Ver para entender

En el estudio de la Biología se pasan muchas horas elucubrando soluciones para los problemas que están más allá de nuestra visión. Cuántas preguntas podrían ser fácilmente resueltas si tan sólo pudiéramos observar directamente aquello que es demasiado pequeño para nuestros ojos. En este artículo explicaremos como se ha intentado romper los límites visuales para estudiar los componentes "invisibles" de los seres vivos.

Para dimensionar el problema, tomemos como ejemplo a la famosa “molécula de la vida” o ADN (ácido desoxirribonucléico). Sabemos que  cada  molécula de ADN se forma a partir de dos cadenas de compuestos químicos, llamados nucleótidos, que se cruzan entre sí, formando una doble hélice (figura 1). El tamaño de esta estructura es del orden de los nanómetros (0.000000001 metros), es decir, algo miles de millones de veces más pequeño que un metro y un millón de veces más pequeño que una bacteria. Si bien el grosor de esta estructura es pequeño, su extensión puede llegar a los 3 kilómetros, y si se compacta lo suficiente, podemos verlo en la forma de cromosomas que pueden llegar a ser 1000 veces más grandes que el radio del ADN. Pero, en una escala tan pequeña, las características de las cosas que observamos cotidianamente se hacen difíciles de distinguir. Podemos preguntarnos ¿De qué color es el ADN?; ¿Qué forma tiene su estructura? o ¿Cómo se ven los cromosomas?; pero veremos que para responder esas preguntas se requiere superar una serie de limitaciones físicas.

Aunque existe una idea bastante idealizada del ADN, lo cierto es que nadie jamás lo ha visto, ni siquiera Jeff Goldblum (figura 2). En 1953, Watson y Crick dispusieron de un largo historial de pistas químicas que les permitieron deducir la estructura del ADN. Una de las pistas más decidoras fue el patrón de difracción de rayos X desarrollado por Rosalind Franklin  (figura 1), donde se encuentran elementos de simetría compatibles con la hélice propuesta. Sin duda que de haber sido capaces de observar directamente la hélice todo el trabajo químico se hubiera simplificado muchísimo. Es interesante recordar que, poco tiempo antes de este modelo, el doble premio nobel Linus Pauling erró en su predicción sobre la estructura. Él propuso un modelo en donde el ADN sería una triple y no doble hélice. Aclaremos que Pauling no tuvo la oportunidad de mirar esta imagen de la difracción de rayos X que para Watson y Crick resultó muy esclarecedora.  Este ejemplo,  pone  de  manifiesto  la  importancia  que  tiene  el  desarrollo  de tecnologías que nos permitan visualizar los detalles más finos de la naturaleza.

Figura 1. A la izquierda, una reproducción idealizada de la doble hélice. A la derecha, parte de la cruda y fría evidencia experimental de su estructura.

Figura 2. Jeff Goldblum en Jurassic Park. Segundos antes de decir : “la vida se abre camino”.

¿Cuál es el límite de lo visible?

El ojo humano tiene un límite de visión cercano a 10 -4 metros, es decir, una décima de milímetro, un tamaño parecido al grosor de un cabello humano.   Esto   implica que si existieran dos puntos brillantes a una distancia menor a dicho límite, simplemente los veríamos como un solo punto. Este es el tamaño más pequeño que podemos resolver, nuestro límite cotidiano de resolución a simple vista. Si no fuera por la ayuda de un microscopio, estaríamos  lejos, muy lejos de poder ver los millones de microorganismos que habitan nuestro cuerpo (o los componentes más pequeños de las células). Microscopio es una palabra griega que hace referencia a “ver lo pequeño”. 

Nuestros ojos están acondicionados para ver distancias que van desde 20 centímetros hasta el infinito. Esto podemos hacerlo mediante un sistema de lentes ajustable por musculatura. El problema aparece cuando queremos analizar elementos demasiado pequeños. Esto sucede porque el ángulo con que se proyecta la luz en nuestra retina será también muy pequeño, y por lo tanto, nuestro cerebro recibirá menos información visual, figura 3 A. Vemos que a cierta distancia aparece con claridad la forma de la torre Entel (líneas negras), pero si quisiéramos ver qué tipo de ladrillo tiene su base (líneas rojas), necesariamente disminuimos el ángulo con que la luz incide y perdemos capacidad de discriminar. Imaginen cuanto más pequeño sería el ángulo si quisiéramos ver una mosca posada en ese ladrillo, o más pequeño aún, alguna bacteria posada en sus alas. Este es el tipo de problemas que resuelve el sistema de lentes que usa un microscopio, pues permite magnificar el ángulo llegada de la luz a la retina, figura 3B. Este sistema basado en la detección de luz visible es la forma más antigua de microscopia y ha permitido avances espectaculares. Basta decir que toda la teoría  celular  que  sustenta  la  biología  fue  gracias  a  la  posibilidad  de  visualizar directamente células y microorganismos. La amplificación de estos aparatos puede llegar al orden de las 1000 veces, pero ¿podemos ir más allá de ese aumento?.

Figura 3. A. Representación del ojo humano visualizando la torre entel. Mientras más pequeños son  los  detalles  que  observamos  (línea  roja) menos es la información que podemos discriminar en la retina (menor ángulo). B. comparación del ángulo  de  incidencia en  la  retina  de  un  mismo objeto (flecha roja) con y sin microscopio (derecha)

Desde hace varios años es posible construir microscopios con lentes perfectos, donde ninguna aberración óptica logra disminuir la calidad de la imagen. Por otro lado, los sistemas digitales de detección se han depurado mucho, de manera que no existiría impedimento tecnológico para seguir viendo cosas progresivamente más pequeñas. Sin embargo, existe un límite intrínseco en la naturaleza ondulatoria de la luz que nos impide ir más allá.

La luz visible es una onda electromagnética cuya longitud oscila entre 400 y 700 nanómetros. Como les sucede a todas las ondas, la luz se desvía cada vez que encuentra un obstáculo físico en su camino, formando un patrón de interferencia característico. Este fenómeno es similar a lo que sucede cuando una onda pasa a través de una rendija e interfiere consigo misma tras chocar con los bordes (figura 4) o a las ondas que se encuentran en un lago  cuando dejamos caer dos objetos simultáneamente sobre él. De manera análoga, cuando la luz pasa a través de los lentes de un microscopio se forma un patrón de difracción con forma de anillo tridimensional o “Airy disk”. Esto produce que lo que vemos no sea una fuente puntual nítida de luz sino que una imagen más borrosa. Considerando esto último, Lord Raleigh estableció un criterio para distinguir entre dos ondas que sufren difracción. Este criterio se esquematiza en la figura 5 y establece que para poder discriminar entre dos puntos que emiten  luz, necesitamos una distancia mínima donde los máximos de intensidad de estas funciones de difracción no se solapen. En 1873 Ernst Abbe describió este mismo  comportamiento para telescopios y microscopios mediante una ecuación idéntica a la de Raleigh.

Figura 4. Patrón de difracción   de   una   onda que atraviesa una rendija. Las ondas interactúan consigo mismas tras chocar en los bordes de la hendidura, generando un patrón carácterístico. Esto mismo le sucede a la luz cuando  atraviesa  el  cristal de un lente.

Figura 5. Representación esquemática del límite de Raleigh. Gráfico de intensidad en función de la distancia para dos objetos puntuales. El límite de resolución lo constituye la distancia  mínima  d0   donde los  máximos  de  intensidad de dos focos luminosos no se solapan.

 Según la ecuación de Abbe, en un buen microscopio el límite de resolución está dado aproximadamente por la mitad de la longitud de onda incidente. Es decir, que si analizáramos  una  muestra  con  luz cercana  a  ultravioleta  (unos  400  nanómetros),  la máxima  resolución  que  obtendríamos  sería  igual  a  200  nanómetros.  Bajo  esas condiciones, no podemos distinguir detalles que estén a menor distancia. Por ejemplo, además del ADN, tampoco podremos distinguir virus o estructuras celulares como ribosomas y vesículas de transporte, puesto que no llegan a medir más de 100 nanómetros. Sin embargo, podremos ver con toda claridad la silueta de las bacterias o analizar, por ejemplo, alteraciones morfológicas en los cromosomas.

El límite de resolución fue considerado una especie de regla insuperable para la microscopia desde hace más de un siglo, sin embargo, el problema se ha resuelto de diferentes y originales maneras que abordaremos en una futura entrega del blog.

AL