Experientia docet

Isótopos naturales: La medicina diagnóstica de los futuros viajes espaciales.

2012-05-29T12:31:00.000+02:00

Un astronauta (o cosmonauta) que permanezca en el espacio durante un tiempo prolongado se expone a perder entre el 1 y el 2 por ciento de su masa ósea por mes. De hecho, el debilitamiento extremo de los huesos es uno de los riesgos médicos más evidentes en los viajes espaciales de larga duración.

Pero no hay que irse al espacio para encontrar este problema. Aproximadamente la mitad de las personas de más de 50 años de los países desarrollados sufren riesgo de osteoporosis, que es como se conoce la pérdida de masa ósea. Además distintas enfermedades, en concreto algunos tipos de cáncer, presentan también este síntoma.

A la hora de diagnosticar la osteoporosis el método habitual es una simple radiografía. Cuanto más sano esté el hueso más calcio tiene, se dice entonces que es más denso, y es más opaco a los rayos X. El problema de este método es que siempre es a posteriori, es decir, no puede detectar la pérdida de masa ósea cuando comienza a producirse, sino sólo cuando presenta síntomas asociados, roturas y/o dolor básicamente, o bien el médico sospecha que puede estar produciéndose por estar el paciente en un grupo de riesgo. En el caso de los astronautas con estancias prolongadas en el espacio hay que cruzar los dedos además, porque de momento no hay aparatos de rayos X en la estación espacial.

Por todo lo anterior sería muy conveniente disponer de un método analítico sencillo, como un análisis de orina. Puede parecer chocante determinar la densidad de los huesos con un análisis de orina, pero no lo es tanto si dejas de considerar el calcio como un sólo elemento químico.

Efectivamente, cuando hablamos del calcio, ya sea en su ingesta o en su metabolismo, hablamos de él como un sólo elemento químico. Y oficialmente lo es. Pero a efectos prácticos, como tuvimos ocasión de explicar en Zientziateka Bilbao, los distintos isótopos de los elementos tienen comportamientos fisicoquímicos lo suficientemente diferentes como para permitir tratarlos como elementos diferentes. Este enfoque, aplicado a la osteoporosis, permitiría detectarla precozmente con un análisis de orina. Y la ciencia básica se conoce desde hace 70 años.

Los distintos isótopos de un elemento se diferencian por su masa. Paul Dirac, a comienzos de la Segunda Guerra Mundial, desarrolló un método centrífugo basado en este hecho para separar los isótopos del uranio. Sin embargo este método no fue el elegido finalmente para obtener el material de la primera bomba atómica, sino el de difusión: los distintos isótopos tienen distintas velocidades al atravesar membranas, los más ligeros van más rápido que los pesados. Algo similar pasa en los huesos.

Los huesos no son algo estático, algo que se forma y después se va desgastando. Al contrario, son algo vivo que está continuamente formándose y destruyéndose. En una persona sana y activa en condiciones gravitatorias normales estos procesos están en equilibrio. Pero si una enfermedad o la disminución de la actividad física o de la gravedad perturban este equilibrio se puede encontrar una variación en el equilibrio entre los isótopos de calcio. Y es que durante su formación los huesos favorecen la absorción del isótopo de calcio estable más ligero (calcio-42), frente al más pesado (calcio-44). Si se combinan todos los factores en un modelo matemático se puede relacionar la mineralización de los huesos con los ratios de isótopos en orina y sangre.

El primer paso para traducir esta idea en algo práctico se dio el año pasado. Un equipo encabezado por Jennifer Morgan, trabajando por aquel entonces en la Universidad del Estado de Arizona (hoy Morgan trabaja para en el Centro Espacial Johnson de la NASA) desarrolló la metodología analítica que permitía determinar el ratio de isótopos de calcio en la orina con una precisión muy alta. Emplearon para ello espectrometría de masas. El estudio [1] fue publicado en Analytical Chemistry.

El siguiente paso era comprobar que, efectivamente, el método permite controlar la desmineralización de los huesos. Los resultados de un nuevo estudio, también liderado por Morgan, financiado por la NASA y que aparecerá publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences [2], indican que esto es así. Un avance de estos resultados se hicieron públicos en la última Conferencia Goldschmidt, celebrada en Praga en agosto de 2011.

En este estudio se analizaron los ratios de isótopos en la orina de 12 voluntarios sanos sujetos a un régimen de reposo absoluto en cama durante 30 días en las instalaciones del Centro de Investigación Clínica de la Universidad de Texas en Galveston. Cada vez que una persona se acuesta los huesos que soportan el peso del cuerpo (columna y piernas fundamentalmente) dejan de soportarlo. Cuando esto ocurre el equilibrio entre formación y destrucción del hueso se altera, desplazándose a la destrucción: deja de ser necesario consumir recursos valiosos en algo que no se usa. Los periodos prolongados en cama producen una pérdida de masa ósea similar a la de los pacientes con osteoporosis, o a la de los astronautas.

Los análisis de la orina de los voluntarios pusieron de manifiesto que la nueva técnica puede detectar la desmineralización ósea tan sólo una semana después de iniciar el reposo en cama, mucho antes de los cambios puedan ser detectados con rayos X.

Ni que decir tiene que este es un primer resultado y que está realizado con pacientes sanos. Habrá que repetirlo con personas que sufran distintas enfermedades, particularmente cáncer, para comprobar que el método sigue siendo lo suficientemente sensible. A partir de ahí surgirán las aplicaciones clínicas.

Pero démonos cuenta de que esto es sólo una posibilidad de las posibles a la hora de considerar los isótopos como elementos en las pruebas diagnósticas, algo que ya se emplea de forma rutinaria en geoquímica. Muchas enfermedades pueden causar cambios sutiles en las proporciones de distintos isótopos. Nada de equipos gigantescos e inmensamente caros, nada de radiación para el paciente. Imagina lo que podría representar un método tan simple en el diagnóstico temprano y seguimiento de los cánceres. O en la comprobación del estado de salud de los astronautas en viajes o estancias de larga duración. Este es todo un campo por explorar.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de Química que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate.

Referencias:

[1] Morgan JL, Gordon GW, Arrua RC, Skulan JL, Anbar AD, & Bullen TD (2011). High-precision measurement of variations in calcium isotope ratios in urine by multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical chemistry, 83 (18), 6956-62 PMID: 21740001

[2] J.L.L. MORGAN, G.W. GORDON, S.J. ROMANIELLO, J.L. SKULAN, S.M. SMITH, & A.D. ANBAR (2012). Rapidly assessing changes in bone mineral balance using natural stable calcium isotopes Proceedings of the National Academy of Sciences

La leyenda de Helgoland

2012-05-25T12:14:00.000+02:00

Yo soy Forseti, el más sabio y elocuente de los Æsir.

Yo soy Forseti, el hijo de Baldr y Nanna.

Yo soy Forseti, la paz de Asgard, hogar de Odín y Frigg.

Yo soy Forseti, el que dirime disputas y es adorado en Forsetalundr.

Yo soy Forseti, el que reside en Glitnir, la del techo de plata y columnas de oro.

Glitnir heitir salr,

hann er gulli studdr

ok silfri þakðr it sama;

en þar Forseti

byggvir flestan dag

ok svæfir allar sakar.

Oye la voz de Forseti, porque él busca la justicia. Escucha, ¡oh mortal!, lo que ha de suceder. Esta es la voluntad del Señor de Hliðskjalf. Tras la Gran Guerra, un hombre del sur llegará al lugar que es verde, rojo y blanco buscando respirar. Pero son las disputas con el jefe vikingo y su lugarteniente las que asfixian su alma. Él es mi elegido. Deberá olvidar lo que ya sabe y aprender lo que ya sabe para darse cuenta de que es diferente. Y de esta forma los mortales verán, pero será borroso; entenderán, pero no comprenderán.

Deät lun, la tierra, así la llaman sus habitantes en halunder. No necesitan más. Pero los germanos del sur la conocen como Heyligeland, la tierra sagrada, porque es la tierra elegida por Forseti, el que preside, der Vorsitzender. Es la isla de Helgoland. Y esta es su leyenda.

El barco rodeó la pequeña isla buscando la ensenada. Por esa parte aparecía ante los escasos viajeros como una pared vertical rojiza. Sin embargo, al alcanzar la ensenada una playa blanquísima daba paso a la dársena. El pueblo empezaba en la misma playa y escalaba la pendiente suavizada del acantilado hasta llegar a la verde planicie superior.

En el pequeño puerto aún podían verse restos de la base que había sido destruida en la primera batalla naval de la Gran Guerra. Pero el viajero no estaba demasiado interesado en la historia. Desde que había zarpado del continente había comenzado a sentirse mejor y ya casi podía decirse que respiraba con normalidad. Mientras el barco iniciaba las maniobras de atraque, observaba con satisfacción que en la estrecha isla no había ni un sólo árbol, ni siquiera un arbusto que levantase más de una cuarta del suelo. Aquel era el lugar ideal para pasar una temporada dedicado a recuperarse de su alergia, leer a Goethe e intentar resolver algunos problemas que con Bohr y sus filosofías cerca eran difíciles de afrontar con tranquilidad. Era el 8 de junio de 1925.

Para el joven Heisenberg la naturaleza era su refugio. En el aislamiento de Helgoland podría dedicarse a pasear, a descansar, a pensar. Efectivamente, a los pocos días su salud estaba reestablecida, los vientos del mar del Norte estaban limpios y abrían sus pulmones. Sus paseos comenzaron a ser más enérgicos y, sin prácticamente nadie con quien hablar, la niebla que había en su mente también empezó a aclararse.

Tras terminar su estancia en Copenhague con Bohr, y el insufrible Kramers, ya de vuelta en su universidad, Heisenberg no había tenido ninguna dificultad en escribir, formalmente desde un punto de vista matemático, unas ecuaciones que expresaban la posición y la velocidad de un electrón como la combinación de las oscilaciones fundamentales de un átomo. Pero cuando insertaba estas expresiones compuestas en las ecuaciones estándar de la mecánica el resultado se parecía mucho al caos absoluto.

Donde debería haber un número aparecían listas de ellos, el álgebra no podía ser más elemental y, sin embargo, explotaba llenando páginas y páginas de fórmulas repetitivas. Durante semanas Heisenberg había intentado diferentes cálculos, jugando con el álgebra desde todos los ángulos que se le ocurrían. Recurrió a su salvavidas habitual, las series de Fourier, pero sin éxito.

Fue en ese punto cuando el aire de Gotinga pareció convertirse en una sopa irrespirable y Max Born le recomendó la isla como alivio para su ataque de asma alérgico.

Durante sus paseos por Helgoland llegó a un primer diagnóstico del problema que después se revelaría fundamental: la dificultad estaba en la multiplicación. Había convertido posición y velocidad de números sencillos a sumas de varios términos. Multiplicar dos números entre sí produce otro número. Multiplicar dos listas de números produce una página entera con todos los términos posibles resultantes de las distintas combinaciones: cada número de la primera multiplicado por todos los de la segunda. Pero ¿qué términos eran importantes? Y ¿cómo deberían sumarse para que el resultado tuviese algún sentido? Aquello era un rompecabezas sin sentido.

Ocurrió entonces, que una noche, cuando se disponía a cenar en el pequeño hostal en el que se alojaba, se encontró con otro huésped, algo extraño en aquel lugar. No fue difícil entablar conversación, no había nadie más en aquella habitación y, después de tanta soledad, resultaba un alivio poder charlar intrascendentemente con alguien. El viajero, que dijo llamarse Gangleri, de una edad indefinida y luciendo una larga barba, afirmaba dedicarse a vagar por el mundo descubriendo sus maravillas. Era magnético, con una curiosidad e inteligencia siempre alertas. Antes de que se diese cuenta, Heisenberg le estaba contando en términos sencillos a qué se dedicaba y cuál era su problema.

Gangleri escuchaba con atención con un brillo en los ojos. Cuando el joven físico terminó de hablar, sonrió y, bajando el tono de voz tanto que apenas susurraba, dijo: “Deja de pensar como un hombre. Piensa como lo harían los dioses, para los que el orden es de la máxima importancia”. Tras mirar fijamente a los ojos a Heisenberg y sonreír enigmáticamente, se levantó y dio las buenas noches. Nadie volvió a verlo.

Heisenberg se quedó un rato más fumando. No podía dejar de sonreír pensando en lo que Ganglieri había dicho y, no porque le diese la menor importancia, sino porque le recordaba a la mezcla de física y misticismo que en el Instituto de Copenhague le habían contado que era tan del gusto de Einstein.

Una cosa llevó a otra y en la mesa del comedor Heisenberg sacó sus papeles para dar un poco de forma a sus pensamientos del día. Había intentado olvidarse de las matemáticas y concentrarse en la física. Los elementos de su álgebra eran oscilaciones, cada una representando una transición de un estado a otro. El producto de dos de estos elementos debería representar una doble transición, de un estado a un segundo y de éste a un tercero. Entonces le pareció escuchar la voz de Gangleri: el orden. Reflexionó: la forma de ordenar esta tabla de multiplicaciones era poner juntos los elementos que correspondían al mismo estado inicial y final, sumando todos los intermedios posibles. De esta manera tenía una regla de multiplicación que era a la vez manejable y con sentido. Y, satisfecho, se fue a la cama.

Pero no pudo dormir. A las tres de la mañana ocurrió. Lo que había garabateado sin pensar demasiado en la mesa del comedor podía ser más importante de lo que había creído. ¿Y si los cálculos demostraban que había dado en el clavo? Incapaz de conciliar el sueño saltó de la cama y se puso a trabajar en un estado de gran excitación. Era tal su nerviosismo que cometió innumerables errores aritméticos elementales. Tras horas de trabajo y para su asombro y estupefacción obtuvo una respuesta: sus extrañas matemáticas daban como resultado una energía para el sistema que era consistente, pero siempre y cuando la energía tomase valores discretos, no continuos. ¡Su sistema daba una energía cuantizada sin que hubiese que introducir la cuantización entre las hipótesis de partida!

Nunca antes había ocurrido esto. La hipótesis de Planck había que introducirla “a mano” en algún momento. Pero no en su sistema. Él había escrito las ecuaciones estándar para un sistema mecánico sencillo, había insertado sus expresiones compuestas para la velocidad y la posición, aplicado su nueva regla de multiplicación y la cuantización surgía de las matemáticas. La energía de un sistema mecánico se autocuantizaba. Sin más.

Entusiasmado salió al exterior y corrió a una de las rocas de la orilla donde se tumbó a disfrutar del sol naciente, embelesado con su descubrimiento, en éxtasis.

En el camino de regreso a Gotinga sólo una cosa le preocupaba. Su método de multiplicación no era reversible. Los matemáticos dirían que no era conmutativo: a por b no daba el mismo resultado que b por a. Pero los dioses le favorecían. Gotinga era el Olimpo de las matemáticas y su jefe, Born, tenía una formación matemática de primer nivel. Cuando Heisenberg le presentó un borrador con su descubrimiento, tras la sorpresa inicial, a Born no le costó identificar que lo que estaba viendo no era más que una forma de una oscura, y casi olvidada, rama del álgebra llamada álgebra de Grassmann, en la que los elementos no eran números sino disposiciones de números llamadas matrices. Tras algunas pequeñas correcciones, Born mandó a publicar el escrito rápidamente en Zeitschrift für Physik, ya habría tiempo de refinarlo.

A los pocos días, Born informaba a Einstein del hallazgo. En la nota que le envió decía “parece muy místico, pero ciertamente es correcto y profundo”.

Había nacido la mecánica cuántica.

Notas:

Esta entrada es una participación en la Edición 3.1415 del Carnaval de Matemáticas que acoge Gaussianos.
Lo que antecede es creación mía. No existe una Leyenda de Helgoland fuera de esta entrada. Eso sí, está basada en hechos reales.
Ningún nombre de esta entrada está inventado ni está elegido al azar. Todos remiten a a algo cuyo hallazgo dependerá de la curiosidad del lector.

Mis misterios astroquímicos favoritos

2012-05-22T11:39:00.000+02:00

Espacio profundo

El estudio de la composición y transformaciones de la materia que compone el universo está lleno de misterios por descubrir: desde cuál es el origen de las líneas espectroscópicas desconocidas a los distintos mecanismos de reacción que pueden dar lugar a especies muy complejas en el espacio interestelar. De todos ellos hay tres que a mi se me antojan fundamentales y que presento brevemente a continuación. Es una opinión personal, por lo que me encantará conocer la tuya.

#3 ¿Qué ocurre con la materia orgánica en los discos protoplanetarios?

Cotidianamente nos asaltan noticias de que se ha detectado tal o cual compuesto orgánico en una nube interestelar, desde fulerenos a aminoácidos. Estas noticias se suelen relacionar invariablemente con el origen de la vida soslayando una dificultad no menor. Si la vida surge en los planteas (en sentido amplio), ¿cómo llegan estas sustancias a ellos?

Nebulosa protoplanetraia

Los planetas, cometas y meteoritos se forman a partir de discos planetarios en los que las condiciones físicas y químicas en las que se formaron esos compuestos cambian radicalmente. En 2008 se observaron por primera vez agua y compuestos orgánicos sencillos (cianuro de hidrógeno, acetileno, dióxido de carbono) en un disco protoplanetario alrededor de AA Tauri y en 2011 grandes cantidades de agua alrededor de TW Hydrae. Entonces, ¿qué ocurre con las sustancias que se detectan en el medio interestelar cuando pasan a formar parte de un disco protoplanetario? ¿Desaparecen, se quedan igual, proliferan?

#2 ¿Dónde está el litio?

Los modelos existentes del Big Bang indican que poco tiempo después se crearon tres elementos, hidrógeno, helio y litio. Si esto es así, el litio debería ser más abundante en el universo de lo que es.

Nucleosíntesis primordial

Las observaciones de las estrellas más antiguas, formadas a partir de los materiales más parecidos a los del Big Bang, indican de 2 a 3 veces menos litio del que pronostican los modelos teóricos. Una posible explicación es que la falta de litio en estas estrellas podría deberse a que es destruido en el interior de ellas, ya que simplemente basta la colisión con un protón por encima de 2,4 millones de grados Celsius para que transmute en dos núcleos de helio (una estrella con la décima parte de la masa del Sol puede alcanzar los 4 millones en su núcleo). Pero ocurre que el litio es más abundante de lo que predice la teoría en las estrellas de última generación, o dicho de otra forma, estas estrellas parecen estar produciéndolo sin que sepamos realmente cómo.

Últimamente han aparecido indicios que apuntarían a que el litio podría estar “mezclado” en las estrellas antiguas y que no lo podemos observar bien, y teóricos que afirman que unas partículas subatómicas hipotéticas llamadas axiones habrían absorbido más protones de lo que se pensaba en el Big Bang. El hecho cierto es que no sabemos dónde está el litio que falta.

#1 ¿Qué es la materia oscura?

Este es el mayor misterio de todos para un astroquímico. Más del 80% de la materia del universo tiene una composición desconocida. Esta materia es invisible a los telescopios porque no interactúa con la radiación electromagnética (por eso se llama oscura) pero sus efectos gravitacionales son evidentes en la formación de estrellas y cúmulos galácticos, y pueden ser percibidos en la formación de lentes gravitacionales como las de la imagen.

Se especula con que en su composición entren partículas subatómicas que son diferentes de las que componen la materia que nos rodea, entre éstas estarían los axiones que mencionábamos más arriba, por lo que a la materia oscura a veces se la llama materia no bariónica.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de Química que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate.

Efecto del horario de comidas en la acumulación de grasa y patologías asociadas.

2012-05-18T11:28:00.000+02:00

El mantra que se repite continuamente es que las dietas deben ser bajas en grasas y que se debe comer frecuentemente mientras se esté despierto. Hace algo más de dos años explicábamos que cuándo comes puede ser tan importante como qué comes. Hoy vamos a ver que puede ser incluso más importante. Comer en horarios regulares e incrementar la parte del día en la que se ayuna podría compensar los efectos perniciosos para la salud de una dieta rica en grasas y prevenir de esta manera la obesidad, la diabetes y las enfermedades hepáticas, al menos en ratones. Los resultados los publica el mismo equipo de investigación del Instituto Salk (EE.UU.), esta vez encabezado por Megumi Hatori, en Cell Metabolism.

El objetivo del estudio era determinar si la obesidad y las enfermedades metabólicas son una consecuencia efectivamente de una dieta rica en grasas o de la interrupción de los ciclos metabólicos. En esencia, las conclusiones de los autores son que los ratones que vieron limitado su horario de acceso a la comida a 8 horas son más sanos que los ratones que tenían acceso a ella, y comían, durante las 24 horas del día, independientemente de la calidad y del contenido de la dieta.

Los investigadores alimentaron dos grupos de ratones, con los mismos genes, sexo y edad, con una dieta en la que el 60% de las calorías provenía de grasas (como si te alimentaras sólo y exclusivamente de patatas fritas o helado). Un grupo de ratones podía comer siempre que quisiese, consumiendo la mitad de su comida de noche (los ratones son nocturnos) y picoteando durante el resto del día. El otro grupo tenía un acceso temporal restringido (ATR) a la comida a 8 horas por la noche o, visto desde otro punto de vista, ayunaba 16 horas al día. Otros dos grupos de control comieron una dieta estándar con un 13% calorías provenientes de grasas en condiciones correspondientes a cada uno de los grupos primeros.

Tras 100 días, los ratones que comían alimentos grasos a lo largo de todo el día ganaron peso y desarrollaron altos niveles de colesterol y de glucosa en sangre así como daños hepáticos y una disminución del control motor. Por su parte, los ratones ATR que habían ingerido el mismo tipo de comida grasa pesaban un 28% menos y no mostraban efectos adversos en su salud a pesar de ingerir la misma cantidad de calorías que los del otro grupo. No sólo eso, en las pruebas motoras los ratones ATR tenían mejores resultados que los ratones de acceso libre a la comida con dieta normal.

¡Ojo! No debemos caer en la tentación de saltar a la conclusión de que no pasa nada si comemos un montón de comida grasa siempre que después ayunemos. Estos resultados son indiciarios de que el ayuno diario es capaz de combatir los efectos perniciosos de una dieta no saludable hasta cierto punto más o menos significativo. Pero, primero, el estudio está hecho en ratones y, segundo, todo mecanismo de compensación tiene sus límites.

¿Qué ocurre entonces?¿Qué mecanismo es el que entra en acción para que el ATR tenga estos efectos? Durante mucho tiempo se ha asumido que la causa de la obesidad inducida por la dieta en ratones es nutricional (qué y cuánto se come); sin embargo estos resultados ponen de manifiesto que el reparto de la ingesta calórica a lo largo del día podría contribuir también a ella perturbando las rutas metabólicas gobernadas por los relojes circadianos y los sensores nutricionales.

Hígado de ratones con acceso a la comida grasa 24h (izq.) y en ATR (dcha.)

Los investigadores encontraron que el cuerpo almacena la grasa mientras comemos y que comienza a quemarla sólo después de unas pocas horas de ayuno. Cuando comemos frecuentemente el cuerpo está en modo almacenamiento, incrementando el número de células de grasa y células hepáticas, lo que a la larga puede dar lugar a daños en el hígado. En estas condiciones el hígado fabrica continuamente glucosa (el combustible celular), lo que aumenta los niveles de azúcar en sangre. La alimentación ATR, por otro lado, reduce la producción de grasa libre, glucosa y colesterol y hace mejor uso de ellos. Permite el paso al modo consumo, con lo que se disminuye drásticamente el almacenamiento de grasa y se activan los mecanismos de quema de ésta, lo que mantiene sanas a las células hepáticas y disminuye los niveles de grasa almacenada, con lo que se reduce la grasa corporal total.

Los autores también encuentran que el ciclo diario de alimentación-ayuno en ATR activa las enzimas del hígado que rompen el colesterol para formar los ácidos biliares, activando el metabolismo de la grasa parda, un tipo de “grasa buena” que convierte las calorías de más en calor. Por tanto, el cuerpo literalmente quema grasas durante el período de ayuno. El hígado también cesa la producción de glucosa durante varias horas, lo que ayuda a reducir la glucosa en sangre. Los materiales que hubieran ido a la glucosa de más en sangre se emplean en moléculas que reparan las células dañadas y en fabricar nuevo ADN. Esta reparación de células ayuda a prevenir la inflamación crónica que está asociada con el desarrollo de enfermedades cardíacas, algunos tipos de cáncer, los infartos cerebrales e, incluso, el Alzheimer. Hatori et al. han podido comprobar que, efectivamente, la inflamación crónica de grado bajo se ve reducida.

En conclusión, comer en horarios regulares durante el día y ayunar completamente durante la noche podría resultar ser muy beneficioso. Pero habrá que esperar a estudios con humanos para poder afirmarlo con rotundidad.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XII Edición del Carnaval de Biología que organiza Caja de ciencia.

Referencia:

Hatori, M., Vollmers, C., Zarrinpar, A., DiTacchio, L., Bushong, E., Gill, S., Leblanc, M., Chaix, A., Joens, M., Fitzpatrick, J., Ellisman, M., & Panda, S. (2012). Time-Restricted Feeding without Reducing Caloric Intake Prevents Metabolic Diseases in Mice Fed a High-Fat Diet Cell Metabolism DOI: 10.1016/j.cmet.2012.04.019

La estructura del azar y el i-Phone 5

2012-05-15T12:29:00.000+02:00

Esta entrada tiene dos partes diferenciadas y autocontenidas; si te interesa el aspecto tecnológico exclusivamente puedes pasar a la segunda (Estructura a nanoescala de un vidrio metálico) sin necesidad de leer la primera, de contenido algo más matemático y especulativo.

Proyección ortográfica de un cubo de 5 dimensiones en 2 dimensiones sobrepuesto al patrón de difracción de un cuasicristal icosaédrico

Los servicios de inteligencia sabían muy bien en la época de la Segunda Guerra Mundial la importancia que la verdadera aleatoriedad tenía en los códigos que usaban sus espías para encriptar sus mensajes. Ya habían descubierto durante la Primera, de la forma más dolorosa, que una persona no puede escribir números realmente “al azar” y, por ello, en Bletchly Park, sede de los servicios de contraespionaje británicos, donde trabajó Alan Turing y se descifró el código de la máquina Enigma, había grupos de mujeres arrojando dados con los que construían cuadernos de un solo uso pseudoaleatorios para que los usasen los espías en el continente.

Construir secuencias aleatorias puede parecernos intuitivamente fácil, pero no lo es. No se trata de decir los números (letras o palabras son reducibles a números) que se nos ocurran y y ya está. Hemos de tener cuidado de que no dejemos, inconscientemente, una pauta: tendemos a usar determinadas palabras y estructuras gramaticales, por ejemplo. Pero, paradójicamente, intentar no dejar una pauta, ¡es una pauta! Estos es sólo la manifestación del hecho de que el azar, la pura aleatoriedad, contraintuitivamente, tiene estructura. Veamos un ejemplo.

Intenta escribir una secuencia de números naturales que tú creas que es aleatoria. Una vez que lo hayas hecho estudiala como si la hubiese escrito otra persona y busca pautas; las encontrarás rápidamente. Así, si nos limitamos a los números naturales entre 1 y 15 podríamos haber escrito:

1, 4, 6, 7, 10, 14

que parecen números al azar. Pero a estos números se le puede encontrar una pauta:

a, a+n₁3, b, a+n₂3, a+n₃3, 2(b+1) donde n = 1, 2, 3, ...

Dicho de otra manera, 1,4,7 y 10 forman una progresión aritmética en el que la diferencia entre un término y el siguiente es la misma (3). Sabiendo esto intentemos elegir los números de forma que no haya ningún tipo de pauta apreciable entre ellos:

1, 2, 4,

Con estos números ya no podemos elegir el 6 por que tendríamos 2, 4, 6, así que

1, 2, 4, 5,

y ahora no podemos elegir ni el 7 ni el 8...

Y esto es limitándonos a las progresiones aritméticas. Hemos podido ver que escribir una lista de números al azar no es trivial. De hecho el teorema de Szemerédi prueba que es imposible. Y rizando el rizo, ni siquiera usando números primos te libras del problema, como demuestra el teorema de Green-Tao.

Cuando consideramos los sólidos el concepto de aleatoriedad se asocia a los sólidos amorfos, a los llamados vidrios. En estos se dice que el empaquetamiento de los átomos, la secuencia en la que se colocan es aleatoria. Esto podríamos llegar a la conclusión de que no es cierto gracias a Szemerédi, aunque hay cuestiones puramente químicas que nos hacen intuir que esto no puede ser estrictamente así.

Por su estructura interna los sólidos podemos clasificarlos en cristalinos, cuasicristalinos y amorfos. Como las definiciones estándar de estas estructuras se pueden encontrar fácilmente en la red, nosotros vamos a ir un pasito más allá y hablaremos de hiperdimensiones y de los planteamientos sobre aperiodicidad de Harald Bohr para unificar matemáticamente la visión de las tres. Así, una estructura cristalina sería el corte de una función multidimensional periódica por un hiperplano racional, es decir, la estructura cristalina tridimensional es realmente el corte por un hiperplano según un plano de la celda hexadimensional. Análogamente, en un cuasicristal el corte de la función periódica es irracional (típicamente el número áureo), esto es, el hiperplano que corta no coincide ni puede hacerse coincidir con un plano de la celda hexadimensional.

Vemos que, desde este punto de vista, hemos agotado todas las posibilidades de corte de una celda hexadimensional con los cristales (números racionales) y los cuasicristales (irracionales). Por tanto, podemos conjeturar [lo que no he leído en ningun parte y es original de un servidor] que en un sólido amorfo, de existir hiperestructura, ésta tendrá una dimensionalidad superior a 6 pero finita. Y es finita por el teorema de Szemerédi y porque a corto rango existe orden en todos los sólidos.

Efectivamente, desde el punto de vista del orden tanto cristales como cuasicristales lo tienen a corto a medio y a largo. Es característico de los cuasicristales que existan simetrías icosaédricas, cosa que para los cristales no está permitida, y el orden a largo no es tan evidente. En los vidrios no existe orden a largo (en el sentido habitual del término, hay aleatoriedad), pero sí existe orden a corto porque químicamente los átomos sólo son estables o metaestables en determinados entornos. Se alcanzará un estado estable si la mezcla tiene tiempo y energía como para ordenarse suficientemente, si no, el estado será metaestable. La cuestión es ¿cómo es la transición del orden a corto al desorden a largo? ¿habrá fases cristalinas, cuasicristalinas? ¿Qué ocurre a medio rango?

Un indicio del aspecto que pueden tener las respuestas a estas cuestiones lo proporciona un grupo de investigadores encabezados por Jinwoo Hwang, de la Universidad de Wisconsin en Madison (EE.UU.), con los resultados que han publicado en Physical Review Letters sobre un vidrio metálico.

Estructura a nanoescala de un vidrio metálico.

Zonas de estructura cúbica (centro) e icosaédrica (bordes) en un vidrio metálico

Los vidrios metálicos (VM) tienen características técnicas muy interesantes: son metales, son fuertes, y resisten muy bien la corrosión y el desgaste. Pero pueden romperse de pronto. El conocimiento que se tiene de su estructura es muy limitado como para poder explicar estas características. El trabajo de Hwang et al., del que damos la referencia más abajo, sugiere que estos materiales contienen más orden de lo que sugiere su nombre.

Los especialistas en materiales sospechan que los VM tienen algún tipo de estructura semiordenada, aún cuando no sea un cristal perfecto. La teoría predominante, apoyada por modelos por ordenador, es que hay “agrupaciones” de átomos, entendiendo por agrupación un átomo central y sus vecinos inmediatos, que forman pentágonos distorsionados o, más bien, icosaedros, sus equivalentes tridimensionales. Estas geometrías tienen simetría traslacional quíntuple, por lo que estaríamos frente a estructuras tipo cuasicristal. Los materiales con esta estructura tienden a quebrarse bajo tensión, en vez de estirarse o doblarse, lo que coincide con los VM. Hay otra teoría que dice que hay varias agrupaciones que se organizan en disposiciones cristalinas de tamaños del orden de un nanometro, pero esto suscita más polémica.

Hwang et al. han añadido datos experimentales a un modelo por ordenador y el resultado es que la realidad sería más compleja que ninguna de estas hipótesis por separado.

El equipo de investigadores usó una técnica llamada microscopía electrónica de fluctuación (FEM, por sus siglas en inglés) para estudiar muestras de un VM de composición Zr₅₀Cu₄₅A_l5. La FEM mide las variaciones en la difracción de los electrones conforme un flujo de éstos se mueve por la superficie de una muestra delgada. Una muestra perfectamente homogénea, ya sea cristalina o amorfa, no tendría variaciones significativas en su modelo de difracción. Pero si la muestra tiene algún tipo de variación en la escala de uno a unos pocos nanometros la difracción cambiará de forma significativa. La técnica, por tanto, es sensible a lo que se denomina rango medio, el rango donde la microscopía electrónica convencional o la difracción rayos X tiene dificultades.

Los datos de la FEM se introdujeron en una simulación por ordenador (Montecarlo híbrida inversa) con el resultado de que diferentes zonas de la muestra tenían diferentes simetrías. Unas eran icosaédricas y otras eran cúbicas. Las zonas cúbicas podían llegar a ser el 15% de la muestra. Como ésta se había enfriado muy rápidamente desde su estado fundido, la estructura alcanzada es muy probable que sea metaestable.

Efectivamente, cuando la muestra se calentaba durante una hora a la temperatura de la habitación, el porcentaje de zona cristalina caía drásticamente pasando a una estructura icosaédrica. Esta estructura sería más estable, por tanto.

Decimos más estable y no la más estable porque puede que el estado alcanzado sea el de energía más baja. Esto, unido a que el estudio se refiere a un VM muy concreto, implica que no se puede generalizar el resultado a otros tipos de VM con facilidad. Pero, como todos los VM se fabrican por enfriamiento muy rápido, sí nos da indicios de lo que puede llegar a ocurrir con su uso industrial.

El iPhone 5 y los vidrios metálicos

Una de las características de los vidrios es que no tienen una temperatura de fusión, es decir, una temperatura a la que pasan del estado sólido al líquido. Por el contrario la transición de sólido a líquido es continua: los vidrios pueden visualizarse como líquidos de viscosidad muy próxima a infinita que, conforme se calientan, van disminuyendo progresivamente, empezando a fluir cada vez más. Esto los asemeja a los plásticos, que se van “derritiendo” cuando los calentamos haciéndose cada vez más maleables.

A diferencia, por tanto, de las aleaciones metálicas habituales, los vidrios metálicos pueden moldearse como el plástico: los puedes aspirar, empujar, soplar o lo que se te ocurra para que adopten formas muy complicadas sin pérdida de material y sin mecanización.

Si esto sigue siendo cierto incluso a micro o nanoescala podrías fabricar haces de nanocables o microengranajes para micromotores. El problema surge con el comportamiento a medio rango, que viene condicionado por la más que posible existencia de estructuras cristalinas metaestables, en principio, no deseadas.

Si el rumor de que el próximo iPhone 5 usará intensivamente VM es cierto, Apple estaría poniendo un montón de fe en un material cuyas características los científicos sólo están empezando a comprender.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de Química que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate.

Referencia:

Hwang, J., Melgarejo, Z., Kalay, Y., Kalay, I., Kramer, M., Stone, D., & Voyles, P. (2012). Nanoscale Structure and Structural Relaxation in Zr_{50}Cu_{45}Al_{5} Bulk Metallic Glass Physical Review Letters, 108 (19) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.195505

La síntesis de proteínas también se produce en las sinapsis

2012-05-11T11:25:00.000+02:00

Hipocampo de rata. Foto: Tom Deerinck, NCMIR

Cuando aprendes a manejar la última aplicación que te has descargado en el móvil se producen modificaciones en tu cerebro. Para empezar se crean nuevas conexiones entre neuronas que, con la práctica, se verán reforzadas. Esas conexiones se establecen entre los axones de una neurona y las dendritas de otras formando lo que se llama sinapsis. El establecimiento y el reforzamiento de las sinapsis nuevas (plasticidad sináptica) los realizan físicamente proteínas. Durante mucho tiempo se creía que estas proteínas se producían en el cuerpo de la neurona. Ahora, un grupo de investigadores encabezado por Iván Cajigas, del Instituto Max Planck (Alemania), ha identificado más de 2500 proteínas que se sintetizan localmente en dendritas y axones de neuronas del hipocampo. Publican sus resultados en Neuron.

De toda la carga genética que tiene un individuo, lo que se denomina genoma, sólo una parte se convierte en proteínas en una célula dada. Es lógico: ¿qué hacen proteínas que sólo son necesarias en el hígado en una célula de la piel? Además, en un mismo tipo de tejido, en distintas circunstancias, se pueden transcribir unas proteínas diferentes o en distintas cantidades: pensemos en un hígado sano, por ejemplo, frente al hígado de un alcohólico. De aquí surge el concepto de transcriptoma: es el conjunto de ARN mensajero (ARNm) que existe en un tejido dado en unas condiciones dadas. Por así decirlo, es el conjunto de recetas que se han usado en una cocina dada un día determinado: no es lo mismo un McDonald's un lunes que Etxanobe un jueves.

Estudios anteriores habían mostrado en las dendritas conjuntos de ARNm escasos y, lo más llamativo, diferentes. Tan diferentes que no coincidía ni una sola de las recetas. Cajigas et al. se plantearon si no sería el caso de que la carta de este restaurante en concreto fuese extremadamente amplia y que los estudios previos sólo estuviesen viendo partes de ella. ¿Habría muchas más moléculas de ARNm pendientes de descubrir? ¿Era simplemente un problema de sensibilidad? Una cosa parecía clara, para descubrirlo la metodología debía ser distinta a los chips de ADN y la hibridación in situ que se había empleado hasta ahora.

Los investigadores diseccionaron la capa de neuropilo del hipocampo de la rata. Esta capa alberga una alta concentración de axones y dendritas, pero carece de cuerpos celulares de neuronas piramidales (el principal tipo de célula en el hipocampo). Emplearon a continuación técnicas de secuenciación de alta resolución para detectar el ARNm que se suponía que por estar presente en bajas concentraciones no se había detectado antes. Encontraron 8379 ARNm en el neuropilo, de los cuales 2550 eran exclusivos de las dendritas y/o los axones.

Los investigadores fueron un paso más allá, empleando una técnica de código de barras fluorescente (Nanostring nCounter) para la visualización en alta resolución y la cuantificación de las moléculas de moléculas individuales de ARNm. Encontraron que la concentración de ARNm en las neuronas puede llegar a variar en tres órdenes de magnitud.

Adicionalmente los investigadores fueron capaces de clasificar muchos de los ARNm identificados y determinar su función en la plasticidad sináptica. Había recetas para moléculas señalizadoras, de soporte estructural y de receptores de neurotransmisores. Entre los ARNm de dendritas y axones clasificados estaban algunos relacionados con el autismo.

Este es un resultado que revela una capacidad insospechada de la maquinaria de síntesis de proteínas de suministrar, mantener y modificar la población de proteínas a nivel de dendritas y sináptico. En un símil político, pone de relieve que el estado neuronal tiene transferidas muchas competencias a los entes locales.

Este trabajo es de investigación básica, es decir, contribuye a nuestro conocimiento de las sinapsis, por lo que hablar de aplicaciones es prematuro. Que las tendrá en el futuro es indudable.

Referencia:

Cajigas, I., Tushev, G., Will, T., tom Dieck, S., Fuerst, N., & Schuman, E. (2012). The Local Transcriptome in the Synaptic Neuropil Revealed by Deep Sequencing and High-Resolution Imaging Neuron, 74 (3), 453-466 DOI: 10.1016/j.neuron.2012.02.036

#Sinciencia no hay principios

2012-05-10T10:57:00.000+02:00

Dice el refrán español que el gato escaldado del agua fría huye. Cuando se han gastado barbaridades de dinero en instalaciones e infrestructuras de investigación, en parques tecnológicos de diseño para los que no hay empresas tecnológicas que los ocupen y se convierten en polígonos industriales pijos, ahora se recorta en lo verdaderamente necesario: los fondos que permitirán la existencia, no de una, sino de las dos próximas generaciones de investigadores en España.

No es un hecho psicológico nuevo que las personas leamos los datos no como objetivamente son, sino con las gafas de nuestra ideología. El hecho cierto, que yo entiendo objetivo, es que recortar en la inversión en ciencia hipoteca el futuro de España más allá de lo imaginable.

Conseguir que esta idea cale, que estamos hipotecando el futuro del país de mala manera, se enfrenta a otro sesgo cognitivo: la mayoría de las personas no ven más allá del corto plazo. Además, la opinión liberal es que ahí está la iniciativa privada y eso, en este país, sede de la cultura dicotómica del pelotazo/funcionario, es una utopía, salvo honrosas excepciones.

No voy a entrar en explicar por qué son tan importantes los investigadores; a quien tenga verdadero interés le invito a que lea cualquier texto de historia económica. Solo quiero dejar constancia que, siendo los recortes y las subidas de impuestos comprensibles en general, en ciencia son un error mayúsculo. Y, para que conste, yo no vivo de los presupuestos del estado (siempre he trabajado en la empresa privada).

Finalmente, no me resisto a dejaros con una pequeña historia, convenientemente alejada en el espaciotiempo, que yo, en mi ingenuidad, considero tan relevante como ilustrativa.

Peces por Principios

De Historia Piscium (DHP) fue un trabajo que comenzó Francis Willughby (1635-1672) y que terminó John Ray (1627-1705) y que se imprimió con el apoyo financiero de la Royal Society en 1686. El texto y las ilustraciones de DHP reflejan el espíritu del siglo XVII: el estudio de la naturaleza por parte de Ray era un elemento más de la obra de su dios, como lo era su búsqueda del conocimiento y el lenguaje perdidos a consecuencia del pecado original (Adán, Eva, la serpiente y la manzana, para los despistados). El apoyo de la Royal Society venía por el interés de ésta en reformar la historia natural de los peces.

La academia científica más antigua del mundo, fundada en 1660, casi quiebra a consecuencia de la publicación de DHP. Su presidente, Samuel Pepys, marino, apoyó el proyecto de Ray completamente y no escatimó en gastos, principalmente en las ilustraciones, de altisima calidad y correspondiente precio. DHP no se vendió como estaba previsto y aquello fue la ruina: no quedó dinero para ningún otro proyecto.

El primer proyecto en sufrir los recortes fue la publicación de un libro titulado Philosphiae Naturalis Principia Mathematica, más conocido como los Principia de Isaac Newton. Probablemente el libro más importante en la historia de la física y quizás de toda la ciencia: en él se describían las leyes del movimiento y la gravedad.

Un empleado de la Royal Society, consciente de la importancia del texto, decidió financiarlo él mismo. Los Principia se publicaban en 1687 con el aporte económico de Edmund Halley, famoso por el cometa que lleva su nombre. Ello fue posible por la fortuna personal de Halley, adquirida por su padre con una fábrica de jabón.

Pero la Royal Society seguía con la política de recortes de Sam Pepys y, tras la publicación de los Principia, el señor Halley fue informado de que la sociedad no se podía permitir seguir pagándole su sueldo anual de 50 libras. Como compensación recibiría su contravalor en ejemplares de DHP.

El nombre de Sam Pepys, como cargo político, lo podéis encontrar tanto en la ilustración de DHP que abre este texto como en la portada de los Principia. A buen entendedor...

Amazings.es: pH para adultos

2012-05-09T10:13:00.001+02:00

El pH es un índice omnipresente: desde la publicidad cosmética hasta el estado de la piscina. Es una escala sencilla, y cualquiera puede determinar el valor de una muestra fácilmente en caso de necesidad. Incluso el concepto no es demasiado complicado, bastan las matemáticas y la química de secundaria para tener una idea bastante precisa.

Pero lo que está bien para un ciudadano medio puede no estarlo para un científico. Recientemente en los comentarios a una, por otra parte estupenda, entrada de Ed Yong en Not Exactly Rocket Science, sobre organismos extremófilos en entornos de acidez extrema, Rosie Redfield, la microbióloga que desmontó, en su blog primero y con una exhaustiva investigación experimental después, lo de la bacteria que incorporaba arsénico a su ADN, muestra lo limitado de su conocimiento de algo tan crítico para su trabajo como el concepto de pH. Redfield pone en duda la existencia de pH negativos.

Increíble, pero cierto.

Hechos como este hacen que uno se cuestione sobre el nivel de formación química elemental de algunos graduados universitarios. Como, a fin de cuentas, es algo que no podemos remediar en su conjunto, vamos a intentar explicar el concepto de pH que debería conocer, no ya un científico, sino un ciudadano informado. Para ello haremos un repaso más o menos formal sobre el concepto habitualmente admitido, luego nos iremos al fútbol y finalmente veremos como nos queda la definición de pH.

Sigue leyendo en Amazings.es

La convicción filosófica del investigador: el caso de Mijail Lomonósov

2012-05-07T17:19:00.001+02:00

Catalina II de Rusia visita el estudio de Lomonósov

En las últimas semanas ha venido desarrollándose un (acalorado) debate sobre el papel que pueda tener la filosofía en la comprensión real del universo o, visto desde el otro lado, sobre cuáles son los límites de la comprensión física del universo. Uno de los puntos álgidos fue la publicación de una entrevista a Lawrence Krauss en The Atlantic en la que éste venía a afirmar, en la línea de Richard Feynman o Steven Weinberg, que filosofía y teología son unas pérdidas de tiempo completamente inútiles.

Nosotros no vamos a entrar (hoy) en el fondo de la cuestión. Pero sí creemos que es conveniente que recalquemos la necesidad de ser conscientes de cómo nuestras creencias más íntimas, que surgen de convicciones filosóficas y/o religiosas muchas veces no expresadas de forma explícita, conforman nuestra visión del mundo y que, por eso mismo, influyen en como abordamos su estudio y qué resultados tendemos a aceptar y cuáles no. Esas convicciones son las gafas con las que vemos el universo, nuestro objetivo hoy no es dilucidar qué gafas son las mejores sino llegar a ser conscientes que esas gafas existen estudiando un caso concreto.

Para que nuestra aproximación sea útil es conveniente tener en mente que nuestra época, nuestro tiempo, no es mejor ni peor que cualquier otro histórico: los humanos no hemos cambiado tanto. Es por esto por lo que los ejemplos que nos ofrece la historia son útiles.

Sin duda un caso paradigmático de la influencia de las convicciones filosóficas en el desarrollo de una carrera científica es el de Einstein. Lo hemos tratado extensamente en este blog, por lo que invitamos al lector interesado que visite la serie Einstein y..., especialmente Einstein y ...Ernst Mach , Einstein y...Niels Henrik David Bohr y Einstein y... Paul Ehrenfst.

Lomonósov

Hoy vamos a tratar de otro caso si cabe más espectacular. Se trata de uno de los mayores genios científicos de la historia moderna y, sin embargo, un desconocido fuera de su Rusia natal, Mijaíl Vasílievich Lomonósov (1711-1765). El enlace anterior dirigido a la Wikipedia en español nos dará idea de la imagen que se proyecta de Lomonósov fuera de Rusia: escritor, gramático, poeta, ferviente cristiano que hizo algo de ciencia.

Lomonósov fue escritor, geógrafo, gramático y poeta, efectivamente. Pero él decía de sí mismo que su profesión era la física y que su entretenimiento era la poesía. Simplemente la sociedad podía valorar la segunda pero no estaba preparada para la primera.

A efectos de lo que nos ocupa la afirmación más importante de las que vierte la Wikipedia es la de ferviente cristiano. Lomonósov no lo era. No vamos a entrar en una argumentación prolija, bastarán un par de ejemplos, para ilustrar que era un cristiano de conveniencias; en ningún caso “ferviente”. En 1761, previamente a la observación del tránsito de Venus, Lomonósov predijo la aparición de un halo en el contorno del planeta al comienzo y al final del tránsito en caso de que el planeta tuviese una atmósfera densa. Este halo fue observado y en la memoria que Lomonósov escribió al respecto especulaba con la posibilidad de que existiese vida y que, en el caso de existir los venusianos no tendrían necesariamente que ser cristianos. Una afirmación mayor en un país en el que el sínodo de obispos había condenado como herético el modelo heliocéntrico copernicano tan sólo 20 años antes.

En otra ocasión, Lomonósov tuvo un roce con el conde Iván Shuvalov, que lo apoyaba financieramente. El conde quería que Lomonósov apareciese por la corte imperial más a menudo, ante lo que Lomonósov respondió: “No sólo no deseo ser el bufón de la corte delante de la mesa de los señores y gobernantes de la tierra, ni siquiera del señor Dios mismo, que me dio las entendederas hasta que vea oportuno quitármelas”. Lomonósov sabía a quien le decía eso, Shuvalov era un aristócrata ilustrado, y no tuvo consecuencias para él, pero no suena muy fervorosamente cristiano.

Lomonósov era un deísta, no un cristiano en el sentido habitual del término. Creía en un dios que era fundamentalmente un relojero sabio más que ninguna otra cosa. Sus posiciones eran muy similares a las de su contemporáneo Benjamin Franklin.

Lo anterior casa estupendamente con la posición filosófica más definitoria de la física de Lomonósov basada en explicaciones cartesianas de modelos mecánicos. Una posición en contraposición a la preponderante en Europa en esa época basada en razonamientos newtonianos que se fundamentaban en fluidos imponderables: éter, electricidad o calórico. Esto conllevó , junto con otros factores de tipo personal y geopolítico, a que grandes descubrimientos no fuesen reconocidos en el resto de Europa. A su muerte el mundo olvidó por completo a Lomonósov, sólo la mentalidad de la segunda mitad del siglo XIX estuvo ya preparada para reconocer sus aportaciones.

Efectivamente, los razonamientos de Lomonósov se basaban siempre en la convicción de que los fenómenos físicos y químicos se podían explicar exclusivamente en términos mecánicos, por la interacción de “partículas diminutas e insensibles”. Él llamó a esta filosofía “química física” en 1752 (no se confunda con el campo actual). Pero veamos esta filosofía en acción.

Principio de conservación de la materia/energía.

Aunque en los libros de texto habituales no aparezca, Lomonósov fue la primera persona en confirmar experimentalmente la ley de conservación de la materia.

Es de todos sabido que los metales ganan peso cuando se calientan (hoy día sabemos que ello se debe a la oxidación). La mentalidad que comenzaba a imperar a finales del XVII, llevó a Robert Boyle, contemporáneo y amigo de Newton, a concluir erróneamente en 1673 que el “calor” era algún tipo de materia.

En 1756 Lomonósov demostró que la idea de calórico era falsa calentando placas de plomo en un recipiente hermético y comprobando que el peso del conjunto era el mismo antes y después de calentar. En una carta a Leonhard Euler en la que explicaba el experimento enmarcó las conclusiones en un principio general de conservación:

“Todos los cambios que encontramos en la naturaleza proceden de tal manera que […] no importa cuanta materia se añada a cualquier cuerpo que una cantidad igual ha sido tomada de otro[...] y ya que esta es la ley general de la naturaleza también se encuentra en las leyes del movimiento: un cuerpo pierde tanto movimiento como da a otro”.

Cero absoluto.

Experimentos análogos llevados a cabo por Antoine Lavoisier diecisiete años más tarde fue un paso más allá, demostrando que el incremento de peso del metal se correspondía exactamente con la reducción del peso de oxígeno en el aire. Pero a diferencia de Lavoisier, que seguía considerando el calor como un “sutil líquido calórico”, Lomonósov lo interpretaba como una medida del movimiento lineal y rotacional de corpúsculos.

Tan convencido estaba que el calor se correspondía con la energía mecánica de los corpúsculos que veintiocho años antes del resultado de Lavoisier, en 1745, y casi un siglo antes de que Lord Kelvin introdujese la escala absoluta de temperaturas, Lomonósov propuso la idea de frío absoluto, la temperatura a la que los corpúsculos ni se desplazan ni rotan, lo que hoy llamaríamos el cero absoluto.

Teoría cinética de los gases.

El convencimiento de Lomonósov de que la realidad eran corpúsculos también le llevó a predecir correctamente una desviación en la ley de Boyle de los gases. Dado que las partículas no son puntos matemáticos, sino que ocupan un volumen, la presión del aire no podría mantenerse inversamente proporcional al volumen de gas a grandes presiones. Las deducciones de Lomonósov sentaban las bases de lo que después sería la teoría cinético molecular, que no se desarrollaría (independientemente) hasta bien entrado el siglo XIX.

Mercurio sólido.

El siglo XVII fue el siglo de los salones cultos e ilustrados en los que se podía encontrar a un famoso poeta recitando sus últimos versos o a un científico haciendo experimentos. En estos salones las propiedades del mercurio, el hecho de que fuese un metal líquido, lo rodeaban de cierto misticismo. Pero no para Lomonósov.

Estaba convencido de que su comportamiento era igual al de cualquier otro metal solo que con rangos de temperaturas diferentes. Durante el invierno particularmente severo de 1759, Lomonósov con la ayuda de Joseph Adam Braun, consiguió con una mezcla de nieve y ácido nítrico llevar un termómetro por debajo de los -38ºC obteniendo por primera vez mercurio sólido. Golpeando la masa obtenida con un martillo encontraron que era a la vez elástica y dura, “como el plomo”. Fue el hallazgo más famoso de Lomonósov durante su vida.

Vemos en estos ejemplos como unos principios rectores de tipo filosófico son capaces de guiar a un científico a descubrimientos sobresalientes que le adelantan a su tiempo. Sin embargo su falta de sintonía, digamos filosófica, con el resto de colegas (salvo Euler) hacía difícil que sus progresos fuesen apreciados.

Pero también estos principios filosóficos, como casi dos siglos después también le ocurriría a Einstein, hicieron que Lomonósov se metiese en callejones sin salida.

Gravedad.

Convencido en su cartesianismo de la mecánica corpuscular Lomonósov no terminaba de aceptar la gravedad Newtoniana y su acción a distancia porque sí. Empleó los últimos años de su vida en llevar a cabo sistemáticos experimentos con péndulos, rellenando cientos de páginas de libros de notas, en un intento inútil de encontrar un error en las ideas de Newton.

En su desconfianza de Newton, Lomonósov nunca usó el cálculo diferencial en sus textos, a pesar de tener una excelente formación matemática.

El origen matemático de los números cuánticos y de los orbitales atómicos.

2012-05-04T15:26:00.001+02:00

En muchas ocasiones, cuando nos enfrentamos a la derivación de las expresiones matemáticas que representan sistemas físicos la mezcla precisamente de conceptos matemáticos y físicos hace que ni sigamos unos ni entendamos los otros. Nosotros pensamos que explicar ambas por separado ayuda en gran medida a la comprensión general.

Ayer, el hijo de un amigo nos planteaba que aceptaba la forma de los orbitales del átomo de hidrógeno y la aparición de los números cuánticos (salvo el de espín) como si fuesen un dogma, declarándose incapaz de seguir ni a su profesor ni a su libro de texto (el chaval estudia segundo de químicas en una prestigiosa universidad española). Es mi opinión que ello se debe a que las matemáticas y la física ya son lo suficientemente sutiles (me niego a aceptar que sean complicadas) por separado como, para encima, mezclarlas.

Lo que sigue es una explicación, un esquema conceptual si se quiere, de cómo se llega a los orbitales del átomo hidrogenoide (un átomo que tenga sólo un electrón) y a los 3 números cuánticos asociados (el de espín va aparte) desde un punto de vista matemático. Una vez que se tiene claro “cómo” lo haces ya te puedes concentrar en “qué” haces. Como conocimientos previos está saber lo que es una ecuación diferencial y cómo se resuelve en términos generales.

La llamada función de onda, que es la que describe la posición del electrón (por simplicidad excluimos la dependencia del tiempo), no es más que una función de tres variables que viene descrita por una ecuación diferencial llamada ecuación de Schrödinger (EdS) que adopta la forma

HΨ = EΨ [EdS]

donde H es un operador llamado hamiltoniano. Este operador a su vez lo podemos expresar de tal manera que la EdS la podemos escribir como

HΨ= aΔΨ + bΨ/r = EΨ [EdS]

en la que a y b son constantes, Δ es el operador laplaciano y r es una distancia (la del electrón al núcleo). El operador laplaciano no es más que la suma de las derivadas parciales segundas con respecto a cada una de las tres variables, es decir:

a(∂²Ψ /∂x² + ∂²Ψ /∂y² + ∂²Ψ /∂z²) + bΨ/r = EΨ [EdS]

r = (x²+y²+z²)^1/2

Coordenadas esféricas físicas.

La resolución de esta ecuación diferencial nos proporcionará Ψ, que es lo que queremos. Sin embargo esta resolución en coordenadas cartesianas se hace muy complicada y es preferible usar coordenadas esféricas. En estas coordenadas Ψ pasa de ser una función de x, y, z a ser una función de r, θ y φ donde

x = r sen θ cos φ

y = r sen θ sen φ

z = r cos θ

Haciendo la sustitución resulta que la función Ψ puede expresarse como el producto de tres funciones cada una de una sola variable, Ψ= R(r)Θ(θ)Φ(φ), con lo cual obtenemos tres ecuaciones diferenciales independientes, cada una en una sola variable. Ya sólo nos queda resolver estas ecuaciones. No vamos a entrar aquí en cómo se hace, nos limitaremos a señalar unos detalles matemáticos que después se revelarán como muy importantes.

En la resolución de Φ(φ) nos va a aparecer una constante de separación que, convencionalmente (tiene un sentido físico), llamaremos m. Para que se cumpla que Φ(φ) = Φ(φ +2π), m sólo puede ser un número entero (positivo, negativo o cero).

La resolución de Θ(θ) es más complicada. En ella aparece de nuevo m y una nueva constante de separación l. Las condiciones que deben cumplir las soluciones (que sean cuadráticamente integrables) obligan a que l = |m|, |m|+1, |m|+2,.... Esto quiere decir que el valor más pequeño de l es cero y que m va de -l a +l de 1 en 1.

Finalmente, en la resolución de R(r) aparece de nuevo l y otra constante de separación n que, por un razonamiento análogo al anterior resulta que debe ser mayor o igual a l+1. Deducimos de aquí que el valor más pequeño de n es 1.

Es necesario recordar que estas soluciones no son funciones únicas sino familias de funciones que cumplen los condicionantes de la EdS y que los distintos miembros de las familias vienen dados por los distintos valores permitidos de n, l y m. Y esto es matemáticas, no física.

Bien, pues ya tenemos encontradas las soluciones a la EdS, que tienen la forma general

Ψ = R_nl(r)Θ_lm(θ)Φ_m(φ)

donde, como hemos visto,

n = 1,2,3,...

l = 0,1,2,...,n-1

m = -l, -l+1,...,0,...,l-1,l

Veamos el aspecto de algunas de estas soluciones. Si hacemos n =1, ello implica que l = 0 y m = 0. En este caso Θ(θ) y Φ(φ) se hacen constantes y

Ψ =Ψ(r) = Ae^Br (A,B son constantes de integración)

Para n = 2 tenemos esta misma posibilidad ( l = 0 y m = 0) y tres más a partir de l=1 con m = +1,0,-1, a saber,

Ψ = Ce^Br

Ψ = D r sen θ cos φ e^Br

Ψ = D r sen θ sen φ e^Br

Ψ = D r cos θ e^Br(C, D son constantes de integración)

Y así podríamos seguir para los distintos valores de n, l y m encontrando todos los miembros de la familia de funciones que son solución de la EdS.

Aproximémonos ahora un poco a la terminología física. La representación de las funciones que sólo dependen de r será una esfera, llamemoslas s y distingámolas por el valor de n:

1s = Ae^Br

2s = Ce^Br

Las funciones que tengan l =1, llamémoslas p, distingámolas por su valor de n y marquemos con un subíndice su orientación en ejes cartesianos (transformamos ahora de esféricas a cartesianas):

2p_x= D r sen θ cos φ e^Br= D x e^Br

2p_y= D r sen θ sen φ e^Br= D y e^Br

2p_z= D r cos θ e^Br = D z e^Br

Tenemos de esta forma las funciones de onda reales hidrogenoides para n =1 y n = 2. Un orbital es una función de onda espacial de un electrón. Puesto que en un átomo hidrogenoide solo tiene un electrón, todas sus funciones de onda son orbitales. Éstos tienen la siguiente representación gráfica:

Finalmente damos nombre a nuestras constantes de separación, que llamaremos números cuánticos porque, como hemos visto, adoptan valores discretos (no continuos):

n es el número cuántico principal

l es el númnero cuántico de momento angular y

m es el número cuántico magnético.

Ya podemos comprender la imagen del comienzo de la entrada sabiendo que los números entre paréntesis corresponden a los tres números cuánticos. Y ya está. Lo demás son detalles.

La función de onda como representación completa de la realidad

2012-05-02T13:18:00.000+02:00

Por si la mecánica cuántica no fuera de por sí algo bastante complejo, además puede expresarse matemáticamente de dos formas. La que se suele usar hoy día y con la que el lector probablemente esté algo familiarizado es la que se basa en la función de onda descrita por la ecuación de Schrödinger. Ésta se publicó en 1926 mientras que en 1925 apareció la mecánica matricial de Heisenberg, Born y Jordan; ambas son equivalentes. La formulación matricial se denomina así porque describe las propiedades físicas de las partículas como matrices que evolucionan con el tiempo. Sin embargo, la función de onda describe el sistema en su conjunto; pero no sólo eso, es, además, la descripción más completa que puede darse de un sistema físico. Y esto tiene obvias implicaciones meta-físicas.

El comportamiento futuro de un sistema puede predecirse empleando la función de onda que lo describe (complejidad de cálculo aparte), pero sólo con cierta probabilidad. Esta naturaleza intrínsecamente probabilística de la teoría cuántica se diferencia de la certeza con la que los físicos pueden describir el mundo clásico, lo que lleva a un debate casi centenario sobre la interpretación de la función de onda: ¿representa una realidad objetiva o solamente el conocimiento subjetivo de un observador? En un artículo [1] que aparece en Physical Review Letters, Roger Colbeck, del Instituto Perimeter (Canadá) y Renato Renner, del Politécnico de Zúrich (Suiza), presentan un argumento claramente a favor de la realidad objetiva de la función de onda que podría contribuir a una mejor comprensión del significado de la mecánica cuántica.

Intentemos formular algo más claramente las interpretaciones alternativas de la función de onda antes de describir el trabajo de Colbeck y Renner. Para ello nos será útil aquello de “si un árbol cae en el bosque, ¿hace ruido si no hay nadie escuchándolo?”. En la primera interpretación la función de onda corresponde a un elemento de la realidad que existe objetivamente, esté un observador midiéndolo o no, esto es, el árbol al caer hace ruido lo oiga alguien o no.

Por otro lado, una interpretación alternativa afirma que la función de onda no representa la realidad sino el estado subjetivo de conocimiento de un observador acerca de una realidad subyacente. Así, en 1927, Niels Bohr y Werner Heisenberg, entre otros, abogaron por la denominada interpretación de Copenhague, según la cual la función de onda no es más que una probabilidad matemática que adquiere un sólo valor justo en el momento en el que un observador mide el sistema provocando con ello el colapso de la función de onda. Es decir, sólo si hay alguien que pueda oír hará el árbol ruido; si no hay nadie se mantiene una superposición de estados, ruido y silencio.

Finalmente, una tercera interpretación, niega la mayor y afirma que la función de onda no da una descripción física completa de la realidad y viene a señalar que la mecánica cuántica está incompleta. Este punto de vista corresponde a Einstein, Podolsky y Rosen y afirma que el mero planteamiento del problema del árbol en el bosque no tiene sentido en esos términos.

Colbeck y Renner argumentan a favor de la idea de que la función de onda de un sistema cuántico describe la realidad misma, no simplemente la falta de conocimiento de un físico sobre ella. De hecho, en el artículo que nos ocupa llegan a la conclusión de que la función de onda de un sistema cuántico posee una correspondencia uno a uno con los “elementos de la realidad”, es decir, las variables que describen el comportamiento del sistema. Para llegar a este resultado sólo asumen que las disposiciones de las mediciones se pueden elegir libremente y que la teoría cuántica proporciona predicciones estadísticas correctas, ambas afirmaciones falsables experimentalmente e implícitas en la investigación física.

A la hora de llegar a sus conclusiones los autores parecen, al menos a nosotros nos lo parece, violar el teorema de Cantor, que establece que no existe biyección entre el conjunto potencia de un conjunto y el propio conjunto. Efectivamente, los autores afirman, por una parte, que cualquier información contenida en la lista completa de los elementos de realidad del sistema (la lista se dice que es completa si contiene todas las predicciones posibles acerca de los resultados de un experimento llevado a cabo en el sistema) ya está contenida en la función de onda del sistema. Dicho de otra manera, la función de onda incluye todos los elementos de realidad. Pero, por otro lado, Colbeck y Renner afirman que la lista de elementos de realidad incluye la propia función de onda. A partir de estas dos afirmaciones los autores concluyen que la función de onda está en una correlación uno a uno con sus elementos de realidad, a pesar de la distinta cardinalidad. Esta correlación, biunívoca según los autores, implicaría además que la teoría cuántica es completa.

Sin embargo, si la lógica fuese consistente (ya lo determinarán los expertos), la única asunción real es que un experimentador pueda, en principio, elegir los experimentos que quiere llevar a cabo. Dicho de otra forma, si se acepta que existe esta libertad de elección entonces la función de onda describe la realidad necesariamente. Démonos cuenta de que entramos en un bucle: para determinar si existe libertad de elección tenemos que conocer la naturaleza de la realidad, pero para poder conocer ésta tenemos que admitir a priori que existe libertad de elección, lo que tiene que ser demostrado.

Recientemente otros autores han apoyado la idea de la función de onda como representación completa de la realidad a partir de razonamientos diferentes. Así, Pusey, Barrett y Rudolph [2] argumentan que la interpretación subjetiva de la función de onda contradice asunciones plausibles de la mecánica cuántica, como que los sistemas múltiples pueden disponerse de tal manera que los elementos de realidad no estén correlacionados o, dicho de otra manera, que dos partes de un sistema pueden ajustarse independientemente de tal manera que los valores de las variables que los describen no se hayan influido entre sí.

En cualquier caso hay algo que no debemos olvidar: incluso si conociésemos la función de onda de un sistema y, por tanto, su realidad, su comportamiento futuro seguiría sin poder predecirse con certidumbre. El azar sigue siendo inherente a nuestro conocimiento de la naturaleza. Más sobre esto en El Universo es como un gato: determinismo y teorías físicas.

Referencias:

[1] Colbeck, R., & Renner, R. (2012). Is a System’s Wave Function in One-to-One Correspondence with Its Elements of Reality? Physical Review Letters, 108 (15) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.150402

[2] Matthew F. Pusey, Jonathan Barrett, & Terry Rudolph (2011). The quantum state cannot be interpreted statistically [Not published in a peer-reviewed journal] arXiv: 1111.3328v1

Jill Bolte Taylor: Un ataque de lucidez

2012-04-30T10:17:00.001+02:00

El 10 de diciembre de 1996 Jill Bolte Taylor, una neuroanatomista de la Universidad de Harvard de 37 años, descubrió al despertar que estaba teniendo un infarto cerebral. Posteriormente se comprobaría que el origen estaba en una hemorragia en una conexión anormal congénita entre una arteria y una vena de su cerebro, lo que se conoce como malformación arteriovenosa. Tres semanas después fue sometida a cirugía para eliminar un coágulo del tamaño de una pelota de golf que constreñía los centros del lenguaje, en el hemisferio izquierdo de su cerebro.

Taylor fue capaz de ser plenamente consciente de qué le estaba ocurriendo. Tras ocho años de rehabilitación pudo contar su historia. en un bestseller titulado My Stroke of Insight (en español, Un ataque de lucidez). En 2008 dio una TED Talk memorable en la que narra su historia y nos permite descubrir las funciones de los hemisferios cerebrales desde una perspectiva única. Esta charla es una de las TED más vistas y está subtitulada en español. En algún momento se requiere del lector que recuerde que los términos consciencia y energía son conceptos físicos, y que los términos hermanos, hermanas y nirvana, entre otros, son alegorías que deben situarse dentro de su contexto.

Epigenética y cáncer

2012-04-23T11:17:00.000+02:00

Chomatin Research de Michael Garfield

En última instancia todos los tipos de cáncer tienen un origen genético. En algunos casos se trata de una predisposición genética que se pasa de padres a hijos. En otros es el resultado de la exposición a un agente externo como el humo del tabaco (no hace falta ser fumador, respirarlo pasivamente tiene el mismo efecto) o la radiactividad. Y, a veces, es una lotería: un trozo de ADN que se copia mal durante la mitosis celular.

El que todos los cánceres tienen una base genética se sabe desde los años ochenta, sin embargo traducir este conocimiento en medicina es extremadamente difícil. De momento nadie sabe cómo reparar el ADN directamente. Lo que se trata más bien es de descubrir cuáles son las consecuencias bioquímicas del daño genético y buscar una forma de lidiar con éstas. Y a esto se dedican los investigadores para cada tipo de cáncer específico, salvo que aparezca otro gran descubrimiento que indique que existe alguna pauta común más allá de que todos comparten unos genes rotos. Y parece (subrayamos parece) que esa pauta está emergiendo.

Esa pauta sería que muchos de los genes cuya rotura desemboca en cáncer están implicados en un tipo de regulación genética llamada epigenética. La epigenética consiste en la regulación de la expresión de los genes, una especie de interruptor de encendido-apagado, mediante la adición de grupos metilo o acetilo bien al ADN propiamente dicho, bien a las proteínas que dan soporte al ADN en los cromosomas. La naturaleza de estas reacciones implica que en los procesos epigenéticos se puede intervenir químicamente de una forma que no es posible en las mutaciones genéticas. En otras palabras, se pueden tratar con fármacos.

El pasado 1 de abril tuvo lugar un interesante simposio de la Asociación Estadounidense para la Investigación del Cáncer (AACR, por sus siglas en inglés) en el que se trató precisamente de la cromatina y el epigenoma como dianas terapéuticas.

Dashyant Dhanak, de GlaxoSmithKline, presentó el trabajo de su grupo de investigación sobre el desarrollo de una sustancia que inhiba la actividad de un enzima llamado EZH2. Este enzima se une a los grupos metilo de las proteínas llamadas histonas que son parte del envoltorio cromosómico. Muchos linfomas (cánceres del sistema inmune) tienen como causa mutaciones que hacen que EZH2 se vuelva hiperactiva. Esta hiperactividad metila las histonas más de lo que debieran y, por tanto, silencia los genes a los que envuelven, incluidos los llamados genes supresores de tumores cuya misión es parar el crecimiento celular incontrolado que causa el cáncer.

Cuando el grupo de Dhanak trató células de linfoma con un inhibidor llamado GSK2816126 encontró que la sobremetilación de las histonas disminuía drásticamente. Y cuando trataron tanto cultivos de células como animales de laboratorio con GSK2816126 hallaron que reducía la proliferación de células tumorales a la vez que, y esto es crítico, no tenía efecto aparente en las células normales vecinas.

James Bradner, del Instituto del Cáncer Dana-Farber (EE.UU.), describió una segunda aproximación epigenética al tratamiento del cáncer. Su grupo ha podido demostrar que una sustancia conocida como JQ1, que inhibe un regulador epigenético llamado BRD4, bloquea la actividad de un gen conocido como Myc. Myc codifica una proteína que es un factor de transcripción, esto es, otro componente del sistema de regulación del ADN. Este factor de transcripción en concreto participa en la expresión de alrededor del 15% de los genes humanos. No es de extrañar entonces que cuando no funcione bien se convierta en una de las causas más comunes de cáncer.

Ha habido muchos intentos de bloquear directamente la actividad de Myc, ninguno con éxito. El equipo de Bradner ha empleado una estrategia indirecta: bloquear un colaborador necesario, el BRD4. La comprobación se realizó con ratones que sufrían mieloma causado por la disfunción del Myc y que fueron tratados por JQ1. Y funcionó: JQ1 silenciaba los genes activados por Myc y ralentizaba la proliferación de las células del mieloma.

Si bien ni GSK2816126 ni JQ1 están listos para ser probados en humanos, ya existen otros fármacos epigenéticos en el mercado. Loa agentes demetilantes del ADN, en forma de azacitidina y decitabina, se usan para tratar los síndromes mielodisplásicos, los precursores de la leucemia mieloide. También se comercializan inhibidores de la histona deacetilasa para tratar una enfermedad poco frecuente llamada linfoma de células T cutáneo.

Recientemente un grupo de investigadores encabezado por Rosalyn Juergens, de la Universidad Johns Hopkins (EE.UU.), ha demostrado que una combinación de entinostat, un inhibidor de la histona deacetilasa, y azacitidina ralentizaba el crecimiento del tumores en algunas personas con cáncer de pulmón avanzado. Este resultado es importante por dos razones. En primer lugar, es la primera vez que se emplean fármacos epigenéticos contra un tumor sólido (masa anormal de tejido sin quistes ni zonas líquidas), en vez de contra leucemias o linfomas; los tumores sólidos son más difíciles de tratar porque el principio activo tiene que penetrarlos.

Y en segundo, algunos de los participantes en el estudio de Juergens et al. que no respondieron significativamente a la prueba en sí después presentaron una reacción muy buena e inesperada a la quimioterapia estandarizada a la que fueron sometidos posteriormente. También es cierto que las muestras son muy pequeñas, y que este estudio es más indiciario que concluyente, como para poder lanzar las campanas al vuelo. Sin embargo, los autores especulan con la idea de que los fármacos epigenéticos alteraron las células tumorales de alguna forma que duró los suficiente como para que fuesen más sensibles a la quimioterapia estándar.

Y esto es bastante posible. A diferencia de otras formas de regulación genética (como la que controlan los factores de transcripción, por ejemplo) los cambios epigenéticos pasan a las células hijas y nietas durante la división celular hasta que se borran activamente. Una vez borrados no vuelven a aparecer. Podría ocurrir entonces que las terapias epigenéticas pudieran realizar cambios que pararían el crecimiento del cáncer sin tener que matar sus células.

Este podría ser el caso de GSK2816126. Si fuese así, estaríamos realmente ante una revolución conceptual, y la epigenética se pondría a la par que la genética en el análisis y el tratamiento del cáncer.

Referencia:

Juergens, R., Wrangle, J., Vendetti, F., Murphy, S., Zhao, M., Coleman, B., Sebree, R., Rodgers, K., Hooker, C., Franco, N., Lee, B., Tsai, S., Delgado, I., Rudek, M., Belinsky, S., Herman, J., Baylin, S., Brock, M., & Rudin, C. (2011). Combination Epigenetic Therapy Has Efficacy in Patients with Refractory Advanced Non-Small Cell Lung Cancer Cancer Discovery, 1 (7), 598-607 DOI: 10.1158/2159-8290.CD-11-0214

Concurso ED: Piensa como un alquimista

2012-04-17T15:42:00.000+02:00

De nuevo se pone en juego nuestra Copa de oro para los acertantes del siguiente acertijo que, sin ser trivial, es mucho más fácil de lo que parece:

Si Jan Baptist van Helmont hubiese conocido el resultado del experimento que Henri Moissan realizó en 1894 con la muestra que le envió William Ramsay, ¿con qué hubiese identificado ésta probablemente? ¿Por qué?

1) blas

2) arcana

3) bikos

4) ambix

5) lapidens philosophorum

6) alcagesto

7) tria prima

8) archeus

9) quintaesencia

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de Química que organiza Educación química.

El rey filósofo o las diez características del sabio.

2012-04-16T11:42:00.000+02:00

Los acontecimientos de estos últimos días en España (incluidas sus extensiones africanas, quien tenga oídos para oír que oiga) me han traído a la memoria uno de las ideas del hijo de Aristón y Perictione, el de las espaldas anchas. Curiosamente se trata de la idea que inspiró al ayatolá Jomeini la concepción general de cómo debería ser gobernada una república islámica: es el amante de la sabiduría, el filósofo (desde la perspectiva islámica chií esto es equivalente a los clérigos), el que debe ser elegido gobernante.

Efectivamente, desde el punto de vista platónico el “rey-filósofo” es la persona sabia que acepta el poder que le otorgan las personas que son suficientemente sabias como para elegir a un buen gobernante. Esta es la tesis de Sócrates en “La República”, que la mayor sabiduría que pueden demostrar las masas es la elección sabia de un gobernante, él mismo sabio.

Pero, ¿cómo reconocer a un hombre sabio en primer lugar? Existen cinco signos externos y cinco características de su forma de actuar para guiarnos.

Los 5 signos

En primer lugar, y siguiendo a Asimov, debemos acabar con la “excusa socrática”, es decir con asimilar la falta de conocimiento, malcitando a Sócrates (“solo sé que no sé nada”), con un signo de sabiduría. Los investigadores en ese campo de la psicología que algunos llaman psicología positiva definen la sabiduría como la coordinación del conocimiento y la experiencia, por una parte, con su uso deliberado para mejorar el bienestar (entendido como justicia, ausencia de conflicto, etc.) por otro. Con esta definición en mente consideran que hay cinco signos que caracterizan al humano sabio, a saber:

se conoce a sí mismo
posee conocimientos y experiencia
es sincero y directo con los demás
los demás le piden consejo
sus acciones son consistentes con sus creencias éticas

Si pensamos en alguien que consideramos sabio, a poco que reflexionemos nos daremos cuenta que cumple las características anteriores. Pero estaremos de acuerdo que estos cuatro signos parecen, en todo caso, condiciones necesarias pero no suficientes para poder calificar a una persona como sabia. Efectivamente, un religioso radical, por ejemplo, puede reunir estas condiciones y no sería considerado sabio por una mayoría fuera de su sistema de creencias. Es necesario, pues, fijarnos en cómo actúa.

Actuando sabiamente

A los sabios se recurre cuando hay problemas buscando consejo para solucionarlos. Y es ahí, en la resolución de problemas donde brilla la sabiduría. Una persona que reúna la 5 signos anteriores podremos decir que actúa sabiamente y, por tanto, es sabia, si sus acciones y consejos se caracterizan por:

una voluntad de buscar oportunidades de resolver posibles conflictos existentes
una voluntad de buscar el compromiso
un reconocimiento de los límites del conocimiento personal
una consciencia de que puede existir más de una perspectiva de un problema
una asunción del hecho de que las cosas pueden ponerse peor antes de mejorar

Somos nosotros los que ahora, armados con estas herramientas de contraste, debemos dedicarnos a analizar el comportamiento de los que nos gobiernan y a aquellos que aspiren a hacerlo para poder elegir sabiamente. Quien pueda elegir, se entiende...

La inteligencia general reside en áreas corticales concretas trabajando coordinadamente.

2012-04-12T10:41:00.001+02:00

Regiones corticales relacionadas con la inteligencia general y las funciones ejecutivas. En rojo, comunes, en naranja específicas de la inteligencia general, en amarillo específicas de las funciones ejecutivas.

Imagina por un segundo que quieres determinar qué áreas del encéfalo participan en lo que se conoce como inteligencia general y en aspectos concretos de las funciones intelectuales como la comprensión verbal o la memoria de trabajo. ¿Cómo lo harías? Una posible manera es realizando escáneres por resonancia magnética funcional de distintos grupos de sujetos clasificados en función de sus habilidades y compararlos con grupos de control. Este tipo de estudio podría dar indicios de qué estructuras intervienen pero no sería muy concluyente. Para realizar un mapa de la inteligencia “de verdad” tendríamos que ser capaces de comparar qué efectos tiene el desconectar determinadas zonas encefálicas. Y esto es lo que ha hecho un equipo de investigadores encabezados por Aron Barbey, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.), empleando como voluntarios a 182 veteranos de la guerra de Vietnam con heridas penetrantes en la cabeza muy localizadas. Los resultados se publican en Brain.

Otras alteraciones físicas de la actividad cerebral, como los infartos, afectan a muchas áreas cerebrales y, por tanto, dificultan identificar las contribuciones cognitivas de las distintas estructuras encefálicas. Las heridas de los voluntarios en el estudio eran lo suficientemente localizadas como para poder inferir cómo el daño en un área determinado produce disfunciones cognitivas concretas, con lo que los investigadores han podido realizar un mapa tridimensional de qué estructuras son críticas para capacidades intelectuales específicas.

Los investigadores realizaron escáneres por tomografía computarizada (TC) de los encéfalos de los participantes y administraron una batería de test cognitivos. Posteriormente combinaron los datos de las TC para producir un mapa colectivo del córtex que dividieron en 3000 unidades tridimensionales (vulgo, cubitos) llamadas vóxeles (de volumetric pixel). A continuación analizaron todos los sujetos con daño en un vóxel en concreto o en una agrupación de vóxeles y compararon sus habilidades cognitivas con aquellos otros en los que las mismas estructuras estaban intactas. De esta manera, el equipo de investigadores fue capaz de identificar las regiones corticales esenciales para determinadas funciones cognitivas, incluidas aquellas que contribuyen significativamente a la inteligencia (definida en este caso, obviamente, como aquello que miden los test de inteligencia).

Según se desprende de los datos del estudio la inteligencia general depende de un sistema neurológico llamativamente delimitado, es decir, varias regiones corticales y las conexiones entre ellas son básicas para la inteligencia general.

Estas áreas están localizadas en el córtex prefrontal izquierdo (tras la frente), el córtex temporal izquierdo (detrás de la oreja) y el córtex parietal izquierdo (en lo alto de la parte de atrás de la cabeza) y los haces de materia blanca (axones) que los conectan.

Los investigadores también constataron que las regiones cerebrales implicadas en la planificación, el autocontrol y otros aspectos de las denominadas funciones ejecutivas coinciden en buena parte con las que corresponden a la inteligencia general.

Este estudio viene a añadir más pruebas en favor de la hipótesis de que la inteligencia no depende ni de un área concreta del cerebro ni del encéfalo en su conjunto, sino que implica áreas específicas trabajando de forma coordinada o, dicho de otra forma, de la capacidad de integrar la información de los procesos verbales, espaciales y ejecutivos.

Más detalles e imágenes en esta exposición del descubrimiento por parte de Aron Barbey [en inglés]

Referencia:

Barbey, A., Colom, R., Solomon, J., Krueger, F., Forbes, C., & Grafman, J. (2012). An integrative architecture for general intelligence and executive function revealed by lesion mapping Brain DOI: 10.1093/brain/aws021

Una estructura tipo grafeno para el hidrógeno sólido.

2012-04-10T11:36:00.000+02:00

Diagrama de fases del hidrógeno

Estamos tan acostumbrados a ver la posición del hidrógeno en la tabla periódica en lo más alto de la columna de metales alcalinos que no nos paramos a pensar en lo que esto significa: ni más ni menos que debería ser, en determinadas condiciones, un metal. El hidrógeno metálico consistiría en protones muy próximos entre sí (por debajo de la distancia de Bohr) con los electrones compartidos entre todos; si los protones forman una red cristalina hablamos de hidrógeno metálico sólido y si no existe esta red, de líquido. Este estado sólo se alcanzaría a muy altas presiones y se cree que podría existir en el interior de Júpiter, Saturno y algunos planetas extrasolares recientemente descubiertos.

La búsqueda del hidrógeno metálico comenzó en el siglo XIX. En 1935 los físicos Eugene Wigner y Hillard Huntington predijeron que el hidrógeno debería convertirse en un sólido metálico a altas presiones, aproximadamente de 25 GPa (gigapascales), pero experimentos posteriores no encontraron trazas de una transición metálica. Experimentos más recientes han empleado presiones mucho mayores. Destaca el experimento que en 2011 realizaron Mijail Eremets e Ivan Troyan del Instituto Max Planck (Alemania) y en el que los autores afirmaron haber encontrado la presencia del hidrógeno metálico a 260 GPa; estos resultados, sin embargo, no han sido confirmados y han sido recibidos, en general, con escepticismo.

El reto de conseguir hidrógeno metálico no sólo tiene interés desde el punto de vista puramente científico, también desde el técnico ya que sus aplicaciones potenciales son muy interesantes. Por ejemplo, se cree que el conocimiento de la estructura y características de este material podría ayudar a conseguir superconductores a temperatura ambiente o, dicho más propagandísticamente, la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas.

En este camino hacia el hidrógeno metálico el grupo de investigadores encabezado por Ross Howie, de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido), ha descubierto una nueva fase de hidrógeno sólido. Publican sus resultados en Physical Review Letters.

Se conocen tres fases sólidas del hidrógeno que pueden crearse superenfriando el gas:

la fase I es una estructura de alto empaquetamiento de moléculas de hidrógeno que conservan la capacidad de rotar libremente
la fase II es similar a la I pero con menor libertad de rotación, lo que describiríamos como ordenación de la orientación
la fase III se caracteriza por un debilitamiento de los enlaces H-H por lo que puede considerarse parcialmente atómica, es decir, no completamente molecular.

El punto crítico en el que estas tres fases se intersectan está muy bien definido pero nadie sabe con seguridad qué ocurre más allá de la fase III, a presiones más altas. Esta zona es la que han explorado Howie et al.

Los investigadores sometieron muestras de hidrógeno y deuterio a presiones de hasta 315 GPa en un yunque de diamante a una temperatura de 300K. Empleando espectroscopia Raman midieron las variaciones en la frecuencia del vibrón (vibración intramolecular), esto es, determinaron la fortaleza de los enlaces H-H y, por tanto, hasta qué punto el hidrógeno seguía siendo molecular. A 220 GPa detectaron que la frecuencia del vibrón principal disminuía rápidamente a la vez que aparecía un segundo vibrón que mantenía la frecuencia original. ¿Cómo interpretar estos resultados? Para eso están los teóricos.

Los investigadores encontraron en la teoría de las fases sólidas del hidrógeno de Chris Pickard y Richard Needs publicada en 2007 una predicción que encajaba bastante bien con los datos experimentales: capas de hidrógeno formando anillos irregulares con la estructura del grafeno, lo que explicaría la baja frecuencia del vibrón principal, salpicadas con moléculas de hidrógeno diatómico sin enlazar, que corresponderían a la frecuencia original del vibrón secundario. Según la teoría, a más altas presiones los anillos se harían simétricos y adquirirían un comportamiento semimetálico.

Estructura propuesta para la fase IV del hidrógeno sólido

Para producir estos resultados los científicos desarrollaron métodos para impedir la difusión del hidrógeno en los yunques de diamante realmente novedosos y que serán de gran utilidad en posteriores investigaciones.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de Química que organiza Educación química.

Referencia:

Ross T. Howie, Christophe L. Guillaume, Thomas Scheler, Alexander F. Goncharov, & Eugene Gregoryanz (2012). Mixed Molecular and Atomic Phase of Dense Hydrogen Physical Review Letters, 108 (12)

Aaron O'Connell: mecánica cuántica macroscópica

2012-03-19T10:11:00.000+01:00

Solemos pensar que la mecánica cuántica sólo aplica a objetos muy pequeños, a escala atómica. Sin embargo, en 2010 la revista Science seleccionó como hallazgo del año a la primera máquina cuántica, es decir, al primer objeto visible sin ayuda de un microscopio que se encuentra en un estado de superposición cuántica o, lo que es equivalente, que está en dos lugares al mismo tiempo.

En marzo de 2011 Aaron O'Connell, el autor de este hallazgo (que este año cumplirá 31 años), explicaba su descubrimiento en una charla TED. Su presentación es muy fácil de seguir, está subtitulada en español y dura menos de 8 minutos. Y, lo que no es menos importante, su planteamiento incluye un buen material para el debate sobre la naturaleza de la realidad y el sentido de “ser" como dependencia del resto de objetos existentes.

Concurso ED: ¿Quién es el intruso?

2012-03-16T11:18:00.000+01:00

Esta imagen puede ser una pista...o no

Esta lista se ha elaborado siguiendo un criterio. Para ayudarte a encontrarlo se ha incluido un nombre que no lo cumple. Para ganar la Gran Copa averigua el criterio y señala al intruso. ¡Qué disfrutes!

Werner Heisenberg
Wolfgang Pauli
Peter Debye
Hans Bethe
Ernst Guillemin
Paul Peter Ewald
Alfred Landé
Linus Pauling
Fritz London
Isidor Rabi
Max von Laue

PISTA: Die Ludwig-Maximilians-Universität München ist eine Universität in der bayerischen landeshauptstadt München.

SOLUCIÓN. (Está escrita en blanco. Para leerla selecciona el texto.)

Para apreciar esta respuesta, y que sea útil, es muy conveniente haber intentado seriamente solucionar el problema.

Introducción: framing y priming

Personalmente no me gusta la traducción de framing como “encuadre”, ya que el encuadre es algo en lo que nosotros participamos, de alguna manera, activa y conscientemente. Prefiero el término menos eufónico de “enmarcado”, porque de eso se trata: interpretamos un cuadro en función del marco que lleva.

Un marco es un esquema de interpretación, la colección de estereotipos en los que una persona se basa para comprender y responder a los acontecimientos. En otras palabras, los humanos construimos una serie de filtros mentales a partir de influencias biológicas, culturales y biográficas y usamos estos filtros para hacer que el mundo tenga sentido para nosotros. Las elecciones que hacemos dependen mucho del filtro, del marco, en el que ubicamos la situación.

Este sesgo cognitivo puede usarse para influir en las personas, algunas veces tan sencillamente como alterando la forma en la que se hace una pregunta dentro de un contexto.

Por otra parte en el priming, un término con el que los lectores habituales de este blog están familiarizados, interviene la memoria implícita y consiste básicamente en que la exposición a un estímulo influye mucho en cómo procesamos y entendemos el siguiente. Por eso los vendedores “entrenados” te hacen preguntas insustanciales a las que respondes “sí” predisponiéndote al “sí” que representa la venta.

Nuestro Concurso ED ha jugado (limpiamente) con ambos efectos psicológicos. Veámoslo.

Creando el marco

Cualquier lector que haya leído las instrucciones del concurso con ánimo de participar ha dado por supuestas una serie de premisas de forma inconsciente, que constituyen el marco para la interpretación de los datos. Sin ánimo de ser exhaustivo, algunas de esas premisas son:

Yo, el autor, soy honesto. El juego propuesto no es un engaño y yo digo la verdad.
El juego es resoluble. A pesar de su mayor o menor dificultad, existe una respuesta lógica y ésta se puede hallar.
La respuesta no es trivial. Esto es, debe tratarse de un hecho significativo y conocible, no de una anécdota oscura.
Experientia docet es un blog de divulgación científica, por lo que el juego debe estar relacionado necesariamente con la ciencia, su historia o con las personas que intervinieron en su desarrollo.

Con esto en mente, el lector se enfrenta a una lista de nombres, unos muy conocidos, otros no tanto. La imagen y una primera búsqueda avalan lo que se sospecha en la primera lectura, todos son físicos (lo que confirma el punto 4 del marco, reforzándolo). Por sistema el lector descarta aspectos triviales como, por ejemplo, que todos menos uno sean heterosexuales, jueguen al golf, coleccionen sellos o tuviesen una novia llamada Heidi (punto 3). Muchos de los miembros de la lista, aunque no todos, obtuvieron el premio Nobel (lo que refuerza la idea del logro científico, priming 1). Sin embargo, esta vía de investigación lleva a un callejón sin salida, todos obtuvieron premios, pero no existe un rasgo definitorio que permita distinguir a un sólo intruso (puntos 1 y 2). Por otra parte, aunque hay mayoría de alemanes, algunos llamativamente (Pauling) no lo son, por lo que la nacionalidad debería ser intrascendente (priming 2).

Se encuentra entonces un nexo de unión de los 11 nombres: fueron alumnos de Sommerfeld (priming 3). Todos fueron alumnos de Arnold en Múnich [incluido el que menos tiempo lo fue, Rabi, que trabajó con él varias semanas en 1927]. Este hallazgo es interpretado como una posible respuesta correcta ya que en los listados que circulan por Internet London no aparece ni como doctorando, ni postdoc ni estudiante de habilitación. Pero si somos consecuentes, un postdoc no es más que un periodo de investigación en un laboratorio tras obtener un doctorado, no es un título en sí. Todos los miembros de la lista fueron, pues, alumnos de Arnold Sommerfeld en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Múnich.

En este punto la investigación de una solución está completamente enmarcada y primada: el lector asume que la respuesta tiene que ver con la vida académica de los miembros de la lista. Y se encuentra en un callejón con todas las salidas bloqueadas por el marco.

Cambiando el marco

La pista que se proporciona intenta ser una herramienta para romper ese marco, pero no funciona porque el marco es demasiado fuerte. Es necesaria una consciencia de primero que se está enmarcado y segundo que es necesario cambiar el marco, para que sea útil.

La pista dice en alemán: La Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, es una universidad en Múnich, la capital del estado de Baviera.

La pista:

Está escrita en alemán
Nombra a Múnich 2 veces

Si un historiador no científico, liberado por tanto del marco anterior, lee esta pista, probablemente su marco sería diferente: la referencia a Sommerfeld y a Múnich constituirían un marco espaciotemporal. Efectivamente, los científicos son personas que viven en un momento histórico y los miembros de esta lista comparten un momento clave no sólo en la historia de la física, también en el destino de Europa. Y en esta encrucijada ser físico era trascendente.

La solución

Si algo aprendieron los militares en la Primera Guerra Mundial (IGM) es que la próxima guerra la ganaría el que tuviese acceso a los mejores adelantos técnicos. La introducción de los carros de combate, los gases nerviosos o la aviación hicieron la IGM una guerra diferente a cualquier otra. En los sólo 21 años que pasaron entre el final de la IGM y el comienzo de la IIGM los cambios tecnológicos fueron espectaculares: de una guerra definida por las trincheras y el inmovilismo se pasó a una donde la movilidad era todo y las Panzerdivisionen, los bombarderos pesados, los submarinos, las bombas teledirigidas, el radar, el sónar, la criptografía de alto nivel y la bomba atómica marcaron la diferencia entre ganadores y perdedores. Ganó el bando que mejor supo usar a sus técnicos y científicos.

Los años 20 del siglo XX en Múnich no fueron cualquier cosa. Es en Baviera donde surge el partido Nazi y su presencia era más que palpable en la calle (en 1923 el partido Nazi intenta un golpe de estado en Múnich, info). Los nazis alcanzarían el poder en 1933.

En este contexto, y teniendo en cuenta que el nombre de Arnold Sommerfeld aparece en la historia de la Deutsche Physik (info), podemos preguntarnos, ¿participaron alguno de estos físicos en el esfuerzo bélico nazi? Todos o emigraron o se quitaron de en medio con un tecnicismo (como en el caso de Debye) o eran de otro país. ¿Ninguno? Ninguno salvo uno: Werner Heisenberg. Si bien Max von Laue fue detenido con Heisenberg en el curso de la Operación Epsilon (info) sus biografías antes y durante la guerra fueron muy diferentes. Heisenberg fue miembro de la Uranverein (info, corresponde a la versión inglesa de la Wikipedia, la versión española tiene errores de bulto) y publicó en el Kernphysikalische Forschungsberichte (info).

La respuesta buscada por tanto era: Físicos alumnos de Sommerfeld que no participaron en el desarrollo armamentístico nazi. Intruso: Heisenberg.

Espero que hayas disfrutado.

El universo es como un gato: determinismo y teorías físicas

2012-03-09T10:24:00.000+01:00

La mecánica cuántica es realmente imponente. Pero una voz interior me dice que aún no es la buena. La teoría dice mucho, pero no nos aproxima realmente al secreto del “viejo”. Yo, en cualquier caso, estoy convencido de que Él no tira dados.

Esta es la primera ocasión en la que Albert Einstein expresa su convicción de que el universo es determinista con la conocida analogía de “Dios no juega a los dados”. Aparece en una carta a su colega y amigo Max Born fechada el 4 de diciembre de 1926.

Para muchos físicos, filósofos y religiosos la irrupción de la mecánica cuántica y su interpretación supuso una liberación de las limitaciones que la mecánica newtoniana imponía a su forma de ver el mundo. Para otros supuso un terremoto de consecuencias indeseables. Los casos más llamativos sin duda son los de los físicos que contribuyeron a crearla, como el propio Einstein (efecto fotoeléctrico, paradoja Einstein-Podolsky-Rosen) o Erwin Schrödinger (ecuación de onda), pero que no podían compartir las implicaciones no deterministas de esta teoría.

El determinismo está íntimamente relacionado no sólo con cómo funciona el universo en sí, sino que tiene implicaciones prácticas muy inmediatas: si todo está determinado, ¿qué responsabilidad moral tengo? Quizás por ello, muchos filósofos y religiosos abrazaron entusiasmados la propuesta de que en la raíz misma de todo lo que existe reina la indeterminación. Con el principio de indeterminación tanto unos como otros recuperaban el terreno perdido por el libre albedrío a manos de la teoría newtoniana y encontraban huecos para la moral, el alma y algunos dioses.

Y, sin embargo, un pequeño análisis muestra que todos aquellos que piensan que la mecánica cuántica abre las puertas al libre albedrío o que la física newtoniana es absolutamente determinista, se equivocan completamente. Invitamos al inteligente lector a explorar con nosotros la esencia del universo y los límites de nuestro conocimiento sobre ella a la luz de las distintos modelos físicos. Exigirá un pequeño esfuerzo, pero será gratificante o, al menos, eso pensamos.

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Yo soy yo y mi microbioma

2012-03-07T13:30:00.000+01:00

Decía Ortega y Gasset en Meditaciones del Quijote: “Yo soy yo y mi circunstancia y si no la salvo a ella no me salvo yo”. Si hiciésemos una encuesta sobre qué es lo que define tu individualidad desde el punto de vista biológico una respuesta probablemente mayoritaria entre las personas cultas podría ser “mi genoma y su expresión regulada por el ambiente” y estaríamos en los términos expresados por Ortega en otro contexto. Pero ¿realmente la información genética que me define está sólo en mi genoma humano? Puede que esta visión sea demasiado simplista.

Un cuerpo humano realmente es un ecosistema en el que los microorganismos sobrepasan en número a las células humanas por un factor al menos de 10 a 1. Desde el punto de vista genético los números son aún más abrumadores: se estima que por cada gen humano hay 100 microbianos asociados a nuestro cuerpo. Cuando se consideran en conjunto todos estos microorganismos, se les conoce como el microbioma humano. Yo, por tanto, soy yo y mi microbioma.

En los últimos años muchos avances en la investigación, especialmente la metagenómica, están permitiendo aumentar nuestro conocimiento del microbioma. El objetivo último de mucha de esta investigación es descubrir cómo se relacionan las alteraciones en éste con enfermedades tan dispares como por ejemplo el asma y la obesidad, e incluso con la ansiedad, la depresión y el autismo. Estos hallazgos pueden tener implicaciones que trascienden las puramente biológicas o médicas; habrá quien las llame filosóficas, e incluyen consideraciones éticas pues afectan a lo que concebimos como “ser humano” y “persona” y a sus derechos.

Übermenschen

Si somos “información hereditaria + ambiente”, nuestra idea intuitiva es colocar al microbioma claramente en el segundo sumando. Sin embargo, una premisa fundamental de muchos investigadores del microbioma es que el genoma humano coevolucionó con los genomas de un número incontable de especies. Si el microbioma, a nivel de especie, coevolucionó con el genoma humano y, a nivel individual, es un componente único y permanente de la identidad biológica, entonces el microbioma debería ser considerado más como una parte de la “información hereditaria” que del “ambiente”.

Hay personas e instituciones que claman contra la manipulación genética de los seres humanos, esto es, contra la introducción de modificaciones en la información hereditaria que pudiesen ser pasadas a la descendencia, para las que la salvaguarda de una definición de hombre propia de la institución es la prioridad. A título de ejemplo puede verse el apartado III de la explicación que de la instrucción Dignitas personae de la Congregación para la doctrina de la fe vaticana hace la Conferencia Episcopal Española , en el que se habla del patrimonio genético, y se condenan aquellas prácticas que creen “un nuevo tipo de hombre”:

En cuanto a la terapia génica, la Instrucción considera lícitas la intervención sobre células somáticas. No así en las células germinales en cuanto pueden variar el código genético de los descendientes arbitrariamente (n. 26). Respecto de la mención a las “finalidades aplicativas distintas del objetivo terapéutico” (n. 27), se refiere al uso de esta ingeniería genética para mejorar la raza o algunas cualidades somáticas como podría ser el tamaño del cerebro, la memoria, etc., que considera inmoral por ser “el intento de crear un nuevo tipo de hombre”.

Pero hay algo que no han considerado: ¿qué ocurre si realizamos cambios permanentes en el microbioma de recién nacidos o niños pequeños?¿Y si esos cambios pueden transmitirse a la descendencia?

Alteramos nuestra mezcla de genomas microbianos continuamente, ya sea por nuestra exposición a entornos diferentes o por cambios en nuestra dieta y, de forma significativa, cada vez que tomamos antibióticos. No se sabe en la actualidad hasta qué punto son permanentes estos cambios en el microbioma. No hay duda de que muchos cambios son temporales, tras los que el microbioma retorna a un estado bastante estable. Sin embargo, no está claro hasta qué punto el microbioma es estable a lo largo de la vida de una persona. Cada vez parece haber más consenso en que existe un momento crítico en los primeros años de vida en el que el microbioma se desarrolla inicialmente y gana un cierto grado de estabilidad.

Los recién nacidos salen del entorno estéril del útero y son inmediatamente colonizados por los microbios del entorno del bebé, empezando por los que pueblan el canal del parto o, en el caso de nacimiento por cesárea, la piel de la madre, lo que constituyen dos poblaciones microbianas muy diferentes. Sería, por tanto posible que, comenzando por la forma de nacimiento, la exposición o no en la primera infancia a ciertas comunidades microbianas pudiese ser importante para la salud futura. El desarrollo de asma, alergias y afecciones respiratorias en general podrían estar relacionadas con las condiciones de higiene en la infancia y, significativamente, con el abuso de antibióticos.

Si se confirmase que el microbioma adulto es relativamente estable, las manipulaciones microbiómicas durante la primera infancia podrían usarse para diseñar cambios permanentes que acompañarán al niño durante su vida. Existiría por tanto la posibilidad de que el microbioma del niño fuese “programable” para una salud óptima u otros rasgos que podrían interpretarse como “un nuevo tipo de hombre”.

Gran Hermano

Pero la estabilidad en el tiempo del microbioma individual también tiene otros usos. Por ejemplo, como el ADN humano es un identificador biunívoco de una persona, es decir, una persona sólo tiene un ADN y viceversa, existen muchas salvaguardas para asegurarse de que los datos genéticos son confidenciales. Imagínate que eres una compañía de seguros y que tienes acceso a los datos genéticos de tus clientes, podrías diseñar tus tarifas en función de los riesgos promediados de contraer ciertas enfermedades que se pueden deducir de esa información (como ejemplo de este tipo de datos, el libro A Life Decoded, de Craig Venter). Estos datos genéticos podrían obtenerse fraudulentamente de los recogidos en investigación médica o clínica. Un acceso incluso más fácil lo tendrían las fuerzas de seguridad. Con todo es complejo tener acceso. Pero, si como algunos estudios han sugerido ya, el microbioma individual también es un identificador biunívoco, muchas de estas dificultades simplemente se evaporan si no existe una legislación ad hoc.

Si el ADN parece el ideal para un cuerpo policial, el microbioma es, además, el sueño de un espía. Efectivamente, el ADN microbiómico podría contener mucha más información que el ADN humano acerca de la persona de interés. Así podríamos encontrar datos en su firma microbiómica sobre su país de origen o la presencia en un determinado lugar (si se detectan microbios característicos del suelo o el agua, por ejemplo) [los datos podrían cruzarse con un análisis isotópico, pero esto ya es otro tema]. Démonos cuenta del agujero legal por el que empresas y compañías podrían obtener fácilmente información muy sensible sobre nosotros.

De momento, buena parte de lo que antecede es hipotético. Solamente tenemos indicios de que ello podría ser así, de que el microbioma es estable e individual. Pero si estos primeros indicios se confirman tenemos consecuencias éticas que prever y reflexiones que hacer sobre la exposición de los niños a antibióticos y probióticos.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XI Edición del Carnaval de Biología que organiza Ciencia y alguna otra cosa

Referencias:

Hawkins, AK & O’Doherty, KC “Who owns your poop?": insights regarding the intersection of human microbiome research and the ELSI aspects of biobanking and related studies BMC Medical Genomics 2011, 4:72

Lingüística de conjuntos

2012-03-06T12:33:00.002+01:00

No todas las lenguas describen el mundo con igual precisión. Tomemos un ejemplo con el que todos los hispanohablantes que hemos estudiado alguna vez una lengua extranjera nos hemos topado y que es una pesadilla para los que intentan aprender español: el verbo “ser”. Para muchos no hispanohablantes las frases “Mónica está guapa” y “Mónica es guapa” son indiscernibles: sólo a través del contexto podrían distinguir una de otra.

Esta dificultad del español como segunda lengua es la misma que muchas personas experimentan cuando se enfrentan a las matemáticas. La riqueza expresiva de su lenguaje, la precisión en los términos y los distintos matices importantes de significado que es capaz de introducir se convierten en una auténtica barrera de entrada. Estamos convencidos de que un correcto aprendizaje de este lenguaje y un énfasis en su riqueza semántica facilitaría muchísimo la comprensión de las ideas matemáticas.

Y vamos a comprobar que no es nada difícil, de hecho es muy parecido a una gramática natural, riguroso pero muy intuitivo. Precisamente nos aproximaremos a él desde un punto de vista lingüístico. Y veremos que, a poco que nos pongamos a analizar, llegamos a un concepto fundamental (fundacional) de las matemáticas, el de conjunto, con una enorme fuerza expresiva y del que describiremos sus aplicaciones. Finalmente iremos más allá de las matemáticas, para encontrarnos de nuevo en un terreno familiar. Pero no llegaremos hasta donde lo hicieron algunos pedagogos a principios de los años 70, cuando la “nueva matemática” hizo que los niños supiesen teoría de conjuntos pero tuviesen dificultades para dividir por dos cifras.

De la misma manera que el español introduce la distinción “ser/estar” para lo que en inglés, por ejemplo, es “to be”, podríamos crear una lengua artificial en la que el “ser” español podría separarse en tres verbos con matices diferentes. Comprobémoslo con estos tres pares de frases:

Puedes continuar leyendo en la página 24 del Número 3 de Journal of Feelsynapsis (revista gratuita de divulgación científica; puedes leer online, decargarla para tu smartphone, o descargar un PDF de alta calidad).

Químicos Modernos: Alexánder Butlerov, eclipsado por su genio.

2012-03-05T13:00:00.003+01:00

¿Puede una idea científica ser tan brillante que llegue a ocultar a su autor? ¿Tan esclarecedora que pase de forma prácticamente instantánea a los libros de texto como cosa sabida y que, por lo tanto, su creador no merezca ni siquiera una mención? Parece casi inconcebible que pueda ocurrir, pero ocurrió.

Estamos en septiembre de 1861 en Speyer (actual Alemania), en el Congreso de Médicos y Naturalistas Alemanes. Un profesor de una pequeña universidad rusa, Kazán, tiene anunciada una conferencia titulada “Sobre la estructura química de la materia”; un nombre muy rimbombante para un don nadie venido de la mitad de ninguna parte. Hoy día nadie recuerda nada de ese congreso salvo esa conferencia en la que se dijo por primera vez que “la naturaleza química de una molécula está determinada no sólo por el número y tipo de átomos sino también por su disposición. El estudio químico de las sustancias debe llevar a conocer su estructura y viceversa, el conocimiento de su estructura debe llevar a predecir sus propiedades”. La teoría estructural nacía de la mano de Alexánder Mijáilovich Butlerov.

Isobutano

Pero Butlerov no se quedó en la teoría. Predijo y demostró experimentalmente la existencia de isómeros, en concreto de dos butanos y tres pentanos. En 1866 sintetizaría el isobutano. En 1868 demostraría que en los compuestos orgánicos insaturados los carbonos se unen entre sí con enlaces dobles.

Estos resultados espectaculares hicieron que el catedrático de química inorgánica de la Universidad de San Petersburgo, Dimitri Ivánovich Mendeleev, propusiera para el puesto de catedrático de química orgánica a Butlerov, que ocuparía en 1868 y hasta su jubilación en 1885, un año antes de su muerte. En ese mismo año de 1868 se completaría la edición en alemán de su “Introducción al estudio completo de la química orgánica”, libro que había aparecido en ruso sólo dos años antes y que puede ser considerado el primer texto moderno de química orgánica.

Butlerov formó parte de una incipiente escuela química orgánica rusa iniciada por sus profesores en la Universidad de Kazán, Klaus y Zinin, y que continuaron sus alumnos Markovnikov, Zeytsev y Popov. Los estudios que inició Butlerov sobre la polimerización los culminaría en 1910 Serguéi Vasiliévich Lebedev con el primer método de producción de caucho sintético (polibutadieno).

Butlerov nació en Chístopol (Rusia) en 1828. Cursó estudios de zoología y botánica en la Universidad de Kazán, pero su talento para la química fue detectado por Karl Karlóvich Klaus y potenciado por Nicolái Nikolaévich Zinin. En 1849 se gradúa y en 1851 presenta su primera disertación (lo que hoy llamaríamos tesis de máster) titulada “Sobre la oxidación de los compuestos orgánicos”. En 1854 presenta su tesis doctoral dirigida por Zinin en la Universidad de Moscú, “Aceites esenciales”, pasando a ser profesor extraordinario de la Universidad de Kazán. En 1857, se convierte en profesor ordinario y consigue una beca para viajar al extranjero durante un año, que repartiría entre el laboratorio de Kekulé en Heidelberg y el de Wurz en París.

Este año de exposición a la vanguardia de la química le hace ver la importancia de la teoría y la construcción de modelos. En este período, en anticipación a lo que después sería su charla en Speyer, Butlerov tiene una intuición fundamental. Pasteur había estudiado la actividad óptica del ácido racémico en el año 1847, con resultados espectaculares. Sin embargo, en una época en la que todas las moléculas se entendían lineales, no existía una explicación de cómo ocurría este fenómeno a nivel molecular. Butlerov apuntó que la explicación podía estar en la tridimensionalidad de los enlaces del carbono, que formarían un tetraedro, lo que daría lugar a la posibilidad de imágenes especulares de las moléculas, explicación que, como sabemos hoy día, es la correcta.

Las aportaciones de Butlerov fueron tan revolucionarias y, a la vez, con una capacidad de explicación de los fenómenos observados tan grande, que esta misma grandeza le eclipsó en vida y después de muerto. Hoy día su nombre sigue sin aparecer en muchas historias de la química occidentales.

Esta entrada es una aportación de Experientia docet a la XIII Edición del Carnaval de Química que acoge Curiosidades de un químico soñador

Las facetas del problema de la consciencia

2012-03-02T12:50:00.001+01:00

Si algo parece caracterizar al ser humano y distinguirlo del resto de animales es la consciencia de sí mismo. A lo largo de los siglos la consciencia de nosotros mismos ha definido nuestras vidas y, a pesar de ello, la naturaleza cualitativa, privada y subjetiva de esa experiencia se resistía a ser tratada por el método científico. De hecho, la consciencia permaneció durante buena parte de la existencia del ser humano sobre la Tierra como territorio vedado para teólogos, charlatanes y filósofos, que atribuyeron su origen a la existencia de distintos tipos de almas y la correspondiente variedad de divinidades, sin que, obviamente, hubiese ninguna prueba de sus afirmaciones más haya de la propia existencia de la consciencia.

Sólo en el último tercio del siglo XX se ha abordado el estudio de la consciencia desde un punto de vista realmente científico. Estamos ante la consciencia estudiándose a sí misma, enfrentándose a lo que se llama el “problema difícil”: por qué y cómo los procesos físicos o fisiológicos dan lugar a la consciencia.

Cuando se aborda una discusión sobre la consciencia como un todo, rápidamente se llega a un estado caótico debido a la cantidad de perspectivas y matices que intervienen y a lo genérico de la cuestión. Y es que el problema de la consciencia es más que encontrar la base neurológica, qué regiones del encéfalo son críticas para que exista consciencia. Esbozamos a continuación todas las facetas del problema, aquellas cuestiones previas que hay que responder antes de que podamos decir que comprendemos realmente el origen de la consciencia.

· Base neurológica

Esta es la gran cuestión a la que muchos terminan reduciendo el problema. Nos hemos acostumbrado a escuchar que si tal región del encéfalo se encarga de la visión, que si tal otra se ocupa de la memoria y aquella otra del lenguaje, que se nos olvida que ningún área del encéfalo se ocupa exclusivamente de nada y que el encéfalo tiene mecanismos de compensación, dentro de un orden, para el caso de que alguno de los especialistas falle. Por tanto el planteamiento de la cuestión no es, ni puede ser, en qué parte del encéfalo reside la consciencia sino ¿cuál o cuáles son las regiones del encéfalo críticas para la existencia de la consciencia? En términos matemáticos diríamos aquellas cuya intervención es necesaria aunque no sea suficiente.

Hoy día se considera que existen dos áreas encefálicas implicadas, algunas redes neuronales concretas del córtex y el tálamo. Unas serían importantes para determinar el nivel de consciencia (para entendernos, la diferencia entre despertarse y dormir sin soñar) mientras que otras darían forma al contenido consciente, esto es, a las características cualitativas de una experiencia dada. En todo caso la investigación ha establecido mayormente correlaciones, por lo tanto aún no hay causalidades establecidas con firmeza.

En la actualidad buena parte de la investigación en este campo se centra en la participación de los lóbulos frontales y sobre todo en la importancia del flujo de información entre regiones más que en la actividad per se.

· Mecanismos de la anestesia

Una de las formas evidentes de estudiar un fenómeno es ver qué pasa cuando hacemos que desaparezca o, visto de otra manera, qué hemos de hacer para que desaparezca de forma controlada. Esto es lo que logra la anestesia: una pérdida controlada de la consciencia.

Cada vez hay más datos que apuntan a que la anestesia actúa desintegrando (rompiendo la integración) del funcionamiento de las distintas regiones encefálicas, es decir, más interrumpiendo comunicaciones que apagando áreas. Un punto crítico es comprender hasta qué punto la inconsciencia generada por la anestesia es similar a otros estados de inconsciencia, como el sueño o el coma.

· El Yo

Todas nuestras experiencias parecen estar asociadas a la del Yo. Pero el fenómeno de la identidad es muy complejo: abarca una visión del mundo en primera persona, un sentimiento de propiedad de nuestro cuerpo, de nuestras acciones y pensamientos, percibir nuestro estado fisiológico interno y, por supuesto, la narración que nos contamos a nosotros mismos sobre nuestras experiencias pasadas, presentes alternativos y futuros imaginados.

Se sabe que estas diferentes características dependen de diferentes mecanismos encefálicos y que pueden ser manipuladas experimentalmente; así, por ejemplo, se pueden inducir experiencias de estar “fuera del cuerpo”. Cuanto más se comprenda cómo la neurobiología construye el Yo, mejor entenderemos y podremos tratar las enfermedades psiquiátricas que implican una destrucción total o parcial del Yo, como la esquizofrenia.

· Volición y libre albedrío

Si bien la discusión sobre la existencia del libre albedrío tienen muchos flecos filosóficos, de lo que no hay duda es que todos experimentamos que somos la causa de nuestras acciones y el origen de nuestras intenciones. Desde hace unos treinta años que empezó a estudiarse neurocientíficamente este asunto, en concreto las ideas de volición (querer hacer algo) y agencia (ser el causante de algo), los datos se han ido acumulando hasta el punto de que el consenso general rechaza que la volición cause acciones explícitamente; más bien implica una red neuronal concreta que media en las decisiones abiertas y complejas entre diferentes acciones.

· Función de la consciencia

Hoy sabemos que muchas funciones cognitivas no necesitan de la consciencia. Podemos percibir objetos, tomar decisiones, e incluso realizar acciones aparentemente voluntarias sin que la consciencia intervenga. Una posibilidad es que la consciencia simplemente integre información. Si esto fuese así, cada una de nuestras experiencias descarta una cantidad enorme de posibilidades alternativas y, al hacerlo, paradójicamente, genera una cantidad de información increíblemente grande.

· Narración de la experiencia consciente

La inmensa mayoría de los datos sobre la consciencia dependen de informaciones subjetivas, por ejemplo cuando decimos que vemos (conscientemente). Un debate permanente en los estudios sobre la consciencia es si nos estamos perdiendo algo por este método, en otras palabras, si lo que experimentamos desborda nuestra capacidad para relatarlo. Las pruebas indican que esto podría ser así. Estas pruebas podrían ayudar a hacer una distinción muy importante pero, a la vez, muy sutil entre los mecanismos cerebrales de la consciencia misma y los mecanismos implicados en la capacidad para relatar lo que experimentamos de forma consciente.

· Consciencia en otro animales

Los mamíferos compartimos mucha de la base neurológica que en principio es importante para la consciencia humana, por lo que parece razonable pensar que los animales también podrían ser conscientes en distintos grados, aunque no nos lo puedan decir. A pesar de esta similaridad, es poco probable que la consciencia animal implique un Yo en el mismo sentido que la humana. Fuera de los mamíferos es mucho más difícil opinar. Sin embargo, los pájaros y los cefalópodos son buenos candidatos a tener alguna forma de consciencia: son increíblemente inteligentes y tienen cerebros sorprendentemente complejos.

· Estado vegetativo

Las personas que han sufrido daño cerebral severo entran en un estado que sugiere que están despiertos pero que no son conscientes. En algunos casos muy concretos los escánares cerebrales habrían indicado que estos pacientes podrían estar conscientes. Una mejor comprensión de las bases de la consciencia podría mejorar estos métodos no sólo para el diagnóstico y el tratamiento, también para comprender mejor el propio estado consciente.

Allan Jones: Un mapa del encéfalo

2012-02-27T09:35:00.000+01:00

Allan Jones es el director general del Allen Institute of Brain Science. En esta charla, de unos 15 minutos y subtitulada en español, nos presenta el trabajo que está haciendo el instituto para poner online una herramienta gratuita que permita a los investigadores acceder a un atlas interactivo del cerebro. Pero no es un atlas normal, es un atlas que muestra qué genes se activan en cada micro-región del cerebro y cómo todo está conectado. Analizan los 25.000 genes del genoma de cada cerebro que consiguen: ¡impresionante!

Independientemente de todo lo anterior el vídeo es espectacular en lo visual. Sólo por esto ya merecería la pena verlo. Que lo disfrutéis.

[Advertencia: en los primeros 2 minutos aparece en pantalla un cerebro real fresco, es decir, con la vascularización correspondiente...con sangre, vamos. Después no vuelve a aparecer nada parecido.]