¿Qué ocurrió el 13 de agosto en la historia de la ciencia y la tecnología? Esta fecha reúne descubrimientos que permiten interpretar la luz, calcular el movimiento de los fluidos, transmitir imágenes, fabricar materiales resistentes a la corrosión, leer la información de las proteínas y el ADN, y observar cómo un cometa despierta al aproximarse al Sol. El 13 de agosto de 1814 nació Anders Jonas Ångström, uno de los fundadores de la espectroscopía; en 1819 nació George Gabriel Stokes, matemático y físico relacionado con las ecuaciones de los fluidos, la fluorescencia y el cálculo vectorial; en 1888 nació John Logie Baird, pionero de la televisión; en 1913 Harry Brearley produjo en Sheffield una aleación considerada precursora del acero inoxidable moderno; en 1918 nació Frederick Sanger, doble ganador del Nobel de Química y creador de métodos fundamentales para secuenciar proteínas y ADN; y en 2015 la misión Rosetta contempló desde cerca el perihelio del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko.
1814: nace Anders Jonas Ångström, pionero de la espectroscopía
El 13 de agosto de 1814 nació en Lögdö, Suecia, el físico y astrónomo Anders Jonas Ångström.
Desarrolló gran parte de su carrera en la Universidad de Uppsala, donde estudió fenómenos muy diferentes:
- El espectro del Sol.
- Las auroras boreales.
- La transmisión del calor.
- El magnetismo terrestre.
- Las propiedades de la luz.
Su principal legado se encuentra en la espectroscopía, una técnica que permite identificar sustancias analizando la luz que emiten o absorben.
¿Qué es un espectro?
Cuando la luz blanca atraviesa un prisma, sus componentes se separan según su longitud de onda.
El resultado es una sucesión de colores semejante a un arcoíris.
Sin embargo, la luz procedente de una estrella no siempre produce una franja continua y uniforme.
Puede contener:
- Líneas brillantes.
- Líneas oscuras.
- Bandas.
- Regiones con diferentes intensidades.
Cada una contiene información sobre la materia que produjo o atravesó esa radiación.
Las líneas oscuras del Sol
El espectro solar contiene numerosas líneas oscuras conocidas como líneas de Fraunhofer.
Se producen porque los gases relativamente fríos de las capas exteriores del Sol absorben determinadas longitudes de onda.
Los átomos no absorben cualquier cantidad de energía.
Solo pueden hacerlo cuando la radiación coincide con la diferencia entre dos niveles energéticos permitidos.
Por eso cada elemento deja una especie de código de barras dentro del espectro.
La huella digital de los elementos
Si una muestra contiene hidrógeno, sodio, calcio o hierro, sus átomos producen patrones característicos.
Comparando las líneas observadas con las obtenidas en un laboratorio podemos averiguar qué elementos existen en:
- El Sol.
- Otras estrellas.
- Nebulosas.
- Galaxias.
- Atmósferas planetarias.
- Gases industriales.
La espectroscopía permite conocer la composición química de objetos que nunca podremos recoger físicamente.
El gran mapa solar de 1868
Ångström publicó en 1868 su obra clásica Recherches sur le spectre solaire.
El trabajo contenía mediciones detalladas de más de mil líneas espectrales del Sol.
Para cada línea era necesario determinar con enorme precisión:
- Su posición.
- Su longitud de onda.
- Su intensidad relativa.
- Su posible relación con un elemento.
La obra se convirtió en una referencia fundamental para la espectroscopía del siglo XIX.
El hidrógeno en el Sol
Los estudios de Ångström ayudaron a relacionar líneas solares con el hidrógeno observado en laboratorios.
Esto demostraba que las mismas sustancias presentes en la Tierra existían también en nuestra estrella.
La conclusión fue revolucionaria.
Durante siglos, muchas personas habían supuesto que los cuerpos celestes podían estar formados por una materia completamente distinta.
La espectroscopía mostró que el universo obedece las mismas leyes físicas y químicas.
¿Qué es una longitud de onda?
La longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes consecutivos de una onda.
Se representa normalmente mediante la letra griega lambda:
λ
La frecuencia y la longitud de onda se relacionan mediante:
c = λf
donde:
- c es la velocidad de la luz.
- λ es la longitud de onda.
- f es la frecuencia.
Una longitud de onda menor corresponde a una frecuencia mayor.
La unidad ångström
En su honor se utiliza la unidad denominada ångström, cuyo símbolo es:
Å
Un ångström equivale a:
1 Å = 10−10 m = 0,1 nm
Es una longitud adecuada para expresar tamaños y distancias del mundo atómico.
Por ejemplo, puede utilizarse para indicar:
- Longitudes de onda de rayos X.
- Separación entre átomos dentro de un cristal.
- Longitud de enlaces químicos.
- Tamaño aproximado de determinadas estructuras moleculares.
¿Es una unidad del Sistema Internacional?
El ångström no es una unidad básica del Sistema Internacional.
El metro continúa siendo la unidad oficial de longitud.
Sin embargo, el ångström se utiliza todavía en espectroscopía, cristalografía y física atómica porque produce números cómodos.
Un enlace químico puede medir uno o dos ångströms, en lugar de escribirse continuamente mediante potencias negativas del metro.
El espectro de la aurora boreal
Ångström también estudió la luz emitida por las auroras boreales.
En 1867 realizó uno de los primeros estudios espectroscópicos de este fenómeno.
Las auroras aparecen cuando partículas cargadas procedentes del espacio interactúan con gases de la atmósfera superior.
Las colisiones excitan principalmente:
- Átomos de oxígeno.
- Moléculas de nitrógeno.
- Iones atmosféricos.
Cuando estas partículas regresan a estados de menor energía emiten luz.
¿Por qué las auroras tienen diferentes colores?
El color depende de la sustancia, la altitud y la energía de las colisiones.
- El oxígeno puede producir el conocido color verde.
- A mayor altitud, el oxígeno puede generar tonos rojizos.
- El nitrógeno puede contribuir con colores azules o violetas.
El espectro permite identificar qué gases participan sin necesidad de recoger una muestra de la aurora.
Espectros de emisión y absorción
Un gas caliente y poco denso puede producir líneas brillantes de emisión.
Si una fuente de luz continua atraviesa un gas más frío, aparecen líneas oscuras de absorción.
Las posiciones de las líneas coinciden porque están relacionadas con las mismas transiciones energéticas.
Este principio permite estudiar las capas de las estrellas.
El desplazamiento Doppler
Las líneas espectrales también pueden revelar movimiento.
Si una fuente se aproxima, sus líneas se desplazan ligeramente hacia longitudes de onda menores.
Si se aleja, se desplazan hacia longitudes mayores.
Gracias a este efecto pueden medirse:
- Velocidad de estrellas.
- Rotación de galaxias.
- Movimiento de gases.
- Órbitas de exoplanetas.
- Expansión del universo.
De Ångström a la astrofísica moderna
Los observatorios actuales separan la luz mediante espectrógrafos extremadamente precisos.
Un espectro moderno puede revelar:
- Temperatura.
- Composición.
- Presión.
- Densidad.
- Campo magnético.
- Velocidad.
- Presencia de moléculas.
La luz se ha convertido en una muestra enviada por el universo hasta nuestros instrumentos.
1819: nace George Gabriel Stokes, matemático de los fluidos y de la luz
El 13 de agosto de 1819 nació en Skreen, condado de Sligo, Irlanda, George Gabriel Stokes.
Desarrolló casi toda su carrera en la Universidad de Cambridge.
Fue profesor lucasiano de Matemáticas durante más de medio siglo, un cargo ocupado anteriormente por Isaac Newton y posteriormente por científicos como Paul Dirac y Stephen Hawking.
Stokes realizó aportaciones fundamentales en:
- Mecánica de fluidos.
- Óptica.
- Fluorescencia.
- Cálculo vectorial.
- Movimiento de ondas.
- Geofísica.
¿Qué es un fluido?
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando actúa sobre ella una fuerza tangencial.
La categoría incluye:
- Líquidos.
- Gases.
- Plasmas.
- Determinados materiales complejos.
El agua, el aire, la sangre y el petróleo se comportan como fluidos, aunque sus propiedades sean muy diferentes.
La viscosidad
La viscosidad expresa la resistencia interna de un fluido a deformarse o fluir.
Un líquido con viscosidad elevada, como la miel, fluye más lentamente que otro menos viscoso, como el agua.
La viscosidad depende de factores como:
- Temperatura.
- Presión.
- Composición.
- Estructura molecular.
En muchos líquidos, aumentar la temperatura reduce la viscosidad.
La ley de Stokes
Stokes estudió la fuerza que actúa sobre una esfera pequeña que se mueve lentamente dentro de un fluido viscoso.
En condiciones adecuadas, la fuerza de resistencia puede expresarse como:
F = 6πηrv
donde:
- F es la fuerza de resistencia.
- η es la viscosidad dinámica.
- r es el radio de la esfera.
- v es su velocidad respecto al fluido.
La fuerza aumenta si la esfera es mayor, si se mueve más rápido o si el fluido es más viscoso.
Cuándo puede aplicarse
La ley funciona especialmente bien cuando:
- La partícula es aproximadamente esférica.
- El movimiento es lento.
- El fluido se comporta como newtoniano.
- El flujo alrededor de la esfera es laminar.
- Los efectos de turbulencia son despreciables.
No puede aplicarse sin modificaciones a cualquier objeto o velocidad.
El número de Reynolds
El número de Reynolds compara la importancia de la inercia y la viscosidad.
De manera simplificada:
Re = ρvL/η
Cuando el número es muy pequeño, la viscosidad domina y el flujo es suave.
En ese régimen resulta especialmente útil la aproximación de Stokes.
La velocidad terminal
Una partícula que cae dentro de un líquido acelera inicialmente.
Al aumentar su velocidad también aumenta la resistencia viscosa.
Llega un momento en el que:
- El peso.
- El empuje.
- La resistencia viscosa.
se equilibran.
La partícula deja de acelerar y continúa con una velocidad aproximadamente constante denominada velocidad terminal.
Aplicaciones de la ley de Stokes
El principio puede utilizarse para estudiar:
- Sedimentación de partículas.
- Tamaño de gotas.
- Viscosidad de líquidos.
- Movimiento de aerosoles.
- Procesamiento de minerales.
- Células dentro de fluidos.
- Contaminantes atmosféricos.
Las ecuaciones de Navier-Stokes
El nombre de Stokes aparece también en las ecuaciones que describen el movimiento de los fluidos.
Una de sus formas generales relaciona:
- Aceleración del fluido.
- Presión.
- Viscosidad.
- Fuerzas externas.
Estas ecuaciones se utilizan para modelar:
- El aire alrededor de un avión.
- El agua dentro de una tubería.
- La circulación atmosférica.
- Las corrientes oceánicas.
- El flujo sanguíneo.
- El humo de un incendio.
El gran problema de la turbulencia
Las ecuaciones pueden escribirse con relativa facilidad, pero resolverlas en situaciones reales es extremadamente complicado.
La turbulencia produce remolinos de muchos tamaños que interactúan entre sí.
La existencia y regularidad de soluciones generales de las ecuaciones tridimensionales constituye uno de los Problemas del Milenio.
El teorema de Stokes
En cálculo vectorial, el teorema asociado a Stokes conecta lo que ocurre dentro de una superficie con lo que ocurre en su borde.
Su expresión general es:
∬S (∇ × F) · dS = ∮∂S F · dr
La circulación de un campo alrededor de una curva cerrada está relacionada con la suma de su rotación sobre la superficie encerrada.
Es una generalización profunda que conecta diferentes resultados del cálculo.
Un ejemplo intuitivo
Imaginemos una pequeña rueda colocada dentro de una corriente de agua.
Si el fluido tiende a hacerla girar, existe una rotación local del campo de velocidades.
El teorema relaciona esa rotación distribuida por una superficie con el movimiento acumulado alrededor de su borde.
La fluorescencia
Stokes investigó sustancias capaces de absorber radiación y emitir posteriormente luz de otra longitud de onda.
Ayudó a establecer y popularizar el término fluorescencia.
En muchos materiales, la luz emitida posee una energía menor que la absorbida.
Por ello, su longitud de onda suele ser mayor.
El desplazamiento de Stokes
La diferencia entre las bandas de absorción y emisión recibe el nombre de desplazamiento de Stokes.
Una molécula puede:
- Absorber un fotón.
- Pasar a un estado energético superior.
- Perder parte de la energía mediante vibraciones o colisiones.
- Emitir un fotón de menor energía.
El fotón emitido suele aparecer desplazado hacia colores de mayor longitud de onda.
Aplicaciones de la fluorescencia
Actualmente se utiliza en:
- Microscopía biológica.
- Diagnóstico médico.
- Detección de sustancias.
- Mineralogía.
- Investigación forense.
- Marcadores de seguridad.
- Iluminación.
Las proteínas fluorescentes permiten observar procesos dentro de células vivas.
Los parámetros de Stokes
Stokes también desarrolló una forma de describir la polarización de la luz.
Los parámetros permiten caracterizar:
- Intensidad total.
- Polarización horizontal o vertical.
- Polarización diagonal.
- Polarización circular.
Se utilizan en astronomía, óptica, teledetección y comunicaciones.
1888: nace John Logie Baird, pionero de la televisión
El 13 de agosto de 1888 nació en Helensburgh, Escocia, el inventor John Logie Baird.
En enero de 1926 realizó ante miembros de la Royal Institution una demostración pública de un sistema capaz de transmitir imágenes en movimiento.
Su tecnología era mecánica, limitada y muy diferente de las pantallas modernas.
Sin embargo, demostró que era posible enviar una escena visual a distancia.
¿Qué significa televisión?
La palabra combina raíces que pueden interpretarse como:
- Tele: a distancia.
- Visión: capacidad de ver.
Para transmitir una imagen es necesario convertirla en información, enviarla y reconstruirla en el receptor.
Una imagen debe dividirse
Una cámara no transmite una escena completa como un único bloque.
Debe analizar diferentes regiones.
Los sistemas modernos dividen la imagen en píxeles.
El aparato de Baird exploraba la escena línea por línea mediante un mecanismo giratorio.
El disco de Nipkow
El sistema utilizaba un disco con pequeños agujeros colocados siguiendo una espiral.
Cuando giraba, cada agujero exploraba una franja distinta de la imagen.
La sucesión permitía convertir una escena bidimensional en una señal variable a lo largo del tiempo.
El principio había sido patentado por Paul Nipkow en el siglo XIX.
Baird consiguió convertirlo en un sistema funcional.
Transformar luz en electricidad
La luz reflejada por el objeto llegaba a una célula fotoeléctrica.
Las regiones claras producían una respuesta distinta a las oscuras.
La variación eléctrica representaba el brillo de cada punto explorado.
La señal podía enviarse mediante cables o radio.
Reconstruir la imagen
En el receptor había otro disco giratorio sincronizado con el transmisor.
Una lámpara cambiaba de brillo según la señal recibida.
Al girar rápidamente, los puntos luminosos formaban una imagen gracias a la persistencia de la visión.
La importancia de la sincronización
Los discos del transmisor y del receptor tenían que girar:
- A la misma velocidad.
- Con la misma posición relativa.
- Sin cambios bruscos.
Si perdían la sincronización, la imagen aparecía deformada, inclinada o dividida.
Stooky Bill
Las primeras cámaras necesitaban una iluminación extremadamente intensa.
El calor y la incomodidad dificultaban utilizar personas durante todas las pruebas.
Baird empleó una cabeza de muñeco conocida como Stooky Bill.
Su rostro pintado y sus contrastes soportaban la luz y podían producir una imagen reconocible.
La demostración de 1926
El 26 de enero de 1926, Baird presentó su sistema ante científicos y periodistas en Londres.
La imagen era pequeña, parpadeante y de muy baja definición.
Aun así, podía mostrar un rostro humano con movimiento y diferentes niveles de brillo.
La demostración suele considerarse la primera exhibición pública de televisión en funcionamiento.
Treinta líneas frente a millones de píxeles
El sistema de Baird utilizó durante sus primeras etapas alrededor de treinta líneas.
Una pantalla actual puede contener millones de píxeles.
La diferencia afecta a:
- Nitidez.
- Detalle.
- Tamaño de la imagen.
- Estabilidad.
- Velocidad del movimiento.
La imagen de Baird era rudimentaria, pero demostraba el principio.
La primera transmisión transatlántica
En 1928, la empresa de Baird realizó una transmisión experimental de imágenes entre Londres y Nueva York.
Las señales cruzaron el Atlántico mediante radio de onda corta.
El experimento mostró que la televisión podía superar distancias internacionales.
Televisión en color
Baird experimentó también con sistemas de color.
Un método utilizaba filtros rojos, verdes y azules.
La imagen se separaba en componentes cromáticos y después se recombinaba.
El principio de utilizar colores primarios continúa presente en las pantallas modernas.
Imágenes tridimensionales
Baird investigó sistemas estereoscópicos.
Para percibir profundidad, cada ojo necesita recibir una imagen ligeramente diferente.
El cerebro combina ambas perspectivas.
La idea se encuentra en:
- Cine tridimensional.
- Realidad virtual.
- Visores estereoscópicos.
- Sistemas de telepresencia.
Phonovision: grabar televisión en un disco
Baird intentó registrar señales televisivas en discos semejantes a los fonográficos.
El sistema recibió el nombre de Phonovision.
Las grabaciones originales eran muy difíciles de reproducir correctamente con la tecnología de la época.
Décadas después, el procesamiento digital permitió recuperar algunas imágenes.
La competencia de la televisión electrónica
La televisión mecánica tenía limitaciones importantes:
- Pocas líneas.
- Discos que debían girar rápidamente.
- Imágenes pequeñas.
- Problemas de sincronización.
- Dificultad para aumentar la resolución.
Los sistemas electrónicos basados en tubos de cámara y tubos de rayos catódicos terminaron ofreciendo mejor calidad.
En la década de 1930, la televisión electrónica sustituyó progresivamente a los sistemas mecánicos.
¿Inventó Baird por sí solo la televisión?
No existe un único inventor responsable de toda la televisión.
Su desarrollo necesitó aportaciones de:
- Paul Nipkow.
- John Logie Baird.
- Philo Farnsworth.
- Vladimir Zworykin.
- Isaac Shoenberg.
- Equipos de empresas y emisoras.
Baird fue uno de los pioneros más importantes y realizó varios de los primeros experimentos públicos.
De la televisión mecánica al vídeo digital
Las pantallas actuales utilizan tecnologías como:
- LCD.
- OLED.
- MicroLED.
- Procesamiento digital.
- Compresión de vídeo.
- Transmisión por internet.
El método ha cambiado por completo, pero permanece el mismo problema fundamental: convertir imágenes en información y reconstruirlas a distancia.
1913: Harry Brearley desarrolla en Sheffield un acero resistente a la corrosión
El 13 de agosto de 1913 se asocia tradicionalmente con la producción, en Sheffield, de una aleación experimental desarrollada por el metalúrgico Harry Brearley.
La aleación contenía suficiente cromo para presentar una resistencia a la corrosión muy superior a la del acero ordinario.
Brearley la denominó inicialmente acero sin óxido o rustless steel.
Con el tiempo se popularizó el nombre:
acero inoxidable
El problema original no eran los cubiertos
Brearley trabajaba en un laboratorio metalúrgico vinculado a la industria del acero de Sheffield.
Investigaba aleaciones que resistieran mejor el desgaste y las elevadas temperaturas producidas dentro de los cañones de armas.
Buscaba mejorar:
- Dureza.
- Resistencia al desgaste.
- Comportamiento térmico.
- Duración de los materiales.
La resistencia a la corrosión apareció como una propiedad especialmente interesante de determinadas muestras con cromo.
¿Por qué se oxida el hierro?
El hierro reacciona con oxígeno y agua.
Se forman diferentes óxidos e hidróxidos conocidos de manera general como herrumbre.
La corrosión puede acelerarse por:
- Humedad.
- Sales.
- Ácidos.
- Temperaturas elevadas.
- Contacto con otros metales.
La capa de herrumbre es porosa y puede desprenderse.
Al desaparecer, deja expuesto nuevo metal y la corrosión continúa.
El papel del cromo
El acero inoxidable contiene una proporción suficiente de cromo.
Cuando la superficie entra en contacto con oxígeno, el cromo forma una película de óxido extremadamente delgada.
La capa:
- Se adhiere a la superficie.
- Reduce el paso de oxígeno y agua.
- Protege el metal situado debajo.
- Puede regenerarse si recibe oxígeno.
Este fenómeno recibe el nombre de pasivación.
Una protección microscópica
La capa protectora no necesita ser gruesa ni visible.
Puede tener un espesor de pocos nanómetros.
A diferencia de la herrumbre ordinaria, permanece unida y actúa como barrera.
El material no es completamente incapaz de corroerse.
Es inoxidable en el sentido de que resiste mucho mejor determinadas condiciones.
El acero inoxidable sí puede corroerse
La película pasiva puede dañarse en ambientes agresivos.
Entre los riesgos se encuentran:
- Agua salada.
- Cloruros.
- Ácidos fuertes.
- Temperaturas elevadas.
- Grietas sin oxígeno suficiente.
- Contaminación con partículas de hierro.
Los cloruros pueden producir pequeños ataques localizados denominados picaduras.
El nombre acero inoxidable puede resultar engañoso
No existe una única composición.
Se trata de una gran familia de aleaciones.
Además del cromo pueden contener:
- Níquel.
- Molibdeno.
- Manganeso.
- Nitrógeno.
- Titanio.
- Carbono en diferentes cantidades.
Cada elemento modifica propiedades como resistencia, dureza, soldabilidad o comportamiento frente a productos químicos.
El acero 18/8
Uno de los tipos más conocidos contiene aproximadamente:
- 18 % de cromo.
- 8 % de níquel.
El níquel ayuda a estabilizar una estructura cristalina conocida como austenita.
Los aceros austeníticos presentan:
- Buena resistencia a la corrosión.
- Facilidad de conformado.
- Buena soldabilidad.
- Comportamiento adecuado a bajas temperaturas.
El acero 304 y el 316
El tipo 304 es muy utilizado en cocinas, depósitos y equipamiento industrial.
El 316 incorpora molibdeno, que mejora la resistencia frente a determinados ambientes con cloruros.
Por ello aparece en:
- Equipos marinos.
- Industria química.
- Instrumentos médicos.
- Instalaciones alimentarias.
La elección depende siempre del ambiente real.
De las armas a los cuchillos
Brearley comprendió que el material podía ser útil para fabricar cubiertos y cuchillos resistentes a las manchas.
Sheffield poseía una importante industria de cuchillería.
Sin embargo, las primeras aleaciones presentaban dificultades de:
- Forjado.
- Pulido.
- Afilado.
- Tratamiento térmico.
Fue necesario adaptar los procesos industriales.
Una historia con muchos protagonistas
Harry Brearley es una figura central, pero no fue la única persona que investigó aleaciones resistentes a la corrosión.
Antes y durante la misma época hubo trabajos en:
- Reino Unido.
- Alemania.
- Francia.
- Estados Unidos.
- Otros centros metalúrgicos.
Otros investigadores desarrollaron composiciones con cromo, níquel y cantidades reducidas de carbono.
Por ello, resulta más preciso considerar el acero inoxidable como el producto de una evolución internacional.
Aplicaciones médicas
La combinación de resistencia mecánica, limpieza y comportamiento frente a la corrosión permitió utilizar estas aleaciones en:
- Instrumental quirúrgico.
- Mesas hospitalarias.
- Equipos de esterilización.
- Agujas.
- Implantes de composiciones específicas.
Los instrumentos médicos necesitan soportar humedad, productos de limpieza y ciclos de esterilización.
Industria alimentaria
El acero inoxidable se utiliza para fabricar:
- Depósitos.
- Tuberías.
- Mesas.
- Batidoras.
- Equipos de envasado.
- Superficies de cocinas.
Su superficie puede limpiarse con facilidad y no necesita pinturas que puedan desprenderse sobre los alimentos.
Arquitectura y transporte
El material aparece también en:
- Fachadas.
- Puentes.
- Trenes.
- Automóviles.
- Esculturas.
- Barandillas.
Su coste inicial puede ser mayor que el de otros aceros, pero su vida útil y menor mantenimiento pueden compensarlo.
Reciclaje
El acero inoxidable puede reciclarse.
Gran parte de su producción utiliza chatarra metálica recuperada.
El reciclaje permite conservar:
- Hierro.
- Cromo.
- Níquel.
- Molibdeno.
No obstante, la fabricación y recuperación continúan necesitando energía y una gestión adecuada de los materiales.
1918: nace Frederick Sanger, el científico que aprendió a leer proteínas y ADN
El 13 de agosto de 1918 nació en Rendcomb, Gloucestershire, Reino Unido, el bioquímico Frederick Sanger.
Su trabajo transformó la biología al desarrollar métodos para determinar el orden de las unidades que forman las grandes moléculas biológicas.
Recibió dos premios Nobel de Química:
- En 1958, por sus estudios sobre la estructura de las proteínas, especialmente la insulina.
- En 1980, por sus aportaciones a la determinación de secuencias de ácidos nucleicos.
La vida está organizada mediante secuencias
Las proteínas y los ácidos nucleicos son cadenas.
Su función depende no solo de las unidades presentes, sino también del orden en el que aparecen.
Podemos compararlo con una palabra:
- Las letras son las unidades.
- El orden determina el significado.
Cambiar una sola posición puede alterar completamente el resultado.
¿Qué es una proteína?
Una proteína es una cadena formada por aminoácidos.
Existen veinte aminoácidos principales utilizados por las células para construir proteínas.
La secuencia determina cómo se pliega la molécula y qué función puede realizar.
Las proteínas actúan como:
- Enzimas.
- Hormonas.
- Anticuerpos.
- Estructuras.
- Transportadores.
- Receptores.
La insulina
La insulina es una hormona producida por el páncreas.
Ayuda a regular la glucosa presente en la sangre.
Está formada por dos cadenas de aminoácidos conectadas mediante puentes de azufre.
Antes del trabajo de Sanger no se había demostrado completamente que una proteína tuviera una secuencia química única y definida.
Romper para reconstruir
Una proteína completa es demasiado compleja para analizarla de una sola vez con los métodos de la época.
Sanger utilizó reactivos y enzimas para dividirla en fragmentos más pequeños.
Después necesitaba:
- Separar los fragmentos.
- Identificar sus aminoácidos.
- Determinar el orden interno.
- Buscar solapamientos.
- Reconstruir la secuencia completa.
El proceso se parecía a reconstruir un texto a partir de muchos trozos parcialmente superpuestos.
El reactivo de Sanger
Sanger utilizó un compuesto capaz de marcar el aminoácido situado en el extremo de una cadena.
Al romper después la proteína podía identificar qué unidad ocupaba la primera posición.
El método permitía avanzar progresivamente en la determinación de la estructura.
Electroforesis y cromatografía
Los fragmentos se separaban aprovechando diferencias de:
- Carga eléctrica.
- Tamaño.
- Solubilidad.
- Afinidad por determinados materiales.
La electroforesis aplica un campo eléctrico.
Las moléculas se desplazan de forma diferente dependiendo de su carga y otras propiedades.
La cromatografía separa sustancias según la forma en la que interactúan con una fase móvil y otra estacionaria.
La primera secuencia completa de una proteína
Después de años de trabajo, Sanger determinó la secuencia de la insulina.
El resultado demostró que las proteínas no eran mezclas desordenadas.
Poseían una estructura química específica que podía escribirse como una secuencia.
Este hallazgo resultó fundamental para comprender:
- La relación entre genes y proteínas.
- Las mutaciones.
- La evolución molecular.
- La síntesis de hormonas.
Del orden de aminoácidos al ADN
Después de estudiar proteínas, Sanger dirigió su atención hacia los ácidos nucleicos.
El ADN almacena información mediante cuatro bases:
- Adenina: A.
- Timina: T.
- Citosina: C.
- Guanina: G.
La secuencia de estas letras contiene instrucciones utilizadas por las células.
La replicación del ADN
Cuando una célula copia su ADN utiliza una enzima llamada ADN polimerasa.
La enzima añade nucleótidos siguiendo una cadena que actúa como molde.
Cada base se empareja normalmente con otra:
- A con T.
- C con G.
Sanger convirtió este proceso biológico en una herramienta de lectura.
El método de terminación de cadena
El método conocido como secuenciación de Sanger utiliza nucleótidos modificados llamados didesoxinucleótidos.
Cuando uno de ellos se incorpora, la cadena no puede continuar creciendo normalmente.
La reacción produce fragmentos de diferentes longitudes terminados en:
- A.
- T.
- C.
- G.
Leer una escalera molecular
Los fragmentos pueden ordenarse por tamaño mediante electroforesis.
El más pequeño representa la primera base incorporada.
Después aparecen fragmentos progresivamente mayores.
Leyendo el orden de las bandas se reconstruye la secuencia del ADN.
De la radiactividad a los colores fluorescentes
Las primeras versiones utilizaban marcadores radiactivos y varias reacciones separadas.
Posteriormente se desarrollaron sistemas con colores fluorescentes diferentes para cada base.
Una máquina podía:
- Separar los fragmentos.
- Detectar el color.
- Registrar cada base.
- Generar automáticamente la secuencia.
El primer genoma secuenciado
El equipo de Sanger aplicó sus métodos al bacteriófago φX174.
En 1977 se publicó su secuencia completa.
Fue uno de los primeros genomas completos determinados.
El trabajo demostró que era posible leer de manera sistemática toda la información genética de un organismo viral.
El Proyecto Genoma Humano
La secuenciación de Sanger se convirtió en una herramienta fundamental para el Proyecto Genoma Humano.
Los investigadores dividían el ADN en muchos fragmentos, los secuenciaban y utilizaban ordenadores para reconstruir regiones mayores.
El proyecto necesitó:
- Automatización.
- Robots de laboratorio.
- Grandes bases de datos.
- Algoritmos.
- Colaboración internacional.
Aplicaciones médicas
La lectura del ADN permite investigar:
- Enfermedades hereditarias.
- Mutaciones de tumores.
- Microorganismos.
- Compatibilidad genética.
- Respuesta a medicamentos.
Una secuencia no proporciona automáticamente un diagnóstico.
Debe interpretarse junto a datos clínicos, familiares y poblacionales.
Identificación y ciencia forense
Las diferencias entre secuencias también pueden utilizarse para:
- Identificación de personas.
- Pruebas de parentesco.
- Investigación de restos.
- Estudio de especies.
El uso de datos genéticos plantea importantes cuestiones de privacidad y consentimiento.
Nuevas generaciones de secuenciación
Actualmente existen tecnologías capaces de leer millones de fragmentos simultáneamente.
Son más rápidas y económicas para proyectos grandes.
Sin embargo, la secuenciación de Sanger continúa utilizándose para:
- Confirmar variantes.
- Analizar fragmentos concretos.
- Verificar construcciones genéticas.
- Trabajos de laboratorio a pequeña escala.
Dos premios Nobel de Química
Sanger fue una de las pocas personas que han recibido dos veces un Nobel dentro de la misma categoría científica.
Sus dos premios reconocieron una misma idea profunda aplicada a moléculas diferentes:
2015: Rosetta observa el despertar del cometa 67P durante su perihelio
El 13 de agosto de 2015, a las 02:03 GMT, el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko alcanzó el perihelio, el punto de su órbita más cercano al Sol.
El cometa se encontraba a unos 186 millones de kilómetros de nuestra estrella.
La misión Rosetta de la Agencia Espacial Europea lo acompañaba desde agosto de 2014.
Era la primera vez que una nave observaba desde muy cerca cómo un cometa cambiaba durante su aproximación y posterior alejamiento del Sol.
¿Qué es el perihelio?
Las órbitas de los planetas y cometas no son círculos perfectos.
Son elipses.
El punto más cercano al Sol se denomina:
perihelio
El más lejano recibe el nombre de afelio.
En un cometa, la distancia al Sol influye profundamente en su actividad.
Un cometa no es una bola de hielo limpia
El núcleo de 67P contiene una mezcla de:
- Hielo de agua.
- Dióxido de carbono congelado.
- Monóxido de carbono.
- Polvo.
- Minerales.
- Compuestos orgánicos.
La superficie es muy oscura y refleja poca luz.
Rosetta reveló acantilados, pozos, fracturas, bloques y llanuras de polvo.
La forma de dos lóbulos
67P presenta dos grandes partes unidas mediante una región estrecha.
Su silueta se ha comparado con un pato de goma.
La estructura puede conservar información sobre la formación del cometa.
Una posibilidad es que dos cuerpos se unieran lentamente durante las primeras etapas del Sistema Solar.
La sublimación
Cuando el cometa se aproxima al Sol, aumenta su temperatura.
Parte de los hielos pasa directamente del estado sólido al gaseoso.
El proceso recibe el nombre de sublimación.
El gas escapa por poros y fracturas, arrastrando partículas de polvo.
La coma y las colas
El gas y el polvo crean una envoltura alrededor del núcleo denominada coma.
La radiación y el viento solar producen las colas.
Pueden distinguirse:
- Una cola de polvo, generalmente curvada.
- Una cola de iones, orientada por el viento solar.
Las colas no quedan necesariamente detrás del cometa según su movimiento.
Se orientan principalmente respecto al Sol.
Una enorme producción de vapor
Alrededor del perihelio, las mediciones de Rosetta indicaban que 67P expulsaba hasta unos 300 kilogramos de vapor de agua por segundo.
Era aproximadamente mil veces más que durante la aproximación inicial del año anterior.
El núcleo también podía liberar enormes cantidades de polvo.
Chorros y estallidos
Las imágenes mostraron numerosos chorros saliendo de regiones concretas.
Algunos eran relativamente continuos.
Otros aparecían como estallidos repentinos.
Podían estar relacionados con:
- Cambios bruscos de temperatura.
- Exposición de hielo.
- Hundimiento de cavidades.
- Desprendimiento de acantilados.
- Gases atrapados bajo la superficie.
Un entorno peligroso para Rosetta
La actividad del cometa llenó el entorno de partículas.
Los sensores estelares de Rosetta utilizaban las estrellas para determinar su orientación.
Los numerosos granos brillantes podían confundirse con estrellas.
Para reducir el riesgo, la nave tuvo que mantenerse a varios cientos de kilómetros del núcleo durante la etapa más activa.
Una nave orbitando un objeto diminuto
El núcleo de 67P mide solo unos pocos kilómetros.
Su gravedad es extremadamente débil.
Rosetta no seguía siempre una órbita sencilla como un satélite alrededor de la Tierra.
Necesitaba realizar frecuentes maniobras para:
- Controlar la distancia.
- Evitar partículas.
- Mantener comunicaciones.
- Orientar los paneles solares.
- Apuntar los instrumentos.
Las estaciones del cometa
El eje de rotación y la forma de la órbita provocan estaciones muy desiguales.
El hemisferio sur recibe un verano corto e intenso cerca del perihelio.
Había permanecido durante años dentro de una larga oscuridad.
La iluminación repentina expuso regiones que Rosetta no había observado anteriormente.
El ciclo de actividad no alcanza su máximo instantáneamente
Aunque el perihelio marca la distancia mínima, la actividad puede continuar aumentando después.
El interior y la superficie necesitan tiempo para calentarse.
Es un efecto parecido al retraso de las estaciones terrestres: los días más calurosos no coinciden necesariamente con el momento de máxima altura solar.
El módulo Philae
Rosetta había liberado el módulo Philae en noviembre de 2014.
El pequeño laboratorio rebotó varias veces porque sus sistemas de anclaje no funcionaron como estaba previsto.
Terminó en una zona con poca iluminación.
Aun así, consiguió estudiar:
- Propiedades de la superficie.
- Composición.
- Moléculas orgánicas.
- Estructura interna.
- Entorno del cometa.
Cometas y origen del Sistema Solar
Los cometas contienen materiales que se formaron durante las primeras etapas del Sistema Solar.
Estudiarlos ayuda a investigar:
- Composición de la nebulosa solar.
- Formación de planetas.
- Transporte de agua.
- Origen de moléculas orgánicas.
- Evolución de pequeños cuerpos.
¿Trajeron los cometas el agua de la Tierra?
Una forma de investigarlo consiste en comparar isótopos.
Rosetta midió la proporción entre deuterio e hidrógeno en el agua de 67P.
La proporción difería de la observada en los océanos terrestres.
Esto indica que cometas exactamente semejantes a 67P probablemente no fueron la única fuente principal del agua terrestre.
La historia completa puede incluir distintos tipos de asteroides y cometas.
Moléculas orgánicas
Rosetta y Philae detectaron diferentes moléculas que contienen carbono.
La presencia de sustancias orgánicas no demuestra la existencia de vida.
Indica que una química compleja puede producirse dentro del espacio y quedar incorporada a pequeños cuerpos.
La densidad del cometa
67P posee una densidad muy baja.
Su interior contiene una gran proporción de espacios vacíos.
No es una roca compacta ni un bloque macizo de hielo.
Se parece más a una mezcla porosa de polvo y hielos débilmente unida.
El final de Rosetta
La misión terminó el 30 de septiembre de 2016.
Rosetta descendió de forma controlada hasta la superficie del cometa.
Durante la aproximación continuó enviando imágenes y mediciones.
La nave quedó sobre el mismo cuerpo que había acompañado durante más de dos años.
¿Por qué el 13 de agosto es tan importante para la ciencia?
Las efemérides científicas del 13 de agosto abarcan campos muy diferentes:
- Espectroscopía.
- Astronomía.
- Física atómica.
- Mecánica de fluidos.
- Óptica.
- Televisión.
- Metalurgia.
- Bioquímica.
- Genética.
- Exploración de cometas.
Esta fecha muestra que una gran parte de la ciencia consiste en aprender a leer señales.
Ångström leyó las líneas oscuras de la luz solar.
Stokes interpretó el movimiento de partículas, fluidos y radiación.
Baird convirtió variaciones luminosas en una señal eléctrica.
Brearley interpretó el comportamiento de una aleación frente a los ácidos.
Sanger reconstruyó secuencias a partir de fragmentos moleculares.
Rosetta midió chorros, gases y polvo para comprender el interior de un cometa.
El 13 de agosto también recuerda que los grandes avances casi nunca surgen de una sola persona trabajando de forma aislada.
La espectroscopía necesitó prismas, laboratorios y catálogos.
Las ecuaciones de los fluidos combinan trabajos de diferentes matemáticos.
La televisión se desarrolló mediante sistemas mecánicos y electrónicos.
El acero inoxidable surgió de investigaciones internacionales.
La secuenciación moderna necesitó química, biología e informática.
Rosetta fue construida mediante la colaboración de numerosas instituciones europeas.
Preguntas frecuentes sobre las efemérides científicas del 13 de agosto
¿Qué científico nació el 13 de agosto de 1814?
Anders Jonas Ångström, físico sueco considerado uno de los fundadores de la espectroscopía y conocido por sus estudios del espectro solar.
¿Cuánto mide un ångström?
Un ångström equivale a 10−10 metros, es decir, 0,1 nanómetros.
¿Para qué se utiliza el ångström?
Se utiliza para expresar longitudes de onda, tamaños atómicos, distancias entre átomos y longitudes de enlaces químicos.
¿Qué científico nació el 13 de agosto de 1819?
George Gabriel Stokes, matemático y físico relacionado con la mecánica de fluidos, la fluorescencia y el cálculo vectorial.
¿Qué dice la ley de Stokes?
Calcula, bajo condiciones determinadas, la resistencia viscosa que experimenta una esfera pequeña al moverse lentamente dentro de un fluido.
¿Quién nació el 13 de agosto de 1888?
John Logie Baird, pionero escocés que realizó en 1926 una demostración pública de televisión mecánica.
¿John Logie Baird inventó por sí solo la televisión?
No. Fue uno de sus principales pioneros, pero la televisión surgió de las aportaciones de numerosos inventores y del posterior desarrollo de sistemas electrónicos.
¿Cuándo se descubrió el acero inoxidable?
El 13 de agosto de 1913 se considera tradicionalmente la fecha del avance de Harry Brearley en Sheffield, aunque otros metalúrgicos investigaron aleaciones resistentes a la corrosión antes y durante la misma época.
¿Por qué el acero inoxidable no se oxida fácilmente?
El cromo forma una capa pasiva microscópica que protege al metal situado debajo y puede regenerarse en presencia de oxígeno.
¿El acero inoxidable puede corroerse?
Sí. Los cloruros, los ácidos, las temperaturas elevadas o determinadas grietas pueden dañar la película protectora.
¿Quién fue Frederick Sanger?
Fue un bioquímico británico que determinó la secuencia de la insulina y desarrolló un método fundamental de secuenciación del ADN.
¿Cuántos premios Nobel ganó Frederick Sanger?
Recibió dos premios Nobel de Química: uno en 1958 y otro en 1980.
¿Qué es la secuenciación de Sanger?
Es un método que utiliza nucleótidos capaces de detener la copia del ADN para producir fragmentos cuya longitud permite reconstruir el orden de las bases.
¿Qué ocurrió con Rosetta el 13 de agosto de 2015?
La nave acompañó al cometa 67P durante su perihelio, cuando se encontraba a unos 186 millones de kilómetros del Sol y presentaba una intensa actividad.
¿Qué significa que un cometa alcance el perihelio?
Significa que llega al punto de su órbita situado a menor distancia del Sol.
¿Rosetta aterrizó sobre el cometa?
Rosetta fue el orbitador. El módulo Philae realizó el primer aterrizaje sobre el cometa en 2014. Rosetta descendió de manera controlada al finalizar la misión en 2016.
Conclusión
El 13 de agosto es una fecha extraordinaria dentro de la historia de la ciencia y la tecnología.
Anders Jonas Ångström nació para convertir las líneas del espectro solar en una herramienta de análisis; George Gabriel Stokes desarrolló ideas fundamentales sobre los fluidos, la luz y el cálculo; John Logie Baird nació para demostrar que las imágenes podían enviarse a distancia; Harry Brearley produjo una aleación que contribuyó al desarrollo del acero inoxidable; Frederick Sanger aprendió a leer el orden de los aminoácidos y las bases del ADN; y Rosetta contempló desde cerca cómo el cometa 67P alcanzaba el punto más activo de su viaje alrededor del Sol.
El 13 de agosto reúne prismas, ecuaciones, discos perforados, cromo, moléculas y chorros cometarios.
Y demuestra que observar no consiste únicamente en mirar.
También puede significar separar la luz, medir una fuerza, explorar una imagen línea por línea, estudiar una superficie metálica, ordenar fragmentos de ADN o seguir durante años a un pequeño mundo helado.
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Fuentes oficiales, científicas y académicas:
- Universidad de Uppsala — Anders Jonas Ångström y la espectroscopía
- Observatorio de Uppsala — Espectro solar y auroras de Ångström
- NIST — Uso del ångström en espectroscopía atómica
- NIST — Equivalencia del ångström
- Universidad de Cambridge, Pembroke College — George Gabriel Stokes
- Royal Society — Impacto científico de George Gabriel Stokes
- Science Museum Group — Biografía de John Logie Baird
- Science Museum Group — Televisor mecánico de Baird
- National Science and Media Museum — Historia de la televisión
- Ayuntamiento de Sheffield — Harry Brearley y el acero inoxidable
- Universidad de Sheffield — Centenario del acero inoxidable
- Royal Society of Chemistry — Cromo, pasivación y corrosión
- Nobel Prize — Frederick Sanger y la secuencia de la insulina
- Nobel Prize — Frederick Sanger y la secuenciación del ADN
- Nobel Prize — Los dos premios Nobel de Frederick Sanger
- Nobel Prize — Conferencia sobre secuenciación de nucleótidos
- Agencia Espacial Europea — Perihelio de 67P el 13 de agosto de 2015
- ESA — Historia y resultados de la misión Rosetta
- ESA — Portal científico de Rosetta
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