¿La Vida? Algo que no sabemos explicar pero, lo intentamos. Como dice Kauffman: “la vida cristaliza a partir de un nivel crítico de diversidad molecular, debido a que…”. A mí me gusta decir decir, que la vida es,  ¡el estado más evolucionado de la materia! Algo tan sorprendente y complejo que no hemos podido -todavía- explicar.

Aquí surgió la vida que conocemos. El planeta y su entorno, tenían todos los ingredientes necesarios para que, tal maravilla, pudiera surgir a un Universo que, siendo tan inmensamente grande y estar lleno de asombrosos objetos y sucesos, ninguno de ellos, se podría comparar con este que llamamos vida y que, asciende desde la materia “inerte” hasta los pensamientos.

Sean cuales sean los orígenes de la vida, las teorías que incluyen redes, conexiones y criticalidad auto organizada proporcionan unas ideas nuevas y poderosas sobre el modo en que funciona la vida una vez que ha surgido. Claro que, el origen de la vida ha hecho que muchas mentes despiertas y dotadas de un profundo entendimiento, emitan teorías que, aunque no todas puedan ser reflejo de lo que la vida es, hay que admitir que cada una de ellas, al menos nos indica un posible camino por el que la vida pudo surgir.

Dichas teorías o especulaciones en algunos casos, han ofrecido un ejemplo sorprendente de la medida en que la complejidad de los seres vivos (sin duda, lo más complejo que existe en el universo) podría estar basada en una profunda sencillez, cuyo secreto, está escondido en la materia.

Son muchos los misterios que a todos los niveles subyacen en lo que conocemos como vida, por ejemplo, en el funcionar de las células, al nivel de los genes que aportan las instrucciones que gobiernan lo que a veces se llama de una manera imprecisa la maquinaria de la célula. Estas instrucciones se encuentran en última instancia codificadas en el ADN, las grandes moléculas de las que están constituidos los genes; pero tanto la maquinaria como la estructura del cuerpo están hechas de proteínas. Elementos tales como el pelo y las uñas de los dedos, así como los músculos, son tipos de proteínas y también lo son sustancias como la hemoglobina, que transporta el oxígeno en la sangre, y las enzimas, que son los catalizadores biológicos esenciales que favorecen las reacciones químicas importantes para la vida.

Las propias proteínas son grandes moléculas formadas por subunidades llamadas aminoácidos, y esta es la razón por la que resulta tan intrigante el descubrimiento de que los aminoácidos existen en el tipo de nubes interestelares a partir de las cuales se forman las estrellas como el Sol y los planetas como la Tierra y todos los que vemos en nuestro Sistema solar.

El código genético que está en el ADN contiene instrucciones para fabricar proteínas y, luego, estas proteínas realizan las tareas de que se compone la vida. Pero, en este proceso hay otro paso que resulta sorprendente. Cuando un gen se activa (cómo y por qué sucede esto va más allá de los objetivos de esta explicación), la información que interesa en ese momento se copia primero en una molécula muy similar llamada ARN. Posteriormente, la maquinaria de la célula lee el ARN y actúa según sus instrucciones para fabricar la proteína adecuada.

Este proceso de dos pasos probablemente nos esté diciendo algo sobre el modo en que se originó la vida, y existe alguna posibilidad de que el ARN se “inventara” antes que el ADN. En la situación que describe Kauffman,  la “cristalización” de la vida tiene lugar en el nivel de las proteínas, en una sopa química rica en aminoácidos, donde surgieron las primeras redes autocatalíticas de la vida; en este modelo encaja fácilmente la posibilidad de que el ARN participara en una fase temprana y que, posteriormente, las presiones evolutivas asociadas con la competencia entre las distintas redes autocatalíticas pudieran haber conducido al sistema a la situación que vemos en la actualidad.

Los puntos relevantes que aconsejan estos pensamientos en la investigación desarrollada sobre el modo en que funcionan las células son, por un lado, el hecho de que los genes actúan para controlar la maquinaria celular y, por otro (siendo éste el aspecto crucial) que los genes pueden afectarse mutuamente, cuando un gen activa o desactiva a otro.

Cuando fueron desarrollados estos trabajos de investigación se pensaba que había unos cien mil genes diferentes en el ADN humano –es decir, en el genoma humano-. Desde entonces, el proyecto del genoma humano ha demostrado que tal estimación era excesiva, y que sólo hay alrededor de un tercio de dicho número de genes para especificar lo que debe ser una criatura humana.

A todo esto, no tenemos más remedio que admitir que la evolución es un hecho, al igual que lo es la forma elíptica de la órbita que describe un planeta alrededor del Sol. Tanto en el registro fósil como en los diversos estudios realizados sobre la vida actual en la Tierra, se puede encontrar un número considerable de pruebas relativas al modo en que actúa la evolución, transformando una especie en otra. La teoría de la selección natural, a la que llegaron de manera independiente Charles Darwin y Alfred Russell Wallace en la segunda mitad del siglo XIX, es un modelo que ofrece una explicación  de por qué se produce la evolución, del mismo modo que la teoría de la gravedad, desarrollada por Newton durante la segunda mitad del siglo XVII, es un modelo que explica porque los planetas describen órbitas elípticas. Ni la teoría, ni el modelo, constituyen la última palabra sobre la cuestión que abordan. De hecho, la teoría de Newton fue mejorada por la de Einstein a principios del siglo XX, que descubrió un modelo más completo para explicar cómo actúa la Gravedad –la teoría general de la relatividad- y, de la misma manera, en el ámbito de los estudios sobre la vida, vendrán otras nuevas maneras y formas de ver y enfocar los problemas que nos lleven a un entendimiento más amplia y fidedigno de cómo la vida se puedo abrir camino partiendo de la “materia inerte” hasta las pensamientos.

La hipotesis de la reina roja es una hipótesis de la teoria evolutiva que toma su nombre de un relato de Lewis Carroll, donde Alicia entra en un mundo donde por más que se mueva parece que no avance en absoluto debido a que el mundo a su alrededor -a su vez- tambien se mueve. Se trata en realidad de un libro escrito por Matt Ridley en 1993 donde el autor publica sus ideas respecto a ciertas cuestiones relacionadas con la coevolucion de algunas especies y la influencia del sexo es la evolución.

Claro que, la Vida, tiene una regla esencial que, de no cumplirse, esa clase de vida está abocada a su desaparición, es decir, los individuos que sobreviven son aquellos que mejor se adaptan al medio-ambiente, es lo que se conoce como “la supervivencia del más apto”.

En alguna ocasión os he hablado aquí (en relación a la biología evolutiva) a eso que se conoce como “el efecto de la Reina Roja”, según el personaje que aparece en Alicia en el País de las maravillas, de Lewis Carroll, que debe correr tan rápido como pueda, con el fin de permanecer en el mismo lugar.

El final de toda la historia desemboca, aparentemente, en un proceso de coevolución, en el que todas las especies implicadas en una red sufren cambios cuando una de ellas cambia, impulsará de forma natural los ecosistemas complejos desde los extremos hacia la interesante zona de la criticalidad autoorganizada, en la transición de las fases que se producen al borde del caos. Si un grupo de organismos está bloqueado en una estrategia estable, es probable que una mutación que afecte a una de las especies desbloquee la red, permitiendo su evolución.

La evolución por selección natural garantizará que un cambio perjudicial para las especies implicadas vaya desapareciendo a lo largo de varias generaciones; pero todo cambio beneficioso se propagará, y al hacerlo, desbloqueará otras redes, impulsando el sistema hacia el borde del caos. En el otro lado de la transición de las fases, en el régimen caótico, sucederá lo mismo, pero a la inversa. Dado que las reglas del juego de la vida cambian con cada generación, cualquier grupo de individuos que consiga hasta cierto punto aislarse del caos, reduciendo el número de sus conexiones con el mundo exterior, tendrá una oportunidad de evolucionar por selección natural, hasta llegar a un estado que se beneficia de las oportunidades que hayan podido surgir.

Hemos podido ver cómo, las interacciones entre especies, lo pueden cambiar todo y, casi siempre, desemboca en la supremacía de una que, generalmente, produce la extinción de la otra. Siendo eso así (que lo es) –aunque no en todos los casos-), tendremos que tener sumo cuidado cuando llegado el momento, podamos contactar por primera vez con seres de otros mundos que, no sabemos de qué propiedades podrán estar dotados física y mentalmente y, si sus morfologías y organismos son compatibles con los nuestros y con nuestro propio entorno.

Cuando tratamos de cuestiones que afectan a la vida, todo se nos vuelve complejo e ininteligible, es una de las disciplinas que no hemos podido llegar a dominar bien, dado que, como decía por ahí arriba, estamos tratando con lo más complejo que en el universo habita ¡La Vida!.

Claro que, aunque nuestro entorno sea el ideal no podemos dejar que todo transcurra sin  que nosotros, estemos pendientes de los comportamientos y, de no vigilar nuestro propio cuidado, las cosas podrían terminar de manera muy desagradable. De hecho, más de uno se ve abocado a su desaparición precisamente por no prestar atención a su propia vida que, siendo tan valiosa, se la deja escapar por unos placeres mal entendidos. La moderación es la madre de la razón.

Pero, como tántas veces hemos dicho aquí, la vida debe pulular por todas partes. De hecho científicos del Instituto de tecnología de Georgia en los Estados Unidos, descubren bacterias en la atmósfera de la Tierra por miles de millones. Como si de una burbuja que envolviera la Tierra se tratara, a una distancia de 9 kilómetros sobre la Tierra se han descubierto células de bacterias y hongos en un hostil lugar para la vida.  El frío, la luz ultravioleta y la sequedad no hacen de este punto un lugar propicio para la vida, pero los científicos han detectado un 20% de células de bacterias y hongos entre lo que en un principio se creía que solo era polvo.

Han descubierto bacterias mutantes en la Estación Espacial Internacional y los científicos temen por la propia seguridad de la Estación y también, de los que la ocupan. Según se ha publicado “Para ellas, ni siquiera las durísimas condiciones del espacio exterior son un obstáculo insalvable. De hecho, sobreviven incluso a las gélidas temperaturas que hay más allá de la atmósfera terrestre. Y lo hacen sin agua, sin nutrientes y sin nada que las proteja de la intensa y letal radiación del Sol y las estrellas. Las bacterias llevan viviendo dentro y fuera de la Estación Espacial Internacional desde que ésta empezara a ensamblarese, a finales de 1998. Y ahora se están convirtiendo en un problema serio, tanto para su estructura como para la integridad física de sus ocupantes.”

emilio silvera

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Alan Harvey Guth

Está claro que el título de este trabajo está dirigido al hecho de que, cuando no sabemos el por qué de alguna cosa, nuestra imaginación le busca la respuesta que, unas veces será la adecuada y otras tantas  no. Con el tiempo, esa verdad que buscamos se descubre y entonces, aquella primera “verdad” queda relegada para siempre.

Pero donde hay un enigna existe también la perspectiva de un descubrimiento: una paradoja puede revelar un modo inadecuado de abordar un  problema. creo que fue eso lo que quiso decir Bohr cuando exclamó: “Es magnifico que hayamos dado con una paradoja. Ahora tenemos alguna esperanza de hacer algún progreso.” Y fue con este espíritu como se resolvió el enigma sobre el caracter plano del universo, mediante la invención de una nueva hipótesis cosmológica, la del universo inflacionario.

La hipótesis de la inflación fue propuesta por primera vez por un joven físico norteamercano llamado Alan Guth. Se enteró del problema del universo plano una tarde de novimebre de 1978 en Cornell, por una charla de Robert Dicke (personaje que os puse aquí hace unos días), un competente relativista de Princeton cuyas ideas sobre la radiación cósmica de fondo recordaban las de Gamow.

Con preparación de físico, Guth por aquel entonces sabía poco de cosmología y, siendo joven rechazaba el conservadurismo sobre las ideas reinantes en relación a la evolución primitiva del universo. Las consideraba demasiado especulativas. La observación de Dicke sobre la rareza de que Omega (Ω) fuese igual a 1 le  pareció ”  sorprendente, pero en aquel momento no sabía que hacer con ella.

Pero por aquellos tiempos, la comunidad de la Física estaba empezando un gran idilio con la de la Cosmología, y Guth pronto se encontró trabajando en la cuestión de cómo pueden haberse formado los monopolos magnéticos en el universo primitivo. Guth halló dascinante los monopolos. Concebidos por la austera imaginación de Dirac en 1931, se suponía que eran partículas masivas con una carga magnética unipolar.

En los años treinta del pasado siglo Paul Dirac realizó unos cálculos teóricos que indicaban que si existieran los monopolos magnéticos, entonces se podría cuantizar fácilmente la carga del electrón. Bastaría que existiera un sólo monopolo magnético en el Universo para que los electrones tuvieran la carga que tienen y no otra.

La imagen de arriba vino acompañada de la noticia siguiente: “Afirman haber podido detectar por primera vez monopolos magnéticos como un estado de la materia que se daría a partir de una disposición especial de los momentos magnéticos dentro de un cristal a baja temperatura.”

En  Francis (th)E mule Science’s News  he podido obtener esta imagen de arriba que nos daba la noticia de que “Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines”.  Sigue diciendo: “Cuatro artículos, dos publicados en Science y dos preprint en ArXiv, confirman la observación directa de monopolos magnéticos como cuasipartículas en diferentes cristales de hielo de espines. Estos monopolos magnéticos fueron observados de forma indirecta en 2007 por Castelnovo et al. (publicado en Nature). Morris et al. y Fennell et al. los han logrado observar de forma directa, publicando sendos artículos que aparecerán en Science. Morris et al. han observado directamente mediante neutrones cadenas de monopolos, como cuentas de un collar, que se denominan cuerdas de Dirac (Dirac strings).”

Las grandes teorías unificadas conjeturaban que se habían creado en nudos de espacio-tiempo, por la misma ruptura de la simetría que escindió las fuerzas nucleares electrodébiles y fuertes. Anacrónicamente, cada monopolo contendría atrapados bosones W y Z, así como también una diminuta región en su centro donde aún funcionaba la fuerza electronuclear unificada.

En realidad, cohabitamos una naturaleza llena de fenómenos enigmáticos. Uno de estos fenómenos es la asimetría insólita que se observaba entre el magnetismo y la electricidad: no hay cargas magnéticas comparables a las cargas eléctricas. Nuestro mundo está lleno de partículas cargadas eléctricamente, como los electrones o los protones, pero nadie ha detectado jamás una carga magnética aislada. El objeto hipotético que la poseería se denomina monopolo magnético.

Montaje experimental. Foto: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.

El grupo de investigadores dispuso un montaje experimental especial para poder detectar estas cuerdas de Dirac. Hicieron que un chorro de neutrones impactara sobre una muestra a la que aplicaban un campo magnético. En el interior de la muestra se formaban cuerdas de Dirac que dispersaban los neutrones con un patrón específico que delataba su presencia.

La muestra era un cristal de titanato de disprosio. La estructura cristalina de este compuesto tiene una geometría notable, de tal modo que los momentos magnéticos de su interior se organizan en lo que se llama un “espagueti de espines”. El nombre viene de la ordenación de los dipolos, que forman una red de tubos contorsionados (cuerdas) por los que se transporta flujo magnético.

Estos tubos pueden “hacerse visibles” cuando los neutrones interaccionan con ellos; pues los neutrones, aunque no tienen carga eléctrica, sí tienen momento magnético. El patrón de dispersión de los neutrones obtenido es una representación recíproca de las cuerdas de Dirac contenidas en la muestra. Con el campo magnético aplicado los investigadores podían controlar la simetría y orientación de las cuerdas. A temperaturas de entre 0,6 a 2 grados Kelvin los investigadores pudieron ver pruebas de la existencia de monopolos magnéticos (la temperatura suele ser la peor enemiga del magnetismo, pues tiene a desordenarlo todo) en forma de este tipo de cuerdas según se acaba de describir.

Además pudieron ver la firma que en la capacidad calorífica dejada el gas de monopolos, viendo que estas cuerdas interaccionan de manera similar a como lo hacen las cargas eléctricas, lo que era de prever para el caso de monopolos magnéticos. En este resultado los monopolos no son partículas, sino que emergen como un estado de la materia, en concreto a partir de un arreglo especial de los dipolos que forman parte del material.

Para hacernos una idea de cómo sería un monopolo magnético si existiera, imaginemos una barra imantada que, como sabemos, posee en cada extremos un «un polo magnético» por el cual se atraen o se repelen. Estos polos son de dos tipos, llamados «norte» y «sur», y se comportan como las cargas eléctricas, positiva y negativa. Esa configuración del campo es un ejemplo de «campo bipolar», y sus líneas de campo no paran: giran y giran interminablemente. Si partimos por la mitad la barra imantada, no tenemos dos polos, el norte y el sur, separados, sino dos imanes. Un polo norte o sur aislado (un objeto con líneas de campo magnético que sólo salgan o que sólo entren) sería un monopolo magnético. De hecho, es imposible aislar una de estas cargas magnéticas. Nunca se ha detectado monópolos magnéticos, es decir partículas que poseyeran una sola carga magnética aislada. Puede que ello se deba a razones no aclaradas, o bien la naturaleza no creó monopolos magnéticos o creó poquísimos.

En cambio, los monopolos eléctricos (partículas que llevan carga eléctrica) son muy abundantes. Cada chispa de materia contiene un número increíble de electrones y protones que son auténticos monopolos eléctricos. Podríamos imaginar las líneas de fuerza del campo eléctrico surgiendo de una partícula cargada eléctricamente o convergiendo en ella y empezando o acabando allí. Además, la experiencia ha confirmado la ley de conservación de la carga eléctrica: la carga monopólica eléctrica total de un sistema cerrado no puede crearse ni puede destruirse. Pero en el mundo del magnetismo, no existe nada similar a los monopolos eléctricos, aunque un monopolo magnético sea fácilmente concebible.

El problema que atrajo la atención de Guth y de su colega de Cornell Henry Tye era que las grandes teorías unificadas predecían la producción de demasiados monopolos magnéticos, aproximadamente cien veces más monopolos que átomos. Considerando que la mayor parte del universo “es invisible” -la cuestión de la “materia oscura”-, los cosmólogos generalmente reciben con agrado la sugerencia de que partíoculas subatómicas masivas podrían compensar el deficit, pero esto era un exceso de riqueza. La búsqueda de monopolos había dado por aquel tiempo resultados nulos.  Se había registrado un suceso de este tipo el 14 de febrero de 1982, en un aparato construído por Blas Cabrera en un laboratorio del sotáno de Stanford, pero nunca se había vuelto a repetir.

La discrepancia entre la teoría en la que aparecían mucho monopolos magnéticos y la observación, que reveleba muy pocos, podía resolverse, hallaron Guth y Tye, si la textura del espacio-tiempo había sido más lisa de lo esperado en la época de la transición  de la gran fase unificada. Un espacio-tiempo más liso significaba menos nudos espacio-temporales, lo que daba menos monopolos, También significaba un Omega igual a 1.

En la tarde del 6 de diciembre de 1979, Guth escribió las palabras Evolución del Universo en la parte superior de una hoja en blanco que luego llenó de cálculos. Su hipótesis era que inicialmente el universo se habíoa expandido mucho más rápidamente que la tasa lineal que muestra hoy, o sea que, con palabras que usaría luego Guth había sido una “época inflacionaria”, durante la cual el universo se había expandido exponencialmente. En esto se hallaba también la solución al problema del universo plano que había planteado Dicke. Puesto que el universo habría sido mucho grande al final de un período inflacionario de lo que se consideraba en el viejo modelo de expansión lineal, el espacio sería mucho plano.

COMPRENSIÓN ESPECTACULAR, escribió el joven Guth en su cuaderno al día siguiente, dibujando un recuadro alrededor de las palabras. La hipótesis no careciam de precedentes; su recuadro revisado de las transiciones de fase había sido concebido independientemente por Katsuhito Sato en Japón y Martín Einhorn en los Estados Unidos, y el “bombeo” de la tasa de expansión hasta una tasa exponencial por un mecanismo de ruptura de simetría había sido propuesto por Demosthenes Kazanas de la NASA. No funcionó muy bien en su forma original que, tuvo que ser refinada por A. D. Linde de la Universidad de Pensylvania. Pero Guth fue el que dio la idea, y en su forma acabada, aclaraba e iluminaba el estudio del universo primitivo.

Claro que, detras de todo esto que explico de manera sencilla y sin complicaciones, sí que las hay y todo ello, está rodeado de cuestiones complejas como, pongamos por ejemplo que, el agua líquida es más simétrica que el hielo, y el paso del agua al enfriarse, del estado líquido al sólido señala una transición der fase que rompe la simetría. Si el agua líquida se enfría muy rápidamente por debajo de su punto de congelación, no se condensa en hielo inmediatamente, sino que permanece en estado líquido durante un rato. De modo análogo, en el caso del universo inflacionario, el vacío cósmico sigue vacío aún después de estar por debajo de la temperatura a la cual comienza de ordinario la producción de partículas. En realidad, es esta  suspensión la que impulsa la expansión: la energía latente es inmovilizada en lo que se llama un Campo de Higgs de valor cero, impulsando la expansión de modo que el universo vacío se hincha en una perfecta esfericidad platónica.

Potencial de doble pozo en una teoría de campos con ruptura espontánea de simetría.

Después de todo lo explicado, tendríamos que seguir con otras muchas cuestiones como, por ejemplo: Al instante siguiente a la era inflacionaria, en que empieza la era electrodébil, las temperatura superan todavía los 10¹⁵ °K, los gluones débiles y electromagnéticos interactúan simétricamente. Al descender la temperatura por debajo de unos 10¹⁵ °K, se rompe la simetría y se hace patente la diferencia entre estas dos interacciones: los bosones débiles, W y Z, pierden su equilibrio con respecto a las otras partículas de la sopa cuántica, debido a que su masa es excesiva para que puedan ser creados, mientras que los fotones persisten porque carecen de masa y se forman fácilmente. Mientras ocurría este proceso, leptones y antileptones evolucionaron a variantes como electrones y positrones, que son sensibles al electromagnetismo, y neutrinos y antineutrinos que responden a la fuerza subatómica débil.

Con la expansión acompañada de temperaturas inferiores, las colisiones fueron mucho menos energéticas de lo que las que se estima que se dieron durante la era de la inflación cósmica, lo cual dio como resultado cada vez menos y menos masivas partículas. Las colisiones aniquiladoras entre materia y antimateria son las que con facilidad dieron origen a los fotones que son portadores de la fuerza electromagnética, que se descompusieron en parejas electrón–positrón prácticamente sin masa.

En aquellos momentos prevalecía la inestabilidad cuántica de la situación, y llegó el momento en el que la expansión disminuyó bruscamente a una tasa lineal. Cuando esto ocurre, la energía latente del vacío se condensa en forma de partículas y antipartículas. (Así se dio nueva vida al cuadro, muy ridiculizado, de la teoría del estado estable, de átomos que se condensan a partir de un vacío.) Las partículas se aniquilan mutuamente y el torrente resultante de energía unicia el big bang. Las grandes tweorías unificadas, cuya elaboración exige atención a los campos de Higgs, hasta demostraban cómo la ruptura de la simetría al final de la época inflacionaria podía haber originado un pequeño desequilibrio de la materia sobre la antimateria, dejando un residuo, una vez terminados “los fuegos artificiales”, con el cual construir el universo material.

Claro que, a todo esto, nos aparece la discrepancia entre materia observada y el movimiento de las galaxias que no tienen correlación y, es entonces cuando nos tenemos que “inventar”  sacar de nuevo de la manga, otro As, al que hemos llamado “materia oscura”.

emilio silvera

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