 3I/ATLAS, ja que no es detectava emissió de gasos per espectroscòpia. Ara bé, quan la distància heliocèntrica baixava de 4 UA cap a 2 UA, es constatà la presència de diverses espècies gasoses: OH, CN, Ni I i Fe I.

En el mes de setembre, 3I/ATLAS se situava a una distància heliocèntrica de 2 UA. Les imatges indicaven que havia desenvolupat un halo verd al voltant de la coma i de la cua de pols. Aquest halo es correspondria a una coma típica de C2. La magnitud aparent del cometa creixia més ràpidament que no pas prèviament.

El problema era que el 21 d’octubre del 2025 el cometa 3I/ATLAS havia de fer una conjunció superior amb el Sol. L’elongació solar anava a reduir-se llavors a 1,9º. En aquestes condicions les observacions òptiques des dels telescopis terrestres es feien més i més difícils.

Afortunadament en la nostra època comptem amb tota una flota de cosmonaus que, des de diferents punts del Sistema Solar, tenen la capacitat de seguir un objecte cometari… malgrat que aquesta no sigui la seva finalitat. Tenim, per exemple, una sèrie d’observatoris solars (STEREO-A, SOHO, GOES-19) que, mitjançant càmeres, fan una monitorització continuada de la corona solar i de l’heliosfera interior. Battams s’ha fet un nom en la darrera dècada per aprofitar aquestes imatges en la detecció de cometes de baixa elongació solar.

STEREO-A, SOHO i GOES-19

Zhang & Battams empren imatges de quatre càmeres situades en tres observatoris:
- STEREO-A segueix des del 2006 una òrbita heliocèntrica més baixa que la de la Terra. L’instrument SECCHI consta de dues càmeres: HI1 (càmera heliosfèrica 1) i COR2 (coronagraf 2). HI1 observà el cometa 3I/ATLAS entre l’11 i el 27 de setembre. COR2 ho va fer entre el 28 de setembre i el 2 d’octubre.
- SOHO segueix des del 1995 una òrbita heliocèntrica des del punt L1 del sistema Sol-Terra. Conté l’instrument LASCO, un coronagraf, que observà el cometa 3I/ATLAS entre el 15 i el 26 d’octubre.
- GOES-19 segueix una òrbita geoestacionària des de l’any passat. Conté el coronagraf CCOR-1, que observà el cometa 3I/ATLAS entre el 18 i el 24 d’octubre.

Zhang & Battams analitzaren les imatges a la recerca de 3I/ATLAS per tal de fer un càlcul de tot el flux lluminós. LASCO, que compta amb filtres blau, taronja i de vermell profund, forneix informació colorimètrica.

La n calculada és molt elevada: 7,5 ± 1,0. Això suposaria que si el cometa 3I/ATLAS fos a una distància heliocèntrica de 1 UA, tindria una magnitud normalitzada de 5,1 ± 0,2. Així doncs, el cometa hauria experimentat un fort augment de lluminositat en les setmanes prèvies al periheli.

Les raons d’aquest comportament

Els observatoris radioastronòmics també han fet un seguiment del cometa 3I/ATLAS. Les emissions de radioones reflecteixen la producció de OH, que és un indicatiu de la sublimació d’H₂O.

A partir de dimecres, 3I/ATLAS és ja visible des de la Terra en el crepuscle, i els observatoris terrestres òptics podran fer-ne un seguiment durant els mesos de novembre i desembre. Llavors podrem disposar de dades més fines sobre la lluminositat i color d’aquest cometa.

De moment, però, Zhang & Battams aventuren hipòtesi sobre l’augment de lluminositat i de color blau del cometa. 3I/ATLAS té un valor de n molt superior al registrat en cometes originats en el núvol d’Oort. Una possible explicació és que la sublimació de H₂O segueix actualment a 3I/ATLAS un ritme elevat per l’acció prèvia de refredament causat per la sublimació de CO₂. Això vindria condicionat per una aproximació al Sol més ràpida en comparació amb la d’altres cometes.

Una altra possibilitat es trobaria en les característiques del nucli cometari pel que fa a composició, forma o estructura. Aquestes peculiaritats podrien derivar del sistema planetari d’on s’originà, o podrien haver estat adquirides durant la llarga trajectòria interestel·lar.

Lligams:

- Rapid Brightening of 3I/ATLAS Ahead of Perihelion. Qicheng Zhang, Karl Battams

Bacteriòfags contra les formes multiresistents d’Edwardsiella tarda que infecten el panga

Aqüicultura: Les granges de panga (Pangasianodon hypophthalmus) són una de les principals activitats aqüícoles del Vietnam. Les infeccions pel bacteri patogen Edwardsiella tarda en són una limitació, i per això hi ha hagut una tendència l’abús profilàctic i terapèutic d’antibiòtics en aquestes granges. El problema és que això ha suposat una pressió selectiva que ha afavorit l’aparició de soques d’E. tarda multiresistents. Els grups de recerca de Tan-Trung Nguyen, de l’Institut Européen de Chimie et Biologie, i de Hoang A. Hoang, de la Universistat de Tecnologia de la Ciutat Ho Chi Minh treballen en la fagoteràpia com a alternativa per fer front a aquestes soques bacterianes. Els bacteriòfags són virus que infecten bacteris, des de fa més de cent anys hom els proposa, amb no massa gaire èxit, com a alternativa als fàrmacs antibacterians. En un article publicat ahir a Scientific Reports, amb Trong-Tuong Ho com a primer autor, presenten tres bacteriòfags lítics, vB_EtA_WAG25P1, vB_EtA_WCT72P1, i vB_EtA_DT115P1, que infecten soques d’E. tarda, i que han estat isolats de mostres de panga del Delta del Mekong. D’acord amb l’anàlisi morfològica i les dades genòmiques, aquests bacteriòfags serien membres de l’ordre dels Autographivirales i, concretament, de la família Autosignataviridae. WCT72P1 té un període de latència de 35 minuts i produeix 45 virions per cèl·lula bacteriana infectada. WAG25P1 té un període de latència de 35 minuts i una producció de 61 virions per cèl·lula. DT115P1 té un període de latència de 25 minuts i una producció de 51 virions per cèl·lula. La infecció és altament específica d’espècie. Experiments in vitro mostren que reprimeixen durant quatre hores el creixement d’E. tarda multiresistent. Tenen un rang considerable d’estabilitat pel que fa a pH i a temperatura. Les comparacions genòmiques mostren que WAG25P1 i DT115P1 tenen un 67% d’homologia amb el fag RCIP0053 de Klebsiella, mentre que WCT72P1 la tindria amb el fag RCIP0089 de Klebsiella. Ho et al. opten per considerar els tres fags membres d’un gènere nou, al que no assignen encara nom. Pel que fa a l’aplicabilitat destaquen l’absència en els seus genomes de gens de recombinació, integració o virulència.

Ho et al. han caracteritzat els bacteriòfags vB_EtA_WAG25P1, vB_EtA_WCT72P1 i vB_EtA_DT115P1, capaços d’infectar el bacteri ‘Edwardsiella tarda’, una de les principals amenaces microbiològiques de l’aqüicultura del panga.

Fagoteràpia contra la necrosi bacil·lar del panga

La necrosi bacil·lar del panga és una de les bacteriosis més rellevants que pateix aquest peix. Es caracteritza per l’aparició de taques blanques a fetge, ronyó i melsa, amb lesions severes dels òrgans interns. L’agent causal són els bacteris Edwardsiella tarda o Edwardsiella ictaluri. E. tarda és un bacteri gramnegatiu, facultativament anaeròbic, cocobacil, capaç d’infectar un ample ventall de rèptils, amfibis, mamífers i fins i tot humans.

L’impacte d’aquesta infecció en l’aqüicultura del panga ha promogut un ús exagerat d’antibiòtics. Això no tan sols ha promogut la resistència antibiòtica, sinó que també afavoreix un desequilibri ecològic, alhora que una acumulació de residus d’antibiòtics en el producte final congelat. La resistència es pot manifestar en soques mono-resistents i multi-resistents. Aquest problema certament també afecta altres espècies (tilàpia, xitala) i països (Xina, Malàisia, Tailàndia).

Ho et al. propugnen com a alternativa la fagoteràpia. Els bacteriòfags són els virus que infecten únicament cèl·lules bacterianes. Això els situa possiblement com l’entitat biològica (ésser viscut més que no pas ésser viu) més abundant del planeta Terra. Des de fa cent anys hom els postula com una alternativa als agents antimicrobians tradicionals. Entre les raons adduïdes hi ha l’alta especificitat i la capacitat d’auto-amplificació en el lloc d’infecció.

Hom ha estudiat l’efecte de l’administració de bacteriòfags específics contra Edwardsiella tarda en el peix zebra (Danio rerio) o el turbot (Scophthalmus maximus): redueixen la càrrega bacteriana, milloren la supervivència dels peixos i atenuen els signes de la malaltia.

Granges de panga del Delta del Mekong

Diverses granges de panga del Delta del Mekong havien reportat signes clínics de necrosi bacil·lar. Ho et al. hi colliren mostres de ronyó i melsa de peixos malalts amb la finalitat d’isolar Edwardsiella. Aconseguiren cinc isolats diferents. Els isolats consistien en cocs gramnegatius, de feble motilitat, catalasa positius, fermentadors de glucosa, positius per a la glucosa-oxidasa i negatius per a la citocrom-oxidasa. La seqüenciació del gen rRNA 16 S indicava que, tot i distants entre elles, pertanyien a l’espècie E. tarda. Aquest resultat no deixava d’ésser un xic sorprenent, ja que en anys anteriors E. ictaluri era l’espècie responsable de casos de septicèmia entèrica patits pel panga del Delta del Mekong. Els isolats d’E. tarda pertanyien a un clade també reportat als Estats Units i a la Xina. L’anàlisi de deu loci (adk, atpD, dnaJ, gapA, glnA, hsp60, phoR, pyrG, rpoA, i tuf) confirmava aquesta identificació específica.

El perfil de resistència a antibiòtics

Els cinc isolats d’E. tarda foren sotmesos a una prova de susceptibilitat amb sis antibiòtics d’ús habitual en aqüicultura a Vietnam: kanamicina, gentamicina, doxiciclina, amoxicil·lina, florfenicol i fosfomicina. Totes cinc soques eren resistents, si més no, a un antibiòtic. L’isolat E24.19 entrava en la categoria de multi-resistent.

L’isolament de bacteriòfags

A partir de mostres d’aigua de piscifactories d’An Giang, Can Tho i Dong Thap, i emprant com a hoste E. tarda E24.1, Ho et al. isolaren respectivament tres soques de bacteriòfags: vB_EtA_WAG25P1, vB_EtA_WCT72P1, i vB_EtA_DT115P1.

Sobre les plaques de cultiu d’E. tarda E24.1, els bacteriòfags produïen calbes clares i circulars, que anaven d´1 a 3 mm de diàmetre en el cas de WCT72P1 i WAG25P1, i de 3-4 mm per a DT115P1.

Les electrografies de transmissió revelaven que els bacteriòfags tenien un cap icosahèdric, amb un diàmetre de 41,33 ± 4,99 nm, i unes cues curtes i no-contràctils. Això es correspon al morfotip podovirus.

Assaigs de creixement d’un sol pas revelaren el període de latència d’aquests bacteriòfags. El període de latència és el temps més breu requerit entre l’adsorció del fag i l’alliberament lític de les partícules víriques filles. Un altre paràmetre del cicle lític és el nombre de virions que s’alliberen per cèl·lula infectada. El període de latència anava de 25 minuts (DT115P1) a 35 minuts (WCT72P1 i WAG25P1). La producció lítica anava de 45 ± 13 virions (WCT72P1) a 61 ± 12 (WAG25P1).

Mitjançant assaigs de supervivència, Ho et al. comprovaren que els fags estudiats eren estables en un rang de pH de 6 a 10. La termotolerància s’estenia de 4 °C a 37 °C.

Els bacteriòfags infectaven específicament E. tarda. No infectaven E. ictaluri.

Els bacteriòfags eren efectius contra les soques E24.1, E24.2, E24.3 i E24.17. N’aturaven el creixement en 6 hores. Ara bé, l’efectivitat no era universal: WCT72P1 era poc inhibidor de E24.17. Pel que fa a E24.19 fou capaç de créixer al cap de tres hores de la infecció, la qual cosa és indicativa de l’aparició de cèl·lules fago-resistents.

El genoma del bacteriòfags

El genoma de les tres soques de bacteriòfags consisteix en una molècula lineal de doble cadena d’ADN, amb un contingut de G+C del 47%. La longitud del genoma és de 43-44 kilobases. Presenten entre 60 i 64 ORFs, situats en les dues direccions genòmiques. Els ORFs es correspondrien a cinc mòduls centrals: metabolisme d’ADN/ARN, cua de fag, càpside i empacament, lisi i proteïna hipotètica. Entre les proteïnes hi hauria una o-spanina i una i-spanina que facilitarien la fusió de les dues membranes bacterianes en el procés de lisi. També hi hauria una ARN-polimerasa.

Ho et al. atribueixen els tres bacteriòfags estudiats a l’ordre dels Autographivirales. Aquest nom fa referència precisament a la ARN-polimerasa citada, que permetria l’autotranscripció del genoma viral.

En els genomes analitzats, Ho et al. no troben presència de gens de toxines, de gens associats a lisogènia, de gens de transferència d’ARN, d’integrasa, de factors de virulència, o de resistència a antimicrobians.

Els tres bacteriòfags serien membres de la mateixa espècie, i caldria incloure’ls en un gènere de nova creació. Els parents més propers serien del gènere Gajwadongvirus, de la família dels Autosignataviridae.

Potencial aplicació dels bacteriòfags en aqüicultura

Els patògens Edwardsiella són un problema emergent per a les granges de Pangasianodon hypophthalmus. L’ús d’antibiòtics per controlar-los hauria afavorit, a més, l’aparició de soques multi-resistents, com les que s’han descrit en piscifactories de Corea o Pakistan.

Que Ho et al. hagin isolat tres soques de bacteriòfags de la mateixa espècie en tres granges diferents del Delta del Mekong indicaria que aquesta espècie és ben prevalent al Delta del Mekong. Una cosa diferent és traslladar aquests bacteriòfags a un ús deliberat i controlat. Cal considerar en primer lloc les condicions ambientals concretes de la piscifactoria (salinitat, concentració de matèria orgànica, exposició a UV). En segon lloc cal considerar la interacció entre els bacteriòfags alliberats a les aigües de la granja i la immunitat innata dels propis peixos.

Aquestes qüestions requereixen fer experiments in vivo, de primer en el laboratori i després en granges. Si el resultat fos positiu, podrien adoptar-se mesures d’ús massiu de bacteriòfags… Però, és clar, això afavoriria probablement l’aparició de soques bacterianes resistents als bacteriòfags.

Lligams:

- The potential novel bacteriophages against multidrug-resistant Edwardsiella tarda isolates from striped catfish Pangasianodon hypophthalmus. Trong-Tuong Ho, Pham T. Cam, Huynh M. Dieu, Hoang T. Duc, Tu Q. Vinh, Tran T. B. Huy, Pham D. T. My, Dang T. H. Oanh, Pham Q. Huy, Nguyen T. N. Huyen, Le P. Nga, Nguyen Bao Quoc, Andrew D. Millard, Tan-Trung Nguyen, Hoang A. Hoang. Scientific Reports 15: 37229 (2025).

Creixement sostingut, progrés tecnològic i destrucció creativa (Mokyr, Aghion, Howitt; Premi Nobel d’Economia 2025)

Avui la Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Sveriges Riksbank en Ciències Econòmiques a Joel Mokyr «per haver identificat els prerequisits de creixement sostingut mitjançant el progrés tecnològic» i a Philippe Aghion i Peter Howitt «per la teoria de creixement sostingut mitjançant la destrucció creativa». Als tres se’ls reconeix «haver explicat el creixement econòmic impulsat per la innovació». La meitat del premi (5,5 milions de corones sueques) correspon a Joel Mokyr. L’altra meitat se la reparteixen a parts iguals Philippe Aghion i Peter Howitt, de forma que cadascú rebrà 2,75 milions.

Joel Mokyr

Joel Mokyr (יואל מוקיר, *Leiden, 26.7.1946) va nàixer al si d’una família de jueus holandesos que sobrevisqueren a l’Holocaust. Amb tot, el seu pare es va morir de càncer en el 1947, i la mare anà amb el fill a Palestina, establint-se a Haifa. Es va graduar en economia i història a la Universitat Hebrea de Jerusalem (1968). Va realitzar un mestratge en economia a la Yale University (1972), on es doctorà (1974) amb una tesi titulada Industrial Growth and Stagnation in the Low Countries, 1800-1850, supervisada per William N. Parker, Lloyd G. Reynolds i John C. H. Fei. Durant la tesi fou docent a Yale, i a partir del 1974 fou professor ajudant a la Northwester University, on ha realitzat la seva carrera acadèmica. Des del 1993 és l’editor en cap de l’Economic History of the Western World. Entre el 1994 i el 1998 fou co-editor del Journal of Economic History. Entre el 2002 i el 2003 fou president de l’Economic History Association. És també professor de l’Escola d’Economia Eian Berglas de Tel Aviv.

Philippe Aghion

Philippe Aghion (*Paris, 17.8.1956) és fill del militant comunista i galerista d’art Raymond Aghion (1921-2009) i de l’estilista Gaby Hanoka (1921-2014). Tots dos provenien de famílies jueves d’Alexandria. Philippe Aghion estudià al Lycée Henri-IV i a la secció de matemàtiques de l’École normale supérieure de Cachan (1976-1980). Estudià matemàtica aplicada en economia a l’Université Paris I, on obtingué el diploma d’estudis avançats (1981) i el doctorat de tercer cicle (1983). Es doctorà en economia a Harvard (1987). Fou després professor ajudant al MIT (1987-1989). Tornat a França en el 1989 ingressà en el CNRS com a investigador. En el 1990 entrà com a economista al Banc Europeu per a la Reconstrucció i el Desenvolupament. El 1992 esdevingué docent al Nuffield College d’Oxford, i el 1996 professor d’economia al University College of London. El 2002 fou designat professor d’economia a Harvard. El 2015 passà al Collège de France com a catedràtic d’economia de les institucions, de la innovació i del creixement, creant-hi el Farhi Innovation Lab. També ha fet classes a la London School of Economics i a la Paris School of Economics. Fou membre del Conseil d’analyse économique (CAE) i de la Comission pour la libération de la croissance française (2008). Fou assessor econòmic del president François Hollande. Des del 2023 és co-president del Comité de l’intelligence artificielle générative.

Peter Howitt

Peter W. Howitt (*Canadà, 1946) és graduà en economia a la McGill University (1968). Va fer un mestratge en economia a la University of Western Ontario (1969). Va fer la tesi doctoral sobre teoria de la dinàmica monetària a la Northwestern University (1973). Entre el 1972 i el 1996 fou professor a la University of Western Ontario. En el 1996 passa a la Ohio State University, i el 2000 a Brown University, de la qual és actualment professor emèrit.

Progrés tecnològic i creixement sostingut

Més enllà de cicles generals i disparitats sectorials i regionals, els darrers dos segles han estat d’un creixement econòmic sostingut sense precedents. Aquest creixement no ha estat un mer reflex del creixement demogràfic, car ha augmentat també la renda per càpita. L’acumulació de riquesa ha tret de la pobresa una fracció creixent de la humanitat duent-la a una prosperitat que tampoc no té precedents. Aquest procés s’ha acompanyat d'innovacions tecnològiques i organitzatives, producte i motor de creixement econòmic.

En la història anterior domina més aviat l’estagnació econòmica. Estagnació i recessió, d’altra banda, també són presents en l’actualitat. Fet i fet, és més dreturer explicar els factors darrera del creixement econòmic que no pas els de la recessió o l’estagnació. Mokyr, Aghion o Howitt han investigat com la innovació promou el progrés i el creixement econòmic sostingut.

El creixement econòmic sostingut significa que l’economia va més enllà de la reproducció anual, i que cada any es produeix de mitjana més que l’any anterior. Això implica la possibilitat de millorar el nivell de vida de la població en termes de salut i de qualitat. El creixement econòmic sostingut és causa i efecte d’un progrés tecnològic, que es manifesta en l’aparició de nous productes i serveis, i en la innovació dels mètodes productius.

Abans de la revolució industrial també hi havia descobertes i invencions. Amb tot, això no es traduïa en un creixement econòmic sostingut, sinó que els períodes de creixement eren gairebé anul·lats per períodes de recessió o estagnació. Les condicions de vida i la renda de la immensa majoria de la població romanien estagnades. Això ha estat especialment estudiat per al període que actualment tendim a anomenar ‘Alta Edat Moderna’ o ‘Primera Edat Moderna’, i que abasta a grans trets des del segle XIV al segle XVIII. En aquest període es produeixen importants innovacions, les més patents en la tecnologia bèl·lica, però també en arades pesades, en molins de vent, en la impremta o en l’anomenada revolució científica del segle XVII. No obstant, el nivell de renda en països com Suècia o Gran Bretanya experimentava pujades i baixades sense cap creixement sostingut.

Fa mig segle, Joel Mokyr elaborava la seva tesi doctoral sobre creixement i estagnació industrial als Països Baixos durant la primera meitat del segle XIX. Bèlgica es convertia en aquell període en la segona nació, després d’Anglaterra, en adoptar les tècniques modernes i intensives en capital en la indústria i la mineria. El creixement industrial que experimentava Bèlgica (i Valònia en particular) contrastava amb la situació de la resta dels Països Baixos. L’antiga potència comercial holandesa que ja era en davallada en les darreries del segle XVIII visqué entrat en el segle XIX en una situació de declivi industrial. Quines eren les causes darrera de la revolució industrial belga? Mokyr mostrà la rellevància de la innovació tecnològica i científica, però també la disposició social envers noves idees i canvis.

El creixement econòmic se sol formular a través la primera derivada en el temps del producte interior brut (PIB). El PIB recull tots els béns i serveis produïts en un país. Un creixement econòmic sostingut es manifesta més concretament en la millora de tota una sèrie de valors (alimentació, atenció sanitària, educació, lleure, qualitat de productes, mitjans de comunicació i de transport, etc.).

A partir de la revolució industrial hi ha una major connexió entre les innovacions tecnològiques i les aplicacions quotidianes. Així la màquina de vapor es posà al servei de ferrocarrils, vaixells i fàbriques. El generador trifàsic es traduí en el motor elèctric, en canvis en el sistema fabril, en la xarxa elèctrica i en els electrodomèstics. I avui la intel·ligència artificial s’obre pas en el sector sanitari, en la robòtica, en la recerca o en sistemes autònoms. En el quadre general, el PIB creix de manera exponencial, tot i detectar-se interrupcions com la Gran Depressió dels anys 1930 o altres crisis mundials.

Mokyr mostrà que per a un creixement sostingut cal un flux continu de coneixement útil. Aquest coneixement útil té dues components:
- el coneixement proposicional, és a dir una descripció sistemàtica de regularitats en el món natural. Aquest coneixement proposicional ens explica per què funciona una cosa.
- el coneixement prescriptiu, consistent en instruccions pràctiques que descriuen què cal perquè aquesta cosa funcioni.

En les societats preindustrials, segons Mokyr, la innovació tecnològica es fonamentava principalment en coneixement prescriptiu. La gent sabia com fer anar la tecnologia pròpia del seu ofici, però desconeixia per què funcionava així. D’altra banda, el coneixement proposicional en matemàtica o filosofia natural es movia sense referència al coneixement prescriptiu. Aquesta separació ha estat ben estudiada pel que fa a les societats antigues i medievals, i s’expressava en el tractament radicalment diferent donat a les ‘arts liberals’ i les ‘arts mecàniques’. Mokyr posava com a exemples d’aquest divorci els intents de construir la màquina del moviment perpetu o la cerca alquímica de la pedra filosofal que transmutés el plom en or.

La Revolució Científica dels segles XVI i XVII és considerada l’antecedent necessari de la ll·lustració del segle XVIII. La demanda de mètodes de mesura més precisos, d’experiments controlats o de resultats reproduïbles millorà la connexió entre coneixement proposicional i coneixement prescriptiu. Els enginyers que treballaren en la màquina de vapor eren coneixedors dels principis científics sobre pressió atmosfèrica o buit. La producció d’acer es beneficiava dels avenços químics sobre la natura de l’aire i dels metalls.

Mokyr explica els orígens anglesos de la revolució industrial pel fet que a Anglaterra hi havia una població substancial d’artesans especialitzats i d’enginyers. El coneixement proposicional i prescriptiu havia de trobar, a més, un coneixement comercial.

Mokyr esmenta també la importància d’una societat oberta al canvi. Qualsevol canvi tecnològic no tan sols crea ‘vencedors’ sinó també ‘vençuts’. Les noves tecnologies desplacen les velles, destruint estructures i mètodes tradicionals. Grups d’interès presenten resistència a aquests canvis, com manifestà el moviment luddita a l’Anglaterra dels anys 1810s i 1820s. La Il·lustració, no obstant, havia presentat el canvi com un factor positiu. La revolució anglesa del 1688 reforçà el rol del Parlament Britànic, a través dels quals els grups d’interès més poderosos podien arribar a compromisos manifestats en el bipartidisme i alternança entre tories i whigs.

El coneixement proposicional també pot ajudar a vèncer la resistència a noves idees. Per exemple, les idees sobre la higiene mèdica que havia postulat Ignaz Semmelweis, guanyaren adhesió un colp s’afermà la teoria germinal de les malalties contagioses.

Mokyr ha treballat sobre el paper de la IA en el reforçament de la connexió entre coneixement proposicional i coneixement prescriptiu, i en l’augment de la taxa d’acumulació de coneixement útil.

Mokyr també ha estudiat el rol del creixement sostingut en la solució de les externalitats negatives que ell mateix genera (canvi climàtic, contaminació, resistència a antibiòtics, creixement de les desigualtats socials, exhauriment de recursos naturals, etc.). Aquestes externalitats negatives alimenten processos que condueixen al descobriment de solucions. El desenvolupament tecnològic s’ha de veure, doncs, com un procés auto-corrector.

Destrucció creativa i creixement sostingut

El març del 1992 Philippe Aghion i Peter Howitt publicaven a Econometrica un model de creixement mitjançant la destrucció creativa. Es tractava d’un model de creixement endogen en el qual innovacions verticals, generades per un sector de recerca competitiu, constituïen la font subjacent del creixement econòmic. L’equilibri era determinat per una equació que descrivia que la quantitat de recerca en qualsevol període depèn de la quantitat esperada de recerca en el període següent. Una de les fonts d’aquesta relació intertemporal és la destrucció creativa, és a dir que la perspectiva de més recerca futura desencoratja la recerca actual ja que amenaça de destruir les rendes derivades de la recerca actual. Quan un producte nou i millor entra en el mercat, les companyies que venen productes vells i pitjors surten perdent. Així la innovació té un aspecte creatiu (nous productes millors o més barats) i un aspecte destructiu (sobre les companyies amb tecnologies que han esdevingut obsoletes). No debades, Aghion ha estat definit com un economista post-schumpeterià.

La destrucció creativa crea un conflicte entre innovació i aprofitament de la tecnologia actual. Si en una societat dominen nítidament les companyies establertes i els grups d’interès corresponents, la innovació pot arribar a ésser activament blocada. En una societat més oberta, el conflicte es gestiona de manera més constructiva. Sense creació destructiva no seria possible el creixement sostingut.

Una manifestació de la creació destructiva es mostra en la taxa de companyies que han de plegar cada anys. Als Estats Units aquesta taxa supera el 10% anual. Certament, es creen també noves empreses cada anys, però són aquestes les més exposades a la fallida. Alhora, en les empreses que es mantenen hi han reestructuracions recurrents, amb la desaparició de llocs de treball i la creació de nous.

En una economia hi ha companyies que disposen de la tecnologia més avançada. A través de patents o del secret industrial poden aconseguir rebre uns ingressos superiors als costos de producció, i beneficiar-se d’una monopoli més o menys natural. Les patents actuen com un mecanisme de protecció de la innovació, però alhora fan pública una informació sobre la qual altres companyies poden arribar a innovacions superiors. Si ho aconsegueixen, la nova companyia pot desplaçar l’antiga.

El potencial d’assolir d’un monopoli encara que sigui temporal és un incentiu per investir en recerca i desenvolupament. Com més temps pensa la companyia que pot romandre al capdavant, més forts són els incentius de la R+D. Ara bé, com més R+D menor serà el temps de durada de cada innovació concreta. Així doncs, s’arriba a un equilibri entre les dues consideracions.

Aghion & Howitt partien de la connexió entre els investiments en R+D i els estalvis particulars. Una taxa elevada d’interès és un incentiu d’estalvi. Al mateix temps, la taxa d’interès depèn de la taxa de creixement econòmic. Cal analitzar, doncs, simultàniament producció, R+D, mercats financers i estalvis, mitjançant l’equilibri general d’un model macroeconòmic.

En un escenari sense interferència política, hi ha dos mecanismes contradictoris que participen en la determinació del volum de R+D i de creixement econòmic:
- el primer mecanisme es basa en l’investiment empresarial en R+D, condicionat per la convicció que els mètodes actuals de producció no continuaran per sempre. Els mètodes obsolets per la innovació, si bé deixen de tenir un valor per a l’empresa que els practicava o en tenia la patent, sí que mantenen un valor social com a base de futures innovacions. Aquesta discrepància és la que justificaria els incentius públics a la R+D.
- el segon mecanisme es basa en el fet que una innovació implica que una companyia ascendent li pren el negoci a unes altres. Fins i tot una innovació no gaire rellevant socioeconòmicament sí ho pot ser empresarialment. Aquest és una raonament contra els incentius públics a la R+D.

El nivell de concentració empresarial que maximitza el procés d’innovació no pot ésser ni massa baix i massa alt. Una concentració empresarial massa alta, amb unes poques companyies massa dominants, pot alentir la innovació i el creixement econòmic sectorial.

Per sostindre un creixement econòmic alt cal una destrucció creativa, i això pot donar lloc a un augment de la desocupació. Les polítiques públiques poden assistir a les persones sense-feina facilitant la seua inserció cap a sectors amb llocs de treball més productius. La ‘flexiseguretat’ cerca protegir els treballadors i no els llocs de treball. La mobilitat social és vital per a innovadors i emprenedors.

Entre les amenaces al creixement sostingut apareixen els oligopolis, les restriccions a la llibertat acadèmic, la desglobalització i les resistències dels grups que se senten agreujats.

Lligams:

- Pressmeddelande: Ekonomipriset 2025.

- Industrial Growth and Stagnation in the Low Countries, 1800–1850. Joel Mokyr. The Journal of Economic History 36: 276-278 (1976).

- The lever of riches: Technological creativity and economic progress. Joel Mokyr (1990). Oxford University Press.

- Punctuated Equilibria and Technological Progress. Joel Mokyr. The American Economic Review 80: 350-354 (1990)

- A Model of Growth Through Creative Destruction. Philippe Aghion, Peter Howitt. Econometrica 60: 323-351 (1992).

Els marcs metal·lico-orgànics (Kitagawa, Robson, Yaghi; Premi Nobel de Química 2025)

Ciència dels Materials: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Química 2025 a Susumu Kitagawa, Richard Robson i Omar M. Yaghi «pel desenvolupament de marcs metall-orgànics». Els tres guardonats es repartiran a parts iguals els 11 milions de corones sueques de la dotació del premi.

Liu et al. (2020) emparen la microscòpia electrònica d’alta resolució per posar de manifest les estructures dels marcs metall-orgànics (MOF), com ara el MIL-101. En la imatge s’observen els supertetrahedres del cristall de MIL-101

Susumu Kitagawa

北川 進 ( *4.7.1951) estudià a la Universitat de Kyoto. A partir del 1975 treballà en una tesi doctoral sobre química d’hidrocarburs al mateix centre, que defensà reeixidament el 1979. Seguidament fou nomenat professor ajudant a la Universitat de Kindai. El 1992 esdevingué professor de química inorgànica a la Universitat Metropolitana de Tokyo, fent-hi recerca al Departament de Química Sintètica i Química Biològica. En el 2007 co-fundà l’Institut de Ciències Integrades de Material Cel·lular, que dirigeix des del 2013.

Richard Robson

Richard Robson (*Glusburn, West Yorkshire, 1937) estudià química a la Universitat d’Oxford on es graduà en el 1959. Allà mateix realitzà la tesi doctoral amb estudis sobre la irradiació ultraviolada de complexos de transferència de càrrega i sistemes relacionats, que defensà reeixidament el 1962. Aquesta tasca la realitzà al Dyson Perrins Laboratory, en el grup de fotoquímica de molècules orgàniques de John Barltrop, amb una beca del Brasenose College. Entre el 1962 i el 1964 fou postdoc al California Institute of Technology, i després a la Stanford University (1964-65). El 1966 esdevingué professor de química a la University of Melbourne, on actualment ocupa una plaça honorària.

Omar M. Yaghi

عمر مونّس ياغي (Omar Mwannes Yaghi, *Amman, 9.2.1965) nasqué al si d’una família de refugiats palestins procedent d’Al-Masmiyya (Subdistricte de Gaza), establerta a Amman, la capital de Jordània. A quinze anys, esperonat pel seu pare, viatjà als Estats Units on estudià al Hudson Valley Community College, i més endavant a la State University of New York at Albany. Es graduà a la University of Illinois at Urbana-Champaign. Allà mateix va fer la tesi doctoral sota la supervisió de Walter G. Kemplerer, i la defensà reeixidament en el 1990. Fou postdoc al laboratori de Richard H. Holm de la Harvard University entre el 1990 i 1992. Fou professor ajudant a la Arizona State University entre el 1992 i el 1998. Després fou professor de química a la University of Michigan (1999-2006) i a la University of California, Los Angeles (2007-2012). Des del 2012 és professor de química a la University of California, Berkeley. A més de les nacionalitats palestina i jordana, és ciutadà de l’Aràbia Saudita des del 2021.

Els MOF com a polímers de coordinació

El marcs metalls-orgànics (MOF) són polímers de coordinació que formen materials porosos. Ofereixen un marc sòlid per on poden fluir gasos i líquids. Hom els pot emprar en la captura de gasos com el vapor d'aigua, el diòxid de carboni, etc., amb aplicacions diverses d'emmagatzematge, detoxificació o catàlisi. Pensem, per exemple, en la granja de captació d'humitat dels Lars a Tatooine

L’estructura dels MOF combina llargues cadenes orgàniques amb ions metàl·lics. El resultat és un cristall que conté grans cavitats. La porositat dels MOF i altres propietats (afinitat química, conductivitat elèctrica, capacitat catalítica, etc.) depenen dels monòmers que prenen part en la síntesi.

En el 1974, Richard Robson, com a professor de química de la University of Melbourne rebé l’encàrrec de preparar models d’àtoms a partir de boles de fusta, amb l’objectiu que els estudiants els fessin servir en la recreació d’estructures moleculars. Els àtoms eren representats per boles, i els enllaços químics entre els àtoms per bastonets de fusta. Calia, però, fer forats a les boles de fusta per poder ficar i treure els bastonets. Els forats, però, s’havien de fer seguint el comportament específic de cada element: el carboni amb una valència de 4, l’oxigen amb una valència de 2, els nitrogen amb una valència més variable… L’estructura molecular depenia de l’orientació geomètrica d’aquests forats, i això va fer pensar Robson en una tasca anàloga: dissenyar construccions a partir de molècules amb una capacitat limitada de formar enllaços. Any rere any li venia la mateixa idea al cap en veure aquells models àtoms i d’enllaços de fusta. Al cap de deu anys ideà un model inspirat en l’estructura d’un diamant, on cada àtom de carboni forma enllaços simples amb uns altres quatre àtoms de carboni formant un tetrahedre. En aquest cas la base seria el catió cuprós (Cu⁺).

En el 1989, Richard Robson treballava en la combinació de Cu⁺ amb 4′,4″,4”’,4””-tetracianotetrafenilmetà. Aquesta molècula orgànica tenia quatre braços acabats en un grup funcional nitril amb afinitat pel Cu⁺. El material resultant era un cristall porós, amb uns espais interiors ben ordenats, que Hoskins & Robson (1989) designaven com a ‘marc polimèric infinit’. No obstant, aquest material era inestable i col·lapsava fàcilment. En el 1990, Robson desenvolupà altres tipus de construccions moleculars amb cavitats que es podien omplir amb diverses substàncies (Hoskins & Robson, 1990; Gable et al., 1990). Una d’aquestes construccions era capaç bescanviar ions (Batten et al., 1991). Mitjançant un disseny racional, es podien fer construccions moleculars amb cavitats optimitzades per a la interacció amb substàncies químiques específiques, cosa que podia tenir un potencial en el disseny de nous catalitzadors. Aquests marcs, però, continuaven resultant massa inestables.

Entre el 1992 i el 2003, Susumu Kitagawa i Omar Yaghi treballaven de manera independent sobre com construir marcs metall-orgànic (MOF) que fossin prou estables. Kitagawa desenvolupà MOFs amb la capacitat de suportar fluxos bidireccionals de gasos, i investigava formes per fer MOFs flexibles. Yaghi aconseguí un MOF molt estable, però alhora modificable per disseny racional.

En el 1992 Kitagawa presentava una construcció molecular consistent en un material bidimensional amb cavitats que podien encabir molècules d’acetona. La construcció es fonamentava en l’ús de cations de coure com a lligands de molècules orgàniques més grans (Kitagawa et al., 1992). El MOF resultant era massa inestable.

En el 1992 Yaghi havia bastit un nou grup de recerca a l’Arizona State University dedicat al desenvolupament de noves eines de síntesi de materials. La combinació de ions metàl·lics i molècules orgàniques tenia potencial en el disseny racional de nous materials. En el 1995 presentà l’estructura en xarxa de materials bidimensionals que empraven Cu o cobat (Co) com a lligands. Si les cavitats d’aquests materials eren plenes, l’estructura es mantenia estable fins i tot a temperatures de 350°C (Yaghi et al., 1995).

En el 1994, el grup de Robson construïa a partir de porfirina estructures en xarxa amb grans canals (Abrahams et al., 1994).

En el 1997 el grup de Kitagawa creà un MOF que combinava la 4,4’-bipiridina amb ions Co, níquel (Ni) i zinc (Zn). Era un MOF tridimensional intersectat per canals oberts. La deshidratació feia que aquest MOF fos estable, i que els canals poguessin omplir-se amb gasos. Per exemple, podia absorbir i alliberar metà (CH₄), nitrogen (N₂) o oxigen (O₂) sense canviar de forma (Yaghi et al., 1995).

El MOF de Kitagawa es podia comparar amb les zeolites, un material estable i porós fabricat a partir de diòxid de silici (SiO₂). Ara bé, les zeolites resultaven en aquest sentit un material molt més pràctic. Kitagawa & Kondo (1998) postularen un avantatge del MOF sobre la zeolita: la possibilitat de dissenyar MOF d’estructura flexible. A més, els MOFs es podien fabricar a partir de diversos tipus de molècules

En el 1999, el grup de Yaghi presentava el MOF-5 (Li et al., 1999). Aquest material presenta un gran volum de cavitat i és molt estable. Fins i tot quan és buit, el MOF-5 resisteix temperatures de fins a 300°C sense col·lapsar.

El grup de Kitagawa presentà un MOF flexible. Aquest material, quan s’omplia d’aigua o de metà, canviava de forma, recuperant la forma original un cop buidat.

En el 2002 el grup de Yaghi demostrava la possibilitat de fer un disseny sistemàtic de la mida de por i de la funcionalitat de MOFs isoreticulars, amb aplicacions en l’emmagatzematge de metà (Eddaoudi et al., 2002). Yaghi denominà aquesta aproximació síntesi reticular (Yaghi et al., 2003).

Lligams:

- Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.

- Infinite polymeric frameworks consisting of three dimensionally linked rod-like segments. Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Am. Chem. Soc. 111: 5962-5964 (1989).

- Design and construction of a new class of scaffolding-like materials comprising infinite polymeric frameworks of 3D-linked molecular rods. A reappraisal of the zinc cyanide and cadmium cyanide structures and the synthesis and structure of the diamond-related frameworks [N(CH₃)₄][CuIZnII(CN)₄] and CuI[4,4',4'',4'''-tetracyanotetraphenylmethane]BF₄.xC₆H₅NO₂. B. F. Hoskins, Richard Robson. J. Am. Chem. Soc. 112: 1546-1554 (1990).

- A new type of interpenetration involving enmeshed independent square grid sheets. The structure of diaquabis-(4,4′-bipyridine)zinc hexafluorosilicate. Robert W. Gable, Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 10: 762 (1990).

- 3D Knitting patterns. Two independent, interpenetrating rutile-related infinite frameworks in the structure of Zn[C(CN)₃]₂. Stuart R. Batten, Bernard F. Hoskins, Richard Robson. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 6: 445 (1991).

- Synthesis of the novel infinite-sheet and -chain copper(I) complex polymers {[Cu(C₄H₄N₂)_3/2(CH₃CN)](PF)₆).cntdot.0.5C₃H₆O}.infin. and {[Cu₂(C₈H₁₂N₂)₃](ClO_{4)2}.infin. and their x-ray crystal structures}. Susumu Kitagawa, Megumu Munakata, Tadashi Tanimura. Inorg. Chem. 31: 1714-1717 (1992).

- Assembly of porphyrin building blocks into network structures with large channels. B. F. Abrahams, B. F. Hoskins, D. M. Michail & R. Robson. Nature 369: 727–729 (1994).

- Selective binding and removal of guests in a microporous metal–organic framework. O. M. Yaghi, Guangming Li & Hailian Li. Nature 378: 703-706 (1995).

- Functional Micropore Chemistry of Crystalline Metal Complex-Assembled Compounds. Susumu Kitagawa, Mitsuru Kondo. Bulletin of the Chemical Society of Japan 71: 1739-1753 (1998).

- Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Hailian Li, Mohamed Eddaoudi, M. O'Keeffe & O. M. Yaghi. Nature 402: 276-279 (1999).

- Systematic Design of Pore Size and Functionality in Isoreticular MOFs and Their Application in Methane Storage. Mohamed Eddaoudi, Jaheon Kim, Nathaniel Rosi, David Vodak, Joseph Wachter, Michael O'Keeffe, and Omar M. Yaghi. Science 295: 469-472 (2002).

- Reticular synthesis and the design of new materials. Omar M. Yaghi, Michael O'Keeffe, Nathan W. Ockwig, Hee K. Chae, Mohamed Eddaoudi & Jaheon Kim. Nature 423: 705-714 (2003).

La quantització macroscòpica (Clarke, Devoret, Martinis; Premi Nobel de Física 2025)

La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Física 2025 a John Clarke, Michel E. Devoret i John M. Martinis «per la descoberta de la tunelació de mecànica quàntica macroscòpica i la quantització d'energia en un circuit elèctric». Els tres guardonats es repartiran a parts iguals els 11 milions de corones sueques. Els tres el reben essencialment per un mateix treball en el qual col·laboraren com a doctorand (Martinis), postdoc (Devoret) i cap de grup (Clarke), quan tenien respectivament 27, 32 i 43 anys.

En aquesta imatge de Pasquale Carelli del 15 d’octubre del 2006 veiem el comportament d’una unió túnel superconductora d’òxid de niobi i d’alumini.

John Clarke

John Clarke (*1942) va estudiar a la Perse School. Es graduà en Ciències Naturals en el Christ’s College de Cambridge (1964). En el 1965 ingressà en el nou Darwin College de Cambridge, on fou president de l’associació d’estudiants. Es doctorà en física al Royal Society Mond Laboratory de Cambridge (1968), amb una tesi supervisada per Brian Pippard (1920-2008). El treball doctoral se centrà en el desenvolupament d’un galvanòmetre ondulatori superconductor de baixa inductància (SLUG). Ha fet tota la carrera professional a la University of California, Berkeley, com a professor ajudant (1969), professor associat (1971) i professor titular de física (1973-2010). Actualment és professor emèrit de la Graduate School de la University of California, Berkeley. Alhora ha estat vinculat a Cambridge com a professor visitant.

Michel E. Devoret

Michel E. Devoret (*Paris, 5.3.1953) es va diplomar en enginyeria en la promoció del 1975 de l’École national supérieure des télécommunications. El 1976 obtingué el diploma d’estudis avançats d’òptica quàntica a la Université d’Orsay. Es doctorà amb un tesi sobre les transicions de fase de l’hidrogen i del deuteri sòlids preparada al grup de la física de la matèria condensada Laboratoire CNRS de Photophysique Moléculaire (1982) sota la supervisió de Neil S. Sullivan (*1942). Realitzà una estada postdoctoral a la UC Berkeley (1982-1984) en el laboratori de John Clarke. De retorn a França fundà amb Daniel Esteve (*1954) i Cristian Urbina el grup de Quantronique del CEA-Saclay, dedicat a la física mesoscòpica de circuits elèctrics quàntics. El 1996 va fer una estada al laboratori de Hans Mooij, de Delft. Ha estat professor de física aplicada a la Universitat de Yale (2002-2024), professor de física mesoscòpica al Collège de France (2007-2012), professor de la UC Santa Barbara, director científic de Google Quantum AI Lab.

John M. Martinis

John M. Martinis (*1958) es graduà en física a la University of California, Berkeley (1980). Realitzà la tesi doctoral al laboratori de John Clarke sobre la tunelació quàntica macroscòpica i la quantització a nivell energètic en l’estat de voltatge zero de la unió de Johnson amb biaix de corrent. Realitzà el postdoctorat al Comissariat à l’Energie Atomique de Saclay, i després treballà a la Electromagnetic Technology Division del NIST de Boulder. En el 2004 esdevingué professor de física experimental de la UC Sant Barbara, de la qual n’és emèrit des del 2017. Ha treballat al Google Quantum AI Lab (2014-2020) i al Silicon Quantum Computinng (des del 2020). Actualment és el cap tecnològic de Qolab, companyia que va cofundar en el 2022.

La tunelació quàntica macroscòpica

La física quàntica es fonamenta en l’evidència que els bescanvis d’energia es fan en paquets discrets. Ara bé, aquests paquets són d'escala tan petita que no associem gairebé mai la física quàntica al món macroscòpic, on regnaria la física clàssica. Òbviament, però, la física quàntica té conseqüències macroscòpiques més enllà i tot del gat mental de Schrödinger. La qüestió concreta és fins a quina mida d'un sistema es poden observar diferents fenòmens quàntics. Els experiments de Clarke, Devoret i Martins en xips demostraren que aquesta mida pot arribar a l’ordre de centímetres.

Entre el 1984 i el 1985, Clarke, Devoret i Martinis construïren a la UC Berkeley un circuit elèctric amb dos superconductors. Els superconductors eren separats per una fina capa de material aïllant. El dispositiu permetia controlar el comportament de totes les partícules carregades del superconductor, anàlogament a com ho faria una sola partícula.

Aquest sistema pot arribar a un estat on el corrent elèctric flueix a un voltatge zero. Per tal d’escapar a aquest estat i generar un voltatge elèctric aquest sistema mesoscòpic ha de passar per un efecte túnel quàntic. L’energia del circuit elèctric és quantitzada en el sentit que tan sols pot absorbir o metre energia en paquets específics discrets.

El nom d’efecte túnel fou introduït per George Gamow en el 1928 per explicar la desintegració d’alguns nuclis atòmics pesants: la interacció nuclear forta crea una barrera al voltant del nucli, però aquesta barrera pot presentar eventualment un túnel que permeti l’escapament de partícules.

La interpretació de Copenhague de la física quàntica entén la tunelació com a procés mecànic quàntic amb una probabilitat associada. Aquesta probabilitat se sol determinar a través del comportament macroscòpic, com per exemple a través de la semivida d’un determinat nucli atòmic inestable.

La quantització energètica del circuit elèctric

La física clàssica explica el corrent elèctric per la capacitat dels electrons de moure’s lliurement dins d’un material conductiu. Alguns materials són considerats superconductors perquè els electrons hi poden arribar a fluir sense cap resistència. Leon Cooper, John Bardeen i Robert Schrieffer descrigueren el funcionament dels superconductors, amb el concepte cabdal de ‘parell de Cooper’ per referir-se a l’aparellament d’electrons.

Els parells de Cooper tenen un comportament ben diferent dels electrons ordinaris. Els electrons ordinaris són marcats pel principi d’exclusió, com es manifesta en el comportament de l’escorça electrònica dels àtoms. El parell de Cooper, en canvi, funciona com una sola unitat, un únic sistema de mecànica quàntica, de forma que se’ls pot descriure a través d’una sola funció d’ona.

En el 1962 Brian Josephson calculà la mecànica quàntica de dos superconductors units per una fina barrera aïllant. Per això aquest sistema rep el nom d’unió de Josephson.

La unió de Josephson fou la base del treball de Clarke, Devoret i Martinis per tal de demostrar una tunelació quàntica macroscòpica. Un dels reptes era controlar qualsevol element que hi pogués interferir. Així incorporaren filtres de microones de pols de coure. Sota un corrent feble, el voltatge d’un circuit que passa per una unió de Josephson depèn de la resistència elèctrica. El valor inicial de voltatge ha d’ésser zero d’acord amb la funció d’ona dels dos superconductors. L’efecte túnel es manifestaria com l’escapament d’aquest estat i l’establiment d’un cert voltatge en el circuit. La repetició dels experiments els permeté calcular la durada mitjana de l’estat de voltatge zero (Devoret et al., 1984).

El comportament quàntic de la unió de Josephson és independent d’escala, perquè els parells de Cooper es comporten com una sola partícula gegant. Quan el circuit era exposat a microones de diferent freqüència, la durada mitjana del voltatge zero canviava.

En les dècades anteriors hom havia constatat fenòmens quàntics en sistemes macroscòpics com ara làsers, superconductors i superfluids, derivats dels seus components microscòpics. En el treball de Clarke, Devoret i Martinis l’efecte quàntic macroscòpic sobre el voltatge resulta d’un estat macroscòpic (Martinis et al., 1985; Devoret et al., 1985).

Martinis utilitzà aquest fenomen macroscòpic quàntic per assolir un sistema computacional quàntic. Un circuit elèctric amb estats quantitzats pot emmagatzemar informació en bits quàntics (Bouchiat et al., 1998). Martinis et al. (2002) dissenyaren i operaren un circuit basat en una unió de Josephson de manera que els dos nivells quàntics d’energia més baixos implementaven un qubit en estat sòlid. Koch et al. (2007) desenvoluparen un tipus de qubit superconductor, transmon, alternatiu al qubit de càrrega.

Els circuits quàntics superconductors també tenen un potencial com a controladors quàntics de sistemes mecànics (O’Connell et al., 2010).

Lligams:

- Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.

- Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. Michel H. Devoret, John M. Martinis, Daniel Esteve, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 53: 1260 (1984).

- Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 55: 1543 (1985).

- Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction. Michel H. Devoret*, John M. Martinis, and John Clarke. Phys. Rev. Lett. 55: 1908 (1985).

- Macroscopic quantum tunneling and energy-level quantization in the zero voltage state of the current-biased Josephson junction. J. M. Martinis (1985).

- Quantum coherence with a single Cooper pair. V Bouchiat, D Vion, P Joyez, D Esteve and M H Devoret. Physica Scripta 1998 165 (1998).

- Rabi Oscillations in a Large Josephson-Junction Qubit. John M. Martinis, S. Nam, and J. Aumentado, C. Urbina. Phys. Rev. Lett. 89: 117901 (2002).

- Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box. Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin, R. J. Schoelkopf. Phys. Rev. A. 76: 042319 (2007).

- Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. A. D. O’Connell, M. Hofheinz, M. Ansmann, Radoslaw C. Bialczak, M. Lenander, Erik Lucero, M. Neeley, D. Sank, H. Wang, M. Weides, J. Wenner, John M. Martinis & A. N. Cleland. Nature 464: 697-703 (2010).