La primera autora de un paper que se publicó en el Journal of Theoretical Biology responde cinco preguntas sobre su trabajo. Éste es el segundo cuestionario de la flamante sección “Papers en primera persona” del Instituto Balseiro.

Fecha de publicación: 03/11/2017

Laila Kazimierski está realizando el Doctorado en Física en el Instituto Balseiro (CNEA-UNCuyo). Es oriunda de la ciudad de Buenos Aires y vive desde 2014 en Bariloche, donde investiga en el grupo de Física Estadística e Interdisciplinaria del Centro Atómico Bariloche. En un paper publicado en el Journal of Theoretical Biology, reporta en equipo con otros físicos los resultados de un modelo computacional de dispersión de semillas basada en el comportamiento de animales.

Kazimierski es Licenciada en Ciencias Físicas por la Universidad de Buenos Aires y en su doctorado es co-dirigida por los investigadores y profesores del Instituto Balseiro Guillermo Abramson y Marcelo Kuperman. Ambos firman el paper con ella y también Horacio Wio, de España. La joven física, que es becaria del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), estudia a la par la Licenciatura en Letras en la Universidad Nacional de Río Negro.

“Es importante abordar el estudio de sistemas complejos, como lo son los sistemas biológicos, desde diferentes disciplinas. Actualmente hay muchas escuelas y congresos que se dedican al estudio de este tipo de sistemas a los cuales asisten biólogos, físicos y matemáticos, entre otros. En nuestro caso, somos físicos que trabajamos en colaboración con biólogos del Laboratorio Ecotono de la UNComa”, contó la joven y agrega que los físicos aportan herramientas matemáticas y computacionales para simular estos sistemas complejos y así aprender más sobre su funcionamiento.

-¿Cómo surgió la idea de desarrollar este modelo para estudiar la propagación de las semillas de las plantas?
-El sistema biológico que nos inspira es la relación entre el marsupial Dromiciops gliroides (conocido como monito del monte) y el muérdago parásito Tristerix corymbosus (quintral), que son especies clave del bosque templado patagónico. Cada una vive gracias a la otra: el monito del monte se alimenta principalmente del fruto del quintral, y una nueva semilla de quintral germinará una vez que haya pasado por el tracto digestivo del monito del monte previamente a su deposición. Debido a esto, los sitios que ocupará la nueva generación de quintral dependerán de los recorridos por el marsupial. Estudiar cómo se propagan las semillas, entonces, es una parte clave del estudio del sistema biológico que conforman.

-Con su trabajo buscan describir la propagación de semillas a través de animales y hablan acerca de ondas y del rol de la demora en liberar las semillas…
-La dispersión de las semillas determina los patrones espaciales de las poblaciones de plantas. La capacidad de las plantas para propagarse más o menos rápidamente e invadir áreas más grandes es crucial para su supervivencia. Aún hay mucho por aprender acerca de cómo las semillas viajan largas distancias. La ubicación de plantas cuyas semillas son dispersadas por animales será función del movimiento que éstos realicen y del tiempo que tarden en depositarlas luego del paso por su intestino. Así es que la tasa de dispersión y el patrón espacial de la distribución de plantas retroalimenta las características de la dispersión de semillas a través de sus efectos sobre los movimientos de los animales.

-¿Podrías contar de forma simple, para un público general, ¿cuál considerás que ha sido el principal aporte que muestran en este paper?
-Nuestro trabajo presenta un modelo de dispersión de semillas: nos centramos en los efectos inducidos por el retraso característico entre el consumo y la deposición de semillas sobre la velocidad de dispersión de la vegetación. Nuestro modelo incluye muchos aspectos de este ciclo de dispersión de semillas: un animal come fruta, se desplaza por el espacio siguiendo ciertas reglas y, después de un tiempo, deposita las semillas en un lugar diferente, donde eventualmente crecerá una nueva planta. Abordamos desde un enfoque matemático la propagación de nuevas generaciones de plantas como ondas viajeras en forma de frentes de invasión que van avanzando en el espacio, ocupando cada vez más lugar con cierta velocidad. Mostramos, específicamente, cómo la deposición retrasada proporcionada por los animales mejora la velocidad de propagación de un frente de vegetación.

-En sistemas reales a veces se observan altos porcentajes de propagación de las plantas, a una velocidad superior a la esperada. ¿Podrías explicar qué es la paradoja de Reid y cómo ustedes sugieren su resolución?
-La distribución actual de muchas plantas es resultado de la migración posglacial del Holoceno. Debido a un cambio en las condiciones climáticas, hubo un fuerte cambio en la vegetación pero las tasas de migración indican que no son compatibles con las distancias de dispersión medidas: la tasa de propagación parece increíblemente grande en relación a las distancias promedio de dispersión de semillas. Nuestro trabajo hace un aporte a una posible hipótesis que resolvería ésta paradoja, llamada Paradoja de Reid: la propagación de semillas es más rápida gracias a la mediación de animales dispersores. En nuestro modelo, el coeficiente de difusión de los animales junto con el tiempo de tránsito intestinal de semillas (o su retraso equivalente en otros mecanismos de transporte) determinan la velocidad de propagación del frente de vegetación.

-¿Qué es lo que más te gustó de hacer este trabajo?
-En este trabajo realizamos un desarrollo matemático analítico teniendo en cuenta a cada paso el sistema ecológico que nos inspira a hacerlo. En sí, fue una cuenta que nos llevó meses resolver. Entiendo que esto pueda parecer una locura pero a mí me pareció de lo más estimulante.

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Los científicos que participan del Proyecto Auger anunciaron en la revista Science que los rayos cósmicos de altísimas energías se originan fuera de la Vía Láctea. Este descubrimiento fue anunciado luego de 12 años de recolectar datos en un observatorio internacional que está ubicado en Argentina. Docentes del Instituto Balseiro que participan del proyecto explican el anuncio.

Fecha de publicación: 21/09/2017

El origen de los rayos cósmicos de altísimas energías es uno de los grandes interrogantes que se plantean los científicos que estudian el universo. Ahora, un grupo internacional de 400 investigadores, en el que participan científicos de Argentina y también docentes y estudiantes del Instituto Balseiro (Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo), acaba de publicar en la revista Science una conclusión clave: este fenómeno proviene del exterior de la Vía Láctea.

El equipo de colaboración internacional que opera el observatorio Pierre Auger, ubicado en la localidad mendocina de Malargüe, recopiló y analizó datos sobre las direcciones de llegada de cada evento en el período de enero de 2004 a agosto de 2016. Utilizaron un sistema de observación híbrido: por un lado, una red de tanques que detectan la luz de las partículas secundarias generadas por los rayos cósmicos; y por otro lado, telescopios de fluorescencia, que funcionan sólo en noches sin luna.

“Los rayos cósmicos son las partículas de mayor energía que se conocen en el universo y es un misterio cómo fueron aceleradas hasta alcanzar esas energías y cómo fue su viaje hasta la Tierra. El mejor instrumento para responder estas preguntas se encuentra en nuestro país y por lo tanto su estudio es un desafío y una oportunidad”, contó Silvia Mollerach, una de las autoras del artículo publicado en Science. Mollerach es docente invitada del Instituto Balseiro e investigadora independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche (Comisión Nacional de Energía Atómica).

¿Cómo calcularon las direcciones de estos rayos? Mollerach explicó que los rayos cósmicos, son núcleos de átomos de elementos como el hidrógeno y el hierro. Cuando ingresan a la atmósfera, interactúan con el aire y producen una cascada de millones de partículas secundarias: electrones, fotones y muones. Esta cascada avanza a una velocidad cercana a la de la luz distribuida en forma de disco de varios kilómetros de radio.

“A partir del tiempo de llegada de este frente a por lo menos tres de las estaciones de superficie puede determinarse la dirección de la partícula inicial, ya que disparan antes los detectores más cercanos a la dirección de arribo del rayo cósmico”, detalló la científica, que es doctora en Astrofísica de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA; Trieste, Italia). Y agregó que también a partir de la magnitud de la señal medida se puede inferir la energía que tiene el rayo cósmico.

“Lo que más tiempo llevó fue conseguir tener la suficiente cantidad de datos como para que la precisión alcanzada fuera mayor a cinco ‘sigmas’ o desviaciones estándar. En otras palabras, para que el resultado pueda considerarse un descubrimiento. En estudios anteriores veíamos algunos indicios pero con incertezas mayores”, destacó Silvia Mollerach, que es física graduada de la Universidad Buenos Aires (UBA) y que desde 2001 vive en Bariloche.

El principal resultado publicado en la revista Science (el jueves 21 se publicó en línea y el viernes 22, en papel) es que los rayos cósmicos provienen de fuera de la Vía Láctea y de una región en particular. Algo que los científicos llaman “anisotropía”. Esteban Roulet, que trabaja al igual que Mollerach en el grupo de Física de Partículas y Campos del CAB, explicó que esta palabra indica que los rayos cósmicos no llegan en igual número de todas las direcciones del cielo.

“Las observaciones indican que el flujo de rayos cósmicos de altísimas energías es un 6% mayor en una mitad del cielo que en la otra. A esto lo denominamos un ‘di-polo’. Sin embargo, la dirección de llegada a la Tierra puede ser bastante diferente de la dirección en la que se encuentra su fuente, ya que al ser partículas con carga eléctrica su trayectoria es desviada por los campos magnéticos presentes a lo largo de su recorrido”, contó el físico, que ha dado cursos en el Instituto Balseiro y que es investigador principal del CONICET, además de doctor en Física de Partículas Elementales de SISSA (Trieste, Italia).

El equipo de investigadores centró su estudio en los rayos cósmicos con energías un millón de veces más grandes que las que adquieren los protones en el acelerador de partículas más potente que existe en la Tierra: el Gran Colisionador de Hadrones. Son difíciles de detectar y llegan de forma “espaciada” en el tiempo: sobre una superficie del tamaño de una cancha de fútbol llega un rayo cósmico por siglo. Por eso, en el Observatorio Auger funcionan 1.600 detectores separados entre sí por 1,5 km en un área total 3 mil km cuadrados, que equivale a 16 veces la superficie de la ciudad de Buenos Aires.

Roulet detalló que el hecho de que sólo se vea un mayor flujo en una mitad del cielo, y no concentraciones de rayos cósmicos en pequeñas regiones del cielo, indica que el efecto del campo magnético es importante. “Es como cuando en una noche de niebla densa podemos distinguir en qué dirección hay más faroles pero no ver su forma ni ubicación precisa”, dijo. Y agregó: “Del hecho que el flujo observado sea máximo en una dirección a unos 120 grados respecto al centro de nuestra galaxia nos indica que se originaron en fuentes extra-galácticas”.

¿Cuáles son los próximos pasos? Los científicos del CAB contaron que uno de los desafíos es descubrir dónde se aceleran los rayos de mayor energía y de menor carga eléctrica. Esos rayos son los que se ven en 

menor medida afectados por campos magnéticos en su recorrido desde su punto de origen hasta la Tierra. En ese contexto, en el Observatorio Auger se está realizando una serie de mejoras en los detectores de superficie que permitirán estimar la composición de todos los eventos medidos. Aún hay misterios por resolver.

RECUADRO 1:

PROYECTO INTERNACIONAL

En el equipo internacional de 400 personas que firman el paper sobre el Proyecto Auger en la revista Science, participaron nueve científicos que son investigadores del CAB o docentes y estudiantes del Instituto Balseiro. En particular, los aportes realizados desde Bariloche permitieron ampliar la selección de datos, desarrollar varios de los métodos de análisis y contribuir a la interpretación de los resultados. Ellos son: Esteban Roulet, Silvia Mollerach, Xavier Bertou, Oscar Taborda, Geraldina Golup, Diego Harari, Hernán Asorey, Mariano Gomez Berisso e Ingo Allekotte.

La colaboración argentina incluye representantes de las siguientes instituciones: la Comisión Nacional de Energía Atómica o CNEA (Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas y Centro Atómico Bariloche), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), el Observatorio Pierre Auger, la Universidad Nacional de La Plata, la Universidad Nacional de San Martín, el Instituto Balseiro (Universidad Nacional de Cuyo y CNEA), el Instituto de Astrofísica y Física del Espacio, la Universidad de Buenos Aires y la Universidad Tecnológica Nacional (regionales Mendoza y San Rafael). Para más información, ingresar a: https://www.auger.org/

RECUADRO 2:

ESTUDIANDO LOS RAYOS CÓSMICOS

Oscar Taborda es colombiano, tiene 29 años y está realizando el Doctorado en Física en el Instituto Balseiro (dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo). Es además uno de los autores del paper recién publicado en la revista Science. Su directora de tesis es la científica Silvia Mollerach, en el grupo de Física de Partículas del Centro Atómico Bariloche.

Ante la consulta sobre cuál fue su participación en este trabajo, Taborda respondió que su rol fue básicamente el análisis de los datos. Participó en la selección de los datos más adecuados y confiables para el estudio, así como también en hacer cálculos computacionales para llegar a los resultados publicados.

Taborda es Ingeniero Físico por la Universidad Tecnológica Pereira, de Colombia, y Magíster en Física por el Instituto Balseiro (Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo). Cuenta que comenzó el doctorado en abril de 2014 y que el tema de su tesis es el estudio de las “Anisotropías de los Rayos Cósmicos en el Observatorio Pierre Auger”.

-¿Cuándo decidiste que querías estudiar Física y cuándo que querías trabajar en este campo de rayos cósmicos?
-Antes de ingresar a mi carrera de grado ya tenía preferencias por las ciencias básicas entre ellas la física y la matemática. Después durante mi carrera de ingeniería terminé inclinándome definitivamente por la física. Por ello decidí ingresar a la maestría en Física del Instituto Balseiro y desde allí comencé a trabajar en el tema de rayos cósmicos bajo la supervisión de Silvia, porque me interesaba saber más sobre estas partículas.

-¿Qué es lo que más te gusta de trabajar en el proyecto Auger?
-Lo que más me gusta de trabajar en el Auger es el hecho de que al ser un proyecto tan grande implica que muchas personas trabajen de manera conjunta en diversos aspectos. Todo ese trabajo en equipo se materializa después en resultados interesantes para el área de los Rayos Cósmicos y de las astropartículas en general. Además me gusta también el intercambio científico entre diferentes países que permite el hecho de trabajar en una colaboración internacional.

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Un equipo de científicos en el que participa un docente del Instituto Balseiro desarrolló un novedoso método que permite generar nuevas formas de imágenes a partir de resonancia magnética nuclear (RMN). Así, los investigadores lograron mapear información morfológica de sistemas químicos y biológicos a una escala menor a la tradicional. El trabajo fue publicado en una de las revistas del grupo Nature, "Scientific Reports".

Fecha de publicación: 18/08/2017

La resonancia magnética nuclear es una técnica ampliamente utilizada en medicina. Permite realizar diagnósticos no invasivos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer. Sin embargo, no permite “observar” en escalas inferiores a las decenas o centenas de micrómetros. Un equipo de científicos de Argentina, Portugal e Israel presentó un nuevo método que sirve para complementar y mejorar las técnicas tradicionales.

“El nuevo método permite ver microestructuras en tejidos biológicos en situaciones que antes no podían ser vistas”, explicó uno de los autores del paper, el doctor en Física Gonzalo Álvarez, que es docente del Instituto Balseiro e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche (CAB). El trabajo fue publicado en la revista “Scientific Reports” de Nature (link al paper, aquí).

Una de las ventajas del nuevo método es que las muestras bajo estudio no deben ser rotadas, algo que implica una mayor comodidad y permitiría en el futuro utilizarlas con pacientes. Otros métodos no permiten todavía ser implementados con fines clínicos, ya que necesitan rotar al paciente o la muestra estudiada en varias direcciones espaciales para generar las imágenes.

La técnica de resonancia magnética nuclear implica el uso de imanes, que generan campos magnéticos y que permiten detectar y manipular núcleos atómicos, como los protones del agua que hay en las muestras bajo estudio. “El 70% de nuestro cuerpo está compuesto por agua, y el agua tiene protones que a su vez tienen un ‘espín nuclear’ que puede ser detectado con los equipos de RMN que hay en los hospitales”, detalló Álvarez.
“En el mundo cuántico, los espines actúan como la aguja de una brújula que se orienta con un campo magnético”, observó el científico, que realizó este trabajo con sus colegas Noam Shemesh, en Portugal, y Lucio Frydman, en Israel. Y agregó: “A los espines se los puede usar como ‘espías’ para observar dentro de los tejidos de nuestros órganos y así realizar diagnósticos médicos no invasivos”.

Álvarez, que es docente en la maestría en Física Médica del Instituto Balseiro, detalló que los espines son muy sensibles a las variaciones de los campos magnéticos. Esas variaciones dependen de la geometría y de los tamaños de las cavidades y poros de los tejidos. “Se nos ocurrió que podíamos usar esa propiedad de los espines, de alta sensibilidad a los cambios del campo magnético, para mapear la morfología de las estructuras”, explicó Álvarez. Eso, sumado a que las moléculas de agua se mueven aleatoriamente dentro de los tejidos, fue utilizado con éxito para explorar microestructuras de distintas muestras.

Álvarez regresó hace un año a Argentina para montar y llevar adelante un nuevo Laboratorio de Espectroscopia e Imágenes por Resonancia Magnética Nuclear en el Departamento de Física Médica de la Gerencia de Física de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en el CAB. Previamente, hizo un posdoctorado premiado por la Fundación Alexander von Humboldt, en Alemania, y fue investigador sénior Marie Curie, un subsidio muy prestigioso de la comunidad europea, en el Instituto Weizmann, en Israel.

“Esperamos que esta nueva técnica para medir los tamaños y las morfologías de los poros y de las células ayuden a hacer diagnósticos médicos de enfermedades como el cáncer o el Alzheimer y a determinar la eficacia de los tratamientos médicos en vivo”, concluyó el científico.

Link al paper publicado en "Scientific reports" de Nature, aquí.

Link al blog de divulgación del Dr. Gonzalo Álvarez, aquí.

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