Lo que queda de Eva (entrevista a Mark Stoneking)

Lunes, 22 de marzo de 2010

Lo que queda de Eva (entrevista a Mark Stoneking)

Aunque hacemos ímprobos esfuerzos por legar nuestros genes al acervo de la humanidad futura -la mayoría de ellos sin percatarnos- lo que va quedando de nosotros conforme se suceden las generaciones es cada vez menor. Hubo en África, hará unos 200.000 años, una mujer, seguramente de tez oscura, que, sin necesariamente ser especial en ningún sentido entre los suyos, tuvo una descendencia de la que todo ser humano vivo hoy sobre la tierra es el último eslabón. De aquella mujer ha quedado al menos un pequeño fragmento de ADN dentro de las mitocondrias que proporcionan energía a nuestras células. Es conocida como la Eva Negra o Eva Mitocondrial, y se considera una especie de madre de la humanidad moderna.

Su existencia solo podemos deducirla a partir de la secuencia de nucleótidos en el ADN mitocondrial. Así la descubrieron –y no excavando- Allan Wilson, Rebecca Cann y Mark Stoneking. En 1987 publicaron un artículo a partir del cual la hipótesis Out of Africa –según la cual los humanos tuvimos nuestra cuna en África y solo tiempo después colonizamos el mundo- ganó fuerza y se convirtió en la más comúnmente aceptada por los científicos que estudian nuestros orígenes.

Más adelante otros científicos, entre ellos Luca Cavalli-Sforza, quisieron conocer la “paternidad” y estudiaron el cromosoma sexual Y, que solo poseen y legan los machos. Desafortunadamente para los apasionados de los mitos bíblicos, nuestro Adán no vivió en la misma época que nuestra Eva. Pero esa es otra historia.

Uno de los protagonistas de la historia de Eva, Mark Stoneking, sigue trabajando en genética de poblaciones humanas, focalizando ahora su trabajo -en el Max Planck Institute- en intentar entender el papel desempeñado por la selección natural en la diferenciación racial humana.

El Profesor Stoneking ha tenido la amabilidad de respondernos unas preguntas, puestas en un correcto inglés por José Miguel. Marzo tradujo las respuestas al castellano.

1. Junto con Rebecca L. Cann y Allan C. Wilson, ha seguido usted la línea materna del ADN mitocondrial hasta la llamada "Eva mitocondrial" o "Eva negra". ¿Qué sabemos de esta mujer a partir del ADN de las mujeres hoy vivas?

En realidad, el ADN mitocondrial (o ADNmt) es relevante tanto para varones como para mujeres, ya que tanto varones como mujeres lo tienen. Pero sí que nos habla sólo de la historia materna de nuestra especie, porque sólo las mujeres transmiten su ADNmt a sus hijos. Y lo que hemos sabido es que todos los linajes de ADNmt de los humanos de hoy se remontan a una sola antepasada común que vivió en África hace unos 200.000 años. Trabajos adicionales han llevado a la opinión de que los humanos modernos probablemente surgieron como especie en África aproximadamente en esa época, y de que los humanos modernos empezaron a emigrar de África hace unos 50.000 a 70.000 años.

2. También ha trabajado usted junto con otros investigadores en el Proyecto Genoma Neandertal. ¿Qué nos dice el ADN mitocondrial de los neandertales?

He trabajado en ADNmt neandertal, pero aunque el Proyecto Genoma Neandertal se lleva en el departamento en el que trabajo yo no intervengo en él. El ADNmt de todos los neandertales examinados hasta la fecha está fuera del rango de variación del ADNmt humano moderno, lo que sugiere con fuerza que los neandertales no aportaron su ADNmt a los humanos modernos. Si los neandertales (o cualesquiera otros humanos arcaicos) aportaron genes a los humanos modernos aún es una cuestión abierta. Aunque hay una fuerte señal de un origen africano reciente por todo nuestro genoma (no sólo en el ADNmt), esto no descarta alguna pequeña contribución de los neandertales; el Proyecto Genoma Neandertal debería resolver esta cuestión.

3. Otro equipo de investigación (Steve Weiner, Michal Salamon, Noreen Tuross y Baruch Arensburg) ha descubierto una nueva fuente de ADN preservado en agregados cristalinos en huesos fósiles. En alguna ocasión se acarició la idea de extraer ADN de dinosaurio de mosquitos atrapados en ámbar (lo que llevó a la novela fantástica de Michael Crichton y a la película de Steven Spielberg). ¿Qué probabilidades hay, en realidad, de extraer información genética de fósiles y otros restos paleontológicos? ¿Cuánto podemos remontarnos en el tiempo sin que desaparezca todo rastro de vida?

El campo del ADN antiguo ha pasado del "júbilo de la victoria", con éxitos iniciales desde fines de los años 80 que llevaron a un amplio optimismo que consideraba que el ADN antiguo sería útil para resolver toda clase de cuestiones, a la "agonía de la derrota", con muchas afirmaciones de hallazgos de ADN en huesos de dinosaurio, insectos en ámbar, hojas de magnolia en esquisto, etcétera, caídas víctimas de la contaminación. Aún no hay evidencia creíble de que el ADN sobreviva mucho más de 100.000 años en ninguna muestra. Recientemente, sin embargo, diría que ha habido un resurgimiento del interés en el ADN antiguo, especialmente con el desarrollo de la última generación de plataformas de secuenciado, que son particularmente adecuadas para secuenciar ADN antiguo. Así que yo vería ahora al campo "cautelosamente optimista": con una creciente comprensión de los problemas de las pequeñas cantidades de ADN, la contaminación y el daño del ADN, y modos de sortear estos obstáculos, el estudio del ADN antiguo está preparado para cumplir al menos algunas de las promesas de fines de los 80.

4. ¿Qué camino piensa que siguió nuestra especie, y las especies de nuestro género, en su evolución desde su cuna africana? ¿Cuáles son, en su opinión, los hitos de la evolución humana?

Hay aún muchas lagunas en nuestros conocimientos, pero según la evidencia disponible parece verosímil que nuestra especie evolucionara en algún lugar del África oriental en algún momento hace unos 200.000 años. Antes de eso la cosa se complica mucho y muy rápidamente, con muchas especies y antepasados potenciales para los humanos modernos; parece como si cada nuevo descubrimiento de un fósil cambiara por completo nuestra opinión sobre cómo evolucionaron los humanos (¡o, al menos, eso es lo que típicamente afirman quienes descubren y describen los fósiles!). Lo que podemos decir con algún grado de certidumbre es que nuestro linaje se separó del de nuestros vecinos vivos más próximos, los chimpancés, hace unos cinco a siete millones de años. En cuanto a los hitos importantes de la evolución humana, bueno, esa es la misión principal de nuestro instituto (¿qué hace humanos a los humanos?), así que la investigación aún continúa. Pero podemos señalar algunos rasgos obvios que distinguen a humanos de chimpancés, como el bipedismo, los cerebros más grandes, los dientes más pequeños, el lenguaje y la cognición, la dependencia de la cultura, etcétera.

5. ¿Qué variabilidad genética puede hallarse en las poblaciones humanas? ¿Cómo se distribuyen los genes en un mapa?

Si se toma toda la variación genética de la población humana en todo el mundo y se pregunta cuánta de esa variación se debe a diferencias entre individuos de la misma población y cuánta se debe a diferencias entre individuos de diferentes poblaciones, la respuesta es que aproximadamente el 85% de la variación genética es compartida entre poblaciones y sólo el 15% es diferente entre poblaciones. En otras palabras, una población humana cualquiera tiene aproximadamente el 85% de la variación genética de la especie humana entera, así que genéticamente los humanos están muy próximamente emparentados entre sí. Aun así, hay algunas variantes genéticas importantes en el 15% que distingue poblaciones, importantes en el sentido de que estas particulares variantes genéticas pueden haber aumentado su frecuencia porque fueron selectivamente ventajosas en poblaciones particulares. Entender el papel de la selección natural en las diferencias entre poblaciones es una cuestión interesante (y difícil) que nosotros y muchos otros grupos estamos ahora investigando.

6. Ha mirado usted en el pasado con notable éxito. ¿Cómo ve el futuro de nuestra especie? ¿Va a empezar una época de selección artificial, con los nuevos conocimientos genéticos? ¿Va a dirigir el hombre su propia evolución?

Siempre que me piden que prediga el futuro me acuerdo de la vieja cita de Mark Twain, quien comentando las extrapolaciones sobre el futuro curso del río Misisipi basadas en su historia reciente acabó concluyendo: "Hay algo fascinante en la ciencia. Se obtienen enormes rendimientos en conjeturas de insignificantes inversiones en hechos". Sin embargo, hay quien argumentaría que la evolución biológica se ha detenido en los humanos a causa de la cultura. Pero yo pienso que la propia cultura ha influido en nuestra evolución biológica, y es probable que lo siga haciendo en el futuro. Las herramientas necesarias para que manipulemos nuestra propia línea germinal y por tanto dirijamos nuestra evolución no existen aún, y de momento hay difíciles problemas por resolver. Pero si la historia reciente sirve de alguna orientación nos dice que la tecnología se desarrollará con mucha más rapidez que la predicha, así que la gente necesita ser consciente de lo que está pasando y de cómo podría usarse esta tecnología. En verdad, hay ya indicios de que los humanos están influyendo en su evolución en términos de seleccionar el sexo de sus hijos (como atestiguan situaciones recientes en China e India, por ejemplo), lo que está teniendo consecuencias sociales (esto es, con más varones que mujeres en algunas sociedades, los varones tienen más difícil encontrar pareja).

7. ¿En qué trabaja ahora? ¿Qué misterio querría resolver?

Como he mencionado arriba, un asunto en el que estamos trabajando tiene que ver con el papel de la selección natural en la poblaciones humanas. Dado que los humanos modernos evolucionaron en África y luego empezaron a extenderse por el mundo hace unos 50.000 a 70.000 años, ¿hasta qué punto tuvieron que adaptarse a nuevas condiciones locales (entorno, clima, enfermedades, parásitos, fuentes de nutrición, etcétera) mediante selección natural? La moderna genómica nos proporciona herramientas para revisar el genoma en busca de señales de selección en poblaciones particulares, pero determinar cuáles de estas señales son reales y cuáles son falsos positivos, y luego averiguar cuál es la razón para una particular señal de selección en un particular gen en una población en particular, sigue siendo elusivo y difícil. En definitiva, como antropólogo que soy, me gustaría saber cuáles fueron las principales historias que tuvieron lugar mientras los humanos se extendían por el globo.

Fuente:

La Nueva Ilustración

Inventos Ingeniosos: El reloj (I)

Lunes, 22 de marzo de 2010

Inventos Ingeniosos: El reloj (I)

En la serie Inventos ingeniosos nos fijamos en objetos de la vida diaria y buceamos en sus orígenes, historia y funcionamiento. Tratamos en ella de mostrar cómo las cosas que damos por sentado, por verlas todos los días, han requerido de mentes agudas e ingeniosas para existir, y casi todas tienen una historia interesante detrás. En las últimas entradas de la serie nos hemos fijado en inventos eminentemente químicos, el pegamento y el jabón, de modo que hoy nos centraremos en uno físico: el reloj.

Como solemos decir en esta serie, hubo un tiempo en el que no había relojes… pero la verdad es que no sabemos cuándo. Al igual que sucedía con el pegamento y el jabón, los orígenes del reloj se pierden en la oscuridad de la prehistoria, puesto que, como aquéllos, el reloj responde a una necesidad ancestral, más importante aún que la de pegar cosas o lavarlas: la de llevar la cuenta del tiempo. De ahí proviene precisamente la palabra reloj, del latín horologium y ésta a su vez del griego ωρολογιον, “estudio de las horas”.

Desde luego, al principio no fueron precisamente las horas las que se contaban, pero medir, aunque sea con muy poca precisión, el paso del tiempo es necesario para la propia supervivencia. La cuestión de medir el paso del tiempo, si la miramos con cierta profundidad, es de una complejidad apabullante, puesto que el propio concepto de tiempo es algo que se nos escapa, salvo que hagamos definiciones circulares del estilo “el tiempo es lo que miden los relojes”, con lo que ¿qué miden los relojes? Si quieres profundizar en este concepto, te recomiendo encarecidamente la serie de Lucas Eso que llamamos “tiempo”, porque en este artículo obviaremos el aspecto filosófico para centrarnos en el práctico: cómo medir el ritmo de cambio de las cosas, lo que quiera que eso sea en último término.

Porque, para un cazador-recolector de los albores de nuestra existencia como especie, la naturaleza última del tiempo no era tan importante como saber cuándo llegaría la siguiente migración de sus presas, en qué momento habría que haber almacenado suficiente comida para pasar el invierno o cuánto tiempo faltaba para el deshielo. Afortunadamente, el propio paso de las estaciones es un “reloj natural”, y lo hemos utilizado desde siempre, como cualquier otro animal. Por una parte, la precisión que se logra de ese modo no es muy grande; por otra, no hace falta mayor precisión hasta que nuestra existencia se vuelve más compleja, y este modo de medir el tiempo no requiere de ningún instrumento de medida.

Incluso lograr una precisión aún mayor requiere simplemente de una buena memoria y un sistema numérico razonablemente simple: no hay más que fijarse en determinados movimientos en el firmamento que se repiten con una regularidad muy grande, como los del Sol o la Luna. No estoy hablando aún de relojes solares ni nada parecido, sino simplemente, por ejemplo, de contar las fases de la Luna o, para mayor precisión, los amaneceres. Los primeros “relojes físicos” fueron, probablemente, objetos sobre los que se iban marcando muescas cada amanecer o cada luna llena.

Hueso de Ishango.

Un posible ejemplo de esto es el hueso de Ishango, descubierto en la frontera actual entre Uganda y el Congo. Se trata de un peroné de babuino, probablemente del Paleolítico Superior; no sabemos exactamente su antigüedad, aunque parece ser de varias decenas de miles de años. Tampoco sabemos cuál fue su utilidad, pero algunos paleoantropólogos piensan que puede tratarse de una especie de “reloj lunar” de seis meses. Incluso si no lo fuera, es muy probable que otros objetos (huesos como éste, trozos de madera, muescas en piedras o paredes) fueran utilizados para llevar la cuenta de los días desde mucho antes de la existencia del hueso de Ishango; no hace falta un gran ingenio para contar los días aprovechando la regularidad de los movimientos celestes: seguro que tú o yo, si acabásemos en una isla desierta, utilizaríamos algo así para contar el tiempo, con lo que tendríamos una precisión de 1 día a cambio de no necesitar pensar demasiado.

Ir algo más allá y llevar la cuenta del tiempo dentro de un mismo día con cierta precisión sí requiere de algo más de ingenio. Una vez más, la clave de la cuestión es utilizar algún proceso físico que se produzca con la mayor regularidad posible. Los propios movimientos astronómicos son muy regulares, y no hay más que aprovecharlos con más cuidado que simplemente “contar los amaneceres”, utilizando, por ejemplo, el movimiento de las sombras de diversos objetos. De ahí que los siguientes relojes más sencillos y antiguos de los que tenemos noticia son los relojes de sol, con los que es posible obtener una precisión sorprendentemente grande a cambio de algunas limitaciones.

El uso de los movimientos astronómicos para llevar la cuenta del tiempo, además de ser probablemente el primero empleado, ha sido nuestro estándar de medida del tiempo durante milenios; hasta 1967, la unidad de medida del tiempo en el Sistema Internacional de Unidades, el segundo, se definía como una determinada fracción del período de la Tierra en su movimiento alrededor del Sol. No fue hasta ese año que se empleó un fenómeno físico menos particular y más regular, una transición electrónica del cesio, como base para definirlo (y de ello hablaremos en la segunda parte de este artículo). De modo que algunos lectores senectos, como Macluskey, nacísteis con una unidad temporal basada en el mismo patrón que el hueso de Ishango.

No sabemos en qué momento se construyó el primer reloj de sol, pero una vez más, probablemente fue relativamente pronto; no hay más que clavar un palo en el suelo, marcar los lugares en los que sale y se pone el Sol, y dividir el arco entre esos lugares con la mayor precisión posible. Desde luego, hacerlo bien requiere ciertos conocimientos astronómicos y geométricos, y existen limitaciones físicas inherentes a este diseño pero, como veremos en un momento, hicieron falta milenios para alcanzar una precisión mayor de la que puede lograrse mediante los relojes solares.

Hay quien piensa que el reloj más antiguo conocido es el reloj solar de Knowth, en Irlanda, aunque siempre es difícil estar seguro de cuál era el uso que se daba a las cosas en el momento en el que fueron construidas. La verdad es que, viendo lo que se conserva del posible reloj de Knowth e imaginando un palo insertado en el agujero, es verosímil pensar que se trataba precisamente de un reloj solar, datado alrededor de 5000 años antes de nuestra era. Juzga tú mismo:

Posible reloj solar de Knowth (Knowth.com).

Desde luego, sabemos que los antiguos babilonios medían el tiempo mediante el Sol con cierta precisión, como también lo hacían los egipcios, pero el primer testimonio indudable de un reloj solar, pues no se trata sólo de un objeto sino de un relato contemporáneo de él, data de alrededor de 700 a.C., y se encuentra en varios pasajes del Antiguo Testamento en los que se describe un reloj de sol, el de Ahaz. Sin embargo, estamos seguros de que hubo otros mucho antes entre casi todos los pueblos de la Antigüedad, aunque no haya testimonios tan claros como en este caso.

Tampoco cabe duda de que, igual que es muy fácil fabricar un reloj de sol simple, es difícil hacer que sea muy preciso. Por un lado, el tiempo que tarda la sombra en moverse no es uniforme si se utiliza una superficie plana sobre la que proyectar la sombra, y además todo cambia dependiendo de la latitud, la longitud y la estación del año. En otras palabras: para construir un reloj de sol preciso hace falta saber astronomía y geometría con cierta solidez. Traducción inmediata: los griegos clásicos construyeron relojes de sol excepcionales. Aunque se piensa que ellos mismos obtuvieron la idea de los babilonios, en la Grecia helenística el reloj de sol se convierte en un instrumento de precisión, tan alejado de un palo pinchado en el suelo como la Capilla Sixtina de uno de mis dibujos.

Reloj solar de diseño griego del siglo III-II a.C. encontrado en Ai Kahnoum, Afganistán (PHGCOM/CC 2.5 Attribution Sharealike License).

De hecho, casi todas las culturas posteriores –al menos, las que tuvieron contacto directo o indirecto con los griegos– utilizaron para sus relojes solares los diseños griegos: los romanos, los árabes, los indios, los afganos… Los relojes griegos utilizaban refinamientos como la orientación del objeto que proyecta la sombra o gnomon, que no tenía por qué ser perpendicular al suelo, y la forma geométrica de la superficie sobre la que se proyectaba la sombra, que no tenía por qué ser plana, y con ellos obtuvieron precisiones excelentes para la época, precisiones de unos minutos que no serían superadas durante siglos ni siquiera con relojes mecánicos de los que hablaremos luego.

Esto no quiere decir que los relojes griegos fueran inmejorables; poco a poco fueron creándose diseños nuevos según avanzaban la trigonometría y la astronomía. Los árabes mejoraron los diseños griegos, y también lo hicieron los italianos renacentistas. Con mayor conocimiento del movimiento de la Tierra alrededor del Sol y herramientas de fabricación más precisas es posible lograr relojes solares cuya precisión, al menos a mí, resulta increíble. Hoy en día se fabrican relojes solares con una precisión inferior al minuto, teniendo en cuenta todos los factores (fecha, lugar en la Tierra, orientación del gnomon y forma de la superficie, etc.).

Reloj solar de precisión moderno (Hoffmann Albin/CC Attribution Sharealike 3.0 License).

Pero, por mucha precisión que tenga un reloj solar, tiene limitaciones inherentes al propio concepto: para empezar, requiere del Sol. Aunque es posible construir relojes que puedan proporcionar la hora durante la noche utilizando la Luna –relojes lunares–, ni son igual de precisos, ni sirven siempre, ya que la Luna es bastante más irregular que el Astro Rey en la luz que nos llega de ella. Eso sí, incluso hoy en día es un placer poder medir el tiempo con la precisión de la que somos capaces utilizando el Sol, con relojes que carecen de una sola pieza móvil.

Una limitación inevitable de estos relojes es que, independientemente de que requieran del cuerpo celeste correspondiente en el cielo, los relojes astronómicos de este tipo necesitan de un cielo claro (porque si hay suficientes nubes, olvídate de saber la hora), y son difícilmente portátiles. Sí, han existido relojes solares de muñeca… pero no es la cosa más práctica del mundo, y en ese caso sí que es casi imposible tener la más mínima precisión. Hacían falta, por tanto, alternativas a los relojes solares, y estoy seguro de que casi en paralelo con ellos se trató de utilizar el ingenio para construir otros diferentes.

Lea el artículo completo en:

Inventos Ingeniosos (El Tamiz)

El gato de Schrödinger es un virus

Lunes, 22 de marzo de 2010

El gato de Schrödinger es un virus

Si hay un eterno tema de debate en el mundo de la Microbiología sin duda es la respuesta a la pregunta: ¿Un virus es un ser vivo? Los hay que opinan que no, y los hay que opinan que sí. Numerosos y sesudos artículos se han escrito sobre el tema y las respuestas nunca contentaban a todos. Mira por donde, parece que la física cuántica también se ha metido en el fregado.

En el siglo pasado, el famoso físico Erwin Schrödinger imaginó un experimento para intentar explicar uno de los más paradójicos y extraños aspectos de la teoría cuántica: la propiedad física de la superposición cuántica. Se trata del famoso experimento del gato de Schrödinger.

El experimento imaginado por Schrödinger. Es un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato, una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en un tiempo dado y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere. Al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según las leyes de la mecánica cuántica, tanto la partícula como la vida del gato estarán sometidos a ellas. De acuerdo a dichas leyes, el sistema gato-dispositivo no puede separarse en sus componentes originales (gato y dispositivo) a menos que se haga una medición sobre el sistema. El sistema gato-dispositivo está en un entrelazamiento. Siguiendo la interpretación de Copenhague, mientras no abramos la caja, el gato está vivo y muerto a la vez (fuente: Wikipedia).

El caso es que la superposición cuántica se había podido observar en partículas subatómicas, en átomos, e incluso en pequeñas moléculas. Ahora un grupo de científicos europeos del Instituto Max Planck para la Óptica Cuántica y del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona pretende realizar un experimento para observar el fenómeno de superposición cuántica en los virus. La tarea no es pequeña. El virus más simple está compuesto de miles de millones de átomos. Los científicos han descrito sus planes en un artículo de la revista New Journal of Physics, aunque previamente ya habían publicado algo muy similar en la revista Arxiv.org.



La propiedad física de la superposición cuántica explica el porqué una determinada partícula subatómica puede encontrarse en dos estados físicos al mismo tiempo (estado de superposición) y la extraña conexión que puede tener con otra partícula subatómica distante en lo que se conoce como entrelazamiento (en inglés entanglement y en alemán verschränkung). Bueno, pues precisamente esa "habilidad de hacer dos cosas a la vez" es lo que quieren comprobar este grupo de investigadores utilizando técnicas de óptica cuántica. El experimento que han diseñado funciona con átomos, pero ahora se propone realizarlo con un virus. Lo que ocurre es que ya no estaríamos a escala subatómica o la atómica, sino en la escala nanométrica y micrométrica.

Comparación de escalas. Si una partícula subatómica como un protón (10^-15 m) fuera una pulga, un átomo (10^-10 m) sería como un campo de fútbol. En la escala nanométrica tendríamos que un ribosoma (3 x 10^-8 m) sería del tamaño de un término municipal. Y en la escala microscópica la longitud del Virus del Mosaico del Tabaco (3 x 10^-7 m) sería una cordillera montañosa de 300 kilómetros de longitud y 18 de ancho.

El experimento consiste en utilizar un haz de rayos láser para inmovilizar al virus en una "cavidad óptica" mediante el uso de unas pinzas ópticas. Con otro haz láser se puede "enfriar" al virus y llevarlo a un estado fundamental cuántico (ground state). Lo de "enfriar" expresa bastante bien lo que ocurre porque se alcanza el estado de mínima energía, es decir, estamos lo más cerca posible del Cero Absoluto. Podríamos decir que hemos congelado y paralizado al virus.

Diseño experimental propuesto. El proceso debe de realizarse en condiciones de vacío. En el panel de la izquierda se muestran unas pinzas ópticas que formarán la cavidad óptica donde una partícula esférica se llevará a un estado fundamental. El haz vertical rojo es el que atrapa a la partícula. En el panel de la derecha se muestra como el láser púrpura orientado horizontalmente lanza un fotón hacia la partícula esférica (fuente).

Una vez conseguido que el virus llegue a dicho estado fundamental se le lanzará un fotón. Y eso ¿para qué? Bueno, aquí está la gracia. Es como lanzar un balazo a una estatua de hielo del tamaño de un glaciar. Cuando el fotón alcance al virus se creará una superposición cuántica que afectará al estado cinético (motional state) del centro de masas de dicho virus. Llevando al extremo la anterior analogía, la estatua estará rota e intacta en el mismo momento. O si fuera el gato de Schrödinger diríamos que estaría al 50% vivo y al 50% muerto.

El grupo investigador propone realizar este experimento con distintos virus, bacterias e incluso con seres más complejos como los tardígrados, pues pueden aguantar las condiciones de vacío imprescindibles para realizar el experimento. De hecho los autores reclaman que su sistema es ideal para responder de manera experimental preguntas fundamentales sobre el papel de la vida y la consciencia en la mecánica cuántica. Pero como decimos en mi pueblo, del dicho al hecho hay mucho trecho. El artículo sólo es una proposición teórica de un futuro experimento. Aún está por ver si funciona.

Fuente:

Curiosidades de la Microbiología

Fibonacci, las matemáticas y la naturaleza

Lunes, 22 de marzo de 2010

Fibonacci, las matemáticas y la naturaleza

Hoy me gustaría comentar la íntima relación que existe entre las diversas formas de todo lo que podemos encontrar en la naturaleza y los números. Las formas elípticas de los brazos espirales de una galaxia se pueden definir por las mismas ecuaciones que describen las formas de los huracanes, o la disposición de las semillas en una flor de girasol, o la distribución de las ramas y hojas en un árbol. Al universo le gusta la simplicidad...

Leonardo de Pisa (también conocido como Fibonacci), fue un matemático italiano del siglo XIII, y describió la siguiente sucesión de números: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144... donde cada número es la suma de los dos anteriores (esta sucesión de números es conocida como la sucesión de Fibonacci). Al representar gráficamente esta sucesión, la curva resultante tiene la misma forma de los brazos espirales de un huracán, la forma de la concha de un nautilus, o una galaxia.

Representación gráfica de la sucesión de Fibonacci

Formas iguales en un huracán (Isabel, 2003) y una galaxia (M51)

La relación de tamaños de nuestras falanges también siguen la sucesión de Fibonacci

Les recomiendo que vean el siguiente vídeo, es de lo mejorcito que he encontrado en la red en mucho tiempo (gracias a Víctor R. Ruiz). El autor, Cristóbal Vila, nos explica de una manera elegante cómo la sucesión de Fibonacci y el número phi (también conocido como la proporción áurea) están presentes en la naturaleza. También podemos ver la triangulación de Delaunay y el diagrama de Voronoi. Espero que lo disfruten tanto como yo.

Nature by Numbers from Cristóbal Vila.

Fuente:

Pirulo Cósmico

¿Por qué Einstein inventó el siglo XX?

Lunes, 22 de marzo de 2010

¿Por qué Einstein inventó el siglo XX?

A fines del siglo XIX, Occidente en general se aproximaba lenta pero firmemente a una seria crisis política y cultural: la paz armada y la competencia capitalista entre las potencias europeas desembocarían en la guerra del ‘14 y el ascenso del socialismo y el movimiento obrero en las revoluciones rusas; la pintura se desprendía de la forma, enfilaba hacia el cubismo y, más allá, la abstracción; la música ensayaba disonancias; la literatura iniciaba el camino que la apartaría del naturalismo y desembocaría en el fluir de la conciencia de Proust, Woolf y Joyce; y las matemáticas sufrían los rigores de la teoría de conjuntos, que sacudirían la filosofía y que rematarían en el positivismo lógico.

La física, que en el siglo XIX se jactaba de poder explicar todo lo existente, por su parte, estaba en un brete bastante serio. La triunfal teoría electromagnética de James Clark Maxwell había resucitado los viejos fantasmas del movimiento y el reposo absolutos, que Newton y su mecánica habían desterrado dos siglos atrás. La visión novecentista del mundo había llenado al universo vacío de Newton con éter, una dudosa y repugnante sustancia aristotélica, donde vibraban las ondas electromagnéticas, y que se encontraba en “reposo absoluto” en todo el universo.

Si el éter se encontraba en reposo absoluto, al moverse a través de este éter dormido, la Tierra recibiría una corriente –un viento de éter en contra– de la misma manera que un avión recibe una corriente de aire en sentido contrario a su movimiento. Y este viento de éter –sostenía la teoría– tendría que ser capaz de retrasar un rayo de luz. En 1881 y 1889, los físicos norteamericanos Michelson y Morley hicieron el experimento y no detectaron nada: ningún viento de éter, ningún retraso en el rayo de luz, ningún tipo de movimiento absoluto. La situación era, sin duda, grave: la teoría (electromagnética) predecía una cosa (que el rayo de luz se tenía que retrasar) y los experimentos daban un resultado contrario: la luz no se retrasaba un ápice. ¿Y entonces? Y entonces había que buscar una explicación que arreglara esta discrepancia.

Dos físicos, Lorentz y Fitzgerald, cada uno por su cuenta, sugirieron una solución. Era rara, pero era una solución. Imaginaron que, con el movimiento, las distancias y el tiempo se modifican, y aceptando esas extrañas propiedades del tiempo y el espacio, y haciendo los cálculos apropiados, se entiende por qué el experimento de Michelson-Morley no reveló ningún retraso en el rayo de luz. Al moverse la Tierra respecto del éter, las distancias y los tiempos se modifican de tal manera que el rayo llega a la cita con puntualidad y sin registrar retraso alguno. Pero la explicación tenía un punto flojo: ¿por qué se van a contraer los cuerpos con el movimiento? ¡Si no hay ninguna razón para que lo hagan! En realidad, era una solución de compromiso, una transacción ad hoc, que dejaba a salvo el éter, el electromagnetismo, el rayo de luz que no se retrasaba y la predicción de que se retrasaba. Arreglaba las cosas, pero al costo de un dolor de cabeza. Por primera vez se habían tocado el espacio y el tiempo, esos dioses que reinaban desde la época de Newton, y que parecían intocables. Era chapucero, pero el daño estaba hecho.

Pequeños milagros

No era el único frente de tormenta: hacia fines del siglo XIX, se había profundizado la investigación en el terreno del átomo; primero los rayos X y luego la radiactividad ofrecían avalanchas de datos sin una teoría comprensiva. En el año 1900, Max Plank había propuesto una explicación delfenómeno de la radiación del cuerpo negro (un problema heredado del siglo XIX) que contenía una hipótesis novedosa y sobre todo herética (cuyos alcances el mismo Plank estaba lejos de imaginar). Plank suponía que la energía era emitida de manera discreta, en paquetes, o cuantos de energía, es decir, rompiendo el baluarte de la continuidad que ostentaba hasta entonces el concepto de energía.

Eso, en 1900. En 1903, un muchacho que creía en el éter, y en la continuidad de la energía, empezó a trabajar como empleado en la oficina de patentes de Berna (Suiza). Tenía a la sazón 24 años y estaba terminando su doctorado en Física. No había sido, hasta el momento, un estudiante especialmente destacado, pero que sin embargo fue, al decir de sus jefes, un buen empleado, que en los intersticios del trabajo se dedicó a reflexionar sobre aquellas cuestiones que preocupaban a los físicos: el éter, el movimiento absoluto, los cuantos de Plank. Así son las cosas.

Y ahí llegó el famoso annus mirabilis (año milagroso) de 1905. Milagroso para la física, para Einstein, para el mundo. Ese año curioso y extraño, mientras en Rusia se producía la primera revolución (que culminaría en 1917 y en la perestroika siete décadas más tarde) y el incidente del acorazado Potemkin, mientras nacían Greta Garbo y Osvaldo Pugliese y se fundaba Las Vegas, Albert Einstein, ascendido ya a perito de primera clase en la oficina de patentes, de 26 años de edad, publicó una seguidilla de cinco trabajos en la revista científica del momento, los Annalen der Physik (valga decir que, por esa época, si un científico quería ser por lo menos respetado debía saber más alemán que inglés). Cada uno de ellos apuntaba a una cuestión importante y la resolvía de una manera sorprendente...

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El blog de Leonardo Moledo

La gota de agua ¡no tiene forma de gota de agua!

Lunes, 22 de marzo de 2010

La gota de agua ¡no tiene forma de gota de agua!

¿Qué es la polaridad del agua

La molécula de agua es muy polar, puesto que hay una gran diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el oxígeno. Los átomos de oxígeno son mucho más electronegativos (atraen más a los electrones) que los de hidrógeno, lo que dota a los dos enlaces de una fuerte polaridad eléctrica, con un exceso de carga negativa del lado del oxígeno, y de carga positiva del lado de los hidrógenos. Los dos enlaces no están opuestos, sino que forman un ángulo de 104,45° debido a la hibridación sp³ del átomo de oxígeno así que, en conjunto, los tres átomos forman un molécula angular, cargado negativamente en el vértice del ángulo, donde se ubica el oxígeno y, positivamente, en los extremos de la molécula, donde se encuentran los hidrógenos. Este hecho tiene una importante consecuencia, y es que las moléculas de agua se atraen fuertemente, adhiriéndose por donde son opuestas las cargas. En la práctica, un átomo de hidrógeno sirve como puente entre el átomo de oxígeno al que está unido covalentemente y el oxígeno de otra molécula. La estructura anterior se denomina enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno.

El hecho de que las moléculas de agua se adhieran electrostáticamente, a su vez modifica muchas propiedades importantes de la sustancia que llamamos agua, como la viscosidad dinámica, que es muy grande, o los puntos (temperaturas) de fusión y ebullición o los calores de fusión y vaporización, que se asemejan a los de sustancias de mayor masa molecular.

Existe en el imaginario popular la creencia de que las gotas de agua, tienen forma de gota, pero por más extraño que parezca, esto no es así. De la misma forma que los corazones no tienen forma de corazón.

De más está decir que los líquidos por sí mismos no tienen ninguna forma, y que se amoldan a la forma del envase que los contiene, sin embargo, cuando no existe ningún "envase", y prácticamente ninguna fuerza externa que les provea sostén, los líquidos toman una forma esférica. No son muchas las situaciones en la vida cotidiana donde se dan estas cosas y podamos verlas, pero es muy visible en las imágenes de los astronautas en la Estación Espacial Internacional.

Esto sucede porque, microscópicamente, las moléculas de agua están todas atrayéndose entre sí, debido a que son polares. Las moléculas que se encuentran en el medio se atraen hacia todos los lados casi por igual, sin embargo, las que se encuentran en la superficie, son atraídas hacia adentro, lo cual forma la famosa Tensión Superficial, que actúa como una especie de película que envuelve al líquido y lo hace ocupar el menor espacio posible. En un vaso de agua, se aprecian los efectos de la tensión superficial, al colocar motas de polvo, o incluso un alfiler sobre ella (que normalmente se hundiría al ser más denso).

Para evitar salir de la Tierra, podemos apreciar el agua tomando una forma esférica cuando recién sale del grifo, donde se forman pequeñas gotas de forma esférica. A medida que la gota cae, comienza a aumentar su velocidad, y el comienza a ejercer una fuerza sobre ella hacia arriba. En su desesperada caída hacia el centro de nuestro planeta, la gota comienza a achatarse y deformarse irregularmente, donde se enfrentan las fuerzas del peso de la gota misma y la resistencia del aire.
Y en un momento, la fuerza del aire achata demasiado a la gota, y la tensión superficial intenta reacomodarse nuevamente para formar esferas más estables, en un mágico momento donde la gota explota en miles de gotitas de diferentes tamaños, tal como lo muestra el video (1000 cuadros por segundo) de abajo, que fue publicado en Science.

Todas esas gotitas seguirán cayendo a diferentes velocidades, las más grandes probablemente vuelvan a explotar, y las más pequeñas son lo suficientemente uniformes como para resistir la presión del viento, y van a caer en forma de una bola ligeramente achatada.

El único momento en que una gota parece una gota, es durante la fracción de segundo en que la gota de agua se desprende del grifo, cuando entra en una desesperada carrera para adoptar una forma más estable energéticamente. Y en el camino puede formarse una gran gota, y desprenderse parte de la cola para formar gotitas más pequeñas.

Algunas veces la ciencia es por demás simple y bella. Sólo basta tener un poco de curiosidad.

Tomado de:

Proyecto Sandía