La resistència a cefalosporines de tercera generació en ‘Escherichia coli’ isolada de bestiar domèstic sud-coreà

Microbiologia: La tasca continuada que fa la Divisió de Malalties Bacterianes de l’Agència de Quarantenes Animals i Vegetals del Ministeri d’Agricultura, Alimentació i Afers Rural de la República de Corea, amb seu a Gimcheon, combinada amb l’aportació de Tatsuya Unno, del Departament de Ciències Biològiques i Biotecnologia de la Universitat Nacional Chungbuk, ab seu a Cheongju, els ha permès presentar en un article a Frontiers of Microbiology les tendències evolutives i els determinants genètics en la resistència a cefalosporina de tercera generació d’isolats d’Escherichia coli procedents de bestiar domèstic al llarg del període de 14 anys que va del 2010 al 2023. L’estudi d’aquests isolats es fa en el context del concepte d’una sola salut, en el benentès que els enterobacteris presents en el bestiar domèstic tenen un potencial de transmissió als éssers humans a través de la cadena alimentària. Especialment perillosos són els enterobacteris resistents a cefalosporines de tercera generació. En aquest article, Kim et al. posen de manifest que la resistència és més prevalent en E. coli isolada de pollastres o de porcs, que no pas de bestiar boví. En la darrera dècada hi ha un augment de la prevalença de la resistència en E. coli isolada d’aviram sa. Prèviament, en el 2014, Kim et al. constaten un desplaçament en els genotips amb beta-lactamases d’ampli espectre (ESBL), de forma que blaCTX-M-14 desplaçà blaCTX-M-15 com a variant predominant. La majoria dels isolats resistents són, a més, multiresistents, de forma que són resistents no tan sols a la cefalosporina de tercera generació sinó també a fluoroquinolones i colistina. Aquests determinants de resistència són mitjançants per plàsmids IncF i Incl1, associats amb elements genètics mòbils com ISEcp1 o IS26: això fa que siguin altament transferibles. Els llinatges prevalents són ST752, ST457 i ST10. La multiresistència s’explicaria per megaplàsmids que combinen gens ESBL, mcr-1, gens resistència a metalls i de factors de virulència. D’aquesta forma l'E. coli multiresistent constitueix una amenaça emergent.

Esquemes d’alguns dels plàsmids isolats per Kim et al.

Escherichia coli

E. coli és l’espècie de bacteri més profundament coneguda. És un bacteri comensal facultatiu versàtil que habitat predominantment en els tractes gastrointestinals d’humans i animals. És un patogen oportunista, i se la considera una espècie sentinella en la monitorització de la resistència a agents antimicrobians. Darrera de no poques intoxicacions alimentàries hi ha la disseminació de gens de resistència a través de la cadena alimentària.

L’abús d’antibiòtics en la ramaderia intensiva genera una pressió selectiva en favor de l’aparició de soques resistents. L’Organització Mundial de la Salut considera les cefalosporines de tercera generació (3GC) com a antimicrobians d’importància crítica en el tractament d’infeccions bacterianes severes en medicina i veterinària. La proliferació de beta-lactamases d’ampli espectre (ESBLs) de tipus CTX-M posa en entredit la seva eficàcia.

Kim et al. ofereixen dades d’un seguiment de 14 anys (2010-2023) de soques d’E. coli resistents a 3GC de diversos animals domèstics de Corea del Sud.

El Sistema Veterinari Coreà de Monitorització de Resistència a Antimicrobians

Són 16 els laboratoris o centres que participen en aquesta monitorització. Treballen sobre carcasses bovines, porcines, de pollastre i d’ànec, així com de femta. Prenen mostres en hisop, i després proven de cultivar-les en àgar MacConkey. La identificació de soques d’E. coli les fan per MALDI-TOF.

En aquests 14 anys, s’han collit 15.397 isolats d’E. coli.

De cada isolat es fan proves de susceptibilitat a un ventall d’agents antimicrobians (cefoxitina, cloramfenicol, ciprofloxacina, colistina, gentamicina, àcid nalidíxic, estreptomicina, tetraciclina i trimetroprim/sulfametoxazol).

Per a un total de 214 soques resistents a 3GC, es realitzen PCRs per a identificar els tipus de gens blaCTX-M.

La transferibilitat dels gens bla era assajada en experiments d’aparellament sòlid, utilitzant E. coli J53 com a soca receptora.

PCR múltiplex i seqüenciació pel mètode de Sanger permeten determinar el context genètic dels gens ESBL.

El tipatge de seqüència multi-locus (MLST) fou realitzat sobre 214 soques resistents a 3GC. Aquest tipatge incloïa set gens de referència (adk, fumC, gyrB, icd, mdh, purA, i recA).

Alguns dels isolats d’E. coli foren seqüenciats en la plataforma Illumina.

Les tendències evolutives

La resistència a 3GC en E. coli és de baixa prevalença en bestiar boví, però és més habitual en porcs i pollastres. La resistència és més prevalent en soques procedents d’animals malalts que no pas d’animals sans. En els darrers anys la prevalença en pollastres sans ha passat del 5% al 10%.

Kim et al. han identificat un total de nou variants de gens blaCTX-M. A partir del 2014 constaten un augment de la prevalença de la variant blaCTX-M-55.

Els isolats que produeixen CTX-M tendeixen a presentar co-resistència envers altres agents antimicrobians.

La transferibilitat dels gens CTX-M és desigual. Això s’explica pel fet de trobar-se en diferents tipus de plàsmids. En conseqüència, també són diferents els ambients genètics.

Les soques resistents a 3GC són molt diverses genèticament: de 174 soques analitzades en resulten 64 tipus diferents. Per exemple, el gen blaCTX-M-55 es troba en llinatges diferents com ST457, ST2170 i ST10.

La seqüenciació genòmica de cinc soques resistents a 3GC posa de manifest que contenen megaplàsmids d’uns 500 kbp de mida. Aquests megaplàsmids contenen un ampli rang de gens de resistència a agents antimicrobians, així com de gens de resistència a metalls. Els genomes també contenen determinants de factors de virulència.

Kim et al. recorden que les cefalosporines de tercera generació eren aprovades a Corea per al tractament d’infeccions de bacteris gramnegatius en animals de granja. El seu ús és la pressió selectiva que promou l’aparició de gens ESBL. La cosa empitjora perquè hi ha transferència horitzontal de gens de resistència, la qual cosa acaba promovent l’aparició de soques bacterianes multiresistents. La transferència horitzontal és facilitada pel fet que la majoria de gens de resistència es troben en plàsmids amb elements mòbils.

Lligams:

- Evolutionary trends and genetic determinants of third-generation cephalosporin resistance in Escherichia coli from Korean livestock: a 14-year longitudinal study, 2010–2023. Ji-In Kim, Ji-Hyun Choi, Md. Sekendar Ali, Md. Sekendar Ali, Bo-Youn Moon, Hee-Seung Kang, Ha-Young Kim, Yu-Jeong Hwang, Yeon-Hee Lee, Min Young Kim, Jae-Myung Kim, Tatsuya Unno, Suk-Kyung Lim. Front. Microbiol. (2026).

La dinàmica de formació de cúmuls estel·lars

Astrofísica: Alex Pedrini i Angela Adamo són els primers autors d’un article publicat avui a Nature Astronomy en el que, a partir de dades dels Telescopis Espacials Hubble (HST) i Webb (JWST), s’aprofundeix en com la massa d’un cúmul estel·lar regula positivament la taxa de formació de nous estels. Aquest és un problema obert en la comprensió del procés astrogènic. L’escala temporal de sorgiment de cúmuls estel·lars a partir dels núvols natals és un paràmetre bàsic del cicle de formació d’estels dins de les galàxies. Amb l’HST i el JWST, Pedrini et al. han observat milers de cúmuls estel·lars joves de quatre galàxies properes: M51, M83, NGC 628 i NGC 4449. Una fracció important dels cúmuls observats són encara inclosos dins del gas natal, i no són encara visibles en la franja de llum visible. Pedrini et al. han estimat l’escala temporal necessària per a la dispersió del material interestel·lar. Hi ha una forta correlació entre l’escala temporal de dispersió i la massa del cúmul, de manera que els cúmuls massius emergeixen més ràpidament que els cúmuls de massa inferior. Els cúmuls massius tindrien un paper central en la promoció de l’escapament de radiació ionitzant cap al medi galàctic. Això significa d’altra banda restringir la finestra temporal de formació de planetes en cúmuls massius, ja que els discs protoplanetaris es veuen exposats a irradiació ultraviolada la qual limita l’acreció de gas.

Imatge elaboradora a partir de dades del HST i del JWST que mostra un complex astrogènic de la galàxia M51

L’astrogènesi

L’astrogènesi o formació d’estels consisteix en el col·lapse gravitacional de regions d’alta densitat de núvols moleculars gegants. Aquest col·lapse condueix a la formació de cúmuls de sistemes estel·lars.

En un cúmul o associació estel·lar són els estels massius (amb >15 masses solars) els responsables de la immensa majoria de l’energia i moment alliberat al medi circundant. En aquest alliberament participa una combinació de processos que rep el nom de retroalimentació estel·lar. La retroalimentació estel·lar condueix a la destrucció del núvol natal per fotoionització, vents estel·lars, pressió radiativa i explosions de supernova). Aquesta retroalimentació estel·lar explica la ineficiència relativa de l’astrogènesi en galàxies: tan sols una fracció de gas disponible en una galàxia arribarà a formar estels.

L’estudi de cúmuls estel·lars joves pot ajudar a entendre les escales temporals d’aquests processos. Ara bé, estudiar-ne els de la Via Làctia i la resta del Volum Local (menys de 10 megaparsecs) és complex. I estudiar-ne els de més enllà requereix una bona sensibilitat i resolució. Justament és això el que forneixen els telescopis espacials Hubble (HST) i Webb (JWST). Amb ells, Pedrini et al. han cartografiat poblacions de cúmuls estel·lars joves de galàxies properes en el context de regions astrogèniques. Hom pot distingir els cúmuls estel·lars joveníssims, caracteritzats per la presència de pols dels núvols natals, així com d’hidrogen ionitzat i la línia d’emissió de 3,3 μm dels hidrocarburs aromàtics policíclics.

Els cúmuls estel·lars joves emmergents

Pedrini et al. han emprat observacions de la NIRCam de JWST per identificar cúmuls estel·lars joves emergents a una escala de 4-8 parsecs en quatre galàxies properes. Adamo és la investigadora principal de Feedback in Emerging extrAgalactic Star clusTers (FEAST), projecte que seleccionà com a mostra aquestes quatre galàxies: M51, M83, NGC 628 (=M74) i NGC 4449. Cada galàxia té un ambient i metal·licitat característics.

Imatges d’arxiu de HST ajudaren a identificar cúmuls estel·lars joves òptics.

Pedrini et al. defineixen tres fases en un cúmul estel·lar jove:
- eYSCI: són fonts compactes i brillants on el component estel·lar encara roman associat a regions H II.
- eYSCII: l’associació a regions H II roma, però ja no hi ha detecció d’hidrocarburs aromàtics policíclics.
- oYSC: el cúmul estel·lar ja és visible òpticament. És un cúmul encara jove en el sentit que no ha complert encara els primers 10 milions d’anys d’existència.

L’escala temporal es pot mesurar com la fracció de cúmuls estel·lars joves que encara no han emergit (eYSC sobre el total de YSC) multiplicada per 10 milions d’anys.

Pedrini et al. han analitzat una població total de 8900 cúmuls estel·lars joves. Val a dir que tan sols una petita fracció d’aquests cúmuls tenen masses superiors a 10000 masses solars. No obstant, la població analitzada és representativa per a cúmuls de masses inferiors a 1000 masses solars.

Per als cúmuls estel·lars joves de masses inferiors a 1000 masses solars, és evident la relació positiva entre aquesta massa i la rapidesa amb la qual es passa de la categoria eYSC a oYSC, és a dir al punt de l’emergència del núvol natal. Per a cúmuls més massius sembla que la xifra de 4,9 milions d’anys per acomplir aquest procés ja no es pot superar gaire, però Pedrini et al. alerten que la mostra analitzada és insuficient per arribar a una conclusió ferma

Com més massiu és un cúmul estel·lar més ràpidament evoluciona cap a una situació en la qual s’atura l’astrogènesi. Ara bé, les quatre galàxies analitzades mostren diferències en aquesta relació. En la galàxia M51 la maduració dels cúmuls estel·lars és més lenta, i pot arribar als 9 milions d’anys en els cúmuls menys massius: és possible que això respongui a interaccions mareals amb una galàxia satèl·lit. En la galàxia NGC 628 hi ha menys contrast en l’escala temporal de cúmuls massius i cúmuls menys massius. En canvi, aquest contrast es ben pregon a la galàxia M83. La galàxia NGC4449, amb una metal·licitat mitjana d’1/3 de la metal·licitat solar, té un escala temporal de cúmuls estel·lars molt més breu que les altres galàxies espirals.

Pedrini et al. consideren que aquests resultats són rellevants per a la teoria de formació e planetes. Els discs protoplanetaris depenen força de l’ambient immediat. Així, els cúmuls estel·lars massius (de més de 10.000 masses solars) són hostils a la formació de discs protoplanetaris.

Lligams:

- The emerging timescale of young star clusters regulated by cluster stellar mass. Alex Pedrini, Angela Adamo, Daniela Calzetti, Arjan Bik, Thomas J. Haworth, Bruce G. Elmegreen, Mark R. Krumholz, Sean T. Linden, Benjamin Gregg, Helena Faustino Vieira, Varun Bajaj, Jenna E. Ryon, Ahmad A. Ali, Eric P. Andersson, Giacomo Bortolini, Michele Cignoni, Ana Duarte-Cabral, Kathryn Grasha, Natalia Lahén, Thomas S.-Y. Lai, Drew Lapeer, Matteo Messa, Göran Östlin, Elena Sabbi, Linda J. Smith & Monica Tosi. Nature Astronomy (2026).

La dieta vegetal dels maoris de Waikato en el segle XVIII

Antropologia: El Grup de Treball Waka Kotahi Tangata Whenua nasqué amb la intenció de garantir la representació de marae i hapu locals en el projecte de construcció de la Via Ràpida de Waikato en la zona de Taupiri Maunga, muntanya sagrada per als Waikato-Tainui. En el curs de la construcció es descobrí accidentalment un enterrament de tūpuna (ancestres). L’antròpologa Rebecca L. Kinaston és l’autora primera i corresponsal d’un article a Nature Communications on s’indaga en l’alimentació d’aquests ancestres del segle XVIII. Val a dir que les històries orals maori, els relats etno-històrics i dades arqueològiques ja indicaven a que l’horticultura del kūmara (Ipomoea batatas) i el taro (Colocasia esculenta) foren claus en el creixement demogràfic i el canvi cultural d’aquest període. Kinaston et al. han investigat la dieta, el lloc de residència i el sexe cromosòmic d’aquestes kōiwi tangata (restes humanes). Les dades arqueològiques assenyalen que ja des del segle XVI a la regió hi havia una horticultura intensiva. Les restes humanes investigades remuntarien al període 250-170 abans del Present, i es correspondrien a un enterrament secundari compartit en una fossa excavada durant el Període Tradicional de la història Māori, en un ric context artístic, arquitectònic, cosmològic i genealògica (whakapapa). Les anàlisis isotòpics i de pèptids d’esmalt indiquen que els set tūpuna seguien una dieta basada principalment en aliments vegetals. Dos infants (cromosòmicament mascle i femella) eren probablement locals i foren deslletats amb aliments vegetals en el segon o tercer any de vida. Així doncs, les investigacions refermen la idea de la centralitat de l’horticultura a Waikato durant el Període Tradicional, amb una dieta predominantment vegetal.

El riu Waikato al seu pas per Hamilton

El Període Tradicional Maori

Les dades arqueològiques situen el primer assentament humà d’Aotearoa a mitjan segle XIII. Aquests habitants procedien de la Polinèsia Oriental. Algunes històries maorís conviden a pensar en un poblament més antic, però coincideixen en contrastar la terra tropical d’origen d’aquests pobladors, Hawaiki, amb la climatologia temperada d’Aotearoa.

Els jaciments del Període Inicial (1250-1450 d.C.) d’Aotearoa assenyalen que els pobladors depenien d’una dieta variada de recursos animals marins i terrestres. Eren poblacions nòmades, que realitzaven circumnavegacions al voltant de les dues illes principals. També introduïren collites hortícoles procedents de la Polinèsia Oriental. Transformaren el paisatge a gran escala. La caça especialitzada en grans mamífers marins i aus terrestres (moa) adquirí gran rellevància.

En el Període Mitjà o Transicional (1450-1650 d.C.) i, encara més en el Període Tradicional (1650-1769 d.C.), hi hagué una tendència cap a un assentament més regionalitzat. A Te Ika-a-Maui (l’illa del Nord) hi hagué una intensificació hortícola més marcada que a Te Waipounamu (l’illa del Sud). Tot i amb tot, les activitats recol·lectores (mahinga kai) continuaren.

A la Conca del riu Waikato, al voltant de la ciutat de Hamilton (Kirikiriroa), les històries orals, els relats etno-històrics i el registre arqueològic ha permès definir el Complex Hortícola de Waikato. Des del segle XVI s’hi hauria fet una horticultura intensiva, gràcies als sòls al·lofànics derivats de tefra, rics en carboni orgànic i amb un bon drenatge i aireig.

Els principals tubercles cultivats pels maoris eren la kūmara i, en menor mesura, el taro i l’uhwikāho (Dioscorea alata). Tots ells foren introduïts a Aotearoa des de la Polinèsia Oriental, possiblement en diferents etapes. La base de la intensificació hortícola foren els aclariments de boscos ja iniciats des del 1250 d.C. A Waikato els horts eren establerts després d’abatre arbres i cremar-hi les soques. Els sòls eren adobats amb material lític (sorra i grava), que era extret del subsòl.

Els jaciments arqueològics assenyalen aquesta activitat hortícola, alhora que mostren una absència de restes faunístiques (de fauna marina, fluvial o terrestre).

Kinaston et al. presenten en aquest treball una investigació sobre les vides de set tūpuna que haurien viscut entre el 1700 i el 1780, i que foren enterrats en una fossa. En primer lloc fan una descripció del ritual de soterrament d’aquestes kōiwi tangata, i seguidament un estudi osteològic i una anàlisi d’esmalt dentari per fracció isotòpica i peptídica. També fan una determinació del sexe cromosòmic. Les dades permeten deduir pràctiques de deslletament i lloc de residència durant la infantesa.

Set kōiwi

Kinaston et al. presenten resultats de la distribució isotòpica de la col·làgena òssia de set kōiwi. Tan sols de dos individus (Kōiwi 2 i Kōiwi 4) presentaven primers molars permanents, i és d’ells que es publiquen dades de pèptids d’esmalt, de fracció isotòpica (δ13C i δ15N) de dentina i de fracció isotòpica (δ13C, 87Sr/86Sr) d’esmalt.

Pèptids d’esmalt

Tant de Kōiwi 2 com de Kōiwi 4 es recuperaren pèptids d’amelogenina de les mostres de dents. Kōiwi 4 presenta els pèptids AMEL-X i AMEL-Y, indicatius de sexe cromosòmic masculí. Kōiwi 2 tan sols presenta pèptids AMEL-X, i se’n dedueix un sexe cromosòmic femení.

Les fraccions isotòpiques δ13C i δ15N de col·làgena òssia

De tots set individus es van poder prendre mostres de col·làgena òssia de prou qualitat (amb un %N d’entre 11-16%; amb un %C > 30%; i una ratio C:N d’entre 2,9 i 3,6).

Kinaston et al. admeten que es tracta d’una mostra petita, de 3 adults i de 4 no-adults. Aventuren la dada que els adults tenien un valor de δ15N un 0,7‰ superior als no-adults, entre que el valor de δ13C seria més semblant. Els no-adults presentaven una edat osteològica d’entre 5 i 15 anys.

Les fraccions isotòpiques δ13C i δ15N de dentina

Les mostres de micropunxada de dentina segueixen un criteri de qualitat semblant al de la col·làgena, per bé que la ratio C:N s’hauria de situar entre 3,1 i 3,6.

Per als dos individus analitzats, Kōiwi 2 i Kōiwi 4 es fa una comparació dels valors de δ13C de la dentina coronal de la junció cemento-esmalt, i del carbonat de l’esmalt. Això permet una estimació de la contribució a la dieta de plantes C3 i de plantes C4/aliments marins durant el període d’infantesa (1,9-3,5 anys d’edat). Kōiwi 2 i Kōiwi 4 seguien una dieta basada en plantes terrestres C3.

La fracció isotòpica d’estronci de l’esmalt dentari.

La ratio 87Sr/86Sr és informativa d’origen geogràfic si hom atén al mapa isotòpic d’estronci d’Aotearoa. En efecte, la ratio depèn del lloc de residència en el període d’infantesa (1,9-3,5 anys d’edat). Kōiwi 2 i Kōiwi 4 haurien crescut probablement a Tamahere, o potser als Llacs de Rotorua. No obstant, Kinaston et al. pensen que l’edat primerenca de la mort (7-9 anys en el cas de Kōiwi 2; i 9-15 anys en el cas de Kōiwi 4) s’adiu amb un origen local a Tamahere.

Localitat i dieta vegetal

Les dades isotòpiques òssies i dentals dels set tūpuna de Tamahere indiquen una dieta basada principalment en vegetals. Cal pensar en una dieta basada en plantes C3 com la kūmara i, en menor mesura, taro i uwhikāho. Kinaston et al. descarten altres fonts vegetals atenent a un desgast dental no pas sever. Ara bé, aquesta dieta vegetal es tradueix en una taxa elevada de caries.

Els valors isotòpics de col·làgena òssia i de dentina representen principalment la proteïna de la dieta, ja que són els aminoàcids procedents dels aliments els qui es vehiculen preferencialment per a la síntesi de teixit. Les dades dels individus de Tamahere reflecteixen una relativa absència d’aliments rics en proteïna com carn o peix. Efectivament els valors baixos en la col·làgena de δ13C i δ15N indiquen una font proteica de baix nivell tròfic, concretament de plantes terrestre que fan la fotosíntesi C3. El consum de proteïna animal devia ser esporàdic, potser aus silvestres, o bé kurī (Canis familiaris) o kīore (Rattus exulans) alimentats amb kumara i altres tubercles.

Mig mil·lenni després de la colonització inicial d’Aotearoa, els maoris de Waikato ja havien desenvolupat plantacions prou productives com per collir emmagatzemar prou tubercles per a fer-ne el principal aliment durant tot l’any, per bé que el cultiu de la kūmara és estacional. A la regió hi hauria hagut uns 500 horts, i 200 llocs fortificats (pā). Un subproducte de l’activitat hortícola foren milers de fosses excavades prop dels rius Waikato i Waipā.

Aquesta dieta vegetal impactava en el deslletament dels infants. Kōiwi 2 mostra la caiguda en el valor de δ15N de la dentina entre el naixement i els 2,5 anys d’edat. Kōiwi 4 hauria seguit un deslletament complet cap als 3,2 anys d’edat.

L’enterrament en fossa on es trobaren les restes d’aquests individus era secundari i col·lectiu. La tradició oral explica aquests enterraments secundaris amb l’objectiu d’evitar que els enemics s’apoderessin de les restes d’enterraments primaris per robar-ne la força vital (mana). Les restes humanes analitzades no mostres signes de violència però sí marques de tall postmortem.

Lligams:

- Horticultural intensification and plant-based diets of 18^th century CE Waikato Māori in Aotearoa New Zealand. Rebecca L. Kinaston, Sian Keith, Beatrice Hudson, Jonny Geber, Torsten Kleffmann, Claudine Stirling, Malcolm Reid, David Barr, Robyn Kramer, Emma Sudron & Waka Kotahi Tangata Whenua Working Group. Nature Communications 17: 3040 (2026).

La combinació TXA11114+Levoxfloxacina contra el bacteri ‘Pseudomonas aeruginosa’ multiresistent

Farmacologia: Ajit Parhi i col·laboradors seus treballen per a TAXIS Pharmaceuticals. En un article a la revista Antibiotics, amb Jesus D. Rosado-Lugo, Pratik Datta i Ahmad Altiti com a primers autors, expliquen la descoberta de TXA11114, un inhibidor de la bomba d’extrusió, que potencia l’eficàcia de la levofloxacina conra el bacteri Pseudomonas aeruginosa. Les formes multiresistents de P. aeruginosa constitueixen una amenaça clínica. Bona part de la multiresistència d’aquests microorganismes s’expliquen per bombes transmembrana que tenen la capacitat de reduir les concentracions intracel·lulars d’antibiòtics. Rosado-Lugo et al. han identificat i caracteritzat una petita molècula, catalogada per la seva companyia com a TXA11114 que actua com un inhibidor d’aquestes bombes. Això fa que tingui la capacitat de restaurar l’activitat antibacteriana de la fluoroquinolona levofloxaciona contra P. aeruginosa multiresistent. Ho han avaluat en assaigs de concentració mínima inhibidora sobre panells d’isolats clínics d’aquest bacteri. També hi han aplicat assaigs d’acumulació de levofloxaciona o de bromur d’etidi, mesures de permeabilitat de membrana externa, i seqüenciació genòmica de mutants amb potenciació alterada. L’eficàcia in vivo l’han mesurada en models d’infecció en ratolí de cuixa i de pulmó. També han realitzat assaigs de citotoxicitat i perfils farmacocinètics. La combinació TXA11114-levofloxacina és capaç de reduir en més d’un ordre de magnitud la càrrega bacteriana en les infeccions murines: ho fa d’una manera més eficaç que la monoteràpia de levofloxacina. TXA11114 actua com a inhibidor de bombes, la qual cosa augmenta l’eficàcia no tan sols de la levofloxacina sinó també de antibiòtics beta-lactàmics, tetraciclines, cloramfenicol o trimetoprim-sulfametoxazol. Els autors tenen la intenció d’avaluar altres inhibidors de bombes i d’aclarir també quina és la diana molecular exacta de TXA11114.

TXA11114 és capaç d’inhibir bombes d’excreció, la qual cosa fa que augmenti els nivells intracel·lulars d’antibiòtics fins al punt de potenciar-ne l’activitat tant in vitro com in vivo

La lluita contra les resistència a agents antimicrobians

Els microorganismes resistents a antibiòtics provoquen anualment més d’un milió de morts de forma directa, i quatre milions més de forma associada. La tendència és que la taxa de resistència dels microorganismes infecciosos pugi.

En els patògens bacterians gramnegatius bona part de la resistència s’explica per múltiples determinants, ajudats per la impermeabilitat de la membrana externa (que és la base de la negativitat de la tinció Gram amb cristall violeta). Un exemple d’aquests bacteris és Pseudomonas aeruginosa, habitual en infeccions nosocomials i/o cròniques. Moltes soques d’aquesta espècie presenten resistències, i una minoria ho fan de manera múltiple o extensa.

La resistència es pot basar en una reducció de l’absorció d’antibiòtic, en una metabolització o inactivació enzimàtica, o una extrusió activa.

Bona part del sistemes d’extrusió són catalitzats per una família de transportadors tripartits RND (resistència-nodulació-divisió). Rosado-Lugo et al. tenen especial interès en inhibidors d’aquestes bombes, amb la idea de fer-los servir en combinació amb antibiòtics. A TAXIS Pharmaceuticals ja han identificat prèviament TXA01182 i TXA09155. Sobre aquestes molècules pensaren en la introducció de substituents β-fluor que n’augmentessin la lipofilicitat.

La síntesi d’anàlegs fluorinats

La monofluoració de TXA01182 en C-3 produeix TXA11114. Si el procés es fa en C-4, apareix TXA11164. La difluoració en C-3 i C-4 genera TXA12027. Aquests canvis produeixen alteracions en els valors de pKa.

La potenciació de la levofloxacina

Les molècules resultants de la fluoració foren combinades amb la levofloxacina en un assaig d’activitat antibacteriana contra P. aeruginosa ATCC 27853. L’assaig mostrava que tan sols TXA11114 tenia la capacitat de multiplicar per vuit l’activitat antibacteriana de la levofloxacina.

La potenciació d’altres antibiòtics

En altres assaigs, TXA11114 mostrà capacitat per potenciar l’acció d’altres antibiòtics contra P. aeruginosa. La potenciació més forta s’assolia amb tetraciclines.

La potenciació de l’acció de la levofloxacina contra isolats clínics de P. aeruginosa

TXA11114 era capaç de multiplicar per vuit o més l’activitat antibacteriana de la levofloxacina contra el 85% dels isolats clínics de CDC de P. aeruginosa. De 20 isolats multiresistents, 13 passaven a ésser susceptibles a levofloxacina gràcies a TXA11114.

TXA11114 no afecta la integritat de la membrana bacteriana

Rosado-Lugo et al. aplicaren un assaig de citometria de flux basada en iodur de propidi per assajar la permeabilització de la membrana interna de P. aeruginosa. La permeabilització de la membrana exterior era assajada amb nitrocefina.

Amb aquests assaigs van constatar que TXA11114 no produeix disrupcions de membrana en concentracions per sota de 25 μg/mL.

TXA11114 bloca l’extrusió de bromur d’etidi

TXA11114 té la capacitat d’inhibir l’extrusió de bromur d’etidi per part de P. aeruginosa ATCC 27853. Aquesta capacitat es pot seguir a través de la fluorescència induïda pel bromur d’etidi en reaccionar amb l’ADN bacterià.

P. aeruginosa DA7232 és altament resistent a la levofloxacina degut a mutacions en la ADN-girasa (gyrA-T83I) i la topoisomerasa IV (parC-S80L). No obstant, quan TXA11114 assoleix una concentració de 6,25 µg/mL n’hi ha prou amb 1 µg/mL de levofloxacina per inhibir aquesta soca bacteriana. La fluorescència indica que aquest efecte és degut a una acumulació intracel·lular de levofloxacina.

L’acció de TA11114 sobre el potencial de membrana interna i el contingut intracel·lular d’ATP

Les bombes RND requereixen per al seu funcionament un potencial de la membrana interna on són ancorades. Aquest potencial es pot visualitzar amb el fluorocrom DiOC2(3), que vira de verd a vermell si no hi ha potencial. TXA11114 no indueix despolarització de membrana.

TXA11114 tampoc no indueix una depleció d’ATP.

TXA11114 potencia l’acció de la levofloxacina en soques bacterianes que sobreexpressen bombes d’extrusió

La mutació de pèrdua de funció del gen nalB provoca en P. aeruginosa una sobreexpressió de la bomba d’extrusió MexAB-OprM. Aquesta és la base de la resistència d’alguns isolats clínics a cefalosporines, fluoroquinolones o aminoglucòsids.

TXA11114 és capaç de potenciar l’efecte de la levofloxacina en una d’aquestes soques, K1455.

TXA11114 prolonga l’efecte post-antibiòtic de la levofloxacina

Els agents antimicrobians, fins i tot una vegada eliminats del medi, indueixen un endarreriment del creixement bacterià durant un període. Això s’anomena ‘efecte post-antibiòtic’, que podem interpretar com el temps necessari per a recuperar-se’n de l’efecte.

En P. aeruginosa ATCC 27853, l’efecte post-antibiòtic de la levofloxacina és de 4,9 hores. Aquest període, però, podia allargar-se a 6,3 hores si hi havia hagut presència de TXA11114.

La inducció de resistència

L’exposició de P. aeruginosa ATCC 27853 a levofloxacina indueix la selecció de mutants espontàniament resistents a aquest antibiòtic. Ara bé, en presència de TXA11114, no apareix aquesta resistència espontània.

La resistència a TXA11114

L’exposició de P. aeruginosa ATCC 27853 a TXA11114 provoca l’aparició de colònies resistents a una baixa freqüència. Aquesta resistència s’adquireix per mutacions de pèrdua de sentit del gen ompH, que codifica per una xaperona de membrana exterior. Paradoxalment, aquests mutants tornen més susceptibles a un ventall d’antibiòtics.

TXA11114 promou la mort bacteriana per levofloxacina

TXA11114 per ella mateixa no afecta el creixement de P. aeruginosa. És en combinació amb levofloxacina que enforteix la cinètica bactericida.

El perfil farmacocinètica de TXA11114

TXA11114 és una molècula prometedora per la seva alta solubilitat aquosa, cosa que pot afavorir la seva biodisponibilitat oral. Té una semivida de més de 2 hores en plasma sanguini humà, de gos, de rata o de ratolí. Té una semivida de més d’1 hora en presència de microsomes hepàtics. La unió a proteïnes plasmàtics depassa el 98%. No mostra efectes citotòxics contra les línies cel·lulars HEK293T i A549.

El potencial cardiotòxic de TXA11114

Rosado-Lugo et al. han examinat la inhibició induïda per TXA11114 sobre els canals iònics Nav1.5, hERG i Cav1.2. Encara que els valors són baixos, caldria fer estudis a diferents concentracions.

El potencial nefrotòxic de TXA11114

Rates mascles adultes Sprague Dawley foren exposades a una injecció de TXA11114 (10 mg/kg, IV, QD). Les anàlisis de sang al cap de 24 hores no indicaven marcador de lesió renal.

El perfil farmacocinètic de la combinació TXA11114+levofloxacina

En un model d’infecció pulmonar en ratolí per P. aeruginosa, la farmacocinètica de TXA11114 no es veia afectada per la presència de levofloxacina.

El perfil de toxicitat aguda de TXA11114

En ratolins femella s’establí que la dosi màxima tolerable de TXA11114 era superior a 60 mg/kg.

La combinació TXA11114+levofloxacina en infeccions murines de cuixa i de pulmó

En la infecció a la cuixa per P. aeruginosa, TXA11114 no afectava la càrrega bacteriana. La levofloxacina per ella sola podia reduir la càrrega bacteriana, però ho feia encara millor en combinació amb TXA11114.

Quelcom semblant s’observava en la infecció de pulmó per aquest bacteri.

Lligams:

- TXA11114: Discovery of an In Vivo Efficacious Efflux Pump Inhibitor (EPI) That Potentiates Levofloxacin Against Pseudomonas aeruginosa. Jesus D. Rosado-Lugo, Pratik Datta, Ahmad Altiti, Yongzheng Zhang, Jun Lu, Yi Yuan, Ajit K. Parhi. Antibiotics 15: 346 (2026).

El naixement d’un catxalot

Zoologia: Alaa Maalouf és investigador principal al Projecte CETI, que treballa en la comprensió del llenguatge dels catxalots. En el marc d’aquest projecte fan un seguiment a través de drons de grups de catxalots. Fou així com documentaren el 8 de juliol del 2023 el comportament de diversos individus en el naixement d’un catxalot al Carib. El grup on vivia la mare era format per dos llinatges matrilineals. Una femella membre de la família de la mare dirigí l’assistència al part, i tots els altres individus es dedicaren a fer pujar el nounat.

Maalouf et al. expliquen que la cooperació entre individus sense parentiu durant el naixement expressa la complexitat social del catxalot. En el marc del seguiment amb drons d’un grup de catxalots comprovaren com altres femelles del grup ajudaven la mare, incloent-hi individus que no hi tenien relació familiar o social.

La cooperació en el catxalot

La cooperació en els cetacis odontocets és especialment viscuda en societats complexes. En aquestes societats els individus s’agregen en famílies o bandes al seu torn integrades en clans.

En el catxalot (Physeter macrocephalus) la unitat social bàsica consisteix en múltiples llinatges matrilineals que tenen cura en comú de les cries i de la cerca d’aliments fins a constituir una associació de llarg termini.

En els cetacis cada individu femella té un nombre petit de descendents, que requereixen un temps relativament llarg fins que no arriben a l’edat adulta. El moment del part és especialment sensible. Els nounats tenen poca flotabilitat, i requereixen el suport d’adults per poder arribar a la superfície i respirar.

Un part del 8 de juliol del 2023

El 8 de juliol del 2023, a les 09:50, l’equip de recerca del Projecte CETI detectà una reunió a la superfície de les onze balenes que formaven part de la ‘Unitat A’ que seguien prop de l’illa de Dominica. Sabien que aquesta Unitat A era formada per dos grups matrilineals, genèticament diferenciats (bo i compartir haplotip mitocondrial) i que habitualment s’alimentaven per separat. Resultava estrany veure’ls plegats i a la superfície durant força estona.

Dos drons aeris registraren l’esdeveniment. A les 11:12 havia començat ja el part, i les aletes del nou nat ja emergien de la mare (Rounder, balena #5714). El procés durà 34 minuts. Altres femelles adultes es posicionaven al costat d’ella. A les 11:46 l’aparició de plomes de sang, seguides de la visió del nou nat, provocà la reacció del grup: els individus es tornaven per aixecar el nounat fins a fer-lo emergir. Aquesta fase de post-part es perllongà durant una hora. Els catxalots romanien plegats. També hi hagué passades de dofins (Lagenodelphis hosei) i balenes pilot (Globicephala macrorhynchus).

No fou fins passades unes hores que la unitat es dispersà gradualment en petits grups.

Maalouf et al. desenvoluparen eines per extraure dades de posició, identitat i interaccions a partir de les imatges de drons. Hom disposa de dades des del 2005 sobre el comportament d’aquest grup. Normalment hi ha una forta homofília, és a dir que els individus es relacionen segons el parentiu. Però en el moment del part, els dos grups familiars eren barrejats.

Els individus més implicats en el part foren, naturalment, la mare, una seva mig-germana, una jove sense parentiu i una femella gran del mateix llinatge. Però tots els membres de la unitat participaren en el suport del nounat.

Lligams:

- Cooperation by non-kin during birth underpins sperm whale social complexity. Alaa Maalouf, Joseph DelPreto, Maxime Lucas, Simone Poetto, Jacob Andreas, Antonio Torralba, Shane Gero, Giovanni Petri, Daniela Rus, and David F. Gruber. Science 391: 1355-1360 (2026).

La geometria aritmètica (Gerd Faltings, Premi Abel 2026)

Avui l’Acadèmia Noruega de Ciències i Lletres ha anunciat la concessió del Premi Abel 2026 a Gerd Faltings «per la introducció d’eines potents en geometria aritmètica i per resoldre les conjectures diofantines de Mordell i Lang.». El premi té una dotació de 7,5 milions de corones noruegues, fornides pel Ministeri d'Educació.

Gerd Faltings

Gerd Faltings (*Buer, Gelsenkirchen, 28.7.1954) és fill d'un físic i d'una química. De primer s'orientà per la física però al final decidí estudiar matemàtiques en haver-hi guanyat concursos en secundària. Es graduà a la Universitat de Münster i, després del servei militar, realitzà la tesi doctoral sota la supervisió de Hans Joachim Nastold sobre la macaulyficació en àlgebra commutativa (1978). Realitzà un postdoctorat a Harvard sobre geometria algebraica d'inclusions toroidals (1979). S'habilità a Münster en geometria formal i cohomologia local. Com a professor a la Universitat de Wuppertal (1982) guanyà prestigi en demostrar la conjectura de Mordell i formular així el teorema segon el qual una corba de genus major d’1 sobre el camp dels nombres racionals té un nombre finit de punts racionals (1983). En el 1984 es casà amb la també matemàtica de la Universitat de Wuppertal Angelika Tschimmel. El 1985 esdevingué professor de Princeton, on naixerien les dues filles del matrimoni, Christina i Ulrike.

A Princeton investigà les compactificacions toroidals i la teoria p-àdica de Hodge. Amb Gisbert Wűstholz demostrà el teorema de Roth sobre aproximacions diofantines de nombres algebraics. Aquest i altres treballs en geometria algebraica li valgueren la Medalla Fields en el 1986. Més endavant encara demostraria la conjectura Mordell-Lang segons la qual les varietats algebraiques de tipus general no tenen subconjunts densos de punts racionals.

El 1994 retornà amb la família a Alemanya ingressant en l’Institut Max Planck de Matemàtiques de Bonn (MPI). Entre el 1995 i el 2023 fou director de l’MPI. Hi va treballar en espais de mòduls, introduint el concepte de cobertes gairebé d’étale. Ara, com a director emèrit del MPI, encara fa recerca en geometria aritmètica.

Conjectures diofantines de Morrell i Lang

Podem entendre les equacions diofantines com a equacions polinòmiques de nombres racionals. La teoria de Galois s’adreçà a la dimensió zero de les equacions diofantines. La dimensió una es correspon a les corbes, que poden classificar-se segons el seu genus: si l’esfera té un genus de 0, el torus té un genus d’1, de tal manera que podem dir que el nombre de genus equival als forats d’aquestes superfícies tridimensionals.

Si l’esfera o el disc tenen un genus de 0, el torus un genus d’1, i la tetera un genus de 2, el genus de 3 es correspondria a un pretzel. Podem dir que el genus d’una corba complexa és el nombre de forats de la superfície real de Riemann de dues dimensions corresponent.

El teorema de Hasse-Minkowski s’adreça al problema diofantí de corbes de genus zero.

Una corba de genus u es correspon a una corba el·líptica. Henri Poincaré (1854-1912) conjecturà en el 1901 que el grup de punts racionals d’una corba el·líptica segueix una generació finita. Aquesta conjectura fou demostrada per Louis J. Mordell (1888-1972) en el 1922, qui alhora conjecturà que una corba de genus dos o superior té únicament un nombre finit de punts racionals.

La conjectura de Mordell romangué com el problema diofantí obert central fins la demostració citada per Faltings del 1983 (Faltings, 1983). Per comptes de fer-ho a través de l’aproximació diofantina, Faltings ho aconseguí a través de la conjectura de John Tate (1925-2019) sobre cicles algebraics i la d’Igor Shafarevich (1923-2017) sobre varietats abelianes. Segons el teorema de Faltings, per a qualsevol corba plana llisa de grau quatre o superior hi ha un nombre finit de punts racionals. Un cas especial d’aquestes corbes són les corbes de Fermat xⁿ+yⁿ=zⁿ, per a un exponent n ≥ 4.

L’aproximació diofantina a la conjectura de Mordell que havien intentat André Weil (1906-1998) i Carl Ludwig Siegel (1896-1981) reeixí en el 1989 amb Paul Vojta. A partir del treball de Vojta, Faltings (1991) aconseguí demostrà la conjectura de Mordell-Lang de subvarietats de varietats abelianes. La conjectura de Mordell-Lang era una generalització de la conjectura de Mordell en el sentit que una varietat abeliana generalitza una corba el·líptica, en ésser una varietat projectiva completa amb una estructura de grup. Segons la conjectura de Mordell-Lang tots els punts racionals continguts en la unió d’un nombre finit de subconjunts d’una subvarietat es tradueixen en una subvarietat abeliana. La demostració de Faltings de la conjectura de Mordell-Lang es fonamenta en una aproximació diofantina (teorema del producte de Faltings) que generalitza el teorema de Klaus F. Roth (1925-2015) sobre l’aproximació de nombre algebraics per nombres racionals (Faltings & Wüstholz, 1994).

Geometria aritmètica

La teòrica clàssica de Hodge relaciona la topologia de varietats complexes amb la llur geometria diferencial. La teoria p-àdica de Hodge estudia les estructures naturals de la cohomologia de varietats algebraics sobre camps p-àdics. Si les accions de Galois codificaven la informació aritmètica d’aquests camps, les de Frobenius en codifiquen la informació geomètrica.

Faltings demostrà les principals conjectures formulades per Tate i per Jean-Marc Fontaine (1944-2019) en la teoria p-àdica de Hodge. A través de la correspondència p-àdica de Simpson, Faltings n’estengué l’abast a un context no-abelià. La cohomologia Betti de la teoria clàssica de Hodge té la seva correspondència en la cohomologia étale p-àdica i en la cohomologia de Rham.

El teorema de la puritat de Faltings i les extensions gairebé étale han permès el desenvolupament de la teoria p-àdica de Hodge i de l’àlgebra commutativa. Les corbes el·líptiques sobre els nombres complexos es parametritzen per isomorfismes amb punt de la corba modular, la qual resulta del quocient de pla mitjà-superior del grup de matrius d’integrals dos a dos de determinant u a través de transformacions fraccionals lineals.

Lligams:

- Endlichkeitssätze für abelsche Varietäten über Zahlkörpern. G. Faltings. Inventiones mathematicae (1983).

- Diophantine Approximation on Abelian Varieties. Gerd Faltings. Annals of Mathematics 133: 549-576 (1991).

- Diophantine approximations on projective spaces. Gerd Faltings & Gisbert Wüstholz. Inventiones mathematicae (1994).

La fundació de la informàtica quàntica (Charles H. Bennett & Gilles Brassard, Premi ACM Turing 2025)

L’Associació de Maquinària Computacional (ACM) ha anunciat fa unes hores que concedeix el Premi Turing del 2025 a Charles H. Bennett i a Gilles Brassard ‘pel llur rol essencial en l’establiment dels fonaments de la ciència de la informació quàntica i en la transformació de la comunicació segura i la computació’. El Premi A. M. Turing de l’ACM és considerat com el Nobel de la Informàtica, amb una dotació d’un milió de US$ fornida per Google, Inc. L’epònim és Alan Mathison Turing (1912-1954), considerat el pare de la matemàtica de la computació.

Charles H. Bennett

Charles H. Bennett (*NYC, 1943) es va graduar en química a la Brandeis University (1964). Es doctorà en el 1970 a Harvard amb una tesi de simulació computacional del moviment molecular, supervisada per David Turnbull (1915-2007) i Berni Alder (1925-2020). A Harvard també treballà amb James D. Watson (1928-2025) sobre el codi genètic, feina que continuà a l’Argonne National Laboratory en l’equip d’Aneesur Rahman (1927-1987). En el 1972 ingressà a la IBM Research, on treballà en el desenvolupament teòric d’un aparell reversible en termes de lògica i de termodinàmica capaç de computacions generals. Conclogué que la incapacitat de tal aparell, a l’estil del dimoni de Maxwell, de trencar la segona llei de la termodinàmica s’havia de trobar en el cost termodinàmic de destruir informació (Bennett, 1982). Encara avui treballa a IBM Research en la termodinàmica i mecànica quàntica de la criptografia i la teoria de la informació.

Gilles Brassard

Gilles Brassard (*Montréal, 20.4.1955) es va graduar a la Université de Montréal, on també realitzà un mestratge. Es va doctorar en ciència computacional en el 1979 a la Cornell University amb una tesi sobre criptografia supervisada per John Hopcroft (*7.10.1939). Llavors tornà a la Université de Montréal on desenvolupà la seva carrera docent i de recerca.

La informàtica quàntica

Bennett i Brassard són considerats fundadors de la ciència de la informació quàntica. Aquesta disciplina, a cavall de la física i de la ciència computacional, tracta els fenòmens de la mecànica quàntica com a recursos en el processament i transmissió d’informació.

Fou en el 1984 quan Bennett i Brassard presentaren un protocol de criptografia quàntica (Bennett & Brassard, 1984). Aquest protocol es coneix actualment amb les sigles dels autors i de l’any com a BB84, i és considerat el primer protocol pràctic de criptografia basada en la mecànica quàntica. En la comunicació a la Conferència Internacional de Computadors, Sistemes i Processament de Senyal de Bangalore del desembre del 1984, Bennett & Brassard mostraven que dues parts podien establir una clau d’encriptació secreta amb una seguretat garantida per les lleis de la física. Aquesta garantia implicava que un tercer agent, malgrat que fos dotat amb un poder computacional il·limitat a través d’un ordinador quàntica, no podria descobrir-la.

L’encriptació per sistemes informàtics té uns antecedents teòrics ben antics. Claude Shannon (1916-2001) mostrà en el 1949 que el secret perfecte en les comunicacions entre dos parts és tan sols possible si comparteixen prèviament una clau secreta que sigui, si més no, tan llarga com el propi missatge que ha de protegir. Hom anomena aquest sistema de xifratge ‘clau simètrica’, ja que emissor i receptor comparteixen la mateixa clau: la transmissió d’aquesta clau per un canal segur resulta problemàtica. Una alternativa és l’anomenada criptografia asimètrica o de clau pública, en la que s’empren un parell de claus, una pública i una privada. En aquest cas, les claus públiques són les que es disseminen sense problemes, i és a través d’un algoritme que es calcula a partir d’elles les claus privades. Els algoritmes poden basar-se en problemes matemàtics difícils de resoldre, com ara la descomposició factorial de nombres naturals molt elevats.

Els algoritmes utilitzats en l’encriptació poden resultar inassequibles per als ordinadors convencionals sofisticats, però la computació quàntica podia fer-los front si assolia una potència adequada. Fou aquesta amenaça, que en el 1984 era purament imaginària, la que empenyé el disseny de BB84. El sistema d’encriptació BB84 assoleix una seguretat en el marc de la teoria de la informació independent d’assumir tal o tal nivell de capacitat computacional. BB84, en efecte, recorre a una propietat fonamental de la informació quàntica, la de no poder ésser copiada o mesurada sense pertorbació.

El primer computador quàntic fou desenvolupat en el 1998. Des de llavors hi ha hagut una progressió cap a computadors quàntics de major escala, de forma que l’amenaça sobre els sistemes criptogràfics convencionals de clau pública s’ha tornat més palpable. Val a dir que, paral·lelament la criptografia quàntica també ha avançat en aquestes quatre dècades, i algunes variants de BB84 ja s’utilitzen en xarxes operatives de computació quàntica, tant a través de fibra òptica com per satèl·lit. També ho ha fet el desenvolupament de sistemes clàssics de criptografia resistents a computadores quàntiques.

La teleportació quàntica

Bennett et al. (1993) mostraren com un estat quàntic desconegut ‖φ〉es pot desensemblar en informació purament clàssica i correlacions EPR purament no-clàssiques, i més endavant reconstruir-lo a partir d’elles. Emissor i receptor han de disposar prèviament la compartició d’un parell de partícules correlacionades en EPR. L’emissor fa una mesura conjunta de la seva partícula EPR i del sistema quàntica desconegut, i tramet al receptor el resultat clàssic d’aquesta mesura. En saber-ho, l’emissor pot convertir l’estat de la seva partícula EPR en una rèplica exacta de l’estat ‖φ〉que el receptor havia destruït. Per horror d’EPR (acrònim d’Einstein-Podolsky-Rosen) som davant d’un sistema de teleportació quàntica. La correlació EPR és un entrellaçament quàntic, és a dir un comportament correlacionat entre partícules distants.

Bennett et al. (1996) abordaren el problema pràctic de protegir els estats quàntics de la interacció amb l’ambient amb un protocol de purificació o destil·lació d’entrellaçament (EPP). Aquest EPP és capaç d’enfortir un entrellaçament imperfecte fins a fer-lo d’alta qualitat, factor necessari en una comunicació quàntica escalable.

L’enginyeria quàntica ja ha dut a la pràctica les idees teòriques de la teleportació, la destil·lació d’entrellaçament o el codis de correcció d’errors quàntics. Es treballa activament en el disseny de computadors quàntics tolerants a fallades, en nous algoritmes quàntics o en sistemes de comunicació quàntica de llarga distància (repetidors quàntics).

Lligams:

- 2025 ACM Turing Award.

- The thermodynamics of computation—a review. Charles H. Bennett. International Journal of Theoretical Physics 21: 905-940 (1982).

- Quantum Cryptography, or Unforgeable Subway Tokens. Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Seth Breidbart & Stephen Wiesner. Advances in Cryptology (1982).

- Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP. Charles H. Bennett, Gilles Brassard & Seth Breidbart. 15th Annual ACM Symposium on Theory of Computing (1982).

- Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing Charles H. Bennett, Gilles Brassard. Proceedings of the International Conference on Computers, Systems & Signal Processing, Bangalore, India, pp. 175-179 (1984).

- Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jozsa, Asher Peres, and William K. Wootters. Phys. Rev. Lett. 70: 1895 (1993).

- Mixed State Entanglement and Quantum Error Correction. Charles H. Bennett, David P. DiVincenzo, John A. Smolin, William K. Wootters. Phys. Rev. A 54: 3824 (1996)

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

L’impacte en la ionosfera marciana de la supertempesta solar de maig del 2024

Astronomia: Jacob Parrott és radioastrònom de l’Agència Espacial Europea, i és l’autor primer i corresponsal d’un article aparegut aquesta setmana a Nature Communications sobre la resposta de la ionosfera de Mart a una supertempesta solar. És sabut que els esdeveniments poden tenir un impacte considerable sobre la ionosferes dels planetes del Sistema Solar, però no és fàcil realitzar les observacions oportunes pel mateix caràcter erràtic d’aquests fenòmens. Parrott et al. han aprofitat la coincidència entre l’arribada d’una gran flamarada solar a Mart a començament de maig del 2024 i una ocultació mútua de radioones que hi seguí deu minuts després. Com a conseqüència la capa baixa ionosfèrica de Mart gairebé es triplicà en gruix (278% respecte de la mida típica). Parrott et al. va fer ús de les mesures d’irradiància de raigs X tous per constatar-ho. L’estudi també els serveix per entendre millor la relació entre la densitat ionosfèrica i les emissions de raigs X.

La ionosfera de Mart

La ionosfera de Mart és la part ionitzada de l’atmosfera superior de Mart. La interacció de partícules energètiques solars (SEP) amb l’atmosfera de Mart poden ampliar-la a altituds més baixes, d’entre 60 i 90 km. Aquesta enfortiment ionosfèric pot comportar ‘apagades’ en els sistemes de radar de les estacions orbitals i de superfície com la Mars Express o el Mars Reconnaissace Orbiter.

D’altra banda, les ejeccions de massa coronal solar poden comprimir la ionosfera marciana, fent que disminueixi en altitud i augmenti el pic de densitat electrònica.

Les flamarades solars impacte en la ionosfera de Mart a través de la fotoionització. Això condueix a uns pics de densitat d’electrons més elevats, a altituds de 100-120 km, on es dipositen els fotons de raigs X suaus (0,1-3 keV).

Des del novembre del 2020 s’han produït ocultacions mútues de les radioones empeses pels satèl·lits artificials Mars Express (MEX) i ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Això ha permès la realització de 124 mesures, que han donat lloc a 74 perfils verticals de densitat d’electrons. Amb una cadència gairebé setmanal tan sols era qüestió d’esperar a que coincidís amb algun esdeveniment solar.

Parrott et al. es fixen especialment en la capa ionosfèrica inferior M1, situada a 90-110 km de la superfície de Mart. Han combinat la cadència, l’angle zenital solar i la perspectiva vertical de les ocultacions mútues de radioones.

L’activitat solar de maig del 2024

L’actual cicle solar 25 començà el desembre el 2019 i arribà al pic en l’octubre del 2024. En el maig del 2024, el Sol es trobava, doncs, en una etapa d’activitat elevada. En aquells dies això desencadenà a la Terra la tempesta geomagnètica Gannon, la més intensa des del 1989: es van veure aurores boreals a Londres, a Espanya i a altres localitats mediterrànies. El Sol vivia doncs a principi de maig del 2024 amb flamarades i ejeccions de massa coronal.

El 15 de maig del 2024 a es 08:37:11UT tenia lloc una ocultació mútua entre MEX i TGO des de la perspectiva de la Terra. Aquesta observació es produïa quan els dos satèl·lits eren damunt de Sisyphi Planum (−69,6°W, 9,8°N), a una hora local de 08:39, i un angle solar zenital de 53°. La longitud solar era de 255°, és a dir en mig de l’hivern de l’hemisferi nord.

Aquesta ocultació coincidia amb tres esdeveniments solars:
- 1) una flamarada solar de classe X3 produïda en unes coordenades solars de 90°W, 20° S. Fou registrada pels detectors de raigs X del Solar Dynamic Observatory (SDO). Els sensors dels satèl·lit geoestacionari GOES-15 calcularen la intensitat de la flamarada en 3,4·10^-4 mW·m^-2. Mart tenia llavors una longitud solar de 105° W. La flamarada hauria arrencat el 15 de maig a les 08:18UT, i arribà a un pic d’intensitat a les 08:37UT. Si tenim en compte la distància a la qual es trobava Mart llavors del Sol, això implica una hora d’arribada de 08:29:30UT i una hora de pic a 08:48:30UT. El satèl·lit artificial marcià MAVEN la registrà.
- 2) una emissió de SEPs (partícules solars energètiques). L’esclat de protons procedia de la localització de la flamarada esmentada, i s’accelerà al llarg del camp magnètic interplanetari del Sol. Com que Mart era llavors a una distància de 1,38 UA, les SEPs arribaren, segons la seva velocitat, en qüestió de 12 minuts (a 0,96c) o de 3 hores (a 0,046c).
- 3) una ejecció de massa coronal, produïda a unes coordenades solar de 51° W, 5° N l’11 de maig a les 03:12UT. Amb una amplada de 51° arribarà a Mart el 14 de maig a les 06:18UT, on produí pertorbacions durant 42 ± 8 hores.

Parrott et al. comparen el perfil de densitat d’electrons obtingut en aquella ocultació amb 12 perfils d’ocultacions sense activitat solar, però amb un angle zenital solar semblant:

Aquesta comparació permet constatar que el 15 de maig del 2024 la capa M1 de la ionosfera marciana (a 109 km d’altitud) havia assolit una densitat del 278% dels valors basals. La capa M2 (a 152 km d’altitud) hauria tingut un creixement del 45% respecte dels valors basals. Les capes M1 i M2 experimentaren llavors un augment d’altitud de 6,5 km. Encara es detectà una capa addicional a 245 km.

La comparació mostrava que aquests canvis no alteraren la cara superior de la capa M2. Tampoc no hi hagué canvis estructurals en l’atmosfera neutra baixa (de menys de 100 km d’altitud).

Els mecanismes implicats

L’activitat solar induí un enfortiment de la capa ionosfèrica M1. Aquesta capa es forma per un procés de fotoionització induït per fotons de raigs X suaus d’alta energia. L’escala temporal de la recombinació que indueixen és d’uns 10 minuts

L’augment del 278% de la capa M1 sembla massa gran per a la flamarada solar. Parrott et al. pensen que, a més de la ionització primària, hi hauria ionitzacions secundàries. La fracció dura de raigs X implica una major energia cinètica dels fotoelectrons, els quals condueixen a cascades de ionitzacions secundàries.

La capa M2 és el producte de la fotoionització de fotons d’ultraviolat extrem. Per això l’enfortiment d’aquesta capa fou del 45%, proporcional a la flamarada solar.

L’elevació de 6,5 km de les capes M1 i M2 respondria a un escalfament significatiu que l’atmosfera neutra de sota arran de la tempesta solar. L’escalfament respon a la precipitació de partícules prèvia a la ejecció de massa coronal.

L’enfortiment de la ionosfera a 245 km d’altitud podria deure’s a una inestabilització de la ionopausa.

Lligams:

- Martian ionospheric response during the may 2024 solar superstorm Jacob Parrott, Beatriz Sánchez-Cano, Håkan Svedhem, Olivier Witasse, Dikshita Meggi, Colin Wilson, Alejandro Cardesín-Moinelo & Ingo Müller-Wodarg. Nature Communications 17: 2017 (2026).

Christian Bentz i Ewa Dutkiewick analitzen signes convencionals de fa 40.000 anys

Paleoantropologia: L’article publicat aquesta setmana a la revista PNAS de Christian Bentz i d’Ewa Dutkiewicz, editat per Melinda Zeder, ha fet furor a les xarxes socials. És sabut que els éssers humans han gravat signes visuals en les superfícies de coves i en artefactes mòbils des de fa centenars milers d’anys. Però Bentz & Dutzkiewicz proposen que fa 40.000 això ja hauria conduït a un sistema de signes convencionals. Es refereixen a unes seqüències de signes geomètrics gravats sobre artefactes mòbils aurinyacians de Suàbia que tindrien una complexitat comparable a la dels primers signes protocuneiformes. Aquests signes s’aplicaven selectivament de forma que la densitat informativa seria superior en figures i inferior en eines. Les primeres poblacions caçadores-recol·lectores de l’home modern arribades a Europa ja disposarien d’un sistema de signes intencionals i convencionals sobre artefactes mòbils. La clau de l’estudi és la recerca sobre les propietats estatístiques del llenguatge i de l’escriptura humanes en comparació amb altres sistemes de signes.

Bentz & Dutkiewicz han analitzat un conjunt de 200 artefactes mòbils aurinyacians de Suàbia d’una antiguitat de 43.000-34.000 anys d’antiguitat que porten seqüències de signes geomètrics gravats intencionadament. Hi veuen un exemple d’emmagatzematge i compartició d’informació que ajudaria a distribuir coneixement necessari per a la supervivència i la coordinació de grups grans. En total han comptat diversos milers de signes geomètrics, sobre els que han aplicat algoritmes de classificació i models estatístics. Reconeixen la diferència clara entre aquests signes i l’escriptura moderna, però sí hi veuen una analogia amb les seqüències de signes de les primeres tauletes protocuneiformes. Les figures ornamentals d’ivori recollirien més informació que les eines d’aplicació quotidiana. No queda clar si aquesta informació és número-ideogràfica, però sí que seria prou complexa.

Suports extracorporals d’informació

La capacitat de les poblacions humanes d’emmagatzemar informació més enllà de la memòria cerebral personal es reflecteix en l’actualitat en símbols i en llenguatge escrit. Aquest és el fonament de l’Era de la Informació.

La presència de signes en el Paleolític remuntaria com a mínim a una antiguitat de 400.000 anys, però es faria molt més complexa amb l’anomenada ‘Revolució Cognitiva’. Aquesta transformació assenyalaria la transició cap al Paleolític Superior, fa uns 45.000 anys. En aquesta època l’home anatòmicament modern consolida la seva presència a l’Europa Oriental i Central. En aquestes regions vivia l’home de Neandertal. Entre els homes moderns trobem una diversitat d’objectes mòbils com eines i figures fetes d’ivori, d’os o de banya, classificades dins del tecnocomplex aurinyacià.

Els testimonis més rics de l’aurinyacià els trobem a la regió de la Dordonya, als sistemes de cova del Jura suabià i en una sèrie de jaciments de Bèlgica. Entre els artefactes trobats hi ha centenars d’objectes adornats amb seqüències de signes geomètrics.

Val a dir que en el Paleolític Mitjà, l’home de Neandertal fa 70.000-40.000 anys generava artefactes mòbils, com ara fets amb ossos de corb o de hiena, que porten incisions regulars que podrien representar informació numèrica. Encara abans, en el Paleolític Inferior, hi ha indicis d’aquests exogrames o sistemes de memòria artificial.

La novetat del Paleolític Superior consistiria en un augment quantitatiu d’aquestes marques geomètriques. Al llarg del període (fa 40.000-15.000 anys) augmentaria també la complexitat d’aquests sistemes.

Un conjunt de 260 artefactes mòbils de l’aurinyacià de Suàbia

Aquests artefactes tindrien una antiguitat d’entre 43.000 i 34.000 anys. Han estat trobats en coves de Suàbia. Consisteixen un ventall especialització d’eines per tallar carn, per treballar pells d’animals i per crear robes i cordes. També hi trobem els primers instruments musicals: flautes fetes d’os i ivori. També hi ha artefactes simbòlics com perles i penjolls d’ornamentació personal, que varien de lloc a lloc. O dotzenes de figuretes curosament tallades en l’ivori. Entre les figuretes trobem mamuts llanuts (Mammuthus primigenius), cavalls salvatges (Equus ferus), bisons (Bison priscus), óssos (Ursus spelaeus), lleons (Panthera spelaea), però també representacions antropomòrfiques de dones o criatures híbrides meitat humà i meitat lleó.

Bentz & Dutkiewicz es fixen en les seqüències de signes d’aquests artefactes portàtils. Defineixen ‘signe’ com aquella modificació d’una superfície que pot ésser percebuda i interpretada per un observador intel·ligent. Hi poden entrar marques de mossegada, de tallada, manipulacions de caire utilitari, etc. Però Bentz & Dutkiewicz es limiten als signes intencionals i no-utilitaris. Per ‘intencional’ entenen allò que no és el subproducte d’una altra activitat, com és el cas de les marques de tall que resulten de l’activitat escorxadora. Per ‘no-utilitari’ es refereixen als signes que no tenen funcions purament pràctiques vinculades a l’operació artesanal, com pot ésser els forats per fer-hi passar cordes, o incisions circulars per introduir mànecs a les puntes de llança. Com a tipus de signes intencionals i no-utilitaris trobem línies, punts, creus, estels, graelles i ziga-zagues.

Dutkiewicz ha fet la feina d’assignar els tipus de signes esmentats a caràcters UTF-8 atenent a anàlisis microscòpics.

Com a mostres comparatives, Bentz & Dutkiewicz empren tauletes procedents dels primers períodes del protocuneiforme de l’antiga Mesopotàmia: Uruk V (3500-3350 a.C.), Uruk IV (3350-3200 a.C.) i Uruk III (3200-3000 a.C.). També utilitzen una mostra de 89 llenguatges moderns expressats en 16 sistemes d’escriptura diferents.

En total resulta un cos de 3000 seqüències de signes sobre els que es fa una estatística de lingüística quantitativa: ratio tipus-objecte, entropies d’unigrama, taxes d’entropia, taxes de repetició, etc. Sobre això s’apliquen els algoritmes de classificació per distingir entre aurinyacià, protocuneiforme i escriptura moderna.

Les distribucions de trets estatístics

Les seqüències aurinyacianes i d’Uruk V tenen una entropia d’unigrama i una taxa d’entropia baixes que s’acompanyen d’una taxa de repetició relativament alta. Les seqüències d’Uruk IV i Uruk III presenten una major entropia alhora que una menor taxa de repetició. Els sistemes d’escriptura moderns són d’alta entropia i baixa taxa de repetició.

En termes de nombre de caràcters mentre l’aurinyacià en presenta una mitjana de 8 i l’Uruk V una mitjana de 7, Uruk IV puja a 13, Uruk III a 17 i l’escriptura moderna a 28.

L’anàlisi de components principals dels trets estatístics situa l’aurinyacià i l’Uruk V en la mateixa zona, amb una certa superposició amb Uruk IV i Uruk III, però ja ben diferenciats de l’escriptura moderna.

La classificació de les seqüències de signes

Les anàlisis de classificació MLP i KNN no són capaces de diferenciar entre l’aurinyacià i l’Uruk V. Sí ho fan entre l’aurinyacià i l’Uruk IV/III, i de manera perfecta entre l’aurinyacià i l’escriptura moderna.

La densitat d’informació

Les figuretes antropomorfes de l’aurinyacià són les que presenten una major densitat d’informació en els seus signes. Queden just per sota les figuretes zoomorfes. Més avall hi hauria les eines (amb un 15% menys d’informació que les figuretes d’ivori). Tubs/flautes i objectes ornamentals encara tenen menys densitat d’informació en els seus signes que les eines (un 10% menys).

Els objectes més grossos tendeixen a presentar una major densitat d’informació. El mateix passa amb els objectes gairebé complets. No hi ha diferències en termes de densitat d’informació entre els objectes de 40.000 anys d’antiguitat i els de 30.000.

La qüestió de la decoració

La regularitat de distància entre les marques és un element de valor decoratiu. Bentz & Dutkiewicz pensen que els sistemes de signes poden utilitzar-se com a decoració sense perdre valor informatiu, com passa amb la cal·ligrafia.

Els tipus de signes

La semiòtica distingeix entre els índexs, les icones i els símbols. Totes tres categories són ‘signes’. L’índex és un signe que es troba en relació causal directa amb l’objecte que representa. La icona representa un objecte a través d’una similitud amb ell. El símbol, en canvi, té una relació convencional i arbitrària (no-icònica) amb l’objecte.

Bentz & Dutkiewicz assumeixen que alguns signes aurinyacians serien índexs. Aquest seria el cas de les osques aplicades a flautes per indicar o s’han de realitzar els forats (amb una funció gairebé utilitària).

Altres signes aurinyacians serien icones. És el cas dels punts que presenten figurines de felins i de peixos, que imiten patrons observables en lleons i truites.

Quan els punts s’aparten de l’ús icònic originari passarien a la categoria de símbols, per exemple representant informació numèrica.

El significat dels signes aurinyacians

Els mateixos signes paleolítics han estat objecte d’interpretacions diferents pels estudiosos contemporanis. La presència de creus en figuretes de mamut o de cavall han estat interpretades com a icones de pèl, però també com a notacions numèriques o com a símbols de sacrifici ritual. Aquesta darrera interpretació té el suport de la presència de símbols rituals en figuretes zoomorfes realitzades per grups de caçadors-recol·lectors contemporanis.

Hom ha volgut en veure en marques de parets de coves o en artefactes portàtils la presència de calendaris lunars. Els mateixos signes han estat interpretats com a registres de cacera, anàlegs als trobats en el registre etnogràfic contemporani.

Una altra línia de recerca és la que ha posat de manifest similituds entre signes paleolítics i ideogrames sumeris, hitites, egipcis o xinesos. Els signes amb forma de branques del Paleolític podrien ésser anàlegs als ideogrames de gra o d’herba.

La hipòtesi dels ‘calendaris fenològics’ interpreta el signe Y com el de naixement, i les seqüències de línies i punts com a signes numèrics del pas del temps expressat en lunacions. Aquests calendaris fenològics ajudarien a programar l’activitat caçadora-recol·lectora en relació als canvis naturals com les migracions de preses.

La qüestió de l’escriptura

La definició filològica estàndard d’escriptura fa referència a un vincle estret entre el llenguatge parlat i les marques gràfiques que el representen.

Bentz & Dutkiewicz conclouen que els signes aurinyacians estudiats no són escriptura en el sentit estricte. Les seves propietats estatístiques són molt diferents a la dels sistemes d’escriptura del món contemporani.

La taxa de repetició adjacent d’un mateix signe és molt habitual en les seqüències aurinyacianes i molt rara en l’escriptura moderna, tant si es tracta d’un alfabet, d’un sil·labari o una logografia. De fet, en els llenguatges naturals hi ha una tendència evitar repeticions a diferents nivells: fonèmic, morfèmic, lèxic.

Dit això, Bentz & Dutkiewicz consideren que els signes aurinyacians representen un sistema de marques visibles convencionals destinat a la intercomunicació humana. Això explicaria la producció coherent dels mateixos signes per individus diferents en el decurs de llargues generacions. També tindria sentit que siguin emprats de manera més productiva en figuretes, i d’una forma selectiva: les creus apareixen en figuretes zoomorfes i en eines però no en figuretes antropomorfes; els punts apareixen més sovint en figuretes antropomorfes i de felins però no en eines.

Una taxonomia dels sistemes de signes

L’escriptura pròpiament dita, és a dir les seqüències de signes que representen llenguatge parlat, hauria aparegut, si més no, en cinc ocasions de forma independent: Mesopotàmia (2500 a.C.), Egipte, Xina, Amèrica Central i Pacífic Oriental (1500 d.C.).

El repte és trobar la relació entre aquests sistemes d’escriptura i els sistemes de signes del Paleolític.

El protocuneiforme reflectiria una transició d’una notació bàsicament numèrica a una de número-ideogràfica. La llista de signes d’Uruk V inclou 47 signes, dels quals 39 són numèrics i 8 són ideogràfics. La llista d’Uruk III (entre 150 i 350 anys posterior) inclou 838 signes, dels quals 733 són ideogràfics i 105 són numèrics.

En el període dinàstic arcaic (2500 a.C.) el protocuneiforme és adaptat per reflectir morfo-fonèticament la llengua sumèria. Això respondria a les necessitats d’una economia més complexa.

Les implicacions cognitives

El salt qualitatiu en la intel·ligència humana en el Paleolític Superior ha estat vinculat a una expansió de la capacitat d’informació. És interessant que la capacitat d’informació dels signes aurinyacians sigui comparable a la d’Uruk V.

Lligams:

- Humans 40,000 y ago developed a system of conventional signs. Christian Bentz, Ewa Dutkiewicz. PNAS (2026).

L’oligotrofització dels boscos boreals

Ecologia forestal: Kelley R. Bassett fa la tesi doctoral sobre canvis ambiental utilitzant dades de l’Inventari Nacional Suec de Boscos. En un article publicat aquesta setmana a la revista Nature, Basset et al. constaten que l’augment dels nivells atmosfèrics de diòxid de carboni (CO₂) en les darreres dècades ha reduït la disponibilitat nitrogen en els boscos boreals de Suècia. Seríem davant, doncs, d’un cas d’oligotrofització. És cert que les emissions antropogèniques de gasos amb efecte hivernacle, comporten una entrada neta de nitrogen a l’atmosfera, que contribueix a una eutrofització global. L’oligotrofització en els boscos boreals seria un contraexemple. Bassett et al. han reconstruït la cronologia de la proporció de nitrogen-15 (δ15N) en teixits vegetals representatius d’un àrea forestal sueca de 23,5 milions d’hectàrees en el període 1961-2018. Suècia és un país de contrastos latitudinals, i en un meridià de 1500 km trobem una variació en la deposició de nitrogen de l’ordre de quatre. En canvi, l’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂ és latitudinalment uniforme. Per tot Suècia hi ha una davallada en la proporció de nitrogen-15, fins i tot en l’extrem nord, allà on la deposició de nitrogen atmosfèric és molt baixa. Els models lineals d’efectes mixtos indiquen que l’augment de CO₂ seria el principal predictor dels valors de δ15N, deixant enrere les variables de deposició de nitrogen, la temperatura o l’àrea basal forestal. Aquesta oligotrofització dels boscos boreals hauria d’ésser considerada quan modelem l’acció d’aquests ecosistemes com a embornals en el cicle global del carboni.

Bassett et al. han estudiat els patrons temporals de la proporció de nitrogen-15 i de la deposició de nitrogen en la fusta de Suècia

L’impacte de l’activitat humana en els cicles de carboni i nitrogen

El concepte original d’aquesta recerca fou formulat pel professor Michael Gundale, del Departament d’Ecologia i Gestió Forestal de la Universitat Sueca de Ciències Agrícoles, d’Umeå. Kelley R. Bassett, Gundale, Stefan F. Hupperts, Sandra Jämtgård, Jonas Fridman i Lars Östlund participaren en discussions sobre el disseny de l’estudi. Bassett gestionà tots els procediments d’arxiu i preparà les mostres per a l’anàlisi. Bassett realitzà totes les anàlisis estatístiques amb l’ajut de Hupperts en la gestió de dades i la programació en R. Bassett, Hupperts, Gundale, Jämtgård, Östlund i Steven S. Perakis analitzaren i interpretaren els resultats. Bassett redactà el primer esborrany de l’article, i tots els autors participaren en la discussió i revisió ulteriors.

Els autors agraeixen tot el personal de camp del NFI suec, del 1961 al 2018, la feina en la presa de mostres i recollida de dades. Agraeixen F. Johansson, M. Karlsson, T. Sundvall, P. Edlund i K. Spies l’ajut en els arxius. Agraeixen l’anàlisi de laboratori del Central Appalachians Stable Isotope Facility. A F. Maillard li agraeixen la revisió de l’article.

La recerca fou finançada amb la beca de Stiftelsen Gunnar och Birgitta Nordins fond (KSLA) a Bassett, i amb la de Brattås Stiftelsen, Troëdssons Stiftelsen, VR (2020-09308) a Gundale, i amb fons de la Fundació Wallenberg.

L’activitat humana té un impacte involuntari en forma de canvis ambientals, vehiculats en part per alteracions quantitatives en els cicles biogeoquímics del nitrogen i del carboni. Des del 1960, en especial, l’activitat humana ha decuplicat la taxa de creació de nitrogen reactiu (Nr). Això s’explica pel procés industrial de Haber-Bosch, per l’expansió de cultius lleguminosos i pel consum de combustibles fòssils. De fet, hom calcula que en el 2050 la creació de Nr s’haurà multiplicat per 18 des dels valors ‘pre-industrials’.

La producció humana global d’energia i aliments promou emissions de Nr, que resulten en la deposició de NHx i NOy en la superfície de la Terra. Això comporta un ‘enriquiment’ de N d’ecosistemes terrestres i aquàtics, que es tradueix en eutrofització i acidificació.

Més conegut encara és el fet que les activitats humanes han augmentat el nivell atmosfèric de CO₂ en més d’un 50% respecte dels valors preindustrials. Això comporta un estímul de la producció primària neta terrestre. En principi això no seria del tot negatiu, ja que els ecosistemes terrestres actuarien com a embornal de carboni. Ara bé, aquest augment de la productivitat primària neta interactua no tan sols amb el cicle del C sinó també el cicle del N, induint-hi una reducció de la disponibilitat de N. Això darrer conduiria a una limitació progressiva de N, és a dir a una oligotrofització d’ecosistemes terrestres. L’oligotrofització seria la conseqüència de l’estímul del CO₂ atmosfèric sobre el creixement vegetal i la captació de N: la disponibilitat de N en el sòl es veuria reduïda. Els teixits vegetals tendeixen llavors a augmentar la ratio C:N, la qual cosa estimula la immobilització de N microbià en el procés de descomposició detrítica. Tot plegat fa difícil preveure quina serà l’evolució del cicle del N en els diferents ecosistemes.

Disposar de sèries històriques de valors vegetals de δ15N pot ajudar a reconstruir la disponibilitat de nitrogen de diferents sòls i ecosistemes. Quan la disponibilitat de nitrogen és alta, els valors de δ15N són superiors. Això s’explica per la fraccionalització isotòpica entre el nitrogen-14 (majoritari) i el nitrogen-15 (nitrogen pesant) en processos ecosistèmics com la captació de nitrogen per les plantes, la volatilització d’amoni del sòl, la nitrificació, la lixiviació de nitrats o la desnitrificació. En boscos, el fongs micorrízics tendeixen a acumular nitrogen-15, i transfereixen als arbres una quantitat relativa superior de nitrogen-14.

Una cronologia de δ15N

Bassett et al. han analitzat els valors de δ15N de 1609 mostres de nuclis de fusta obtinguts d’arbres per perforació entre el 1961 i el 2018. La dendrocronologia d’aquests nuclis fa que el temps representat pels diferents anells vagi del 1950 al 2017. L’àrea forestal representada per aquestes mostres és de 23,5 milions d’hectàrees.

La variable que més els interessa és δ15N. Pensen que el %N de la fusta no seria un bon indicador de limitació de N, ja que els nivells de nitrogen de la fusta és, en general, massa baix.

Les determinacions isotòpiques es dugueren a terme al Central Appalachians Stable Isotope Facility (CASIF), a Frostburg, Maryland.

Les dades de temperatura mensual provenien de CRU TS v4.07. Les de CO₂ provenien de l’estació de Pallas-Sammaltunturi, a Finlàndia. Les dades de deposició de nitrogen provenien de ISIMIP3a.

Les mostres analitzades tenen un gradient latitudinal de 1500 km. En aquest gradient trobem diversos nivells de deposició de Nr: en l’actualitat a l’extrem meridional els valors de deposició són quatre vegades superiors als que trobem en l’extrem septentrional. Val a dir que les polítiques de reducció d’emissions ja han tingut un impacte a la Suècia meridional en els valors de deposició total de Nr i de NOy.

Les mostres de fusta analitzades corresponen a dues espècies: Picea abies (L.) H. Karst i Pinus sylvestris L. Els arbres pertanyien a classes d’edat similars (de 41 a 60 anys).

Bassett et al. dividiren Suècia en quatre regions: Nord, Central, Sud-Oriental i Sud-Occidental. Si al Nord la deposició de Nr és de ≤3 N kg ha⁻¹ any⁻¹, a la regió sud-occidental més industrialitzada fou de 12 N kg ha⁻¹ any⁻¹ en el pic de final dels anys 1990.

Els valors de δ15N tendien a davallar a un ritme anual entre −0,01‰ i −0,07‰.

Els factors darrera de la variació de δ15N

Bassett han construït models d’efectes mixtos lineals per comparar la capacitat explicativa de diferents variables: nivell atmosfèric de CO₂, deposició atmosfèrica de Nr, temperatura mitjana anual, canvi de temperatura i àrea basal total.

Els models indicaven que el CO₂ és el predictor més fort dels valors de δ15N. Per a P. sylvestris un augment d’1 ppm en la concentració atmosfèrica de CO₂ es tradueix en una davallada de δ15N de −0.04 ± 0.005‰. Per a P. abies, la davallada equivalent és menys marcada (−0.028 ± 0.005‰). Així doncs l’augment de CO₂ promou l’oligotrofització de l’ecosistema forestal boreal de Suècia. La diferència entre espècies podria explicar-se pel fet que P. sylvestris té una taxa superior en el recanvi d’acícules, la qual cosa fa que sigui inferior en termes d’eficiència d’ús de N.

Bassett no troben relació entre variables de deposició de Nr amb els valors de δ15N. Sí que hi ha una feble correlació positiva entre la deposició de N total i els valors de δ15N.

La correlació positiva entre la temperatura decadal o anual i els valors de δ15N podria atribuir-se al fet que una major temperatura ambiental accelera el cicle de nitrogen i la fraccionació isotòpica d’aquest element.

Les implicacions de l’oligotrofització dels boscos boreals

No és el primer estudi que troba un declivi en les cronologies de δ15N dels boscos boreals. Els resultats de Bassett et al. indiquen que el principal responsable d’aquest declivi és l’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂.

Els boscos boreals tenen un paper important en el cicle global de C. Constitueixen un important reservori de C terrestre: si bé suposen tan sols el 17% de la superfície emergida, emmagatzemen el 32% del C terrestre.

L’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂ estimula la fotosíntesi, el creixement i la demanda de N de les coníferes. L’acumulació superior de biomassa capta més N del sòl. D’altra banda, l’efecte ‘fertilitzant’ del CO₂ condueix a un augment de la ratio C:N en els teixits vegetals, de manera que la fullaraca també tindrà una ratio C:N més elevada, la qual cosa estimula la demanda N dels microorganismes descomponedors i també la immobilització de N per part de la microbiota del sòl.

Les dades forestals de Suècia indiquen que des dels anys 1950 hi ha hagut una tendència a l’augment de la biomassa de pins i avets a totes les regions. Ara bé, en les darreres dècades aquest augment comença a frenar-se possiblement per la disminució de disponibilitat de N i per una major exposició a sequeres i malalties.

En calcular el balanç de C del bosc boreal cal recordar que l’estoc de carboni dels sòls boreals és cinc vegades superior a l’estoc de carboni de la biomassa de les parts aèries de la vegetació. En qualsevol cas, la interferència en el cicle del N pot posar en perill el rol dels boscos boreals com a embornal en el cicle del C.

Lligams:

- Rising atmospheric CO2 reduces nitrogen availability in boreal forests. Kelley R. Bassett, Stefan F. Hupperts, Sandra Jämtgård, Lars Östlund, Jonas Fridman, Steven S. Perakis & Michael J. Gundale. Nature 650: 629-635 (2026).

- Riksskogstaxeringen, a la pàgina web de la Sveriges Lantbruksuniversitet.

El genoma de ‘Psychrobacter’ SC65A.3, un bacteri preservat en una cova de glaç de 5000 anys d’antiguitat

Bacteriologia: Anomenem ‘psicròfils’ als organismes adaptats a viure en ambients freds, com ara els que trobem en la criosfera. Encara que sembli impossible, en un ambient com el de la Cova de Glaç de Scărișoara, amb una antiguitat de 5000 anys, hom ha pogut isolar una soca bacteriana designada com a Psychrobacter sp. SC65A.3. En un article a Frontiers in Microbiology, Victoria Ioana Paun et al. reporten la seqüenciació genòmica completa i la caracterització funcional d’aquest bacteri. El més sorprenent és que aquest bacteri psicròfil antic mostra alhora un fenotip de resistència a fàrmacs antimicrobians moderns i una activitat contra altres microorganismes. Paun et al. han enfocat la llur anàlisi a la caracterització de l’extremotolerància (i no tan sols la tolerància al fred extrem), la susceptibilitat a antibiòtics i el perfil bioquímic. El bacteri SC65A.3 és un poliextremòfil. És psicròfil en el sentit que prefereix el fred, fins al punt que no pot créixer a una temperatura ambiental superior a 15 °C! És halòfil en el sentit que pot tolerar concentracions de clorur de sodi (NaCl) de 1,9 M (!) i de clorur de magnesi (MgCl₂) de 0,9 M. L’anàlisi filogenètica el situaria dins de l’espècie halopsicròfila P. cryohalolentis. Els assaigs funcionals mostren que aquest bacteri té una àmplia activitat hidrolítica i té la capacitat de resistir 10 antibiòtics de 8 classes diferents (cefalosporines de tercera generació, fluoroquinolones, aminoglucòsids i rifampicina). L’anàlisi de tot el seu genoma resultà en la identificació de més d’un centenar de gens associats a la resistència contra antimicrobians, com ara ampC, gyrA, gyrB, parC, parE, dfrA, rpoB, tetA, tetC o mcr-1. També presenta múltiples gens de resistència a metalls pesants i per a l’excreció de múltiples fàrmacs. Té gens per glucopèptids antimicrobians i per a la bacitracina, la qual cosa explica que tingui la capacitat d’inhibir 14 patògens del grup ESKAPE (MRSA, Enterococcus faecium, Enterobacter, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae i Acinetobacter baumannii). També presenta 45 gens de resposta a l’estrès relacionats amb l’adaptació al fred, com ara htpX, htpG o pka. Aquest antic psicrobacteri té doncs un perfil dual de resistència a antimicrobians i d’activitat antimicrobiana. Aquest perfil encaixaria més en ambients on hi ha una biomassa i una activitat microbianes més considerable, però Paun et al. remarquen que les coves de glaç poden constituir un reservori de resistomes antics i de trets bioactius.

Fotografia de la Cova de Glaç de Scărișoara feta per V. I. Paun

Criosfera i microbis psicròfils

En aquesta recerca han participat Victoria Paun (del Departament de Microbiologia de l’Institut de Biologia de Bucarest de l’Acadèmia Romanesa), Corina Itcus (IB Bucarest), Paris Leonardo Lavin (Universidad de Antofagasta), Mariana Carmen Chifiriuc (Universitat de Bucarest) i Cristina Purcarea (IB Bucarest).

Vora el 20% de la superfície de la Terra és ocupada per hàbitats congelats. Una porció encara superior de la biosfera és exposada a baixes temperatures. Els microbis adaptats al fred poden explotar aquests hàbitats.

En l’actual context de canvi climàtic antropogènic accelerat, una part important de la criosfera es troba en recessió. Paun et al. ens recorden que els hàbitats glaçats serveixen de reservori de microorganismes psicrofílics, amb tot el que comporta en termes de diversitat genòmica i funcional. Els microorganismes psicrofílics tenen la capacitat de romandre estables i actius a temperatures baixes, una propietat que els fa d’interès en bio-nanotecnologia i en altres indústries. Són aquestes aplicacions les que esperonen el finançament de projectes de recerca sobre microbiomes en dipòsits perennes de glaç en coves. Aquests projectes treuen inspiració de tota la feina que s’ha anat realitzant en les darreres dècades sobre el microbioma del permafrost, el sòl permanentment glaçat, o de la plaques de gel polar, de la mar glaçada, de llacs glaçats o de neus.

La Cova de Glaç de Scărișoara, a Romania, és un exemple ben estudiat de cova de gel. Consisteix en un bloc de glaç perenne de 100.000 m³, amb una datació aproximada de 13.000 anys. En aquest dipòsit de glaç perenne hom ha pogut detectar una comunitat microbiana rica i complexa. La distribució d’aquesta comunitat dependria de les condicions climàtiques durant la formació del gel i del contingut de carboni orgànic dins del substrat del gel. El grup de Paun ha pogut isolar i caracteritzar tota una sèrie de soques bacterianes psicrotròfiques i psicrofíliques.

Pot semblar paradoxal que el grup de Paun sigui especialment interessat en la resistència a agents antimicrobians d’aquests bacteris psicròfils antics. Al capdavall, associem els agents antimicrobians a la clínica moderna, a l’ús de la penicil·lina i altres antibiòtics des de fa poc més de vuitanta anys. Però cal no oblidar que els antibiòtics foren descoberts a la natura i és lògic doncs que la resistència als antibiòtics sigui també un fenomen antic i natural. Durant milions d’anys hi ha hagut una coevolució entre els processos de síntesi d’antibiòtics per fongs i bacteris, i els mecanismes de resistència (alteració, control d’entrada i de sortida, inactivació enzimàtica, etc.).

Quan diem que els microorganismes resistents són un fenomen emergent, en realitat volem dir que l’ús clínic massiu d’antibiòtics ha suposat una pressió selectiva enorme en favor de la proliferació dels gens preexistents de resistència a antibiòtics. No és tan sols que aquesta pressió selectiva faci proliferar els microorganismes que en són portadors, sinó que també promou indirectament la transferència horitzontal d’aquests gens. S’ha establert una cursa entre la introducció de nous antibiòtics en medicina i veterinària i la resistència antimicrobiana. En afluixar la primera, la segona esdevé una crisi global en termes de medicina humana i veterinària, de seguretat alimentària i de salut ambiental.

Els ambients de permafrost poden constituir reservoris d’antics mecanismes de resistència. Com passa en els ambients extrems, hi ha una notable diversitat metabòlica. Alguns grups de recerca s’esforcen en trobar-hi nous agents antimicrobians, però també nous compostos antitumorals.

La Cova de Glaç de Scărișoara acull el bloc de glaç més gran i més antic conegut del subsòl. L’antiguitat del gel que l’integra segueix una cronoseqüència que puja fins a 13.000 anys d’antiguitat.

Entre els microorganismes que acull n’hi ha del gènere Psychrobacter. Aquest gènere fou descrit en el 1986 amb l’espècie tipus P. immobilis, situat en la família de les Moraxellaceae dins de la classe de les Gammaproteobacteria. Aquest gènere hauria evolucionat d’ancestres mesofílics adquirint una adaptació a ambients freds i salins. Actualment es coneix mig centenar d’espècie de Psychrobacter. Són bacteris de tinció Gram variable, amb morfologia de cocobacil, sense motilitat, i que formen colònies de color crema o taronja. Encara que prefereixen temperatures baixes i salinitat fortes, algunes soques poden tolerar temperatures de fins a 37 °C i salinitats baixes. Són bacteris estrictament aerobis, amb activitat catalasa i oxidasa. Poden utilitzar com a fonts de carboni una diversitat d’aminoàcids i d’àcids orgànics, però no són gaire versàtils bioquímicament. Algunes espècies (P. sanguinis, P. arenosus, P. faecalis, P. pulmonis and P. phenylpyruvicus) han estat descrites en infeccions oportunistes humanes, i d’altres (P. immobilis, P. glacincola) en peixos. L’interès biotecnològic d’aquest gènere se centra en els seus enzims actius sota el fred, com ara anhidrases carbòniques amb aplicacions en bioremediació, o com els implicats en la biosíntesi de terpenoides o la degradació de benzoats, la detoxificació de mercuri o la resistència a toxines.

Paun et al. ens parlen en aquest estudi d’una soca isolada d’una zona de la Cova de Glaç de Scărișoara de 5000 d’antiguitat.

Isolament, identificació i caracterització

La soca bacteriana Psychrobacter SC65A.3 fou isolada de glaç d’una antiguitat de 5.000 anys que fa part del nucli de glaç de 25,33 metres extret de la Cova de Scărișoara. L’isolament es va fer a 4 °C en un medi de cultiu R2B.

En medi sòlid TSA la soca fou incubada durant 14 dies a diverses temperatures (4 °C-37 °C). En medi LB sota agitació a 15 °C la soca fou incubada en diferents concentracions de NaCl (0-4 M) and MgCl₂ (0–4 M).

L’ADN genòmic fou isolat en un kit de Qiagen. Mitjançant la seqüenciació del gen 16S rRNA se’n va fer la identificació.

La susceptibilitat a antimicrobians fou assajada pel mètode de Kirby-Bauer, tenint en compte 28 antibiòtics de 17 classes diferents.

L’activitat antimicrobiana fou assajada per un mètode de difusió modificada sobre dues soques de referència i 20 soques patògens clínic isolades de la Col·lecció de la Universitat de Bucarest.

La caracterització bioquímica es va fer amb les tires API ZYM i API 20NE de BioMérieux a 15 °C.

La seqüenciació genòmica completa es va realitzar a Macrogen, a Corea del Sud.

Les anàlisis filogenètiques dels gens 16S rRNA i gyrB es van fer a la plataforma www.phylogeny.fr.

Característiques generals

A una alçada de 1706–1716 cm, el gel del nucli utilitzat té una antiguitat de 5335 ± 54 anys. El cultiu d’una mostra d’aquest gel en medi R2A a 4 °C donà lloc a una colònia amb una pigmentació entre taronja i rosa. La colònia fou seleccionada i purificada. Identificada amb el codi SC65A.3 podia créixer en medis R2A, TSA, MH i LB. En TSA, la soca podia créixer en temperatures entre 4 °C i 15 °C. A 15 °C en medi LB podia tolerar salinitats de fins a 1,9 M NaCl and 0,9 M MgCl₂.

L’anàlisi per BLAST situava la soca SC65A.3 en el gènere Psychrobacter.

Caracterització funcional

L’anàlisi en el sistema API ZYM mostrava una producció notable de lipasa C14, de fosfatasa alcalina, lipasa esterasa C 8 i de naftol-AS-BI-fosfohidrolasa.

L’anàlisi en el sistema API 20NE mostrava la presència de reducció de nitrat, d’hidròlisi d’urea, assimilació de citrat o de β-glucosidasa.

Dels 28 antibiòtics assajats, la soca era resistent a clindamicina, lincomicina, vancomicina o metronidazol. Això correspondria a un fenotip multiresistent.

Pel que fa a l’activitat antimicrobiana contra 22 patògens, la soca mostrava activitat contra 12.

El genoma

El genoma de SC65A.3 seria de 3.046.103 bases, amb un GC del 42,52%. Contenia 2536 gens codificants de proteïna, 15 gens d’ARNr i 50 gens d’ARNt. En aquesta llista trobem un locus CRISPR i 2 gens de resistència a antibiòtics.

L’anàlisi filogenètica situaria SC65A.3 dins de Psychrobacter cryohalolentis.

El genoma contindria 45 gens associats a l’adaptació termal, dels quals 29 amb processos de xoc tèrmic, i 16 de resposta al xoc per fred. D’aquests 45 gens, 21 corresponen a xaperones implicades en modificacions post-traduccionals i recanvi proteic.

El genoma contindria 107 gens associats a la resistència a antimicrobians. Hi trobem gens de beta-lactamases, gens resistència a tetraciclina, a fluoroquinolones, aminoglucòsids, etc.

El genoma contindria 11 gens potencialment implicats en l’activitat antimicrobiana. Entre les substàncies antimicrobianes detectades hi hauria la sublancina, la picromicina, la butirosina, la rebecamicina, la bacitracina, etc.

La potencialitat biotecnològica d’un poliextremòfil

SC65A.3 és un poliextremòfil que hauria romàs atrapat en el gel durant 5000 anys. Combinaria la psicrofília amb una halofília moderada. La psicrofília el fa especialment interessant pel que fa als seus enzims i proteïnes actives, amb aplicacions en biotecnologia, farmàcia i processos ambientals.

Però allò més interessant és la combinació d’una bona capacitat de resistència a antimicrobians i la producció d’un ventall de substàncies antimicrobianes. Aquest és un perfil típic de bacteris competitius, que han de posar ratlla al creixement de competidors, i alhora resistir la producció de toxines que aquests generen. Així disposa de tot un mecanisme afavoridor de l’excreció de toxines.

Paun et al. recorden la importància de monitoritzar els hàbitats naturals com a font de gens de resistència a agents antimicrobians. La idea que el desglaç pugui alliberar microorganismes perillosos per a la salut humana, animal o ambiental no és pura literatura de terror.

Lligams:

- First genome sequence and functional profiling of Psychrobacter SC65A.3 preserved in 5,000-year-old cave ice: insights into ancient resistome, antimicrobial potential, and enzymatic activities. Victoria Ioana Paun, Corina Itcus, Paris Lavin, Mariana Carmen Chifiriuc, Cristina Purcarea. Front. Microbiol. (2026).

- Bacteria frozen in ancient underground ice cave found to be resistant against 10 modern antibiotics. Deborah Pirchner. Frontiers News.