Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

Genetic characterization of the first settlers of the North-Eastern Andes in Colombia

Resumen A partir del hallazgo y el estudio de objetos minerales transformados por las comunidades que habitaron la cordillera Nororiental de los Andes en tiempos precolombinos, sus restos humanos pueden analizarse hoy con las herramientas de la genética molecular aplicadas al ADN extraído de huesos y dientes de cada individuo. El presente texto presenta una síntesis de los trabajos publicados en los últimos diez años por el Instituto de Genética Humana de la Pontificia Universidad Javeriana de Bogotá, con base en el análisis del ADN de indígenas contemporáneos y precolombinos, en un rango de tiempo que sobrepasa los 6.000 años. Estos estudios han aportado precisiones sobre las dinámicas de circulación de los pobladores de la esquina noroccidental de Suramérica en el espacio y en el tiempo. Los nuevos hallazgos genéticos, conjugados con los conceptos aportados por la antropología y la arqueología sobre estas mismas comunidades, permitirán precisar factores determinantes como la diversidad y la filiación biológica de los diferentes grupos humanos que se han establecido en el territorio colombiano.

Abstract Beyond the discovery and study of mineral objects transformed by the communities that inhabited the North-Eastern Andes in pre-Columbian times, human remains can be analyzed today with the tools of molecular genetics applied to DNA extracted from bones and teeth of each individual. The present text presents a synthesis of the works published in the past ten years by the Institute of Human Genetics at Pontificia Universidad Javeriana in Bogotá, based on the analysis of DNA of contemporary and pre-Columbian natives, in a time range of over 6,000 years. These studies have provided insights on the dynamics of circulation in space and over time of the settlers of the Northwest corner of South America. New genetic findings, coupled with concepts contributed by anthropology and archaeology on these same communities, will help to precise factors such as the diversity and biological affiliation of different human groups that have settled in the Colombian territory.

Prevalence and periodicity of respiratory syncytial virus in Colombia

Resumen El virus sincitial respiratorio es uno de los principales agentes causantes de hospitalizaciones en niños menores de 5 años en todo el mundo y es responsable de una significativa mortalidad en los países en vías de desarrollo. Los resultados de estudios recientes sobre la inmunidad antiviral han generado un ambiente de optimismo sobre la posibilidad de lograr una vacuna antiviral segura y eficaz en un futuro cercano. En este contexto, uno de los objetivos del seminario taller sobre integración intersectorial de la investigación en salud, organizado por el Cideim, fue detectar las necesidades de investigación para facilitar la introducción de las vacunas contra el virus sincitial respiratorio en Colombia y, en particular, hacer un análisis de la carga de la enfermedad producida por este agente en Colombia. Como contribución a este último objetivo, en el presente trabajo se hizo la revisión de 36 estudios epidemiológicos y clínicos sobre el virus sincitial respiratorio realizados en el país en los últimos 40 años, con el fin de evaluar históricamente la prevalencia de la enfermedad por este patógeno y la periodicidad reportada en las diferentes ciudades de Colombia. Aunque en varias ciudades existe un pico en la presentación del virus entre marzo y abril, particularmente en Bogotá, la ciudad del país con el mayor número de estudios, en otras ciudades, como Cali, este no parece ser el caso. A pesar de que existe heterogeneidad en la prevalencia de las infecciones por el virus sincitial respiratorio (rango de 7 a 41 %) dependiendo, sobre todo, del tipo de estudio, en los últimos 40 años este ha sido el principal agente responsable de la infección respiratoria baja en niños menores de 5 años en Colombia.

Abstract Respiratory syncytial virus is one of the main agents responsible for hospitalizations in children under 5 years of age worldwide and is responsible for significant mortality in developing countries. Recent studies on antiviral immunity have created an atmosphere of optismism about the possibility of achieving a safe and effective antiviral vaccine in the near future. In this context, during the course of the Seminar/Workshop: “Intersectoral integration in health research” organized by CIDEIM, one of the objectives was to identify research needs to facilitate the introduction of respiratory syncytial virus vaccines in Colombia and particularly to estimate the disease burden by this agent in the country. In this context, the present work revised the information reported by epidemiologial and clinical studies on respiratory syncytial virus conducted in the country within the past 40 years to describe the disease prevalence and the temporal distribution of this respiratory pathogen in different cities of Colombia. Although in several cities there is a peak in the presentation of the virus between March and April, especially in Bogotá, the city with the greatest number of studies, this does not seem to be the case in other cities, for example, Cali. Despite the fact that there is heterogeneity in the prevalence of infection by respiratory sincitial virus (range: 7% - 41% ) depending on the type of study, for the last 40 years the virus has been the main agent responsible for lower respiratory tract infections in children under 5 years in Colombia.

Unified digestion and decalcification protocol for three DNA extraction methods in human remains

Resumen La identificación de restos humanos esqueletizados con base en el ADN es un procedimiento muy utilizado en los laboratorios forenses del mundo. Existen al menos tres métodos para la obtención del ADN a partir de este tipo de tejido: mediante solventes orgánicos (fenol-cloroformo), columnas de sílice (QIAquick de QIAgen) y perlas magnéticas recubiertas de polímero (PrepFiler Express™ BTA Forensic DNA Extraction Kit). Cada uno de ellos involucra un procedimiento distinto para la digestión y descalcificación del tejido óseo, así como la aplicación de diferentes principios fisicoquímicos para la purificación y la elución del ADN y el uso de diferentes cantidades iniciales de material pulverizado. Aunque los tres métodos han demostrado ser efectivos dependiendo de la calidad de la muestra, en el Laboratorio de Investigación Genética de Restos Humanos del Instituto Nacional de Medicina Legal y Ciencias Forenses se estandarizó un protocolo unificado para la digestión y descalcificación, independientemente del método de purificación. Con este fin, se evaluaron variables como la cantidad de material pulverizado, el uso y la concentración de detergentes, la concentración de proteinasa K, el uso de dispositivos concentradores y de los reactivos del estuche PrepFiler Express™ BTA Forensic DNA Extraction y EDTA. El efecto de las variables se evaluó en muestras de tejido calcificado provenientes de los casos forenses del Laboratorio y en el ADN de líneas celulares conocidas analizando la cantidad de ADN recuperado y la calidad del perfil genético. El protocolo unificado de digestión y decalcificación permite una digestión completa del material pulverizado y, por ende, una mejor recuperación de ADN, independientemente del método de purificación usado. En las muestras analizadas el método tuvo un porcentaje de éxito cercano a 80 %.

Abstract The identification of human remains using DNA from bones and teeth is a current procedure in forensic laboratories worldwide. At least three methods are used in DNA extraction from mineralized tissue: Organic (phenol-chloroform), silica (QIAquick, QIAgen) and magnetic particles (Prepfiler Express™ BTA Forensic DNA Extraction Kit); each one has its own procedure for decalcification, digestion, DNA purification, and elution, as well as for obtaining the initial amount of material. Although the three methods are equally efficient, we standardized a decalcification- digestion protocol to use it with any of the three DNA purification methods. We evaluated the quantity of powder, detergent and protease concentration, device concentrators and buffer for demineralization in bones and teeth from forensic cases of the Laboratory and DNA of common cellular lines by assessing the amount of recovered DNA and the quality of the genetic profile. The unified protocol for digestion and decalcification allowed a full degradation of bone powder, and good quality DNA recovery, independently of the purification method used in the subsequent step. Success percentage with this protocol was nearly 80 %.

Adaptive immune response in chronic infection by Trypanosoma cruzi

Resumen La infección por Trypanosoma cruzi causa la enfermedad de Chagas, la cual presenta una fase aguda en la que la activación del sistema inmunitario ayuda a controlar el parásito. No obstante, el parásito puede persistir en bajos niveles y producir una fase crónica en la cual el 70 % de los individuos infectados permanece asintomático, en tanto que los demás presentan compromiso tisular, principalmente en el corazón, y pueden desarrollar una miocardiopatía inflamatoria crónica. Durante el proceso de infección la respuesta inmunitaria tiene un papel importante en la protección, pero también se ha asociado con la patogenia, especialmente en la fase crónica. Los estudios del grupo de investigación sobre la enfermedad de Chagas conformado por investigadores de la Universidad de los Andes y la Pontificia Universidad Javeriana en Colombia, se han centrado en analizar la respuesta inmunitaria adaptativa inducida frente a T. cruzi. En este artículo, se resumen y analizan los resultados de la evaluación de la respuesta inmunitaria humoral contra la proteína KMP-11 del parásito, así como de la respuesta inmunitaria celular en sangre periférica de pacientes con cardiopatía chagásica crónica. La funcionalidad de los anticuerpos específicos y el porcentaje de linfocitos T específicos de antígeno en sangre periférica y sus marcadores de funcionalidad se evaluaron usando un péptido de nueve aminoácidos de la proteína KMP-11 denominado TcTLE.

Abstract Trypanosoma cruzi infection causes Chagas disease, which presents an acute phase where the activation of the immune system can help to control the parasite. However, the parasite persists at a low level leading to a chronic phase where 70% of the infected individuals remain asymptomatic, and the others have tissue involvement, mainly a chronic inflammatory cardiomyopathy. During the infection process, the immune response plays an important role in protection, but it has also been associated with pathogenesis, especially during the chronic phase. The studies carried out by the Chagas disease research group from Universidad de los Andes and the Pontificia Universidad Javeriana in Colombia, have been focused on dissecting the adaptive immune response induced against T. cruzi. Here we summarize and analyze the results of the evaluation of the humoral immune response against the KMP-11 protein from the parasite. We also describe the cellular immune response against T. cruzi in peripheral blood of patients with chronic Chagas heart disease. We evaluated the possible role of peptide-specific antibodies and the percentage of peripheral blood antigen-specific lymphocytes and their surface markers using a nine amino acids peptide from the KMP-11 protein termed TcTLE.

Does interference require the wave superposition as physical principle?

Resumen La superposición de ondas es una de las ideas fundamentales más preciadas de la física. Durante cerca de dos siglos ha constituido el principio físico de la interferencia y la difracción de las ondas y, a lo largo de los últimos cien años se ha empleado como instrumento predictivo del comportamiento de sistemas cuánticos. Sin embargo, dicha superposición no puede explicar la interferencia de las ondas y de las partículas de manera generalizada debido, principalmente, a la diferente interpretación de la función de onda en cada contexto. Dado que los fenómenos del mismo tipo deben obedecer al mismo principio, o ser consecuencia de las mismas causas, esta limitación de la superposición de ondas es, por lo tanto, un problema actual en los fundamentos de la física. Como solución se propone un nuevo principio físico, el cual proporciona la misma explicación para la interferencia de las ondas y de las partículas sin detrimento de la precisión predictiva. Su validez se apoya en el análisis de resultados experimentales reportados por otros autores. Este principio es completamente novedoso y conduce a una formulación no estandarizada de la interferencia, que deberá abrir nuevos campos de discusión sobre este tema fundamental de la física.

Abstract The wave superposition is one of the most precious foundations of physics. It has been the physical principle of interference and diffraction of waves for nearly two centuries, and an accurate predictive instrument of the behavior of quantum systems over the past 100 years. However, it cannot explain the interference of waves and particles in a generalized way mainly due to the different interpretation of the wave function in each context. Given that phenomena of the same type should obey to the same principle or be the consequence of the same causes, this restriction of the wave superposition constitutes a current problem in the very foundations of physics. A new physical principle is introduced to address this problem. It provides the same explanation for wave and particle interference, but maintaining the predictive accuracy of the wave superposition. Its validity is based on the analysis of experimental results reported by other authors. This principle is completely new and leads to a non-standardized formulation of interference, which should open new avenues of discussion on this fundamental topic of physics.

Thermal, mechanical, and morphological characterization of Colombian natural fibers as potential reinforcement for biocomposites

Resumen Este estudio se enmarca en el campo de la ciencia e ingeniería de materiales enfocada al desarrollo de nuevos compuestos amigables con el medio ambiente. En este contexto, se evaluaron cinco fibras naturales colombianas: damagua (Poulsenia armata), guérregue, palma estera (Astrocaryum malybo), caña flecha (Gynerium sagitatum) e iraca (Carludovica palmata), con el fin de estudiar su viabilidad como refuerzo en materiales compuestos. Mediante diversas mediciones se determinaron las propiedades térmicas, mecánicas y morfológicas de las fibras naturales. El análisis térmico se hizo utilizando termogravimetría (TGA), y se demostró el carácter hidrofílico de las fibras y su estabilidad a elevadas temperaturas. Se ensayó la resistencia de las fibras a la tracción bajo condiciones de fuerzas axiales estáticas, y se encontraron variaciones en las propiedades mecánicas de cada uno de los especímenes. Las fibras de guérregue y caña flecha registraron valores de resistencia máxima competitivos muy similares a los reportados en otras investigaciones con fibras naturales, en tanto que las otras tres fibras tuvieron bajo desempeño. La microestructura de las fibras se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), y las imágenes revelaron una morfología compuesta por el lumen y la pared celular con variación entre los tamaños, comportamiento éste asociado a las propiedades mecánicas de las fibras naturales estudiadas. En conclusión, dos fibras presentaron las mejores propiedades y cumplieron con las condiciones de estabilidad térmica y resistencia mecánica que las hace aptas como refuerzo en la fabricación de biocompuestos con matrices poliméricas.

Abstract This study was conducted in the field of materials science and engineering and focused on the development of new eco-friendly components. For this purpose, we evaluated five Colombian natural fibers: damagua (Poulsenia armata), quérregue (Astrocaryum standleyanum), palm mat (Astrocaryum malybo), wild cane (Gynerium sagitatum) and iraca (Carludovica palmata), to evaluate their viability as reinforcement in composite materials. We measured the thermal, mechanical and morphological properties of these natural fibers by using thermogravimetric analysis (TGA) for the thermal analysis, which showed their hydrophilic character and their stability at high temperatures. We also tested their resistance to traction under static axial forces and we found variations in their mechanical properties. We found that guérregue and wild cane fibers showed maximum competitive strength values, similar to those found in other studies with natural fibers, while the other three fibers had a poor performance. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the microstructure of the fibers showing a morphology composed of lumen and cell wall with variations among sizes, a behavior which is linked to their mechanical properties. As a result, we found that two of the fibers complied with the conditions of thermal stability and tensile stress to be used as reinforcement in the manufacturing of biocomposites with polymeric matrices.

Evolution of extinction risk and current conservation status of Colombian birds

Resumen La evaluación periódica del riesgo de extinción de las especies es indispensable para monitorear el progreso o retroceso de su estado de conservación. Se analiza aquí la evolución de las listas y libros rojos de aves en Colombia en cuanto al sistema de evaluación, los métodos y la composición de las especies. Las cinco evaluaciones realizadas a la fecha utilizaron el sistema de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (International Union for Conservation of Nature, UICN). Los métodos han progresado notablemente desde las evaluaciones que se basaban exclusivamente en el criterio experto hasta las actuales que utilizan herramientas analíticas sofisticadas sin dejar de usar el criterio experto. En total, 62, 81, 89, 112 y 140 especies estuvieron en alguna categoría de amenaza en los años 1986, 1998, 2001, 2002 y 2016, respectivamente. Al comparar las evaluaciones del 2002 y el 2016, la proporción de especies bajo alguna categoría de amenaza se ha reducido para el criterio A (rápido declive poblacional), es estable para el criterio B (distribución pequeña, fragmentada y en disminución), en tanto que ha aumentado para el criterio C (población pequeña y en disminución). La agricultura, la ganadería, la cacería y el tráfico ilegal, así como los cultivos ilícitos, son las amenazas directas más significativas actualmente (55, 44, 32 y 31 % de especies afectadas, respectivamente). Tomadas en su conjunto, estas amenazas sugieren que la principal causa de amenaza para las aves es la debilidad del control del Estado sobre el territorio. Las familias Psittacidae, Grallariidae y Cracidae son particularmente sensibles. La precisión de futuras evaluaciones se beneficiará con la información sobre las densidades poblacionales en diferentes tipos de hábitats y gradientes de idoneidad, así como con los registros de georreferenciación de alta calidad y la exploración de regiones con escasos niveles de información ornitológica.

Abstract Periodic assessment of extinction risk is fundamental to monitor progress or regression on species conservation status. We analyzed changes through time in red lists and red data books in Colombia in terms of evaluation systems, methods, and species composition. All five assessments used the International Union for Conservation of Nature (IUCN) system. Methods have progressed notably, from assessments 100% based on expert knowledge to assessments that use sophisticated analytical tools together with expert knowledge. A total of 62, 81, 89, 112 and 140 species were threatened in the years 1986, 1998, 2001, 2002 and 2016, respectively. Comparing assessments conducted in 2002 and 2016, the proportion of species in a category of threat under criterion A (rapid population decline) has declined, it is stable under criterion B (small, fragmented, and declining distribution), and has increased under criterion C (small and declining population). Agriculture, livestock farming, hunting and illegal trade, as well as illicit crops, are the most significant direct threats currently affecting 55%, 44%, 32%, and 31% of the species, respectively. This set of threats taken together suggests that the main direct threat for birds is the weakness of State control inin the country’s territories. The families Psittacidae, Grallariidae, and Cracidae are particularly sensitive. Future assessments will benefit with new information on population densities in different habitat types, and suitability gradients, as well as high-quality georeferencing records, and exploration of regions with low levels of ornithological knowledge.

An approach to identifying vulnerability factors in high mountain lagoons

Resumen Los procesos de transformación del territorio están dañando importantes sistemas de laguna en la alta montaña en Colombia. Su alteración continua se atribuye principalmente a causas antropogénicas, y afecta los bienes y servicios que proveen, así como la economía de amplios sectores productivos y naturales. El objetivo de este documento es determinar los factores de vulnerabilidad en una laguna de páramo en el departamento del Cauca con base en una propuesta metodológica que integra tres momentos: i) definición del alcance, ii) un modelo conceptual basado en una red causal integrada por los siguientes elementos: ‘direccionado’-presión-estado-impacto-respuesta (DPEIR), y iii) análisis y validación de los factores de vulnerabilidad a la luz de información primaria y secundaria. Los resultados revelaron una compleja relación entre diez factores de vulnerabilidad en procesos biofísicos y sociales, entre los cuales se encuentran la precipitación, la temperatura, el área de litigio entre actores, los rituales y las especies de interés cultural, entre otros. El reconocimiento de los factores de vulnerabilidad a partir de la metodología propuesta en este documento da un punto de partida para la generación de indicadores de análisis sistémico y de abajo hacia arriba (bottom-up) de la vulnerabilidad. Asimismo, se dan indicios de los principales direccionadores de cambio que deben ser atendidos de manera prioritaria por los diferentes actores sociales con la intención de reducir tanto la vulnerabilidad como el riesgo frente a la pérdida de los servicios ambientales de la laguna paramuna estudiada en el Parque Nacional Natural Puracé.

Abstract Territorial transformation processes are affecting important lagoon systems in the high mountains in Colombia. Their continuous alteration is attributed to anthropogenic causes mainly, and it affects the goods and services they provide, as well as the economy of large productive and natural sectors. The objective of this document was to identify vulnerability factors or drivers in a páramo lagoon in the department of Cauca using a methodological approach which integrates three moments: i) definition of the scope; ii) a conceptual model based on a causal network composed of the following factors: Direction-Pressure-State-Impact-Response (DPSIR), and iii) the identification of factors using primary and secondary information. The results revealed a complex relationship among ten factors of vulnerability in biophysical and social processes, among them, precipitation, temperature, areas under litigation among actors, rituals, and species of cultural interest, among others. The detection of vulnerability factors based on this methodology provides a starting point to establish indicators for a systemic and bottom-up analysis of vulnerability. Additionally, we give indications on the main drivers of change that must be addresses by the different social actors to reduce the vulnerability and the risk of losing environmental services of the páramo lagoon in the Puracé Natural National Park under study.

Analysis and geometry on non-smooth domains

Abstract This paper is a summary of the talk given with the occasion of the author’s induction as Corresponding Member of the Academia Colombiana de Ciencias Exactas Fisicas y Naturales. We describe recent results in an area of analysis which focuses on the relationship between the geometric properties of a domain and the behavior near the boundary of the solutions to canonical PDEs in this domain.

Resumen Esta nota está basada en la charla de posesión como Miembro Correspondiente de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. En ella describo algunos de los resultados recientes en un área de análisis que está enfocada en entender la relación entre las propiedades geométricas de un dominio y el comportamiento hacia la frontera de las soluciones de ecuaciones diferenciales parciales en este dominio.

Introduction of the topology structure in Fréchet and Hausdorff works

Resumen En la primera parte, retomamos testimonios de Fréchet sobre la naturaleza de sus primeros trabajos (1904-1906) en los campos emergentes del Análisis funcional y Análisis general, en relación con su idea de introducir una estructura topológica en un espacio abstracto. En la segunda parte, destacamos la influencia que tuvo en esta idea, el punto de vista algebraico de la época de extender las nociones cantorianas a un espacio abstracto con una estructura de grupo finito. Fréchet supo aprovechar técnicas como el “modo de composición” entre los elementos del espacio, para axiomatizar operaciones y estructuras de la “clase L” con convergencia secuencial, la “clase V” con sistema de vecindades, la “clase E” con “écart” (métrica). Luego se aprovechan nuevos datos históricos para reafirmar la proximidad de las concepciones filosóficas subyacentes a estas investigaciones, con las ideas de Leibniz, específicamente en cuanto al método de “análisis de los principios”. En la tercera parte se estudia la contribución de Hausdorff de 1912 y 1914 al establecimiento de la axiomática de las vecindades para la topología de un espacio abstracto. Teniendo en cuenta las observaciones de Weyl y Bourbaki de que Hausdorff se inspiró para ello en Hilbert, se examina el sistema de axiomas para las vecindades del plano introducido por Hilbert en dos trabajos de 1902 consagrados al problema de la continuidad del espacio. Se exploran las conexiones del “espacio topológico” de Hausdorff basado en las vecindades, con las nociones de métrica, convergencia secuencial y vecindades propuestas años antes por Fréchet. Hausdorff insistió desde el comienzo que la topología del espacio separable tenía las características de generalidad y rigor formal que le permitían adaptarse a las aplicaciones mejor que otras. Se mostrará que todo ello era consistente con los ideales de simplicidad, unidad y economía de pensamiento que Hausdorff había adquirido en sus trabajos filosóficos tempranos.

Abstract In the first part, we remind Fréchet’s testimonies about the approach of his early work (1904-1906) in the emerging fields of Functional Analysis and General Analysis, in relation to his idea of introducing a topological structure in an abstract space. In the second part, we highlight the influence that had on this idea, the algebraic point of view of the time of extending the Cantorian notions to an abstract space with a finite group structure. Fréchet took advantage of techniques such as the “composition mode” between the elements of the space, to axiomatize operations and structures of the “class ” with sequential convergence, the “class ” with neighborhood system, the “class ” with “écart” (metric). Then, new historical data are used to reaffirm the proximity of the philosophical conceptions underlying these investigations with the ideas of Leibniz, specifically with regard to the method of “analysis of principles”. The third part examines the contribution of Hausdorff of 1912 and 1914 to the establishment of the neighborhood axiomatics for the topology of an abstract space. Taking into account the observations of Weyl and Bourbaki that Hausdorff drew on Hilbert, we examine the system of axioms for the neighborhoods of the plane introduced by Hilbert in two 1902 papers devoted to the problem of the space continuity. As regards Fréchet’s influence in Hausdorff, we explore the connections of Hausdorff’s “topological space” based on neighborhoods with the notions of metric, sequential convergence and neighborhoods, proposed years earlier by Fréchet. From the beginning, Hausdorff argued that the topology of the separable space had the characteristics of generality and formal rigor that allowed it to adapt to applications better than others. It is shown that all this was consistent with the ideals of simplicity, unity and economy of thought Hausdorff had acquired in his early philosophical works.