jueves, 26 de febrero de 2015

El enfoque sistémico en la ciencia

(Publicado por vez primera en http://papeldeperiodico.com/2013/09/04/el-enfoque-sistemico-en-la-ciencia/ )
Es casi seguro que cuando fuimos niños desarmamos algún juguete como un tren, un coche, o una muñeca con algún mecanismo electromecánico en su interior. También es posible que hayamos observado aparatos electrónicos (radios, televisores, u ordenadores) desarmados en la mesa de un taller de reparación. Quizá lo que más pudo llamarnos la atención fue la interconexión peculiar de los elementos electrónicos o mecánicos para lograr un objetivo determinado.
Propiedad integrativa
Carro desarmado
Si alguna vez nosotros pudiéramos desarmar en su totalidad un automóvil colocando todas sus piezas constituyentes en una superficie, sin duda nos asombraría el hecho de que sólo habría una manera posible de ensamblarlas para volver a tener un automóvil funcional. En tales circunstancias, la aseveración: ‘el todo es más que la suma de sus partes’ (dicho por el filósofo griego Aristóteles) tomaría completo sentido.
A la capacidad de que cierta interconexión de varios elementos produzca una respuesta específica, como sintonizar estaciones de radio, acelerar un automóvil, sumergirse en un submarino, entre otros, se le denomina ‘propiedad integrativa’ ‒o también sinergia‒, la cual es característica esencial de todos los sistemas. La disciplina encargada de estudiar tal propiedad se llama ‘Teoría de sistemas’.
Teoría de sistemas
Alexander Bogdánov
El desarrollo de la Teoría de sistemas se atribuye al biólogo austríaco Ludwig von Bertelanffy (Teoría general de los sistemas, 1950) aunque el científico soviético Alexander Bogdánov ya se había anticipado a sus ideas desde 1920 (Tectología: ciencia general sobre la organización). Bogdánov y Betelanffy pretendieron unificar las ciencias físicas, biológicas y sociales al considerarlas sistemas donde subyacen principios universales de organización. Asimismo, la obra ‘Cibernética’ (1942) del matemático estadounidense NorbertWiener fue fundamental al estudiar los mecanismos de autoregulación y control de los sistemas. Más adelante, con los significativos aportes del matemático francés René Thom (Teoría de las catástrofes: estudio de las bifurcaciones en los sistemas dinámicos, década de 1960), y los trabajos de los sociólogos Talcott Parsons (de Estados Unidos) y Niklas Luhmann (de Alemania), la Teoría de sistemas se consolidó aún más. En la actualidad, esta disciplina, es una ciencia auxiliar de todas las ciencias. Incluso hay quienes sugieren que es la ciencia de las ciencias: una metaciencia. Es considerada, junto con las matemáticas y la informática, como una ciencia formal.
Los sistemas pueden estudiarse a diferentes niveles. Por ejemplo, el cuerpo humano podría representarse como un conjunto de tejidos biológicos (músculo, hueso, sangre, nervios, entre otros) interconectados de tal forma que el cuerpo pueda, mantener firmeza y postura; producir movimiento y fuerza; generar autoregulación (homeostasis) e incluso conciencia. De igual manera, el cuerpo humano lo podríamos ver como un conjunto de sistemas; y cada uno de estos como otro conjunto de sistemas; y así sucesivamente, hasta llegar a los sistemas de célula, organelo, núcleo, membrana celular, molécula y átomo. Un sistema general, o total, del organismo ‒tomando en cuenta a todos sus subsistemas‒ sería muy complejo: la cantidad de factores ‒o variables‒ sería enorme.
Familia esquimal
En el caso de las ciencias sociales, si un sociólogo ‒o antropólogo‒ quisiera estudiar una determinada sociedad, ésta podría verse como un sistema donde el conjunto de elementos constituyentes (economía, gobierno, historia, religión, clases sociales, legislación, diplomacia, entre otros más) posee una propiedad integrativa. De este modo, algunas de las posibles salidas de este sistema serían el bien común de los habitantes, la libertad social, la salud pública, entre otras. A su vez, cada uno de los elementos constituyentes podría verse como un sistema, y así sucesivamente hasta llegar al sistema familia, o al sistema individuo.
Enfoque sistémico contra enfoque analítico
Al análisis sistémico de cualquier fenómeno ‒natural o social‒ se le contrapone a menudo el análisis analítico. En el enfoque analítico, los factores ‒o variables‒ del fenómeno en cuestión, se estudian por separado. Y aunque después podrían integrarse para tener una visión más amplia del fenómeno, no sería posible ver la interacción entre los factores (que sí permite el enfoque sistémico). La ventaja del enfoque analítico sobre el sistémico, es que permite obtener una detallada descripción de la variable bajo estudio, aunque el riesgo de llegar a conclusiones reduccionistas, sería alto. Finalmente, uno y otro enfoque se complementan.
La oposición entre los enfoques sistémico y analítico, también puede verse en la manera en que se obtienen modelos de algún fenómeno. Los modelos suelen ser empíricos en el primero, ya que es más importante la cantidad ‒y la interacción‒ de los factores desde un punto de vista global. En el segundo enfoque, son analíticos, es decir, se busca una correspondencia significativa entre el modelo que se está desarrollando y los modelos científicos vigentes (desde el punto de vista de las ciencias naturales podrían ser modelos de teorías físicas o químicas).
Consideraciones finales
Cabe mencionar que la Teoría de sistemas ha sido cuestionada debido a que no es consistente consigo misma en el sentido de producir conocimiento ‒y posterior desarrollo‒ dentro de sus propias fronteras (lo contrario, la convertiría en matemáticas). Es decir, necesita de las otras ciencias para tener razón de existir. Esto no es extraño puesto que así fue como se originó.
En lo que sí hay unanimidad, es que la Teoría de sistemas es una herramienta científica muy útil que es capaz de generar modelos de fenómenos ‒naturales o sociales‒ desde una visión global, y trasladarlos “sistemáticamente” de una ciencia a otra (mediante el uso de analogías), lo cual permite, en general, un mayor desarrollo científico. Finalmente, la Teoría de sistemas, se nutre de la multi e interdisciplinariedad de todas las ciencias.


miércoles, 11 de febrero de 2015

Nixtamalización del maíz

Una madre mexica enseña a su hija a
preparar tortillas de maíz.
Si usted no es habitante de México, Estados Unidos o de gran parte de Centroamérica, es muy probable que no haya probado la tortilla de maíz: disco delgado de masa de maíz que se cuece sobre una plancha para cocción (llamada comal). De igual manera, si no ha comido la tortilla es casi seguro que tampoco haya probado un tamal: masa de maíz rellena de carne, vegetales, salsas, entre otros ingredientes, envuelta generalmente en hojas de mazorca de maíz o de plátano y que se cuece al vapor. El maíz que se utiliza para la elaboración de estos productos se procesa mediante una milenaria tecnología denominada nixtamalización, la cual cambia notablemente las propiedades fisicoquímicas y nutritivas del grano.
La nixtamalización del maíz, desarrollada en Mesoamérica (región que comprende la mitad meridional de México; los territorios de Guatemala, Belice, El Salvador; así como el occidente de Nicaragua, Honduras y costa Rica), permitió que este cereal pasara de ser un alimento complementario a ser un alimento básico. Esta tecnología, fue uno de los factores que detonó el desarrollo de importantes civilizaciones en la región, como la olmeca, la maya, la azteca, entre otras más.
Morfología de maíz
Las variedades de maíz (zea mays L.) que conocemos actualmente provienen de la domesticación, desde hace unos 10 mil años, del teocintle, una gramínea similar al maíz que crece de manera natural principalmente en México y parte de América Central.
En general, el grano maduro o cariópside de maíz está formado por cuatro partes principales: pericarpio, endospermo, germen y pedicelo. El pericarpio es una capa de células fibrosas (5% del peso del grano). El endospermo (segundo tejido de reserva) representa poco más del 80% del peso del grano y tiene un alto contenido de almidón. El germen (aproximadamente un 11% del peso del grano) es considerado el primer tejido de reserva puesto que contiene una gran cantidad de nutrientes utilizados durante la germinación donde se origina el tallo (plúmula) y las raíces (radícula). El pedicelo o capa terminal, es la continuación del pericarpio y permite la unión de grano con el olote.
El almidón está integrado por dos tipos de macromoléculas: la amilosa y la amilopectina. Las cuales a su vez, están formadas por miles de moléculas –maltosa para la amilosa y glucosa para la amilopectina– concatenadas entre sí. La amilosa está conformada por cadenas lineales de maltosas, en cambio la amilopectina lo está por muchas ramificaciones de cadenas de glucosas, por lo que su peso atómico es mucho mayor. La proporción entre estas macromoléculas depende de la variedad del maíz. En general, una mayor cantidad de amilopectina otorgará mayor dureza y semicristalinidad –ordenamiento molecular– al almidón del maíz debido a su estructura molecular ramificada.
La nixtamalización
Maíz sin nixtamalizar (izquierda).
La nixtamalización (palabra náhuatl, derivada de nextli = cenizas o cenizas de cal y tamalli = masa de maíz) es un tratamiento térmico-alcalino que se utiliza para ablandar el grano de maíz. El proceso tradicional es el siguiente: se hierve el maíz en agua con 1-3% de cal (hidróxido de calcio) de 20 a 40 minutos. El tiempo de cocción depende del tipo de endospermo del maíz. La proporción de maíz:agua es de 1:3 (peso:volumen), con un pH de 11-13. Posteriormente se deja reposar al maíz de 8 a 12 horas. El agua de cocción denominada “nejayote” se elimina y el maíz se lava con agua limpia para eliminar el exceso de álcali. Finalmente el maíz se muele en un molino de piedras para obtener la masa cuya textura servirá para la preparación de productos nixtamalizados (los cuales conforman, hasta cierto punto, la base alimenticia de la mayor parte de la población en México).
La cal o el hidróxido de calcio [Ca(OH)2] al disolverse en el agua, se disocia en un catión Ca++ (ión con carga eléctrica positiva) y dos aniones OH- (iones con carga eléctrica negativa) debido a que las moléculas de agua los rodean y separan (fenómeno que se conoce como solvatación). Es así que los iones Ca++ en el agua tienen la posibilidad de introducirse en los granos de maíz y por otra parte, el exceso de iones OH- produce daños principalmente en el pericarpio, permitiendo la entrada masiva de iones Ca++ dentro del grano de maíz.
Cambios en el grano de maíz durante la nixtamalización
Nixtamalización del maíz.
Durante las distintas etapas del proceso de nixtamalización ocurren las siguientes reacciones fisicoquímicas en el interior del grano de maíz: la hidrólisis de la hemicelulosa del pericarpio, la gelatinización parcial o total del almidón, la difusión de los iones Ca++, y la interacción Ca-almidón. Es decir, al comenzar la nixtamalización, la solución alcalina degrada y solubiliza a los componentes de la pared celular del pericarpio y produce un ablandamiento del endospermo. Esto permite que el agua y el Ca++ se difundan en los intersticios del endospermo y del germen y también en los gránulos de almidón, los cuales se hinchan, se gelatinizan parcial o totalmente y se desorganiza su estructura semicristalina. Posteriormente, durante el remojo del maíz, los iones Ca++ limitan la gelatinización de los gránulos de almidón debido a la interacción Ca-almidón (principalmente con la amilosa). Esta interacción previene que el agua siga absorbiéndose, evitando una mayor hinchazón y degradación de los gránulos. Después de un tiempo prolongado, el Ca se presenta de manera significativa en el germen.
Las reacciones fisicoquímicas descritas, aunadas a las características del maíz y a las condiciones de la nixtamalización, otorgan a la masa las propiedades sensoriales, organolépticas y mecano-plásticas adecuadas para elaborar productos nixtamalizados. Pero también, como veremos enseguida, la calidad nutritiva del maíz se incrementa.
Beneficios de la nixtamalización
El Ca y el fósforo (P) representan el principal componente mineral del hueso. Ambos deben de estar disponibles y en cantidades suficientes para que la mineralización ósea sea la adecuada. El maíz nixtamalizado tiene una importancia nutricional al tener una relación Ca:P de 1.0 (el maíz sin nixtamalizar tiene un valor de 0.05). La relación Ca:P ideal en la dieta humana para mantener la densidad mineral apropiada en los huesos, debe de ser de 1.0 a 1.5 (una dieta con una relación Ca:P desde 0.66 a menos de 1.0, produce patologías y una precaria salud en el esqueleto).
En un estudio realizado por H. E. Martínez Flores y colaboradores (2002)1, se estudiaron las propiedades físicas y la composición química de fémures de ratas alimentadas con tortillas de maíz nixtamalizado y sin nixtamalizar. Se encontró que los fémures de las ratas alimentadas con tortillas de maíz nixtamalizado fueron más pesados, más gruesos y más fuertes que aquellos de las ratas alimentadas con tortillas de maíz sin tratamiento. Este estudio, entre otros, ha mostrado que el Ca del maíz procesado es altamente biodisponible. De hecho, en México, los productos nixtamalizados proveen más de la mitad del Ca total ingerido per cápita (Paredes-López, 2006)2.
Aunque la nixtamalización del maíz disminuye ligeramente el contenido de vitaminas en el grano, otorga importantes ventajas, como: el incremento de la disponibilidad de niacina –vitamina B3– evitando el riesgo de desarrollar pelagra, enfermedad que se presenta en otras partes del mundo donde se consume el maíz sin nixtamalizar como alimento base (sin otras fuentes que sean ricas en vitamina B3); la disminución de ácido fítico que ocasiona una mejor absorción de minerales; un incremento de la biodisponibilidad de aminoácidos; y la destrucción de aflatoxinas en el maíz contaminado por Aspergillus flavus (hongo patógeno que suele colonizar cereales y legumbres).
Consideraciones finales
Tortillas de maíz.
Como pudimos ver, la nixtamalización incrementa las propiedades nutricionales del maíz y también logra cambiar sus propiedades organolépticas. De esta manera, las tortillas, tamales y totopos, pueden ser degustados por millones de personas todos los días. Así que, si usted vive en regiones donde no se consumen estos productos, lo invito a probarlos. Es posible que haya algún restaurante de comida mexicana o centroamericana cerca de donde vive. Será sin duda una grata experiencia.


1. H. E. Martínez-Flores et al. Physical properties and composition of femures of rat fed with diets based on corn tortillas made from different processes. International Journal of Food Sciences and Nutrition, 53, 2002, 155-162.
2. Paredes-López, Octavio. Los Alimentos Mágicos de las Culturas Indígenas Mesoamericanas. 1ª edición, Fondo de Cultura Económica, 2006.


viernes, 6 de febrero de 2015

¿Qué es la biomecánica?

(Publicado por primera vez en agosto de 2013 en http://papeldeperiodico.com/2013/08/21/que-es-la-biomecanica/)

Es posible que usted, amable lector, haya leído alguno de los libros del escritor Jonathan Swift donde el personaje Gulliver llega a la tierra de Lilliput, habitada por gente diminuta. Ahí, las plantas, los árboles y los animales están en una escala pequeña. En consecuencia, Gulliver es visto como un gigante. En otra aventura, llega a un país llamado Brobdingnang, donde la gente, la flora y la fauna es de mucho mayor tamaño que él. Ahí es tomado como alguien pequeño. Finalmente, un águila lo toma de su jaula y lo deja caer en el mar, donde es rescatado por personas de tamaño normal.
Gulliver en Brobdingnag.
Inmediatamente nos viene a la mente la cuestión de si las leyes físicas habrían sido las mismas en las dos escalas. Si así hubiera sido, las gotas de lluvia habrían parecido más grandes en Lilliput, al igual que las llamas de una vela (suelen ser del mismo tamaño a pesar del tamaño de la vela). Habría sucedido lo opuesto en Brobdingnang, donde gotas y llamas habrían parecido minúsculas. Por otra parte, un lilliputense habría salido ileso de una caída desde una altura significativa, no así un brobdingnangense, quien podría haber sufrido un daño evidente al apenas tropezarse y caer.
Cambio de escala
Un cambio de escala (ante las mismas leyes físicas) a la manera como lo vivió Gulliver, tendría implicaciones profundas en la interacción de las personas con su entorno, incluso en el funcionamiento del propio organismo. ¿De qué forma trabajaría un corazón lilliputense con respecto al de un brobdingnangense? Seguramente la frecuencia cardíaca sería mucho más alta en el primero basándonos en el hecho de que el corazón de los mamíferos pequeños ‒como los ratones‒ late unas 500 veces por minuto. En cambio, los mamíferos grandes ‒como el elefante‒ tienen una frecuencia cardíaca de unos 40 latidos/minuto (la del humano es de 70 latidos/minuto en reposo).
Por otra parte, ¿el tamaño de los pulmones de lilliputenses y brobdingnangenses podría ser proporcional al de un humano normal? Tomando el mismo ejemplo de los mamíferos minúsculos y grandes, vemos que la frecuencia de respiración de un ratón es de casi 200 respiraciones/minuto, en cambio, la de un elefante es de poco menos de ocho (siendo 15 el de una persona en reposo). Por lo tanto, es indudable que los sistemas respiratorios de tales personajes ficticios, serían distintos. Además de estas diferencias, habría un sinfín de otras más que harían imposible la existencia de seres minúsculos y gigantes, a la manera humana.
Un sustento profundo de este análisis anatómico de los personajes de Swift, lo podemos encontrar en la biofísica, o en una forma más enfocada, en la biomecánica (disciplina que forma parte de la biofísica), la cual, como veremos a continuación, nos permite conocer la dinámica entre las distintas variables mecánicas que tiene lugar en un organismo vivo.
Origen de la biomecánica
Podemos definir la biomecánica (de las raíces griegas  βίος, vida y μηχανική, mecánica) como el estudio de sistemas biológicos (animales, órganos, plantas, células y bacterias), desde un punto de vista mecánico. Sobre el origen de esta disciplina, podríamos considerar que las primeras herramientas biomecánicas de la humanidad pudieron haber sido el bastón y las muletas. Para su manufactura, sólo pudo haber bastado conocer la estatura ‒y corpulencia‒ del usuario y la elección del material: madera o algún carrizo lo suficientemente resistente.
Prótesis egipcia de dedo del pie.
La elaboración de prótesis humanas se remonta al antiguo Egipto. Hace algunos años, la investigadora Jacky Finch (del Centro de Egiptología Biomédica, Universidad de Manchester, RU) analizó dos prótesis de dedo gordo del pie de una antigüedad anterior a los 600 años a. C. Una fue elaborada de lino, pegamento y yeso, y la otra (encontrada en el pie de una momia de mujer), se construyó de cuero y madera. La científica encontró que además de una función estética, estas prótesis ayudaron a estabilizar la marcha de sus portadores1.
Tiempo después, prótesis rudimentarias ‒de madera e incluso bronce‒ para personas que habían perdido un brazo o una pierna, se elaboraron en base a la capacidad del material para soportar el peso corporal o, en el caso de un brazo, minimizar el desgaste. Aunque en forma muy elemental y cualitativa, la biomecánica siguió desarrollándose lentamente (es pertinente aclarar que sólo desde una perspectiva actual, podemos denominar tales actividades como comienzos de la biomecánica).
Robot diseñado por Leonardo da Vinci (el
diseño original fue realizado en papel).
Mucho más adelante, sobre todo en tiempos del Renacimiento, Leonardo da Vinci diseñó dispositivos mecánicos para volar (inspirado en las alas de las aves) e incluso un robot antropomorfo. Años después, Andrés Vesalio publicó sus insuperables ilustraciones de anatomía (‘Sobre la estructura del cuerpo humano’, en 1543), las cuales serían de gran utilidad para posteriores estudios biofísicos. A partir de este periodo (pero sobre todo desde finales del siglo XVII, con el desarrollo y expansión de la mecánica newtoniana), el análisis de fuerzas, tensiones y esfuerzos en el diseño de dispositivos biomecánicos ‒con respecto a su forma y materiales constituyentes‒, comenzó a ganar importancia.
La biomecánica moderna
En la segunda mitad del siglo XX, la biomecánica comenzó a ser cultivada como disciplina independiente. Gracias a los avances tecnológicos, el sistema circulatorio y el microcirculatorio (red de minúsculos vasos sanguíneos) pudieron estudiarse en función de la cantidad y morfología de las células constituyentes del plasma sanguíneo. Se analizó ‒y modeló‒ el intercambio gaseoso en los alveolos pulmonares al igual que las propiedades plásticas de las membranas celulares. Mediante estos modelos, se logró predecir, con una certidumbre elevada, la dinámica real del sistema circulatorio, así como el comportamiento de enfermedades como la diabetes, el enfisema pulmonar, y algunas cardiopatías. De los científicos que estudiaron estos sistemas biológicos, destaca en forma significativa el profesor chino-estadounidense Yuan-Cheng Fung (nacido en 1919), quien es considerado el padre de la biomecánica moderna2.
Sistemas biomecánicos micro y macroscópicos
Flagelos de chlamydomonas (algas
unicelulares).
La biomecánica ha permitido el estudio de sistemas biológicos microscópicos, como la motilidad externa e interna de células y bacterias. Por ejemplo, se ha estudiado la dinámica de los cilios o flagelos de algunas bacterias y espermatozoides; la manera en que los citófagos (como algunos glóbulos blancos, o leucocitos) engullen corpúsculos extraños mediante pseudópodos (prolongaciones del citoplasma); la forma en que ocurre la mitosis (proceso que ocurre en el núcleo celular, que consiste en el reparto equitativo del material genético antes de la división celular).
En estos casos, el citoesqueleto (conformado en gran parte por fibras de proteína denominadas microtúbulos) cumple una función primordial al actuar como vías para que las proteínas motoras como la miosina, la dineína o la cinesina, puedan desplazarse en el citoplasma.
Pasando ahora al mundo macroscópico, se ha aprovechado la eficiente locomoción de algunos insectos como, cucarachas, hormigas y gusanos para el desarrollo de robots que los emulan. Incluso se han diseñado pequeños robots voladores basados en insectos alados. Igualmente, se ha estudiado la morfología de aves, delfines o tiburones para hacer más eficiente el vuelo de aviones o la navegación de barcos y submarinos.
Otras aplicaciones
El estudio biomecánico de hongos, plantas y árboles ha permitido hacer una correlación entre su morfología y el medio ambiente donde se desarrollan. De particular interés ha sido la génesis de filamentos en los hongos filamentosos, así como la de las ramas y hojas de plantas y árboles. Por otra parte, el estudio del ascenso de agua de las raíces a las hojas, filamentos, o frutos, mediante el fenómeno de capilaridad, se ha analizado con el propósito de mejorar la absorción de nutrientes del suelo.
La biomecánica da soporte a otra disciplina científica conocida como farmacodinamia, la cual se encarga de estudiar la difusión y efectos de los fármacos en el organismo. En la actualidad, se realiza investigación para hacer más eficiente la distribución general ‒o focalizada‒ de fármacos que pudieran permitir un ataque selectivo a tumores cancerosos, por decir un ejemplo.
Consideraciones finales
Incluso en el deporte, la biomecánica ha sido importante para mejorar el rendimiento de los atletas, desarrollar técnicas de entrenamiento, y diseñar equipamiento de alto rendimiento (tenis apropiados para un deporte particular, cascos aerodinámicos para ciclistas, trajes para natación, bicicletas especiales, entre otros). Además, para los estudios del efecto de la ingravidez en los organismos biológicos (al permanecer un largo periodo en órbita), la biomecánica ha tenido un papel importante.
Yendo un poco más lejos, incluso podríamos estudiar cómo un planeta distinto a la Tierra (de mayor o menor masa), podría influir en el organismo humano. Sería algo así como visitar Lilliput o Brobdingnang ¿no creen?

1.      J. Finch. The ancient origins of prosthetic medicine. The Lancet, Vol. 377, 9765, 548-549 (pp), 12 February 2011.
2.      Kassab. Y.C. “Bert” Fung: The Father of Modern Biomechanics. MCB, Vol.1, 1, 5-22 (pp), 2004.