Dendrocronología, estudiar a los testigos más longevos del planeta

Archivo EFE: Sección de un roble / Javier Echezarreta

Publicado por: Felipe Larach 3 septiembre, 2020 Madrid 

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Felipe Larach. -EFEverde.- Durante cientos e incluso miles de años, los árboles han permanecido en el mismo lugar, siendo testigos de los cambios que se han producido a su alrededor y han sido imprescindibles para revelar acontecimientos, que los registros climatológicos no son capaces de demostrar, como por ejemplo que el planeta está viviendo los años más calurosos de los últimos dos mil años.

La única forma de saber cómo ha sido el clima hace miles de años es a través de disciplinas como la dendrocronología que “de forma indirecta” permite estimar cuál fue la temperatura en un año en concreto estudiando los anillos que conforman los troncos de los árboles ha explicado a EFEverde el investigador del departamento de Geografía de la Universidad de Zaragoza, Martín de Luis.

Los anillos están formados por el cambium- el tejido vegetal encargado de que el árbol crezca en anchura- y en climas estacionales como en España se forman anualmente, concretamente empieza en primavera “cuando más crece en grosor”, se detiene en verano, debido a las sequía, y continúa en otoño hasta el invierno cuando las células pasan a una fase durmiente. 

La dendrocronología se encarga de datar esa secuencia de anillos, que el investigador Martín de Luiscompara con huellas dactilares, para saber a qué año corresponde cada círculo y a partir de su identificación y asignación por fechas, los árboles ofrecen una ingente cantidad de información sobre épocas pasadas.

FUENTE DE SABIDURÍA

Problemas ecológicos como la sequía y sus efectos en la mortalidad de los árboles han sido los sujetos de estudio de los trabajos más recientes en los que ha estado inmersos el investigador del Instituto Pirenaico Ecología del CSIC, Jesús Julio Camarero, que a través de estudios dendroecológicos ha observado el legado de las sequías “en la pérdida de crecimiento” de los árboles, que en ocasiones llega a durar años.

Al comparar las secuencias de anillos que contienen la madera de los marcos de obras de arte o de las vigas de una construcción con secuencias de crecimiento de árboles de una determinada zona “puedes datar el año en que esa estructura fue construida” detalla el investigador del departamento de Geografía de la Universidad de Zaragoza, Martín de Luis.

Además, los árboles actúan como estaciones de mediciones de aire al ser capaces de registrar la contaminación atmosférica a través de la química de los anillos, ya que durante el proceso de la fotosíntesis “el árbol abre sus poros y absorbe lo que hay en el ambiente y deja registro en la madera”, recuerda el investigador de Luis.

Esta “memoria” de los árboles, puede incluso llegar a “reconstruir la historia de incendios en una determinada zona”, declara Martín de Luis, ya que el fuego deja “heridas” que permanecen en la madera mientras que el árbol sigue creciendo, por lo que lo importante para reconstruir la información, señala Camarero, es “que el árbol sobreviva”.

TÉCNICAS DE EXTRACCIÓN

En vida, se puede obtener muestras de los anillos a través de la Barrena de Pressler, una especie de “sacachorchos” con la que se extrae un canuto cilíndrico, un “testigo de madera en donde se ven los anillos” y que deja una pequeña marca en el tronco que no daña al árbol.

Aunque son las rodajas las que ofrecen una información más precisa al permitir hacer un seguimiento del anillo a lo largo de todo el árbol, y en el caso de aquello de zona secas o con épocas climáticas muy adversar, como el Valle del Ebro, se forman anillos incompletos, por lo que en la muestra “puede que no aparezca un anillo, aunque exista”  matiza el investigador del CSIC, Camarero.  

Allí donde la información que aportan los anillos es insuficiente- debido a que éstos no son lo suficientemente visibles o que las muestras no están debidamente conservadas-, los expertos del Instituto Pirenaico Ecología del CSIC han utilizado el Carbono 14 como método de datación y que, aunque tienen una variación en la estimación de “varias décadas”, ha sido imprescindible para conocer la edad de las Sabinas en la Sierra de Guara en Huesca, que a pesar de su menor tamaño- entre 6 y 8 metros de altura- tienen alrededor de mil años.

EL FUTURO

La dendrocronología, como cualquier otra ciencia, “tiene poco que decir del futuro” comenta Martín de Luis, aunque sí puede proveer de predicciones que ayuden a contextualizar y a “situar las condiciones actuales en un contexto más amplio de los 50 o 60 años de los que tenemos datos climáticos”, lo que permite estudiar cómo responden los bosques a las variaciones climáticas para realizar estimaciones de clima futuros.  

Además, esta disciplina permite hacer proyecciones de los ciclos de vida y la viabilidad de determinadas especies forestales y su resistencia a determinadas condiciones climáticas, lo que hace posible evaluar la continuidad de la plantación de una especie o su sustitución por otra más resistente. EFEverde

 

San Sebastián. Las manifestaciones más drásticas del cambio climático como sequías, inundaciones, heladas o el fenómeno de “El Niño” comienzan a ser acusadas por los árboles de nuestro país, que registran con precisión matemática en sus anillos cada uno de los desastres naturales que se producen en el planeta. En la imagen, el tronco de un árbol cortado en el barrio de Zorroaga de San Sebastián. Archivo EFE/Javier Echezarreta

Los descubridores de las primeras leyes de la naturaleza

 Hasta la llegada del filósofo francés René Descartes, no existía nada conceptualmente parecido a una ley de la naturaleza universal, un conjunto de instrucciones que resultan siempre las mismas en todas las condiciones y sirven para predecir lo que va a pasar. 

La idea moderna de las leyes de la naturaleza, pues, no solo fue un subproducto de la filosofía de Descartes, sino que constituyó una impresionante empresa que se inicio durante la Revolución Científica y que permitió, desentrañar el código tipo Matrix que subyacía a la naturaleza.

Las leyes de la Revolución

Los antiguos habían conocido, según las estimaciones, solo cuatro leyes físicas: la ley de la palanca, la ley óptica de la reflexión, la ley de la flotabilidad y la ley del paralelogramo de las velocidades. Es decir, más bien se habían descubierto cuatro principios que nosotros llamamos leyes. 

Si bien ellos se referían a estas "leyes" como pruebas de que la naturaleza a veces era regular y predecible, nunca identificaron ningún principio científico concreto como ley.

La primera y segunda ley de Newton, en latín, en la edición original de su obra Principia Mathematica.

Pero, por ejemplo, los romanos hablaban mucho de la ley de la naturaleza (lex naturae), pero por lo general querían decir ley moral. Y, si bien Galileo, Harriot y Beeckman habían descubierto cada uno de ellos y de forma independiente la llamada "ley de la caída", ninguno de ellos había empleado el término "ley" en este contexto. La identificación de leyes en su sentido estricto nace con la Revolución Científica, entre las cuales se descifraron las siguientes:

• Ley de la hidrostática de Stevin.
• Leyes del movimiento planetario de Kepler.
• Ley de la refracción de Snell.
• Ley de los gases de Boyle.
• Ley de la elasticidad de Hooke.
• Ley del péndulo de Huygens.
• Ley del flujo de Torricelli.
• Ley de la dinámica de fluidos de Pascal.
• Ley de la gravitación de de Newton.

Solo una minoría de estas leyes había adquirido ya etiquetas epónimas: el resto todavía tenían que recibir el nombre de sus descubridores. Tal y coomo escribió Isaac Newton para definir sus objetivos cuando, en 1703, se convirtió en presidente de la Royal Society:

La filosofía natural consiste en descubrir la estructura y las operaciones de la naturaleza, y reducirlas, hasta donde sea posible, a normas o leyes generales, estableciendo dichas normas mediante observaciones y experimentos, y a partir de ahí deducir las causas y los efectos de las cosas.

El físico-matemático Henri Poincaré (aporta una definición similar: "¿Qué es una ley? Es un vínculo constante entre un antecedente y un consecuente, entre el estado actual del mundo y su estado inmediatamente posterior".

Habida cuenta de ello, empezó a nacer la certidumbre de que, si todo está regido por leyes, todo puede ser prededicible (aunque no fuera computable) y por tanto vivíamos en un universo determinista donde el libre albedrío solo era una ilusión cognitiva. Podéis profundizar en este proceloso tema en el siguiente vídeo:

En la actualidad se sabe que existen leyes científicas tanto causales como probabilistas o estocásticas. De ahí que en el concepto de ley científica se deban considerar ambos tipos de ley (determinista y estocástica), pero que se funda en cuatro principios:

1. Todo lo existente está regido por leyes naturales
2. Estas leyes son invariantes en el tiempo y en el espacio
3. La actividad del científico consiste en describirlas
4. La existencia de estas leyes es independiente de que el ser humano las describa o no
5. Es posible, en principio, conocer la totalidad de las leyes

 Uno de los grandes desafíos de la ciencia es predecir el comportamiento de los fluidos a partir de las ecuaciones que describen su dinámica. Esto permite comprender fenómenos físicos —como la formación de tornados, de frentes de aire de diferentes temperaturas, de olas y tsunamis, o la ruptura de una gota— lo que facilita, por ejemplo, la predicción meteorológica o el estudio de posibles inundaciones.

El estudio de estas ecuaciones da lugar a una de las preguntas incluidas entre los siete problemas del milenio, cuya resolución está premiada con un millón de dólares. También ha motivado otras cuestiones de gran interés en la investigación matemática actual, sobre las que se están obteniendo importantes avances en estos años.

En 1755 el matemático Leonhard Euler escribió por primera vez las ecuaciones diferenciales que llevan su nombre y que rigen el movimiento de un fluido ideal, es decir, que está libre de las fuerzas de fricción provocadas por las interacciones entre las moléculas que lo forman. Años después, en 1822, Claude-Louis Henri Navier e, independientemente, en 1845, George Gabriel Stokes, estudiaron el caso de un fluido viscoso, que sí está sujeto a fuerzas de fricción, e introdujeron en el modelo de Euler un nuevo término, el de la viscosidad, llegando a las ecuaciones que hoy denominamos de “Navier-Stokes”.

Las ecuaciones de Navier-Stokes describen la dinámica de los fluidos a partir de la ley de conservación de la masa y la segunda ley de Newton. Esta asocia la aceleración de las partículas con las fuerzas que actúan sobre ellas: las variaciones espaciales de la presión, las fuerzas de rozamiento entre las moléculas –que definen cómo de viscoso es un fluido– y posibles fuerzas externas como la gravitatoria. A esto se suma la ecuación que recoge la incompresibilidad del fluido. Además, la dinámica podría depender de otros factores, como la temperatura o la presencia de un campo magnético, que harían que el modelo fuera aún más complejo.

Estas ecuaciones funcionan de la siguiente manera: tú les dices cuál es la velocidad del fluido en un determinado momento del tiempo –lo que se conoce como dato inicial– y, al resolverlas, ellas te devuelven la velocidad de ese fluido en cualquier momento posterior –la solución–. Desgraciadamente, la resolución de estas ecuaciones no es sencilla.

La dificultad del análisis de las ecuaciones de Euler y de Navier-Stokes radica en que son sistemas inestables –en los que pequeñas perturbaciones pueden cambiar por completo la configuración del sistema–, no lineales –las respuestas no son proporcionales al estímulo que las provoca– y no locales –lo que ocurre en un punto no depende solo de lo que sucede en su entorno inmediato, sino del estado de todo el fluido–.

De hecho, no fue hasta principios del siglo pasado cuando se demostró la existencia de soluciones de estas ecuaciones. En 1933, el francés Jean Lerayprobó la existencia y unicidad de soluciones regulares. Estas son velocidades suaves, en las que no se producen cambios bruscos, lo que se corresponde, en términos matemáticos, a funciones diferenciables. Por ejemplo, la velocidad del agua que discurre tranquila por los meandros de un río es suave, mientras que la que corre por sus rápidos es irregular. Leray probó que, partiendo de una velocidad regular, hay una única velocidad, también regular, que varía con el tiempo, y resuelve las ecuaciones durante cierto intervalo temporal futuro (que depende del dato inicial). Más allá de ese intervalo, Leray no fue capaz de asegurar que las ecuaciones tuvieran solución.

Un año después introdujo en las ecuaciones de Navier-Stokes la noción de “solución débil”, que puede ser regular o irregular, y probó que siempre, para cualquier momento del tiempo, existen este tipo de soluciones . En principio, las velocidades que resuelven Navier-Stokes deberían ser suaves, pero el concepto de solución débil aporta una nueva manera de entender estas ecuaciones, de modo que puedan dar lugar a soluciones también irregulares.

A partir de estas ideas surgen dos de los problemas matemáticos más importantes del área. El primero es determinar si hay soluciones regulares para todo tiempo o, por el contrario, estas se convierten en irregulares en algún momento. Cuando esto sucede, se dice que se forma una singularidad. Si se considera el fluido en dos dimensiones, Witold Wolibner y Leray demostraron que no se producen singularidades, y que sus soluciones existen y se preservan regulares para todo tiempo. Pero en tres dimensiones el problema todavía está abierto. Esta cuestión está incluida en la lista de problemas del milenio de la Fundación Clay, y su resolución está premiada con un millón de dólares.

El segundo problema se pregunta por la unicidad de las soluciones débiles. Es decir, ¿puede haber dos soluciones débiles distintas que comiencen en el mismo dato inicial? O, ¿dado un dato inicial solo puede haber una única solución débil? Desde una perspectiva clásica, uno espera que una misma situación no dé lugar a dos futuros diferentes. Sin embargo, se sabe que esto no es así para la ecuación de Euler. Para la de Navier-Stokes en dos dimensiones sabemos que sí hay unicidad de soluciones débiles, y en tres dimensiones no sabemos lo que sucede.

En los últimos años ha habido grandes avances en la resolución de este problema, entre las que destaca un trabajo reciente de Tristán Buckmaster y Vlad Vicol. Estos investigadores han demostrado que, si se consideran soluciones aún más débiles que las de Leray, entonces no hay unicidad. Sin embargo, la unicidad de las de Leray sigue siendo una incógnita que científicos en todo el mundo tratan de resolver.

Ángel Castro y Diego Córdoba son investigadores del ICMAT

Café y Teoremas es una sección dedicada a las matemáticas y al entorno en el que se crean, coordinado por el Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), en la que los investigadores y miembros del centro describen los últimos avances de esta disciplina, comparten puntos de encuentro entre las matemáticas y otras expresiones sociales y culturales y recuerdan a quienes marcaron su desarrollo y supieron transformar café en teoremas. El nombre evoca la definición del matemático húngaro Alfred Rényi: “Un matemático es una máquina que transforma café en teoremas”

El color del iris de los búhos juega un papel en su comunicación

 Un estudio de la Estación Experimental de Zonas Áridas del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) señala el papel e importancia que tiene el color del iris de los búhos en la comunicación de dichas aves.

Según este trabajo, realizado por un grupo de investigación liderado por el investigador Jesús M. Avilés, el color amarillo del iris se relaciona con la edad y la calidad de los individuos en dos especies de búhos.

“El color del iris es un rasgo muy llamativo en el diseño mayoritariamente críptico de muchas especies de búhos y, por tanto, podría jugar un papel en la comunicación basada en señales cromáticas, una posibilidad aún no suficientemente explorada en este grupo de aves” ha explicado Arianna Passarotto, autora principal del estudio, e investigadora pre-doctoral de la Estación Experimental de Zonas Áridas (EEZA/CSIC).

Intensidad de amarillo

Este grupo ha estudiado la variación en la coloración amarilla del iris en el mochuelo europeo (Athene noctua) y el autillo europeo (Otus scops) para comprobar si este rasgo podría ser un indicador de la calidad de los individuos en un contexto de comunicación paterno-filial y/o en otro contexto social.

En el estudio, publicado en ‘Journal of Raptor Research’, han comprobado que los adultos exhiben coloraciones amarillas más intensas que los pollos, aunque el color del iris no difiere entre los dos sexos en las dos especies. 

En el mochuelo, el color amarillo del iris de los pollos parece relacionarse más con la calidad de los padres. Por otra parte, en los pollos de autillo no han encontrado ninguna relación con los estimadores de la condición utilizados. En los adultos, han encontrado una relación positiva entre éxito del nido y el color del iris en las hembras de mochuelo, pero no en autillos.

Este estudio sugiere que es improbable que la coloración amarilla del iris actúe en la comunicación entre padres e hijos en estas dos especies, no obstante, el color del iris podría desempeñar un papel en un contexto social en el mochuelo europeo.

“El mochuelo es una especie monógama con un comportamiento muy territorial, por tanto, el color del iris podría desempeñar un papel en la disuasión entre conspecíficos. Sin embargo, es necesario explorar más en el detalle esta posibilidad en estudios futuros”, ha concluido Passarotto. EFEverde

Ejemplos de la variación del amarillo del iris de mochuelos y autillos. Cedida por el CSIC.

La flora alpina más antigua del mundo se descbre en China

Según publican miembros del Jardín Botánico Tropical Xishuangbanna (XTBG) en la revista Science, la flora alpina de las montañas Hengduan ha existido continuamente durante mucho más tiempo que cualquier otra flora en la Tierra.

Amenazadas por el calentamiento global, la biota alpina templada más rica en especies del mundo se encuentra en la meseta Qinghai-Tíbet (QTP), Himalaya y las montañas Hengduan (THH).

Montañas Hengduan

En la investigación, se analizaron filogenias calibradas en el tiempo de 18 grupos de plantas con flores mediante el uso de un modelo conjunto de ocupación de bioma, evolución del rango geográfico y diversificación de linaje.

Androsace zambalensis en la meseta Qinghai-Tíbet (QTP), Himalaya y las montañas Hengduan (THH). 

Las montañas Hengduan no son solo la cuna de las plantas alpinas, sino que ambién son la principal fuente de linajes alpinos que colonizan el Himalaya y el QTP. Según explica Ding Wenna, primer autor del estudio:

Nuestros resultados, derivados de análisis de filogenias moleculares a escala temporal y evidencia fósil no in situ de ascendencia alpina, son, sin embargo, temporalmente coherentes con la evidencia geológica más reciente de que la orogenia activa asociada con el acortamiento y engrosamiento de la corteza generalizada estableció tierras altas desde el Tíbet oriental hasta el Hengduan Montañas al final del Eoceno.

Neuronas convertidas en componentes bioelectrónicos

Nuevas investigaciones podrían convertir el elemento básico de la biología, la célula, en una pieza para la construcción de materiales y estructuras en el interior de los seres vivos. Publicado en marzo en Science, un estudio a cargo de Karl Deisseroth, psiquiatra y bioingeniero de la Universidad Stanford, describe un método para que ciertas células sinteticen en su superficie polímeros que conduzcan (o aíslen) la electricidad. El trabajo podría algún día permitir la fabricación de estructuras a gran escala en el interior del cuerpo o mejorar las interconexiones cerebrales con las extremidades protésicas.

 A medio plazo, la técnica podría emplearse en la medicina bioeléctrica, que se basa en la generación de impulsos eléctricos con fines terapéuticos. A los investigadores de esta disciplina hace tiempo que les interesaba incorporar polímeros que condujesen o inhibieran la electricidad sin dañar los tejidos circundantes. La estimulación de neuronas concretas (para intervenir en una crisis epiléptica, por ejemplo) es mucho más precisa que inundar el cuerpo con fármacos, que pueden traer consigo amplios efectos secundarios. Pero los actuales métodos bioeléctricos, como los basados en el uso de electrodos, todavía afectan de forma indiscriminada a una gran cantidad de neuronas.

La nueva técnica se sirve de un virus para introducir genes en el tipo de neuronas deseado, a las que les indica que produzcan una enzima (Apex2) en la superficie celular. La enzima cataliza una reacción química entre las moléculas precursoras y el peróxido de hidrógeno, estos últimos infundidos en el espacio intercelular; la reacción provoca que los precursores se fusionen en un polímero en las células deseadas. «La novedad reside en la amalgama de varios campos emergentes en una aplicación», afirma el ingeniero biomédico de la Universidad de Florida Kevin Otto, que no ha participado en la investigación pero sí en el comentario adjunto de Science. «El uso de polímeros conductores, ensamblados [en el seno de un tejido vivo] por medio de la biología sintética, como interconectores de células específicas representa una gran novedad.»

Los investigadores ensayaron el proceso y supervisaron el funcionamiento en neuronas de ratón, modelos de cerebro humano cultivados artificialmente y gusanos vivos. También inyectaron los ingredientes en cerebros de ratones vivos para descartar toda toxicidad.

Los autores del comentario afirman que el trabajo podría abrir el camino a la mejora de los tratamientos contra la depresión o la enfermedad de Parkinson al aumentar la precisión del tipo de neurona que es estimulada. También permitiría actuar con precisión sobre las células transmisoras de la información al cerebro, por ejemplo, para que los portadores de extremidades protésicas recuperen la sensibilidad.

Deisseroth vislumbra aplicaciones aún más amplias para la investigación. «Hemos logrado construir estructuras nuevas en células de interés que modificamos genéticamente, así que solo estas construyen lo que les indicamos; resulta bastante atrayente y muy muy general», explica. «Es una exploración de la ciencia básica: ¿qué podemos hacer? ¿Qué podemos construir en el seno de estructuras biológicas aprovechando su complejidad estructural?»

Con todo, persisten algunos obstáculos. «La aplicación de la terapia génica en los humanos tropieza con escollos legales», aclara Otto. También habrá que demostrar que los cambios son duraderos y que la técnica es viable en las especies superiores, concluye.

Retina luminosa

Cortesía de Keunyoung Kim, Wonkyu Ju y Mark Ellisman, Centro Nacional de Microscopía y Técnicas de Obtención de Imágenes, Departamento de Oftalmología, Universidad de California en San Diego.

Esta flor tan luminosa es en realidad la retina de un ratón, cuyas proteínas emiten fluorescencia. El grupo de Dorota Skowronska-Krawczyk, de la Universidad de California en San Diego, ha obtenido esta imagen microscópica como parte de un estudio sobre un gen llamado ELOVL2. Este contiene las instrucciones para fabricar una proteína que produce ácidos grasos de cadena larga. Las células necesitan estas moléculas para llevar a cabo múltiples funciones biológicas importantes. ELOVL2 se considera también un posible marcador de la edad biológica, incluso en la especie humana.

Al parecer, este gen desempeña un papel esencial en el envejecimiento del ojo y podría relacionarse con enfermedades oculares asociadas a la edad, como la degeneración macular, comentan ahora los investigadores en la revista Aging Cell. Al menos, eso se desprende de su vínculo con la metilación del ADN, un proceso que modifica el material genético de las células; en los ratones, este proceso parece reforzarse conforme va reduciéndose la síntesis de la proteína codificada por ELOVL2 con el paso del tiempo.

nuestro reloj biológico. Los investigadores especulan con la posibilidad de que otros procesos relacionados con el envejecimiento se relacionen con la expresión del gen y han solicitado una patente de esta técnica, que pretenden comercializar a través de una empresa fundada en 2019.