Curiosity habría encontrado tiopirano en el suelo de Marte

El Mars Science Laboratory – Curiosity habría encontrado una molécula que indicaría la presencia de algún tipo de vida en Marte en un pasado reciente y no se descarta que pueda existir en la actualidad. El anuncio lo ha realizado el administrador general de la NASA Charles Bolden en una comparecencia no anunciada previamente ante periodistas en Washington D.C.

Desde que el pasado mes de noviembre John Grotzinger se fuera de la lengua en una entrevista a la NPR los rumores han estado ahí. Si bien los desmentidos oficiosos de la NASA, de JPL y de portavoces de la misión indicaban que realmente no había noticia, en ámbitos científicos familiarizados con la exploración de Marte la especulación continuaba. En los últimos días los rumores, que nadie se atrevía a decir en público, apuntaban al descubrimiento de una molécula de seis carbonos con fraccionamiento isotópico, es decir, con un porcentaje muy alto (mayor que la proporción normal) de carbono 12, lo que sería indiciario de un origen biológico de la molécula (aquí se han hecho eco de esos rumores).

Según el breve comunicado de Bolden se habría identificado tiopirano, un compuesto heterocíclico no aromático de cinco átomos de carbono y uno de azufre. La proporción isotópica C12:C13 sería de 13450:1, lo que indicaría un muy probable origen biológico. No sabemos más detalles. Bolden no ha admitido preguntas y ha remitido a una conferencia de prensa el próximo día 3 de enero.

De confirmarse la noticia sería realmente histórica e implicaría rediseñar completamente la próxima misión a Marte. En cualquier caso, no echemos las campanas al vuelo hasta conocer más datos.

Emociones positivas y tono vagal

En los últimos años la investigación científica seria ha demostrado que aquellos que experimentan frecuentemente emociones positivas viven más y con más salud: tienen menos ataques cardíacos o menos resfriados, por ejemplo. Pero la razón de que esto ocurra aún no se conoce del todo.

Un equipo de investigadores encabezado por Bethany Kok, actualmente en el Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas Humanas (Alemania), ha realizado un estudio [1], cuyos resultados aparecerán en Psychological Science, en el que ha encontrado cómo las emociones positivas alteran la biología del individuo y a la inversa, creando un círculo virtuoso.

Los investigadores se centraron en el nervio vago. Este nervio (que vemos en la imagen tomada de la Anatomía de Grey) comienza en el encéfalo y llega con numerosas ramificaciones a distintos órganos torácicos y abdominales, incluyendo el estómago y el corazón. Tiene como misión enviar señales que ralentizan la actividad de estos órganos en momentos de calma y seguridad.

Para saber lo bien que el nervio vago está funcionando basta con medir el ritmo cardíaco al respirar. Un funcionamiento sano del nervio se refleja en un sutil incremento del ritmo cardíaco al inspirar, y una sutil disminución al espirar. La diferencia de ritmo da lugar a un índice de tono vagal, y el valor de este índice se sabe que está relacionado con la salud. Los valores bajos, por ejemplo, se han relacionado con la inflamación y los ataques cardíacos.

Sin embargo, en lo que se han centrado Kok et al. es en datos recientes que indican que las personas con alto tono vagal son mejores a la hora de impedir que las malas sensaciones tomen el control. Estas personas también muestran emociones más positivas en general. En un estudio preliminar realizado por los mismos autores en 2010 [2] se demostró que el tono vagal de los que experimentan emociones positivas durante un periodo de tiempo aumenta. ¿Sería posible entonces que el tono vagal y las emociones positivas sean parte de un circulo virtuoso? Para averiguarlo reclutaron a 65 personas de entre el personal de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

Los investigadores midieron los tonos vagales de los voluntarios al comienzo del experimento y a su conclusión nueve semanas mas tarde. Durante ese tiempo los voluntarios tenían que acceder todas las noches a una página web especialmente diseñada y evaluar las experiencias emocionales más fuertes del día, entre ellas nueve positivas (alegría, amor, etc.) y once negativas (aburrimiento, ira, repugnancia, etc.). Además, a la mitad de los participantes, escogidos al azar, se les incitó a asistir a una serie de talleres en los que aprendieron una técnica de meditación cuyo fin es provocar en el sujeto una sensación de bienestar consigo mismo y con los demás. A este grupo se le alentaba a que meditase diariamente y a informar del tiempo diario empleado en ello.

Los resultados indicarían que el tono vagal se incrementa significativamente en las personas que meditaron, y prácticamente nada en los que no lo hicieron. Entre los que meditaron aquellos que comenzaron el experimento con el tono vagal más alto informaron de los mayores incrementos en sus emociones positivas. Los que meditaron que comenzaron con los niveles más bajos de tono vagal no experimentaron prácticamente ningún incremento.

Tomados en conjunto, estos datos apuntan a que un tono vagal alto haría más fácil generar emociones positivas y que esto, a cambio, subiría todavía más el tono vagal. Es literalmente un círculo virtuoso. Lo que es una buena noticia para los que son emocionalmente positivos, pero malo para los emocionalmente negativos, ya que implica que aquellos que más necesitan un empujón psicosomático serían incapaces de generar uno, de esta manera al menos. Quizás otras técnicas psicológicas puedan generar uno.

Referencias:

[1] Kok, B.E., Coffey, K.A., Cohn, M.A., Catalino, L.I., Vacharkulksemsuk, T., Algoe, S., Brantley, M. & Fredrickson, B. L. (in press). How positive emotions build physical health: Perceived positive social connections account for the upward spiral between positive emotions and vagal tone. Psychological Science. PDF

[2] Kok, B., & Fredrickson, B. (2010). Upward spirals of the heart: Autonomic flexibility, as indexed by vagal tone, reciprocally and prospectively predicts positive emotions and social connectedness Biological Psychology, 85 (3), 432-436 DOI: 10.1016/j.biopsycho.2010.09.005

El sueño de Srini

Comenzaron a caer gotas de sangre y él, en el duermevela, temblaba de excitación sabiendo lo que ello significaba. A su derecha veía a la diosa, esa imagen tan familiar, sonriendo. La presencia de su esposo, mitad humano, mitad león, se sentía en el ambiente pero no le podía ver. De repente, la neblina se disipó y vio a la diosa en un mercado. Se acercaba a un puesto y compraba alguna cosa que no podía distinguir, pero vio con extrema claridad que pagaba con dos monedas idénticas en su mano extendida.

Se encontraba confuso. Era la primera vez que algo así ocurría en sus visiones. Habitualmente la diosa simplemente desenrollaba pergaminos en los que estaban escritas las fórmulas. Pero, aquello...No tenía tiempo de pensar, la diosa le invitaba con un gesto a que se fijase en las monedas que ya estaban en manos de la tendera. Eran idénticas a primera vista pero, si uno se fijaba con atención, en el canto que él podía ver diáfanamente se leían dos nombres distintos: el suyo propio y el de Jacobi.

El tiempo pareció acelerarse. Las monedas tomaron rumbos distintos: una fue entregada a un cliente como cambio, la otra se usó para pagar a un campesino dos días después a treinta kilómetros de distancia. Pero él podía verlas en su viaje. Cambiaron de manos, tiendas y ciudades repetidas veces. Durante meses, que a él le parecían segundos, las monedas siguieron rumbos caóticos, sin aparentemente nada en común salvo el mismo caos. Pero era sólo apariencia: la moneda con su nombre estaba intentando seguir a la de Jacobi. Tras dos años las dos monedas terminaron en la misma ciudad, en la misma tienda, en la misma caja registradora, a cuatro centímetros la una de la otra, a la misma distancia a la que estaban en la mano de la diosa cuando las vio por primera vez.

Se despertó confuso y empapado en sudor. ¿Qué querría decirle la diosa?¿Cómo interpretar aquello? Alargó la mano, cogió su cuaderno y comenzó a escribir. Días después enviaba una carta a Hardy:

[…] I discovered very interesting functions recently which I call ``Mock" theta-functions. Unlike the ``False" ϑ-functions (studied partially by Prof. Rogers in his interesting paper) they enter into mathematics as beautifully as the ordinary theta functions. [...]

La carta describía varías funciones nuevas que se comportaban de una forma diferente a las funciones theta, lo que hoy llamamos formas modulares, y que, sin embargo las imitaban. Conjeturaba que estas formas modulares simuladas se correspondían con las formas modulares ordinarias que había descubierto Jacobi y que ambas terminaban dando resultados similares para la raíz de 1. La carta contenía 17 ejemplos de ellas. Sin demostración.

Pero en este cuaderno que estaba perdido, el cuaderno que él escribía mientras agonizaba, hay más ejemplos. Sin una sola derivación, ni explicación. En su forma terminada. Como si hubiesen venido de ninguna parte.

Ya sabes que Zwegers fue el que dio la interpretación de lo que él quería decir. Pero nadie entiende de dónde las sacó. Y entonces es cuando he encontrado esta nota en la cubierta del cuaderno, escrita con letra minúscula en su dialecto de Tamil Nadu, donde narra su sueño.

Y ahora ya sabes tanto como yo. ¿Qué hacemos? ¿Lo publicamos? La gente de la India ya reza a Namagiri para que ilumine a sus hijos en matemáticas. Pero, ¿cómo interpretar que los dioses dictaban las matemáticas a Ramanujan? 

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición 3,141592653 del Carnaval de Matemáticas que acoge el blog Que no te aburran las mates.

Para saber más:

Mock modular form

Ramanujan's last prophecy: quantum mudular forms

El clorometano en Marte y lo que podemos encontrar: lecciones que aprendimos en Atacama.

A finales del pasado mes de noviembre se produjo un gran revuelo en todos los medios a cuenta de unas declaraciones de uno de los responsables de la misión científica MSL-Curiosity. Se llegó a extremos tales, hablando de la posible detección de vida, que nos sentimos impulsados a escribir un breve para Naukas llamando a la prudencia. Posteriormente, en la rueda de prensa que dieron los miembros del equipo de científicos el 3 de diciembre, todo el mundo (algunos más que otros) se sintió defraudado. Pero, ¿qué hay en esos resultados que pueda excitar la imaginación de un científico aunque deje fríos a periodistas papanatas y público en general? Pasada la tormenta, vamos a intentar explicarlo y, de paso, qué podemos esperar encontrar.

Curiosity ha detectado una variedad de especies químicas en el suelo marciano, entre ellas hidrocarburos clorados, que podrían ser indicativas de la presencia de moléculas orgánicas (que significa basadas en carbono, no necesariamente biológicas) complejas. El quid de la cuestión es el origen del carbono, que se desconoce; una hipótesis no descartable de entrada es que cantidades a nivel de traza podrían haber viajado con el propio Curiosity.

La importancia del clorometano

Una pieza clave para entender el problema y contextualizar los resultados es el método de medida que usa Curiosity. El Sample Analysis at Mars (SAM) ha usado un pequeño horno para calentar las muestras de un lugar llamado Rocknest, volatilizando algunos de los compuestos presentes, se supone que los interesantes, y analizando los gases producidos. De esta forma se han detectado moléculas de agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre. Sin embargo, esta metodología tiene sus problemas asociados dependiendo de la composición del suelo.

Los ensayos iniciales de Curiosity han confirmado algo que ya se conocía de misiones anteriores y que se sospechaba que podría ocurrir en el cráter Gale, que es la presencia de percloratos. En ensayos hechos en la Tierra con muestras del desierto de Atacama los percloratos son capaces de oxidar la materia orgánica presente durante el calentamiento, como ya explicamos aquí . La presencia de percloratos se infiere por la presencia de clorometano, que también se obtenía en las pruebas de Atacama. Pero el que haya clorometano implica que el cloro reacciona con hidrógeno y carbono: el que el cloro es marciano es seguro, pero, ¿de dónde proviene el compuesto orgánico de base?

Lo llamativo del clorometano es que es una forma reducida de carbono. El hecho de encontrar formas reducidas de carbono podría apuntar a que existen procesos que desembocan en carbono orgánico, lo que es interesante desde el punto de vista biológico. Si el origen del carbono de estos primeros resultados fuese terráqueo (algo que no sabemos), la buena noticia es que se ha consumido en el proceso de análisis. Esto implica que una nueva detección de clorometano sería una gran noticia y, además, SAM ha demostrado, confirmando los ensayos de Atacama, que puede detectarlo. Por esto es tan interesante el resultado....desde un punto de vista técnico.

Pero, ¿qué cabe esperar?

Por otra parte, la confirmación de la presencia de percloratos implica una fuente de cloro, que podría ser la presencia de salmueras o actividad volcánica en el pasado. Los percloratos propiamente dichos se formarían por la acción de la radiación ultravioleta a la que el suelo marciano está expuesto inmisericordemente; recordemos que es la capa de ozono terrestre, inexistente en Marte, la que nos protege del exceso de radiación.

Y esto nos lleva a la conservación de los materiales orgánicos en Marte. Esto es, hay quien aún espera encontrar con un rover semiautomático que opera en superficie compuestos orgánicos complejos cuando el suelo contiene un 0,6% en peso de percloratos, está inundado de radiación ultravioleta, expuesto a los rayos cósmicos y al viento solar (por la ausencia de campo magnético planetario), a campos eléctricos convectivos (formados en los remolinos de viento) y el aire tiene poco pero suficiente oxígeno como para oxidar lo que sea volátil.

Recordemos una vez más, aunque esto sea poco comercial, que el objetivo de Curiosity no es encontrar vida, ni siquiera compuestos orgánicos complejos, tan “sólo” evaluar las condiciones para albergar vida, pasadas y presentes. Si alguien espera alguna sorpresa, que podría haberla, que sepa que aguardará escondida bajo la superficie, en algún lugar preservado. Como ocurre en Atacama, precisamente. Y, ¿hasta qué profundidad puede excavar Curiosity?¿Y qué tipo de suelo puede excavar? Pues eso.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XX Edición del Carnaval de Química que acoge la La ciencia de Amara.

Prediciendo el tiempo y exactitud de tus decisiones antes que tú.

Una de las tareas en las que empleo más tiempo cuando escribo algo para Experientia docet es decidir de qué escribir. La idea, la investigación o el personaje histórico tienen ese factor X que hace que me decida a contarlo. No sé describir qué es pero lo tengo claro cuando lo veo. Leo noticias, ojeo publicaciones, sigo enlaces de tuits hasta que algo me impulsa a escribir. Es lo que me ha pasado con un artículo que publica un equipo de investigadores encabezado por Redmond O'Connell, del Trinity College de Dublín (Irlanda), en Nature Neuroscience. Conforme iba leyendo el paper iba notando crecer mi interés hasta que, en una frase concreta, la decisión estaba tomada.

La frase en cuestión era esta (traducción y énfasis míos): “[...] nuestros resultados también demuestran que el encéfalo humano emplea una representación supramodal abstracta de las pruebas sensoriales acumuladas que ejerce una influencia determinista en los informes perceptivos independientemente de los requisitos sensoriales o motores específicos”. El Dr. O'Connell nos cede amablemente el PDF del paper  por lo que la persona interesada puede leer el texto en su integridad. Pero, ¿qué significa esto?

Cuando interactuamos con nuestro entorno necesitamos estar seguros de lo que vemos, oímos o sentimos con el fin de decidir cómo actuar. ¿Qué señas me está haciendo el guardia? ¿Es eso el café que sale? De alguna manera el encéfalo nos permite tomar decisiones concretas acerca de la enorme cantidad de información que recibimos continuamente a través de los sentidos. Existe desde hace mucho tiempo una teoría que dice que el encéfalo permite que la información de los sentidos se acumule en el tiempo y que sólo se decide por algo en concreto una vez que ha acumulado suficiente información. O'Connell et al. parece que han encontrado pruebas experimentales de que esto sería efectivamente así.

Los investigadores diseñaron un ensayo en el que se les pedía a los voluntarios que detectasen un cambio, que era gradual, en una imagen o en un tono musical. Este cambio gradual se producía a lo largo de varios segundos, era indetectable al principio pero llegaba un momento en que era evidente. Esto permitió precisar el momento en el que los participantes decidían que había tenido lugar un cambio. Al mismo tiempo, los investigadores registraron la actividad encefálica por electroencefalografía.

Con este diseño experimental los autores fueron capaces de aislar una señal que se incrementaba en paralelo con los cambios visuales y auditivos. Sin embargo, encontraron que los sujetos solo decían que había un cambio una vez la señal alcanzaba determinado nivel. Como consecuencia los investigadores fueron capaces de predecir con precisión tanto el tiempo como la exactitud de las decisiones de los voluntarios simplemente monitorizando esta señal del electroencefalograma. En otras palabras, fue posible observar la formación gradual de una decisión en la actividad encefálica de un sujeto antes de que éste fuera consciente de haberla tomado.

Comprenderás ahora que tuviese que venir a contarlo (y el comienzo de este texto). El hallazgo, como es evidente, podría tener aplicaciones clínicas en el diagnóstico y tratamiento de personas con dificultades en la toma de decisiones perceptivas. Pero también está claro que contribuye a poner en perspectiva nuestra toma de decisiones y enfatiza el trabajo inconsciente que realiza nuestro encéfalo. Y es que la consciencia está sobrevalorada.

Nota: El que sólo vea rayas en la imagen, que deje que se acumulen estímulos, y después diga lo que ve. La imagen no fue usada en la investigación de O'Connell et al.

Referencia:

O'Connell, R., Dockree, P., & Kelly, S. (2012). A supramodal accumulation-to-bound signal that determines perceptual decisions in humans Nature Neuroscience, 15 (12), 1729-1735 DOI: 10.1038/nn.3248

El óxido de magnesio y la probabilidad de vida alienígena

¿Qué tendrán que ver los cambios de fase a altas presiones y temperaturas del óxido de magnesio con la probabilidad de que exista vida en otros planetas? O, si se prefiere algo menos dramático, ¿qué relación existe entre el diagrama de fases del óxido de magnesio y las posibilidades de supervivencia de moléculas complejas en la superficie de un planeta?

La respuesta está en que experimentos recientes apuntan a que a altas presiones y temperaturas el óxido de magnesio se convierte en un líquido metálico y, como este óxido es representativo de los materiales rocosos en los mantos de los planetas similares a la Tierra, se concluye que el interior de los exoplanetas rocosos podría ser conductor eléctrico. Si el interior es conductor eléctrico y líquido, sus movimientos generan un campo magnético para el planeta, lo que protege su superficie del bombardeo de partículas cargadas provenientes de su estrella que tendrían la capacidad de destruir las posibles moléculas complejas que pudieran formarse. Por tanto, los resultados que Stewart Williams, de la Universidad Howard (EE.UU.), y sus colegas publican en Science, apuntan a que la probabilidad de que los exoplanetas rocosos, especialmente las supertierras, tengan un campo magnético es mayor de lo que se suponía.

El óxido de magnesio es uno de los óxidos más sencillos que están presentes en planetas rocosos como la Tierra y que se especula con que puedan estar en el núcleo de algunos planetas gaseosos como Júpiter. Se estima que su comportamiento puede ser representativo de una amplia variedad de materiales, por lo que el estudio de su comportamiento a altas presiones y temperaturas es de gran interés para la comprensión de la geología de los exoplanetas rocosos.

Existían una serie de predicciones teóricas que, variando en los detalles (rangos de las variables), venían a coincidir en dos puntos:

• Alrededor de los 0,33 TPa y a unos 8100 K la estructura cristalina del óxido de magnesio pasaría de ser la del cloruro sódico NaCl (cada átomo forma una celdilla cúbica centrada en las caras y ambas celdillas están interpenetradas o, lo que es más intuitivo, cada ión magnesio está rodeado por seis iones oxígeno y viceversa) a la del cloruro de cesio CsCl (cada átomo forma una celdilla cúbica simple y ambas celdillas están interpenetradas o cada ión magnesio está rodeado por ocho iones óxido y viceversa).
  
  

  

  NaCl

  

  CsCl

  
  
  
  
• En el entorno de los 0,59 TPa y a una temperatura cercana a 13600 K el óxido de magnesio pasaría a ser un líquido metálico

Como es comprensible, alcanzar estas presiones y temperaturas en un laboratorio para dibujar experimentalmente el diagrama de fases del óxido de magnesio no es tarea fácil. Y esto es lo que ha conseguido precisamente el equipo de Williams usando una técnica de ondas de choque generadas por láser. Sometieron pequeñas muestras de óxido de magnesio a la presión generada por láseres de alta potencia, llegando a sobrepasar los 1,5 TPa y los 50.000 K. La iluminación de los láseres genera una onda de choque a través del material que los investigadores son capaces de monitorizar, incluso fotografiar (a la derecha).

Los resultados dejan en muy buen lugar a los teóricos. Las dos transiciones de fase predichas se detectaron. La transición cristalina NaCl a CsCl se encontró que se produce a 0,44 TPa y a una temperatura de 9000 K. Por otro lado la transición a líquido metálico tiene lugar a una presión de 0,65 TPa y a una temperatura de 14000 K.

Tanto el campo magnético terrestre como el de Mercurio (el otro planeta rocoso con campo magnético del sistema solar) se producen porque ambos planetas tendrían un núcleo de hierro fundido en constante movimiento, lo que generaría el campo magnético por el efecto dinamo. Si un planeta no tiene un interior conductor en movimiento, no tendrá un campo magnético que lo proteja del viento solar de su estrella, con lo que, por una parte, su superficie se verá bombardeada por las partículas energéticas que constituyen el viento solar y, por otra, parte de su atmósfera se perderá por la erosión que genera la interacción del viento con la atmósfera. Marte, por ejemplo, no tiene campo magnético en la actualidad, por lo que una de las misiones de Curiosity es medir el nivel de incidencia en la superficie del viento solar, clave para determinar la habitabilidad actual del planeta.

El resultado de Williams et al. hace que podamos interpretar la expresión “interior conductor” del párrafo anterior en un sentido más amplio del que se venía considerando. Puede que un planeta no tenga una dinamo en su núcleo, pero podría tener suficiente óxido de magnesio para realizar la misma función en su manto, siempre y cuando las temperaturas y presiones sean lo suficientemente elevadas. Y aquí es donde entran las supertierras, ya que su tamaño de hasta 15 veces la Tierra les permite generar las condiciones para que este fenómeno ocurra.

En definitiva, el diagrama de fases del óxido de magnesio nos dice que es más probable que las supertierras tengan campos magnéticos, lo que implica que sus superficies y atmósferas estarían más preservadas de los vientos solares de sus estrellas. Y, aunque sea muy poco, también aumenta la probabilidad de que exista vida alienígena.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain  

Referencia:

McWilliams, R., Spaulding, D., Eggert, J., Celliers, P., Hicks, D., Smith, R., Collins, G., & Jeanloz, R. (2012). Phase Transformations and Metallization of Magnesium Oxide at High Pressure and Temperature Science DOI: 10.1126/science.1229450

El comunismo libertario de los pingüinos.

Los comportamientos espaciales de grupos grandes de animales pueden modelarse de forma matemática habitualmente siguiendo unas reglas de comportamiento individual muy simples, aunque las matemáticas implicadas sean muy complejas. Esas reglas suelen implicar unas normas de interacción locales para el individuo que después se traducen en lo que parece un movimiento ordenado de la manada, bandada o banco. El egoísmo, la propia supervivencia, está en la raíz misma de esas normas individuales. Un nuevo ejemplo nos lo dan Aaron Waters, de la Universidad de California en Merced (EE.UU.), y sus colaboradores en un artículo que publican en PloS ONE sobre los corros de pingüinos que se forman durante las ventiscas antárticas. Una vez más, el comportamiento egoísta del pingüino individual redunda en el bien del grupo, que comparte el calor del conjunto de manera equitativa.

El funcionamiento del modelo es relativamente simple:

• Los corros son tan compactos que sólo los pingüinos exteriores pueden moverse
• Cada pingüino es una fuente de calor y el viento se lleva ese calor.
• En función del número de pingüinos en el corro y la fuerza y turbulencia del viento, el modelo calcula cuál es el pingüino más frío en el perímetro del corro.
• El pingüino más frío se mueve al lugar exterior más protegido del viento, lo que se traduce en un movimiento desde una posición cara al viento a otra resguardada de él.
• Con cada movimiento de pingüino se itera el proceso

Las iteraciones repetidas muestran que el corro se va alargando y moviéndose poco a poco a favor del viento.

Sin embargo, los corros que se ven de pingüinos no son tan alargados como señala este modelo, de hecho, tienden más a la circunferencia si no hay obstáculos como montañas cerca. Por otra parte, el modelo asume vientos constantes en velocidad y dirección y pingüinos perfectamente idénticos. Cuando los investigadores introdujeron estas variables en forma de incertidumbre, esto es, remolinos de viento y diferencias de tamaño y tolerancia al frío de los pingüinos dentro de un rango natural, el modelo pasó a reproducir muy bien las observaciones.

Una de las conclusiones del modelo es muy llamativa. Cuando los científicos calcularon cómo se repartían el calor los pingüinos se encontraron con que lo compartían casi igualitariamente. Es decir, a pesar de que el comportamiento de los pingüinos individuales es sólo egoísta, tratando exclusivamente de encontrar el mejor lugar para ellos mismos, el tiempo que cada pingüino pasa expuesto al viento es prácticamente igual. Usando un símil político-económico, del laissez-faire (dejad hacer) de d'Argenson que popularizó de Gournay nace el Jeder nach seinen Fähigkeiten, jedem nach seinen Bedürfnissen! (de cada uno según sus capacidades, a cada uno según sus necesidades) de Blanc que popularizó Marx.

Pero cuidado aquí con las extrapolaciones demasiado rápidas. No en todos los casos el comportamiento individual egoísta resulta en reparto justo. Un corro de pingüinos es un sistema autosuficiente en el que los componentes individuales dependen sólo del grupo como fuente de refugio. Las perturbaciones sencillas del sistema, como la existencia de un obstáculo (una roca grande, una montaña) al que no todos tienen acceso, rompe la equidad del reparto.

Este resultado, aparte de los beneficios que puedan extraer los biólogos especializados en pingüinos, también puede resultar interesante en el estudio de colonias bacterianas en presencia de toxinas. O, ya puestos, para diseñar pautas de comportamiento de los enjambres de robots en condiciones climáticas adversas.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición 3,14159265 del Carnaval de Matemáticas que organiza Pi medios

Referencia:

Waters A, Blanchette F, & Kim AD (2012). Modeling huddling penguins. PloS one, 7 (11) PMID: 23166841

Estudiando las impurezas del grafeno enlace a enlace.

Si miramos una tabla periódica veremos que el silicio (Si) se sitúa justo debajo del carbono (C). Ello quiere decir que las capas electrónicas externas tienen el mismo número de electrones en los mismos tipos de orbitales, por lo que ambos elementos tendrán químicas parecidas. Tanto es así que, en alguna ocasión, se ha especulado incluso con la posibilidad de existencia de vida basada en silicio. Es una especulación, porque la cercanía energética relativa de los orbitales d en el silicio hace que éstos entren en juego a la primera de cambio, modificando las valencias del silicio. Este hecho se ha puesto de manifiesto de la manera más espectacular en una serie de experimentos llevados a cabo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (EE.UU.) por un equipo encabezado por Wu Zhou, de la Universidad Vanderbilt, usando grafeno. Los resultados se publican en Physical Review Letters.

El silicio es una de las impurezas que con mayor facilidad se adsorben (con “d”, se ancla a la superficie, para entendernos) sobre el grafeno que se crea por deposición de vapor y afecta de forma notable a las características conductoras del mismo. Por tanto, si se pretende algún día integrar el grafeno con la microelectrónica basada en chips de silicio, es importante conocer cómo se comportan estas impurezas. El equipo de investigadores ha deducido la naturaleza de los enlaces de carbono y silicio en el grafeno, hasta ahora desconocida, a las bravas: usando una combinación de técnicas de microscopía electrónica para ver la conformación estructural y, a partir de ahí, calcular los tipos de enlaces implicados.

Simplificando, los investigadores lo que hicieron fue, por una parte, lanzar electrones a la superficie del grafeno con impurezas de silicio con un microscopio electrónico de transmisión y medir la pérdida de energía de estos electrones y, por otra, generaron imágenes de campo oscuro anular, un método que excluye el haz de electrones no dispersados por el grafeno. La combinación de ambas observaciones permite obtener las imágenes que ilustran este texto, en las que se distinguen los átomos claramente y las intensidades dan información sobre los enlaces químicos.

Átomo de Si (blanco) unido a tres átomos de C (azul) 

Átomo de Si (blanco) unido a cuatro átomos de C (naranja)

Comparando estos datos espectroscópicos con cálculos usando la teoría del funcional de la densidad se puede establecer con facilidad (relativa) la diferencia entre un átomo de silicio unido a cuatro o a tres átomos de carbono en el grafeno. En éste los átomos de carbono tienen una hibridación de orbitales sp² y se unen a otros tres átomos en un plano. En los casos en los que el silicio se une a cuatro átomos ocupa el hueco correspondiente a dos carbonos, con los orbitales d contribuyendo significativamente al enlace, lo que resulta en una hibridación exótica sp²d, también plana. Sin embargo, cuando el silicio se une a tres átomos de carbono la hibridación es sp³, esto es, tetragonal, y el silicio queda fuera del plano del grafeno. Estas conclusiones fueron recomprobadas a partir de cálculos de primeros principios.

Por si lo anterior no fuese demasiado claro: estos métodos permiten estudiar las impurezas y sus enlaces a nivel de átomos individuales. Si Linus Pauling levantara la cabeza...

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval deQuímica que organiza Leet mi explain 

Referencia:

Zhou, W., Kapetanakis, M., Prange, M., Pantelides, S., Pennycook, S., & Idrobo, J. (2012). Direct Determination of the Chemical Bonding of Individual Impurities in Graphene Physical Review Letters, 109 (20) DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.206803

La estructura del vidrio determinada átomo a átomo

El cristal de tu ventana realmente no es un cristal, es un vidrio compuesto de sílice (óxido de silicio). Ese mismo vidrio, algo más puro, se emplea como aislante por los fabricantes de los chips que gestionan el dispositivo que estés empleando para leer este texto. Esto podría llevarnos a creer que la estructura del vidrio de sílice es algo conocido y dominado, no habría más que ver la cantidad de elementos decorativos de formas muy elaboradas que se hacen en vidrio o la potencia de cálculo de algunos microprocesadores. Y nada más lejos de la realidad. Hasta ahora se viene tocando de oídas basándose en una teoría elaborada hace 80 años. Sólo recientemente se ha podido comprobar experimentalmente a nivel atómico esta teoría, lo que tendrá sus implicaciones para la industria de los semiconductores y la de los catalizadores.

En 1932 W.H. Zachariasen publicó The Atomic Arrangement in Glass [1], un artículo clásico que ha sido probablemente el más influyente en la historia del vidrio. En este artículo Zachariasen dio a la comprensión de la estructura del vidrio y su relación con la composición su base científica. Intuitivamente se hablaba de sólidos amorfos y, algo más tarde, se afirmaba que un vidrio era un material sólido que tenía la estructura de un líquido. La imposibilidad de aplicar la difracción de rayos X para determinar la estructura atómica llevaba a estas imprecisiones. Zachariasen, sin embargo, afirmó que un vidrio es una red tridimensional extensa de átomos que forma un sólido que carece de la periodicidad a larga distancias (una ordenación repetida) de los cristales. Pero eso no implica que no tenga orden a corto. Zachariasen llegó a proponer una reglas (pueden consultarse aquí) para la ordenación a corto que nunca se han comprobado experimentalmente pero que, en la práctica, son capaces de explicar los comportamientos macroscópicos observados.

En una serie de trabajos [2,3,4] el equipo encabezado por Leonid Lichtenstein, del Instituto Fritz Haber (Alemania) ha conseguido observar por primera vez de forma directa los elementos característicos de la estructura y los patrones que aparecen en ella. Tal y como predijo Zachariasen la estructura corresponde a un átomo de silicio rodeado por tres átomos de oxígeno, exactamente igual que en la sílice cristalina. Sin embargo, la sílice cristalina forma un panal de abeja regular compuesto exclusivamente por hexágonos en un plano, mientras que en el vidrio los anillos, si bien los hexágonos son las estructuras más frecuentes, también se forman desde rectángulos a anillos de más de nueve átomos.

Los investigadores, ante la imposibilidad de emplear difracción de rayos X, decidieron determinar la posición de los átomos uno a uno (literalmente). Para ello diseñaron un modelo bidimensional de un vidrio. Produjeron en una cámara de vacío ultra alto sólo dos capas atómicas de sílice sobre un sustrato de rutenio previamente recubierto por una capa de oxígeno. Dependiendo de la temperatura durante la preparación de la muestra y de la cantidad de sílice y oxígeno presentes los investigadores podían obtener desde una estructura completamente amorfa a otra completamente cristalina o una mezcla de las dos. En cualquier caso la estructura era completamente plana.

En primer lugar, usando un microscopio de efecto túnel Lichtenstein et al determinaron la posición de los átomos de oxígeno. Estos datos ya ponían de manifiesto las estructuras de Chachareasen. Posteriormente las estructuras fueron completamente confirmadas con un microscopio de fuerza atómica que también puede detectar los átomos de silicio. Esto es, consiguieron obtener una imagen precisa de todas las posiciones atómicas de un vidrio bidimensional.

Los investigadores también investigaron la transición entre la sílice amorfa y la cristalina. En la frontera la homogeneidad de los hexágonos de la estructura cristalina empieza a dejar paso a pentágonos y heptágonos. Conforme más se avanza en la parte amorfa más desviaciones aparecen en el número de átomos por anillo.

Estos datos no sólo permitirán conocer mejor las características de los vidrios empleados en la industria de los semiconductores, también arrojarán luz sobre el uso de la sílice y otros óxidos como catalizadores.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain

Referencias:

[1] WH Zachariasen (1932). The atomic arrangement in glass. J. Amer. Chem. Soc., 54 

[2] Lichtenstein L, Heyde M, & Freund HJ (2012). Crystalline-vitreous interface in two dimensional silica. Physical review letters, 109 (10) PMID: 23005304
[3] Lichtenstein, L., Heyde, M., & Freund, H. (2012). Atomic Arrangement in Two-Dimensional Silica: From Crystalline to Vitreous Structures The Journal of Physical Chemistry C, 116 (38), 20426-20432 DOI: 10.1021/jp3062866
[4] Lichtenstein, L., Büchner, C., Yang, B., Shaikhutdinov, S., Heyde, M., Sierka, M., Włodarczyk, R., Sauer, J., & Freund, H. (2012). The Atomic Structure of a Metal-Supported Vitreous Thin Silica Film Angewandte Chemie International Edition, 51 (2), 404-407 DOI: 10.1002/anie.201107097

¿Sabes distinguir un neuromito? Más del 75% de la población no.

Los juguetes que compramos y el entorno que creamos para los bebés. Desayunar o no. Excusas sobre el modo en que se presenta la información para justificar la falta de estudio. El efecto de la igualdad entre los sexos y lo políticamente correcto en el rendimiento escolar de niños y niñas. Dejar de intentar aprender algo “porque ya no tengo edad”. Juegos para entrenar el cerebro. La importancia del ejercicio físico para el rendimiento intelectual.... Estas y otras muchas cuestiones basan su resolución en nuestro conocimiento del funcionamiento del encéfalo. Pero, ¿hasta qué punto lo conocemos? ¿Sabemos distinguir lo verdadero de lo falso?

Para averiguarlo diseñamos este experimento tan sencillo. Nos basamos en un trabajo reciente de Dekker et al. orientado a profesionales de la enseñanza de donde extrajimos el cuestionario, aunque nosotros le hemos dado un uso ligeramente distinto. A este respecto recomendamos la lectura de Learning seen from a neuroscientific approach (OCDE, 2002) [PDF] 

El objeto, obviamente, no puede ser obtener un perfil de una persona en particular, pero sí capturar el de un grupo. Por ello algunos comentaristas decían que no encontraban sentido al experimento, porque pensaban que era un test de revista de adolescentes. No, lo que nosotros pretendíamos era obtener un retrato de una muestra significativa de usuarios de Internet, a sabiendas de que esa muestra estaría compuesta en un proporción relevante por lectores de este blog y que, por lo tanto, no representan al conjunto de la población (la muestra hay que suponer que es más inteligente y está más formada que una muestra de igual tamaño de población general escogida al azar).

Este retrato, pues, no es más que un indicio del nivel de credulidad grosso modo de esta muestra. En el cuestionario había 16 afirmaciones correctas y otras tantas incorrectas, mezcladas al azar (y no 15 como alguien comentó en Menéame basándose en las notas de prensa sobre el estudio de Dekker at al.). Por lo tanto, la distribución de respuestas nos dirá cómo de crédula (o excesivamente escéptica) es nuestra muestra.

Resultados

Se han analizado 1026 respuestas, de las que se han descartado 100 por distintos motivos, siendo el principal la repetición de la respuesta por parte de la misma persona (debido probablemente al funcionamiento del sistema de comentarios de Blogger).

De las 926, 27 han respondido que todas las cuestiones eran falsas y 3 que todas son verdaderas lo que no es lógicamente consistente, ya que #1 y #32 no pueden ser ciertas o falsas a la vez. Ello indicaría que estos datos no tienen calidad suficiente, por lo que he decidido descartarlos. Nos quedan pues 896 respuestas válidas.

673 personas han respondido que son falsas 15 afirmaciones o menos, esto es, el 75,11 % de las respuestas válidas cree que al menos una afirmación falsa es verdadera.

161 personas han respondido que son falsas 17 afirmaciones o más, es decir, el 17,97% de las respuestas válidas cree que al menos una afirmación verdadera es falsa.

Finalmente, 62 personas han respondido que había 16 respuestas falsas; de ellas no podemos afirmar nada.

La respuesta más común ha sido 13, con 103 respuestas, seguida de 12 con 96 y 14 con 92.

Comentario

Si bien este experimento carece de validez científica alguna sí creo poder afirmar con cierta contundencia lo siguiente.

Los resultados anteriores indicarían que un porcentaje significativo de la población general no tiene un conocimiento adecuado de cómo funciona el encéfalo en términos que le afectan en su día a día. Este conocimiento no adecuado puede ser usado en provecho de terceros, dificultar el rendimiento académico óptimo de los individuos o alterar el comportamiento basándose en realidades que son falsas.

Podemos discutir en los comentarios lo que consideréis oportuno. Muchas gracias a todos los participantes.

Los neuromitos

Finalmente las afirmaciones son las siguientes: en rojo incorrectas.

1 Usamos nuestros cerebros 24 horas al día

2 Los niños deben adquirir su lengua nativa antes de aprender una segunda. Si no lo hacen así nunca terminarán de dominar ninguna de las lenguas

3 Los chicos tienen encéfalos mayores que las chicas

4 Los estudiantes que no beben suficientes cantidades de agua (de 6 a 8 vasos al día) pueden sufrir una reducción del tamaño del cerebro

5 Se ha probado científicamente que los suplementos de determinados ácidos grasos (omega-3 y omega-6) tienen un efecto positivo en el rendimiento académico

6 Cuando un área del cerebro se ve dañada otras partes pueden asumir su función

7 Sólo usamos el 10% de nuestro cerebro

8 Los hemisferios derecho e izquierdo siempre trabajan juntos

9 Las diferencias en el dominio hemisférico (cerebro derecho, cerebro izquierdo) pueden ayudar a explicar las diferencias individuales entre estudiantes

10 Los encéfalos de chicos y chicas se desarrollan al mismo ritmo

11 El desarrollo cerebral ya ha terminado para cuando los niños llegan a secundaria

12 Hay períodos críticos en la niñez después de los cuales hay ciertas cosas que ya no se pueden aprender

13 La información se almacena en el encéfalo en una red de células distribuida en todo el encéfalo

14 El aprendizaje no se debe a la adición de nuevas células al cerebro

15 Las personas aprenden mejor cuando reciben información en su estilo de aprendizaje preferido (p.ej., auditivo, visual, kinestésico)

16 El aprendizaje se debe a la modificación de las conexiones neuronales en el encéfalo

17 El rendimiento académico puede verse afectado por no desayunar

18 El desarrollo normal del encéfalo humano implica el nacimiento y muerte de células cerebrales

19 La capacidad mental es hereditaria y no puede ser cambiada por el ambiente o la experiencia

20 El ejercicio intenso puede mejorar la función mental

21 Los entornos ricos en estímulos mejoran los cerebros de los niños preescolares

22 Los niños están menos atentos después de consumir bebidas o aperitivos dulces

23 Los ritmos circadianos (“relojes corporales”) se desplazan durante la adolescencia, lo que hace que los estudiantes estén cansados durante las primeras clases de la mañana.

24 La ingesta regular de bebidas con cafeína reduce el estado de alerta

25 Los ejercicios que ensayan la coordinación de las capacidades perceptivo-motoras pueden mejorar las capacidades de aprendizaje

26 La repetición continua a lo largo del tiempo de algunos procesos mentales pueden cambiar la forma y estructura de algunas partes del encéfalo.

27 Los estudiantes individuales muestran preferencias por el modo en el que reciben la información (p.ej., visual, auditiva, kinestésica)

28 Los problemas de aprendizaje asociados con diferencias en el desarrollo de la función cerebral no pueden ser solucionados por la educación

29 la producción de nuevas conexiones en el encéfalo puede continuar en la vejez

30 Las tandas cortas de ejercicios de coordinación pueden mejorar la integración de las funciones cerebrales de los hemisferios derecho e izquierdo

31 Hay períodos en la infancia en los que es más fácil aprender cosas

32 Cuando dormimos el cerebro se detiene

Una correlación metabólica de la enfermedad de Alzhéimer

No es la primera vez que comentamos en Experientia docet la importancia que para encontrar una solución al alzhéimer tiene ganar tiempo, esto es, ser capaces, no de diagnosticar, sino de detectar de forma temprana la probabilidad de desarrollar la enfermedad. Esto, siendo realistas, lo que permitiría sería poder estudiar cómo se desarrolla e intentar encontrar su origen último. En paralelo el sujeto objeto de la detección podría cambiar hábitos de vida de forma que le permitiese retrasar algo su aparición. Suena duro, pero es lo que hay de momento.

Un nuevo estudio afirma haber encontrado señales metabólicas en el cerebro que indicarían el comienzo de la enfermedad antes de la aparición de los primeros síntomas. El trabajo, encabezado por Shiri Stempler, de la Universidad de Tel Aviv (Israel), desarrolla modelos predictivos que usan la información metabólica para seguir la progresión del alzhéimer. Estos modelos tendrían una precisión del 90% a la hora de determinar el estadio de la enfermedad. O dicho con otras palabras, se podría no sólo diagnosticar la existencia de la enfermedad sino su progresión con un simple análisis de sangre. Los resultados se publican en Neurobiology of Aging.

Los investigadores emplearon datos recogidos empleando microarrays de expresión genética tanto del tejido completo del hipocampo como de neuronas del hipocampo de pacientes con alzhéimer diagnosticado. Recordemos que el hipocampo juega un papel clave en la memoria y el aprendizaje y que se ve dañado conforme progresa el alzhéimer.

Basándose en el número de genes metabólicos encontrados en las neuronas y el tejido completo, Stempler et al. construyen un modelo predictivo que correlaciona (lo que no implica causalidad) las anormalidades en la expresión de estos genes con la progresión de la enfermedad. De los casi 1500 genes analizados, los investigadores fueron capaces de seleccionar un grupo de 50 como los más predictivos. En los pacientes con alzhéimer analizados cada uno estos 50 genes está sobreexpresado o infraexpresado dependiendo del estadio de la enfermedad.

En la siguiente fase del estudio, los investigadores compararon la expresión de estos 50 genes en pacientes con alzhéimer, en sujetos sanos, en chimpancés y en macacos. En todos los casos la expresión era muy similar, con pocas diferencias entre individuos de una especie, salvo en los pacientes con la enfermedad. Esto implicaría que estos genes serían importantes para el funcionamiento normal del cerebro y que su regulación se vería alterada por la enfermedad de Alzheimer.

Hay que recalcar, una vez más, que el que los cambios metabólicos sean la causa del alzhéimer o al revés es algo que desconocemos. Pero lo interesante de momento es que exista la correlación. Y no es una correlación cualquiera: la correlación entre la expresión de genes metabólicos y los resultados de tests cognitivos en pacientes con la enfermedad de Alzheimer es mayor que la correlación que aparece en la literatura médica entra las placas de beta-amiloide y los resultados de esos mismos tests. Estaríamos ante una relación fuerte entre declive cognitivo y metabolismo alterado.

Ni que decir tiene que el próximo paso es intentar identificar biomarcadores en sangre asociados a esos cambios metabólicos. A lo mejor, de aquí a un tiempo, un análisis de sangre rutinario anual a partir de los 50 años permitirá detectar precozmente la aparición del alzhéimer, con lo que ello conlleva para su estudio temprano y, en su día, para su tratamiento.

Referencia:

Stempler S, Waldman YY, Wolf L, & Ruppin E (2012). Hippocampus neuronal metabolic gene expression outperforms whole tissue data in accurately predicting Alzheimer's disease progression. Neurobiology of aging, 33 (9), 2147483647-2147483647 PMID: 22560482

Experimento: ¿sabes distinguir un neuromito?

¿Cuánto sabemos sobre el funcionamiento del encéfalo?¿Sabemos distinguir mitos de realidades?¿Podría ocurrir que algunos de nuestros comportamientos se base en un mito?¿Podríamos estar adoptando decisiones sobre la educación de nuestros hijos basándonos en mitos?

A continuación, tras la imagen (que es sólo un separador y no significa nada), encontrarás 32 afirmaciones. Unas son correctas y otras no. Te pido que participes en un pequeño experimento que consiste en lo siguiente:

• Lee atentamente las 32 afirmaciones
• Lleva la cuenta de cuantas crees que son falsas (no hagas búsquedas en Internet, no es un concurso; la idea es que te conozcas mejor a ti mismo)
• Publica un comentario (lo puedes hacer anónimamente) en el que indiques el número de afirmaciones falsas. El número, no es necesario que digas cuáles te lo parecen
• Difunde este experimento para poder alcanzar un número significativo de respuestas

La semana que viene daré a conocer qué afirmaciones son correctas y cuáles no y compararemos los resultados con los de un estudio en el que se ha usado este mismo cuestionario.

Espero que disfrutes y gracias por participar.

1 Usamos nuestros cerebros 24 horas al día

2 Los niños deben adquirir su lengua nativa antes de aprender una segunda. Si no lo hacen así nunca terminarán de dominar ninguna de las lenguas

3 Los chicos tienen encéfalos mayores que las chicas

4 Los estudiantes que no beben suficientes cantidades de agua (de 6 a 8 vasos al día) pueden sufrir una reducción del tamaño del cerebro

5 Se ha probado científicamente que los suplementos de determinados ácidos grasos (omega-3 y omega-6) tienen un efecto positivo en el rendimiento académico

6 Cuando un área del cerebro se ve dañada otras partes pueden asumir su función

7 Sólo usamos el 10% de nuestro cerebro

8 Los hemisferios derecho e izquierdo siempre trabajan juntos

9 Las diferencias en el dominio hemisférico (cerebro derecho, cerebro izquierdo) pueden ayudar a explicar las diferencias individuales entre estudiantes

10 Los encéfalos de chicos y chicas se desarrollan al mismo ritmo

11 El desarrollo cerebral ya ha terminado para cuando los niños llegan a secundaria

12 Hay períodos críticos en la niñez después de los cuales hay ciertas cosas que ya no se pueden aprender

13 La información se almacena en el encéfalo en una red de células distribuida en todo el encéfalo

14 El aprendizaje no se debe a la adición de nuevas células al cerebro

15 Las personas aprenden mejor cuando reciben información en su estilo de aprendizaje preferido (p.ej., auditivo, visual, kinestésico)

16 El aprendizaje se debe a la modificación de las conexiones neuronales en el encéfalo

17 El rendimiento académico puede verse afectado por no desayunar

18 El desarrollo normal del encéfalo humano implica el nacimiento y muerte de células cerebrales

19 La capacidad mental es hereditaria y no puede ser cambiada por el ambiente o la experiencia

20 El ejercicio intenso puede mejorar la función mental

21 Los entornos ricos en estímulos mejoran los cerebros de los niños preescolares

22 Los niños están menos atentos después de consumir bebidas o aperitivos dulces

23 Los ritmos circadianos (“relojes corporales”) se desplazan durante la adolescencia, lo que hace que los estudiantes estén cansados durante las primeras clases de la mañana

24 La ingesta regular de bebidas con cafeína reduce el estado de alerta

25 Los ejercicios que ensayan la coordinación de las capacidades perceptivo-motoras pueden mejorar las capacidades de aprendizaje

26 La repetición continua a lo largo del tiempo de algunos procesos mentales pueden cambiar la forma y estructura de algunas partes del encéfalo

27 Los estudiantes individuales muestran preferencias por el modo en el que reciben la información (p.ej., visual, auditiva, kinestésica)

28 Los problemas de aprendizaje asociados con diferencias en el desarrollo de la función cerebral no pueden ser solucionados por la educación

29 la producción de nuevas conexiones en el encéfalo puede continuar en la vejez

30 Las tandas cortas de ejercicios de coordinación pueden mejorar la integración de las funciones cerebrales de los hemisferios derecho e izquierdo

31 Hay períodos en la infancia en los que es más fácil aprender cosas

32 Cuando dormimos el cerebro se detiene

La dinámica neocortical discreta y los captchas de Blogger.

Si, cuando acabes de leer esta entrada, quisieras dejar un comentario tendrías que demostrar que no eres una máquina. Para ello el sistema te pedirá que identifiques dos imágenes, una fotografía de un número y una palabra distorsionada. Y tú, concentrándote un poco, eso sí, no deberías tener mayor problema en hacerlo. Sin embargo, una máquina no podría. ¿Por qué? Porque nuestro cerebro resuelve categorías y las máquinas, de momento, no pueden. Pero, ¿cómo lo hace? Un estudio reciente arroja algo de luz sobre el asunto.

¿Cómo puedes reconocer la cara de una amiga independientemente de las condiciones de luz, de cómo lleve el pelo o del maquillaje? ¿Cómo las personas que conocían a Dora Maar la reconocían en el retrato que Picasso hizo de ella en 1937 y que abre esta entrada? ¿Cómo es que oímos las mismas palabras independientemente de que las pronuncie un varón o una mujer, un adulto o un niño, gritando o susurrando? El cerebro humano tiene la asombrosa capacidad, aunque estemos tan habituados a ella que nos parece lo más normal del mundo, de convertir una avalancha de datos sensoriales en una serie de categorías y objetos definidos. Esta capacidad de crear invariantes en un mundo cambiante es extremadamente difícil de reproducir en una máquina. Por eso funcionan los captcha.

Brice Bathellier, del Instituto de Investigación en Patología Molecular (Austria), encabeza un estudio que demuestra que son determinadas características de las redes neuronales del cerebro las responsables de la formación de estas categorías. Los resultados se publican en Neuron.

Los investigadores produjeron una serie de sonidos y controlaron la actividad de agrupaciones de neuronas del córtex auditivo mediante microscopía de dos fotones/calcio, una técnica que combina la microscopía de fluorescencia de 2 fotones con los efectos que en la fluorescencia de las tinciones usadas tiene la presencia de iones de calcio y que permite el análisis en tiempo real de circuitos neuronales intactos con una resolución de células individuales. Encontraron que grupos de 50 a 100 neuronas mostraban un número limitado de patrones de actividad en respuesta a los diferentes sonidos.

A continuación seleccionaron dos sonidos base (A, B) que producían diferentes patrones de respuesta y construyeron mezclas (combinaciones lineales aA+bB) de ambos. Cuando el ratio (a/b) de la mezcla se hacía variar continuamente la respuesta no era un cambio continuo en los patrones de actividad de las neuronas sino, por el contrario, una transición brusca.

Este tipo de comportamiento dinámico recuerda el de las redes artificiales con atractores. Una red con atractores es una red que evoluciona hacia un patrón estable con el tiempo. Las redes con atractores se usan en neurociencia computacional para modelar procesos neuronales como la memoria asociativa y el comportamiento motor, así como en métodos de aprendizaje de máquinas de inspiración biológica. Este tipo de redes se había propuesto como solución al problema de la categorización por parte de algunos especialistas en inteligencia artificial.

Experimentos posteriores monitorizando el comportamiento de los ratones confirmaron estos resultados. Se entrenó a un grupo de ratones a discriminar entre dos sonidos. Se les exponía entonces a un tercer sonido y se seguía su reacción. Los experimentadores eran capaces de predecir cuantitativamente el comportamiento de los ratones a partir de los patrones de actividad cortical, dependiendo de si la reacción al tercer sonido era más parecida al primer o al segundo sonido, lo que indicaría una similitud en la percepción.

Estos resultados indicarían que estados de red discretos podrían ser el sustrato para la formación de categorías. Los autores sugieren que la estructura jerárquica de las representaciones discretas podrían ser esenciales para la funciones cognitivas más elaboradas como el procesamiento del lenguaje.

Referencia:

Bathellier B, Ushakova L, & Rumpel S (2012). Discrete neocortical dynamics predict behavioral categorization of sounds. Neuron, 76 (2), 435-49 PMID: 23083744

La geometría del hombre gordo.

Robert se sobresaltó con el timbre del teléfono a pesar de llevar esperando casi media hora desde que solicitase la conferencia.

• Profesor, el profesor...eerr...Johnny, al habla

Robert pasó por alto la falta de protocolo de su secretaria. Nadie se sentía a gusto con el apellido de Johnny.

• Johnny, aquí Robert...Sí,sí, todos bien. John, deja lo que estés haciendo y vente para aquí. Te necesitamos....Sí...Sí...Si no fuese urgente y de extrema importancia no te lo pediría de esta manera....Eso no puedo prometértelo...Sabes que no puedo darte más información por teléfono...De acuerdo, será solo una consulta para resolver este problema concreto. Estate tranquilo, sé como trabajas. Tendrás lo que necesites....Sí, ¡ja, ja! Tendrás un documento con el problema planteado y todos los condicionantes esperándote....Bien, sí, ¡ja,ja! Te veo dentro de tres días...Ah, y Johnny, ¡köszönöm!

El buen humor de la conversación se disipó pronto. Robert estaba en un callejón sin salida y recurrir a Johnny era su as en la manga. Su único as. Si Johnny no encontraba una solución, y pronto, todo el trabajo que estaban haciendo sería un auténtico desperdicio de talento, dinero y tiempo. Sobre todo de precioso tiempo.

Sabía que Johnny estaba al tanto del Proyecto en líneas muy generales, pero no de los últimos desarrollos ni de los condicionantes no puramente técnicos, así que se dispuso a prepararle un pequeño informe, suficientemente exhaustivo, para que se ubicase rápidamente tanto él dentro del Proyecto, como el problema en el contexto del desarrollo.

Informe de situación

ALTO SECRETO

Nos falta uranio apropiado 

Tenemos localizados cuatro depósitos importantes de mineral de uranio: Colorado, norte de Canadá, Joachimstahl y el Congo Belga. Todos menos Joachimstahl están en manos aliadas. Un estudio que realizamos en 1942 afirmaba que había suficientes cantidades de uranio para satisfacer las necesidades del proyecto. Pero esto no es así por motivos técnicos. Paso a ponerte en antecedentes. 

A comienzos del siglo pasado el mineral de uranio se recuperaba como subproducto en minas de Sajonia, Bohemia y Cornualles. La primera extracción específica de menas radioactivas tuvo lugar en Jáchymov, que los nazis llaman por su nombre alemán, Joachimthal, un lugar conocido por su minería de la plata. Curie usó pecblenda de Jáchymov para aislar el radio que, como ahora sabemos, es un producto de la desintegración del uranio. 

La extracción se produce en estos lugares por el contenido en radio. Como seguramente sabes el radio contenido en las menas de uranio se usa para hacer pintura luminosa para los diales de los relojes y otros instrumentos. El uranio es un subproducto que se viene usando como pigmento amarillo. 

En los Estados Unidos la primera mena de radio/uranio fue descubierta en 1871 en una mina de oro cerca de Central City, en Colorado. Sin embargo la mayor parte se produce en la meseta del Colorado, entre Utah y Colorado, asociada a la extracción de vanadio. Aquí compramos oficialmente vanadio, pero pedimos que no lo purifiquen. Nosotros separamos después el mineral de uranio. No es un sistema muy rentable. Las concentraciones de uranio son bajas. 

Otra fuente de suministro es Port Radium, cerca del lago Gran Oso, en Canadá, donde Eldorado Mining and Refining Limited tiene grandes cantidades de residuos como consecuencia de su extracción de radio. 

Estos minerales de uranio se encuentran en rocas sedimentarias, por lo que no tienen mucho rendimiento para nosotros. 

Desde el punto de vista del rendimiento es mucho más interesante un depósito precámbrico que hay en Katanga, en el Congo Belga, descubierto en 1913, que explota la Union Minière du Haut Katanga. Nuestros amigos ingleses nos han tenido que echar una mano para conseguir que reabrieran la mina, que estaba inundada, y comenzasen a suministrarnos. 

Pero si obtener uranio nos está costando trabajo, obtener el que nos interesa mucho más. El uranio consiste en un 99,3% de uranio-238 y un 0,7% de uranio-235, pero sólo este es fisible. Ambos isótopos son químicamente idénticos y tenemos que separar el U-235 del U-238. En Oak Ridge y aquí nos hemos devanado los sesos ideando métodos de separación. 

El método más obvio, la centrifugadora, falló desde el primer momento. Ahora estamos usando separación electromagnética, difusión gaseosa y difusión térmica. A Groves se le ocurrió la idea de que el producto de una planta fuese la materia prima de otra, por lo que te puedes hacer una idea de la productividad. Tras todos estos años y esfuerzos no tenemos ni 50 kg. Con estas limitaciones no podemos ni plantearnos hacer pruebas.

La alternativa

Nos planteamos entonces aprovechar la disponibilidad de U-238 para obtener plutonio-239 que también es fisible. En un reactor nuclear bombardeamos uranio natural con neutrones. El U-238 se transmuta en U-239, que se desintegra rápidamente, primero en Np-239 y después a Pu-239. De supervisar todo esto se están encargando Fermi y Compton en un juguetito que se han construido en Oak Ridge al que llaman reactor de grafito X-10.

El problema es que sólo se transforma una pequeña cantidad de U-238, por lo que tenemos que separar el Pu-239 químicamente del uranio que no ha reaccionado, de las impurezas iniciales y de otros productos de fisión. De esto se han encargado Seaborg y Thomson con un proceso que llaman del fosfato de bismuto (otro dolor de cabeza que no viene al caso que te cuente ahora). Lo que hacen es jugar con los estados de oxidación del plutonio +4 y +6 en disoluciones de fosfato de bismuto. En las condiciones en las que el estado es +4 el plutonio precipita; en las que es +6 se queda en disolución y todo lo demás precipita. Ya te haces una composición de lugar.

Todo este trabajo con el plutonio se basaba en las propiedades que habíamos estudiado con plutonio-239 fabricado en un ciclotrón. Este Pu-239 era extremadamente puro y sólo lo pudimos crear en cantidades muy pequeñas. Cuando recibimos el primer envío desde Oak Ridge Segrè se dio cuenta de que allí había más Pu-240 del deseable, con lo que teníamos un 500% más de riesgo de fisión espontánea que con el Pu-239 puro del ciclotrón. Cuando se lo comento a Seaborg, va y me recuerda un informe que hizo hace más de un año en el que predecía que el Pu-239 puede absorber un neutrón y convertirse en Pu-240. Que él, desde el punto de vista químico, se lava las manos: si separar U-235 del U-238 era dificilísimo, separar Pu-239 del Pu-240 es prácticamente imposible.

En el dispositivo que tenemos diseñado para el U-235, que es una especie de tubo de cañón, tenemos separadas masas de material fisible que en el momento de activación son empujadas la una contra la otra por explosivos convencionales. Pero esto no lo podemos hacer con el plutonio, porque en cada trozo se podría perder suficiente energía como para dispersar la masa crítica con sólo que se desintegrase un poco de plutonio.

El problema

Necesitábamos un diseño alternativo. Neddermeyer propuso el de la implosión que, después de estudiarlo concienzudamente, nos parece viable y, a decir verdad, nuestra única esperanza de ser capaces de producir más de un dispositivo. En este método usamos explosivos para compactar una estructura subcrítica de material fisible en una forma más pequeña y densa. Cuando los átomos fisibles están empaquetados más densamente el ratio de captura neutrónica aumenta y la masa pasa a ser masa crítica. Como, en el caso que nos plantemos, el Pu-239 tiene que desplazarse un trayecto muy corto dentro del dispositivo y se mantiene a baja densidad, disminuimos la probabilidad de que se produzcan las pérdidas fatales que origina el otro método.

Las investigaciones de Neddermeyer apuntan a que vamos en la buena dirección. Pero las dificultades teóricas e ingenieriles son mucho más complejas de lo que anticipamos. Estamos colapsados. Adjuntos encontrarás los informes de Neddermeyer y los datos que puedas necesitar.

Post scriptum:

Prefiero ponerte aquí por su importancia una pequeña nota sobre normas que sí debes memorizar y cumplir a rajatabla. Las otras te las adjunto y son las habituales de seguridad en instalaciones militares de alto secreto que ya conoces.

Higiene en las instalaciones

Debes evitar todo contacto con el material fisible o sus contenedores. Debes usar bata, guantes y mascarilla si entras en el laboratorio. Se ha detectado en trabajadoras de empresas de relojería que pintan con radio muchos casos de cáncer. Muller publicó en 1927 que la radiación produce mutaciones genéticas. Además puede quemar la piel con facilidad. Las dosis altas de radiación son incompatibles con la vida.

• Estás seguro, Robert, ¿un matemático?
• Seguro, Groves. Si Johnny no lo resuelve, no lo resuelve nadie.

Hacía sólo dos horas de esa conversación y Robert la rememoraba, nervioso, mientras esperaba en la estación. Nunca antes había dependido tanto su carrera de otra persona.

Johnny bajó del tren con su traje de tres piezas impecable más propio para uno de los típicos tés de Princeton, a pesar de venir al desierto de Nuevo México. Tras los saludos habituales fueron directamente al grano. Johnny leyó el informe en el coche y ojeó los documentos adjuntos durante media hora. Después se quedó mirando el paisaje en silencio. Silencio que Robert respetaba; sabía que Johnny estaba pensando. Cuando ya divisaban las cercas del complejo Johnny habló:

• Necesitaré un sitio tranquilo en el que trabajar. Donde nada ni nadie me moleste. Y necesitaré a las dos mejores computadoras, y por mejores entiendo que hagan sus cálculos bien a la primera, con rapidez y pulcritud.
• Del lugar no te preocupes. Te he reservado un pequeño bungalow en el extremo de la base donde no te molestará nadie, yo me encargo de eso. Respecto a las computadoras le pediré a Feynman que las seleccione.
• ¿El chico de Bethe? Bien.
• Oye, Johnny, ¿por qué dos?
• Porque existe la posibilidad de que genere ecuaciones al doble de velocidad de lo que una computadora competente pueda calcular. Y no pienso pasar mi tiempo aquí esperando a que alguien termine de sumar.
• Ya veo. ¿Cuando quieres empezar?
• Ya he empezado. Estoy convencido de que el problema es básicamente geométrico.

La noticia de que Johnny estaba en las instalaciones corrió como la pólvora. Robert tuvo que dar órdenes estrictas para que nadie se acercarse a saludarle, por muy amigo, compatriota o colega que fuese.

La luz en el bungalow de Johnny no se apagó esa primera noche hasta bien entrada la madrugada. Había mandado recado de que no necesitaría a las computadoras hasta las 7 de la mañana. A las 12 del día siguiente pidieron unos sándwiches de la cantina. A las 9 de la noche las computadoras, visiblemente agotadas, regresaron a sus habitaciones del pabellón de mujeres. Johnny seguía despierto a las 2 de la madrugada. Los guardas lo veían pasear arriba y abajo en el saloncito del bungalow estudiando lo que parecían ser los mismos papeles una y otra vez.

• Profesor, eeer...Johnny está aquí.
• Gracias, Anne. Pasa, pasa, Johnny. ¿Necesitas alguna cosa? Siéntate.
• Sí, un coche que me lleve a la estación. Tal y como te dije es un problema puramente geométrico. Aquí tienes el resultado.
• Pero...
• Está más que comprobado. Funcionará. Sólo tienes que encontrar los explosivos de velocidades adecuadas. Kistiakowski es mejor que yo en eso. Dale este papel, él sabrá lo que tiene que hacer. Aquí tienes los cálculos y aquí mis conclusiones. Tu tubo de cañón se ha convertido en un hombre gordo, me temo. Léelas que me voy a casa, no aguanto el desierto.

El documento no podía ser más breve.

Conclusiones

No sólo estoy de acuerdo con que la implosión reduce el riesgo de predetonación, sino que además considero que hará un mejor uso del material fisible disponible.

Muchos de los problemas que Neddermeyer se ha encontrado surgen de usar una configuración cilíndrica. En documentos adjuntos encontrarás la demostración de que la geometría esférica es la óptima.

Recomiendo el uso de lentes explosivas para configurar una onda de choque implosiva que garantice una geometría esférica. Estas lentes explosivas están constituidas por explosivos de distinta velocidad, rápidos y lentos, cuya onda expansiva se combina hacia dentro para obtener la geometría buscada. Los parámetros a buscar experimentalmente están dentro de los rangos que te especifico en el documento adjunto.

Es muy probable que la configuración óptima, dependiendo de los explosivos disponibles y sus características, esté constituida por 20 hexágonos y 12 pentágonos alrededor del núcleo esférico de material fisible, según este esquema:

                                           

• ¿Están claras?
• Diáfanas.
• Pues me voy. ¿Está el coche?
• No vas a ver a los muchachos. Están deseando saludarte.
• No, son demasiados. Ya he charlado un rato esta mañana con Ulam y Feynman y ya es suficiente para mí. Hasta nos han hecho una foto. Sólo diles que von Neumann estuvo aquí. Ellos entenderán.

                                                                       

Pasados los años Robert conservaba una copia de aquella foto. Representaba para él el momento cumbre del proyecto antes de la prueba, cuando supo que lo lograrían: en la foto aparecían sus muchachos agotados después de meses dando lo mejor de sí mismos y un genio venido de otro mundo que solucionaba con matemáticas lo que aquellos físicos y químicos brillantes metidos a ingenieros no alcanzaban.

Esta entrada es la modesta respuesta de Experientia docet al reto de redactar un texto con la capacidad de participar en 7 carnavales (matemáticas, física, química, biología, geología, tecnología y humanidades).

A efectos prácticos esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVIII Edición del Carnaval de Química (en XdCiencia), en la XXXV Edición del Carnaval de la Física (en Últimas noticias del cosmos) y en la 3,1415926 del Carnaval de Matemáticas (en Series divergentes).