El Demonio sí juega a los Dados: La Variable del Efecto Electrostático en la Propagación de la Covid-19 y Virus Respiratorios

 

Inspirado en las aportaciones extraídas del trabajo del Astronauta Don Pettit, de la NASA, sobre el entendimiento de los efectos electrostáticos en la dinámica de Fluidos. 

¿Qué tiene que ver un experimento realizado en gravidez cero con el conocimiento profundo del mecanismo de transmisión de un virus aerotransportado causante de una pandemia global? ¡Pues increíblemente, mucho! 

El astronauta Donald Roy Pettit, de la NASA, persona inteligente y de un gran currículo, siempre ha tenido la inquietud de aproximar la ciencia a los estudiantes y al público en general. Prueba de ello es que durante su estadía en la Estación Espacial Internacional y en sucesivas misiones realizó demostraciones del comportamiento de los fluidos y del agua en ambiente de ingravidez.  

Son experimentos fascinantes que ponen de relieve la influencia de fuerzas como la tensión superficial o la atracción electrostática y que sencillamente encandilan, pero que, además, invitan a reflexionar.  

https://spaceflight.nasa.gov/station/crew/exp6/spacechronicles_videos.html

El virus SARS-Cov-2, al igual que otros virus aerotransportados, se transmite por el aire, viajando en pequeñas gotas de fluido salival que están constituidas en su 99,5% de agua.  

La Mecánica de Fluidos es la rama de la física que explica el comportamiento de los mismos. Y en esta ciencia se basan los modelos predictivos matemáticos y de estudio justificativo de la difusión de estas gotas por las que se perfila la dinámica de contagio. 

Propagación Virus  

¿Y que sabemos sobre la difusión del virus SARS-Cov-2 responsable de la enfermedad Covid-19? Sabemos que el virus se esparce principalmente a través de gotitas respiratorias y también excreción fecal (Sean Wei Xiang Ong, y col., (2020)). 

El virus se transmite en pequeñas gotas de agua que expelimos al respirar. Los estudios llevados a cabo siguiendo la mecánica de fluidos de la física clásica, sobre la liberación espiratoria de forma violenta, nos indican que la mayoría de las gotas tienen un tamaño de 16 µ (ver histograma) 

Las gotículas de tamaños ≤5 µm de tamaño tardan en sedimentar y permanecen en el aire hasta 9 minutos en condiciones de laboratorio, pudiendo ser arrastradas por el aire, mientras que las ≥ 5 µm no se suspenden, viajando normalmente distancias < 1m (Dr. Javier Arranz Izquierdo y Dr. José María Molero (2020)).  

Las gotas con un diámetro > 100 µm se depositan en el suelo en menos de 1 s, sin evaporación significativa.  Este rango de tamaño, siguen trayectorias balísticas en un estornudo 

En la tos y estornudos, además del grupo de “disparos” anteriores descritos, se liberan flujos turbulentos multifásicos que generalmente están compuestos de aire húmedo y caliente flotante y gotas suspendidas de varios tamaños especialmente las de diámetro <100 µm (ver secuencia fotográfica)  Estas gotas (con prevalencia de las de tamaño <5–10 µm) normalmente se convertirán en núcleos de gotas antes de asentarse (en el caso de gotas de agua pura de 50 µ de diámetro tardará en condiciones idóneas unos 6 segundos en evaporar) y estas son fácilmente suspendidas y advectadas por la nube de aire emitida o re-suspendidas por cualquier flujo ambiental que pueda surgir, por ejemplo, a través del aire acondicionado. Por lo tanto, se espera que los núcleos de gotitas pequeñitas suspendidas sean elementos críticos en la transmisión aérea de largo alcance. Las gotas de tamaño medio de 15 µm, la velocidad de sedimentación asociada es de 6.5 mm/s en condiciones óptimas. 

También sabemos que el virus es estable, con diferentes tasas de descomposición, en aerosoles y sobre diferentes superficies (Emmie de Wit, y Vincent J. Munster, (2020)). 

Desde el punto de vista infectivo, las gotas respiratorias se pueden transmitir de tres modos diferentes: Por dos rutas directas de corto alcance y una tercera, indirecta, de largo alcance (Lydia Bourouiba, Eline Dehandschoewercker and John W. M. Bush (2014)). 

Las dos rutas de corto alcance son: primeramente, mediante la autoinoculación, es decir, a través del contacto directo con el moco (u otros fluidos corporales) de un sujeto infeccioso y segundo: mediante la transmisión de gotas grandes infectadas causada por la pulverización generada por la tos o estornudo sobre la conjuntiva o la mucosidad de un huésped susceptible.  

De aquí surge la necesidad de usar EPIs en el caso del personal sanitario y de las medidas de limpieza e higiene, incluyendo el mantenimiento de la distancia social de al menos 2 metros. 

Y, por último, la transmisión de largo alcance por el aire, que puede surgir a través de la inhalación de gotitas infectadas relativamente pequeñas (o los residuos sólidos de las mismas (que contienen patógenos de tamaño <5–10 µm), denominados núcleos de gotitas, que pueden formarse a partir de las gotitas pequeñas por evaporación.   

Los estudios del profesor Kazuhiro Tateda, sugieren ventilar espacios cerrados para minimizar el riesgo de contagio por esta causa. 

El holandés B. Blocken, aficionado al ciclismo, sugiere en sus estudios mantener una mayor distancia, de al menos 4 m, entre personas, en espacios abiertos, mientras se practica running, y unos 20 m en caso de ir en bicicleta, para evitar inhalar partículas virales. 

Efecto Electrostático 

Todos los materiales, incluidos los superficiales y de contacto, tienen la propiedad de poseer una carga eléctrica de signo y valor variable que es responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones (cuando son signos opuestos) y repulsiones (en los de mismo signo) entre los cuerpos que la poseen.  

Además, los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica: En los Aislantes o Dieléctricos no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos y son, por ejemplo: el vidrio, el caucho, los plásticos y la madera. Mientras que los Conductores ofrecen poca resistencia al desplazamiento de la carga eléctrica y un claro ejemplo son los metales (ej.: Cobre, Aluminio, Acero Inoxidable).  

Un valor que describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica es la Resistividad que es la resistencia eléctrica específica de un determinado material. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que un valor bajo indica que es un buen conductor, como en el caso de los metales.  

Por este motivo el cableado eléctrico de nuestras casas tiene un corazón de metal conductor por donde circula la electricidad rodeado de un material aislante de goma que nos protege de los efectos de la electricidad. 

 La adquisición de carga eléctrica de la materia o fenómeno de “electrificación” se consigue por diferentes formas: Por contacto, (tal que quedará cargado (+) si cedió electrones y cargado (-) si los ganó); mediante efecto fotoeléctrico; termoeléctrico; por Inducción (el acercamiento a un conductor de un cuerpo cargado provoca un reordenamiento de las cargas dentro del propio conductor que genera electricidad estática) y por Fricción (al frotar dos materiales se produce un traspaso de electrones que deja los cuerpos cargados).  

Este último es muy importante, porque en nuestro mover diario, nuestros cuerpos se cargan de electricidad estática. No solo nuestros cuerpos, la ropa, camillas, utensilios, etc. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia triboeléctrica: es una lista de materiales dispuestos en un orden determinado, tal que frotando dos materiales de la secuencia, el que esté en la posición más alta se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo se carga negativamente. 

Cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización.  

Esta secuencia nos da idea de lo mucho o poco que puede cargarse un material, sin embargo, una vez que el intercambio de cargas ha tenido lugar y los dos cuerpos se han separado, si el material es conductor (tiene baja resistividad) las cargas se repartirán uniformemente por toda la superficie, mientras que, si el material es aislante (alto valor de resistividad), la carga permanecerá en los puntos de superficie donde ha tenido lugar la transferencia de cargas.  

Interacción Electrostática en la Transmisión de los Virus Aerotransportados  

Si bien todos los experimentos sobre transmisión han sido llevados en condiciones controladas de laboratorio y/o siguen modelos matemáticos ajustados de la mecánica de fluidos, el “campo de batalla” real dista de el de estudio. Basta con acercarse a un hospital para ver la cantidad de “objetivos” potenciales sobre los que “disparar” un estornudo o, simplemente, posarse las gotículas exhaladas al respirar.  

Las gotas de agua de 300 y 60 μ de radio presentan un rango de carga de 10 −15 a 10 −12 C (Adam, JR, Lindblad, NR y Hendricks (1968)) 4.   

Estas gotas de este tamaño y más pequeñas presentan, al ser expelidas, efectos de atracción y repulsión electrostática con los materiales adyacentes, tal que este fenómeno se debe de considerar en el proceso de transmisión de la enfermedad y contaminación del aire, del medio ambiente y del equipo de protección personal.  

Un experimento muy didáctico sobre el efecto electrostático con gotas de agua se realizó en condiciones de ingravidez por el astronauta Donald Roy Pettit. Ver el video del experimento en: https://www.youtube.com/watch?v=EFScu_MYEpg  

Desarrollo del experimento: En la nave espacial, se experimenta a cargar de electricidad estática, por fricción, las agujas de coser, primero de polietileno y luego de teflón, (materiales que pertenecen al final de la serie triboeléctrica, y se cargan -) y se observa cómo reacciona con gotas de agua, en ausencia de gravedad, tal que generan una atracción mutua, (semejante a la gravitatoria), de manera que, la gota en vez de ir flotando por el espacio, queda atrapada en órbita de caída. 

Posteriormente, se aplica una aguja de Nylon (material situado en la parte de arriba de la serie triboeléctrica, con carga +) y se observa que facilita, por un efecto de repulsión de cargas, la salida de las gotas de agua de la jeringuilla.  

Consideraciones: El efecto de atracción electrostática entre dos cargas opuestas responde a la ley de Coulomb. Fe = (K x (Q x q)) / r2, tal que para una gota de 60 μ de radio y 10-12 C da una fuerza resultante a una distancia de 2 cm, con otra carga igual y signo opuesto de:  

Fe= 9 x 10-11 N  

mientras que el efecto gravitatorio, considerando la masa de la gota según su volumen V= (4/3) x π x r3 y densidad 1, da una fuerza igual a su peso de:  

Fg= 8.866 x 10-12 N  

Es decir: ¡La Fuerza Electrostática (Fe) es mayor que (Fg) que el peso o efecto de la gravedad! 

Esta es una realidad: la dispersión no es solo debido a efectos de la gravedad y movimientos de fluidos dentro de la mecánica clásica, también debe de considerarse el parámetro variable de la Fuerza electrostática entre las gotas de transmisión de tamaño 16 µ, tal que estas fuerzas pueden ser especialmente condicionantes en su diseminación. 

¿Pero qué pasa cuando la gota se evapora y se vuelve más pequeña? pues la carga que reside en la gota no cambia, sin embargo, las fuerzas repulsivas entre las cargas aumentan y cuando superan la tensión superficial, se generan perturbaciones en la superficie de la gota que terminan por liberar una cierta cantidad de carga, con poca pérdida de masa, para volver al estado estable. Este fenómeno se conoce como inestabilidad de Rayleig, y actúa a modo de “remo” electrostático, ya que, de forma progresiva, con el proceso de evaporización, y por fracciones de segundos, la carga de la gota es muy superior a la relativa a su tamaño. 

Hasta ahora hemos visto el agua como referente, pero, aunque la saliva es en un 99.49 % agua, la saliva tiene otra serie de componentes. ¿Cuáles son? ¿Pueden alterar el signo de carga de la gota de agua?  

La saliva, que en humanos, mamíferos y reptiles tiene numerosas funciones, especialmente digestiva, lubricante y protectora, está constituida por diversas sales e iones: Cloruro; Bicarbonato, Calcio, etc..; además está compuesta de proteínas, destacando las mucinas que son glicoproteínas con función lubricante; las lisozimas con función protectora anti caries y antibacteriana, y enzimas como las amilasas y lipasas que intervienen en el metabolismo de azucares y grasas respectivamente, es decir, son proteínas con funciones digestivas. Existen además péptidos (proteínas de pequeño peso). 

Los iones tienen carga + ó – independientemente del medio, estos electrolitos presentan molalidades en rangos variables pero que en general suponen una neutralidad de cargas. La carga de las proteínas, por el contrario, depende del pH del medio, son zwitterions, compuesto químico eléctricamente neutro, tal que, normalmente (no siempre), presentan carga + a pH ácidos y carga – a pH básicos. El pH de la saliva es prácticamente neutro y se comprende en el rango de 6.5 a 7.  Así por ejemplo el punto isoeléctrico (pI), es decir el pH al que dicha proteína es de carga cero, es para la Lisozima humana es de 7,28 y de 6.1 respectivamente para la amilasa y lipasas linguales humanas). Los péptidos presentes en saliva pueden ser catiónicos (cargados +), como la catelicidina, histatina y defensinas, también conocidas como CAMPs, o de carácter aniónico (cargados -), como las estaterinas (Barembaum Silvina R, Azcurra Ana (2019)) 

 Las superficies dentales están formadas por hidroxiapatita (un mineral) que tiene carga negativa superficial y son neutralizadas por la saliva. La saliva cargada positivamente permite la formación de la llamada película salival adquirida (es una membrana biológica delgada que se deposita en la superficie de los dientes). La neutralización de la hidroxiapatita se realiza principalmente por los iones Ca+2 y proteínas catiónicas. Esta película mantiene a la dentición en un ambiente húmedo facilitando la remineralización de los dientes, contrarresta la posible acción ácida de la comida, reduciendo además el desgaste dentario por la masticación, entre otras funciones.  

Algunos astringentes, como las sales metálicas, alteran la película (ver imagen) 

Existen además interacciones electrostáticas entre los péptidos catiónicos (con cargas positivas) de la saliva con la pared celular de bacterias, hongos y virus que presentan cargas negativas, tal que realizan una acción antimicrobiana.  

¿Si los virus tienen cargas negativas, como afectan a la electrostática de la gota?  

No todos los virus tienen cargas negativas. Los virus son organismos muy sencillos compuestos de un material genético (ADN ó ARN) con una envuelta llamada Cápside, que es de naturaleza proteica y, a veces, lipídica, la cual está en contacto con el medio exterior (en este supuesto sería con el líquido de la gota transportadora). En el caso del SARS-Cov-2 y de otros virus aerotransportados como el de la influenza H1N1 los puntos Isoeléctricos (recordemos que es el pH del medio en los que la carga neta de la proteína es cero o un valor neutro de carga) de las proteínas Neuraminidasa y Hemaglutinina de la cápside del H1N1 (virus de familia diferente al Coronavirus) son 5.93 y 6.74 respectivamente, al tiempo que en el SARS-Cov-2 (perteneciente a los Coronavirus) los pI de sus proteínas NSP-8 y NSP-16 son 6 y 7 respectivamente. El pH de la saliva en donde se transportan está entre 6.5 y 7. Es decir, sus valores de carga en ese medio (gotas de saliva) son entre neutros y ligeramente positivos.  

Comportamiento sobre Superficies 

Las gotas de agua una vez propagadas, caen por efecto gravitatorio conjugado con el efecto electrostático, sobre diferentes superficies. Una vez ahí la gota, si no se había evaporado termina por evaporarse, liberando el virus. Los estudios denotan un comportamiento diferente de los coronavirus sobre los distintos materiales.  

Recordemos los cables eléctricos: tienen un corazón de metal que permite el paso de la electricidad y un material aislante que nos protege de esa electricidad. Nosotros somos también electricidad y por eso nos influye. Si tocáramos con la mano un cable de baja tensión pelado nos dañaría.  

Todos los seres vivos, de una u otra manera, estamos formados por electricidad, ¿y los virus? Pues, al igual que a nosotros parece afectarles (en su pequeña medida) exactamente igual que a nosotros nos ocurre en el caso del cable pelado. El resultado de los estudios de tiempo de permanencia sobre los distintos materiales se muestra en la siguiente tabla: 

 Material Resistividad (Ω.m) Persistencia 
Conductores Cobre 1,71 x 10-8 4 h 
 Aluminio 2,82 x 10-8 8 h 
 Acero Inoxidable  72,00 x 10-8 48 h 
Aislantes Madera 108 a 1011 4 días 
 Vidrio 1010 a 1014 4 a 5 días 
 Teflón 1013 5 días 
  Caucho  75 x 1016  5 días 

Se puede observar que cuando el virus se haya sobre superficies de materiales conductores los tiempos de persistencia son de horas y cuando se haya sobre superficies de materiales aislantes los tiempos son de días. 

La tabla parece indicar una correlación directa entre el valor de resistividad (ordenada de arriba a abajo de menor a mayor valor) y el tiempo de permanencia.  

Las causas por la que el virus se inactiva antes sobre superficies conductoras parecen apuntar a que estos materiales favorecen desequilibrios electrostáticos del propio virus. En concreto un estudio sobre el cobre en el coronavirus humano 229E (cuya tasa de descomposición es muy similar a la del Sars-Cov muestra que se inactivó rápidamente en un rango de aleaciones de cobre tal que la exposición al cobre destruyó los genomas virales y afectó irreversiblemente la morfología del virus. Sin embargo, el uso de quelantes para eliminar especies iónicas de Cu (II) o Cu (I) y radicales hidroxilo o superóxido, protegieron al coronavirus de la inactivación en las superficies de cobre y latón, lo que sugiere que se requiere la liberación de Cu (I) y Cu (II) para la actividad antiviral (SL Warnes, ZR Little, CW KeevilHuman (2015)) 

Conclusiones 

Ante la propagación de la Pandemia Mundial de Covid-19 urge tomar soluciones sobre los mecanismos de transmisión, no descartando ninguna variable, ya que estaríamos dejando en manos del azar un destino posiblemente fatal. 

El efecto electrostático puede estar tras la explicación a casos de convivencia con pacientes diagnosticados con la enfermedad COVID-19 y que, sin embargo, sin aun explicación, dan negativo en todos los test. Ya que según las circunstancias este fenómeno puede proteger o poner en riesgo la salud de las personas. 

Referencias bibliográficas:  

Contaminación del aire, del medio ambiente y del equipo de protección personal por coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2) de un paciente sintomático. Sean Wei Xiang Ong, MBBS 1; Yian Kim Tan, PhD 2; Po Ying Chia, MBBS 1; y col. JAMA Publicado en línea el 4 de marzo de 2020. doi: 10.1001 / jama.2020.3227  

COVID-19 SARS-CoV-2 Dr. Javier Arranz Izquierdo Dr. José María Molero GdT— semFYC en Enfermedades Infecciosas Actualizado: 2020/marzo/04.  

Aerosol y estabilidad de la superficie del SARS-CoV-2 en comparación con el SARS- CoV-1, Emmie de Wit, y Vincent J. Munster . Correspondencia al The New York England Medice Journal. 17 de marzo de 2020. DOI: 10.1056 / NEJMc2004973  

Adam, JR, Lindblad, NR y Hendricks, CD La colisión, la fusión y la interrupción de las gotas de agua. J. Appl. Phys. 39, 5173–5180 (1968).  

SL Warnes, ZR Little, CW KeevilHuman Coronavirus 229E sigue siendo infeccioso en materiales de superficie táctil comunes. mBio , 6 (2015), págs. e01697 – 15  

Nenad Miljkovic , Daniel J. Preston, Ryan Enright y Evelyn N. Wang. Carga electrostática de gotas saltando. Nature Communications volumen 4, Número de artículo: 2517 (2013)  

Bourouiba, Lydia, Eline Dehandschoewercker, and John W. M. Bush. “Eventos espiratorios violentos: al toser y estornudar.” Journal of Fluid Mechanics 745 (March 24, 2014): 537–563. © 2014 Cambridge University Press  

G. Kampf , D.Todt, S. Pfaender, E. Steinmann. Persistencia de coronavirus en superficies inanimadas y su inactivación con agentes biocidas. Revista de infección hospitalaria Volumen 104, Número 3, marzo de 2020, páginas 246-251 

Towards aerodynamically equivalent COVID19 1.5 m social distancing for walking and running. Preprint. B. Blocken , F. Malizia , T. van Druenen , T. Marchal (2020) 

Impact of oral astringent stimuli on surface charge and morphology of the protein-rich pellicle at the tooth–saliva interphase Ralf Zimmermann, Judith Deliusb, Jens Friedrichs, Susanne Stehl, Thomas Hofmann, Christian Hannig, Melanie Rehage, Carsten Werner, Matthias Hannige, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume 174, 1 February 2019, Pages 451-458 

La saliva: una potencial herramienta en la Odontología Saliva: a potential tool in Dentistry. Barembaum Silvina R, Azcurra Ana I 1 Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Odontología. Cátedra B de Introducción a la Física y Química Biológicas, Departamento de Biología Bucal. Córdoba, Argentina. 2 universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Odontología. Cátedra B de Química Biológica. Departamento de Biología Bucal. Córdoba, Argentina. Rev Fac Odont 29(2), 2019. 

Referencia fotografías fuente internet.

email contacto: evaristoalfaya@gmail.com

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1 respuesta a El Demonio sí juega a los Dados: La Variable del Efecto Electrostático en la Propagación de la Covid-19 y Virus Respiratorios

  1. Anónimo dijo:

    el Video demostrativo del experimento ha cambiado ha cambiado de dirección:
    https://www.youtube.com/watch?v=9NbCzbDdd-g

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