EL MAGNETISMO EN LA NATURALEZA: SUS MANIFESTACIONES EN LO INANIMADO Y EN LOS SERES VIVOS
INTRODUCCIÓN: LA MAGNETITA RECORDEMOS que hace aproximadamente 2000 años el hombre observó en la naturaleza el primer fenómeno magnético: una piedra, el imán, que traía pedazos de hierro. Pasarían muchos años para aprender que todos los materiales tienen algún tipo de comportamiento magnético. El imán, cuyo nombre científico es magnetita, pertenece al tipo de material que tiene un ordenamiento magnético espontáneo. Es apenas en nuestro siglo que empezamos a entender el origen microscópico del magnetismo y que podemos decir algo sobre esta misteriosa piedra que despertó el espíritu investigador de nuestros antepasados. Actualmente sabemos que la materia está formada por átomos. Como ya vimos, el átomo y aun los electrones, también pueden considerarse como pequeños imanes. Los átomos están distribuidos en el espacio en algún tipo de arreglo que recibe el nombre de red y que, en el caso de los materiales cristalinos, es periódica. Esto es, basta con conocer la colocación de los átomos en una cierta celda unitaria, ya que ésta se repite igual en el espacio: su traslación genera el sólido. En la mayoría de los materiales, los pequeños imanes están orientados al azar y el material no manifiesta magnetización neta. En el caso de los materiales ferromagnéticos, esquematizados en la figura 23(a) en dos dimensiones, los imanes se alinean en una cierta dirección. En el orden antiferromagnético, figura 23(b), la magnetización neta vuelve a ser cero como en el caso al azar, a pesar de que sí existe un orden. Finalmente, en la figura 23(c) se muestra el tercer tipo de orden magnético: ferrimagnetismo, que es intermedio entre los otros dos. Existe pues un orden alternado pero con imanes distintos, dando como resultado una magnetización total diferente de cero.
El imán o magnetita es un material ferrimagnético de las llamadas "ferritas" u "óxidos ferrimagnéticos", Fe3O4 que son materiales aislantes con muchas aplicaciones industriales. Desde luego que su primera aplicación tecnológica fue la brújula. El modelo más sencillo para explicar el ferrimagnetismo consiste en considerar dos subredes magnéticas intercaladas, como se ve en la figura 23 c. Fue Néel quien extendió a dos subredes el modelo que Weiss había ideado con gran éxito para explicar los materiales ferromagnéticos. La magnetita es un caso más complicado y hace falta considerar tres subredes magnéticas, como se puede observar en la figura 24, en la que se muestra un plano del material. A esta estructura se le conoce como espinela, donde los oxígenos rodean al hierro, bien en forma tetraédrica o bien en forma octaédrica. En una subred magnética los imanes o, por qué no llamarlos con el lenguaje moderno, los espines, tienen la misma dirección y sentido, pertenecen al mismo ión y presentan periodicidad en el espacio.
Figura 24. Plano de cuatro celdas de magnetita.
LA TIERRA COMO UN IMÁN Fue Gauss el primero en describir el campo magnético terrestre. Publicó la obra Intensitas vis magnetical terrestris ad memsuram absolutam revocata en 1832. Como resultado de sus estudios concluyó que más del 97% de la fuerza magnética que se observa en la superficie de la Tierra se origina en su interior. Un campo magnético puede ser producido por un imán permanente o por corrientes eléctricas, y alguna de esas dos causas debe ser la responsable. El núcleo de la Tierra parece estar compuesto principalmente de hierro y níquel, que son materiales ferromagnéticos a temperaturas ordinarias. Sin embargo, la temperatura del núcleo terrestre es sin duda superior a la crítica, arriba de la cual los ferromagnetos dejan de presentar un orden magnético. No puede suponerse, por lo tanto, que dentro de la Tierra hay un imán permanente. La explicación del magnetismo terrestre tendría que estar relacionada, por tanto, con las corrientes eléctricas que se generan en su núcleo.
En 1948, Bullard propuso una hipótesis que se ha llamado de "dínamo autoexcitado"; la figura 25 muestra un modelo sencillo para ilustrarlo.
Figura 25. Esquema del modelo simple que ilustra el principio de la dínamo de disco autoexitante.
El modelo descrito es seguramente demasiado simplificado dada la complejidad de la situación. Ha habido muchos modelos que, basados en el mismo mecanismo, describen situaciones más complicadas, con combinaciones de varios tipos de dínamos. La presencia de varios de ellos involucra la dificultad de cómo acoplarlos, además de que los cálculos numéricos son de una gran dificultad. Sin embargo, el modelo de dínamo permanente ha sido ampliamente apoyado por expertos en geomagnetismo.
Hace más de 130 años que fueron medidas en forma sistemática la magnitud y la dirección del campo magnético terrestre. En la actualidad se usan aviones especiales para este propósito, además de satélites artificiales. Puede decirse ahora que la descripción es casi perfecta. Con base en los análisis de estos resultados se ha demostrado que el campo observado puede presentarse en forma aproximada como el producido por un imán hipotético cuyo eje se inclina ligeramente con respecto al eje de rotación, como aparece en la figura 5. Sin embargo, la intensidad, ubicación y dirección de este imán hipotético han cambiado apreciablemente.
Los datos han llevado a la conclusión de que el campo magnético terrestre es sumamente variable. Existe una indicación para estimar la intensidad del campo magnético terrestre que fue descubierta ya hace algunos años. En 1853, Melloni, en Italia, descubrió que las rocas volcánicas tienen una magnetización permanente bastante fuerte. Supuso que este magnetismo se debía a la acción que sobre ellas tuvo el campo magnético terrestre en el momento en que se enfriaban. Esta suposición fue posteriormente comprobada: la fuerte magnetización remanente de las rocas volcánicas recientes puede ser reproducida exactamente mediante el enfriamiento desde una temperatura alta, en presencia del campo magnético de la Tierra, resultando que la intensidad de la magnetización remanente adquirida es proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado.
Las rocas ígneas se componen principalmente de magnetita con algo de óxido de titanio. Como ya lo hemos discutido al hablar de materiales ferromagnéticos, la magnetización de la magnetita y de las rocas que la contienen disminuye con el incremento de la temperatura y desaparece a una temperatura crítica llamada de Curie. Las partículas magnéticas en las rocas pueden ser magnetizadas fácilmente aun en presencia de un campo relativamente débil, a una temperatura justo por debajo del punto de Curie. Con un descenso en la temperatura se incrementa la intensidad de esta magnetización adquirida y a temperatura ordinaria se produce una magnetización estable y fuerte. En la figura 26 se muestra un resumen de las medidas de la intensidad del campo magnético de los últimos 9 000 años, a partir de estudios en ladrillos, cerámicas y lavas volcánicas. Comparado con datos actuales, se puede concluir que el campo magnético ha fluctuado desde el pasado alrededor de valores semejante a los de hoy.
Figura 26. Movimiento del momento magnético de la Tierra (M) expresado en términos de su valor diario (Mo) a lo largo de los últimos nueve mil años.
Al estudio de la intensidad y la dirección del campo magnético de la Tierra en el pasado, por medio de rocas naturales, para determinar así sus cambios durante largos periodos de tiempo, se le conoce como paleomagnetismo. El desarrollo del paleomagnetismo llevó a un resultado sorprendente: el campo magnético ha sufrido diferentes inversiones en el pasado. Claramente la antigüedad de la lava aumenta con la profundidad. La dirección de la magnetización remanente de dos capas superiores (3.62 y 3.68 millones de años), así como de una muy profunda (4.5 millones de años) es prácticamente paralela a la del campo magnético terrestre actual. 
Figura 27. Relaciones entre el viento solar y el campo magnético de la tierra.
b) Diagrama construido con base en los datos recopilados por satélites artificiales ilustrando la relación real entre el viento solar y el campo magnético de la Tierra. Los puntos en la figura representan el flujo de partículas que llega del Sol. Las líneas de fuerza del campo magnético están aplastadas del lado opuesto. A este fenómeno se le llama magnetósfera.
Sin embargo, la magnetización remanente de todas las capas intermedias está orientada en forma antiparalela a la actual. Se piensa que una inversión completa del campo magnético de la Tierra toma de 1 000 a 10 000 años. No se sabe a ciencia cierta el motivo de estas inversiones, pero sí se ha podido predecir estos resultados mediante un modelo de los dínamos acoplados electromagnéticamente, extendiendo el modelo original descrito unos párrafos atrás. Se ha probado que, bajo condiciones apropiadas, un acoplamiento entre dos sistemas de dínamos autoexcitantes puede causar inversiones repetidas del campo magnético. Sin embargo, el problema de la inversión del campo sigue estando abierto, así como la discusión de las implicaciones que este fenómeno posee.
Una importante utilidad del campo magnético terrestre es que nos protege del viento solar. El viento solar es un plasma, gas de hidrógeno casi perfectamente ionizado, que emana del Sol, habiendo sido parte de la corona solar. La velocidad del flujo del plasma es de 300 a 400 km/seg en condiciones normales y puede llegar a 800 km/seg en una tormenta. En la figura 27 se muestra un ejemplo de una simulación de la interacción entre el viento solar y el campo magnético. Cuando el modelo de la Tierra no tiene campo, el plasma hace impacto directo con la superficie.
En cambio, cuando se le conecta un fuerte imán, el plasma se desvía y se forma una cavidad alrededor del modelo de la Tierra. La enorme cavidad natural en torno a la Tierra es conocida actualmente como la magnetósfera y su larga cola debida al viento solar en dirección opuesta al Sol es llamada cola geomagnética. Las partículas cargadas, principalmente electrones y protones, quedan atrapadas en diferentes ''cinturones'' de energía llamados cinturones Van Allen. Sus órbitas están confinadas en un plano ecuatorial alrededor de la Tierra debido al campo magnético. Hay dos cinturones de electrones, aproximadamente a 2 000-5 000 y 13 000-19 000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, y los protones parecen estar distribuidos en capas intermedias. Las partículas en las capas externas provienen principalmente del viento solar, pero dos de las capas internas están formadas por rayos cósmicos.
Así pues, el campo magnético terrestre constituye una defensa para la Tierra de las partículas cargadas que permanecen en órbitas que oscilan de norte a sur del ecuador magnético en los cinturones Van Allen.
¿Qué sucedería durante una inversión de la dirección del campo como la que hemos mencionado? Necesariamente habría un periodo grande de años en que el campo magnético sería muy pequeño o nulo y las radiaciones sobre la superficie muy intensas. Ha habido muchas especulaciones sobre esto, unidas a la evolución de las especies. Tal vez la radiación intensa al penetrar en las células logre alterar las moléculas de
ADN de los cromosomas, modificando las características hereditarias de los seres vivos. Tal vez puedan desaparecer unas especies y aparecer otras. Ciertamente, éste no podría ser considerado como el mecanismo único para la evolución, pero podría colaborar a entender la súbita aparición o extinción simultánea de algunas especies en todo el mundo, en sitios donde los argumentos de adaptación al medio no son válidos por tratarse de medios muy variados. La verificación de estas hipótesis está en proceso y requiere de muchas observaciones en lugares adecuados en donde se pueda afirmar que el magnetismo original no ha sido alterado. BACTERIAS MAGNÉTICAS Hace poco tiempo se descubrió una evidencia más directa que el mencionado efecto del magnetismo terrestre sobre los seres vivos. Se descubrió, en cierta medida en forma accidental, que existen bacterias que utilizan el geomagnetismo para orientarse. Se estaba estudiando una especie de bacterias que suelen habitar en el lodo marino y se observaron microorganismos que migraban muy rápidamente hacia un lado de la gota de lodo. Primero se pensó que era un efecto debido a la luz proveniente de una ventana en el noroeste del laboratorio, pero pronto se dieron cuenta que la luz no podía ser la causa, pues siempre se movían en la misma dirección, aunque se cambiara la fuente luminosa. Se les ocurrió acercar pequeños imanes a la gota y la dirección del movimiento se alteró inmediatamente. Era el geomagnetismo el causante de la migración de las bacterias.
Este tipo de microorganismos se encuentran en los sedimentos lodosos, tanto salados como de agua dulce, de todo el mundo. Presentan cadenas de cristales de magnetita del tamaño de un monodominio (Figura 28). Estas células hacen que las bacterias tengan un momento magnético neto que se alinea con el campo magnético terrestre. En los hemisferios norte y sur, donde el campo magnético terrestre tiene una componente vertical mayor que la horizontal, su componente magnética les sirve para dirigirse al fondo, hacia el sedimento y áreas anaeróbicas que favorecen su crecimiento. Para comprobar esto se compararon bacterias crecidas en el hemisferio norte, con crecidas en el hemisferio sur, y aún más, con bacterias del ecuador. Al llevar bacterias del sur al norte, éstas se dirigían a la superficie en lugar de al fondo (no hay que olvidar que la dirección del campo magnético es opuesta en el norte y el sur). En el ecuador se encuentran bacterias de ambos tipos, que podríamos llamar tipo norte y tipo sur. Ahí el campo, por su dirección, no ayuda a distinguir el fondo de la superficie, pues tiene una dirección prácticamente paralela a la superficie. Hay otros microorganismos, como las algas, que presentan comportamiento magnético, y por tanto se presenta la probabilidad de una nueva taxonomía basada en comportamientos magnéticos.
Figura 28. Fotografía de microscopio electrónico de una sección de bacteria magnética delgada. Se ven las cadenas de cristales magnéticos. La barra mide 250 nm.
Si se cultivan estas bacterias en un medio sin hierro, se observa que no presentan propiedades magnéticas, aunque se conserva la posición de las células magnéticas. Se han hecho diferentes pruebas que han mostrado que el hierro se encuentra en forma de magnetita, pero con cierto porcentaje de vacancias. Es importante señalar el hecho de que el tamaño de los cristales de magnetita (40nm) corresponde al de un solo dominio y que es imposible producir tecnológicamente un cristal de ese tamaño. La respuesta de estos monodominios es directa, no por inducción. Son brújulas biológicas. También se ha encontrado magnetita en el abdomen de abejas vivas y en el cráneo de pichones, pero no se ha podido demostrar su relación con su sentido de orientación. Sin embargo, recientemente, al estudiar los mecanismos de migración de peces, se encontraron respuestas condicionadas por el campo magnético terrestre en el atún de aleta amarilla y se detectaron y caracterizaron cristales de magnetita provenientes de un tejido que se encuentra ligado a un hueso del cráneo del atún. Se llevaron a cabo gran número de pruebas y se comprobó que la acumulación de magnetita era común a la especie y similar a la forma en que se da en las mencionadas bacterias. También confirmaron la conexión entre el material magnético y el sistema nervioso del pez, y por la forma en que las partículas están organizadas, se concluye que el atún probablemente tiene una navegación muy precisa.
La orientación animal ha sido uno de los grandes misterios de la naturaleza y resulta apasionante la posibilidad, que empieza a confirmarse, de que la brújula, ya sea construida o natural, mueva a todos los seres vivos sobre la superficie del planeta.
Figura 23. Modelos para materiales magnéticos: (a) Ferromagneto. b) Antiferromagneto. (c) Ferrimagneto.
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