La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (y VII)

Con esta entrada termina nuestra exposición particular de las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

Fábricas biológicas artificiales, foto de Katja Zieska y Petra Schwille, del Instituto Max Planck de Bioquímica, Martinsried, Alemania.

Con la envoltura celular interaccionan numerosas proteínas. Estas cumplen las más variadas tareas -desde procesamiento de señales hasta la división celular-. Puesto que dichos procesos son altamente complejos, Petra Schwille y su equipo del Max Planck utilizan los llamados sistemas minimales. En estos diminutos sistemas, creados de manera sintética, pueden observar bajo condiciones de laboratorio controladas desterminados componentes celulares seleccionados y sus funciones -como aquí, una membrana lípidica con proteína acumulada en su interior-. Puesto que estas proteínas se mueven y se organizan de manera autónoma dentro de la membrana, foman patrones de movimiento que se asemejan a una alfombra de olas. Dichas estructuras las observan los investigadores como un juego de formas violetas.

Electrones balísticos, foto de Ragnar Frischmann, del Instituto Max Planck para la Dinámica y la Auto-organización, Göttinger, Alemania.

Los electrones que salen de un contacto de punta en un semiconductor bidimensional pueden ser concentrados a un segundo contacto mediante un campo magnético aplicado desde fuera, aunque salgan del contacto de punta con ángulos muy diferentes. La parte inferior de esta simulación muestra un modelo ideal de esta concentración magnética transversal. Sin embargo, los cristales semiconductores reales tienen siempre leves imperfecciones. Y el efecto que pueda tener sobre la trayectoria de los electrones la más leve desordenación en el material lo demuestra la parte superior de la imagen.

Red de la materia oscura, foto de Simon D. M. White y Volker Springel, del Instituto Max Planck para la Astrofísica, Garching, Alemania.

La materia oscura no es visible, no emite ningún tipo de radiación, pero a pesar de ello existe, puesto que su gravitación atrae materia ordinaria. Esta simulación informática hace visible la materia oscura; muestra una red virtual cósmica de la materia oscura, que une entre si diversas galaxias luminosas del universo. Esta imagen de gran colorido forma parte de la Simulación del Milenio, y muestra la gran diversidad y complejidad de las estructuras cósmicas, que surgen a partir de la dinámica gravitacional de las partículas de la materia oscura. En ella, las diferencias de brillo se corresponden con la densidad local, y los tonos de color representan las distintas velocidades de la materia.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (VI)

Continuamos con las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

Bola de discoteca a la caza de electrones, foto de Uvve Becker, del Instituto Max Planck Fritz Haber de Química, física y electroquímica, Berlín, Alemania.

Para investigar las propiedades electrónicas de muestras sólidas y gaseosas, los científicos utilizan la espectroscopia de fotoelectrones y de fotoiones: la luz rica en energía puede liberar electrones de la materia. A partir de su trayectoria y su velocidad, los científicos deducen la estructura electrónica de la materia. En el luminoso centro de la esfera se encuentra la muestra, sobre la que incide el rayo de luz de un láser de eléctrones libres (FEL). Unos sensores situados en las paredes de la esfera, llamados espectrómetros de tiempo de vuelo, capturan los electrones. Todo este sistema es refrigerado mediante nitrógeno líquido, que se instala desde arriba sobre el centro del conjunto, y se escapa en una nube por abajo.

Carrera armamentística en el reino vegetal, foto de Jürgen Berget y Marco Todesco, del Instituto Max Planck de la Biología del Desarrollo, Tübingen, Alemania.

El oidio (Golovinomyces orontii) un parásito vegetal del grupo de los ascomicetos, forma sobre las hojas de la arabidopsis una hebrosa malla de hongos. Los portadores de esporas que sobresalen de dicho micelio, desarrollan en su punta pilas de esporas asexuales, que son diseminadas por el viento. De este modo, el hongo puede invadir más plantas. Los científicos utilizan la interacción entre el oidio y la arabidopsis como un sistema modelo, en el que investigan cómo reaccionan las plantas a las infecciones por hongos, y cómo sortean los hongos los mecanismos de defensa de las plantas.

Larvas como modelos, foto de Jürgen Berget y Mahendra Sonawane, del Instituto Max Planck de la Biología del Desarrollo, Tübingen, Alemania.

El pez cebra (Danio rerio) es un organismo modelo muy apreciado enla biología del desarrollo. Partiendo del óvulo fecundado, este animal crece hasta alcanzar la madurez sexual en solo tres meses. La foto muestra larvas que tienen dos días; la abertura de la boca se puede reconocer bien. Sin embargo, lo que a primera vista parecen ojos, son invaginaciones rodeadas por cilios: los futuros órganos olfativos. Los científicos del Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo investigan en embriones de pez cebra cómo se desarrollan tejidos y órganos. En el embrión mostrado aquí a la izquierda, un defecto genético provoca problemas en el desarrollo de la piel.

De chatarra, nada, foto de Angelica Bobrowski, del Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro, Düsseldorf, Alemania.

Aunque ya fuera conocido en la antigua China, el hierro fundido continúa siendo objeto de la investigación fundamental actualmente. Como aleación con grafito esférico, tiene una ductilidad similar a la del acero, pero su producción es claramente más sencilla y económica. Este material, también denominado fundición esferolítica, se emplea por ejemplo en la fabricación de tubos en la industria automovilística o en la ingeniería nuclear. La imagen muestra la microestructura de esta aleación: las pequeñas esferas de carbono parecen islas redondas; la fina red de líneas muestra dónde se tocan los distintos granos de material. Los científicos de Max Planck investigan cómo influye la microestructura del material en sus propiedades. A lo que aspiran es a hacer la estructura y con ello las propiedades de los materiales, a medida para distintas aplicaciones.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (V)

Continuamos con las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

Remolino en el imán, foto de Matthias Kammerer, del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, Stuttgart, Alemania.

Las estructuras de remolino magnéticas, como la representada aquí, podría ayudar en un futuro a procesar datos de forma particularmente rápida. Estas estructuras surgen en plaquetas magnéticas de un micrómetro de diámetro y varios nanómetros de altura. En ellas, los diferentes momentos magnéticos, que podemos imaginar como diminutas barras magnéticas, se ordenan de forma distinta a como lo hacen en un imán permanente: su campo magnético forma agujas que sobresalen de la plaqueta por delante (rojo) o por detrás (azul), pudiendo así almacenar el cero o el uno de un bit de datos. Unos breves pulsos magnéticos dan la vuelta a la dirección de las agujas a la velocidad del rayo. La simulación muestra la transición con agujas hacia adelante (rojo) y hacia atrás (azul). En las zonas naranjas y verdes, los momentos magnéticos solo están ligeramente girados hacia afuera del plano de imagen.

El sistema inmunológico en acción, foto de Volker Brinkmann, del Instituto Max Planck de Biología de las infecciones, Berlín, Alemania.

 Lo que a primera vista parece una flor exótica, es el sistema inmunológico humano en acción: un glóbulo blanco (aquí en rojo) está a punto de convertir en inocuas bacterias de tuberculosis (amarillas). Las bacterias son rodeadas por la membrana celular del fagocito y arrastradas hacia su interior, donde quedan encerradas -en el caso ideal, para siempre-- Pero una Mycobacterium tuberculosis es dura de roer. Gracias a una envoltura particularmente resistente, estas bacterias son capaces de sobrevivir dentro de los fagocitos durante años, y volver a liberarse si se produce un debilitamiento del sistema inmunológico -ya sea debido a enfermedades como el sida, o a la edad-.

Neuronas con orden y concierto, del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro, Frankfurt, Alemania.

El aprendizaje y la memoria radican en que en el cerebro las conexiones entre neuronas constantemente se modifican, se deshacen o se establecen otras nuevas. Para poder investigar y comprender dichos procesos es necesario contar con modelos simplificados. Los investigadores de Max Planck Institute for Brain Research hacen crecer neuronas con finos microcanales sobre una placa estructurada fotolitográficamente. Con ello la compleja malla tridimensional que forman las neuronas en el cerebro queda reducida a dos dimensiones en este cultivo. Así los investigadores pueden analizar como se forman o se deshacen las sinapsis entre las células, y que papel tienen en ello sustancias químicas como los neurotransmisores. Esta técnica de cultivo de células es de gran interés también para el desarrollo de nuevas sustancias activas farmacéuticas.

Colisión en el espacio, del Instituto Max Planck de Física Gravitatoria, Potsdam, Alemania.

Las estrellas neutrónicas aúnan aproximadamente 1,5 veces la masa del sol en una esfera cuyo radio, de entre 10 y 12 kilómetros, no es mayor al de una pequeña ciudad. Ello conlleva densidades y fuerzas gravitatorias extremadamente altas. Según la teoría de la relatividad de Einstein, cuando dos estrellas neutrónicas colisionan y se funden, convirtiéndose en un agujero negro, surgen ondas gravitatorias -pequeñas distorsiones en el espacio-tiempo que, sin embargo, hasta ahora nunca han podido ser medidas directamente-. Mediante simulaciones numéricas, los físicos quieren obtener más información sobre las señales de las ondas gravitacionales, para poder reconocerlas mejor entre las grandes cantidades de datos de los detectores. La imagen muestra una de dichas simulaciones de una colisión de estrellas neutrónicas.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (IV)

Continuamos con las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

Turbulento intercambio, foto de Juan Pedro Mellado, del Instituto Max Planck para la Meteorología, Hamburgo, Alemania.

En los procesos climáticos, las corrientes turbulentas juegan un papel importante, como en la formación de nubes o -como se calcula y visualiza aquí- en los procesos de intercambio en la superficie de las aguas. Si el agua que limita con el aire se enfría, en la capa que hay debajo se origina mediante convección y empuje ascensorial un patrón típico celular de la distribución del calor del agua: las zonas oscuras son áreas relativamente calientes, que se desplazan hacia arriba. Al mismo tiempo áreas más frías, a veces de solo unos milímetros de anchura -aquí, los bordes claros de las células-. En los nodos de la red surgen diminutos remolinos, a veces incluso remolinos dobles con sentidos de giro opuestos.

Sistema de transporte en el microcosmos, foto de Karen Kölhler, del Instituto Max Planck para Coloides e interfaces, Potsdam, Alemania.

Los fármacos consiguen la mayor eficacia -y con los menores efectos secundarios- cuando se liberan directamente en las regiones enfermas del cuerpo. Los científicos de Max Planck trabajan en un sistema de transporte que no desprende las sustancias activas hasta que reconoce las células meta: unas microcápsulas con moléculas de reconocimiento especiales se acoplan directamente a células enfermas, por ejemplo a células cancerosas. Mediante el cambio de temperatura, de pH o del contenido de sal, las sustancias activas consiguen escapar a través de las paredes de la cápsula. Aquí, distintos tipos de dichas cápsulas fueron sometidos a elevadas temperaturas: como resultado, algunas de ellas encogen, convirtiéndose en pequeñas esferas sólidas (amarillo), otras se funden, formando cápsulas más grandes (verdes) que al secarse se desinflan.

Jerarquía de los nanoconos, foto de Frank Marlow, del Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón, Mülheim an der Ruhr, Alemania.

Diminutos conos de gel de sílice crecen de forma ordenada sobre una superficie de vidrio. Constan en su interior de tubos de gel de sílice de tan solo uno nanómetros, que se enrollan en forma de espiral alrededor de un eje -de modo parecido a una espiral de regaliz-. El eje de simetría central ya se encuentra en el germen inicial del cono, y es responsable del aspecto y las propiedades que tendrán más tarde las formas de silicato. Los tubos, por otra parte, contienen moléculas orgánicas ordenadas. Con ello, el conjunto queda estructurado jerárquicamente. Hasta ahora, las estructuras jerárquicas que se conocían provenían sobre todo de la naturaleza, por ejemplo, de la estructura de los huesos.

Cayendo en la red, foto de Volker Brinkmann, del Instituto Max Planck de Biología de las Infecciones, Berlin, Alemania.

En nuestro sistema inmunológico, los glóbulos blancos desempeñan un papel importante. De entre ellos, los granulocitos neutrófilos -llamados también simplemente neutrófilos- constituyen la primera línea de defensa. Estos devoran las bacterias, literalmente, rodeándolas y dirigiéndolas en el interior de la célula. Y los neutrófilos cuentan, además con otro sorprendente truco: son capaces de arrojar estructuras fibrosas similares a una red, apresar bacterias en ellas, y destruirlas fuera de la célula. Aquí, unas bacterias Shigella (en rojo) se enredan en la red de los neutrófilos.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (III)

Continuamos con las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

La flor a la vista, foto de Anne Grande y Peter Huyser, del Instituto Max Planck para la Investigación del cultivo de las plantas, Cologne, Alemania.

La flor de arbidopais permite ver los estambres después de que científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del cultivo de plantas hayan aclarado el tejido con un disolvente. Bajo el microscopio de fluorescencia, los granos de polen aparecen con luz brillante. La imagen se obtuvo en el marco de un proyecto sobre los efectos que tiene sobre las plantas la falta de cobre. El cobre es importante, entre otras cosas, para la formación de lignina, que garantiza tanto la estabilidad y el funcionamiento de los haces de vasos conductores como la liberación del polen con la abertura de la flor. Por ello, una falta de cobre en el agricultura, como se da en los cultivos de terrenos arenosos, conlleva una notable disminución del rendimiento.

Sistema nervioso estable, foto de Frank Bradke y Harald Witte, del Instituto Max Planck de Neurobiología, Martinsried, Alemania.

Es una neurona joven, del cuerpo celular crecen neuritas de diferentes longitudes. La neurita más larga se convertirá en el futuro en axón (verde) que reenvía señales a otras neuronas. Las neuritas cortas se convertirán en dendritas (rojo), que recibirán y procesarán señales de otras neuronas. De colores están representados los microtúbulos, un componente del citoesqueleto. Estos pequeños tubos de proteínas confieren su forma a la neurona y hacen posible su crecimiento. Los colores indican la estabilidad de los microtúbulos: verde/amarillo significa estable y rojo, inestable. Solamente el axón tiene microtúbulos estables por lo que puede crecer, algo importante en la capacidad regenerativa de las neuronas.

Carga peligrosa en la médula espinal, foto de Ingo Bartholomáus, del Instituto Max Planck de Neurobiología, Martinsried, Alemania.

Una vena ramificada se abre camino por la médula espinal de una rata. La corriente sanguínea aporta a las células nerviosas nutrientes vitales, y evacua sustancias de desecho. La pared celular del vaso sanguíneo constituye normalmente una barrera que protege al sensible tejido nervioso de los agentes patógenos. Sin embargo, en enfermedades como la esclerosis múltiple, las células del propio sistema inmunológico rompen este muro de contención: uno linfocitos T agresivos -aquí en rojo- se adhieren a la pared de los vasos sanguíneos y trepan a lo largo de ella. Finalmente se abren paso por la fuerza a través de la pared del vaso y penetran en la médula espinal, donde su contacto con los fagocitos desencadena la invasión de más linfocitos T. La consecuencia es una inflamación con daños en las células nerviosas.

Nanointerferencia, foto de J. Dirk Sander, Guillermin Rodary, Hai Feng Ding y Jürgen Kirschner, del Instituto Max Planck de Microestructuras físicas, Halle, Alemania.

Si uno tira a la vez dos piedras una cerca dela otra al agua lisa como un espejo, se forman dos frentes de onda concéntricos que se superponen. Un efecto de superposición similar se produce cuando los electrones son dispersados por dos defectos en la superficie de un cristal de cobre. Si la superficie estuviera perfectamente ordenada no habría interferencias, pero unas pequeñas imperfecciones dan lugar a un patrón de interferencias. La interferencia de electrones en las superficies influye en la conductividad y el magnetismo del material -efectos que podrían ser importantes para el almacenamiento magnético de datos-.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (II)

Continuamos con las fotos que con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo.

Tan bonito como un cristal verdadero, foto de Alexander du Chesne, del Instituto Max Planck para la Investigación de los polímeros, Mainz, Alemania.

Tiene un brillo turquesa azulado tan intenso, que uno podría pensar que se trata de un verdadero cristal: sin embargo, lo que se ve aquí es un "cristal coloide". Estos cristales coloides pueden surgir cuando una dispersion plástica acuosa se seca. En la química polimérica, todas las emulsiones o dispersiones, es decir, las mezclas de un polímero sólido o fluido en un fluido, se denominan latex, un nombre derivado del lechal del árbol de la hevea o árbol del caucho. El cristal coloide que se muestra aquí se ha formado a partir de uno de dichos látex: los granos "cristalinos" alargados surgen a lo lardo del sentido del flujo del polímero.

Super onda en una ráfaga, foto de Stefan Skupin, Chistian Koehler y Luc Berge del Instituto Max Planck para la Física de los Sistemas complejos, Dresden, Alemania/ Arpajon, Francia.  

A menudo el caos lo provocan procesos no lineales en los que, como en el clima, cambios mínimos pueden tener grandes efectos. Sin embargo, en esta situación, una interacción no lineal tiene un efecto más bien ordenado: una ráfaga ultravioleta muy intensa, de solo 1 femtosegundo de duración (un femtosegundo es la millonesima parte de una milmillonésima parte de un segundo) atraviesa de izquierda a derecha el xenón, un gas noble. Del pulso de luz que se ve en amarillo en el borde izquierdo de la imagen, se escinde tras cierto tiempo un solitón, una especie de super pulso de luz que se estabiliza mediante procesos no lineales. al contrario de lo que ocurre con un pulso de luz ordinario o con una ola de agua ordinaria, un solitón no se deshace. El solitón, con una duración de tan solo 15 femtosegundos, se puede reconocer como una línea nítida roja en las partes más intensas.

Revestimiento para el plasma caliente, foto de Gabriela Matern del Instituto Max Planck para la Física de del Plasma, Garching, Alemania.

Las centrales nucleares de fusión obtendrán energía -de forma parecida al sol- de la fusión de núcleos atómicos. El combustible para la fusión, un ultrafino plasma de hidrógeno, tiene una temperatura de ignición superior a 100 millones de grados centígrados. Las mismas paredes del recipiente contenedor llegan a alcanzar varios cientos de grados. Por ello, los investigadores desarrollan nuevos materiales resistentes al calor para construir dichas plantas. El ensayo muestra una aleación de wolframio, a la que se han incorporado silicio y cromo para conseguir que el material sea más resistente a la oxidación. Bajo el microscopio se muestran las fisuras provocadas por una diferente expansión térmica, un efecto que se debería evitar para su empleo previsto.

La Ciencia en imágenes, del Instituto Max Planck (I)

Con motivo de la concesión del Premio "Príncipe de Asturias" de la Cooperación Internacional 2013 a la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia, estuvieron expuestas en el Parque San Francisco de Oviedo 25 fotografías tomadas por científicos en el curso de sus investigaciones. 

Cada año, la Sociedad solicita a los científicos de sus 82 institutos y centros de investigación imágenes de su trabajo, que son valoradas por un jurado integrado por fotógrafos, arquitectos y periodistas. Su selección es la base para esta exposición itinerante, que ofrece una mirada fascinante al mundo de la ciencia.

Los textos que acompañan a las fotos son los que las acompañan en la exposición.

Plumas divinas, foto de Javier de Hinojosa del Instituto Max Planck para la Historia del Arte, Florencia. 

Detalle de un mosaico de plumas de San Juan Evangelista, siglo XVI/ XVII, colección de Daniel Liebsohn, ciudad de México. En la Centroamérica precolombina, las plumas valiosas jugaban un gran papel como tributo, en los sacrificios y en los trajes de ceremonia de los soberanos. Los mosaicos de plumas del México de principios de la época colonial conectan dicha tradición con la cultura de imágenes europea. Confeccionados a partir de los más finos fragmentos de plumas, representan motivos cristianos, que fueron adoptados por los grabados europeos importados para las misiones. Los iconos de plumas, por otra parte, fueron llevados a Europa como regalo diplomático -testigos irisados del temprano encuentro artístico del Viejo y el Nuevo Mundo-. Aquí, las plumas de colibrí conforman el cielo en un retrato de San Juan Evangelista. No obstante, también queda a la vista la difícil conservación, la invasión de insectos amenaza la cambiante riqueza de colores.

Interacción de Arte y Naturaleza, foto de Roberto Sigismondi del Instituto Max Planck para la Historia del Arte, Florencia. 

De pie sobre una concha, Neptuno, el dios del mar, guía a una pareja de caballos a través de las olas. Esta escena está plasmada en un extraordinario mosaico en la Fuente Doria, en Génova (Italia). La gruta artística -creada a mediados del siglo XVI por el arquitecto Galeazzo Alessi- tiene varias fuentes ornamentales y está decorada con corales, conchas, plaquitas de mayólica y cristales. Debido a su estado de conservación, extremadamente malo, actualmente la fuente ya no está abierta al público. En una de las campañas fotográficas de la fototeca de Kunsthistorisches Institut de Florencia, los mosaicos han sido registrados y documentados. Las campañas fotográficas de dicho instituto registran cada año en unas 3000 fotografías digitales especialmente la decoración interior aún inexplorada de los palacios y villas florentinos, así como la arquitectura y el arte en centros toscanos más pequeños.

Fuerza magnética desatada, foto de Johann Hezberger del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar, Katienburg-Lindau, Alemania. 

Plasma caliente, a varios miles de grados de temperatura, sube desde el interior del Sol, se enfría, y vuelve a bajar a las profundidades. En los lugares en los que fuertes campos magnéticos retienen el plasma, surgen manchas solares oscuras. En el borde se pueden reconocer estructuras filiformes. En estas áreas, los campos deberían ser lo suficientemente fuertes como para contrarrestar corrientes, por tanto, deberían aparecer oscuros. Científicos del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar han podido demostrar que el campo magnético está aquí relajado en algunas partes. El plasma circula y da lugar a brillantes estructuras prolongadas que parecen girar sobre su propio eje.