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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo A5.2 - Hipotermia y Congelación
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:1975
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Estrategias frente al frío
Separa tolerancia al congelamiento y evitación por sobreenfriamiento. La estrategia determina si la formación de hielo extracelular es aceptada o si la nucleación debe mantenerse suprimida.
Grupo 2: Grupo 2: Barrera y cinética de nucleación
La nucleación depende exponencialmente de una barrera crítica. La barrera aumenta con la tensión interfacial y cae fuertemente con el subenfriamiento, conectando temperatura con riesgo de primer cristal.
Grupo 3: Grupo 3: Nucleación heterogénea
Partículas como bacterias o polvo reducen la barrera efectiva de nucleación. Este mecanismo aumenta especialmente el riesgo de fallo del sobreenfriamiento en insectos intolerantes al congelamiento.
Grupo 4: Grupo 4: Crecimiento de la fracción congelada
Después de nuclear, la fracción congelada evoluciona sigmoidalmente. La ecuación de Avrami representa el inicio lento, la aceleración y la saturación final de la transformación de fase.
Grupo 5: Grupo 5: Anticongelantes y crioprotectores
Proteínas anticongelantes, glicerol y trehalosa deprimen el punto de congelación y amplían el margen de sobreenfriamiento. También modifican la velocidad de crecimiento de los cristales una vez iniciada la congelación.
Grupo 6: Grupo 6: Localización del hielo y daño celular
La velocidad de congelación controla la morfología y localización del hielo. Congelación lenta favorece hielo extracelular grande y deshidratación osmótica potencialmente sobrevivible; congelación rápida favorece hielo intracelular letal.
ID:1154
Grupo 1: Grupo 1: Estrategias frente al frío
Descripción
Separa tolerancia al congelamiento y evitación por sobreenfriamiento. La estrategia determina si la formación de hielo extracelular es aceptada o si la nucleación debe mantenerse suprimida.
Pregunta clave: ¿Cómo opera estrategias frente al frío?
Separa tolerancia al congelamiento y evitación por sobreenfriamiento. La estrategia determina si la formación de hielo extracelular es aceptada o si la nucleación debe mantenerse suprimida. El insecto que enfrenta temperaturas bajo cero no responde de una sola manera al frío, sino que sigue una de dos estrategias completamente distintas frente a la hipotermia y la congelación: el insecto tolerante al congelamiento permite que una parte de su agua extracelular se congele, mientras que el insecto intolerante al congelamiento hace exactamente lo contrario y evita a toda costa que el hielo llegue a formarse dentro de su cuerpo, manteniendo su agua líquida incluso por debajo del punto de congelación —un estado conocido como sobreenfriamiento. Esta barrera de energía que impide la nucleación puede, sin embargo, reducirse drásticamente si en el agua del insecto hay pequeñas partículas nucleantes, como bacterias o polvo, que le ofrecen al hielo una superficie sobre la cual formarse con más facilidad: este proceso, conocido como nucleación heterogénea, es justamente el riesgo que más amenaza al insecto intolerante al congelamiento, que depende de que esa barrera se mantenga alta para seguir sobreenfriado. Tanto el insecto tolerante como el intolerante al congelamiento cuentan, además, con defensas moleculares propias: las proteínas anticongelantes y los crioprotectores, como el glicerol y la trehalosa, deprimen el punto de congelación del agua del insecto, ampliando el margen de temperatura en el que el insecto puede seguir sobreenfriado sin que el hielo llegue a nuclear.
ID:5601
Grupo 2: Grupo 2: Barrera y cinética de nucleación
Descripción
La nucleación depende exponencialmente de una barrera crítica. La barrera aumenta con la tensión interfacial y cae fuertemente con el subenfriamiento, conectando temperatura con riesgo de primer cristal.
Pregunta clave: ¿Cómo opera barrera y cinética de nucleación?
La nucleación depende exponencialmente de una barrera crítica. La barrera aumenta con la tensión interfacial y cae fuertemente con el subenfriamiento, conectando temperatura con riesgo de primer cristal. Esa nucleación sigue una cinética altamente no lineal: la velocidad con que aparecen nuevos cristales depende exponencialmente de una barrera de energía crítica que hay que superar para que un cristal se forme, y esa barrera a su vez depende fuertemente de la tensión interfacial del agua —cuanto mayor es esa tensión, más alta es la barrera— y disminuye mucho cuanto más se enfría el agua por debajo de su punto de congelación, con más fuerza cuanto mayor es ese enfriamiento por debajo de dicho punto. Ambas estrategias del insecto dependen, en el fondo, del mismo fenómeno físico: la nucleación del hielo, es decir, el momento en que se forma el primer cristal de hielo dentro del agua del insecto. Esta barrera de energía que impide la nucleación puede, sin embargo, reducirse drásticamente si en el agua del insecto hay pequeñas partículas nucleantes, como bacterias o polvo, que le ofrecen al hielo una superficie sobre la cual formarse con más facilidad: este proceso, conocido como nucleación heterogénea, es justamente el riesgo que más amenaza al insecto intolerante al congelamiento, que depende de que esa barrera se mantenga alta para seguir sobreenfriado.
ID:5602
Grupo 3: Grupo 3: Nucleación heterogénea
Descripción
Partículas como bacterias o polvo reducen la barrera efectiva de nucleación. Este mecanismo aumenta especialmente el riesgo de fallo del sobreenfriamiento en insectos intolerantes al congelamiento.
Pregunta clave: ¿Cómo opera nucleación heterogénea?
Partículas como bacterias o polvo reducen la barrera efectiva de nucleación. Este mecanismo aumenta especialmente el riesgo de fallo del sobreenfriamiento en insectos intolerantes al congelamiento. Esta barrera de energía que impide la nucleación puede, sin embargo, reducirse drásticamente si en el agua del insecto hay pequeñas partículas nucleantes, como bacterias o polvo, que le ofrecen al hielo una superficie sobre la cual formarse con más facilidad: este proceso, conocido como nucleación heterogénea, es justamente el riesgo que más amenaza al insecto intolerante al congelamiento, que depende de que esa barrera se mantenga alta para seguir sobreenfriado.
ID:5603
Grupo 4: Grupo 4: Crecimiento de la fracción congelada
Descripción
Después de nuclear, la fracción congelada evoluciona sigmoidalmente. La ecuación de Avrami representa el inicio lento, la aceleración y la saturación final de la transformación de fase.
Pregunta clave: ¿Cómo opera crecimiento de la fracción congelada?
Después de nuclear, la fracción congelada evoluciona sigmoidalmente. La ecuación de Avrami representa el inicio lento, la aceleración y la saturación final de la transformación de fase. Una vez que la nucleación del hielo ya ocurrió, la fracción del agua del insecto que termina congelada no crece de forma constante en el tiempo, sino siguiendo una curva sigmoidal, tal como describe la ecuación de Avrami para la transformación de fase: primero avanza lento, luego se acelera, y finalmente vuelve a ralentizarse a medida que casi toda el agua disponible ya se congeló. Ambas estrategias del insecto dependen, en el fondo, del mismo fenómeno físico: la nucleación del hielo, es decir, el momento en que se forma el primer cristal de hielo dentro del agua del insecto. Esa nucleación sigue una cinética altamente no lineal: la velocidad con que aparecen nuevos cristales depende exponencialmente de una barrera de energía crítica que hay que superar para que un cristal se forme, y esa barrera a su vez depende fuertemente de la tensión interfacial del agua —cuanto mayor es esa tensión, más alta es la barrera— y disminuye mucho cuanto más se enfría el agua por debajo de su punto de congelación, con más fuerza cuanto mayor es ese enfriamiento por debajo de dicho punto.
ID:5604
Grupo 5: Grupo 5: Anticongelantes y crioprotectores
Descripción
Proteínas anticongelantes, glicerol y trehalosa deprimen el punto de congelación y amplían el margen de sobreenfriamiento. También modifican la velocidad de crecimiento de los cristales una vez iniciada la congelación.
Pregunta clave: ¿Cómo opera anticongelantes y crioprotectores?
Proteínas anticongelantes, glicerol y trehalosa deprimen el punto de congelación y amplían el margen de sobreenfriamiento. También modifican la velocidad de crecimiento de los cristales una vez iniciada la congelación. Tanto el insecto tolerante como el intolerante al congelamiento cuentan, además, con defensas moleculares propias: las proteínas anticongelantes y los crioprotectores, como el glicerol y la trehalosa, deprimen el punto de congelación del agua del insecto, ampliando el margen de temperatura en el que el insecto puede seguir sobreenfriado sin que el hielo llegue a nuclear. Qué tan dañina resulta, en definitiva, la congelación para el insecto —ya sea porque la eligió como estrategia o porque su sobreenfriamiento falló— depende sobre todo de la velocidad con que se forman los cristales de hielo dentro de su cuerpo: si la congelación avanza lentamente, se forman cristales grandes fuera de las células del insecto, que deshidratan esas células por ósmosis pero permiten que el insecto sobreviva; en cambio, si la congelación avanza rápidamente, se forman cristales dentro de las propias células del insecto, y esos cristales intracelulares resultan letales.
ID:5605
Grupo 6: Grupo 6: Localización del hielo y daño celular
Descripción
La velocidad de congelación controla la morfología y localización del hielo. Congelación lenta favorece hielo extracelular grande y deshidratación osmótica potencialmente sobrevivible; congelación rápida favorece hielo intracelular letal.
Pregunta clave: ¿Cómo opera localización del hielo y daño celular?
La velocidad de congelación controla la morfología y localización del hielo. Congelación lenta favorece hielo extracelular grande y deshidratación osmótica potencialmente sobrevivible; congelación rápida favorece hielo intracelular letal. Qué tan dañina resulta, en definitiva, la congelación para el insecto —ya sea porque la eligió como estrategia o porque su sobreenfriamiento falló— depende sobre todo de la velocidad con que se forman los cristales de hielo dentro de su cuerpo: si la congelación avanza lentamente, se forman cristales grandes fuera de las células del insecto, que deshidratan esas células por ósmosis pero permiten que el insecto sobreviva; en cambio, si la congelación avanza rápidamente, se forman cristales dentro de las propias células del insecto, y esos cristales intracelulares resultan letales. Al mismo tiempo, estas mismas moléculas modifican la velocidad con que crecen los cristales de hielo una vez que la congelación ya comenzó, dándole al insecto tolerante al congelamiento más control sobre cómo se forma ese hielo dentro de su cuerpo. Esa nucleación sigue una cinética altamente no lineal: la velocidad con que aparecen nuevos cristales depende exponencialmente de una barrera de energía crítica que hay que superar para que un cristal se forme, y esa barrera a su vez depende fuertemente de la tensión interfacial del agua —cuanto mayor es esa tensión, más alta es la barrera— y disminuye mucho cuanto más se enfría el agua por debajo de su punto de congelación, con más fuerza cuanto mayor es ese enfriamiento por debajo de dicho punto.
ID:5606