Información

¿Por qué las bajas temperaturas son letales?


¿Por qué nosotros (humanos o incluso organismos unicelulares) no podemos soportar temperaturas bajas (corporales) (5 - 25 ° C)? Tengo una experiencia limitada en química y biología, por lo que esto podría ser obvio, pero no para mí.

Sé que las bajas temperaturas reducen la velocidad de las reacciones químicas, por lo que cualquier criatura lo suficientemente fría debería funcionar más lentamente. ¿O existen otros efectos inducidos por el frío que previenen determinadas reacciones? (una reacción que requiera más energía para suceder, aún sucedería, pero a un ritmo menor, ¿verdad?)

Y, suponiendo que una bacteria / virus / organismo pequeño y simple fuera sometido a baja temperatura (por encima del punto de congelación, pero lo suficientemente baja como para dejar de funcionar), ¿qué evitaría que este organismo se reiniciara de nuevo al someterse a una temperatura "normal"?


Las bajas temperaturas cambian la velocidad de diferentes reacciones químicas, desequilibrando los sistemas delicadamente equilibrados. La resistencia de una criatura a los cambios de temperatura depende en gran medida de su complejidad y de su protección frente a este tipo de cambio.

Los tardígrados, como se menciona en kmm, esencialmente no pueden morir por el frío, sobreviviendo hasta casi el cero absoluto (cero absoluto ≈ menos 273,15 ° C). La mayoría de los organismos unicelulares se pueden congelar (especialmente si se congelan rápidamente o se crioprotegen con algo como DMSO) y se pueden revivir más tarde sin ningún cambio. La mayoría de las bibliotecas de cepas de bacterias se mantienen congeladas por razones de costo. Incluso los cultivos de células humanas se pueden congelar y descongelar, aunque algunas de las células mueran. (Si incluso el 10% de sus células murieran, usted como persona probablemente moriría, por lo que la congelación está fuera de la mesa a menos que sea muy inteligente).

Los humanos y la mayoría de los mamíferos son bastante sensibles a los cambios de temperatura, aunque los reptiles no lo son. La mayoría de los peces son de sangre fría y están adaptados para hacer frente a temperaturas relativamente frías, pero el corazón humano no está bien adaptado ni siquiera a temperaturas relativamente cálidas. Las aurículas y los ventrículos del corazón dejan de comunicarse por debajo de 27 ° C (80,6 ° F) aproximadamente, y por debajo de 20 ° C (68 ° F) el corazón puede dejar de latir por completo. Los nervios son sistemas complejos y, a falta de sistemas de regulación en los nervios mismos para compensar los cambios de temperatura, pueden dejar de disparar por completo. Un corazón simple puede funcionar con una orquestación menos sofisticada y, por lo tanto, es más resistente a los cambios de temperatura. Un corazón complicado que implica la coordinación de las aurículas y los ventrículos para producir una acción de bombeo eficaz se ve mucho más afectado por la caída de temperatura.

Entonces, en general, más complicado implica más vulnerable a los cambios de temperatura. Sin embargo, existen excepciones. Los osos pueden hibernar y bajar la temperatura corporal central sin efectos nocivos, por lo que es posible adaptarse. Los peces soportan muy bien las temperaturas frías si se exponen gradualmente, y algunos peces pueden vivir felices en un granizado, a pesar de la salinidad.


Almacenamiento a baja temperatura: enfriar y congelar

Los alimentos refrigerados son aquellos que se almacenan a temperaturas cercanas, pero por encima de su punto de congelación, generalmente de 0 a 5 ° C. Esta área de productos básicos ha mostrado un aumento masivo en los últimos años, ya que los productos refrigerados tradicionales como la carne y el pescado frescos y los productos lácteos se han unido a una gran variedad de nuevos productos que incluyen comidas completas, ensaladas preparadas y delicatessen, postres lácteos y muchos otros.

Tres factores principales han contribuido a este desarrollo:

(1) Los fabricantes de alimentos y el objetivo # 8217 de aumentar el valor agregado de sus productos

(2) La demanda de los consumidores de alimentos frescos y, al mismo tiempo, requiere la conveniencia de comprar solo ocasionalmente y la facilidad de preparación y

(3) La disponibilidad de una cadena de frío eficiente & # 8211 la organización y la infraestructura que permite mantener bajas temperaturas a lo largo de la cadena alimentaria desde la fabricación / cosecha hasta el consumo.

El almacenamiento en frío puede cambiar tanto la naturaleza del deterioro como la velocidad a la que ocurre. Puede haber cambios cualitativos en las características de deterioro ya que las bajas temperaturas ejercen un efecto selectivo que previene el crecimiento de mesófilos y conduce a una microflora dominada por psicrótrofos.

Esto se puede ver en el caso de la leche cruda, que en los días de los bidones de leche y la recolección en la carretera tenía una microflora de descomposición compuesta principalmente por lactococos mesófilos que agriaban la leche.

Hoy en día en el Reino Unido, la leche se enfría casi inmediatamente después de que sale de la vaca, de modo que predominan los bacilos gramnegativos psicrotróficos y producen un tipo de deterioro completamente diferente. Las bajas temperaturas también pueden causar cambios fisiológicos en microorganismos tímidos que modifican o exacerban las características de deterioro.

Dos de esos ejemplos son el aumento de la producción de fenazina y pigmentos carotenoides en algunos organismos a bajas temperaturas y la estimulación de la producción extracelular de polisacáridos en Leuconostoc spp. y algunas otras bacterias del ácido láctico.

En la mayoría de los casos, estos cambios probablemente representan una alteración del metabolismo debido a los diferentes coeficientes térmicos y energías de activación de las numerosas reacciones químicas que componen el metabolismo microbiano.

Aunque los psicrótrofos pueden crecer en alimentos refrigerados, lo hacen con relativa lentitud, por lo que se retrasa el inicio del deterioro. A este respecto, los cambios de temperatura dentro del rango de temperatura de enfriamiento pueden tener efectos pronunciados.

Por ejemplo, el tiempo de generación de una pseudomona aislada de pescado fue de 6,7 horas a 5 ° C en comparación con & # 821626,6 horas a 0 ° C. Cuando este organismo es un contribuyente importante al deterioro, los pequeños cambios de temperatura tendrán implicaciones importantes para la vida útil.

Se ha descubierto que el tiempo de conservación de los filetes de eglefino y bacalao se duplica si la temperatura de almacenamiento se reduce de 2,8 ° C a - 0,3 ° C. Las técnicas de modelado matemático de este tipo pueden ser útiles para predecir el efecto de las fluctuaciones de temperatura en la vida útil, pero, como regla general, la temperatura de almacenamiento debe ser lo más baja y estrictamente controlada posible.

La capacidad de los organismos para crecer a bajas temperaturas parece estar particularmente asociada con la composición y arquitectura de la membrana plasmática. A medida que baja la temperatura, la membrana plasmática experimenta una transición de fase de un estado líquido cristalino a un gel rígido en el que el transporte de solutos está severamente limitado.

La temperatura de esta transición es más baja en psicrótrofos y psicrófilos en gran parte como resultado de niveles más altos de ácidos grasos insaturados y de cadena corta en sus lípidos de membrana. Si se permite que algunos organismos se adapten al crecimiento a temperaturas más bajas, aumentan la proporción de estos componentes en sus membranas.

No parece haber ninguna restricción taxonómica sobre los organismos psicrotróficos que se pueden encontrar en las levaduras, mohos, bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. Una característica que comparten es que, además de su capacidad para crecer a bajas temperaturas, se inactivan a temperaturas moderadas.

Se han propuesto varias razones para esta marcada sensibilidad al calor, incluida la posibilidad de una fluidez excesiva de la membrana a temperaturas más altas. La baja estabilidad térmica de las enzimas clave y otras proteínas funcionales parece ser un factor importante, aunque las lipasas extracelulares termoestables y las proteasas producidas por las pseudomonas psicrotróficas pueden ser un problema en la industria láctea.

Aunque los mesófilos no pueden crecer a bajas temperaturas, no necesariamente mueren. El enfriamiento producirá un fenómeno conocido como choque de frío que causa la muerte y lesiones en una proporción de la población, pero sus efectos no son predecibles de la misma manera que el procesamiento térmico.

La extensión del choque por frío depende de varios factores, como el organismo (los gramnegativos parecen más susceptibles que los grampositivos), su fase de crecimiento (las células en fase exponencial son más susceptibles que las células en fase estacionaria), el diferencial de temperatura y la velocidad de enfriamiento (en ambos casos, cuanto mayor es, mayor es el daño) y el medio de crecimiento, las células cultivadas en medios complejos son más resistentes).

El mecanismo principal del choque por frío parece ser el daño a las membranas causado por cambios de fase en los lípidos de la membrana que crean hidropporos a través de los cuales pueden filtrarse los contenidos citoplasmáticos. También se ha observado un aumento de las roturas de una sola hebra en el ADN, así como la síntesis de proteínas específicas de choque frío.

Dado que el enfriamiento no es un proceso bactericida, el uso de materias primas de buena calidad microbiológica y la manipulación higiénica son requisitos clave para la producción de alimentos refrigerados seguros. Los mesófilos que sobreviven al enfriamiento, aunque estén lesionados, pueden persistir en el alimento durante períodos prolongados y pueden recuperarse y reanudar el crecimiento si las condiciones se vuelven favorables posteriormente.

Por lo tanto, el enfriamiento evitará un aumento en el riesgo de patógenos mesófilos, pero no asegurará su eliminación. Sin embargo, hay patógenos que seguirán creciendo a algunas temperaturas frías y el papel clave del enfriamiento en la industria alimentaria moderna ha centrado especial atención en ellos.

Los riesgos que plantean estos organismos pueden aumentar con la duración del almacenamiento, pero es probable que este proceso sea lento y dependa de la temperatura de almacenamiento precisa y la composición del alimento.

Algunos alimentos no son aptos para el almacenamiento en frío, ya que sufren daños por frío en los que la baja temperatura da como resultado la degradación de los tejidos, lo que conduce a defectos visuales y deterioro microbiológico acelerado. Las frutas tropicales son particularmente susceptibles a esta forma de daño.

Técnica de congelación:

La congelación es la técnica de mayor éxito para la conservación a largo plazo de los alimentos, ya que el contenido de nutrientes se retiene en gran medida y el producto se parece más al material fresco que en los alimentos preparados.

Los alimentos comienzan a congelarse en algún lugar en el rango de - 0.5 a - 3 ° C, siendo el punto de congelación más bajo que el del agua pura debido a los solutos presentes. A medida que el agua se convierte en hielo durante la congelación, la concentración de solutos en el agua no congelada aumenta, disminuyendo aún más su punto de congelación de modo que incluso a temperaturas muy bajas, p. Ej. - 60 ° C, quedará algo de agua descongelada.

Las temperaturas utilizadas en el almacenamiento congelado son generalmente inferiores a - 18 ° C. A estas temperaturas no es posible el crecimiento microbiano, aunque la actividad enzimática residual microbiana o endógena, como las lipasas, puede persistir y eventualmente estropear un producto.

En el caso de frutas y verduras, esto se reduce escaldando antes de congelar para inactivar las polifenol oxidasas endógenas que, de otro modo, harían que el producto se decolorara durante el almacenamiento.

La quemadura por congelación es otro defecto de calidad no microbiológico que puede surgir en los alimentos congelados, donde se produce la decoloración de la superficie debido a la sublimación del agua del producto y su transferencia a superficies más frías en el congelador. Esto se puede prevenir envolviendo los productos en un material impermeable al agua o glaseándolos con una capa de hielo.

La baja temperatura no es el único factor inhibidor que opera en los alimentos congelados, también tienen una baja actividad de agua producida por la eliminación del agua en forma de hielo. La Tabla 4.11 describe el efecto de la temperatura sobre la actividad del agua. En lo que respecta a la calidad microbiológica, este efecto solo es significativo cuando los alimentos congelados se almacenan a temperaturas en las que es posible el crecimiento microbiano (por encima de - 10 C).

En esta situación, los organismos que crecen en un producto no son los normalmente asociados con su deterioro a bajas temperaturas, sino levaduras y mohos que son psicrotróficos y tolerantes a la actividad reducida del agua.

Por lo tanto, la carne y las aves almacenadas entre -5 y -10 ° C pueden desarrollar lentamente defectos superficiales como manchas negras debido al crecimiento del moho Cladosporium herbarum, manchas blancas causadas por Sporotrichum carnis o el crecimiento plumoso de Thamnidium elegans.

Los microorganismos se ven afectados por cada fase del proceso de congelación. Al enfriarse a la temperatura a la que comienza la congelación, una parte de la población estará sujeta a un choque de frío.

A la temperatura de congelación, se producen más muertes y lesiones a medida que la curva de enfriamiento se nivela a medida que se elimina el calor latente y el producto comienza a congelarse. Inicialmente, el hielo se forma principalmente de forma extracelular, y la formación de hielo intracelular se ve favorecida por un enfriamiento más rápido.

Esto puede dañar mecánicamente las células y las altas presiones osmóticas extracelulares generadas las deshidratarán. Los cambios en la fuerza iónica y el pH de la fase acuosa como resultado de la congelación también alterarán la estructura y función de numerosos componentes celulares y macromoléculas que dependen de estos factores para su estabilidad.

El enfriamiento a la temperatura de almacenamiento evitará cualquier crecimiento microbiano adicional una vez que la temperatura haya caído por debajo de - 10 ° C. Finalmente, durante el almacenamiento habrá una disminución inicial en los números viables seguida de una disminución lenta con el tiempo. Cuanto más baja sea la temperatura de almacenamiento, más lenta será la tasa de mortalidad.

Al igual que con el enfriamiento, la congelación no hará que un producto inseguro sea seguro & # 8211 su letalidad microbiana es limitada y las toxinas preformadas persistirán. Después de todo, los pollos congelados son una fuente importante de Salmonella.

Las tasas de supervivencia después de la congelación dependerán de las condiciones precisas de congelación, la naturaleza del material alimenticio y la composición de su microflora, pero se han registrado de forma diversa entre el 5 y el 70%. Las esporas bacterianas prácticamente no se ven afectadas por la congelación, la mayoría de las bacterias Gram positivas vegetativas son relativamente resistentes y las Gram negativas muestran la mayor sensibilidad.

Si bien el almacenamiento congelado inactiva de manera confiable organismos superiores como protozoos patógenos y gusanos parásitos, los materiales alimenticios a menudo actúan como crioprotectores para las bacterias, de modo que los patógenos bacterianos pueden sobrevivir durante largos períodos en el estado congelado. En un ejemplo extremo, la Salmonella se ha aislado con éxito a partir de helados almacenados a -23 ° C durante 7 años.

La extensión de la muerte microbiana también está determinada por la velocidad de enfriamiento.

La letalidad máxima se observa con enfriamiento lento donde, aunque hay poco o ningún choque de frío experimentado por los organismos, la exposición a altas concentraciones de solutos es prolongada. La supervivencia es mayor con la congelación rápida donde se minimiza la exposición a estas condiciones. Sin embargo, los procesos de congelación de alimentos no están diseñados para maximizar la letalidad microbiana sino para minimizar la pérdida de calidad del producto.

La formación de grandes cristales de hielo y la exposición prolongada a soluciones de alta presión osmótica durante el enfriamiento lento también dañan las células del material alimenticio en sí, lo que causa una mayor pérdida por goteo y deterioro de la textura al descongelarse, por lo que la congelación rápida en la que el producto está a la temperatura de almacenamiento en media hora es el método de elección comercial.

La velocidad de congelación en los congeladores domésticos es mucho más lenta, por lo que, aunque la letalidad microbiana puede ser mayor, también lo es la pérdida de calidad del producto.

La descongelación de alimentos congelados es un proceso más lento que la congelación. Incluso con material de tamaño moderado, el exterior del producto estará a la temperatura de descongelación algún tiempo antes que el interior. Entonces, con una temperatura de descongelación alta, los mesófilos pueden estar creciendo en la superficie de un producto mientras el interior aún está congelado. Generalmente se prefiere la descongelación lenta a temperatura más baja.

Tiene un efecto letal ya que las células microbianas experimentan condiciones adversas en el rango de 0 a - 10 ° C durante más tiempo, pero también permitirá que crezcan los psicrótrofos. Siempre que el producto no esté sujeto a contaminación después de la descongelación, la microflora que se desarrolle será diferente de la del material fresco debido al efecto letal selectivo de la congelación.

Las bacterias del ácido láctico a menudo son responsables del deterioro de las verduras descongeladas, mientras que generalmente comprenden solo alrededor del 1% de la microflora en los productos frescos refrigerados que son predominantemente gramnegativos.

La congelación y descongelación pueden hacer que algunos alimentos sean más susceptibles al ataque microbiológico y tímido debido a la destrucción de las barreras antimicrobianas en el producto y la condensación, pero los alimentos descongelados no se echan a perder más rápidamente que los que no han sido congelados. Las medidas cautelares contra la recongelación de productos descongelados están motivadas por la pérdida de textura y otras cualidades, más que por cualquier riesgo microbiológico que se presente.


Fondo

Las enfermedades infecciosas emergentes (EID) están aumentando en incidencia y son responsables de la disminución de la población de plantas y animales en los sistemas gestionados y silvestres [20, 29, 68]. Para comprender los impulsores de las EID, el campo en rápido desarrollo de la ecología de las enfermedades integra los enfoques tradicionales de la biología de los parásitos en marcos ecológicos y evolutivos [16]. Un enfoque reciente ha sido comprender los efectos de las fluctuaciones de la temperatura ambiental sobre las enfermedades [11, 69]. Se ha demostrado que las diferencias de magnitud, rango y variabilidad de las fluctuaciones diarias de temperatura afectan la intensidad de transmisión de la malaria [40, 45], las tasas de transmisión del virus del dengue [9, 30], el biocontrol del vector de la enfermedad de Chagas [18] y la susceptibilidad del abulón negro al síndrome de marchitamiento [4]. La temperatura puede influir profundamente en los resultados de la enfermedad debido a la sensibilidad térmica del huésped y los rasgos del patógeno, incluido el crecimiento y la reproducción del patógeno [1, 10, 58]. Debido a que el crecimiento y la reproducción de patógenos están ligados a la virulencia [38], la comprensión de las respuestas de estos rasgos del ciclo vital a la heterogeneidad térmica puede revelar patrones importantes en las enfermedades infecciosas.

La temperatura puede afectar la ecología de la enfermedad de la quitridiomicosis [57, 76], una enfermedad infecciosa emergente letal de los anfibios que es responsable de la disminución global de los anfibios [63, 64]. La quitridiomicosis es causada por el hongo patógeno. Batrachochytrium dendrobatidis (Bd), que tiene una historia de vida compleja y sensible a la temperatura [5, 35]. Móvil Bd las zoosporas se enquistan en tejidos anfibios queratinizados y se convierten en zoosporangios [5, 48]. Los zoosporangios producen la próxima generación de zoosporas y las liberan al medio ambiente o de regreso al anfitrión anfibio [6, 35]. Este ciclo de vida requiere temperaturas entre aproximadamente 2–27 ° C in vitro, con un rango de temperatura óptimo entre 15 y 25 ° C y una caída en la reproducción y viabilidad por encima de 27 ° C [51, 66, 73, 78]. Porque aumenta en Bd cargas se correlacionan con la gravedad de la quitridiomicosis [72, 74], la exposición a temperaturas por encima de la Bd máximo térmico que afecta negativamente Bd el crecimiento y la reproducción pueden disminuir la intensidad de la infección y retrasar la progresión de la enfermedad [23, 26, 62].

Hasta la fecha, los estudios de temperatura se han centrado predominantemente en Bd respuestas a temperaturas constantes (por ejemplo, [51, 78]). Sin embargo, los hospedadores anfibios viven en microhábitats con una notable heterogeneidad térmica en los ciclos diarios, estacionales y anuales (por ejemplo, [43, 75]). Los estudios de temperatura constante han proporcionado información crítica sobre Bd biología, pero no han discernido cómo los entornos térmicos fluctuantes realistas pueden influir Bd crecimiento y reproducción. El trabajo reciente de Raffel et al. [55] y Greenspan et al. [23] sugieren que las condiciones térmicas fluctuantes pueden tener efectos profundos en Bd crecimiento in vitro y sobre el desarrollo de quitridiomicosis in vivo. Estos estudios se suman a la evidencia en otros sistemas de enfermedades de que los experimentos de temperatura constante pueden no ser generalizables a la dinámica de las enfermedades en poblaciones silvestres porque las fluctuaciones térmicas pueden tener consecuencias biológicas desproporcionadas sobre los rasgos de los patógenos [9, 30, 40, 45]. Además, la heterogeneidad térmica puede influir en la persistencia de la vida libre. Bd en cuerpos de agua utilizados por huéspedes anfibios. Si bien los mecanismos o la duración de Bd persistencia en ambientes naturales sigue sin estar clara [7, 41], los modelos sugieren que la persistencia ambiental extendida de Bd es probable que los huéspedes anfibios externos aumenten el riesgo de extinción local [39]. Comprender cómo afectan los regímenes térmicos dinámicos Bd fuera de los hospedantes puede ser una herramienta de conservación importante para apuntar donde Bd está (y no está) en un paisaje [21].

En este estudio, examinamos las respuestas de Bd en cultivo a fluctuaciones de temperatura biológicamente realistas que simulan las condiciones térmicas de los cuerpos de agua utilizados por el sapo de Yosemite (Anaxyrus [Bufo] canorus). El sapo de Yosemite es una especie endémica de California amenazada por el gobierno federal que es muy susceptible a la quitridiomicosis letal en experimentos de exposición controlada [32]. Tiempo Bd La infección se ha detectado en todas las etapas de la vida de los sapos de Yosemite silvestres [19] C. Dodge datos no publicados), el papel de Bd en el declive de esta especie no se comprende bien. Los sapos de Yosemite se reproducen y se desarrollan en estanques poco profundos en prados de gran altitud en las montañas de Sierra Nevada de California, EE. UU., Que sufren grandes fluctuaciones de temperatura diarias en comparación con los Bd rango térmico (Fig. 1a [13, 28, 43]). Sin embargo, no está claro cómo afectan estas fluctuaciones de temperatura Bd crecimiento y reproducción y, a su vez, la ecología de enfermedades de este sistema.

Fluctuaciones de temperatura diurnas observadas y experimentales. a Temperatura del agua durante un período de 24 h de 10 piscinas de reproducción diferentes que contienen renacuajos de sapo de Yosemite (las líneas grises y la línea amarilla representan la piscina que fluctúa entre 27,5 y 7,5 ° C). B Perfiles de temperatura de la incubadora durante un período de 24 h. Temperatura fluctuante = temperatura constante negra a la máxima térmica diaria (27,5 ° C) = temperatura constante roja a la mínima térmica diaria (7,5 ° C) = temperatura constante azul a la media térmica diaria (17,5 ° C) = verde. Bd óptimo térmico (banda sombreada verde) y Bd tolerancia térmica (banda sombreada en gris) mostrada como referencia

Para comprender mejor Bd respuestas a los regímenes térmicos fluctuantes, recopilamos datos de temperatura de los estanques de cría de sapos de Yosemite y cultivamos Bd bajo condiciones térmicas fluctuantes que simulaban la temperatura de la piscina (Fig. 1). Para evaluar Bd respuestas a la fluctuación térmica, comparamos múltiples rasgos del ciclo de vida reproductiva de un solo Bd aislado cultivado a temperaturas fluctuantes o constantes. Nuestros tratamientos a temperatura constante abarcan Bd rango térmico y representan el mínimo diario, la media diaria y el máximo diario del perfil de temperatura fluctuante (Fig. 1b). Nosotros cuantificamos Bd crecimiento a lo largo del tiempo mediante mediciones de la densidad óptica del cultivo, recuentos de zoosporas móviles, fecundidad del cultivo (relación entre zoosporas móviles y densidad óptica) y ensayos de viabilidad de zoosporangios. Presumimos que las temperaturas fluctuantes reducirían Bd crecimiento en comparación con Bd cultivado a la temperatura media diaria constante de 17,5 ° C. Predijimos que la exposición a las fluctuaciones diarias de temperatura reduciría Bd tasa de crecimiento, fecundidad, viabilidad de zoosporangia, producción de zoosporas y tiempo para la liberación máxima de zoosporas en comparación con Bd crecido a 17,5 ° C.


Esta es la razón por la que el calentamiento global es responsable de las temperaturas bajo cero en los EE. UU.

En enero de 2014, un vórtice polar desplazado trajo temperaturas extremadamente frías a muchas partes de. [+] Estados Unidos, lo que provocó que el lago Michigan cerca de Chicago se congelara, como se muestra aquí. La ola de frío actual es de naturaleza extremadamente similar y está causando estragos en gran parte de los Estados Unidos continentales en este momento, en 2019.

Edward Stojakovik / flickr

El país se está congelando de una manera sin precedentes, y el culpable es el calentamiento global. ¿Suena loco? La ola de frío que está experimentando América del Norte al este de las montañas rocosas, con temperaturas a niveles similares al Ártico, es real, pero es solo una parte de la historia. Al mismo tiempo, se registran temperaturas cálidas récord en otras partes del mundo, desde Australia hasta el Ártico real.

Si bien una pequeña pero ruidosa minoría de personas podría usar la lógica errónea de "hace frío donde estoy, por lo tanto, el calentamiento global no es real", incluso los escolares saben que el clima no es clima. Pero estas olas de frío extremo se han vuelto más severas en los últimos años, debido a una combinación de calentamiento global y un fenómeno del que probablemente hayas oído hablar: el vórtice polar. Aquí está la ciencia de cómo funciona y por qué, paradójicamente, el calentamiento global está jugando un papel importante en las bajas temperaturas récord de hoy.

La diferencia entre un vórtice polar fuerte y estable (L) y uno débil e inestable que puede causar. [+] olas de frío y clima extremadamente frío en las latitudes medias (R), como el evento que estamos experimentando ahora.

Cuando piensas en la Tierra, incluido su tiempo, clima y temperatura, ¿qué imagen te viene a la cabeza?

La mejor forma de visualizar la Tierra es como una esfera que gira sobre su eje, pero con dos efectos adicionales: la atmósfera y los océanos. A medida que la Tierra gira sobre su eje, experimentamos un calentamiento durante el día (bajo la luz solar directa) y un enfriamiento durante la noche (en la oscuridad), ya que la Tierra irradia su calor almacenado hacia las profundidades del espacio. Cuando nuestro hemisferio está inclinado hacia el Sol, experimentamos los meses de verano cuando nuestro hemisferio está inclinado hacia afuera del Sol, experimentamos los meses de invierno.

El océano almacena enormes cantidades de calor, y las corrientes oceánicas transportan ese calor de un lugar a otro. Pero en términos de estos eventos climáticos particulares que estamos experimentando en este momento, la atmósfera es el factor más importante.

Este gráfico muestra la circulación global de la atmósfera terrestre. En esta pantalla se incluyen Hadley. [+] células, células de Ferrell y células polares, junto con las seis zonas diferentes en los hemisferios norte y sur que muestran los vientos dominantes.

Usuario de Wikimedia Commons Kaidor

En cualquier planeta que gire, tendrá un efecto llamado vientos dominantes. A medida que la atmósfera circula por el mundo, el planeta Tierra suele experimentar tres tipos diferentes de vientos, normalmente confinados a tres zonas de latitud diferentes:

  • 0 ° a 30 °: de donde llegan los vientos alisios, que soplan de este a oeste y convergen en el ecuador.
  • 30 ° a 60 °: que nos dan los vientos del oeste, que soplan de oeste a este, y se elevan hacia el círculo ártico (o hacia abajo hacia la Antártida).
  • 60 ° a 90 °: las células polares, que normalmente están confinadas a las regiones de latitudes más altas de la Tierra.

Aunque las bandas de latitud difieren, este fenómeno es común en los planetas que giran más rápidamente con atmósferas, incluidos Venus, Marte, Júpiter y Saturno. La Tierra, sin embargo, es un poco especial.

Las temperaturas del océano son lo suficientemente cálidas en las regiones ecuatoriales, durante las estaciones adecuadas, para formarse. [+] ciclones tropicales, y son lo suficientemente fríos, en las temporadas de invierno, para formar vórtices polares extremos.

Equipo de temperatura de la superficie terrestre de Berkeley (BEST)

Debido a la delgadez de la atmósfera de la Tierra, nuestra considerable inclinación axial, el comportamiento de la cobertura de nubes y la reflectividad en los polos, y una serie de otros factores, nuestro planeta tiene una diferencia de temperatura extremadamente grande entre el ecuador y los polos. Esta diferencia de temperatura es más pequeña en el verano, cuando las áreas polares experimentan casi 24 horas de luz solar continua, y más grande en el invierno, donde casi siempre es de noche.

Como resultado de estas severas diferencias de temperatura, existe una zona persistente de baja presión a gran escala que gira en forma de ciclón en cada polo: de oeste a este. (En sentido antihorario en el polo norte, en el sentido de las agujas del reloj en el polo sur). Estas dos zonas se conocen como vórtices polares, y cada una comienza a unas pocas millas en la atmósfera y se extiende hasta la estratosfera.

La interacción entre la atmósfera, las nubes, la humedad, los procesos terrestres y el océano gobiernan. [+] evolución de la temperatura de equilibrio de la Tierra. La estratosfera, en particular, es de tremenda importancia para fenómenos como el vórtice polar del Ártico.

NASA / Smithsonian Air & amp Space Museum

Debajo de ellos, normalmente encontrará una gran masa de aire frío y denso que rodea cada uno de los polos. Normalmente, estos vórtices son lo suficientemente estables, ya que las diferencias de temperatura y presión son lo suficientemente graves como para mantenerlos en su lugar durante todo el año.

Cuando los vórtices son más fuertes, obtienes una sola celda y el aire está extremadamente bien confinado. Cuando los vórtices se debilitan, pueden dividirse en dos o más células y comenzar a migrar lejos de los polos. Cuando son extremadamente débiles, pueden fragmentarse, y parte de ese aire de baja presión y baja temperatura puede comenzar a interactuar con el aire de mayor presión y mayor temperatura del exterior de las regiones polares.

Tierra en 2013 (a la izquierda) con un fuerte vórtice polar bien definido, unicelular, junto con la Tierra en. [+] 2014 (a la derecha) donde el vórtice polar se volvió extremadamente débil y migró sobre las masas de tierra pobladas de las latitudes medias.

Aunque el término ha existido desde la década de 1850, pocas personas oyeron hablar del vórtice polar hasta principios de esta década, cuando se volvió tan débil que migró a los continentes de América del Norte y Eurasia, provocando uno de los climas invernales más fríos que hemos visto en historia reciente.

Cuando el vórtice en el polo norte se vuelve extremadamente débil, las zonas de alta presión que se encuentran en las latitudes medias de la Tierra (donde están los vientos del oeste) pueden empujar hacia los polos, desplazando el aire frío. Esto hace que el vórtice polar se mueva más al sur. Además, la corriente en chorro se dobla y se desvía hacia latitudes más pobladas del sur. A medida que el aire frío y seco de los polos entra en contacto con el aire cálido y húmedo de las latitudes medias, se produce un cambio climático dramático al que convencionalmente nos referimos como una ola de frío.

Cuando el vórtice polar alrededor del Polo Norte se debilita, provoca gran parte del aire frío en las alturas. [+] latitudes para mezclarse con el aire cálido en las latitudes medias. Esto empuja la corriente en chorro hacia el sur, lleva aire frío a áreas muy pobladas y crea las condiciones para una ola de frío.

El clima que estamos experimentando en gran parte del hemisferio norte se debe exactamente a este fenómeno, que está ocurriendo en este momento.

Pero, ¿cómo se puede culpar al calentamiento global?

La respuesta es simple: porque el fenómeno que hace que el vórtice polar se rompa se conoce como calentamiento estratosférico repentino, en el que las capas superiores de la atmósfera aumentan de temperatura en aproximadamente 30 a 50 ° C (54 a 90 ° F) a lo largo del lapso. de solo unos días. El hecho de que haya masas de tierra ubicadas donde están en el hemisferio norte significa que a medida que aumentan las temperaturas de la tierra, transportan su calor a latitudes aún más septentrionales.

El vórtice polar, típicamente, es una región de celda única o celda doble concentrada en latitudes polares. . [+] Sin embargo, los eventos de calentamiento a lo largo de la tierra y en el mar cerca de los polos han cambiado los gradientes de temperatura y presión en los últimos años y están provocando la desestabilización del vórtice polar. Esto da como resultado los eventos climáticos extremos que estamos experimentando más recientemente.

Los detalles exactos de cómo funciona esto son complejos, pero la explicación es simple: las temperaturas terrestres más cálidas, particularmente en el norte de América del Norte y el norte de Eurasia, permiten que se transporte más calor a la estratosfera ártica. Una Tierra más cálida hace que los eventos repentinos de calentamiento estratosférico sean más probables y frecuentes. Y esos eventos desestabilizan el vórtice polar, traen aire frío a las latitudes medias y provocan el clima extremo que estamos experimentando en este momento.

El mapa de temperatura de la Tierra el día domingo 27 de enero. Observe cómo el sur, la Antártida. La región [+] tiene su aire frío relativamente confinado, mientras que la región norteña del Ártico tiene áreas más frías y cálidas en ubicaciones desiguales, quizás inesperadas.

As the Earth continues to warm, there will be reduced snow cover and less sea ice in these critical regions, which alters the pressure and temperature gradients of the regions at the boundary of the polar vortex. In extreme cases, the polar vortex weakens or collapses as a result. The migration of the jet stream is one of the first signs, and it has become an all-too-frequent phenomenon in recent years.

The enormous cold snap we experienced in 2014 wasn't a one-off event. Although for many, that storm was so memorable it feels like it was only yesterday, we can absolutely expect these types of extreme weather events to become commonplace in the coming years. The climate is changing, and it's affecting our weather in a variety of ways all across the globe.

In January of 2014, the term polar vortex came into the popular lexicon with a catastrophic cold . [+] snap that affected large portions of North America, causing enormous portions of Niagara Falls to freeze over, among other things. We can expect these events to be far more frequent going forward.

Perhaps paradoxically, it's a strong, extremely cold polar vortex that results in stable, warm temperatures across the more populous mid-latitudes in winter. This is one effect of climate change that's already here, and will take centuries, in the best-case scenario, to reverse. There are freezing temperatures and an extraordinary cold snap affecting huge portions of the land mass in the northern hemisphere's mid-latitudes right now, but this won't feel extraordinary for long.

As the Earth continues to warm, extreme weather events like this will become commonplace, with many climatologists predicting an unstable polar vortex bringing storms like this to us multiple times per decade. Welcome to the new normal, courtesy of global warming, where the Arctic can't even remain cold in the dead of winter.


A Degree of Concern: Why Global Temperatures Matter

If you could ask a sea turtle why small increases in global average temperature matter, you&rsquod be likely to get a mouthful. Of sea grass, that is.

Of course, sea turtles can&rsquot talk, except in certain animated movies. And while on-screen they&rsquore portrayed as happy-go-lucky creatures, in reality it&rsquos pretty tough to be a sea turtle, dude (consider the facts), and in a warming world, it&rsquos getting tougher.

Since the temperature of the beach sand that female sea turtles nest in influences the gender of their offspring during incubation, our warming climate may be driving sea turtles into extinction by creating a shortage of males, according to several studies. 1

A few degrees make a huge difference. At sand temperatures of 31.1 degrees Celsius (88 degrees Fahrenheit), only female green sea turtles hatch, while at 27.8 degrees Celsius (82 degrees Fahrenheit) and below, only males hatch.

While the plight of sea turtles is illustrative, it&rsquos a fact that all natural and human systems are sensitive to climate warming in varying degrees. To assess the likely impacts of global warming on our planet at various temperature thresholds above pre-industrial levels (considered to be the time period between 1850 and 1900), the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) in October released a Special Report on Global Warming of 1.5 Degrees Celsius (2.7 Degrees Fahrenheit). The IPCC is the United Nations body tasked with assessing the science related to climate change.

The report examined the impacts of limiting the increase in global average temperature to well below 2 degrees Celsius (3.6 degrees Fahrenheit) above pre-industrial levels, and projected the impacts Earth is expected to see at both 1.5 degrees and 2 degrees Celsius warming above those levels. The 1.5-degree Celsius threshold represents the target goal established by the Paris Agreement, adopted by 195 nations in December 2015 to address the threat of climate change.

The following interactive presents selected highlights from the report:

The report, prepared by 91 authors and review editors from 40 countries along with 133 contributing authors, cites more than 6,000 scientific references and includes contributions from thousands of expert reviewers around the world, including from NASA. NASA data were critical to enabling understanding of how each half degree of warming will impact our planet. NASA models contributed to the report&rsquos projections, while NASA satellite and airborne observations provided critical inputs.

&ldquoUnfortunately, warming has progressed so much that we now have observations of what happens when you have an extra half a degree,&rdquo said Drew Shindell, professor of Climate Sciences at the Nicholas School of the Environment at Duke University in Durham, North Carolina. Shindell is a coordinating lead author of one chapter of the Special Report and an author of its Summary for Policy Makers. &ldquoHaving an extra five to 10 years since the last IPCC Assessment, along with modern monitoring systems, many of which are from NASA, really lets us see what happens to the planet with an extra half a degree of warming much more clearly than in the past.&rdquo

The report says that since the pre-industrial period, human activities are estimated to have increased Earth&rsquos global average temperature by about 1 degree Celsius (1.8 degrees Fahrenheit), a number that is currently increasing by 0.2 degrees Celsius (0.36 degrees Fahrenheit) every decade. At that rate, global warming is likely to reach 1.5 degrees Celsius above pre-industrial levels sometime between 2030 and 2052, with a best estimate of around 2040.

Warming that&rsquos already been introduced into the Earth system by human-produced emissions since the start of the pre-industrial period isn&rsquot expected to dissipate for hundreds to thousands of years. That already &ldquobaked in&rdquo warming will continue to cause further long-term changes in our climate, such as sea level rise and its associated impacts. However, the report says that these past emissions alone are not considered likely, by themselves, to cause Earth to warm by 1.5 degrees Celsius. In other words, what we as a society do now matters. The urgency with which the world addresses greenhouse gas emission reductions now will help determine the degree of future warming in essence, whether we&rsquoll be hit by a climate change hardball or a wiffle ball.

You might be thinking, &ldquoWhy should I care if temperatures go up another half a degree or one degree? Temperatures go up and down all the time. What difference does it make?&rdquo

The answer is, a lot. Higher temperature thresholds will adversely impact increasingly larger percentages of life on Earth, with significant variations by region, ecosystem and species. For some species, it literally means life or death.

&ldquoWhat we see isn&rsquot good &ndash impacts of climate change are in many cases larger in response to a half a degree (of warming) than we&rsquod expected,&rdquo said Shindell, who was formerly a research scientist at NASA&rsquos Goddard Institute for Space Studies in New York City. &ldquoWe see faster acceleration of ice melting, greater increases in tropical storm damages, stronger effects on droughts and flooding, etc. As we calibrate our models to capture the observed responses or even simply extrapolate another half a degree, we see that it&rsquos more important than we&rsquod previously thought to avoid the extra warming between 1.5 and 2 degrees Celsius.&rdquo

Shindell said the report was able to use scientists&rsquo understanding from observations to assess how many more people would be at risk from the impacts of climate change with an additional half a degree of warming. &ldquoIt&rsquos hundreds of millions,&rdquo he said, &ldquowhich makes clear the importance of keeping warming as low as possible.&rdquo

NASA&rsquos global climate change website, and its vital signs section, document what a 1-degree Celsius temperature increase has already done to our planet. The impacts of global warming are being felt everywhere, from rising sea levels to more extreme weather, more frequent wildfires, and heatwaves and increased drought, to name a few. Because our society has been built around the climate Earth has had for the past approximately 10,000 years, when it changes noticeably, as it has done in recent decades, people begin to take notice. Today, most people realize Earth&rsquos climate is changing. A December 2018 report by Yale and George Mason Universities found that seven in 10 Americans think global warming is happening, with about six in 10 saying it is mostly caused by humans.

We live in a world bound by the laws of physics. For example, at temperatures above 0 degrees Celsius (32 degrees Fahrenheit), ice, including Earth&rsquos polar ice sheets and other land ice, begins to melt and changes from a solid to a liquid. When that water flows downward into the ocean, it raises global sea level.

Similarly, temperature plays a critical role in biology. We all know the average temperature of a healthy adult human is about 37 degrees Celsius (98.6 degrees Fahrenheit). You don&rsquot have to ask anyone running a fever of 38.3 degrees Celsius (101 degrees Fahrenheit) if a couple of degrees matters. Our bodies are optimized to run at a certain temperature. According to most studies, humans feel most comfortable, are most productive and function best when the ambient temperature around us is roughly 22 degrees Celsius (71.6 degrees Fahrenheit). Vary that temperature by more than a few degrees in either direction and we seek to warm or cool ourselves if we can. Our bodies also make adjustments, such as sweating.

When ambient temperatures become too extreme, the impacts on human health can be profound, even deadly.

Plants and other animals have it tougher. While they also adjust to their external temperature environment through various mechanisms, they can&rsquot just turn on an air conditioner or furnace like we can, and they may not be able to migrate. They survive within specific, defined habitats.

For all living organisms, the faster climate changes, the more difficult it is to adapt to it. When climate change is too rapid, it can lead to species extinction. As greenhouse gas concentrations continue to increase, the cumulative impact will be to accelerate temperature change. Limiting warming to 1.5 degrees Celsius decreases the risks of long-lasting or irreversible changes, such as the loss of certain ecosystems, and allows people and ecosystems to better adapt.

So just how may another half- or full-degree Celsius of warming affect our planet? In part two of our feature, we look at some of the IPCC special report&rsquos specific projections.


What does cold temperature do to enzymes?

At very cold temperatures, the opposite effect dominates &ndash molecules move more slowly, reducing the frequency of enzima-substrate collisions and therefore decreasing enzyme activity. Como resultado, enzima-substrate collisions are extremely rare once freezing occurs and enzyme activity is nearly zero below freezing.

Likewise, do enzymes denature at cold temperatures? The shape of an enzima also depends on its temperatura. Cuando enzimas get too warm, they get too loose. And when they get too frío, then they get too tight. Si el temperatura is increased too much, the rate of reaction will diminish due to desnaturalizante or change in shape of the enzima.

In this regard, why do cold temperatures slow down enzymes?

Bajo temperaturas result in lower kinetic energy of particles, so this translates to less/Más lento activity by both the enzima AND the substrate. Therefore, fewer substrates will come in contact with the enzima. That said, different enzimas have different optimal temperatura rangos.

What temperature do enzymes denature?

This optimal temperatura is usually around human body temperatura (37.5 o C) for the enzimas in human cells. Above this temperatura los enzima structure begins to break down (desnaturalizar) since at higher temperaturas intra- and intermolecular bonds are broken as the enzima molecules gain even more kinetic energy.


Feeding behaviour and nutrition requirements

Tilapia ingest a wide variety of natural food organisms, including plankton, some aquatic macrophytes, planktonic and benthic aquatic invertebrates, larval fish, detritus, and decomposing organic matter. With heavy supplemental feeding, natural food organisms typically account for 30 to 50 percent of tilapia growth. (In supplementally fed channel catfish only 5 to 10 percent of growth can be traced to ingestion of natural food organisms.) Tilipia are often considered filter feeders because they can efficiently harvest plankton from the water.

However, tilapia do not physically filter the water through gill rakers as efficiently as true filter feeders such as gizzard shad and silver carp. The gills of tilapia secrete a mucous that traps plankton. The plankton-rich mucous, or bolus, is then swallowed. Digestion and assimilation of plant material occurs along the length of the intestine (usually at least six times the total length of the fish).

The Mozambique tilapia is less efficient than the Nile or Blue tilapia at harvesting planktonic algae. Two mechanisms help tilapia digest filamentous and planktonic algae and succulent higher plants:

  1. Physical grinding of plant tissues between two pharyngeal plates of fine teeth
  2. A stomach pH below 2, which ruptures the cell walls of algae and bacteria.

The commonly cultured tilapias digest 30 to 60 percent of the protein in algae blue-green algae is digested more efficiently than green algae.

When feeding, tilapias do not disturb the pond bottom as aggressively as common carp. However, they effectively browse on live benthic invertebrates and bacteria-laden detritus. Tilapias also feed on midwater invertebrates. They are not generally considered piscivorous, but juveniles do consume larval fish.

In general, tilapias use natural food so efficiently that crops of more than 2,700 pounds of fish per acre (3,000 kg/ha) can be sustained in well-fertilised ponds without supplemental feed. The nutritional value of the natural food supply in ponds is important, even for commercial operations that feed fish intensively.

In heavily fed ponds with little or no water exchange, natural food organisms may provide one-third or more of total nutrients for growth. In general, tilapia digest animal protein in feeds with an efficiency similar to that of channel catfish, but are more efficient in the digestion of plant protein, especially more fibrous materials.

Tilapia require the same ten essential amino acids as other warm water fish, and, as far as has been investigated, the requirements for each amino acid are similar to those of other fish. Protein requirements for maximum growth are a function of protein quality and fish size and have been reported as high as 50 percent of the diet for small fingerlings. However, in commercial food fish ponds the crude protein content of feeds is usually 26 to 30 percent, one tenth or less of which is of animal origin. The protein content and proportion of animal protein may be slightly higher in recirculating and flow-through systems.

The digestible energy requirements for economically optimum growth are similar to those for catfish and have been estimated at 8.2 to 9.4 kcal DE (digestible energy) per gram of dietary protein. Tilapia may have a dietary requirement for fatty acids of the linoleic (n-6) family. Tilapia appear to have similar vitamin requirements as other warm water fish species. Vitamin and mineral premixes similar to those added to catfish diets are usually incorporated in commercial tilapia feeds. The feeding behaviour of tilapia allows them to use a mash (unpelleted feeds) more efficiently than do catfish or trout, but most commercial tilapia feeds are pelletised to reduce nutrient loss. In the absence of feeds specifically prepared for tilapia, a commercial catfish feed with a crude protein content of 28 to 32 percent is appropriate in the United States.


Prevención

How can you prevent hypothermia?

When it is cold, you should wear a hat that covers the ears and warm, dry clothing. Older people and children should take extra care to prevent hypothermia by:

  • Dressing in layers and keeping warm clothes nearby
  • Keeping homes at a temperature above 68° F
  • Moving around when you feel cold so you can increase your body temperature
  • Eating and drinking warm foods and beverages
  • Wearing appropriate clothing outdoors, including hats, mittens, coats and footwear
  • Taking regular breaks and coming inside to warm up whenever spending time outside

Median Lethal Dose Limitations

While the LD50 is a useful indicator of toxicity, there are also some inherent limitations associated with this method. Such drawbacks include:

  1. Variability between testing facilities, which can produce unreliable results.
  2. Genetic variability in the tested subjects. Thus, depending on the sample population, the LD50 may vary.
  3. The route of delivery (e.g., intravenous, intermuscular, subcutaneous, etc.).
  4. Animal species used for testing. For example, a substance that is innocuous in one species could be lethal in another (e.g., chocolate is lethal to dogs but safe for humans).

1. A substance with a low LD50 is considered to be: (Multiple Choice)
UNA. Lethal at a lower dose
B. Lethal at a higher dose
C. Highly toxic
D. Minimally toxic


What isn’t known

There are still many mysteries about this virus and coronaviruses in general – the nuances of how they cause disease, the way they interact with proteins inside the cell, the structure of the proteins that form new viruses and how some of the basic virus-copying machinery works.

Another unknown is how COVID-19 will respond to changes in the seasons. The flu tends to follow cold weather, both in the northern and southern hemispheres. Some other human coronaviruses spread at a low level year-round, but then seem to peak in the spring. But nobody really knows for sure why these viruses vary with the seasons.

What is amazing so far in this outbreak is all the good science that has come out so quickly. The research community learned about structures of the virus spike protein and the ACE2 protein with part of the spike protein attached just a little over a month after the genetic sequence became available. I spent my first 20 or so years working on coronaviruses without the benefit of either. This bodes well for better understanding, preventing and treating COVID-19.

By Benjamin Neuman, Professor of Biology, Texas A&M University-Texarkana. Este artículo se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Read the original article.


Ver el vídeo: P. de Microbiología. Efecto de la temperatura sobre la supervivencia de las bacterias. Vídeo 4 (Enero 2022).