Resumen

La degradación de la tierra consiste en una serie de actividades como la conversión de los bosques a cultivos y la tala, que generan emisiones de gases de efecto invernadero (gei), originan la pérdida o sustitución de especies y en consecuencia promueven el cambio climático. Para mitigar las emisiones de los principales gei la captura de carbono en el suelo es importante, ya que es uno de los mecanismos que permite reducir la concentración de carbono en la atmósfera. En este sentido, los bosques templados (bosques de pino, bosques de pino-encino y bosques de encino) ofrecen un gran servicio ecosistémico capturando y protegiendo el carbono almacenado. Por ejemplo, los bosques templados del estado de Michoacán representan almacenes importantes de carbono a nivel nacional, donde los bosques de encino son los que tienen la mayor cantidad de carbono almacenado por unidad de área. Desafortunadamente, las especies de encino que habitan estos bosques podrían desaparecer o disminuir su distribución debido a los cambios de temperatura y precipitación producidos por el cambio climático. Sin embargo, aún estamos a tiempo para implementar acciones para mitigar, restaurar y rehabilitar los bosques templados de México y combatir el cambio climático.
Palabras clave: carbono, degradación, encinos, servicios ecosistémicos, suelo.

Forests of Michoacán: guardians of carbon against climate change

Abstract

Land degradation consists of a series of activities such as the conversion of forests to crops and logging, which generate greenhouse gas (ghg) emissions, cause the loss or replacement of species, and consequently promote climate change. To mitigate emissions of the main ghgs, carbon capture in the soil is important, since it is one of the mechanisms that allow for the reduction of carbon concentration in the atmosphere. In this sense, temperate forests (pine forests, pine-oak forests, and oak forests) offer a great ecosystem service by capturing and protecting stored carbon. For example, the temperate forests of the state of Michoacán represent important carbon stores at the national level, where oak forests are those with the greatest amount of carbon stored per unit area. Unfortunately, the oak species that inhabit these forests may disappear or experience a decrease in their distribution due to changes in temperature and precipitation produced by climate change. However, we still have time to implement actions to mitigate, restore and rehabilitate Mexico’s temperate forests and combat climate change.
Keywords: carbon, degradation, ecosystem services, oaks, soil.

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El papel vital de los bosques en la mitigación del cambio climático

Recientemente hemos escuchado en la radio, televisión y redes sociales que el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (ipcc) publicó el sexto informe sobre el cambio climático global (ccg), donde analizan las acciones que contribuyen al cambio climático, así como aquellas acciones que podrían contrarrestarlo (mitigación). El ipcc es un grupo de científicos de todo el mundo —incluyendo mexicanos—, convocados por la Organización de las Naciones Unidas (onu) para monitorear y evaluar la información que existe a nivel global relacionada con el ccg. En la última reunión llevada a cabo en 2019 establecieron que la degradación de la tierra es un factor impulsor importante del cambio climático (Olsson et al., 2019).

En este sentido, los científicos definieron a la degradación de la tierra como una tendencia negativa en las condiciones del planeta, causada por procesos —directos o indirectos— provocados por las actividades humanas, es decir, aquellas actividades como la conversión de los bosques a cultivos, la tala ilegal, el uso no sostenible de productos y servicios forestales, que al generar emisiones de gases de efecto invernadero, causan la pérdida o sustitución de especies y contribuyen al proceso de cambio climático, disminuyendo la capacidad de los ecosistemas de proporcionar servicios ecosistémicos esenciales para los humanos.

Los bosques proveen a las sociedades de múltiples beneficios que se pueden dividir en cuatro categorías (Millennium Ecosystem Assessment, 2005): 1) regulación de las condiciones en las cuales vivimos (clima, plagas, enfermedades); 2) provisión de bienes (alimentos, agua, madera); 3) beneficios culturales (actividades de ecoturismo, herencia, identidad); y 4) soporte, que se refiere a los procesos ecológicos básicos que permiten la provisión del resto de los servicios como son el ciclo hidrológico, el mantenimiento de la biodiversidad y los ciclos biogeoquímicos. Estos ciclos son aquellos procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el entorno ambiental hacia diferentes organismos y luego a la inversa.

Los seis elementos más comunes en las moléculas orgánicas son el carbono (c), nitrógeno (n), hidrógeno (h), oxígeno (o), fósforo (p) y azufre (s), que pueden estar en una variedad de formas químicas (Espinosa-Fuentes et al., 2015). Estos elementos están almacenados en la atmósfera, la tierra, el agua y en los seres vivos, y cada uno posee su propia ruta de circulación. Si bien todos los elementos mencionados son importantes, el c es considerado el elemento principal para los seres vivos. De hecho, los combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo, provienen de compuestos de carbono de organismos que quedaron almacenados en los estratos de la tierra. Al quemar los combustibles fósiles para obtener energía, se libera un gas llamado dióxido de carbono (co₂) que se acumula en la atmósfera, el cuál atrapa el calor del planeta, promoviendo el efecto invernadero. La acumulación en la atmósfera de este y otros gases de efecto invernadero como el metano, el óxido nitroso y gases fluorados, provocan cambios en los climas del planeta y consecuentemente el calentamiento global (Espinosa-Fuentes et al., 2015).

Uno de los almacenes de c más importantes es el suelo (Figura 1), una estimación aproximada indica que el 44% del c de los bosques del mundo se encuentra en el suelo (Pan et al., 2011). Por otro lado, el c en el suelo es aproximadamente tres veces más que el almacenado en la atmósfera. El almacén que le sigue en importancia es el de biomasa aérea —tronco, ramas y hojas de árboles y arbustos— con un 42%, la madera muerta con un 8% y por último el mantillo (5%) (Pan et al., 2011). El carbono en los suelos puede encontrarse en forma orgánica e inorgánica. El c orgánico del suelo se encuentra en forma de residuos orgánicos de plantas, animales y humus. La humificación de la materia orgánica implica la participación de los microrganismos del suelo —bacterias, algas y hongos—, en la transformación de los compuestos orgánicos, mejorando la estructura del mismo. Este proceso conlleva la captura de c disminuyendo así la emisión de co₂ a la atmósfera. Por su parte el c inorgánico del suelo proviene de diversos minerales —como la calcita, dolomita y aragonita entre otros— provenientes de la degradación de la roca madre o de procesos pedogenéticos —procesos de formación del suelo—, que finalmente, conducen a la retención del co₂ atmosférico (Ayala-Niño et al., 2018).

Figura 1. Almacenes de carbono en el ecosistema. Dióxido de carbono (co₂) y oxígeno (o₂). El carbono esta señalado de color amarillo.
Crédito: elaboración propia en Biorender.

Pero ¿por qué es importante la captura de c en el suelo? Uno de los mecanismos que permiten reducir la concentración de c en la atmósfera, es mediante su captura en el suelo y por lo tanto, mitigar las emisiones de los principales gei (Galicia et al., 2016). En este sentido, los ecosistemas forestales ofrecen un gran servicio ecosistémico al capturar y preservar el carbono.

La vegetación de un bosque —árboles, arbustos y hierbas— realizan el proceso de fotosíntesis en las hojas, capturando co₂ y liberando oxígeno a la atmósfera. Una vez que estas hojas dejan de estar activas, caen al suelo y pasan a formar parte de la hojarasca. La hojarasca representa el proceso de transferencia de nutrientes de las hojas hacia el suelo. Una vez acumulada la hojarasca, pasa a formar una capa llamada mantillo que cumple la función de cubrir y proteger al suelo de los cambios de temperatura y humedad, hasta que se desintegra (Pan et al., 2011). El tiempo que tarda en ocurrir este proceso depende de las condiciones climáticas, la especie de la que proviene y la composición química de las hojas, los microorganismos e invertebrados que participen y el tipo de suelo (Chávez-Vergara et al., 2015).

Sin embargo, el tipo de vegetación es un factor muy importante por considerar, ya que los científicos estimaron que existen diferencias entre los bosques tropicales y los bosques templados. Los bosques tropicales están formados por diversas especies que dependiendo de la duración de sus hojas se consideran perennifolias —menos del 25% de las especies pierden sus hojas—, subperennifolias —25 a 50% de las especies pierden las hojas—, subcaducifolias —50 a 75% de las especies pierden las hojas— o caducifolias —más del 75% de las especies pierden sus hojas—. Los bosques tropicales se ubican en sitios cálidos y lluviosos durante todo el año (Rzedowski, 2006). Por su parte, los bosques templados son ecosistemas subhúmedos a templado húmedos, que se distribuyen en latitudes medias y en zonas montañosos. Los bosques templados están compuestos por árboles perennifolios —que retienen sus hojas por casi un año como los pinos— y árboles caducifolios que pierden las hojas en temporada de secas (como los encinos) de manera coordinada o por partes para evitar la pérdida de agua y luego desarrollan hojas nuevas, por lo que se acumula la hojarasca y el mantillo en el suelo.

Estas diferencias hacen que los bosques tropicales tengan su principal almacén en los árboles y otras formas vegetales, mientras que en el suelo almacenan el 32% del c, a diferencia de los bosques templados que almacenan en el suelo el 60% del c total y principalmente como materia orgánica humificada (García-Oliva et al., 2006; Pan et al., 2011). Esto es muy importante porque los cambios en el c orgánico del suelo y los flujos de c en los bosques son el resultado de cambios a escala local generados por las actividades humanas, tales como el cambio de uso de suelo, el manejo forestal, los incendios, y el cambio de las especies vegetales nativas (Galicia et al., 2016).

Los bosques templados en México

Los bosques templados en México son comunidades dominadas por árboles como los pinos —especies del género Pinus—, encinos o robles (Quercus), oyameles (Abies) y otras coníferas que se distribuyen en zonas montañosas con clima subhúmedo templado a frío y que cubren alrededor del 20% del territorio nacional (Rzedowski, 2006). Dependiendo de las especies dominantes se puede llamar bosque de pino, bosque de encino, bosque de oyamel e incluso bosque de pino-encino, lo que determinará un papel central en el funcionamiento del ecosistema.

Los bosques templados se establecen sobre diversos tipos de suelo —cerca de 23 tipos de suelo en México—, siendo los andosoles los que poseen la mayor capacidad de almacenar c debido a sus características físicas y químicas de sus minerales (Galicia et al., 2016). Los andosoles son suelos desarrollados en depósitos volcánicos —como ceniza volcánica, piedra pómez, y lava— y/o en materiales piroclásticos, que se encuentran en las regiones subhúmedas y húmedas, y aunque no son tan abundantes respecto a otros tipos de suelos en el país —abarcan el 1.3 % de superficie relativa en México—, son muy frecuentes en los bosques templados mexicanos (Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, 2007).

Uno de los estados del México con mayor cobertura forestal es el estado de Michoacán, que alberga diferentes tipos de vegetación; en las zonas templadas y montañosas se distribuyen bosques de oyamel, pino, encino y pino-encino, mientras que en las zonas cálidas del estado se encuentra el bosque tropical caducifolio y subcaducifolio (Takaki Takaki et al. 2019).

Un estudio reciente encontró que los bosques templados del estado de Michoacán representan importantes almacenes de C a nivel nacional. Los resultados de este trabajo muestran que los bosques michoacanos pueden almacenar 727,001 Gg de c en la biomasa aérea —tronco, ramas y hojas— y en el suelo, este último contiene el 75% de este valor (García-Oliva et al., 2019). Asimismo, encontraron que los bosques primarios de encino son los que tienen la mayor cantidad de c almacenado por unidad de área. Sin embargo, si se considera el área que ocupa cada tipo de bosque, los bosques de pino-encino contienen 45,891 Gg, lo que representa 25.6% del contenido total del C en la biomasa aérea de los bosques michoacanos, seguido por los bosques de pino con 34,488 Gg, representando 19.2% del total (García-Oliva et al., 2019) (Figura 2).

Figura 2. Bosque de pino-encino en El Área de Protección de flora y fauna Pico de Tancítaro en Tancítaro, Michoacán.
Crédito: Maribel Arenas Navarro.

Los bosques templados enfrentan diferentes amenazas, han sufrido una intensa deforestación histórica, ocasionando que disminuyan en su extensión, número de especies, capacidad de ofrecer servicios ecosistémicos, que además se traduce en emisiones de gei por pérdida de biomasa.

Los escenarios de cambio climático a futuro —basados en análisis de la variación climática global— para el estado de Michoacán, prevén un incremento en temperatura, la disminución en la precipitación y la irregularidad en los eventos meteorológicos, lo que tendrá gran impacto en la vegetación provocando un cambio en los ecosistemas (Sáenz-Romero et al., 2019). La combinación de estos factores tendrá como consecuencia un aumento en la aridez, provocando estrés en las plantas al estar en condiciones que ya no son las adecuadas. Aunado a esto, para el año 2090 se proyecta una reducción del 95.8% en el hábitat propicio para los bosques de coníferas (pinos y oyamel) del estado y un 78.7% para los bosques de encino (Saénz-Romero et al., 2019). Particularmente, las proyecciones de ccg han revelado que especies de encino como Quercus sideroxyla podrían desaparecer del estado (Rodríguez-Correa et al., 2019), por lo que se debe actuar para evitar la pérdida de especies y los servicios ambientales que brindan (Figura 3).

Figura 3. Degradación del bosque templado. A) Tala ilegal y B) Monocultivo de aguacate en Michoacán. Al fondo se observan los encinos.
Crédito: Maribel Arenas Navarro

Otra amenaza es la deforestación y su transformación en terrenos para ganadería, agricultura o urbanización (Denvir et al., 2022). En las últimas décadas la expansión del aguacate en el estado incluye la deforestación y la fragmentación de bosques nativos. A medida que los bosques son reemplazados por huertas de aguacate, las áreas forestales se han vuelto cada vez más aisladas creando un paisaje de cultivo relativamente homogéneo en algunas partes de la región provocando un impacto en la biodiversidad, el suelo, el agua y el c de los ecosistemas (Denvir et al., 2022). El almacenamiento de c se ve directamente afectado negativamente por el cambio de uso del suelo, ya que se ha encontrado que los bosques menos perturbados tienen mayores reservas de c que los bosques degradados y las tierras convertidas a la agricultura extensiva (Ordóñez et al., 2018).

Conservación y manejo de los bosques

La pérdida de servicios ecosistémicos en los bosques del estado de Michoacán coincide con lo observado a nivel global; sin embargo, es posible implementar acciones para mitigar, restaurar y rehabilitar el deterioro adoptando alternativas de producción y aprovechamiento sustentables. Los programas de restauración en los que utilizan especies nativas (especies de esa zona) conjuntamente con la participación de la sociedad, han sido exitosas en bosques de otras partes del mundo (Olson et al., 2019). Las reforestaciones planeadas y con un diseño integral, han obtenido un buen desempeño al mejorar el aspecto económico de las regiones rurales, contribuyendo a la reducción del riesgo de desastres naturales y al aumento de la captura de carbono. Asimismo, fomentar la regeneración natural en los bosques, evitar los monocultivos extensivos y mantener monitoreada la salud del suelo, son actividades que pueden ayudar al manejo sustentable de los bosques. En este sentido, una mejor gestión de los suelos en los bosques puede compensar entre el 5% y el 20% de las emisiones globales actuales de gei causadas por las actividades humanas (Pan et al., 2011).

En general, para evitar la degradación de los bosques se debe de empezar por realizar actividades de gestión, políticas de mitigación, prácticas climáticamente inteligentes adaptadas al contexto y a las necesidades locales, restauración y rehabilitación a escala local, que promuevan los servicios ecosistémicos que generan los suelos y los bosques. Una mejor comprensión del papel del suelo de los bosques templados en la dinámica del c en los ecosistemas forestales y de los mecanismos responsables de los cambios de esta dinámica, es fundamental para la implementación de políticas de mitigación. Adoptar prácticas sustentables para el manejo del suelo, y prevenir la degradación de la tierra es clave para aprovechar todo su potencial y así mantener la producción de alimentos, el suministro de agua limpia, el almacén de c, la protección de la biodiversidad y una mayor resiliencia al cambio climático.

Referencias

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Recepción: 15/12/2022. Aprobación: 01/11/2023.

Resumen

¿Cómo se obtienen los nuevos fármacos? ¿De dónde salen nuevos productos para descontaminar un lago o el suelo? Las plantas y los microorganismos producen millones de moléculas que pueden tener una de estas importantes aplicaciones biotecnológicas. Hasta hace unos años, la caracterización biotecnológica era un proceso costoso y complicado. Sin embargo, la revolución de la bioinformática trajo consigo las bases de datos biológicas que, en conjunto con el desarrollo de la tecnología, han permitido el diseño y desarrollo de algoritmos para conocer la función biológica de un compuesto. Gracias a ello, actualmente se puede predecir la actividad biológica de una gran variedad de moléculas antes de emprender un experimento en el laboratorio. El objetivo de este artículo es compartir cómo es que se pueden caracterizar productos naturales, como fármacos, desde una computadora personal, utilizando bases de datos pertinentes y métodos computacionales in silico, para después comprobar la actividad biológica con pruebas in vitro.
Palabras clave: base de datos, in silico, acoplamiento molecular, productos naturales, bioinformática.

Is it possible to identify new drugs from your computer?

Abstract

How are new drugs obtained? Where do new products to decontaminate a lake or soil come from? Plants and microorganisms produce millions of molecules that can have one of these important biotechnological applications. Until a few years ago, biotechnological characterization was an expensive and complicated process. However, the bioinformatics revolution brought with it biological databases that, in conjunction with the development of technology, have allowed the design and development of algorithms to know the biological function of a compound. Thanks to this, it is now possible to predict biological activities from a wide variety of molecules, before undertaking an experiment in the laboratory. The objective of this article is to share that it is possible to characterize natural products, such as drugs, from a personal computer, using relevant databases and in silico computational methods, and then verify the biological activity with in vitro tests.
Keywords: databases, in silico, molecular docking, natural products, bioinformatics.

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Introducción

—Hace un año, trabajé en un proyecto para la biorremediación1 del río Atoyac, en Puebla, México. Entre los contaminantes de este río, están los tintes usados en la industria textil, que son altamente tóxicos y poco degradables. Para llevar a cabo dicha biorremediación, los investigadores querían utilizar bacterias que produjeran enzimas capaces de reducir estos compuestos tóxicos. El problema era que no estaban seguros si las enzimas producidas por las bacterias eran capaces de reaccionar de manera específica con esas moléculas. Entonces, mi trabajo fue realizar computacionalmente un acoplamiento molecular de las enzimas bacterianas2 propuestas con cada una de las moléculas tóxicas seleccionadas. Así, si la afinidad de unión3 entre la enzima y el compuesto era buena, quería decir que la enzima era capaz de reducir el compuesto (ver video 1). Una vez realizada la propuesta, el grupo de investigación recopiló los análisis y diseñó un sistema bacteriano capaz de degradar esos compuestos (Acevedo et al., 2021).

Video 1. Resultado de una simulación dinámica realizada en GROMACS a 10 ns de Pseudomonas putida y el compuesto azoico azul índigo.
Crédito: el resultado se elaboró y visualizó con el software Visual Molecular Dynamics (VMD).

El anterior testimonio, perteneciente a una estudiante de la Licenciatura en Biología, es la punta del iceberg sobre lo que se puede hacer o predecir desde una computadora. En los últimos años, la demanda por los métodos computacionales en numerosas investigaciones ha ido creciendo y, con ello, la importancia de hacer más accesible la bioinformática y la biología computacional en el descubrimiento de nuevos compuestos activos. Por ello, en este artículo se describen métodos computacionales generales para la caracterización biotecnológica. Esto incluye el concepto de acoplamiento molecular de enzimas y ligandos, junto con los pasos que se siguen para llevar a cabo este análisis computacional.

Fuentes de nuevos compuestos y cómo analizar grandes volúmenes de datos

Los productos naturales (pn), en un sentido amplio, se refieren a cualquier parte, biomolécula (como las enzimas o proteínas) o compuesto químico (también llamado metabolito secundario) obtenidos de un ser vivo, como una planta o un microorganismo (Sarker y Nahar, 2012). Una de las aplicaciones más importantes de los pn es en biotecnología ambiental, específicamente en la biorremediación. Las plantas y microorganismos tienen un papel fundamental en el reciclaje de carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. Al mismo tiempo, sus pn son capaces de degradar compuestos contaminantes más complejos como los provenientes de las actividades industriales. Las principales aplicaciones de estos pn son el tratamiento de aguas residuales, degradación de xenobióticos4 y petroquímicos (Glazer y Nikaido, 2007). Este tipo de moléculas pequeñas, como los contaminantes o los metabolitos secundarios, se convierten en ligandos cuando interaccionan con las biomoléculas, como las proteínas.

Al recopilar una vasta información taxonómica, molecular, genética, metabólica y toxicológica de pn se ha generado la necesidad de almacenar y poner a disposición grandes volúmenes de datos. El surgimiento de las bases de datos (bd) permitió resolver este problema de almacenamiento y mejoró la disponibilidad de datos biológicos. Hoy en día, la bioinformática es esencial para manejar y comprender esta información. El uso de diferentes métodos que combinan algoritmos, lenguajes de programación, programas y otras herramientas han dado lugar a lo que se conoce como análisis in silico (Cañedo-Andalia y Arencibia Jorge, 2004). Esto quiere decir que se analizan en la computadora las interacciones entre diferentes pn. Con la información que nos proveen las bd es posible predecir la actividad de un pn en tres etapas básicas (ver figura 1).

Figura 1. Cómo caracterizar productos naturales activos desde tu computadora, en tres sencillos pasos: 1) conocer las bases de datos, 2) aprender y analizar mediante un método computacional, y 3) corroborar el resultado in silico con un experimento in vitro.
Crédito: imágenes y vectores de Freepik.com.

Paso 1. Bases de datos de productos naturales y de actividad biológica

Las bd de productos naturales cambian de acuerdo con la zona geográfica, tipo de organismo (hierbas, plantas vasculares, cactáceas, etcétera), propiedad biológica, uso y aplicación (antibióticos, anticancerígenos, suplementos alimenticios, entre otros), compuestos químicos o proteínas. Otro tipo de bd son como bibliotecas virtuales que resguardan artículos especializados y permiten acceder a información relevante para elegir un modelo de estudio. Las bd enfocadas en actividad biológica almacenan propiedades de interacción entre moléculas (compuestos químicos-proteínas-genes). La actividad biológica es el potencial que tiene una molécula para llevar a cabo una función, por ejemplo, su uso contra una determinada enfermedad (Jackson et al., 2007). Algunas bd reportan datos como concentraciones inhibitorias, dosis efectivas y dosis letales o tóxicas. La mayoría de las bd son de acceso libre (algunos ejemplos se encuentran en el cuadro 1), otras son exclusivas para investigadores y requieren de un registro. También existen bd con un costo, las cuales, en su mayoría son generadas para la industria farmacéutica.

Paso 2. Métodos computacionales: el acoplamiento molecular

El acoplamiento molecular es una predicción de las interacciones entre dos pn: un ligando (molécula pequeña) y una proteína. Los primeros acoplamientos moleculares se basaron en métodos qsar (relaciones cuantitativas estructura–actividad, por sus siglas en inglés) (Ekins et al., 2007). Estos métodos utilizaban computadoras con procesadores hechos de silicio para estimar la actividad biológica de las moléculas; por ello a estos análisis se les llamó in silico. Las primeras predicciones con computadoras usaban modelos matemáticos que relacionaban una estructura con una propiedad fisicoquímica o una actividad biológica, siguiendo como principio la estadística. El primer registro de un fármaco con un diseño in silico es el mesilato de nelfinavir, usado para inhibir una proteína del Virus de Inmunodeficiencia Humana (vih) (Meza Menchaca et al., 2020).

Después surgieron metodologías de acoplamiento basadas en descriptores, reglas, conocimiento, ligandos, objetivos, afinidad virtual, entre muchas otras (Ekins et al., 2007). Dentro de las más usadas se encuentran aquellas que dependen de la disponibilidad de información estructural. Por esta razón, durante un tiempo, los científicos se concentraron en experimentos con las estructuras 3D de proteínas. Todas estas metodologías condujeron a la creación de múltiples interfaces y softwares de afinidad virtual (ver video 1).

Gracias a las numerosas metodologías, se han descubierto inhibidores y dianas terapéuticas que han servido para probar diferentes ligandos que prometen ser futuros fármacos. Es fascinante el control en tiempo récord de brotes de enfermedades a partir de la identificación de compuestos bioactivos y su afinidad a las dianas terapéuticas (Meza Menchaca et al., 2020). Un ejemplo bastante familiar fue la búsqueda de fármacos para el tratamiento de covid-19, donde el acoplamiento molecular fue “el rey de los métodos computacionales” (Pavan y Moro, 2023).

El acoplamiento molecular ha evolucionado de manera que nos ha permitido reportar y comprobar interacciones de distinta naturaleza, como interacciones ligando-proteína (ver figura 2 y video 1), proteína-proteína, adn-ligando, adn-proteína, sólido-proteína, sólido-ligando, entre otras (Dar y Mir, 2017).

Figura 2. Acoplamiento molecular proteína-ligando. La estructura terciaria de la proteína está marcada en verde y la molécula pequeña (ligando) en rojo. Visualización con el programa PyMol donde, utilizando los botones de los apartados marcados, se puede eliminar las moléculas de agua (paso (d)) y observar las interacciones del acoplamiento (paso (g)).

¿Cómo se puede llevar a cabo un análisis de acoplamiento molecular?

La metodología para realizar los acoplamientos moleculares puede resumirse en siete pasos (ver listado a – g), lo que requiere diferentes bd y programas computacionales (ver figura 1). Cabe destacar que esta secuencia puede considerarse como una receta básica general, pero cada bioinformático la modifica y adapta según sus objetivos y lo que intenta analizar.

1. Obtención de estructuras. Consulta de diferentes bd para descargar las estructuras 3D de las moléculas para el acoplamiento (ver figura 1 y tabla 1).
2. Búsqueda de dominios funcionales. Una proteína puede tener dominios funcionales5 compartidos con varias familias proteicas, pero esto no significa que mantengan su función biológica. De esta manera, se consultan los dominios funcionales, se anotan y, después del acoplamiento molecular, se verifica si la unión sucedió dentro de estos dominios.
   Dominios funcionales. Secuencias de aminoácidos iguales que pueden encontrarse en proteínas similares a las de nuestra consulta.
3. Exploración de sitios activos. Las proteínas contienen sitios específicos donde otras moléculas pueden unirse y llevar a cabo su función biológica. A estos sitios se les conoce como bolsillos de unión o sitios activos. Éstos se muestran como cavidades en las estructuras 3D de las proteínas donde entrará el ligando.
4. Minimización energética de moléculas. A veces las moléculas 3D contienen moléculas de agua u otras con metales pesados. Éstas pueden interferir en el acoplamiento molecular y deben eliminarse. Después, se minimiza la energía de las moléculas 3D para corregir distorsiones o tensiones, reducir el movimiento y garantizar una estructura estable (ver figura 2).
5. Acoplamiento molecular. En este paso se seleccionan los aminoácidos que conforman el sitio activo de la proteína y se realiza el acoplamiento molecular de los ligandos (ver figura 2).
6. Análisis de resultados. El acoplamiento molecular arrojará varios resultados, pero los más importantes son la energía de enlace (describe la fuerza de interacción proteína-ligando) y el score o puntuación de acoplamiento (refleja la calidad de la unión). Mientras menores sean estos valores, más probable es que la función biológica se cumpla.
7. Visualización de interacciones. Se observan las interacciones intermoleculares (fuerzas de van der Waals, interacciones iónicas, etcétera). También se verifica si la unión sucedió dentro de los aminoácidos que conforman los dominios funcionales del paso b (ver figura 2).

¿Por qué se realizan los pasos de minimización y medición de energías en las biomoléculas? Como puede observarse en el video 1, estas biomoléculas no son rígidas y estáticas como rocas. Su interacción con los ligandos para predecir una posible actividad biológica tampoco es como armar legos. Más bien, tienen unas partes que les dan estructura y otras que son como resortes en movimiento. Entonces, se usan ecuaciones matemáticas para predecir cómo se mueven estos resortes, qué carga tienen y cómo interactúan con los ligandos o las moléculas de agua. Justo con las herramientas computacionales se pueden hacer estos cálculos matemáticos y probar muchas condiciones y ligandos de manera eficiente y muy cercana a la realidad.

Paso 3. ¿Análisis in silico o análisis in vitro?

Un experimento in vitro es aquel donde se comprueba si un pn es activo. Se utilizan placas o cajas plásticas o de vidrio (de ahí el término in vitro) y, para que sea válido, se requieren múltiples repeticiones de una misma prueba. Entonces, si ya se realizó el análisis in silico, ¿es necesario realizar un experimento in vitro? ¿Cuándo es necesario hacer un análisis in silico o uno in vitro? Es normal plantearse estas preguntas y la respuesta es más sencilla de lo que parece. Cuando se reporta un nuevo compuesto con determinada actividad para resolver un problema médico o ambiental es común ver un análisis in vitro, en el que el compuesto fue probado a diferentes concentraciones. Sin embargo, los análisis in vitro no revelan la interacción que existe entre los compuestos y, por tanto, no tenemos conocimiento sobre porqué es efectivo y las posibles alternativas. Las investigaciones que usan herramientas in silico permiten entender, en un menor tiempo, la interacción entre compuestos. Por lo tanto, el análisis in silico es un complemento de los análisis in vitro.

El futuro está en las computadoras

En la actualidad, se puede utilizar una computadora personal para dar los primeros pasos en el descubrimiento de compuestos activos a través del acoplamiento molecular. Además, gracias a internet, podemos acceder vía remota a múltiples bd y programas bioinformáticos. Sin embargo, ésta es una visión reducida del potencial que tienen los métodos computacionales. En análisis masivos de datos in silico es ideal la independencia de la web. Para esto se usan computadoras de alta gama que tienen miles de gb de memoria, cientos de tb de almacenamiento y decenas de núcleos de procesamiento. Estos equipos suelen estar conectados entre sí formando clusters,6 que pueden analizar cientos de procesos bioinformáticos al mismo tiempo de manera eficiente.

Conclusión

Aún nos queda mucho por descubrir, pero, gracias a la bioinformática y la biología computacional, los descubrimientos están siendo mucho más rápidos que nunca. En general, los bioinformáticos descubren fármacos desde su computadora en tres pasos: a) conociendo bd sobre organismos y compuestos activos, b) usando métodos computacionales como el acoplamiento molecular y c) combinando métodos in silico e in vitro.

¿Cuáles son las nuevas tendencias y el futuro de esta área de la biología computacional? Debido a la gran cantidad de datos que actualmente existen, conocidos como big data, los investigadores y las compañías farmaceúticas ya están usando inteligencia artificial (ia) para analizar toda esta información molecular. Lo anterior les permite predecir de manera muy precisa nuevas estructuras, lo que ahorra tiempo y dinero. Además, el avance en el desarrollo de métodos computacionales en general se enfoca en abordar los principales retos en esta área, como la alta flexibilidad de las biomoléculas y la lentitud en la unión-disociación de las mismas. Sin embargo, hay temas que aún necesitan respuesta, como el entendimiento de los mecanismos de reacción, los procesos termodinámicos y la cinética de las interacciones moleculares, entre otros.

Referencias

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Recepción: 18/10/2022. Aprobación: 01/11/2023.

Resumen

Los ácaros son arácnidos muy diversos y abundantes, de tamaño muy pequeño, que viven en todos los ambientes en el mundo; forman parte de la biodiversidad del planeta y tienen importancia en muchas áreas de nuestra vida. En México su conocimiento incluye aspectos culturales, aplicados a nombres de lugares y a tradiciones orales como los refranes. En particular, pueden ser testigos de un crimen al aportar información sobre su presencia en un cadáver. Su estudio lo llevan a cabo especialistas, acarólogas(os) forenses, que ayudan a resolver casos médico-legales, de productos almacenados, entre otros. En México la aplicación y estudio de la acarología forense se encuentra en franco desarrollo, por lo que es de suma importancia conocer los aportes de esta disciplina para la procuración de justicia. En la actualidad, varios grupos de trabajo están incursionando en esta área y en la Universidad Nacional Autónoma de México (unam) está alojada la Colección de Artrópodos de Referencia Forense (carf), la cual permite la vinculación con diversas instancias tanto académicas como de justicia en el país.
Palabras clave: astigmata, foresia, médico-legal, mesostigmata, acarología forense.

Forensic acarology: mite knows more for being old than for being a mite

Abstract

Mites are arachnids of small size, very diverse and abundant; they live in all types of environments in the world, they are part of the planet’s biodiversity and are important in many aspects of our lives. In Mexico, their knowledge includes cultural aspects, applied to place names and oral traditions such as proverbs. In particular, they can be witnesses to a crime by providing information about their presence in a corpse. Their study is carried out by a specialist, the forensic acarologist, who helps resolving medico-legal cases, cases of stored products, among others. In Mexico the application and study of forensic acarology is in full development, hence the importance of knowing the contributions of this discipline as an element for the administrations of justice. Currently, several working groups are venturing into this area; the National Autonomous University of Mexico (unam) houses the Forensic Reference Arthropod Collection (carf), which allows links with various academic and justice institutions in the country.
Keywords: astigmata, phoresy, medico-legal, mesostigmata, forensic acarology.

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Ácaros biodiversos y culturales

México, además de ser megadiverso en sus recursos bióticos, también lo es en sus recursos culturales. Los ácaros no son la excepción; estos arácnidos, parientes de las arañas y alacranes, se encuentran prácticamente en todos los ambientes del planeta. La gran mayoría de ellos son microscópicos, como los del polvo, pero otros pueden llegar a tomar grandes dimensiones, como las garrapatas. Los podemos encontrar en cuevas, en el suelo y debajo de él y en cuerpos de agua como ríos, lagunas y mares. También están sobre y dentro de animales: entre el pelo de los mamíferos, las plumas de las aves, las escamas de los reptiles o la piel de los anfibios; en otros arácnidos, como escorpiones o arañas, y sobre insectos, como mariposas, escarabajos y mosquitos. En el mundo se conocen aproximadamente 55,000 especies y para México se sabe de cerca de 2 600, de acuerdo con el último conteo llevado a cabo por la Dra. Tila M. Pérez y colaboradores en el año 2014.

La diversidad de los ácaros no sólo se da desde la perspectiva biológica, sino también en cómo son percibidos dentro de la cultura mexicana. Este enfoque de estudio es nuevo y se conoce como etnoacarología . De acuerdo con el trabajo de Angel Herrera Mares de 2022, los ácaros aparecen en algunos aspectos culturales de México como la toponimia, es decir, el estudio de los nombres propios de los lugares. De la misma forma, en su vida diaria, las personas reconocen, nombran e identifican aspectos sobre la biología, temporalidad, ecología y distribución de los ácaros.

Por ejemplo, en el norte de Puebla, a las ninfas1 y adultos de los ácaros terciopelo se les conoce como “angelitos”, porque consideran que llegan desde el cielo en épocas cercanas a la temporada de lluvias. Esta observación empírica tiene una base en la biología de estos ácaros, ya que durante este período es cuando emergen del suelo en la búsqueda de alimento y pareja. El reconocimiento y asignación de un nombre es importante para algunas disciplinas como las ciencias biológicas, veterinarias y forenses, ya que esos nombres comunes permiten una mayor y eficiente obtención de información sobre la historia de vida de los ácaros en las áreas de estudio, lo cual ayuda a limitar su búsqueda a huéspedes, plantas y sustratos específicos.

Por último, los ácaros aparecen en las tradiciones orales y escritas de los pueblos, así como en los refranes, por ejemplo, en “Más viejo que la sarna”, la enfermedad de la que se habla es producida justamente por ácaros. Además, el refrán “Más sabe el diablo por viejo que por diablo” podría tener una connotación acarológica si se habla de cuestiones forenses.

Pequeños testigos para grandes respuestas

Dentro de las ciencias forenses, en las últimas décadas, ha aumentado el interés en el estudio de los insectos encontrados sobre los cadáveres, como los escarabajos y moscas en los distintos estados de descomposición del cuerpo. Estos insectos aparecen en distintas fases que pueden ayudar a los médicos forenses a poder determinar, de manera aproximada, el tiempo que ha ocurrido desde la muerte del individuo hasta el momento en el que es encontrado (ver figura 1).

Figura 1. Las cinco etapas o fases de la descomposición cadavérica.
Crédito: elaboración propia.

Al estudio de los insectos desde esta perspectiva se le conoce como entomología forense . Uno de los precursores de esta ciencia fue el médico veterinario de origen francés Jean Pierre Mégnin, quien publicó en 1894 la obra La fauna de los cadáveres: aplicación de la entomología en la medicina legal. En esta obra, Mégnin propuso ocho escuadras u oleadas de animales particulares que aparecían en las distintas fases de descomposición del cuerpo, siendo la sexta la correspondiente a los ácaros.

Entonces, ¿los ácaros no son arácnidos, sino insectos? No, pero mucho del trabajo realizado en la acarología ha sido acompañado por estudios enfocados en entomología. Debido a su pequeño tamaño, muchos de los primeros trabajos en acarología forense iniciaron con el estudio de los ácaros encontrados sobre insectos como escarabajos o moscas que llegan a un cadáver de inmediato (ver figura 2A-C). Estos ácaros son encontrados generalmente realizando foresia , que es la asociación ecológica en la que un organismo, generalmente pequeño (conocido como foronte ) utiliza a otro más grande como transporte (conocido como huésped ). En esta relación, el foronte se beneficia del huésped, pero no le causa ningún daño directo. Las y los acarólogos forenses suelen colectar a estos organismos y su sexo, estado de desarrollo y tamaño de la población les permiten calcular el tiempo que ha transcurrido desde la muerte hasta el hallazgo del cuerpo. Además, en algunos casos se pueden utilizar para determinar la contaminación de alimentos, rastrear sustancias, la desaparición de personas y casos de negligencia médica. ¡Quién diría que un animal tan pequeño pudiera aportar datos tan grandes!

Figura 2. A. Ácaros encontrados bajo las alas de un escarabajo. B. Acercamiento a la zona de las alas. C. Ácaros Astigmatina sobre las patas de un ácaro Mesostigmata. D. Histiostoma globoterum (Astigmatina). E. Macrocheles sp. (Mesostigmata). F. Poecilochirus necrophori (Mesostigmata).
Crédito: M. Ojeda.

¿Cómo estudiar acarología forense y no morir en el intento?

Para incluir a los ácaros como elementos de prueba en un contexto legal, debemos ser cuidadosos con su colecta, utilizando todas las medidas para evitar contaminar las muestras con otros ácaros que de forma natural se encuentren en el sitio donde se ubica el cuerpo. Esto implica tener mucho cuidado y ser metódico a la hora de acercarse a la escena del crimen. Para ello, el científico forense debe colocarse un traje, similar al que usaron los médicos durante la pandemia de covid, para también evitar transportar organismos ajenos al sitio donde está el cuerpo. Una vez protegido, el personal asignado procede a recolectar los materiales que servirán como fuente de información (conocidos como indicios ) para determinar el tiempo y las condiciones en que ocurrió el deceso.

En el caso de aquellas personas que trabajan en acarología forense, la recolección de ácaros puede ser de manera directa sobre el cuerpo, colocando a los organismos de manera individual en viales con alcohol, usando pinzas y pinceles muy finos. Pero, como se mencionó anteriormente, muchos de los ácaros de interés forense se encuentran sobre las moscas de manera forética, por lo que obtenerlos requiere la colecta de los huéspedes. Para ello, se utilizan redes similares a las que se usan para atrapar mariposas, y se bate la red de lado a lado sobre el cadáver para colectar a las moscas y otros insectos voladores, éstos posteriormente se colocan de manera individual en viales con alcohol, para su identificación taxonómica en el laboratorio, en la que se observan características morfológicas específicas de cada especie. Es importante que el científico forense o el perito lleve una bitácora para anotar de forma precisa la parte del cuerpo donde se encontró a los ácaros o la especie de mosca, y se describa el tipo de ambiente donde se llevó a cabo el levantamiento de los indicios. Después, en el laboratorio, los ácaros son procesados para poder ser observados bajo el microscopio óptico y determinarlos taxonómicamente. Es necesario que esta identificación sea realizada por personal entrenado, ya que las determinaciones imprecisas llevan a interpretaciones erróneas que afectan de forma directa los informes periciales.

El ácaro sí sabe más por viejo que por ácaro

Los ácaros representan una ventaja dentro de las ciencias forenses, ya que hay especies que se alimentan exclusivamente de carne en descomposición (necrófagas obligadas), como algunos astigmatinos (ver figura 2D), los cuales se desarrollan sobre el hábitat efímero que proporciona un cadáver y al que llegan foréticamente para completar su corto ciclo de vida, que dura entre 7 y 15 días, alcanzando varias generaciones de cientos y miles de organismos. En contraste, otras especies necesitan de períodos más largos para convertirse en adultos, llegando a vivir meses o hasta años.

Esa peculiaridad en su ciclo de vida es relevante sobre todo en aquellos ácaros que se encuentran foréticamente sobre moscas y escarabajos, insectos que llegan en las fases de fresco e hinchado de la descomposición del cuerpo, cuando han pasado unas pocas horas y hasta varios días (ver figura 1). Sin embargo, si la persona que está levantando los indicios no encuentra moscas volando, sí puede encontrar a estos ácaros caminando sobre el cuerpo (ver figura 2E y 2F). En las etapas de descomposición activa y avanzada es poco probable que se encuentren moscas con ácaros sobre el cuerpo, pero lo que sí vamos a ver son ácaros alimentándose de los hongos que crecen durante la putrefacción (ver figura 3). Además de los Astigmatina, podemos encontrar a los adultos de los ácaros que llegaron entre las patas y alas de las moscas (ver figura 2E-F), alimentándose de otros ácaros, así como de las larvas de las moscas. Debido a esto, es necesario que la determinación de la especie, del estado de desarrollo y del sexo del ácaro la realice una persona capacitada pues, como te darás cuenta, una interpretación incorrecta afecta todo el proceso pericial. Por todo lo anterior es que decimos que los ácaros saben más por viejos que por ácaros, al menos en el contexto forense.

Figura 3. Los ácaros en el contexto de las ciencias forenses.
Crédito: elaboración propia con información de Saloña-Bordas y Perotti, 2015.

Con las patas en la masa

El conocimiento de la disciplina en México inició en 1988 con la mención de la Dra. Anita Hoffmann, precursora de la acarología en el país, en el capítulo “Testigos de Cargo”, de su libro Animales desconocidos: Relatos acarológicos . En este texto, la Dra. Hoffmann comparte el relato de un hombre que fue asesinado en los Estados Unidos. Ella cuenta que el cuerpo presentaba picaduras similares a las que producen las larvas de los ácaros que se conocen como niguas, trombicúlidos o tlalzahuates. Tuvieron varios sospechosos de cometer el crimen, pero finalmente fue inculpado un hombre que presentaba las mismas marcas de las picaduras, ya que estos ácaros se encuentran en la vegetación donde probablemente forcejearon hasta cometer el crimen.

Si bien, este caso extranjero fue referido por la acaróloga mexicana, no fue hasta 2016 que varios grupos de trabajo en el país comenzaron a visibilizar la importancia de los ácaros asociados a los procesos de descomposición cadavérica en México, incluidos los que viven por un período de tiempo sobre las moscas y escarabajos. Aún queda pendiente la vinculación de esta disciplina a la procuración de justicia en el país.

Asimismo, en el mundo hay más ejemplos del uso de ácaros para la resolución de casos. Tanto cadáveres como otros materiales enterrados se pueden rastrear utilizando a los ácaros que viven en el suelo, ya que éstos pueden proporcionar pistas sobre su ubicación específica. Un ejemplo muy singular, sucedió en Alemania en el año 2016, cuando la policía confiscó una suma importante de billetes de 500 euros. El interrogatorio inicial a los detenidos arrojó información sobre el robo y escondite del dinero en España. Después de que la policía analizó algunos de los billetes, se observó que éstos estaban cubiertos por un “polvillo”. Ese material que fue enviado a la especialista del tema, la Dra. Alejandra Perotti, quien determinó que se trataba de ácaros de la especie Rhizoglyphus howensis . Una vez conocida la identidad de los ácaros y datos de su biología, se supo que R. howensis es una especie de distribución restringida, que se alimentan de semillas de palmeras y raíces de árboles nativos de una región de Australasia, por lo que el reporte de la Dra. Perotti a la policía alemana sugirió que el dinero debía encontrarse en esa región. Esta información proporcionó pistas sobre el paradero y la ubicación geográfica del dinero y permitió a los detectives reducir su búsqueda a esta área específica. Los culpables confesaron más tarde que habían enterrado el dinero en Tailandia. Esta información fue publicada en un artículo científico por el Dr. Hani y sus colaboradores, entre ellos la Dra. Perotti, en el año de 2018.

Contribuciones en la UNAM para la acarología forense

En la Escuela Nacional de Ciencias Forenses, en 2013, se fundó el Laboratorio de Entomología Forense (ver figura 4), y en 2015, con el ingreso del Dr. Carlos Pedraza-Lara, se inician los trabajos en el área en la Universidad. Ahí se alberga la Colección de Artrópodos de Referencia Forense (carf), que hasta 2023 contaba con registros de cerca de 3000 arácnidos, insectos, crustáceos, milpiés y ciempiés, distribuidos en 12 órdenes, 45 familias y 214 especies. Los ácaros de esta colección están representados por 15 familias y 20 especies.

Además de albergar la carf, este laboratorio ha servido como enlace para colaboraciones con instituciones de otros lugares de México, como la Universidad Autónoma de Querétaro, la Fiscalía de la Ciudad de México, la Universidad Autónoma de Nuevo León, y la Universidad de Guadalajara, entre otras. De igual manera, ha brindado cursos de actualización y capacitación de personal de distintas entidades procuradoras de justicia. Ante el auge en la utilización de disciplinas como la biología molecular o la metagenómica, la identificación morfológica de las especies de ácaros de importancia forense sigue siendo la opción más confiable y rápida por lo que es necesaria la formación de nuevas generaciones en esta área de la acarología.

Figura 4. Laboratorio de Entomología Forense de la UNAM. Crédito. Carlos Pedraza Lara.

Referencias

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• Mégnin, P. (1894). La faune des cadavres: application de l’entomologie à la médecine légale. G. Masson; Gauthier-Villars et fils.
• Hoffmann, A. (1988). Animales desconocidos: relatos acarológicos . Fondo de Cultura Económica.
• Saloña-Bordas, M. I., y Perotti, M. A. (2015). Acarología forense. Ciencia Forense, 12 , 91-112. https://ifc.dpz.es/recursos/publicaciones/35/14/04salona.pdf
• Hani, M., Thieven, U., y Perotti. M.A. (2018). Soil bulb mites as trace evidence for the location of buried money. Forensic Science International, 292 , e25-e30. https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2018.09.016.

Recepción: 03/11/2022. Aprobación: 01/11/2023.

Resumen

La adaptación de los entornos digitales de aprendizaje y la personalización del aprendizaje son metas presentes en diversos modelos y tecnologías educativas; esto se refleja en que los términos “aprendizaje personalizado”, “aprendizaje adaptativo” y “aprendizaje adaptable” sean populares en la literatura especializada. Sin embargo, es común que dichos términos sean utilizados indistintamente. En este trabajo se lleva a cabo una revisión del uso de las tres expresiones, así como de modelos educativos y entornos de aprendizaje basados en la adaptación de contenido educativo, la navegación y rutas de aprendizaje, las interfaces y la retroalimentación. Se identifica un nuevo paradigma educativo que fortalece los modelos centrados en los alumnos que, junto con la adaptabilidad que ofrecen las tecnologías avanzadas, impulsan esquemas para la personalización del aprendizaje.
Palabras clave: instrucción personalizada; aprendizaje centrado en el estudiante; tecnología educativa; adaptación de material instruccional.

Exploring nuances: personalized and adaptive learning in digital Education

Abstract

The adaptation of digital learning environments and the personalization of learning are goals that are present in several educational models and technologies; this is reflected in the fact that the terms “personalized learning”, “adaptive learning” and “adaptative learning” are popular in the specialized literature. However, it is common for these terms to be used interchangeably. In this work, a review of the use of the three expressions is carried out, as well as of educational models and learning environments based on the adaptation of educational content, navigation and learning routes, interfaces and feedback. A new educational paradigm is identified that strengthens student-centered models that, together with the adaptability offered by advanced technologies, promote schemes for the personalization of learning.
Keywords: personalized instruction; student centered learning; educational technology; instructional material adaptation.

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Introducción

Durante los últimos años, ha sido común encontrar propuestas encaminadas a la personalización del aprendizaje mediante el uso de tecnologías adaptativas en los programas y cursos de formación. Incluso, a raíz de la influencia de dichas tecnologías, se habla de aprendizaje adaptativo, adaptable y personalizado. Sin embargo, ¿qué significa cada uno de estos términos?, ¿qué modelos de aprendizaje sustentan su personalización? y ¿en qué difiere un sistema adaptativo de uno adaptable?

Shemshack y Spector (2020) llevaron a cabo una revisión de la terminología relacionada con la personalización del aprendizaje entre los años 2010 y 2020, y afirmaron que a pesar de que el aprendizaje personalizado/adaptativo se ha convertido en un paradigma de aprendizaje fundamental entre la comunidad de investigadores en tecnologías educativas, no existe un acuerdo sobre los componentes que deben considerarse en un entorno de aprendizaje al incorporar dicho paradigma. Xie et al. (2019), por su parte, hicieron una revisión sobre las tendencias en aprendizaje personalizado/adaptativo entre 2007 y 2017; en ella mencionan que ambos términos son distintos, pero en su búsqueda incluyen a los estudios que mencionan cualquiera de los dos, debido a que es común que se usen de manera intercambiable.

El objetivo de este trabajo es presentar las diferencias que existen entre los conceptos aprendizaje personalizado, adaptativo y adaptable, mediante una revisión documental y la presentación de algunos ejemplos.

Personalización del aprendizaje

Hablar de enseñanza y aprendizaje personalizado no es un tema nuevo, sin embargo, ha sido difícil de atender dado el reto que implica como docente reconocer, diseñar y acompañar a diversos alumnos con diferentes necesidades e intereses de aprendizaje. En los últimos años pareciera que se abren posibilidades de hacer viable el diseño de programas y sistemas de formación personalizados, gracias al avance de las tecnologías digitales. El aprendizaje personalizado considera no solo los materiales y el entorno educativo, sino también las herramientas y soluciones tecnológicas que faciliten la construcción de experiencias personalizadas de aprendizaje, sin embargo, ello no quiere decir que el aprendizaje personalizado esté centrado en el uso de las tecnologías ni en los ambientes virtuales de aprendizaje. Como señalan Shemshack y Spector (2020), el aprendizaje personalizado consiste en dar a los estudiantes control sobre su aprendizaje, diferenciando la instrucción para cada uno de ellos y proporcionando retroalimentación en tiempo real.

Modelos educativos para la personalización del aprendizaje

Los modelos educativos y las estrategias de enseñanza que han surgido en los últimos años se distinguen por ser modelos que, lejos de pensar en el profesor como aquella figura central del aula, que determina y transmite conocimientos, es una persona que guía, gestiona, orienta y acompaña en la construcción del conocimiento del alumno. De esta manera, existe una gran tendencia en el diseño del aprendizaje que apunta hacia la construcción de ambientes que intentan promover la participación de los alumnos, a través de rescatar las experiencias y conocimientos previos de cada estudiante, para también vincularlos con los intereses, problemáticas y concepciones personales que cada uno de ellos tiene. En ese sentido, podemos decir que los modelos educativos que se proponen hoy en día son paradigmas centrados en el alumno, que apuntan justamente hacia la personalización del aprendizaje. Los principios que sustentan un diseño centrado en el alumno, de acuerdo con Delgado (2019), son los siguientes:

• Proceso continuo reflexivo. No hay solución universal para todas las instituciones.
• Los estudiantes tienen diferentes estilos de aprendizaje, intereses y necesidades, experiencias y conocimiento previo.
• La posibilidad de elegir y controlar el aprendizaje es esencial.
• Cooperación entre estudiantes y profesores.

El crecimiento de los entornos digitales, así como el desarrollo y la disponibilidad de acceso a múltiples recursos también digitales, ha dado pie al surgimiento de modelos de aprendizaje centrados en los estudiantes, que no solo consideran las bondades que las redes digitales ofrecen para tener acceso a fuentes de información, sino que incluso reconocen el aprendizaje personal que las mismas redes generan, como a continuación revisaremos en el interactivo 1.

Interactivo 1. Modelos educativos centrados en el alumno.

Aprendizaje adaptativo y adaptable

La diferencia entre aprendizaje personalizado y aprendizaje adaptativo radica en que el aprendizaje personalizado puede lograrse identificando las características individuales de los alumnos, sin adaptarse a su progreso continuo, mientras el aprendizaje adaptativo se realiza por medio de modificaciones en plataformas digitales de aprendizaje de acuerdo con las variaciones en el rendimiento de los alumnos, sin necesidad de identificar información personalizada sobre ellos (Xie et al., 2019).

Cabe mencionar que existen dos técnicas de adaptación implementadas por los sistemas de aprendizaje para ofrecer instrucción individualizada: adaptabilidad y adaptatividad. La primera permite que los estudiantes tomen el control, mientras que la segunda les permite un mayor control a los sistemas computacionales (Dascalu et al., 2017). Debido a lo anterior, podemos hablar de aprendizaje adaptable y adaptativo, dependiendo de quién tenga un mayor control.

Ejemplos de aprendizaje adaptativo y adaptable

A continuación, se mencionan cuatro ejemplos de características que pueden adaptarse en los entornos digitales de aprendizaje, lo cual nos permite distinguir entre aprendizaje adaptativo y adaptable:

Figura 1. Blog de Duolingo en el que se explica cómo funciona la inteligencia artificial de birdbrain (Bicknell y Brust, 2020).

Contenido educativo

Implica seleccionar y desplegar recursos educativos específicos de acuerdo con la evolución de alguna característica del estudiante. Por lo general se utiliza el progreso en el rendimiento académico para ofrecer determinados ejercicios o actividades de aprendizaje.

Un ejemplo de ello es la aplicación móvil Duolingo para aprendizaje de idiomas. Duolingo cuenta con un modelo basado en inteligencia artificial llamado birdbrain que funciona de la siguiente manera: conforme los usuarios avanzan en las lecciones de idiomas, el modelo aprende sobre el nivel de dificultad percibido en los distintos tipos de material, de esta forma el nivel de dificultad de las lecciones se adapta de manera que el usuario no deba repasar material que ya domina o enfrentarse con lecciones demasiado avanzadas (Bicknell y Brust, 2020). Este es un ejemplo de aprendizaje adaptativo porque favorece el control del sistema sobre el contenido mostrado.

Navegación y rutas de aprendizaje

Es posible que además de adaptar el tipo de contenido educativo que es mostrado, se adapte también la secuencia de las lecciones o actividades de aprendizaje, construyendo una trayectoria individualizada de manera progresiva. Esto se puede realizar a distintos niveles: ejercicios de repaso, actividades de aprendizaje, temas o unidades de aprendizaje.

Un ejemplo que utiliza este enfoque recibe el nombre de aleks (Assessment and LEarning in Knowledge Spaces). aleks crea una ruta individual y dinámica para cada estudiante, de tal manera que pueda navegar a través de conceptos y temas granulares de áreas como matemáticas, química, estadística y contabilidad (Cosyn et al., 2021). Es un sistema de aprendizaje adaptativo porque el sistema tiene el control de las rutas de aprendizaje.

Figura 2. Sitio web de ALEKS.

Interfaces y presentación

Se basa en la presentación del contenido y las interfaces de usuario, lo cual se puede realizar modificando de manera dinámica el formato en que se presentan los recursos educativos y algunos elementos visuales de las interfaces, tales como el tamaño y colores de la fuente, colores de contraste, adaptación de la barra de navegación, entre otros.

Un ejemplo de ello es el trabajo de Kolekar et al. (2018), en el que se desarrolló una interfaz de usuario adaptativa para Moodle que incluye recursos educativos con distintos formatos como videos, presentaciones, archivos pdf, etcétera. El sistema se basa en la frecuencia con que el alumno consulta cada tipo de recurso y el tiempo que pasa con cada uno de ellos para decidir qué tipo de recursos se mostrarán y cuáles se ocultarán. Es un modelo de aprendizaje adaptativo porque el sistema controla la presentación del contenido.

Figura 3. Artículo sobre la interfaz de usuario adaptativa para Moodle.
Fuente: Kolekar et al., (2018).

Retroalimentación

Facilita el envío de mensajes al usuario, incluyendo consejos o sugerencias sin necesidad de que estén planeados de manera predefinida.

El trabajo de Suleman et al. (2016) sobre un sistema llamado ndltutor, ejemplifica esta categoría al simular un diálogo con el usuario para mejorar sus habilidades de autoevaluación y autorreflexión. Cabe mencionar que la conversación no tiene una secuencia predeterminada, sino que se genera de acuerdo con lo que escribe el usuario. Los resultados de la evaluación de ndltutor indican que es capaz de producir mejoras significativas en la precisión de la autoevaluación de los alumnos y de proporcionar un apoyo adecuado para fomentar la autorreflexión. Es un ejemplo de aprendizaje adaptable porque no se enfoca en el control por parte del sistema, sino en fortalecer la autonomía de los alumnos.

Figura 4. Artículo sobre el uso de ndltutor para mejorar habilidades de autoevaluación y autorreflexión.
Fuente: Suleman et at., (2016).

Conclusiones

Los conceptos de aprendizaje personalizado y aprendizaje adaptativo no son sinónimos. El primero consiste en que los estudiantes tengan control sobre su aprendizaje y se logra a partir de la identificación de sus características individuales, mientras el segundo se realiza de forma dinámica, de acuerdo con las variaciones en su rendimiento. Puede existir aprendizaje personalizado sin que se adapte al progreso continuo de los alumnos y aprendizaje adaptativo que no parta necesariamente de información personalizada sobre ellos, más allá de su rendimiento.

El aprendizaje personalizado no está centrado en el uso de las tecnologías ni ambientes virtuales de aprendizaje, mientras el aprendizaje adaptativo está más vinculado a estas herramientas debido a la necesidad de obtener actualizaciones constantes sobre las variaciones en el rendimiento de los alumnos.

Es posible distinguir entre aprendizaje adaptativo y aprendizaje adaptable. En el primer caso, las plataformas digitales tienen un mayor control sobre los aspectos que son modificados —contenido, navegación y rutas de aprendizaje, interfaces y presentación y retroalimentación— mientras en el segundo caso el estudiante tiene un mayor control. El tránsito del aprendizaje adaptativo al adaptable está vinculado con el ejercicio y el fomento de la autonomía de los estudiantes.

Referencias

• Bicknell, K y Brust, C. (7 de octubre de 2020). Learning how to help you learn: Introducing Birdbrain! Duolingo blog. https://blog.duolingo.com/learning-how-to-help-you-learn-introducing-birdbrain/.
• Cosyn, E., Uzun, H., Doble, C., y Matayoshi, J. (2021). A practical perspective on knowledge space theory: ALEKS and its data. Journal of Mathematical Psychology, 101, 102512. https://doi.org/10.1016/j.jmp.2021.102512.
• Dascalu, M.-I., Nitu, M., Alecu, G., Bodea, C.-N., y Moldoveanu, A. D. B. (2017). Formative Assessment Application With Social Media Integration Using Computer Adaptive Testing Techniques. En L. O. Campbel y R. Hartshorne (Eds.), Proceedings of the 12th International Conference on E-Learning (icel 2017) (pp. 56-65).
• Delgado Martínez, L. M. (2019). Aprendizaje centrado en el estudiante, hacia un nuevo arquetipo docente. Enseñanza Teaching: Revista Interuniversitaria De Didáctica, 37(1), 139–154. https://doi.org/10.14201/et2019371139154.
• Kolekar, S. V., Pai, R. M., y Pai M.M., M. (2018). Adaptive User Interface for Moodle based E-learning System using Learning Styles. Procedia Computer Science, 135, 606–615. https://doi.org/10.1016/j.procs.2018.08.226.
• Shemshack, A., y Spector, J. M. (2020). A systematic literature review of personalized learning terms. Smart Learning Environments, 7(1), 33. https://doi.org/10.1186/s40561-020-00140-9.
• Suleman, R. M., Mizoguchi, R., y Ikeda, M. (2016). A New Perspective of Negotiation-Based Dialog to Enhance Metacognitive Skills in the Context of Open Learner Models. International Journal of Artificial Intelligence in Education, 26(4), 1069–1115.https://doi.org/10.1007/s40593-016-0118-8.
• Xie, H., Chu, H.-C., Hwang, G.-J., y Wang, C.-C. (2019). Trends and development in technology-enhanced adaptive/personalized learning: A systematic review of journal publications from 2007 to 2017. Computers Education, 140, 103599. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2019.103599.

Recepción: 15/11/2022. Aprobación: 01/11/2023.

Resumen

Algunos de nosotros veíamos películas como Matrix y pensábamos: “¡Imagínate cuando las máquinas tomen el control del mundo!” Si bien algunas máquinas ya tienen el control de partes de nuestra vida, desde los semáforos controlando la circulación de nuestros vehículos, hasta los dispositivos móviles decidiendo los contenidos que visualizamos en las redes sociales, hay un grupo de máquinas que se estaban quedando atrás en esto de tomar el control: los instrumentos de medida. Aunque en la fábrica la botella de yogur se llena con una maquina robotizada que forma parte de un sistema complejo desde hace mucho tiempo, la balanza donde se verificaba el llenado correcto de la botella seguía estando aislada, como náufrago en el mar que es la nube de la información. Eso está cambiando ya. Los certificados de calibración digital llegaron para quedarse y habilitar a los instrumentos de medición en el juego llamado industria 4.0, 5.0 o la que siga. Pero ¿qué es un certificado de calibración? y ¿qué importancia tiene para mí? Leyendo este artículo aprenderás por qué es necesaria y en qué consiste la emisión de certificados de calibración digitales.
Palabras clave: certificación digital, calibración de instrumentos, metrología 4.0, instrumentos de medida digitales.

Measurement instruments also want a certificate…and they want it digital!

Abstract

Some of us used to watch movies like Matrix and think, ‘Imagine when machines take control of the world!’ While some machines already control parts of our lives, from traffic lights managing our vehicle flow to mobile devices deciding the content we see on social media, there’s a group of machines that were lagging in taking control: measurement instruments. Even though in the factory, the yogurt bottle is filled with a robotic machine that has been part of a complex system for a long time, the scale used to verify the correct filling of the bottle remained isolated, like a castaway in the sea of information. That’s changing now. Digital calibration certificates are here to stay and empower measurement instruments in the game called industry 4.0, 5.0, or whatever comes next. But what is a calibration certificate, and what importance does it have for me? By reading this article, you will learn why it is necessary and what the issuance of digital calibration certificates entails.
Keywords: digital certification, instrument calibration, metrology 4.0, digital measuring instruments.

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Introducción

La llamada industria 4.0 (I4.0) ha puesto de moda conceptos y términos como nube, Internet de las cosas, big data, inteligencia artificial, sistemas ciber físicos, aprendizaje de máquina, robótica y redes de sensores, entre otros. Por supuesto, la automatización de maquinaria ya existía desde hace mucho tiempo —la llamada Tercera Revolución Industrial tri—, es decir los botes de yogur se llenan de forma automática desde hace mucho.

El principal aporte de la I4.0 está relacionado con la conectividad y el flujo de la información, para una toma correcta de decisiones (Pereira y Romero, 2017). Ahora se trata, no solo de que las máquinas hagan cosas en forma automática, sino que además la información de qué están haciendo, cómo lo están haciendo, cada cuándo lo están haciendo, cuánto han consumido de algo (materiales, energía), etcétera, se conozca en tiempo real.

Y precisamente ahí está el problema con los instrumentos de medida. Se habían quedado rezagados en esta ola de la I4.0. Por supuesto, no es algo intencional o discriminatorio, es hasta cierto punto algo “natural”. Veamos: imagina que eres el dueño de una fábrica —no, de yogur no— y se acaban de poner al alcance del público computadoras, que básicamente sirven para automatizar algunas actividades humanas. ¿Dónde pondrías a trabajar a las primeras computadoras que comprarás? ¿En el área de mantenimiento, para gestionar los calendarios de mantenimiento de las máquinas? ¿En el área de recursos humanos, para eliminar los expedientes de personal que se tienen en papel? ¿O en el área de producción, para automatizar la programación, optimización y planeación de los lotes de producción? (que a fin de cuentas es lo que vende tu fábrica) ¿Verdad que es lógico?

¡Claro! La tecnología siempre se destina a apuntalar primero los procesos cruciales —los de producción—, y ya después le llega el turno al resto de los procesos en las organizaciones. No tendría sentido hacerlo de manera inversa —sería como colocar primero una cerradura en la tapa del tinaco, sabiendo que la puerta de entrada a la casa no tiene ninguna todavía—. La tecnología con la que cuentan los procesos de soporte o ayuda está siempre a expensas de la tecnología probada y adoptada en los procesos principales.

Si bien esas maquinitas, artefactos, dispositivos y materiales —todo eso puede ser un instrumento de medida—, no interpretan un rol protagónico en esta película llamada I4.0, su papel secundario no les resta importancia, ya que aunque no son máquinas que produzcan nada, al entregar información —peso, altura de llenado, densidad del material, etcétera— sobre lo que otra máquina produjo, otorgan el aval y la confianza que los usuarios necesitamos.

Ahora bien, esto no quiere decir que entonces los instrumentos de medida puedan quedarse “fuera” de la I4.0 durante mucho tiempo todavía. Hoy más que nunca el tiempo apremia. La I4.0 ha permitido evolucionar a industrias de todos los giros y tamaños, pero el retraso en incorporar estos avances en la metrología —la ciencia de las mediciones— ya no es sostenible (Kok, 2022). La cadena productiva, que termina generalmente con alguna medición, debe cerrar filas hacia ese traslado de información hacia la nube… y la información de las mediciones debe subirse al tren.

Tres claves sobre metrología, calibración y documentos digitales en la era del IoT

Antes de entrar de lleno en materia, es pertinente aclarar algunos puntos que generalmente se desconocen o manejan de forma equivocada en el día a día, con respecto a instrumentos de medida y las mediciones en general.

Primero, la metrología es la ciencia de las mediciones y sus aplicaciones (jcgm, 2012), y tiene tres grandes ramas: la científica, la legal y la industrial. A grandes rasgos, la metrología científica se encarga del desarrollo y preservación de los patrones nacionales e internacionales de las unidades del Sistema Internacional (si), así como de su diseminación.1 La metrología legal aborda lo relacionado con las mediciones hechas durante transacciones comerciales o legales. Y la metrología industrial se encarga de las aplicaciones de las mediciones en la industria en general (lic, 2020).

Segundo, desde el punto de vista de la metrología, calibrar un instrumento de medida es compararlo. Por lo tanto, no tiene mucho sentido decir que un instrumento esta “descalibrado” —una comparación no se puede deshacer, ¿cierto?—. Ahora bien, ¿contra que se compara el instrumento de medida? Pues, contra otro instrumento de mayor exactitud, o contra algún material de referencia —un material que posee alguna propiedad que se mantiene estable y sirve de referencia al comparar contra él—. A su vez, ese instrumento de mejor exactitud se debe calibrar contra otro instrumento de mayor exactitud que él, y así sucesivamente, hasta llegar a los patrones nacionales e/o internacionales de la magnitud de la que se trate. Se dice entonces, que una medición tiene trazabilidad a un patrón nacional o internacional, si fue realizada con un instrumento que forma parte de una cadena ininterrumpida de calibraciones sucesivas, hasta llegar a la comparación contra dicho patrón.

Tercero —no referido a metrología—, un documento digital no lo entenderemos como un documento en papel que se escanea o como la fotografía digital de un documento original en papel, o un archivo que “se mandó a imprimir a un pdf” o “se guardó como imagen”. No. Un documento digital será para nosotros un documento con una estructura e información digitalizadas, de tal manera que las computadoras puedan validar su estructura2 y, en caso de ser válida, usar la información contenida.

Un ejemplo nos permitirá comprender mejor las características e importancia de este tercer punto. Imaginemos que adquirimos un producto o servicio y luego de pagarlo pedimos una factura y el proveedor nos dice “aquí tiene su factura impresa”, y nos entrega la factura en papel. En México, eso era suficiente hace 25 años, pero hoy en día con seguridad diríamos: “Oiga, joven, me la va a mandar también en digital, ¿verdad? ¿Le paso mi correo electrónico?” …ahora imaginemos la siguiente respuesta: “¡Ah! claro que sí, joven —somos un país de jóvenes—, permítame tantito la factura impresa, ahorita le tomo una foto con el celular y se la mando a su ‘Whats’, ¿cómo ve?” Obviamente eso no nos sirve hoy. Está claro que, si entregamos un archivo de imagen, o un pdf, nuestra contadora o contador nos va a regresar a conseguir el mentado archivo xml de la factura.

¿Y ese archivo xml qué tiene de especial? Pues bien, ese archivo xml es la versión digital de la factura. De hecho, para las computadoras es la versión original de la factura, y el pdf en realidad se extrajo de ese archivo como una versión traducida para los pobrecitos humanos que no entendemos cómo se comunican las computadoras entre sí. Y es que el avance tecnológico ha abierto las puertas a un nuevo paradigma en el intercambio de información: el Internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés). IoT se refiere a la interconexión de objetos cotidianos a través de la red, permitiendo que máquinas, dispositivos y sensores interactúen y compartan datos de forma autónoma.

En este contexto, el archivo xml mencionado anteriormente, como una forma de intercambio de datos estructurados, adquiere un nuevo significado en el contexto del dominio de las máquinas. Con la integración del IoT, las computadoras ahora tienen la capacidad de recibir, procesar y analizar directamente el archivo xml, sin necesidad de traducción a un formato “más legible”, como el pdf.

¿Y para los instrumentos de medida?

Pues bien, lo mismo pasa con los certificados de calibración digitales. Ya hemos dicho que calibrar es comparar contra algo más exacto. Necesitamos también definir al mensurando, que es “lo que se quiere medir”. Entonces cuando hacemos una calibración, comparamos un instrumento de medida contra otro, llamado patrón —el instrumento o material de mejor exactitud— y determinamos el error, es decir, la diferencia de los valores del mensurando cuando se usa el instrumento y cuando se usa el patrón. También se determina la incertidumbre de medida, que nos indica la duda razonable sobre en qué intervalo de valores está el valor verdadero del mensurando (jcgm, 2012). Nótese que el valor verdadero del mensurando nunca podrá conocerse, puesto que siempre estaremos limitados por el valor más pequeño que un instrumento pueda medir (llamado resolución).

Ahora bien, en la mayoría de los países los instrumentos de medida se calibran y se les emite un certificado (o informe) de calibración. Dichos certificados de calibración se elaboran en el mismo laboratorio donde se llevó a cabo la calibración. Es común en los laboratorios de calibración que dichos certificados se generen desde una hoja de cálculo común, puesto que la mayoría de los laboratorios utilizan hojas de cálculo para calcular error e incertidumbre de medida (Bruns et al., 2021). Entonces, un laboratorio de calibración puede, en una misma hoja de cálculo:

• Capturar la información del cliente (razón social, domicilio, entre otros.) y del instrumento (marca, modelo, resolución, etcétera)
• Almacenar la información de la calibración del instrumento (error, incertidumbre, entre otros)
• Guardar los cálculos necesarios (aritméticos, de probabilidad, entre otros)
• Tener una plantilla de certificado de calibración que cumpla con los requisitos establecidos en la norma que rige los laboratorios de calibración (iso/iec 17025, 2017). Una vez llena dicha plantilla, se puede mandar a imprimir a un archivo pdf o físicamente a una impresora para tener el certificado en papel (ver figura 1).

Figura 1. Flujo de trabajo en la emisión de un certificado de calibración tradicional (PTB, DCC). Crédito: DCC, 2017.

Hasta aquí no hay ningún problema. Sin embargo, así como el pdf de la factura, que nos daba el joven del ejemplo, no puede ser leído eficientemente por los sistemas informáticos contables, tampoco el certificado de calibración en pdf se puede ingresar a ningún sistema computarizado para que automáticamente tome en cuenta la información que contiene. A una máquina debo ingresarle información en un lenguaje y formato que pueda entender. Y para los instrumentos de medida ese lenguaje-formato está precisamente en el Certificado de Calibración Digital (dcc, por sus siglas en inglés).

La figura 2 muestra la estructura fundamental del certificado de calibración digital propuesta por el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (ptb) de Alemania. Dicha estructura está soportada por organismos y estándares relacionados con la metrología en general y las calibraciones en particular: el Vocabulario Internacional de Metrología (vim), la Guía para la expresión de la incertidumbre de medida (gum), el Comité de Datos del Consejo Internacional de Ciencias (codata, que define los valores de las constantes físicas universales), así como el si y la norma 17025, que ya hemos abordado.

La estructura del dcc comprende (Hackel et al., 2017):

• Los datos administrativos regulados son imprescindibles para una identificación clara y precisa del dcc, por lo que los campos de datos están prestablecidos.
• Los resultados de la calibración comprenden datos regulados por el si (valor de medición, la incertidumbre de medida, etcétera) Pero también pueden existir datos no regulados, como valores de presión en milímetros de mercurio, o algún valor adimensional solicitado por el cliente.
• Los comentarios, incluidos gráficos o imágenes se guardan como información no sujeta a regulaciones.
• Un documento comprensible para los seres humanos, de apariencia similar al certificado de calibración analógico, complementa el dcc.

Figura 2. Elementos del Certificado de Calibración Digital (Hackel et al., 2017).

El progreso logrado hasta la fecha está liderado principalmente por los Institutos Nacionales de Metrología (nmi, por sus siglas en ingles) de los países más desarrollados económicamente (Hackel et al., 2017; Boschung et al., 2021). La propuesta más difundida sobre el dcc, hasta la fecha implica la creación de estructuras (llamadas xml schema) de la información de los dcc, así como los elementos de esas estructuras, o sea, los archivos xml propiamente dichos, igual que en las facturas (Wiedenhöfer et al., 2019). Se requieren varias estructuras diferentes puesto que se calibran instrumentos de medida para diferentes magnitudes: masa, volumen, temperatura, pH, intensidad luminosa, rugosidad, resistencia eléctrica, etcétera. Y en cada una de esas magnitudes, los resultados de las calibraciones pueden implicar diferentes elementos, tales como gráficos, tablas, ecuaciones, etcétera. Además de requerir la representación adecuada de las unidades de medida correspondientes a cada magnitud (ver ejemplo en tabla 1).

Tabla 1. Semántica del si legible por máquina a utilizar en el DCC (Hutzchenreuter et al., 2019).

Nótese aquí la diferencia con el caso de las facturas, cuya estructura de información aunque no es simple no presenta muchas variantes, pues básicamente se ocupan datos de fechas, números reales, tablas, números enteros, símbolos y cadenas de texto relativamente cortas para todas las facturas, aunque unas sean de papelería, otras de un restaurante, otras de gasolina, etcétera. Ojo, el logotipo de la empresa es un accesorio de la factura impresa, legible por el humano, una máquina, de requerir esa información, la podría tener en una cadena de caracteres, por ejemplo.

Por otra parte, un dcc necesita todos esos tipos de datos, además de la posibilidad de requerir: ecuaciones, graficas 2D o 3D, largas cadenas de texto, listas de referencias, etcétera. Y por encima de todo esto, el dcc tiene una orientación internacional, dados el origen y la naturaleza de la metrología, a diferencia de las facturas, que generalmente son documentos de alcance nacional.

Actualmente se discuten también otras propuestas orientadas a satisfacer los requisitos de información tanto de las máquinas como de los humanos —antes de enviar a una máquina la información del certificado, deberá seguir revisándose por un humano—. Una de ellas es el uso de un archivo en pdf al que se le puede incrustar la hoja de cálculo con la información necesaria para la máquina (Boschung et al., 2021).

Próximos pasos

Actualmente se trabaja en aterrizar en forma práctica los esquemas xml —definen la estructura del documento— y la generación de archivos xml —contienen la información estructurada. Ver figura 3— en las distintas magnitudes que conforman el sistema internacional de unidades, si (bipm, 2019), pero sobre todo en lo que van demandando los distintos giros industriales de los países desarrollados. Por ejemplo, el nmi de Alemania, el ptb, ya ha desarrollado xml schema (esquema xml) para mediciones en masa o temperatura (entre otras magnitudes) (Oppermann et al., 2022) y trabaja ahora con mediciones de flujo, energía eléctrica y otras.

<si:real>

<si:label>temperature</si:label>

<si:value>23.2</si:value>

<si:unit>\degreecelsius</si:unit>

<si:expandedUnc>

<si:uncertainty>0.2</si:uncertainty>

<si:coverageFactor>1.96</si:coverageFactor>

<si:coverageProbability>0.95</si:coverageProbability>

<si:distribution>normal</si:distribution>

</si:expandedUnc>

</si:real>

Figura 3. Fragmento de formato XML.

De manera global, las máximas autoridades en metrología científica de cada país (los nmi) elaboran sus propias estrategias de desarrollo y difusión del dcc, dado que las condiciones del entorno socioeconómico e infraestructura de la calidad —metrología, normalización, acreditación y evaluación de la conformidad— varían de país en país (Sanetra y Marbán, 2007). Sin embargo, se tiene el consenso general de que las estructuras de los dcc deberán coincidir al menos para cada magnitud incluida en el Sistema Internacional de Unidades de medida, el si.

Conclusiones

La industria 4.0 lleva ya algo de camino recorrido y una variedad de tecnologías implementadas desde hace varios años. Al terminar la calibración de un instrumento de medida se emite un certificado de calibración, hasta la fecha en papel o en un tipo de digitalización (archivo pdf). Esta situación está cambiando con la emisión de certificados de calibración digitales (no digitalizados), que pueden ser legibles por máquina y, en caso de requerirse, generar una versión legible por los humanos. El objetivo final es que el dcc se vuelva un documento controlable por las máquinas, no solo legible por ellas.

Mas información se puede localizar en:

• Video sobre el DCC (PTB)
• DCC (PTB)
• D-SI (npl, kriss, nim, Zeiss, Hexagon, Mitutoyo, Sartorius, entre otros)
• SmartCom Project

Referencias

• Boschung, G., Wollensack, M., Zeier, M., Blaser, C., Hof, C., Stathis, M., Blattner, P., Stuker, F., Basic, N., y Grasso Toro, F. (2021). pdf/A-3 solution for digital calibration certificates. Measurement: Sensors, 18, 100282. https://doi.org/10.1016/j.measen.2021.100282.
• Bruns, T., Nordholz, J., Röske, D., y Schrader, T. (2021). A demonstrator for measurement workflows using digital calibration certificates (dccs). Measurement: Sensors, 18, 100208. https://doi.org/10.1016/j.measen.2021.100208.
• Bureau International des Poids et Mesures (bipm). (2019). The international system of units, 9.a ed. France, isbn 978-92-822-2272-0. https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure.
• Digital Calibration Certificate (DCC). (2017). Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). https://n9.cl/q42c5.
• Hackel, S., Härtig, F., Hornig, J., y Wiedenhöfer, T. (2017). The digital calibration certificate. ptb-Mitteilungen, 127, 75-81. https://dx.doi.org/10.7795/310.20170403.
• Joint Committee for Guides in Metrology (jcgm) (2012). International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (vim). 3.a ed. https://n9.cl/nqc6c.
• iso/iec 17025:2017. Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración (proy-nmx-ec-17025-imnc-2018). Instituto Mexicano de Normalización y Certificación (imnc). https://www.imnc.org.mx/wp-content/uploads/2018/04/Cata%CC%81logo-de-Normas-IMNC-ABRIL-2018-.pdf.
• Kok, G. (2022). The digital transformation and novel calibration approaches. Technisches Messen, 89, 214-223. https://doi.org/10.1515/teme-2021-0136.
• Ley de la Infraestructura de la Calidad (lic). (2020). Diario Oficial de la Federación. Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión. https://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/pdf/LICal_010720.pdf.
• Oppermann, A., Eickelberg, S., Exner, J., Bock, T., Bernien, M., Niepraschk, R., Heeren, W., Baer, O., y Brown, C. (2022). Digital transformation in metrology: building a metrological service ecosystem. Procedia Computer Science, 200, 308-317. https://www.doi.org/10.1016/j.procs.2022.01.229.
• Pereira, A. C., y Romero, F. (2017). A review of the meanings and the implications of the industry 4.0 concept. Procedia Manufacturing, 13, 1206-1214. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.09.032.
• Sanetra, C. y Marbán, R. M. (2007). Enfrentando el desafío global de la calidad: una infraestructura nacional de la calidad. Sistema Interamericano de Metrología, SIM. https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/fachabteilungen/abteilung_9/9.3_internationale_zusammenarbeit/publikationen/102_National_QI/PTB_Q5_National_QI_SP.pdf.
• Wiedenhöfer, T., Hutzschenreuter, D., Smith, I., y Brown, C. (2019). A universal and flexible structure for digital calibration certificates (dcc). https://doi.org/10.5281/zenodo.3696567.

Recepción: 09/12/2022. Aprobación: 01/11/2023.