Esas partículas (al igual que el protón, el neutrón y el electrón), que poseen espines que pueden medirse en números mitad, se consideran según un sistema de reglas elaboradas independientemente, en 1.926, por Fermi y Dirac; por ello, se las llama y conoce como estadísticas Fermi-dirac. Las partículas que obedecen a las mismas se denominan fermiones, por lo cual el protón, el electrón y el neutrón son todos fermiones.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son bosones, como por ejemplo la partícula alfa.

Las reglas de la mecánica cuántica tienen que ser aplicadas si queremos describir estadísticamente un sistema de partículas que obedece a reglas de esta teoría en vez de los de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados. La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas puede ocupar un estado cuántico dad. Dichas partículas (como dije antes) son bosones, que tienden a juntarse.

Los bosones tienen un momento angular nh/2π, donde n es 0 o un entero, y h es la constante de Planck. Para bosones idénticos, la función de ondas es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, tenemos que aplicar la estadística Fermi-Dirac y las partículas (como también antes dije) son los fermiones que tienen momento angular (n + ½)h / 2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica. La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

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Puesto que somos grandes animales, se nos puede perdonar que tengamos una visión del mundo que tiende a celebrar lo nuestro, pero la realidad es que nuestra perspectiva es errónea. Somos nosotros quienes hemos evolucionado para encajar en el mundo de los microbios, y no al revés. Que esto sea así se debe, en parte, a una cuestión histórica, pero también tiene una explicación en términos de diversidad y funcionamiento del ecosistema. Si los animales son la guinda de la evolución, las bacterias son el pastel.

Las plantas, los animales, los hongos, las algas y los protozoos son todos organismos eucariotas, genealógicamente vinculados por un modo de organización celular en el que el material genético aparece encerrado en el interior de una estructura membranosa llamada núcleo.

Las bacterias y otros procariotas son distintos: sus células carecen de núcleo. Por lo que respecta a su importancia biológica, los eucariotas “parecen” jugar con ventaja; los organismos eucariotas se presentan en una gran variedad de tamaños y formas que van desde los escorpiones, los elefantes y las setas hasta los geranios, las luminarias y las amebas, o, nosotros mismos, los animales racionales que componemos la especie humana.

Los procariotas en cambio, son en su mayor parte diminutas esferas, cilindros o espirales. Algunas bacterias forman filamentos sencillos de células unidas por sus extremos, pero son muy pocas las que llegan a construir estructuras multicelulares más complejas.

El tamaño y la forma sin duda dan la ventaja a los eucariotas, pero la morfología es sólo uno de los criterios posibles para medir la importancia ecológica. El metabolismo –el modo como un organismo obtiene materia y energía- es otro criterio, y de acuerdo con este son los procariotas los que destacan por su diversidad. Los organismos eucariotas básicamente viven de algunos de los tres modos siguientes:

Algunos organismos, incluidos nosotros mismos, somos heterótrofos, es decir, obtenemos tanto el Carbono como la Energía que necesitamos para el crecimiento de ingerir moléculas orgánicas producidas por otros organismos. Para obtener energía, nuestras células utilizan oxígeno para descomponer azúcares en dióxido de carbono y agua mediante el proceso denominado respiración aeróbica (es decir, que utiliza oxígeno). En caso de necesidad, podemos conseguir un poco de energía por medio de un segundo tipo de metabolismo llamado fermentación, un proceso anaeróbico (sin oxígeno) por el que una molécula orgánica se descompone en dos (sólo las levaduras y unos pocos eucariotas más viven fundamentalmente con este metabolismo). El tercer tipo principal de metabolismo energético que se encuentra en los eucariotas es la fotosíntesis que realiza las plantas y las algas: la clorofila y otros pigmentos asociados captan la energía del Sol, y esta permite a las plantas fijar dióxido de carbono en forma de materia orgánica. Para convertir luz en energía bioquímica las plantas necesitan un electrón, que proporciona el agua, y en el proceso se libera oxígeno como producto secundario.

En comparación a esas tres formas de metabolismo eucariota, la diversidad metabólica de los microorganismos procariotas, vence por una mayoría aplastante, y, un aspecto clave para explorar la historia e la vida primigenia está, precisamente, en las numerosas formas de metabolismo que utilizan los procariotas para vivir. A medida que nos adentramos en ese saber, el asombro nos embarga y la fascinación de lo que parece imposible, nos lleva a considerar que, en la Naturaleza, ninguna maravilla que podamos encontrar puede ya ser negada por nuestra racionalidad que, debe dejar de lado eso que se llama sentido común utilizado en el mundo cotidiano, para ir más allá y, poder mirar las cosas con otra amplitud de miras que pueda admitir que, “lo imposible”, seguramente no existe en el Universo.

Al igual que los eucariotas, muchas bacterias respiran oxigeno. Pero otras bacterias utilizan para la respiración Nitrato disuelto (NO₃⁻) en lugar de Oxígeno, y aún otras utilizan iones sulfato (SO₄²⁻) u óxidos metálicos de hierro o manganeso. Unos pocos procariotas pueden incluso utilizar CO₂ que hacen reaccionar con ácido acético en un proceso que genera gas natural, que es el gas metano (CH₄) –como el detectado en Marte-. Los organismos procariotas han desarrollado además toda suerte de reacciones de fermentación.

Las bacterias también exhiben variaciones sobre el tema de la fotosíntesis. Las cianobacterias, un grupo de bacterias fotosintéticas teñidas de color verde azulado por la clorofila y otros pigmentos, captan la luz del Sol y fijan CO₂ de forma muy parecida a como lo hacen las algas y plantas terrestres eucariotas. Sin embargo, cuando en el medio hay sulfuro de Hidrógeno (H₂S, bien conocido por su característico olor a “huevos podridos”), muchas cianobacterias utilizan este gas en lugar de agua para obtener los electrones que requieren la fotosíntesis. Como producto secundario se forman entonces azufre y sulfato, no oxígeno.

Las cianobacterias constituyen sólo uno de los cinco grupos distintos de bacterias fotosintéticas. En los otros grupos, el aporte de electrones por H₂S, gas hidrógeno (H₂) o moléculas orgánicas es obligado, y nunca se produce oxígeno. Estas bacterias fotosintéticas captan la luz con bacterioclorofila en lugar de la clorofila, más familiar. Algunas utilizan los mismos procesos bioquímicos que las cianobacterias y las plantas verdes para fijar dióxido de carbono, pero otras usan vías metabólicas muy distintas, y un tercer grupo se sirve de una fuente de carbono orgánico en lugar de CO₂.

Las variaciones bacterianas sobre temas metabólicos de la respiración, la fermentación, y la fotosíntesis son, pues, impresionantes, pero los organismos procarióticos han desarrollado todavía otro modo de crecer que es completamente desconocido en los eucariotas: la quimiosíntesis. Como los organismos fotosintéticos, los microbios quimiosintéticos toman el Carbono del CO₂, pero obtienen la energía de reacciones químicas y no de la radiación solar, lo que consiguen combinando oxígeno o nitrato (o, de forma menos frecuente, el sulfato, el hierro (oxidado) oxidizado o el manganeso) se combina con gas hidrógeno, metano o formas reducidas de hierro, sulfuro o nitrógeno de tal modo que la célula capta la energía desprendida por la reacción. Los procariotas metanogénicos resultan de particular interés para la ecología y la evolución; estas diminutas células extraen energía de una reacción entre hidrógeno y dióxido de carbono en la que se libera el metano.

Las vías metabólicas de los procariotas sustentan los ciclos (biológicos) bioquímicos que mantienen la Tierra en su condición de planeta habitable. Fijémonos por ejemplo en el dióxido de carbono. Los volcanes aportan CO₂ a los océanos y la atmósfera, pero la fotosíntesis le sustrae a un ritmo más rápido. Tan rápido, de hecho, que los organismos fotosintéticos podrían desproveer de CO₂ a la atmósfera actual en poco menos de una década. Naturalmente no ocurre así, y ello se debe sobre todo a que esencialmente la respiración realiza la reacción fotosintética en sentido inverso. Mientras que los organismos fotosintéticos hacen reaccionar CO₂ con agua para producir azúcares y oxígeno, los seres vivos que respiran (entre los que estamos nosotros, los humanos) hacen reaccionar azúcar con oxígeno y en el proceso libera agua y dióxido de carbono. Conjuntamente, la fotosíntesis y la respiración reciclan el carbono en la biosfera y sostiene así la vida y su ambiente a lo largo del tiempo.

No es difícil imaginar un ciclo del carbono simple en el cual las cianobacterias  fijen CO₂ en forma de materia orgánica y suministren oxígeno al medio mientras  que las bacterias  no fotosintéticas hacen lo contrario, al respirar oxígeno y regenerar el CO₂. Las plantas y las algas pueden realizar la misma función que las cianobacterias, y los protozoos, los hongos y los animales pueden sustituir a las bacterias respiradoras (en ese sentido los procariotas y los eucariotas son funcionalmente equivalentes).

Pero dejemos que algunas células caigan hasta el fondo del océano y queden enterradas en sedimentos desprovistos de oxígeno. Aquí las limitaciones del metabolismo eucariota resultan evidentes, pues se necesitan reacciones que no consuman oxígeno (reacciones anaeróbicas) para completar el ciclo del carbono. En los actuales sedimentos del fondo oceánico, la reducción de sulfato y la respiración con hierro y manganeso son tan importantes como la respiración aeróbica en el reciclado de la materia orgánica. En términos más generales, allí donde el carbono transita por medios faltos de oxígeno, las bacterias son esenciales para completar el ciclo del carbono.

El valor fundamental de los procariotas se extiende también a otros elementos de importancia biológica. De hecho, en los ciclos biogeoquímicos  del azufre y el nitrógeno, todas las vías metabólicas importantes para el reciclado de estos elementos son procariotas.

Pensemos en particular en el Nitrógeno, un elemento esencial necesario para la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos y otros compuestos biológicos. Vivimos inmersos en gas nitrógeno. (El aire está compuesto en un 80 por 100 de su volumen por gas nitrógeno). Pero este gigantesco almacén de nitrógeno no se encuentra biológicamente disponible para nosotros, que, como el resto de los animales, obtenemos el nitrógeno que necesitamos consumiendo otros organismos. Y el gas nitrógeno sólo podemos asumirlo de esa manera.

Las plantas pueden absorber amonio (NH₄⁺) o nitrato del suelo, pero ¿cómo llegan estos compuestos hasta allí? El amonio se libera durante la descomposición de células muertas; el nitrato, a su vez, es producido por bacterias que oxidan amonio. En medios ricos en oxígeno el nitrato resultante queda disponible para las plantas (o, en ecosistemas acuáticos, para las algas y las cianobacterias), pero en los suelos anegados y otros ambientes pobres en 0₂ otras bacterias usan nitrato para respirar y devuelven gas nitrógeno a la reserva atmosférica de N₂. (Buena parte del nitrato que se aporta a los campos con los abonos tienen este destino).

Bueno, ya decía antes que los ciclos del carbono, nitrógeno, azufre y otros elementos se encuentran ligados entre sí formando un complejo sistema que controla el pulso biológico del planeta.

De todas las maneras, a estas alturas tenemos muy claro que, las plantas y los animales evolucionaron para hacerse un hueco en un mundo procariota y no al revés. Nuestro mundo es procariota, y no en el sentido trivial de que hay muchas células procariotas. Los metabolismos procariotas conforman los circuitos ecológicos fundamentales de la vida. Son las bacterias, y no los mamíferos, los que sustentan el funcionamiento eficiente y persistente de la biosfera.

Para saber quienes debemos profundizar en los tres dominios más destacados de la vida: Eucariota, Bacterias y Arqueas que pueden conformar un árbol de la vida aceptable a grandes rasgos.

En la rama eucariota, en su cúspide, aparecen los animales que seguidos de plantas, hongos, euglénidos, ciliados, hongos mucilaginosos, parabasálidos y diloplomonadas, conforman el dominio al que pertenecemos de células grandes y nucleadas.

En el dominio de las bacterias nos encontramos con una amplia serie de miembros fotosintetizadores como las Flexibacterias,Heliobacterias,Cainobacterias,Bacterias púrpuras, Flavobacterias, bacterias verdes del azufre, Thermodesuflobacterium, Aquiflex y Thermotoga.

 En los arqueas tenemos: Desulfuro coccus, Pyrodictium, Sulfolobus,Thermoproteus,Pyrobacculum,Pyrococcus,Thermoplasma,Halobacterias, la familia de los metalógenos.

Tanto en el dominio de las Bacterias como en el de las arqueas se encuentran ramas de hipertermófilos, es decir, organismos que viven a altas temperaturas.

Las arqueas tienen organización celular procariota, y durante muchos años los organismos de estas ramas se consideraron (en la poca medida en que se consideraron) bacterias de metabolismo peculiar. Peor la comparación de los genes del ARN ribosómico sugiere que estos microbios son tan distintos de las bacterias convencionales como las bacterias de los eucariotas. Lo que es más, el árbol indica que los arqueas se encuentran más estrechamente emparentados con los eucariotas que con las bacterias.

En 1996 se publicó el genoma completo (la información codificada en el ADN) de la Arquea Methanococcus Janaschii, lo que puso de manifiesto que estos microbios comparten únicamente del once al diecisiete por ciento de sus genes con las bacterias cuyos genomas han sido secuenciados.

Más del cincuenta por ciento de sus genes se desconocen tanto en eucariotas como en bacterias, lo que confirma que las arqueas son marcadamente distintas de los organismos de los otros dominios. Las arqueas, sin embargo, comparten con las bacterias algunos rasgos importantes, como (el más obvio) la organización celular procariota, la estructura molecular del ribosoma y la disposición de los genes en un único cromosoma circular. Por otro lado, las arqueas comparten con los eucariotas atributos como los detalles moleculares de la transcripción del ADN y la susceptibilidad a antibióticos específicos. Y aun hay otros rasgos que comparten las bacterias y los eucariotas, pero no las arqueas, entre los que destaca la naturaleza de la membrana celular.

¿Cómo podemos entonces determinar qué grupo está más estrechamente emparentado con otro? Dicho de otra forma, ¿dónde situamos la raíz del árbol? En un árbol de tres ramas no puede situarse la raíz por métodos convencionales, como una consideración algo más profunda de la distribución de caracteres que pone en evidencia. Los rasgos como el ATP o el código genético que son compartidos por los tres dominios no aportan información alguna acerca de las relaciones genealógicas, pero permiten inferir la naturaleza del último antepasado común de las tres ramas.

Está claro que, el camino que nos queda por recorrer es largo, hasta que podamos llegar a saber sobre los enigmas que el árbol de la vida nos presenta, muchos estudios, observaciones, investigación y experimentos están pendientes de realizarse para confirmar o negar teorías que circulan y, por otra parte, para desvelar misterios desconocidos.

Sabemos que la rama bacteriana del árbol está profundamente ramificada; en la actualidad conocemos al menos treinta grupos principales de bacterias, cada uno de ellos más o menos equivalente a los reinos animal y vegetal que los biólogos han reconocido tradicionalmente. Se encuentran representados en esta rama la mayoría de los metabolismos reseñados a lo largo de este trabajo. La fotosíntesis, en particular, es una forma de metabolismo característicamente bacteriana. De qué modo podemos reconciliar esto con la obvia presencia de fotosíntesis en plantas y algas eucariotas. Desde luego, es una de las grandes historias de la Biología evolutiva que merece ser expuesta aquí.

Tenemos que destacar, no obstante, que los linajes protosintéticos adornan únicamente las ramitas más altas de la rama bacteriana, lo que nos lleva a pensar que los ecosistemas más antiguos de la Tierra eran fundamentalmente distintos de los que nos rodean en la actualidad, cuando la fotosíntesis impulsa la Biología en la mayoría de hábitats. El motor de la vida primigenia debe haberse alimentado por quiomisíntesis, como indica el hecho de que las ramas más antiguas que conocemos del árbol, bacteriano contengan organismos quimiosintéticos y heterótrofos, muchos de los cuales viven en ambientes de temperatura elevada y desprovistos, o casi desprovistos, de oxígeno.

A diferencia de las bacterias, las arqueas contienen únicamente dos grupos principales, aunque comienzan a insinuarse otros que todavía están por caracterizar. Una de estas ramas está dominada por organismos metanógenos. La mayoría de las criaturas de esta rama son productores de metano obligados, pero en al menos tres linajes la evolución ha producido un repertorio metabólico más diverso en el que se incluye la respiración.

Como podemos deducir de todo lo que antecede, no es difícil de imaginar que, algunas formas de vida como las que aquí se han descrito, puedan estar asentadas en otros mundos cuyas condiciones puedan ser similares o parecidas a las de la Tierra, y, si no se trata de formas de vida exactamente iguales a las de la Tierra, sí deben ser muy parecidas en sus dimensiones y metabolismos.

En fin, es un tema tan amplio que, en un simple comentario breve y sencillo como este que nos ocupa, no podemos desarrollar las muchas posibilidades que, desde su fuente hasta el momento presente pueden ser comentadas sobre los muchos aspectos que aquí están implicados.

emilio silvera

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Si el universo es casi por completo de hidrógeno, ¿cómo llegaron los otros elementos?

Una estrella de tamaño ordinario, como nuestro Sol, tiene un diámetro aproximado de 1.400.000 Km; en comparación con el de la Tierra (13.000 Km) es 1.000 veces mayor, y el volumen (que depende del cubo del radio) es nada menos que mil millones de veces superior (10⁹).

Pues bien, el enorme globo de gas (plasma), que es una estrella no es homogéneo ni en composición ni en temperatura, que aumenta por la presión de la fuerza gravitatoria a medida que nos acercaos al núcleo, de manera tal que, como mínimo, en el centro o núcleo de la estrella tendremos una temperatura de 15 millones de grados. Resulta razonable suponer que la densidad aumente con la profundidad, ya que cuanto mayor es ésta lo es también la presión (recordad que la densidad es proporcional a la presión). Las zonas interiores soportan el peso de las exteriores, lo que produce enormes temperaturas en el núcleo.

El horno termonuclear de una estrella posee unos mecanismos de control gracias a los cuales mantiene entre estrechos límites sus constantes vitales, siendo por una parte la temperatura y por otra la gravedad, los dos elementos que finalmente mantienen el equilibrio de la estrella. Bueno, más que la temperatura, la fusión nuclear que produce que hace expandirse a la estrella que es frenada por la inmensa fuerza gravitatoria. Es el mecanismo cósmico que hace posible la estabilidad y el equilibrio de la estrella.

Así, brillando en el vacío estelar, las estrellas dan luz y calor a los planetas de sus sistemas solares. Precisamente esa luz y ese calor es la pérdida de masa de las estrellas que fusionan hidrógeno en helio y una pequeña parte se va de la estrella para calentar y alumbrar planetas. La potencia energética desprendida por una estrella en equilibrio es enorme en relación con nuestros estándares, y si esa potencia depende de la velocidad a la que unos núcleos se transforman en otros, los de hidrógeno en helio, los de helio en litio, etc, parece razonable suponer que la composición del gas del horno termonuclear varíe con el tiempo, disminuyendo la cantidad de hidrógeno al tiempo que aumentan otros elementos. La energía desprendida se obtiene precisamente a partir de esa masa gastada utilizando la ya conocida ley de equivalencia de Einstein E = mc².

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Einstein hizo más que cualquier otro científico por crear la imagen moderna de las leyes de la naturaleza. Desempeñó un papel principal en la creación de la perspectiva correcta sobre el carácter atómico y cuántico del mundo material a pequeña escala, demostró que la velocidad de la luz introducía una relatividad en la visión del espacio de cada observador, y encontró por sí solo la teoría de la gravedad que sustituyó la imagen clásica creada por Isaac Newton más de dos siglos antes que él. Su famosa fórmula de E = mc² es una fórmula milagrosa, es lo que los físicos definen como la auténtica belleza. Decir mucho con pocos signos y, desde luego, nunca ningún físico dijo tanto con tan poco. En esa reducida expresión de E = mc2, está contenido uno de los mensajes de mayor calado del universo: masa y energía, son la misma cosa.

Einstein siempre estuvo fascinado por el hecho de que algunas cosas deben parecer siempre iguales, independientemente de cómo se mueva el que las ve, como la luz en el vacío, c.

Él nos dijo el límite con que podríamos recibir información en el universo, la velocidad de c.

Él reveló todo el alcance de lo que Stoney y Planck simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una constante sobrehumana fundamental de la naturaleza. También sabía el maestro que, en el proceso de nuevas teorías, la búsqueda de la teoría final que incluyera a otras fuerzas de la naturaleza distintas de la gravedad, daría lugar a teorías nuevas y cada vez mejores que irían sustituyendo a las antiguas teorías. De hecho, él mismo la buscó durante los 30 últimos años de su vida pero, desgraciadamente, sin éxito. Ahora se ha llegado a la teoría de supercuerdas que sólo funciona en 10 y 26 dimensiones y es la teoría más prometedora para ser la candidata a esa teoría final de la que hablan los físicos.

El físico espera que las constantes de la naturaleza respondan en términos de números puros que pueda ser calculado con tanta precisión como uno quiera. En ese sentido se lo expresó Einstein a su amiga Ilse Rosenthal-Schneider, interesada en la ciencia y muy amiga de Planck y Einstein en la juventud.

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Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones*.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

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