ORIGEN Y EVOLUCION DEL SISTEMA INMUNITARIO

EL SECRETO DEL ACERO DE DAMASCO

EL FUTURO DE LOS COCHES ELECTRICOS

AYER DE MARTE

ENERO 1997800 PTAS.

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Origen de la inmunidad de los invertebradosGregory Beck y Gail S. Habicht

El sistema inmunitario humano, uno de los ms refinados que existen, evolucion a partir de sistemas ms simples de esponjas, estrellas de mar, gusanos y otros invertebrados. Resulta notable que la mayora de las caractersticas que definen la inmunidad humana halle un paralelo celular o qumico entre los rdenes inferiores.

Origen de la inmunidad de los vertebradosGary W. Litman

Hace quinientos millones de aos, unas criaturas emparentadas con los tiburones y las rayas adquirieron un sistema inmunitario altamente adaptativo. Qu peculiaridades presentaba? En qu diverga del alcanzado por los invertebrados? En algunos aspectos, los tiburones combaten a los invasores microscpicos de forma ms resuelta que nosotros mismos.

El secreto del acero de DamascoAntonio J. Criado, Juan A. Martnez, Rafael Calabrs y Daniel Arias

El acero de Damasco, que atemoriz y fascin a los europeos desde la Edad Media, ha mantenido oculto su secreto hasta el siglo xx. Sus magnficas propiedades, su dureza y poder cortante, se derivan de su alto contenido en carbono, de la baja temperatura de forja en caliente y de la operacin de temple. Las espadas fabricadas con este acero resultaron insuperables.

Cambio climtico global en MarteJeffrey S. Kargel y Robert G. Strom

Fro, seco y adornado con nieve de dixido de carbono, hoy Marte es un mundo desrtico. Sin embargo, rachas templadas, volcanes o meteoritos han causado con frecuencia, a lo largo de su historia, repentinos deshielos del agua congelada bajo su superficie; las subsiguientes riadas catastrficas formaron valles, provocaron avalanchas de barro y crearon un ocano.

Visin cuntica en la obscuridadPaul Kwiat, Harald Weinfurter y Anton Zeilinger

El sentido comn dice que no se puede saber si una caja cerrada guarda un objeto a no ser que alguien compruebe su contenido. Pero el raro mundo de la mecnica cuntica ha ofrecido hace poco una forma de saberlo. Los creadores de esa tcnica explican cmo funciona este ver a oscuras, que demuestra la existencia de mediciones exentas de interacciones.

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La cuestin de los coches elctricosDaniel Sperling

Quiz la nica manera de resolver el grave problema de la contaminacin urbana o el efecto invernadero mundial sea el uso de coches movidos por electricidad y no por combustibles. Las tcnicas existentes o en desarrollo permiten ya construir coches elctricos eficaces.

DislexiaSally E. Shaywitz

Este trastorno, que dificulta sobre todo la lectura, viene intrigando desde hace ms de un siglo a los mdicos y a los padres. A los nios dislxicos les cuesta distinguir los sonidos elementales con que se constituyen las palabras, por lo cual se les hace ms difcil hallar la conexin entre el habla y las letras del alfabeto.

El arte rupestre del Africa meridionalAnne Solomon

Con pinturas y grabados sobre farallones, grandes cantos rodados y paredes de las cavernas, los antiguos pueblos san del Africa meridional dejaron un registro de su forma de vida. El arte aclara la mitologa, el folclore y las ceremonias de esos pueblos, algunos de los cuales todava sobreviven.

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Edicin espaola de

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26 Premios Nobel 1996

32 Ciencia y sociedad

87 Juegos matemticos

Gua para la datacin informtica.

42 De cerca

84 Taller y laboratorio

90 Libros

96 Ideas aplicadas

Mapas funcionales cerebrales.

INVESTIGACION Y CIENCIA

DIRECTOR GENERAL Francisco Gracia Guilln EDICIONES Jos Mara Valderas, director ADMINISTRACIN Pilar Bronchal, directora PRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn Bernat Peso Infante Carmen Lebrn Prez SECRETARA Purificacin Mayoral Martnez EDITA Prensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa) Telfono (93) 414 33 44 Telefax (93) 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICAN

EDITOR IN CHIEF John Rennie BOARD OF EDITORS Michelle Press, Managing Editor; Philip M. Yam, News Editor; Ricki L. Rusting y Timothy M. Beardsley, Associate Editors; John Horgan, Senior Writer; Corey S. Powell, Electronic Features Editor; W. Wayt Gibbs; Kristin Leutwyler; Madhusree Mukerjee; Sasha Nemecek; David A. Schneider; Gary Stix; Paul Wallich; Glenn Zorpette; Marguerite Holloway, Contributing EditorPRODUCTION Richard SassoCHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. Hanley PUBLISHER Joachim P. Rosler

PROCEDENCIA DE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Edward Bell

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Fuente

Roberto OstiCorbis-BettmannTomo Narashima (dibujos); Laurie GraceRoberto OstiRoberto OstiDimitry SchidlovskyRoberto OstiMichael Sexton, All Childrens HospitalAntonio J. Criado y cols.Richard E. Smalley (arriba), Joel M. Hawkins (abajo)Laurie GracePaul Travers, Birkbeck College, (arriba); D. Schidlovsky (abajo)Bryan ChristieSusan Kitchens (vistas de Marte); cortesa de Alfred McEwen y NASA (mosaico global de Marte); Slim Films (efectos digitales)Edward Bell (abajo); Blyth Robertson, Estudio geolgico de Canad (superior izquierda); NASA (superior derecha)Jeffrey S. KargelNASA

Cortesa del Laboratorio de Propulsin a ChorroBradford Washburn; cortesa de Panopticon Gallery (arriba); NASA (abajo)Cortesa de Victor R. Baker (arriba); NASA (abajo)Michael GoodmanJared Schneidman Design; Michael Reck, Universidad de Innsbruck (fotografa)Gamma LiaisonMichael GoodmanJohnny JohnsonMichael GoodmanJohnny JohnsonYan NascimbeneYan Nascimbene (gatos); Jana Brening (arriba); Carol Donner (abajo)Nin Berman, Sipa PressBennett A. Shaywitz et al., Yale NMR ResearchJennifer Christiansen (izquierda); Roger de La Harpe, Anthony Bannister Photo Library (derecha)Anne Solomon; Anthony Bannister ABPL (abajo, centro)Anne Solomon (arriba); Roger de La Harpe, ABPL (inf. izda.); Anthony Bannister (inf. dcha.)Anne SolomonAnne Solomon; Roger de La Harpe; Anthony Bannister (arriba); Aron D. Mazel, Natal Museum (abajo)Bryan ChristieJennifer C. ChristiansenNielsen Media Research (fotografas); Laurie Grace (dibujos)

COLABORADORES DE ESTE NUMERO

Asesoramiento y traduccin:

Joandomnec Ros: Origen de la inmunidad de los invertebrados; J. M.a Valderas Martnez: Origen de la inmunidad de los vertebrados y Premios Nobel 1996 (Medicina); Manuel Puigcerver: Premios Nobel 1996 (Qumica y Fsica); Mnica Murphy: Cambio climtico global en Marte; Juan Pedro Campos: Visin cuntica de la obscuridad; J. M. Garca de la Mora: Dislexia y Premios Nobel 1996 (Economa); Ana M.a Rubio: El arte rupestre del Africa meridional; J. Vilardell: Hace..., Taller y laboratorio e Ideas aplicadas; Luis Bou: Juegos matemticos

Copyright 1996 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 1997 Prensa Cientfica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)

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Difusin controlada

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...cincuenta aos

SCIENTIFIC AMERICAN: Empleando un tubo de transmisor de radar y una antena de bocina de radar, una inslita cocina, de nombre Radarange, cuece bollos y panes de jengibre en 29 segundos, ruste hamburguesas con cebolla en 35 segundos y asa salchi-chas de Frankfurt con su panecillo en diez segundos. El artefacto enfoca su haz de radiofrecuencia a las viandas a cocinar. Segn la Raytheon Manufac-turing Company, cuando termina la coccin, un cronmetro desconecta automticamente la mquina y el ali-mento est listo para consumir.

Los ensayos de vibracin son esenciales en los aviones y cohetes diseados para rozar velocidades s-nicas. El principio de la vibracin resonante se est aplicando actual-mente a los ensayos estructurales. Para ello, junto a la estructura que se somete a prueba, se colocan vi-bradores electrnicos, dispositivos similares a altavoces de radio. El elemento mvil de cada vibrador se conecta a una varilla metlica que se monta en una copa de succin de caucho adherida a la estructura. Basta con activar el vibrador a la frecuencia de vibracin natural de la estructura para que, en cuestin de minutos, se generen fuerzas vi-bratorias tan intensas, que las vigas de hierro sujetas en bombarderos de dos y treinta toneladas hacen rebotar sus ruedas de aterrizaje.

Resulta de veras asombroso des-cubrir los efectos que el olor puede causar en la clientela. Por ejemplo: la calcetera perfumada se vende con preferencia sobre la inodora, aunque, por extrao que parezca, una encuesta ha revelado que los compradores no se sienten conscientemente influenciados por el olor; imaginan que los artcu-los olorosos poseen una mejor textura o un color ms atrayente.

Cuando los concejales de un municipio se deciden a gastar algn dinero de los contribuyentes en una

nueva depuradora de aguas residuales o un sistema de abastecimiento de agua, en cabeza de la lista, o casi, hay un tipo de conducciones, hechas de amianto, fibras y cemento. Estas conducciones estn libres de algunos tipos de corrosin y su lisura interna mantiene al mximo su capacidad de conduccin al cabo de los aos

...cien aos

SCIENTIFIC AMERICAN: Un invento que promete ser del mayor valor prctico para la telegrafa ha recibi-do su primer anuncio pblico de la mano del seor William H. Preece, experto en telegrafa de la adminis-tracin postal londinense. Durante una conferencia acerca de La telegrafa sin hilos, que se dio recientemente en Londres, Preece present a un joven italiano, un tal seor Marconi, quien, afirm, haba acudido a l recientemente para hablarle de su sistema. La telegrafa sin hilos no es, desde luego, una idea nueva. En 1893 se transmitan telegramas por induccin a una distancia de unos cinco kilmetros cruzando el Canal de Bristol. Pero el joven Marconi resolvi el problema fundamentndose en principios enteramente distintos; los funcionarios de correos llevaron a cabo un ensayo con pleno xito en la Llanura de Salisbury sobre una distancia de 1,2 kilmetros.

Pisndole los talones a la hambru-na llega la peste bubnica y hoy da la mitad de la poblacin de Bombay ha huido de la ciudad. El aspecto de ms inters para los europeos

es saber si la enfermedad puede enraizar en latitudes septentrionales en el caso de que all llegara la infeccin; por ahora no hay pruebas de tal cosa. El doctor Waldemar Haffkine, que est investigando la cuestin en Bombay, responsabiliza a ratas y hormigas de la propagacin de la enfermedad. Las ratas portan la peste. Los roedores mueren y las hormigas se los comen y trasladan los grmenes a las grietas de los edificios y a los grifos y sumideros de agua. De ese modo se difunde una ponzoa que slo puede erradi-car el fuego. Se dice que el doctor Haffkine ha demostrado la eficacia como antdoto de un virus atenuado de la enfermedad.

Nuestro grabado muestra el funcio-namiento de un nuevo tipo de ascen-sor que estn sometiendo a ensayo los administradores del puente de Brooklyn. Es un invento del seor Jesse W. Reno, quien, al objeto de presentarlo oficial y pblicamente, instal la misma mquina en Coney Island en septiembre pasado, donde transport a ms de 75.000 perso-nas. El entarimado mvil tiene una pendiente de 25 grados y la altura sobre la horizontal es ms de dos metros.

...ciento cincuenta aos

SCIENTIFIC AMERICAN: Un puente de hierro, cuyo tamao y magnificen-cia acaso no hayan sido igualados hasta ahora, est a punto de levantarse, con un viaducto que cruza el Tyne, desde Gateshead a Newcastle-upon-

Tyne, para el ferrocarril de Newcastle y Berwick. Los contratistas deben preparar, suministrar y erigir todas las estructuras de hierro fundido o forjado o de madera para los puentes y sus accesos, de confor-midad con los proyectos y bajo las instrucciones de Robert Stephenson, Esq. [Nota de la redaccin: Inaugurado en 1849, el High Level Bridge todava cruza el Tyne soportando trfico de carretera y fe-rrocarril.]Ascensor inclinado del puente de Brooklyn

Hace...

4 INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997

En diciembre de 1882, Elie Metchnikoff, zologo ruso, daba uno de sus habitua-les paseos por la playa siciliana de Messina. Tena entonces 37 aos. Pero aquel paseo no fue uno ms, sino que trae ra consecuencias del mximo inters para la ciencia. Metchnikoff volvi a su casa de campo con una larva diminuta y transparente de estrella de mar comn. La perfor con una espina de rosal. Cuando se dispuso a examinarla, la maana si-guiente, observ un racimo de clulas que recubran la espina e intentaban absorberla.

Metchnikoff vio en seguida el sig-nificado de la situacin: las clulas se aprestaban a defender a la larva mediante la digestin del invasor, en un proceso de fagocitosis. La ciencia saba ya que se produca la fago citosis cuando ciertas clulas humanas, especializadas, se encon-traban con bacterias o levaduras. Metchnikoff vio ms lejos, y en-tendi que ese proceso desempeaba un papel mucho ms amplio. La fagocitosis constitua un mecanismo fundamental mediante el cual los organismos de todo el reino animal se defendan contra las infecciones. Con semejante finura mental y toda una vida posterior de investigacin,

Metchnikoff cre la disciplina de la inmunologa celular. Por su trabajo pionero en inmunidad celular, com-parti el premio Nobel de medicina de 1908 con Paul Ehrlich, uno de los primeros en propugnar la importancia del otro componente fundamental de la defensa, la inmunidad humoral.

Por impresionante que fuera el logro de Metchnikoff, no fue sta la mayor de sus realizaciones. Resultaba signifi-cativo que el sujeto de su experimento capital, la estrella de mar, fuera un animal que haba permanecido casi inalterado desde su aparicin, haca al menos 600 millones de aos. Des pus de hincarle el aguijn de la rosa, la estrella de mar exhibi un espectculo que no hubiera diferido mu-cho de producirse en el ocano primigenio del planeta decenas de millones de aos antes de que apare-cieran los primeros seres vivos con en-doesqueleto seo, los vertebrados.

Metchnikoff es-taba convencido de ello. Sus investiga-ciones acabaran por demostrar que los sistemas de inmu-nodefensa (defensa del patrn) en todos los animales moder-nos tienen sus ra-ces en innumerables organismos que han poblado la Tierra desde que empez la vida. As naci otra disciplina cientfica:

la inmunologa com parada. Mediante el estudio de or ga nismos diversos, algunos de ellos muy antiguos, los expertos en inmunologa comparada nos acercan a la contemplacin, desde una perspectiva singular, de uno de los frutos ms complejos y maravi-llosos de la evolucin: el sistema inmunitario del hombre y de otros mamferos superiores. Pero la dis-ciplina permite tambin ahondar en la naturaleza de la propia evolucin: el hecho de que los invertebrados constituyan ms del 90 por ciento

GREGORY BECK y GAIL S. HABI-CHT iniciaron su cooperacin en 1989, cuando Beck realizaba sus cursos de doctorado y Habicht le diriga la tesis en la Universidad estatal de Nueva York en Stony Brook. Beck es ahora profesor de biologa en la Universidad de Massachusetts en Boston; Habicht, vicepresidenta de investigacin y profe-sora de patologa en Stony Brook.

Origen de la inmunidadde los invertebrados

El sistema inmunitario, que en los mamferos, hombre incluido, evidenciauna exuberante complejidad, evolucion a lo largo de cientos de millones

de aos por vas a veces sorprendentes

Gregory Beck y Gail S. Habicht

1. FAGOCITOS rodeando una espina de rosa con la que se ha pinchado la larva transparente de una estre-lla de mar. En 1882, el zologo ruso Elie Metchnikoff (fotografa de la derecha) observ este comportamiento, propio de una respuesta de inmunodefensa innata. Sus estudios subsiguientes establecieron el campo de la in-munologa celular.

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de todas las especies de la Tierra confirma la eficacia de sus meca-nismos de inmunodefensa, que son claramente primitivos. Por si fuera poco, la inmunologa comparada ha descubierto sustancias con funcin defensiva cuyo uso en los humanos parece prometedor.

El progreso reciente de nuestro co-nocimiento del sistema inmunitario, unido a los avances experimentados en el utillaje de la disciplina, han propiciado un perodo fecundo de la inmunologa comparada, una segunda edad de oro, por as decirlo. Mediante el recurso a las herramientas mole-culares y celulares desarrolladas en los ltimos aos, se ha amasado un impresionante cmulo de conocimien-tos sobre los sistemas de inmunode-fensa de animales tan dispares como estrellas de mar, insectos, tiburones y perros.

Cmo opera la inmunidad

Para apreciar en su cabal extensin todos los giros y derrotas que han tomado los sistemas inmunitarios a lo largo de cientos de millones de aos, es necesario conocer cmo operan. La misin fundamental de cualquier sistema inmunitario estriba en distinguir las clulas, tejidos y rganos que son parte legtima del

cuerpo del patrn, lo propio, de los elementos extraos, lo ajeno, que pu-diera haber. A esa tarea le sigue otra importante: eliminar los invasores forneos, que suelen ser bacterias o virus peligrosos. Adems, el sistema inmunitario puede reconocer, y por lo general eliminar, elementos propios alterados, es decir, clulas o tejidos de su mismo cuerpo que han sufrido cambios por lesiones o enfermedades (cncer, por ejemplo). La mayora de los inmunlogos esta ra de acuerdo en que el sistema inmunitario del hombre (y los de otros primates) posee los mecanismos ms refinados de reconocimiento y eliminacin de agentes invasores.

Considere el lector qu le sucede a una jardinera aficionada que se acaba de pinchar un dedo con un aguijn de rosal. A los pocos minutos, o inme diatamente despus de que la sangre deje de fluir, el sistema inmunitario empieza a trabajar para eliminar a los microorganismos in-deseables introducidos con la herida. En la escena hay ya (o no tardarn en llegar) macrfagos. Estos leucoci-tos no slo rodean y destruyen a los microorganismos invasores, sino que tambin liberan protenas que activan otras partes del sistema inmunitario y alertan a ms fagocitos por si se requiere su intervencin.

Esta rpida respuesta celular se denomina in-munidad natural o innata. Las clulas que la ejecutan se encuentran ya activas en el cuerpo antes de que aparezca un invasor. Todos los animales poseen un me-canismo defensivo de este tipo, que se cree que es la forma ms antigua de inmunidad. Fue la inmu-nidad celular innata lo que Metchnikoff observ en la larva de estrella de mar.

Otro componente de la inmunidad innata es el com-plemento. Consta de una treintena larga de prote nas de la sangre. Estas protenas operan de forma secuencial, en cascada, para identificar y destruir a los invasores. Por lo general, se basta la inmunidad innata para destruir a los microorga-nismos invasores; si no es as, los vertebrados cuentan con otra respuesta ms: la inmunidad adquirida.

Los soldados de la inmu-nidad adquirida son ciertos glbulos sanguneos espe-

cializados, los linfocitos, que operan mancomunadamente, como un ejr-cito. Desplazndose a travs de la sangre y de los ndulos linfticos, los linfocitos se hallan normalmente en reposo, pero se activan y se multiplican si encuentran antgenos, molculas especficas y asociadas a organismos forneos. Hay dos clases de linfocitos: B y T. Los linfocitos B segregan anticuerpos, protenas de-fensivas que se fijan a los antgenos y facilitan su eliminacin. El cuerpo humano contiene ms de 100.000 millones de linfocitos B, cada uno de los cuales segrega un anticuerpo que difiere de la mayora de los dems. Los linfocitos T cumplen varios objetivos: reconocen y matan las clulas que portan en su super-ficie molculas consideradas ajenas. Tambin ayudan a los linfocitos B en la sntesis de anticuerpos.

La inmunidad adquirida es muy eficaz. Se tarda, sin embargo, va-rios das en movilizarla, debido a la complejidad de la respuesta. El microorganismo invasor ha de entrar en contacto con los linfocitos T o B apropiados; se ha de promover la intervencin de los macrfagos; deben dividirse los linfocitos activa-dos; todos los leucocitos implicados han de sintetizar y liberar protenas que refuercen la contundencia de la respuesta; las clulas B han de producir y liberar anticuerpos.

Pero la inmunidad adquirida posee tambin una peculiaridad singula-rsima, la memoria inmunolgica, capacitada para abreviar la demora. La memoria inmunolgica brota de mecanismos de origen gnico que permiten que los linfocitos del cuerpo reconozcan la inmensa diversidad de antgenos, aun cuando cada linfocito reconoce un solo tipo de antgeno. En esencia, cada encuentro con un microorganismo invasor imprime una plantilla gentica en determina-das clulas B y T. A la siguiente ocasin en que el mismo tipo de invasor salga al paso de estas clu-las, utilizarn la plantilla, de suerte que la respuesta se producir antes y con mayor contundencia que en la primera vez. En este fenmeno se apoyan las dosis de refuerzo, o inmunizaciones, que se administran a los nios. La jardinera del ejemplo podra, pasado cierto tiempo, olvidar su araazo trivial, pero su sistema inmunitario jams lo har.

En el principio

Acabamos de exponer las dos cla- ses principales de respuesta, la

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innata y la adquirida, del sistema inmunitario de los mamferos y otros vertebrados superiores. La respuesta adquirida abarca, como singularidad significativa, la memoria inmuno-lgica. En la respuesta desplegada intervienen muchos agentes distintos: macrfagos y otras clulas fagocti-cas, linfocitos B y T, anticuerpos y una cohorte de protenas participan-tes. Cules de ellos (o similares) aparecen en otros grupos de orga-nismos ms antiguos? El averiguarlo constituye una de las tareas centrales de la inmunologa comparada.

De los agentes mencionados, algu-nos se identifican ya en organismos remotos. La verdad es que ciertos componentes de la inmunidad se dejan ver en casi todos los seres vivos. (La fagocitosis es un ejemplo.) Algunos elementos perduraron eras enteras sin apenas sufrir cambios en la escala animal. Otros componentes, aunque exclusivos de los vertebrados superiores, presentan notabilsimas semejanzas con elementos de los sistemas de inmunodefensa de los invertebrados. Tales semejanzas re-visten importancia, por cuanto dan a entender que los mecanismos de los invertebrados son precursores de

los que vendran despus con los vertebrados. Tomadas en su con-junto, estas vinculaciones encierran la prueba ms slida de que los sistemas inmunitarios de los seres humanos y de otros mamferos evolu-cionaron a partir de organismos ms antiguos, en un intervalo de cientos de millones de aos.

Hasta cierto punto obvio, los siste-mas de defensa del patrn empezaran con las primeras formas de vida: con los protozoos, los animales ms elementales. Los protozoos, que se remontan a unos 2500 millones de aos, son formas de vida unicelula-res; en otras palabras, llevan a cabo todas las funciones fisiolgicas en una sola clula. La respiracin, la digestin, la defensa y otras funcio-nes se realizan, al menos en parte, mediante fagocitosis. En su funcin defensiva, la fagocitosis de los pro-tozoos no difiere grandemente de la que acometen las clulas fagocticas del cuerpo humano.

En la jerarqua animal que se eleva de las estrellas de mar a los seres hu manos, las clulas fagoc-ticas se desplazan a travs de un sistema circu latorio o (en el caso de las estrellas de mar) a travs del

celoma, una cavidad corporal llena de fluido. En las esponjas y otros animales pluricelulares que carecen de celoma y de sistema circulatorio, las clulas fagocticas divagantes ron-dan por los tejidos y los espacios circundantes.

Hasta pocas muy tempranas de la historia de la vida se remonta tam-bin el otro pilar de la inmunidad, a saber, la capacidad de distinguir lo propio de lo ajeno. Ciertos pro-tozoos viven en colonias de miles de individuos; forzosamente deben poder reconocerse entre s. Es di-fcil admitir la posibilidad de vida colonial o la reproduccin sexual sin suponer la capacidad de distinguir lo propio de lo ajeno. Entra dentro de lo razonable que los protozoos posean dicha facultad. Las mismas esponjas, que en opinin de algunos zologos son los metazoos (anima-les pluricelulares) ms antiguos y simples, pueden distinguir lo propio de lo ajeno: sus clulas atacan los injertos que se les aplican de otras esponjas.

Spase, sin embargo, que esa res-puesta de rechazo no es idntica a la que se observa en los vertebrados. En stos, debido a la memoria in-

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LOS LINFOCITOS SE SEPARAN EN POBLACIONES DE CELULAS T Y BAPARECEN LOS PRIMEROS LINFOCITOS

SISTEMAS INMUNITARIOS BASADOS UNICAMENTE EN MECANISMOS INNATOS

2. HITOS INMUNOLOGICOS producidos por la poca en que aparecieron los primeros animales con endoesqueleto seo, los vertebrados. Entre esos sucesos cruciales destac la aparicin de los primeros sistemas inmunitarios que se fundan en linfocitos; debieron de protagonizarlo peces sin mandbulas

de hace unos 500 millones de aos. Despus, estos linfocitos se separaron en dos poblaciones distintas y discernibles en todos los vertebrados superiores. Los invertebrados poseen una familia de clulas que se parecen en algunos aspectos a las clulas inmunitarias de los vertebrados.

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munolgica, si se desecha el injerto de un donante, se rechazar con mayor prontitud un segundo injerto del mismo donante. Pero ni en las esponjas ni en las medusas el segundo rechazo tarda menos que el primero. De tales comprobaciones se extrae la idea de que les falta el componente de memoria de la respuesta inmuni-taria, una piedra angular del sistema de los vertebrados. Conclusin que se ha corroborado en experimentos con estrellas de mar y otros invertebrados superiores, desprovistos, asimismo, de memoria inmunolgica.

Carecen tambin los invertebrados de dos com ponentes ms del sistema inmunitario de los vertebra-dos: el complemento y los linfo citos. Pero s encie-rran, al parecer, entidades anlogas. En lugar del com-plemento, determinados invertebrados (entre ellos: diversos insec tos, cangre-jos y gusanos) exhiben una respuesta similar, el sis-tema de la profenoloxidasa (proPO). Igual que el del complemento, el sistema proPO lo activa una serie de enzimas. Al final de una cascada de reaccio nes se llega a la conversin de proPO en la enzima activa fenoloxidasa, que inter viene en la encapsu-lacin de objetos extraos. Ken neth Sder hll, de la Universidad de Up psala, y Valerie J. Smith, de la Estacin Ma rtima de Gatty, han demostrado que el sistema cumple adems otras tareas, entre ellas la coagulacin de la sangre y la eliminacin de microor-ganismos.

Los invertebrados care-cen de linfocitos y de un sistema inmunitario hu-moral de anticuerpos. S poseen, en cambio, me-canismos que parecen ser precursores de tales notas distintivas de la inmuni-dad de los vertebrados. Fijmonos en las lombrices de tierra, que aparecieron probablemente hace 500 millones de aos. En ellas se han encontrado clulas parecidas a linfocitos. Y lo que quizs encierre ma-yor significado an: todos los invertebrados sintetizan molculas cuya operacin se aproxima a la de los

anticuerpos, cuyos precursores po-dran ser. Estas molculas las integran un grupo de protenas denominadas lectinas. En las clulas, las lecti-nas pueden unirse a molculas de azcares; al hacerlo, las clulas se tornan pegajosas y se apelmazan. Las lectinas tuvieron que aparecer en una etapa precoz de la evolucin, dada su presencia ubicua; se las encuentra en plantas, bacterias, invertebrados y vertebrados.

Ignoramos la funcin especfica de las lectinas en la respuesta inmunita-ria. Intervienen, tal parece, en la se a-lizacin de los organismos invaso res, que estn probablemente recubiertos

de molculas de azcares diferen-tes. Se ha comprobado con lecti-nas aisladas de lombrices de tierra, caracoles, almejas y prcticamente todo tipo de animales invertebrados que esas protenas participan en el recubrimiento de partculas extraas, con lo que facilitan la fagocitosis. En cada phylum animal podemos observar numerosas lectinas con dis-tinta especificidad por los glucsi-dos. Pensemos, por ejemplo, en las colectinas de vertebrados, un grupo de protenas. Con ellas se hallan em parentadas las lectinas aisladas de la mosca de la carne Sarcophaga peregrina y de un erizo de mar.

En el hombre, las colec-tinas cumplen una misin principal en la inmunidad innata: amn de activar el complemento o las clulas inmunitarias, recubren los microorganismos invasores para su pronta identifi-cacin por parte de los fagocitos.

Y aunque en los inverte-brados no se encuentran an-ticuerpos, s poseen mol-culas que desde el punto de vista estructural e incluso funcional son similares. Los anticuerpos pertenecen a una familia de molculas muy extensa y antigua, la superfamilia de las inmu-noglobulinas. Todas las molculas de este grupo poseen una estructura caracterstica, el pliegue Ig. Desempean diversas funciones, pero en general se hallan implicadas en el reconocimiento de cuerpos extraos y de otros tipos de molculas.

Probablemente, el plie-gue Ig surgi durante la evolucin de los metazoos, cuando se impuso el mutuo reconocimiento entre clu-las diferenciadas. En su comienzo, el pliegue pudo haber sido una molcula de reconocimiento, impli-cada en la identificacin de lo propio; con el tiempo, evolucion hacia algo que poda reconocer tambin a los antgenos, preparando as el terreno para la apa-ricin de las verdaderas inmunoglobulinas.

La hemolina, una pro-tena aislada de la sangre de polillas, pertenece a la superfamilia de las inmuno-

VERTEBRADOS

CELOMOCITOS MACROFAGOS

INVERTEBRADOS

PROLIFERACIONDE CELOMOCITOS

PROLIFERACIONDE CELULAS T

QUIMIOTAXIADE LOS CELOMOCITOS

QUIMIOTAXIADE LOS MACROFAGOS

ESTIMULACIONDE LA FAGOCITOSIS

(NO SE CONOCE LA FUNCION CORRESPONDIENTE)

PATOGENOS

SECUESTRO DE HIERRO

LIBERACION DE COMPUESTOSNITROGENADOS REACTIVOS

ESTIMULACION DEL HIERROLIGADO A PROTEINAS

3. LA LIBERACION DE CITOQUINAS puede estimular muchas funciones, lo mismo en invertebrados que en verte-brados. Las misiones tienen que ver en buena medida con la defensa de la clula patrn. Recientemente, los autores encontraron que la citoquina interleucina-1 cumple funciones defensivas en la estrella de mar que son anlogas o idnticas a las que realiza en los vertebrados.

LIBERACIONDE INTERLEUCINA-1

8 INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997

globulinas. Se fija a las superficies microbianas y participa en su elimi-nacin. Se han identificado otras su-perfamilias de molculas en diversos invertebrados (saltamontes y moscas), as como en vertebrados inferiores. De lo precedente se infiere que las respuestas inmunitarias desplegadas mediante anticuerpos, aunque restrin-gidas a los vertebrados, hunden sus races en los mecanismos de defensa de los invertebrados.

Precursorde la regulacin inmunitaria

Dirase que la evolucin no slo ha conservado muchos aspectos de los mecanismos de inmunode-fensa que surgen en los invertebrados, sino tambin muchas de las seales de control de dichos mecanismos. De un tiempo a esta parte hemos centrado nuestra investigacin en el aislamiento de molculas de inverte-brados que guardan semejanza con las citoquinas de los vertebrados. Las citoquinas son protenas liberadas por diversas clulas inmunitarias (y no inmunitarias), una vez activadas. Las citoquinas pueden estimular o inhibir a otras clulas del sistema inmunitario y, adems, dejan sentir su influjo en rganos diversos. Entre estas protenas se numeran los inter-ferones, las interleucinas (IL-1, IL-6 y otras) y el factor de la necrosis tumoral (TNF), molculas que son reguladores crticos de la inmunidad de los vertebrados.

Sospechbamos, apoyados en va-rios indicios, que los invertebrados haban de poseer la IL-1 o una citoquina ancestral similar. En pri-mer lugar, estas molculas regulan algunos de los mecanismos ms primi ti vos de la inmunidad de los vertebra dos. En segundo lugar, la estructura y las funciones defensivas de la IL-1 son similares en muchos vertebrados, lo que sugiere que las molculas evolucionaron a partir de un precursor comn. Por ltimo, los macrfagos, el tipo de leucocitos que producen IL-1, tienen presencia ubicua en el reino animal.

A partir del flujo celmico de Asterias forbesi, una estrella de mar comn en el Atlntico, aislamos cierta protena de comportamiento similar al de la IL-1: sus propiedades fsicas, qumicas y biolgicas eran las mismas; estimulaba las clulas de vertebrados que respondan a la IL-1; y los anticuerpos que reconocan a la IL-1 humana tambin reconocan a esta protena. Ms tarde descu-briramos que muchos invertebrados

poseen molculas emparentadas con las citoquinas de los vertebrados. Los gusanos y los tunicados (ascidias) con-tienen sustancias similares a la IL-1 y al TNF. Uno de los autores (Beck) ha encontrado molculas parecidas a la IL-1 y a la IL-6 en el lepidp-tero Manduca sexta. En resumidas cuentas, los invertebrados poseen equivalentes de las tres principales citoquinas de los vertebrados.

Las citoquinas de los invertebra-dos parecen desempear funciones semejantes a las de los vertebrados (vase la figura 3). A propsito de las estrellas de mar, hemos com-probado que sus celomocitos (clu-las equivalentes de los macrfagos) producen IL-1. En experimentos rea-lizados conjuntamente con EdwinL. Cooper, de la Universidad de California en Los Angeles, y David A. Raftos, ahora en la Universidad de Sydney, demostramos que la IL-1 estimulaba a estos equivalentes de los macrfagos para que acorralaran y destruyeran a los invasores. Todo indica, pues, que las citoquinas de los invertebrados templan buena parte de la respuesta defensiva de su pa-trn, a la manera de las citoquinas de los vertebrados, que orquestan la inmunidad innata.

Frmacos de rana

Pero la inmunologa comparada no se limita a rastrear en los inverte-brados los correspondientes anlogos de las defensas de los vertebrados. Antes bien, la investigacin originaria en invertebrados ha permitido descu-brir tipos nuevos de defensas cuya presencia en los vertebrados slo ms tarde se pudo atestiguar.

Nos referimos, por ejemplo, a los pptidos y las protenas antibacteria-nas, que son molculas clave en la estrategia de defensa de los inverte-brados. Dichas molculas (algunas de las cuales ha convertido el hombre en medicinas eficaces) suelen ser liberadas por las clulas sanguneas en las fases iniciales de la respuesta innata. La protena antibacteriana de uso ms extendido, aislada de inver-tebrados, es la lisozima. Tambin fue la primera que se aisl. Los insectos producen lisozima cuando empieza la infeccin o cuando se ven expuestos a protenas que conforman las paredes bacterianas. Pues bien, la lisozima se integra en la defensa innata de los seres humanos; en la saliva acta para defender de las bacterias la cavidad oral.

En 1979, un grupo de la Universi-dad de Estocolmo dirigido por Hans

INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997 9

G. Boman descubri pptidos que intervenan en la eliminacin bac-teriana de la polilla gigante de la seda, Hya lophora cecropia. Llamaron cecropinas a los pptidos en cuestin. Las cecropinas matan las bacterias, y lo hacen a concentraciones tan bajas que son inocuas para las clulas animales. Perforan la pared bacte-riana y revientan as las clulas. No hace mucho se aislaban cinco tipos moleculares emparentados con las ce cropinas en la parte superior del intestino del cerdo, donde ayudan a regular la flora bacteriana del tubo digestivo del suido. Hoy se estn desarrollando ya para convertirlos en agentes antibacterianos de aplicacin en humanos.

Jules A. Hoffmann y sus colegas, de la Unidad de Investigacin del CNRS en Estrasburgo, han venido estudiando en insectos otro grupo de pptidos antibacterianos, las de-fensinas. Aisladas a partir de varios rde nes de insectos, da la impresin de que las defensinas constituyen el grupo ms comn de pptidos antibacterianos inducibles. Igual que las cecropi nas, las defensinas son molculas protenicas bastante pe-queas; pero, a diferencia de lo que ocurre con aqullas, no acabamos de conocer los mecanismos a travs de los cuales las defensinas destruyen las bacterias. Las defensinas de los mamferos, aunque asimismo peque-as, no comparten gran cosa ms con las defensinas de los insectos. De todo lo cual se infiere que los pptidos antibacte rianos son pieza fundamental de la primera lnea de defensa que el animal pone en in-mediato despliegue.

Tambin los vertebrados inferiores producen inmunodefensas peculiares. En 1987, Michael Zasloff, enton-ces en el norteamericano Instituto Nacional de la Salud, observ que las ranas de uas africanas no precisaban antibiticos ni otros tratamientos para recuperarse completamente de ciruga no esterilizada, a pesar de que vivan en charcos plagados de bacterias. Buscando la causa de tan singular proteccin, aisl dos pptidos de la piel de la rana: magainina 1 y 2 (Magainina es castellanizacin del trmino hebreo para escudo). Los compuestos demostraron una amplia gama de actividades contra bacterias, hongos y protozoos. Los anticuerpos que se enlazan con la magainina tambin se fijan a clulas de los tejidos epiteliales humanos, como la piel y el revestimiento intestinal; este fenmeno sugiere que los seres hu-manos sintetizan molculas similares

para establecer la primera lnea de defensa contra los patgenos.

Legado universal

El haberse descubierto original- mente en invertebrados los anti-biticos peptdicos y otras estrategias singulares de inmunodefensa podra fomentar el estudio de curiosos sis-temas de defensa que duermen entre los proyectos pendientes de la in-vestigacin inmunolgica. Cuntos compuestos que podran salvar vidas quedan por descubrir?

Sorprende la escasa atencin con-cedida a los sistemas de inmunode-fensa de los invertebrados, cuando tales estudios pueden compensarnos de mltiples maneras. Empezamos a enterarnos de funciones defensivas que caracterizan a todos los seres vivos. Al ahondar en el conocimiento de sistemas de organismos antiguos y que fueron nuestros antepasados entendemos mejor los procesos de sus descendientes en el curso de la evolucin.

En puridad, las complejidades de la respuesta inmunitaria de los ver-tebrados slo podrn comprenderse por entero mediante el anlisis de sistemas ms elementales, los propios de los invertebrados. El alcance de esa lnea de investigacin no slo se deja sentir en el desciframiento de la evolucin, sino tambin en la resolu-cin de problemas ms inmediatos de la salud y la enfermedad humanas. En esta y otras empresas, el legado de Metchnikoff es universal.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

CELL-FREE IMMUNITY IN INSECTS.H. G. Boman y D. Hultmark en An-nual Review of Microorganismo logy, vol. 41, pgs. 103-126; 1987.

PRIMITIVE CYTOKINES: HARBINGERS OF VERTEBRATE DEFENSE. G. Beck y G. S. Habicht en Immunology To-day, vol. 12, n.o 3, pgs. 180-183; junio 1991.

INSECT DEFENSINS: INDUCIBLE ANTIBAC-TERIAL PEPTIDES. Jules A. Hoffman y C. Hetru en Immunology Today, vol. 13, n.o 10, pgs. 411-415; oc-tubre 1992.

PRIMORDIAL IMMUNITY: FOUNDATIO-NS FOR THE VERTEBRATE IMMUNE SYSTEM. Coordinado por G. Beck,E. L. Cooper, G. S. Habicht yJ. J. Marchalonis. Nmero especial de Annals of the New York Academy of Sciences, volumen 712; 31 de marzo, 1994.

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Hace unos quinientos millones de aos, el antepasado de to- dos los vertebrados mandi-bulados surgi en las calientes aguas del inmenso ocano primigenio de la Tierra. Su naturaleza est rodeada de misterio, pero algunos paleontlogos creen que este ser se pareca mucho a un grupo de peces de aparicin posterior y que se conocen como placodermos. Tenemos noticia de su existencia, al menos, por los restos fsiles que dejaron. Estas torpes cria-turas tenan la cabeza y la regin pectoral recubiertas por placas seas protectoras y parece que, en algunos casos, pudieron alcanzar los siete metros de longitud.

Dar con un ejemplar vivo de placo-dermo o de cualquiera de los predece-sores de los vertebrados representara una importante contribucin a nuestra comprensin de la evolucin. Pero tal vez revestira an mayor inters si pudiramos estudiar el funciona-miento de uno de los componentes ms complejos de nuestro organismo: el sistema inmunitario. Apareci poco

despus de que ciertos vertebrados amandibulados protagonizaran la tran-sicin crtica hacia la forma mandi-bulada. Este trnsito es un momento clave en la evolucin, pues constituye un hito en el camino que conduce a los animales ms avanzados, inclui-dos los que andando el tiempo se arrastraron hasta tierra firme y de cuya posterior evolucin surgieron los humanos. Es muy verosmil que el sistema inmunitario adaptativo, multicomponente, apareciera con los primeros vertebrados. Los sistemas inmunitarios de los invertebrados de nuestros das, muy similares a los que caracterizaban a los extintos, carecen de la notable capacidad adaptativa que distingue a la inmunidad del mundo vertebrado.

Si bien los placodermos y sus prede cesores desaparecieron tiempo ha, contamos con un ptimo sustituto: varios de sus parientes filogenticos, como son los tiburones, las quimeras o las rayas. Estos peces cuyos sistemas inmunitarios apenas si deben de haber cambiado poco desde su aparicin hace cientos de millones de aos nos permiten asomarnos a un perodo remoto y fecundo de la evolucin.

En los ltimos aos, he investigado con mis colaboradores el sistema in-munitario de algunos de estos organis-mos. Como era de esperar, la inmuni-dad de estos fsiles vivientes difiere de la de otros animales que llegaron despus: ranas, monos o humanos, por ejemplo. Mas, para nuestra sorpresa, en lo que se refiere a la capacidad de proteger al patrn frente a distintas patologas, como las infecciosas, tales sistemas inmunitarios aosos resultan no menos eficaces (si no ms) que sus homlogos modernos.

Quiz no debiera ello extraarnos. La subclase de los elasmobranquios,

en la que se incluyen tiburones y rayas, existe desde hace ms de 450 millones de aos (Homo sapiens slo cuenta con medio milln de aos) y ha sobrevivido a extinciones genera-lizadas que acabaron con un sinfn de especies. Resulta difcil concebir semejante xito evolutivo en seres que no tuvieran un sistema inmunitario de extraordinaria eficacia. Los esfuerzos que empeamos en la identificacin de las caractersticas de un sistema inmunitario que determina semejante xito evolutivo han trado un efecto colateral beneficioso: una mejor com-prensin de la inmunidad humana.

Las dos partes de la inmunidad

En el sistema inmunitario adaptati - vo se distinguen dos partes funda-mentales: la humoral y la celular. Los agentes implicados en la inmunidad humoral se conocen como linfocitos B o clulas B. Las clulas B producen molculas proteicas, o anticuerpos, que en el torrente circulatorio se unen a los antgenos (sustancias extraas al husped) de virus y bacterias poten-cialmente dainos. Guiadas por ese engarce, otras entidades somticas se servirn de diversos mecanismos para destruir virus y bacterias por distintos mecanismos. A los anticuerpos se les llama tambin inmunoglobulinas; los humanos poseen cinco clases prin-cipales.

Todos los anticuerpos de una misma clula B son de la misma clase y se unen a un antgeno especfico. Si este anticuerpo encuentra a su correspondiente antgeno y se une a l, se activa la clula B productora de este anticuerpo y se potencia la sntesis y secrecin de dicha protena. La mayora de los miles de millones de clulas B de nuestro cuerpo pro-ducen anticuerpos distintos entre s.

GARY W. LITMAN, profesor de la ctedra Hines de pediatra, ensea bioqumica y biologa molecular en la facultad de medicina de la Universidad de Florida del Sur. Dirige la divisin de gentica molecular del Hospital Peditrico de San Petersburgo. Autor de 187 publicaciones y revisiones ge-nerales, ha recibido recientemente el premio Merit de la rama de alergias y enfermedades infecciosas del Insti-tuto Nacional de la Salud. El autor desea agradecer la colaboracin de Chris Amemiya, Michele K. Anderson, Martin F. Flajnik, Carl Luer, Jonathan P. Rast y Michael J. Shamblott en la redaccin del artculo.

Origen de la inmunidadde los vertebrados

Los tiburones, con ms de 450 millones de aos de existencia,son un reflejo de un perodo lejano

en la evolucin del sistema inmunitario

Gary W. Litman

INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997 11

Durante la formacin de cada clula B tiene lugar un proceso en el que intervienen elementos heredados y aleatorios y que programa a la clula para producir en abundancia un re-ceptor nico; este receptor es la por-cin de anticuerpo que propiamente se traba con el antgeno. Merced a tan ingente diversidad de receptores de antgenos, la inmunidad humoral posee un amplsimo registro.

La inmunidad celular corre a cargo de un grupo distinto de clulas in-munitarias, los linfocitos T o clulas T. A diferencia de las clulas B, las clulas T no producen anticuerpos. Los linfocitos T reconocen los an-tgenos que se encuentran ligados a cierto tipo de molculas instaladas en la superficie de una clase diferen te de clulas. Cuentan para ello con molculas especializadas, con recepto-res. El rechazo de un injerto de piel heterlogo o la destruccin selectiva de clulas tumorales son algunos ejem-plos de los fenmenos tpicos de la actuacin de los linfocitos T.

Inmunoglobulinas y receptores de las clulas T son los medios primor-diales de los que se vale el organismo para reconocer antgenos especficos. A pesar de que la inmunidad humo-ral y la celular presentan diferencias bsicas en cuanto a sus funcio nes y objetivos, una y otra interac cio nan en la respuesta inmunitaria. Las c-lulas T, por ejemplo, intervienen en la regulacin de la funcin de las clulas B.

En algunos aspectos, la inmunidad de ryidos y tiburones es parecida

a la de los humanos. Estos peces presen tan bazo, que, como en los huma nos, es una importante fuente de clulas B. Durante el proceso de inmunizacin de un tiburn tras inyectarle un antgeno, las clulas B reaccio nan produciendo anticuerpos. Las semejan zas se extienden tambin a la inmunidad celular. Al igual que los huma nos, los tiburones y los ryidos poseen timo, rgano en el que maduran las clulas T y del que parten. En las c lulas T de los tiburones tambin se han identificado receptores.

En investigaciones que realic con Jonathan P. Rast, hoy en el Instituto de Tecnologa de California, llegamos a la demostracin de que la diversidad de estos receptores brotaba, al igual que en humanos, del mismo tipo de mecanismos genticos que originaban la diversidad de anticuerpos. Una ltima analoga la constituye la re-accin frente a los injertos de piel: un injerto procedente de otro tiburn ser rechazado por el husped.

No obstante estas semejanzas, exis-ten algunas diferencias fascinantes y significativas entre el sistema in-munitario de los peces cartilagino-sos, as el tiburn, y los humanos. Los peces cartilaginosos presentan cuatro clases de inmunoglobulinas, de las cuales slo una, la IgM, se encuentra en los humanos. An ms,

estos anticuerpos de los tiburones carecen de la exqui sita especificidad que permite, entre otras cosas, el reconocimiento de las sutiles dife-rencias que existen entre dos tipos parecidos de bacterias.

Adems, a diferencia de los anti-cuerpos humanos, estos anticuerpos carecen de la capacidad de unirse al antgeno con una afinidad cre-ciente en el curso de una respuesta inmunitaria prolongada, lo que no deja de constituir una clara ventaja a la hora de hacer frente a una in-feccin. En el rechazo de un injerto de piel tenemos una muestra de las divergencias relativas a la inmunidad celular: los tiburones no rechazan un injerto con la rapidez y energa de los humanos; antes bien, necesitan varias semanas.

Significa esto que el sistema in-munitario de tiburones y ryidos es menos adecuado para las necesidades del organismo que el de humanos y de otros mamferos? En absoluto. La naturaleza idiosincrsica de ese sistema inmunitario antiguo ilustra ptimamente los quiebros y giros que se sucedieron en el curso evolutivo de la inmunidad. Esa trayectoria si-nuosa, al menos en lo que concierne al sistema propiamente dicho, sugiere que la evolucin no ha seguido el camino lineal e inexorable con que se suele presentar.

1. SE CREE QUE LOS PLACODERMOS, de los que slo quedan restos f-siles, fueron unos de los primeros en beneficiarse de un sistema inmunitario adaptativo y polimorfo.

12 INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997

Para cada antgeno,un receptor

Nuestros estudios se han centrado en la parte humoral del sistema inmunitario del tiburn cornudo, un pez moteado que suele alcanzar el medio metro de longitud. En este animal, al igual que en todos los vertebrados, la diversidad de los recep-tores de antgenos se fundamenta en la constitucin gentica. Cada recep tor de antgeno de la inmunoglobulina est formado por interacciones entre dos cadenas de aminocidos, la pesada y la ligera. Con pocas excep ciones, la inmunoglobulina bsica presenta dos pares de tales cadenas y, por tanto, dos sitios de unin al antgeno. Con qu antgeno exactamente se trabar un receptor depender del tipo y ordenacin de los aminocidos en las cadenas que forman el receptor.

Con independencia del punto cor-poral de su sntesis, las cadenas de aminocidos se forman en las clulas y estn especificadas por genes del ncleo celular, que actan a la ma-nera de plantillas. En el caso de los receptores de antgeno, las cadenas de aminocidos estn especificadas por segmentos de genes del ncleo de las clulas B, tambin conocidos como genes de inmunoglobulinas. Existen tres tipos de tales segmentos gnicos: V (de variabilidad), D (de diversidad) y J (de unin, joining en ingls). La secuencia de ami nocidos de la cadena pesada viene determinada por los tres tipos de segmentos gnicos; la ligera, en cambio, est codificada slo por segmentos V y J. Un cuarto tipo de segmento gnico, el C (de constancia), determina la clase de anticuerpo.

En el ser humano los segmentos funcionales V, D, J y C residen en un mismo cromosoma. Igual que en la mayora de los vertebrados supe-riores, tambin en los humanos los segmentos aparecen en agregados, por dar un ejemplo, de 50 elementos funcionales V, 30 D, seis J y ocho C en una misma localizacin, lo que viene a significar la ocupacin de un milln aproximado de peldaos de la escalera del ADN molecular. (Es-tos peldaos son los pares de bases.) Cuando el mecanismo de lectura de genes de una clula B acomete la sntesis de un anticuerpo, intervie-nen diversos metabolitos celulares que empiezan por recombinar los segmentos V, D y J adyacentes a un segmento C, en un proceso dividido en distintas etapas. La informacin gentica se transmite luego a los

sistemas celulares de proteo sntesis. La recombinacin de estos segmentos gnicos determina las caractersticas del enlace del anticuerpo con el antgeno. En los humanos, la con-juncin de distintos elementos V, D y J, que recibe la denominacin de diversi dad combinatoria, constituye un factor importante en la genera-cin de diversidad de los receptores de an tgeno.

En los tiburones los segmentos de genes de inmunoglobulinas tambin se organizan en agregados. Pero en esos peces el agregado de genes de cadena pesada contiene slo un segmento V, dos segmentos D, un J y un C. Existen ms de cien agregados de sos, repartidos por varios cromoso-mas del tiburn. Cuando la maquinaria encargada de la sntesis de protenas de una clula B de tiburn produce un anticuerpo slo se recombinan los cuatro segmentos gnicos (V, D1, D2 y J) procedentes de un mismo y nico agregado (el segmento C ya se ha unido al segmento J). Como sucede en los mamferos, una vez ledo el mensaje gentico se traduce en una protena que formar un receptor de antgeno.

Hemos de considerar que la recom-binacin exclusiva de los segmentos V, D1, D2 y J de un agregado de genes condiciona la capacidad del sistema inmunitario del tiburn para producir una amplia diversidad de receptores de antgeno? Podra ser as, sin duda, de no haber cientos de agregados de genes de anticuerpos, repartidos en distintos cromosomas del tiburn. Adems, ni la inmunidad de los mamferos ni la de los tibu-rones dependen exclusivamente de la diversidad combinatoria para generar muchos anticuerpos distintos. En los tiburones y otros peces cartilaginosos importan dos nuevos fenmenos a la hora de potenciar la diversidad. Se conocen como diversidad de unin y diversidad heredada.

Cul es el origende la diversidad?

Para entender la diversidad de unin hemos de retrotraernos a la conjuncin de los segmentos V, D y J que especifica la cadena del receptor de antgeno. Se habla de diversidad de unin cuando se jun-tan, por ejemplo, segmentos V y D

V

D

J

C

C

C

C

V

DJ

C

DIVERSIDADDE UNION

V

DJ

C

SITIO DEUNION ALANTIGENO

RECEPTOR ENLAZADOCON EL ANTIGENO

SEGMENTODE CROMOSOMAHUMANO

TRANSCRITO

CELULA B HUMANA

CADENALIGERA

CADENAPESADA

2. GENES CODIFICADORES de anticuerpos en el sistema inmunitario del hombre y en el del tiburn. Presentan diferencias sorprendentes en lo que se refiere a la disposicin de los segmentos gnicos que se recombinan para especificar un receptor engarzante de un antgeno. Se muestra aqu una versin simplificada del proceso que especifica la molcula de cadena pe-sada, un componente del receptor de antgeno. El receptor es una parte de la macromolcula del anticuerpo conocido como IgM; sta alberga cinco de

INVESTIGACIN Y CIENCIA, enero, 1997 13

o D y J. Antes de que tenga lugar la fusin real de los extremos por los que se unen ambos segmentos, se eliminan varios pares de bases del ADN de la regin fronteriza y se aaden nuevas bases de forma aleatoria. En virtud de esa alteracin local del material gentico, cambia la secuencia de los aminocidos y, con ella, las caractersticas del receptor de antgeno correspondiente.

Aqu reside la ventaja del segmento D adicional que aparece en el sistema productor de anticuerpos del tiburn. Con cuatro segmentos gnicos dife-rentes se obtienen tres sitios donde puede tener lugar la diversidad: entre V y D1, entre D1 y D2, y entre D2 y J. Gracias al fenmeno de la diversidad de unin, se pueden crear, a partir de cada agregado de genes, millones de variantes de una misma molcula de anticuerpo, dotada cada una de estructuras de receptor lige-ramente dispares. En los mamferos, por contra, la diversidad de unin slo puede darse en dos sitios: entre los segmentos V y D y entre D y J. Por consiguiente, la diversidad de unin promueve en los mamferos una variabilidad menor.

Tamaa capacidad para generar mu-chos anticuerpos distintos resulta, en principio, muy atractiva cuando se trata de proteger a un organismo contra un vasto espectro de invasores extraos. Pero media todo un abismo, fatal en potencia, entre la capacidad para generar diversidad de anticuer-pos y el aprovechamiento eficaz de esa misma diversidad. Sabido eso, la diversidad de unin se torna una espada de doble filo. En teora, puede generar suficientes anticuerpos espe-cficos para hacer frente a cualquier situacin. Pero, en pocas palabras, podra tardarse demasiado tiempo en producir una cantidad suficiente de anticuerpos, seleccionar los mejores, multiplicar su nmero y enfrentarlos a los invasores; en breve, el husped podra perder su lid contra el agente infeccioso.

Para evitar la derrota, el organismo dispone de ciertos mecanismos que seleccionan con rapidez la plan-tilla del gen del anticuerpo cuya accin se requiere sin demora. La expresin inmediata de esta plantilla corre a car go de una clula B del organismo, entre miles de millones. En los mamferos, y con ese mismo

objetivo, ciertos compartimentos celu-lares especia lizados y complejas comu-nicaciones intercelulares se encargan de activar el sistema inmunitario y extender su alcance.

Los tiburones cuentan sobre todo con una forma de diversidad heredada. Se trata del proceso ms genuino de su sistema inmunitario. Gracias al mismo, no tienen que depender de un suceso azaroso la combinacin fortuita de pares de bases de ADN alcanzada a travs de la diversidad de unin para sintetizar el receptor idneo en el momento preciso. En el tiburn, se hereda un alto porcentaje de agregados de genes de cada c-lula con sus segmentos V, D1, D2 y J total o parcialmente juntados de antemano.

En estos agregados, la capacidad de producir diversidad de unin es, si no nula, limitada. El anlisis de cientos de estos agregados de ge-nes total o parcialmente juntados de antemano ha demostrado que sus segmentos gnicos guardan un estrecho parecido con los segmentos de agregados habituales. Fenmeno que induce a pensar que un tipo deriv del otro en algn momento de la evolucin.

Pero, por qu? Como en tantas otras reas, nuestro conocimiento de los mecanismos genticos ha avanza do mucho ms que el desciframiento de su relacin con la funcin desem-peada. De todas maneras, parece totalmente razonable imaginar que la parte humoral del sistema inmu-nitario de los peces cartilaginosos ha evolucionado hasta combinar lo mejor de las dos posibilidades: un gran nme ro de genes que pueden recom binarse y proporcionan por tanto flexibilidad inmunitaria, y algunos genes de especificidad fija que pueden movilizarse con prontitud para generar anticuerpos contra los patgenos a los que estas especies acostumbran enfrentarse.

La combinatoria, la de unin y la heredada, no agota todas las formas de diversidad que pueden darse. En efecto, los dos tipos aludidos de agregados de genes sufren, adems, mutaciones, cambios stos que, en los vertebrados superiores, se producen con altsima frecuencia en los ge-nes codificadores de anticuerpos. Las mutaciones alteran las peculiaridades de los receptores de antgeno de los anticuerpos.

De la comparacin de la inmuni-dad humoral en humanos y en ti-burones resulta una conclusin del mayor inters: las molculas de los anticuerpos han sufrido cambios rela-

V

J

C

D2

D2

D1

D1

V

D2D1

J

C

V

J

C

GEN JUNTADODE ANTEMANO

SITIO DEUNION CONEL ANTIGENO

RECEPTORENLAZADO CON

EL ANTIGENO

SEGMENTOSDE CROMOSOMASDE TIBURON

TRANSCRITO

CELULA B DE TIBURON

CADENALIGERA

CADENAPESADA

DIVERSIDADDE UNION

tales receptores. Se trata, adems, del nico anticuerpo que tienen en comn humanos y tiburones. En aqullos, los segmentos gnicos que convergen para especificar el receptor se encuentran dispersos a lo largo de un cromosoma. En los tiburones los segmentos gnicos estn ya reunidos en una especie de empaquetamiento que se puede encontrar en varios cromosomas distintos. Por mor de simplificacin se han omitido los detalles de las distintas fases del proceso de transcripcin.

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tivamente pequeos en 450 millones de aos. La estructura protenica de los anticuerpos del tiburn y del hombre es muy parecida. Las propias secuencias V, D y J de los segmentos gnicos que especifican la formacin de los anticuerpos son similares. Lo que s alter la evolucin de manera radical fue la organizacin de estos segmentos gnicos que especifican la formacin de los anticuerpos. En los tiburones, por ejemplo, la evolu-cin prim la diversidad de unin y, sobre todo, la diversidad heredada. Pe se a su relativa sencillez, los me-canismos de diversificacin gentica del sistema inmunitario de los tiburones parecen, en muchos aspectos, ms eficientes que los de los humanos.

No puede asombrarnos que estos estudios confirmen que la evolucin adapta de forma excep-cional los sistemas a las necesi-dades inmediatas del organismo. Pero, en lo que se refiere a la inmunidad, la evolucin tiene tam-bin que hacer frente a desafos inesperados. Lo que s resulta sorprendente es que, para lograrlo, se produzcan saltos evolutivos aparentemente enigmticos y de magnitud desacostumbrada en perodos cortos, al menos en la inmunidad humoral.

Inmunidad celular

Muchos de los principios que hemos venido descri-biendo la reordenacin de segmentos gnicos espaciados y dispersos por el cromosoma y la lectura y alteracin de la informacin gentica para la creacin de receptores de ant-geno constituidos por cadenas de aminocidos sirven lo mismo para la inmunidad celular que para la humoral. Despus de todo, las clulas T, al igual que los anticuerpos secretados por las clulas B, tienen que reconocer y trabarse a una gama casi ilimitada de antgenos.

Clulas T y anticuerpos poseen receptores, cifrados por segmentos gnicos similares. Los mecanismos b-sicos de la reordenacin de segmentos gnicos que producen las molculas de inmunoglobulinas crean tambin los receptores de las clulas T. Pero el receptor de clula T se encuentra slo en la superficie celular y ni-camente reconoce los antgenos que estn unidos a una molcula espe-cializada sobre otra clula diferente. La afinidad de las clulas T por los

antgenos es baja si se compara con la de algunos anticuerpos. Tampoco experimentan las tasas de mutacin que sufren los anticuerpos.

En el pasado, muchos inmunlogos creyeron que la inmunidad celular precedi a la humoral. Ahora bien, la naturaleza crnica del rechazo de un injerto de piel en los tiburones sugera que en stos la inmunidad celular no era consistente y carece, posiblemente, de especificidad, conce-diendo que ejerciera alguna accin. En justa coherencia, varios observadores rechazaron que los tiburones posean clulas T.

Para someter a prueba esta hip-tesis, mis colegas y yo decidimos determinar si el tiburn cornudo te-na o no clulas T. La demostracin irrefutable de la existencia de clulas T requiere la identificacin de sus receptores de antgeno. No nos servan los mtodos al uso. Pero dispona-mos de la reaccin en cadena de la polimerasa (RCP), tcnica capaz de producir millones de copias de un fragmento de ADN. Usamos una versin de la tcnica de la RCP en el marco de un proceso que produjo un gran nmero de genes codifica-dores de receptores de clulas T,

lo que facilitara su caracterizacin. Por fin logramos hallar en las rayas las cuatro clases de receptores de antgeno propias de las clulas T de los mamferos; tambin encontramos pruebas que abonan su presencia en el tiburn.

La caracterizacin pormenorizada de una de las clases de receptores de clulas T de los tiburones nos revel que entraaba una compleja diversi-dad, pareja a la de su contrapartida humana. Nos sorprendi la coinciden-cia. Revelaba que, a diferencia de la organizacin de los genes que cifran anticuerpos, los genes que determi-

nan receptores de clulas T no han sufrido cambios importantes desde hace 450 millones de aos, cuando los tiburones se separaron de la lnea evolutiva que haba de llevar a los mamferos. El sistema de genes codificadores de anticuerpos y el de los genes de receptores de antgeno podran haber derivado de un antepasado comn que se asemejara mucho ms al ltimo. Aunque podra tambin aducirse lo contrario: habra existido un antepasado del estilo gen de anticuerpo a partir del cual surgieron ambas categoras de sistemas gnicos.

Conforme avanza la caracteri-zacin del genoma de los tiburo-nes y sus parientes cercanos, van apareciendo agregados de genes. As, el grupo que lidera Martin F. Flajnik, de la Uni versidad de Miami, ha observado la presencia de agregados de genes que recuer-dan a los genes de anticuerpos y a los genes de receptores de antgeno. No menos llamativo: los genes de estos agregados experimentan una tasa altsima de mutaciones.

Otros trabajos en curso insinan la posibilidad de que, a lo largo del curso evolutivo, genes del sistema inmunitario procedentes de distintos agregados se hayan

mezclado y solapado entre s. Con cientos de agregados y un recambio gentico ilimitado, el intercambio en-tre agregados pudo convertirse en un procedimiento muy rentable de generar nuevos agregados de genes. Cabe es-perar que la prosecucin de las inves-tigaciones se vea recompensada con el descubrimiento de otros receptores del sistema inmunitario del tiburn.

Por lo que concierne al intercam-bio entre agregados en el tiburn, podemos considerar ahora bajo una nueva luz la peculiar redundancia observada en los agregados de ge-nes codificadores de receptores del

TIMO

BAZO

3. TIBURONES Y HUMANOS comparten una serie de propiedades inmunitarias. Ambos tienen timo y bazo.

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sistema inmunitario: la agrupacin de segmentos V, D1, D2 y J, esen-cialmente idnticos y repetidos una y otra vez en diversos cromosomas. En pocas palabras, esta recombinacin, junto con otros rasgos exclusivos de la gentica del tiburn, aporta los medios para la rpida evolucin de nuevas familias de molculas de receptor. En los mamferos, los segmentos de genes estn confinados en un solo cromosoma y no se aprecia redun-dancia estructural. De ello se infiere que las posibilidades de ese tipo de recombinacin son remotas.

Todava ms. Segn parece, laduplicacin de segmentos de genes la existencia de mltiples V, D o J, un logro del sistema inmunitario de los mamferos se ha conseguido a costa de introducir y mantener un nmero significativo de elementos genticos carentes de funcin. En los tiburones y las ryidos, por otra parte, son infrecuentes los elementos no funcionales y, probablemente, no tardan en eliminarse del genoma.

Como supervivientes de una lnea evolutiva muy antigua, quiz sean tiburones y ryidos el nico eslabn que nos una con los orgenes lejanos de la inmunidad de clulas T y B. Estos peces son un reflejo de un momento singular en el curso de la evolucin. A travs de la ventana que representan puede que algn da vea mos los elementos que dirigieron la evolucin de un sistema que es, en muchos sentidos, tan protector, o ms, que las placas acorazadas de los placodermos que se fueron.

Si leyramos como debiramos lo escrito en el registro evolutivo, no

dejaramos de plantear varias cuestio-nes. Cul fue la despiadada naturaleza del desafo lanzado por los patgenos que oblig a cambios radicales en la organizacin de los genes codificado-res de anticuerpos? Acaso sugiere esa enseanza ofrecida por los ver-tebrados prehist ricos e indican las profundas diferencias observadas en los mamferos contemporneos que el sistema inmunitario est preparado para sufrir cambios rpidos? Si sa fuera la doctrina a extraer, tendramos que replantearnos las ideas aceptadas sobre seleccin y adaptacin evolutivas.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

EVOLUTION OF THE IMMUNE SYSTEM. Louis DuPasquier en Fundamental Immunology. Tercera edicin. Di-rigido por William E. Paul. Raven Press, 1993.

RECONOCIMIENTO INMUNITARIO DE CUERPOS EXTRAOS. Charles A. Janeway, Jr., en Investigacin yCiencia, pginas 26-33, noviembre, 1993.

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4. LOS TIBURONES CORNUDOS se numeran entre los organismos ms antiguos en los que se ha conseguido identificar de manera inequvoca la presencia de clulas T, los agentes de la inmunidad celular.

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El acero de Damasco, que ate- moriz y fascin a los euro- peos desde la Edad Media, mantuvo oculto su secreto hasta nues-tro siglo. Su dureza y poder cortante los deba a su alto contenido en carbono y a los tratamientos de forja en caliente y de temple. Las espadas fabricadas con este acero resultaron insuperables.

Los europeos conocieron la eficacia de esas armas en las Cruzadas, de cuya primera expedicin se cumplen ahora nueve siglos. Los cruzados con-quistaron Jerusaln el 15 de julio de 1099. Comenz entonces una etapa que durara aproximadamente dos si-glos y que termin con la prdida de San Juan de Acre en 1291. De esta poca deriv la fama y el nombre del acero de Damasco. En vano los herreros europeos se esforzaron en reproducir sus excelentes propiedades mecnicas y su bello aspecto mate cruzado por multitud de finas lneas serpenteantes.

Pero esas armas ya haban sido ad-miradas antes. Carlomagno hered la espada Joyosa de su padre Pipino el Breve, quien a su vez, con toda pro-babilidad, la recibi de Carlos Mar tel, que se la arrebat a Abderramn al-Gafeki en la batalla de Poitiers (732). Merecen las alabanzas del poe ta en el

Cantar de Roldn: ...Magnficas, cla-ras y blancas, centelleantes, notables por su filo, y tienen la mejor de las hojas, templadas en la sangre de los combates o en la de los enemigos... Dice tambin: ...Joyosa, de la cual no hubo par. Esta espada muda de reflejos treinta veces al da... Por otra parte, en el poema de Beowulf se habla del ...hierro donde jugaban unas vetas venenosas..., refirindose, con toda probabilidad, al hermoso aspecto del acero de Damasco.

El Cid, antes de ser Campeador, utiliz una espada sarracena que perte-neci a Mudarra Gonzlez para vengar a su padre. Ya Campeador, tuvo dos espadas famosas: Colada, la templa da por la sangre de los enemi gos y arrebatada al conde de Bar celo na, y Tizona, la ardiente o la rabio sa, tomada al emir Bcar de Marrue cos. La espada Tizona puede contemplarse en el Museo del Ejrcito de Madrid; su condicin actual presenta restau-raciones en la hoja de acero y una empuadura sustitucin de la original sarracena, realizada durante el reinado de los Reyes Catlicos.

El descubrimiento del secreto del acero de Damasco supuso un reto de siglos para la ciencia occidental. Hasta la segunda mitad del siglo XIX, con la aparicin de los procesos Bessemer y Siemens-Martin de afino del acero, no decay el inters por un material que se consider nico por sus propiedades mecnicas y su belleza. La imposibilidad tcnica y el desarrollo de nuevos aceros releg la investigacin del secreto.

Pero se haban dado ya pasos fir-mes hacia su desentraamiento. Re n-Antoine Ferchault Raumur (1683-1757) propuso que lo que endureca al acero era algo que contena en exceso el arrabio, como las sales y el azufre. Tobern Olof Bergman

(1735-1784), ms acertado, intuy que era la interaccin del carbono en el hierro la causante de las propiedades del acero; hecho asegurado por Joseph Priestley en 1786. Michael Faraday, en 1819, y Jean Robert Breant, dos aos despus, propusieron que la notable resistencia, tenacidad y fuerza del acero de Damasco dependan de su alto contenido en carbono.

En nuestro laboratorio de tecno- loga mecnica de la Universidad Complutense, abordamos el problema apoyados en tcnicas de anlisis. Una parte de nuestra investigacin persi-gue reproducir el acero de Damasco, tanto en lo que se refiere a la ob-tencin del material base, como a la recuperacin de las antiguas tcnicas de forja y temple. Entendindose la forja como una operacin necesaria para la conformacin plstica por deformacin en caliente, a base de golpes, que provoca la trituracin de las estructuras cristalinas indeseables de la solidificacin y dando la forma a la pieza. Con el temple, consistente en un enfriamiento rpido desde alta temperatura, se obtienen estructuras muy firmes y duras que aumentan la resistencia del producto forjado.

Para las operaciones de forja con-tamos con la colaboracin de Juan Pozn, maestro herrero de Cerro Mu riano (Crdoba), quien se ocupa de reproducir diversos ejemplares de armas con este acero al estilo tradi-cional, siguiendo las recetas mgicas y legendarias y bajo la direccin de los autores de esta investigacin. El acero base se obtiene en nuestro laboratorio modificando aceros comerciales.

La fabricacin de las antiguas espa-das de Damasco presenta dos etapas diferenciadas: la obtencin del acero de alto contenido en carbono (1,4-2 %

ANTONIO J. CRIADO, JUAN A. MARTNEZ, RAFAEL CALABRS y DANIEL ARIAS conforman el Grupo de Investigacin de Tecnologa Mec-nica de la Universidad Complutense de Madrid. Criado y Martnez son profesores del departamento de cien-cia de los materiales e ingeniera metalrgica de la facultad de ciencias qumicas. Calabrs y Arias realizan su tesis doctoral.

El secreto del acerode Damasco

El acero de Damasco ha mantenido oculto su secreto hasta el siglo XX. Sus magnficas propiedades se derivan de su alto contenido en carbono, de la baja temperatura de forja en caliente y de la operacin de temple

Antonio J. Criado, Juan A. Martnez, Rafael Calabrs y Daniel Arias

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C en peso) y los tratamientos termo-mecnicos para su conformacin.

La materia prima de este acero la forman los wootz, cuya fabricacin se conoca en el Oriente preislmico. Su comercio se extendi por el mundo musulmn, en forma de piezas mol-deadas con la morfologa del crisol en que se fabricaban, o de pastillas, de apenas diez o quince centmetros de dimetro. Muy posiblemente este acero se corresponda con el metal que Jabir ibn Hayyan, alquimista del siglo IX, denominaba khar sini o barba de chino, dado su aspecto, y que l inclua en su lista de cuerpos metlicos: plomo, estao, oro, plata, cobre, hierro y kahr sini.

El proceso de obtencin de los wootz pasa por reducir las menas de hierro, que son xidos de hasta un setenta por ciento de contenido en el metal para el caso de la magnetita y el oligisto. La reduccin de estos minerales se llevaba a cabo en hornos de mampostera, mezclando el mineral

triturado con carbn vegetal en capas alternas. La combustin del conjunto permita liberar el hierro del oxgeno a partir del monxido de carbono, formado a la elevada temperatura conseguida en el interior del recinto cerrado. La temperatura alcan zada, y el ambiente ms o menos reductor, determinan el tipo de hierro obtenido. Un horno de poca altura y ambiente poco reductor, muy airea do, produce una pella de hierro espon josa, que no llega a fundir durante el proceso, retiene multitud de impu rezas y posee un contenido en carbo no muy bajo. Esta pella, que se extrae de la parte inmediatamente inferior a la zona de soplado de las toberas, se golpea en caliente para triturar y expulsar las impurezas. Se provoca la soldadura por forja de la masa esponjosa. As se obtiene un lingote de hierro de gran pureza, aunque con algunas in-clusiones de escorias.

Si se trabaja con hornos de ms al-tura y ambiente muy reductor exceso

de carbono se consigue un hierro fundido con un contenido muy alto en carbono, es decir, entre el dos y el seis por ciento en peso. Con estos contenidos en carbono, las tempera-turas alcanzadas por combustin del carbn vegetal de algo ms de 1300 oC bastan para producir la fusin del metal, ya que se forma un eutctico de bajo punto de fu-sin llamado ledeburita (1147 oC). (Denom nase eutctico la mezcla de dos slidos cuya fusin se realiza a temperatura constante.)

Para obtener los wootz, haba que carburar el hierro forjado o de-carburar la fundicin hasta el conte-nido adecuado, situado entre el 1,4 y el 2 % en peso de carbono. En el primer caso, se mezclaban pequeas piezas de hierro con carbn vege-tal, procedente de maderas de muy bajo contenido en azufre, en un crisol de arcilla refractaria sellado

1. ESPADAS fabricadas con acero de Damasco, pertenecien tes al Museo del Ejrcito de Madrid. A la izquierda, Tizona, la preferida del Cid Campeador y que fue arrebatada al

emir Bcar de Marruecos. A la derecha, un bello sable de acero de Damasco de mediados del siglo XV, recientemente estudiado y restaurado por los autores.

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hermticamente; luego se calentaba a unos 1200-1400 grados Celsius. Un caracterstico chapoteo anunciaba que parte del contenido se haba licuado, indicio de un aumento del contenido de carbono en el hierro, lo que provocaba la aparicin de una proporcin de aleacin lquida de composicin eutctica (ledeburita). El enfriamiento lento homogeneizaba la aleacin por difusin del carbono a travs del hierro, obtenindose un acero de contenido muy prximo al 2 %, con un tamao muy grande de los cristales de hierro: los granos de austenita.

En el segundo caso, partiendo de fundicin, la decarburacin se llevaba a cabo oxidando superficial-mente la aleacin en estado fundido en un crisol de arcilla refractaria. El proceso poda acelerarse mediante el rascado de la superficie para retirar la cascarilla de xido y as facilitar el acceso del oxgeno del aire al metal fresco. Adems de la oxidacin superficial del metal se produca la eliminacin de carbono por forma-cin del dixido de ste, que sigue accediendo a la superficie mientras el proceso oxidativo a alta temperatura est en marcha. La disminucin de la presencia de este elemento en la fundicin provoca la solidificacin paulatina, continundose la operacin en estado slido. De esta manera se rebaja el contenido en carbono hasta la proporcin adecuada. Un enfriamiento muy lento permite homogeneizar el carbono y hace crecer los granos de austenita.

El descubrimiento y estudio de la fundicin de Tieshenggou, en Goug-xian (China), ilustran sobre las dife-rentes tcnicas utilizadas. Este centro de produccin, del cual ya se han excavado 2000 m2, mantuvo su acti-vidad desde mediados de la dinasta de los Han hasta la poca de Wang Mang. Ms de dos milenios despus, Pier Martin y Friedrich Siemens de-sarrollaron, en 1868, su proceso para la obtencin de grandes cantidades de acero por fusin de mezcla de fundi-cin y de hierro dulce, algo que ya se haca en la instalacin china del primer milenio a.C., lo que demuestra el dominio de la tcnica del acero en Oriente.

Por tanto, un tercer proceso para llegar a la obtencin del acero de Damasco consistira en mezclar, en proporcin adecuada, hierro dulce y fundicin. Un reciente hallazgo arqueo-lgico realizado en Sri Lanka por Gill Juleff demuestra la utilizacin de hornos en los que la aireacin estaba controlada: obtenan hierro fundido del que posteriormente, por carburacin, decarburacin o mezcla, se llegaba hasta aceros de alto contenido en carbono y gran calidad.

Obtenido el acero base, se procede a fabricar la espada. Para darle forma se recurre a tratamientos termomec-nicos. Se esconde aqu el secreto del acero de Damasco: la temperatura de forja en caliente, que debe ser suficiente, para permitir el trabajo plstico de conformacin, pero no excesivamente alta, para evitar la formacin de fases cuya presencia sea perjudicial para las propiedades mecnicas deseadas.

La caracterstica principal del ma-terial base del acero de Damasco constituye, al propio tiempo, su taln de Aquiles: el elevado contenido en carbono, que oscila entre el 1,4 y el 2 % en peso. Tamaa concentracin provoca que, en su estructura crista-lina interna, los lmites de grano de la austenita el cemento que une los cristales aparezcan rellenos de cementita proeutectoide (Fe3C), un car-buro de hierro muy duro y fragilsimo. (Esta cementita proeutectoide o pri-maria aparece durante el enfriamiento de la estructura cristalina granular de austenita en sus lmites de grano, en la llamada reaccin eutectoide, antes de que aparezca la morfologa perltica laminar en el interior de los granos de esta fase.) Si la temperatura de forja se mantiene entre los lmites inferior del rojo sangre (650 oC) y superior del rojo cereza (850 oC), los golpes de maza del herrero trituran esos cristales frgiles de cementita, repartindose los fragmentos por toda la matriz del acero y formando hileras en la direccin de alargamiento de la espada, lo que conlleva la aparicin de un enfibrado beneficioso.

La extrema fragilidad de estos aceros, de elevado contenido en car-bono, desaparece con la eliminacin del cemento continuo y frgil que envuelve, como una argamasa, los cristales del acero. Adems de la trituracin del carburo de hierro, y de su reparto homogneo en fibras por la matriz, la temperatura de trabajo consigue una esferoidizacin efectiva de estas partculas, hecho que potencia todava ms su influencia benfica en el producto resultante.

2. DOS EJEMPLARES DE PUALES fabricados con acero de Damasco por el maestro Juan Pozn (derecha) en su herrera de Cerro Muriano (Crdoba), examinados y en-

sayados en el laboratorio de tecnologa mecnica de la facultad de ciencias qumicas de la Universidad Complutense de Madrid.

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CARBON

CRISOL SELLADO

HORNO

FUELLE

HORNO DE CALENTAMIENTO(1300oC). CARBURACION

CARBON

CRISOL ABIERTO

HORNO

FUELLE

HORNO DE CALENTAMIENTO(1300oC). FUSION DE LA MEZCLA

CARBON

CRISOL ABIERTO

HORNO

FUELLE

HORNO DE CALENTAMIENTO(1300oC). DECARBURACION

ACERO DE DAMASCO

ENFRIAMIENTO LENTOCON CRISOL CERRADO

CRISOL MEZCLADORABIERTO

CRISOLDE ARCILLA

CRISOL CERRADOHERMETICAMENTE

CRISOLDE ARCILLA

TAPADERADE ARCILLA

CRISOL ABIERTO PARAAGITACION O RASCADO

CRISOLDE ARCILLA

FORJA EN CALIENTE DEPELLA METALICA (650-850oC)

COLADA

LINGOTE DE HIERRO LINGOTE DE FUNDICION

RASCADOR

CARBONVEGETAL

LINGOTEDE FUNDICION

LINGOTEDE FUNDICION

LINGOTEDE HIERRO

LINGOTEDE HIERRO

PELLAMETALICA

YUNQUE

MARTILLO

CRISOLDE ARCILLA

METALFUNDIDO

HORNO DE FUNDICION

Condiciones poco reductoras(pella de hierro)

Condiciones muy reductoras(fundicin lquida de hierro)

CARBONVEGETAL

MINERALDE HIERRO

PELLAMETALICA

FUELLEFUELLE

3. ETAPAS para la obtencin de la materia prima del acero de Damasco. Dependiendo de las condiciones reductoras del horno haba tres posibles vas. En condiciones poco reducto-ras se obtena una pella de hierro que se martilleaba para limpiarla y sacar el lingote; ste se introduca, conjuntamente con carbn vegetal, en un crisol que se sellaba luego. Despus de un proceso de calentamiento a 1300 oC se produca la carburacin del metal; un enfriamiento lento daba lugar al acero de Damasco. En condiciones muy reductoras se obtena el metal fundido con mucho carbono disuelto (fundicin de hierro) que poda llegar a superar el 4,3 % en peso de car-

bono; el lingote, procedente de la colada del metal fundido, se introduca en un crisol, que, calentndose a 1300 oC, con agitacin o rascado constante, y tras un enfriamiento lento, daba lugar al acero de Damasco. Una tercera va consista en calentar hierro y fundicin, a temperaturas de 1300 oC, para, tras un enfriamiento lento, obtener el acero. El en-friamiento final, en todas las vas, se haca muy lentamente para homogeneizar el acero y provocar un crecimiento de grano austentico (cristales). El crisol deba mantenerse ce-rrado durante la etapa de enfriamiento para evitar cualquier oxidacin ulterior.

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Eliminado ya el aspecto negativo de su presencia, es decir, el constituir un relleno continuo a lo largo de los lmites de grano de la austenita, la dureza de las partculas de carburo de hierro se convierte en un elemento sumatorio y beneficioso de las propie-dades finales del acero, aportndole al filo del arma unas caractersticas excepcionales de dureza al corte y resistencia al desgaste.

La matriz del acero consta, sobre todo, de granos de austenita. Posee un contenido en carbono marcado por la composicin eutectoide, punto singular del diagrama de equilibrio del sistema Fe-C, que se corresponde con un porcentaje de carbono del 0,8 % en peso. La microestructura cristalina resultante de esta composicin influye tambin en las propiedades mecnicas finales del acero. Su enfriamiento normal al aire insta la aparicin de una estructura perltica, compuesta

de lminas paralelas y alternas de dos materiales: cementita (carburo de hierro) y ferrita (hierro con una red cristalina cbica centrada en el cuerpo). Esta estructura se caracteriza por su notable tenacidad y resistencia mecnica.

El trabajo en caliente, por encima de 720 oC, permite la transfor-macin de la fase perlita (ferrita y cementita) en austenita (fase cristalina con red cbica centrada en las caras), que se distingue por su plasticidad. Esta es la razn principal por la cual los aceros se trabajan en caliente y por encima de la temperatura men-cionada.

El lmite superior de trabajo en caliente viene impuesto por trans-formaciones indeseables, una de las cuales consiste en la regeneracin de la pelcula de cementita frgil que

envolva a los granos de austenita antes de la operacin de forja.

La tarea del herrero, a esas tem-peraturas, se hace muy penosa. Debe trabajar a oscuras para mejor observar el color rojo del acero en caliente. Tiene que golpear y calentar en una secuencia rpida y continua, esto es, realizar pocos golpes y volver a calen-tar enseguida, para mante ner siempre en el intervalo de tempe ratura ade-cuado. Tambin es necesario realizar un cepillado constante de la superficie al rojo con el fin de eliminar la cascarilla que se forma y as poder observar bien el color.

En estos aceros la decarburac