Observan los efectos de la temperatura en los procesos evolutivos oscilatorios

Un grupo de científicos constata de qué manera influye el aumento de la temperatura sobre el acoplamiento entre escalas diferentes en una reacción electroquímica

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – En la mayoría de los sistemas naturales, y ése es el caso del cerebro, es posible observar fenómenos oscilatorios que comprenden múltiples escalas de tiempo acopladas, tales como las ondas cerebrales, que ocurren a distintos ritmos y frecuencias.

En general, esos ritmos biológicos exhiben un cambio lento y espontáneo de los patrones oscilatorios.

Un grupo de investigadores del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo en la ciudad de São Carlos (IQSC-USP), en Brasil, ya había descrito en 2010 la existencia de un lento proceso evolutivo que distorsiona las oscilaciones rápidas y culmina en la muerte de las oscilaciones de un sistema. Y ahora el mismo grupo ha detectado el efecto que ejerce la temperatura sobre ese fenómeno de acoplamiento entre escalas de tiempo distintas.

Este estudio, producto de un Proyecto Temático realizado en el marco del Programa de Investigaciones en Bioenergía (BIOEN), y de una investigación doctoral realizada con Beca de la FAPESP, salió publicado en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

“Nuestros descubrimientos permiten expandir la comprensión sobre diversos procesos que ocurren a una escala de tiempo acoplada”, declaró Hamilton Varela, docente del IQSC-USP y uno de los autores del estudio, a Agência FAPESP.

Los investigadores emplearon la reacción de electrooxidación de ácido fórmico en platino como modelo para estudiar el efecto de la temperatura sobre las dinámicas lenta y rápida acopladas.

El sistema, compuesto por un frasco de vidrio con un electrodo de platino de 0,2 centímetro cuadrado (cm²), sumergido en una solución de ácido sulfúrico diluido en agua y un poco de ácido fórmico, funciona como una célula electroquímica, en la cual la electricidad controla reacciones químicas.

La electricidad que se le aplica al electrodo desencadena una reacción electroquímica en la cual el ácido fórmico –cuyas moléculas contienen un solo átomo de carbono, dos de oxígeno y dos de hidrógeno (HCOOH)–, se enlaza temporariamente al platino y, al cabo de algunos pasos intermedios, libera dióxido de carbono (CO₂), que reviste al electrodo de platino.

Se considera que esa reacción electroquímica constituye un excelente modelo para estudiar aspectos fundamentales de la electrocatálisis de pequeñas moléculas orgánicas de interés para el desarrollo de sistemas de conversión de energía, tales como las células de combustibles de baja temperatura, que convierten energía química en energía eléctrica y se utilizan en la propulsión de vehículos, por ejemplo.

Asimismo, también es un buen modelo para el estudio de las dinámicas lenta y rápida acopladas, pues oscila de manera autónoma con el paso del tiempo como un sistema vivo, explicó Alana Zülke, una de las autoras del artículo, quien realizó su doctorado con Beca de la FAPESP bajo la dirección de Varela.

"Lo que resulta interesante es que logramos observar en laboratorio, en un ambiente no biológico, un aspecto común en organismos vivos con termorregulación [con regulación de la temperatura]. Y haciendo uso de sistemas electroquímicos sencillos obtuvimos pistas también interesantes sobre el funcionamiento de sistemas complejos y de los mecanismos inherentes a la compensación de la temperatura", afirmó Zülke.

El efecto de la temperatura

El grupo de investigadores del IQSC-USP ya había descubierto en 2009 que esa reacción electroquímica exhibe un comportamiento de compensación de temperatura externa que también se observa en sistemas vivos.

A diferencia de lo que sucede comúnmente en otras reacciones, cuando al aumentar la temperatura 10 °C, la velocidad de la reacción se multiplica por un factor entre 2 y 4, eso no sucede en la electrooxidación de ácido fórmico en platino.

Las etapas intermedias de la reacción del ácido fórmico con el platino se acoplan de modo tal que la frecuencia de las oscilaciones permanece constante cuando la temperatura aumenta, dijo Varela.

“Este comportamiento es similar al que se observa en sistemas vivos, en animales de sangre caliente, por ejemplo, tales como mamíferos y aves, en los cuales los latidos cardíacos y los ritmos cerebrales se mantienen más o menos constantes cuando la temperatura ambiente varía dentro de un determinado rango, pues las redes bioquímicas asociadas a estos procesos pasan a operar de manera tal de compensar esa variación de temperatura”, explicó. “Eso fue importantísimo para la evolución”, añadió el investigador.

Con todo, no se sabía cuál era la razón por la cual la reacción de electrooxidación de ácido fórmico en platino tiene esa particularidad de compensación de la temperatura.

Al variar la temperatura aplicada a la célula electroquímica en cinco niveles –entre 5 °C y 45 °C– y medir la frecuencia de las oscilaciones en cada uno de esos niveles de temperatura y compararlos, los científicos observaron que al aumentar la temperatura de 5 °C a 25 °C, la frecuencia de las oscilaciones disminuye.

En tanto, al aumentar la temperatura de 25 °C a 45 °C, la frecuencia de las oscilaciones se prolonga. “Observamos por absoluta casualidad que, a 25 °C, existe un quiebre en la frecuencia de oscilaciones”, afirmó Varela.

Mediante ese quiebre en la frecuencia de oscilaciones –al que los investigadores designaron como punto de viraje–, lograron analizar etapas de la reacción relacionadas con evoluciones rápidas y lentas e identificar una de que puede estar relacionada con el comportamiento de compensación de la temperatura.

“Conseguimos interpretar la dinámica del proceso lento en comparación con el más rápido y aislar una etapa que puede estar implicada en la compensación de la temperatura, que es algo sumamente difícil en una red de reacciones”, dijo Varela.

“Logramos por primera vez sugerir una forma de estudiar el acoplamiento entre escalas distintas, que puede aplicarse a otros sistemas, para descubrir la dependencia de temperaturas en redes químicas complejas”, afirmó.

Puede leerse el artículo intitulado “The effect of temperature on the coupled slow and fast dynamics of an electrochemical oscillator” (doi: 10.1038/srep24553), de Zülke y Varela, en la revista Scientific Reports, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/srep24553.