Respuestas (XLVII): ¿Cuál es el material más letal conocido, en términos de masa?

Rubén García-Valcárcel me planteó por correo electrónico (jordipereyra@cienciadesofa.com) el tipo de pregunta que más me gusta responder: algo que nunca me había planteado y que me resulta desconcertante a primera vista. ¿Cual es la cantidad mínima de materia necesaria para matar a un ser humano?

Quería aclarar que me ha parecido otra manera de enfocar la pregunta «¿cual es el material más mortífero?» y he preferido poner eso como título, ya que el objetivo de la entrada es hablar un poco de las peculiaridades de las sustancias que trataré y su efecto sobre el cuerpo humano, no de la idea de matar.

La cuestión es que, en el e-mail, Rubén también especifica que la forma en la que se encuentre la sustancia y el mecanismo a través del cual conduzca a la muerte son indiferentes. Puede ser un compuesto venenoso, un explosivo o cualquier cosa que se me ocurra, lo único que importa es que se trate de la menor cantidad de material posible.

Si las reglas han quedado claras, podemos empezar por los venenos.

Cualquier sustancia puede matarnos si nos exponemos a ella en cantidades suficientes. De hecho, la mayoría de cosas que nos metemos en el cuerpo en nuestro día a día son potencialmente letales en este sentido. Paracelso ya lo transmitió en el siglo XVI: «Todo es veneno, nada es sin veneno. Sólo la dosis hace el veneno«.

Para evaluar la toxicidad de compuesto químico se utiliza la dosis letal mediana (DL50), que es la masa de una sustancia que provoca la muerte al 50% de los sujetos expuestos a ella. Por ejemplo, el agua, la misma sustancia que nos mantiene vivos (aclaración innecesaria), es tóxica en grandes cantidades: su DL50 es de alrededor de 90 ml/kg, o 90 mililitros de agua  ingerida por cada kilogramo de masa corporal de la persona que la toma. Esto significa que alguien que pese 83 kilos, como el autor de Ciencia de Sofá, tendrá un 50% de probabilidades de morir si bebe 7,5 litros de agua en poco tiempo.

¿Pero qué dices? ¿Cómo va a matarte el agua?

Pues sí, voz cursiva, deshidratarte no es agradable, pero tampoco lo es hidratarte en exceso porque las células se hinchan a medida que absorben el agua que al cuerpo no le da tiempo a excretar a través de la orina. Las células del cerebro son especialmente vulnerables a este efecto porque, a medida que el cerebro se hincha mientras absorbe agua, puede llegar a ejercer suficiente presión contra las paredes del cráneo como para provocar daños cerebrales y la muerte.

Pero, bueno, 7,2 litros de agua es una cantidad enorme de materia. Hay otras cosas a nuestro alrededor que nos matarán en dosis menores, como por ejemplo el azúcar. Con una DL50 de unos 29,7 g/kg, me tendría que tomar casi 2,46 kilos de azúcar antes de tener un 50% de probabilidades de la gula me matara (eso son 4,1 kilos de Nutella, por si os lo preguntabais).

La sal, puestos a comparar, tiene una toxicidad 10 veces mayor: dosis de sal de 3 gramos por cada kilogramo de masa corporal es también letal. Es decir, que tendría que aliñar mis ensaladas con unos 249 gramos de sal para alcanzar su DL50. Como medida preventiva, cuando veáis que la típica broma de «échale algunas patatas más a la sal, ¿no? ¡JAJA!» empieza a describir con fidelidad vuestro plato, posiblemente esteis cerca de la dosis letal media.

Cambiando de sustancia, con una DL50 ingerida de unos 450 miligramos por kilo de masa corporal, la ingestión de 37,35 gramos de plomo serían suficientes para matarme. Este me ha parecido un caso curioso porque, en cambio, disparado a través del cañón de un rifle del calibre 22 a entre 430 y 550 m/s, la dosis letal de plomo baja hasta entre 1,3 y 3,9 gramos (suponiendo un único disparo letal).

Bromas paupérrimas aparte, quería mencionar el caso del plomo porque es un metal que se funde a una temperatura relativamente baja y se puede trabajar con facilidad, así que los romanos lo utilizaban para fabricar cañerías y utensilios de cocina. De hecho, estaban tan enamorados del plomo que incluso lo utilizaban como edulcorante para aliñar la comida (en forma de acetato de plomo).

Producción de plomo a lo largo de la historia. El plomo no se volvería a producir en tal cantidad hasta la revolución industrial. (Fuente)

Es posible que en internet os encontréis con la idea de que los romanos estaban tan intoxicados por el plomo que los rodeaba que este metal pesado fue la causa de la caída de su imperio. Y, no, esto no es cierto, la caída de roma fue un fenómeno mucho más complejo que no se puede atribuir a una sola causa. De hecho, los romanos se habían dado cuenta del impacto del plomo sobre la salud, así que tomaron medidas para no ser expuestos a grandes cantidades del metal en su vida diaria como, por ejemplo, mandar a los herreros que trabajaban el plomo fuera de la ciudad para que los vapores no molestaran a los demás.

Aun así, la aristocracia seguía expuesta a niveles peligrosos de plomo proveniente de sus utensilios de cocina y, en mayor medida, del vino, más que nada por las grandes cantidades que tomaban. Como consecuencia, los aristócratas sufrían auténticas epidemias de gota, esterilidad, infertilidad y partos prematuros.

Pero, bueno, aunque el plomo está prácticamente eliminado de nuestra vida diaria, manejamos sustancias más tóxicas en nuestro día a día.

El cianuro está presente de manera natural dentro de las semillas de muchas frutas, como las manzanas, los albaricoques o las ciruelas. Pero no se encuentra en forma pura, sino encerrado en moléculas más grandes que, al ser metabolizadas por nuestro cuerpo, liberan cianuro de hidrógeno, que tiene una DL50 (inyectada) de 1,1 miligramos de sustancia por kilo de masa corporal, lo que equivale a una dosis de sólo 91,3 miligramos.

Pero no dejéis de comer semillas de manzana (o de albaricoque, si eso es lo que os va) por culpa de esta cifra: aunque la DL50 por ingestión no varía mucho (entre 1 y 3 mg/kg), tendrías que comer como mínimo unas 1.900 semillas de manzana para llegar a la DL50 del cianuro (si pesas lo mismo que yo). Y eso suponiendo que nuestro sistema digestivo pudiera procesar las semillas, cosa que no es capaz de hacer, así que salen de nosotros igual que han entrado, sin que absorbamos el cianuro de contienen.

¿Te has cansado ya de andarte por las ramas?

Sí, sí, ya he hablado de las curiosidades que quería tratar.

¿Puedes ir al grano, por favor?

Voy al grano.

La sustancia más tóxica conocida es la toxina botulínica, producida por una bacteria llamada Clostridium Botulinum. Su DL50 intravenosa es de entre 1,3 y 2,1 nanogramos(mil millonésimas de gramo) por cada kilo de masa corporal. O sea, que tendríais que inyectarme entre 108 y 174 ng para matarme… Aunque debo advertiros de que el precio de la toxina boutlínica ronda los 100$ el nanogramo, así que la broma os saldría bastante cara.

Esta misma toxina es el ingrediente principal del Botox (cuyo nombre seguramente viene de BOTulinic TOXin), que ayuda a «aplanar» las arrugas porque bloquea las señales nerviosas e impide que el músculo en el que se inyecta se contraiga, manteniéndolo «relajado» hasta 4 meses. Como podéis imaginar, las dosis en las que se usa son ínfimas.

Clostridium botulinums fotografiadas con un microscopio de barrido de electrones. (Fuente)

La toxina botulínica es, por tanto, el veneno que nos puede matar con una menor cantidad de sustancia. Pero no son venenos todo lo que puede acabar con nosotros.

Rubén también mencionaba la antimateria en su e-mail, así que he querido aproximar qué cantidad de antimateria haría falta para matar a una persona. Ya sé que suena a escenario de ciencia ficción, pero en realidad podemos producir antimateria en los aceleradores de partículas. Eso sí: de momento sólo podemos crear cantidades extremadamente pequeñas y no tenemos manera de contenerla durante mucho tiempo (el récord está en unos 17 minutos).

La antimateria es una buena candidata para el tema que nos ocupa hoy porque cuando entra en contacto con la materia ordinaria ambas se aniquilan mutuamente y toda su masa es liberada en forma de energía. En comparación, durante una reacción de fusión nuclear, como las que tienen lugar en el núcleo de las estrellas o en las bombas termonucleares, tan sólo el 0,7% de la masa se convierte en energía… Y ya veis lo que ese 0,7% es capaz de hacer:

Es por eso que la interacción de un solo gramo de antimateria con materia ordinaria liberará tanta energía como 43 millones de kilos de TNT. O sea, que si alguien lanzara contra ti un trocito de antimateria, por pequeño que fuera, reventaría con una potencia considerable al entrar en contacto con tu cuerpo. Entonces, ¿qué masa debería tener ese trocito de antimateria (como mínimo) para matar a alguien?

Pues, para asegurarnos, supongamos que la energía liberada por unos 100 gramos de TNT es suficiente. Es una cantidad orientativa, pero viendo el siguiente vídeo e imaginando que esto ocurriera pegado a nuestro cuerpo, me parece una suposición razonable.

Esos 100 gramos de TNT equivaldrían a sólo 2,33 nanogramos de antimateria. O sea que, en términos de masa, la antimateria es más mortífera que la toxina botulínica.

Eso sí, sí queréis matarme con antimateria os saldrá bastante más caro que con Botox porque, por muy caro que sea, ni se acerca a los 58 millones de dólares que necesitaríais para producir 2,33 nanogramos de antimateria.

Uala, ¿podemos mejorar esa marca?

Creo que sí. Pasemos al siguiente candidato: la radiación nuclear.

Como comentaba en esta entrada, los átomos que contienen una cantidad demasiado alta de neutrones en su núcleo son inestables, de manera que tienden a deshacerse de las partículas que les sobran disparándolas fuera del núcleo. Por regla general, las emiten en paquetes compuestos por dos protones y dos neutrones, un conjunto llamado «partícula alfa» porque, cuando se descubrieron, aún no se sabía que estaban formados por más de una partícula.

En el siguiente vídeo podéis ver pequeñas dosis de gas radón siendo introducidas en una cámara de niebla. Las partículas alfa emitidas por el radón radiactivo interaccionan con el vapor de agua y dejan a su paso una estupenda estela que delata el camino que han seguido.

O sea, que esto es lo que pasa cuando te encuentras en un lugar donde hay radiación (que es casi cualquier lugar, vaya): tu cuerpo es bombardeado por diminutos proyectiles.

Cuando estas partículas chocan contra nuestras células, pueden destruir parte de su ADN y crear errores en el código genético. Las células están programadas para «suicidarse» cuando esto ocurre para evitar daños mayores, pero este mecanismo puede fallar y alguna de las células afectadas por la radiación puede seguir replicándose sin control. Y entonces se puede convertir en una célula cancerígena.

O, al menos, eso es lo que ocurre cuando se reciben dosis de radiación relativamente bajas durante un periodo de tiempo largo. La exposición breve a dosis suficientemente altas puede dañar tantas células que el cuerpo entero empezará a fallar. Y, en estos casos, la muerte puede sobrevenir en pocos días.

Este componente estadístico que tienen los efectos de la radiación nuclear sobre nuestro cuerpo implica que sus efectos son estocásticos, lo que significa que la mortalidad no aumenta proporcionalmente con la dosis recibida. La dosis letal de radiación puede variar bastante: 30 Grays (Gy) de radiación son una dosis a la que nadie puede sobrevivir, pero la exposición a 1 Gy también conduce a la muerte en hasta en un 5% de los casos.

¿Y qué se supone que es un Gray, Ciencia de Sofá? 

El Gray es la unidad que se utiliza para cuantificar la energía (en Joules) que el cuerpo absorbe a través de la radiación por cada kilogramo de masa corporal. O sea, que conociendo la energía que tiene una sola partícula alfa, podemos calcular cuántas partículas alfa harán falta para matar a una persona y después calcular su masa.

La energía que transporta una partícula alfa puede variar bastante, pero típicamente las que son emitidas por los núcleos de los átomos radiactivos rondan los 5 megaelectrónvolts (MeV) o 0,0008 nanojoules (8×10^–13 Joules). Con una masa de 6,644·10^-24 gramos por cada partícula alfa, la dosis letal de partículas alfa equivaldría entre 0,0001 y 0,01 nanogramos de partículas por cada kilogramo de masa corporal. Por tanto, con 83 kg, el impacto de entre 0,008 y 0,8 nanogramos de partículas alfa podría matarme.

O sea que, en términos de masa, la radiación ionizante en forma de partículas alfa sería más mortífera que la antimateria. Podríamos encontrarnos ante la sustancia más mortífera en términos de masa, pero antes vamos a comprobar la letalidad de otra cosa que os resultará mucho más familiar: los virus.

Un virus individual, un virión, tiene una masa increíblemente pequeña. Es difícil encontrar cifras, pero en esta lista de Wikipedia sus masas oscilan entre los 0,000001 nanogramos (VIH) y los 0,00001 nanogramos (virus Vaccinia). O sea que, para descubrir la masa de virus necesaria para matarte, habría que descubrir cuántos viriones hay en el cuerpo humano durante una infección… Y esas cifras son más difíciles aún de encontrar.

Viriones de VIH sobre la superficie de una célula. (Fuente)

Por ejemplo, en el caso del VIH, hay un estudio que contabiliza el número de viriones por mililitro que contiene la sangre de una persona infectada con la enfermedad. Este mismo estudio es el que había utilizado Randall Munroe, de XKCD, para determinar que todos los virus de VIH del mundo cabrían en una cuchara. No detalla cómo ha llegado a esa conclusión, pero he encontrado este otro estudio en el que se determina el tamaño de un virión de VIH, con el que se puede calcular su volumen. Utilizando estos números y suponiendo 4 litros de sangre, una persona adulta infectada con VIH tendrá unos 740 millones de virus en su organismo, con una masa conjunta de… Unos 740 nanogramos.

Pero luego he encontrado este artículo de National Geographic en el que se habla de la gripe, donde se afirma que «el número total de virus en tu cuerpo puede aumentar hasta los 100 billones durante los primeros días«. No he podido encontrar la masa de un virión de la gripe, pero suponiendo que estuviera en el rango de masas de los dos virus que he mencionado, esto daría un total de 0,5 gramos de virus en un individuo infectado.

O sea que, dependiendo del número de viriones individuales que contenga el cuerpo humano durante una infección vírica, podría ser que en términos de materia un virus fuera más mortífero que la radiación nuclear. Pero no he encontrado que me permitan calcularlo con la precisión suficiente como para poder afirmarlo o descartarlo con seguridad, así que parece que el ganador es la radiación ioniz…

¡Espera! ¡Enfunda esa conclusión! ¿Qué me dices de los rayos cósmicos ultra energéticos?

Ah, pues sí. Gracias, voz cursiva.

La Tierra está siendo bombardeada de manera constante por partículas que llegan desde el espacio a velocidades cercanas a las de la luz, los llamados rayos cósmicos. El 90% de los rayos cósmicos son protones sueltos, el 9% son partículas alfa y el 1% son simplemente electrones. De manera menos frecuente, algunos de los rayos cósmicos que se han detectado son núcleos atómicos más pesados, como litio, berilio o boro. Al ser más masivos y moverse igual de deprisa (o más) que sus compinches más ligeros, tienen una energía mayor.

Recreación de un rayo cósmico golpeando la atmósfera y desatando una cascada de otras partículas.

Pero, mientras la mayoría de rayos cósmicos suelen tener una energía de entre 10 MeV y 10.000 MeV, los rayos cósmicos ultra energéticos destrozan esa marca. De hecho, el rayo cósmico mas energético que se ha detectado rondaba los 300.000.000.000.000 MeV. Y le pusieron el nombre de «Oh-My-God particle«, claro, por el asombro que levantó.

Se cree que este rayo cósmico era un núcleo de hierro que viajaba a un 99.99999999999999999999951% de la velocidad de la luz… Lo que le daba a este núcleo atómico una energía de 48 Joules, similar a la de una pelota de béisbol viajando a 94,6 km/h. Aunque, eso sí, de toda esta energía que llevaba la partícula, «sólo» 750.000.000 MeV podían ser transferidos a la materia. O sea, que si tuviéramos un chorro de núcleos de hierro con esa energía, cada uno produciría unos 0,000012 Joules, lo que significaría que 207.500.000 núcleos de hierro bastarían para alcanzar la dosis de radiación letal de 30 Gy. Y todos estos núcleos de hierro tendrían una masa combinada de unos 4,67·10^–15 gramos o, lo que es lo mismo, 0,0000056 nanogramos… O 0,000000154 nanogramos, para la dosis de 1 Gy que tiene hasta un 5% de probabilidades de matarte.

Bueno, ya está, ¿no? ¿Hemos llegado ya a la masa mínima?

Pues… No. Iba a terminar aquí la entrada, pero he hecho una última comprobación con los neutrinos, unas partículas que, con una masa individual de 1,78·10^-33 gramos, son las partículas más ligeras que se conocen.Y hablaba de ellos en esta otra entrada sobre por qué el sol no se está apagando.

Los neutrinos más energéticos son emitidos por las supernovas y pueden tener energías de «varias decenas de MeV«. Suponiendo un chorro de neutrinos de 50 MeV en el que todos interaccionaran con la materia que compone mi cuerpo, entonces os bastaría una masa de entre 1,84·10^-20 y 5,54·10^-19 gramos (0,0000000000184 y 0,00000000000554 nanogramos) de neutrinos para matarme. Aunque es un escenario muy poco probable porque, como ya calculó Randall Munroe en XKCD, para exponerme a una dosis letal de neutrinos me tendríais que colocar tan cerca de una supernova en el momento de su explosión que probablemente estaría dentro de la propia estrella. Y, además de complicado, esto sería un gasto de dinero muy tonto.

Pero, bueno, como podéis imaginar, el caso de los neutrinos no es realista, porque en realidad son tan poco masivos que la inmensa mayoría de ellos atraviesan nuestro cuerpo sin interaccionar con él. Los rayos cósmicos ultra energéticos, por otro lado, también son un caso muy poco probable, ya que se trata de fenómenos muy infrecuentes: entre 2004 y 2007 tan sólo se detectaron 27 de ellos, pero necesitaríamos un chorro de 207.500.000 de esos núcleos de hierro para matar a alguien.

O sea, que la respuesta realista a la pregunta de Rubén es que la radiación nuclear es la sustancia más mortífera términos de masa (o, al menos, es lo más mortífero que tenemos disponible en nuestro planeta). De hecho, si nos ponemos tiquismiquis, en última instancia una sola partícula alfa podría matar a alguien si diera la casualidad de que esa partícula dañara el ADN de una célula y que justamente esa célula terminara convirtiéndose en una célula cancerígena. Si eso llegara a ocurrir, que sería un escenario extremadamente improbable, entonces la masa de una única partícula alfa podría llegar a ser la masa mínima necesaria para matar a una persona… Y esa masa es de 6,64×10^-24 gramos o, lo que es lo mismo, 0,00000000000000664 nanogramos, entre 2.770  y 83.400 veces menor que la de neutrinos.

Y ahora sí, hasta aquí llega la entrada de hoy según lo que he podido calcular. ¡Por supuesto, si tenéis ideas sobre algún otro mecanismo que pudiera «mejorar» aún más el resultado, no dudéis en aportarlo en los comentarios!

Y, para variar, aquí llega la publicidad poco invasiva de Ciencia de Sofá.