martes, 30 de noviembre de 2010

Una posible explicación a la separación izquierda-derecha en la Tierra prebiótica.


Un estereoisómero es una molécula que tiene los mismos enlaces átomo a átomo que otra molécula, pero difiere en la orientación espacial de sus átomos. Dos estereoisómeros son enantiómeros si la imagen especular de uno no puede ser superpuesta con la del otro. Se dice que son quirales (del griego χειρο, mano), como las manos, la izquierda es la imagen especular de la derecha.

La quiralidad es una característica importante en la química de la vida ya que los aminoácidos, los azúcares, las enzimas y los receptores presentes en los organismos vivos son indefectiblemente levógiros o dextrógiros (el efecto sobre la luz polarizada, girando su plano a la izquierda o a la derecha respectivamente, es la forma habitual de distinguir a los enantiómeros) pero no ambos . Es a esto a lo que se llama homoquiralidad de la vida. Además los organismos no tienen la misma respuesta a los enantiómeros y muchos componentes activos de los fármacos son quirales. Se ve claramente que comprender el origen de la preferencia por los enantiómeros levógiros que tienen los seres vivos no solamente es útil para conocer mejor el origen de la vida sino también para el desarrollo de los fármacos del futuro.

Un equipo de investigadores encabezado por Cristóbal Viedma, de la Universidad Complutense de Madrid (España), ha desarrollado un método que permite enriquecer una mezcla racémica (en la que hay casi igual proporción de enantiómeros) en una transformación sólido-gas, y que podría explicar cómo fue posible que se separasen los enantiómeros en la Tierra primitiva. Los resultados se publican en Chemical Communications.

Viedma y sus colegas han sido capaces de aumentar la pureza de un enantiómero frente al otro de la valina, cuyo enantiómero levógiro es uno de los veinte aminoácidos que forman las proteínas. Los investigadores eligieron este aminoácido para la investigación porque se ha encontrado en meteoritos en mezclas no racémicas, correspondiendo las proporciones con las obtenidas en simulaciones de las condiciones del medio interestelar.

El equipo sublimó (pasó de sólido a gas) una mezcla de valina, pero con una distribución de enantiómeros 40:60. Para ello calentaron un matraz sobre una placa a 430 C durante 3 minutos, creando un gradiente de temperaturas. Cuando la valina, sublimada en el fondo del matraz, condensó en las paredes del mismo, formó un conglomerado. Un conglomerado es una de las cuatro formas en las que puede cristalizar una mezcla racémica. Consiste en una mezcla de cristales de enantiómeros puros, es decir, cristales de L-valina (levógira) y D-valina (dextrógira); de hecho, se pueden extraer cristales puros de la mezcla. Sin embargo, cuando el equipo continuó calentando el matraz encontró que los cristales formados sublimaban de nuevo depositándose en cristales ya formados, amplificando de esta manera el exceso de enantiómero original. Este efecto se encontró tanto en matraces abiertos como cerrados, por lo que se pueden imaginar procesos similares en las cercanías de los volcanes de la Tierra primitiva.

Los sistemas de enriquecimiento de enantiómeros se estudian mayoritariamente en sistemas sólido-líquido. Sin embargo, una transformación gas-sólido como la de este trabajo tiene mucho interés porque puede ser plausible en los primeros pasos de la vida en la Tierra o en las regiones espaciales donde se forman los planetas.

Referencia:

Viedma, C., Noorduin, W., Ortiz, J., Torres, T., & Cintas, P. (2011). Asymmetric amplification in amino acid sublimation involving racemic compound to conglomerate conversion Chemical Communications DOI: 10.1039/c0cc04271d



lunes, 29 de noviembre de 2010

Por qué la gente inteligente cree/dice/hace cosas irracionales.


¿Cómo puede alguien tan inteligente hacer algo tan tonto? Todos nos hemos hecho esta pregunta en alguna ocasión al ver a algún amigo o pariente, por lo demás perfectamente inteligente, hacer alguna estupidez.

La gente compra caro y vende barato. Creen en el horóscopo. Asumen que “eso”, sea lo que sea, nunca les puede ocurrir a ellos. Lo apuestan todo al negro por que ahora “toca” negro. Piensan que un número concreto de la lotería es trascendente, porque lo relacionan con algo importante o conocido para ellos y que, por esto mismo, es más probable que toque. Se toman una ración extra de tarta pero piden sacarina para el café. Hablan por teléfono o encienden un cigarrillo mientras conducen. Después de perder un buen montón de dinero, siguen metiendo más en lo mismo porque ya llevan mucho “invertido”. Asumen que una burbuja financiera o inmobiliaria no estallará nunca. Vuelve a votar al mismo incompetente que está llevando al país a la ruina. Etcétera.

La razón por la que la gente inteligente hace algunas veces cosas estúpidas es que inteligencia y racionalidad son cosas diferentes. La incapacidad para hacer cosas racionales a pesar de ser inteligente la llamaremos disracionalidad.

Desde que Charles Spearman propusiera allá por el año 1904 la existencia de un “factor general de inteligencia”, g, como base de la función cognitiva, la definición y medición de la inteligencia no ha podido ser algo más controvertido. Por ejemplo, hay quien argumenta que la inteligencia está constituida de muchas capacidades cognitivas diferentes. Hay otros que quieren ampliar la definición de inteligencia para incluir las inteligencias “emocional” y “social”.

Podemos considerar, para lo que nos interesa ahora, la inteligencia medida por los tests de cociente intelectual como un constructo útil. No nos es necesario siquiera entrar a discutirlo ni a matizarlo. La idea importante es que la inteligencia por sí misma no garantiza un comportamiento racional. En otras palabras puedes ser inteligente sin ser racional. Y puedes ser un pensador racional sin ser especialmente inteligente.

Empecemos por dejar estas ideas claras experimentalmente. Intenta resolver este problema antes de seguir leyendo: “Antonio está mirando a Beatriz, pero Beatriz está mirando a Carlos. Antonio está casado, pero Carlos no. ¿Está una persona casada mirando a una persona soltera?”. Las respuestas posibles son: “sí”, “no” y “no puede ser determinado”.

¿Ya tienes tu respuesta? Pues sigue leyendo.

Más del 80 por ciento de las personas contestan incorrectamente. Si llegaste a la conclusión de que la respuesta no puede determinarse, eres una de ellas. La respuesta correcta es, “sí”, una persona casada está mirando a una soltera.

La mayoría de nosotros creemos que necesitamos saber si Beatriz está casada para poder responder a la pregunta. Pero considera todas las posibilidades. Si Beatriz está soltera, entonces una persona casada (Antonio) está mirando a una soltera (Beatriz). Si Beatriz está casada, entonces una persona casada (Beatriz) está mirando a una soltera (Carlos). En cualquier caso la respuesta es “sí”.

La mayoría de la gente tiene inteligencia suficiente para llegar a esta conclusión, basta añadir algo como “piensa lógicamente” o “considera todas las posibilidades” para que lo hagan. Pero si no se indica nada, como ahora, no recurrirán a todas sus capacidades mentales para resolverlo (más sobre esto más abajo).

Esta es una de las mayores fuentes de disracionalidad. Todos somos avaros cognitivos que intentamos evitar pensar demasiado. Esto tiene sentido desde un punto evolutivo. Pensar requiere tiempo, es intensivo en recursos y, algunas veces, contraproducente. Si el problema a resolver es evitar al ataque de un depredador no te puedes permitir perder una fracción de segundo en decidir si saltas al río o trepas a un árbol. Por eso hemos desarrollado una serie de reglas empíricas (heurística) y prejuicios para limitar la cantidad de capacidad mental que empleamos en un problema dado. Estas técnicas proveen respuestas aproximadas y ya preparadas que son correctas muchas veces, pero no siempre.

Por ejemplo, en un experimento, un investigador ofreció a los sujetos un dólar si, a ciegas, sacaban una gominola roja de un recipiente que contenía una mayoría de gominolas blancas. Los voluntarios podían escoger entre dos recipientes: uno con nueve gominolas blancas y una roja y el otro con 92 blancas y ocho rojas. Entre el treinta y el cuarenta por ciento de los sujetos que realizaron el ensayo escogió el recipiente mayor, a pesar de que la mayoría comprendía que una probabilidad del ocho por ciento de ganar era peor que una del diez por ciento. El atractivo visual de ver más gominolas rojas se sobrepuso a su comprensión de la probabilidad.

¿Tú que harías en una situación similar? Hagamos un experimento. Considera el siguiente problema: “Se detecta el brote de una enfermedad que puede matar a 600 personas si no se hace nada. Hay dos tratamientos posibles. El Opción-A salvará a 200 personas. El Opción-B te da un tercio de probabilidades de que se puedan salvar las 600, y dos tercios de que no se salve ninguna. ¿Qué tratamiento eliges?”

Bien, ¿has elegido ya? Continuamos.

La mayoría de las personas que hacen este ejercicio elige la opción A. Es mejor garantizar que 200 personas se salven que arriesgarse a que todo el mundo muera. Pero si formulamos la pregunta de esta manera “La Opción-A significa que morirán 400 personas; la Opción-B te da un tercio de probabilidades de que no muera nadie y dos tercios de que mueran 600”, la mayoría elige la B, es decir, se arriesgan a matar a todos por una probabilidad menor de salvar a todos.

El problema, desde un punto de vista racional, es que las dos situaciones son idénticas. Lo único que varía es que la pregunta se formula de forma diferente para enfatizar que en la opción A morirán con seguridad 400 personas, en vez de que se salvarán 200. Esto se conoce como efecto perspectiva y su uso en publicidad está muy extendido (su descripción cuantitativa le valió un premio Nobel a Daniel Kahneman en 2002): la forma en que se presenta una pregunta afecta de forma dramática a la respuesta que se obtiene y puede llevar incluso a respuestas contradictorias.

Otro efecto es el de obstinación. En un experimento los investigadores hacían girar una ruleta trucada que sólo se paraba en el 10 o en el 65. Cuando la rueda se paraba los investigadores pedían al voluntario una estimación del porcentaje de países africanos en la Naciones Unidas. Los que veían el 65 daban un número mayor que aquellos que veían el 10. El número influía en sus respuestas (las anclaba, de ahí el nombre del efecto en inglés “anchoring”) a pesar de que pensaran que el número era completamente arbitrario y sin significado.

La lista de reglas empíricas y prejuicios cognitivos es muy extensa: buscamos pruebas que confirmen nuestras creencias y descartamos las que no las favorecen, evaluamos las situaciones desde nuestro punto de vista sin considerar la otra parte, nos influye más una anécdota llamativa que las estadísticas, creemos que sabemos más de lo que realmente sabemos, creemos que estamos por encima de la media, estamos convencidos que a nosotros no nos afectan los prejuicios como a los demás, etc., etc.

Finalmente existe otra fuente de disracionalidad, lo que llamaremos “huecos en el equipamiento mental”. Por equipamiento mental entendemos el conjunto de las reglas cognitivas, estrategias y sistemas de creencias aprendidos. Incluye nuestra comprensión de la probabilidad y la estadística así como nuestra disposición a considerar hipótesis alternativas cuando tratamos de resolver un problema. El equipamiento mental forma parte de lo que se suele llamar inteligencia cristalizada. Sin embargo, algunas personas muy educadas y muy inteligentes nunca adquieren un equipamiento mental adecuado. Otra posibilidad es que el equipamiento mental esté “contaminado”, por supersticiones por ejemplo, lo que lleva a decisiones irracionales.

La disracionalidad tiene importantes consecuencias para el día a día. Puede afectar a las decisiones financieras que tomes, a las políticas gubernamentales que apoyes., a los políticos que elijas y, en general, a tu capacidad para construir la vida que quieres. Por ejemplo, los ludópatas obtienen resultados más bajos que la media en varios tests de pensamiento racional. Toman decisiones más impulsivas, es menos probable que consideren las consecuencias futuras de sus acciones y es más probable que crean en números afortunados y desafortunados. También obtienen malos resultados en la comprensión de la probabilidad y la estadística. Así, es menos probable que entiendan que cuando se arroja una moneda al aire, cinco caras seguidas no significa que en la siguiente tirada el que salga cruz sea más probable. Su disracionalidad no les hace sólo malos jugadores, sino jugadores con problemas: personas que continúan jugando a pesar de hacerse daño a ellos mismos y a su familia.

Cuando se comparan los resultados que obtiene una misma persona en los tests de cociente intelectual habituales con los que miden el nivel de racionalidad se encuentra que no tienen por qué estar correlacionados entre sí. En algunas tareas existe una disociación casi completa entre pensamiento racional e inteligencia. Así, por ejemplo, tú puedes pensar más racionalmente que alguien mucho más inteligente que tú. De la misma forma, una persona con disracionalidad es casi tan probable que tenga una inteligencia por encima de la media como que la tenga por debajo.

Para comprender el origen de las diferencias en la racionalidad de las personas pensamos que la teoría de Keith Stanovich, de la Universidad de Toronto (Canadá), y padre del término disracionalidad (dysrationalia), es muy útil y simple. Stanovich sugiere que pensemos en la mente como constituida por tres partes. La primera es la “mente autónoma” que es la que usa la mayor parte de los atajos (prejuicios) cognitivos problemáticos. Stanovich la llama “procesamiento del tipo 1”. Funciona rápida y automáticamente y sin control consciente.

La segunda parte es la “mente algorítmica”. Es la que se embarca en el “procesamiento de tipo 2”, el pensamiento lento, trabajoso y lógico que miden los tests de inteligencia.

La tercera parte es la “mente reflexiva”. Decide cuándo basta con la mente autónoma y cuándo echar mano de la maquinaria pesada de la algorítmica. Es la mente reflexiva la que determinaría hasta qué punto eres racional. Tu mente algorítmica puede estar lista para entrar en combate, pero será de poca ayuda si nunca se la llama.

Cuándo y cómo la mente reflexiva entra en acción está relacionado con una serie de rasgos de personalidad, incluyendo si eres dogmático, flexible, de mente abierta, capaz de tolerar la ambigüedad o concienzudo.

La buena noticia es que el pensamiento racional puede ser aprendido. Una serie de estudios muestra que una buena manera de mejorar el pensamiento crítico y racional es pensar y analizar lo opuesto a tu primera conclusión. Una vez que esta práctica se convierte en hábito te ayuda, no sólo a considerar hipótesis alternativas, sino a evitar trampas como las que tienden los prejuicios cognitivos.

¿Quieres tener una indicación de cómo eres de racional? Aquí tienes un microtest.

Referencia:

Este texto se basa en una idea original de Kurt Kleiner

Microtest de Racionalidad ED

Aunque la inteligencia que miden los tests de cociente intelectual es importante, también lo es la capacidad para pensar racionalmente. La sorpresa es que las personas menos inteligentes habitualmente obtienen resultados igual de buenos que las muy inteligentes en los problemas que comprueban la racionalidad. A continuación aparecen 6 preguntas muy fáciles, que hemos dado en llamar el “Microtest de Racionalidad ED”, pero que te permitirán comprobar si eres un pensador racional. Si quieres comprobar tus resultados compáralos con las soluciones que aparecen en los comentarios. Para saber más sobre la diferencia entre inteligencia y racionalidad puedes leer "Por qué la gente inteligente cree/dice/hace cosas irracionales".


MICROTEST DE RACIONALIDAD ED


    1. Una chocolatina y un caramelo han costado 1,10 €. La chocolatina cuesta 1 € más que el caramelo. ¿Cuánto cuesta el caramelo?

    2.¿Es la siguiente conclusión válida lógicamente?

    Premisa 1: Todos los seres vivos necesitan agua

    Premisa 2: Las rosas necesitan agua

    Por tanto las rosas son seres vivos.

    3. El virus XYZ causa que 1 de cada 1.000 personas enfermen. Un ensayo siempre indica correctamente si una persona está infectada. El ensayo tiene una tasa de falsos positivos del cinco por ciento, en otras palabras, el ensayo indica erróneamente que el virus XYZ está presente en el cinco por ciento de los casos en los que una persona no tiene el virus. ¿Cuál es la probabilidad de que un individuo que dé positivo tenga realmente el virus?

    4. Hay cuatro cartas sobre una mesa. Cada una tiene una letra por una cara y un número por la otra. Las cartas se ven así:

    K A 8 5

    Considera esta regla: si la carta tiene una vocal en una cara entonces tiene un número par en la otra. ¿A qué cartas sería necesario y suficiente dar la vuelta para averiguar si la regla es verdadera o falsa?

    5. Según un estudio realizado por el Departamento de Transportes de los Estados Unidos (DTEU), un coche alemán concreto tiene una probabilidad 8 veces superior a la de un coche familiar típico estadounidense de matar a los ocupantes de otro coche en un accidente. El DTEU está considerando recomendar una prohibición de la venta de este coche alemán. ¿Estarías de acuerdo con esta prohibición?

    6. Tras 99 lanzamientos de una moneda se han obtenido 99 caras. ¿Cuál es la probabilidad de que en el próximo salga "cruz"?


jueves, 25 de noviembre de 2010

Cómo crear un nano-rotor molecular autoensamblado que funcione.



Un grupo de investigadores dirigidos por Johannes Barth, de la Universidad Técnica de Múnich (Alemania), se las ha ingeniado para que moléculas lineales se autoensamblen para formar rotores que giran de forma controlada en las celdillas de una red bidimensional con forma de panal. Todo ello de unos pocos nanómetros de tamaño y visualizado por microscopía de efecto túnel. Los resultados se publican en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

La naturaleza brinda el modelo para estos sistemas autoorganizados. Es la forma de actuar de las enzimas cuando aproximan reactivos de tal forma que puedan tener lugar las reacciones, reacciones que sólo pueden tener lugar cuando las moléculas están muy cerca. Los catalizadores actúan también de esta manera: los reactivos se encuentran en la superficie de estos facilitadores. Sin embargo, el sueño de usar la autoorganización de tal manera que las nanomáquinas se ensamblen ellas mismas es aún un futurible. Los rotores del equipo de Barth son un paso importante en esta dirección.


Los investigadores crearon en primer lugar una estructura bidimensional, para ser precisos una capa de un sólo átomo de grosor (similar al grafeno), haciendo reaccionar átomos de cobalto con moléculas lineales de sexifenil-dicarbonitrilo [el prefijo sexi (6) indica que el fenilo se repite linealmente, si estuviesa ramificado o los fenilos no estuviesen unidos entre sí, se usaría hexa; es la misma diferencia que existe entre bifenil y difenil] sobre una superficie de plata. El resultado es una trama parecida a un panal de extrema regularidad y llamativa estabilidad [véase la imagen a la derecha].

Cuando los investigadores añadieron más reactivos, las moléculas lineales se agregaron espontáneamente, típicamente en grupos de tres, en una celdilla, quedando las celdillas de alrededor vacías. ¿Por qué en grupos de tres? Los investigadores usaron un microscopio de efecto túnel para averiguarlo. Las tres moléculas se orientaban de tal manera que su nitrógeno final se encontrara frente a un hidrógeno de un anillo fenilo. Esta configuración de rotor de tres palas es tan ventajosa energéticamente que incluso cuando un aumento de la temperatura hace que empiece a girar la siguen manteniendo.

Como la celdilla no es circular sino hexagonal, existen dos disposiciones diferentes para los rotores que pueden distinguirse como consecuencia de las interacciones entre los nitrógenos externos y los átomos de hidrógeno de la pared de la celdilla. Además, las tres moléculas pueden tener una configuración horaria (en el sentido de las agujas del reloj) o antihoraria. El equipo de investigadores fue capaz de “congelar” los cuatro estados y examinar con detalle sus características. De esta manera pudieron determinar a qué temperatura umbral comienza a rotar cada configuración.

El potencial de estas estructuras autoorganizadas es enorme. Puede extenderse a interruptores ópticos o electrónicos, por ejemplo. Se puede establecer un tamaño de celdilla e introducir otras moléculas y ver cómo interactúan con la superficie base y las paredes y abrir, de esta forma, todo un nanomundo para explorar.

Esta entrada partcipa en la XIII edición del Carnaval de la Física, que este mes organiza Gravedad cero.

Referencia:

Kuhne, D., Klappenberger, F., Krenner, W., Klyatskaya, S., Ruben, M., & Barth, J. (2010). Rotational and constitutional dynamics of caged supramolecules Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1008991107




miércoles, 24 de noviembre de 2010

La estructura del genoma no está relacionada con la complejidad morfológica.


El genoma recién descrito de un animal marino, pequeño y transparente, rompe todas las reglas estructurales que hasta ahora se creían importantes en los genomas de los animales, echando por tierra la creencia de que las características arquitectónicas comunes a los genomas, que se observan en todo el reino animal, se mantienen por selección natural.

Un equipo de investigadores de más de una veintena de centros de investigación han participado en este proyecto, dirigidos por Daniel Chourrout (Universidad de Bergen, Noruega) y Patrick Wincker (Universidad de Evry, Francia) y entre los que se encuentra Ismael Cross (Universidad de Cádiz, España), secuenció y analizó el genoma de Oikopleura dioica, el genoma animal más pequeño conocido, con solamente 70 millones de pares de bases (Mb). Los resultados, que se publican en Science, muestran que el genoma puede ser muy flexible y seguir manteniendo la funcionalidad.

Se han observado similitudes muy notables en la organización del genoma de especies tan distantes como los humanos y las esponjas marinas. Estos elementos comunes del genoma (que incluyen el orden de los genes, la organización de los intrones y exones y la variedad de genes de desarrollo) han hecho que se infiriese que la arquitectura genómica animal es esencial para preservar la función, por lo que sería mantenida activamente por la selección natural. El genoma de Oikopleura pone en cuestión esta inferencia.

Oikopleura [en la imagen un ejemplar joven] es un urocordado planctónico que evoluciona muy rápidamente, con mutaciones constantes en sus genomas nuclear y mitocondrial. Esta evolución rápida se debe probablemente al hecho de que el animal pasa la mayor parte de su vida justo debajo de la superficie del océano, bombardeado por rayos ultravioletas y otros mutágenos.

Cuando el equipo de investigadores comparó el genoma de Oikopleura con los del resto de animales de distintas ramas animales encontró que no había ninguno similar. Estas son las tres diferencias principales:

· El genoma era extremadamente compacto, con poco más o menos el mismo número de genes que el genoma humano (aproximadamente 18.000) pero usando una secuencia de ADN 40 veces más corta.

· Mientras que los animales, desde las anémonas a los primates, han conservado la localización física relativa de ciertos genes, los de Oikopleura parece que hubiesen sido barajados como un mazo de cartas: comparado con los demás parece que los genes estuviesen dispuestos al azar. Sin embargo, Oikopleura tiene muchas de las mismas características fenotípicas de otros urocordados con una arquitectura genómica “tradicional”.

· Otra peculiaridad son las localizaciones de los intrones, segmentos no codificantes de ADN que interrumpen las secuencias codificantes de la mayoría de los genes. La mayoría de las localizaciones de los intrones, otra característica estructural conservada en los filos animales, no aparecen y, por otro lado, hay otros muchos por todos lados. Aproximadamente 5 de cada 6 son nuevos. De aquellos, algunos son muy similares en secuencia a los intrones vecinos, lo que añade nueva leña al viejo debate: ¿de dónde vienen los intrones? Los intrones de la mayoría de los animales son tan antiguos que no se parecen en nada a sus precursores, por lo que ha sido difícil determinar sus orígenes. Pero algunos de los nuevos intrones de Oikopleura son muy similares unos a otros, incluyendo cuatro pares de intrones idénticos, lo que parecería indicar que los intrones pueden multiplicarse en el genoma.

En conjunto el genoma de Oikopleura dioica desafía la idea de que la arquitectura genómica “normal” observada en muchos animales se conserva como necesaria por la selección natural. Esta investigación hace dos cosas, por una parte aporta pruebas abundantes de que hay poca conexión entre la evolución de la complejidad morfológica y del desarrollo y los aspectos estructurales de la evolución del genoma. Y por otra pone de manifiesto, una vez más, al menos para quien esto escribe, que la ciencia no es otra cosa sino una forma organizada de escepticismo.

Referencia:

Denoeud, F., Henriet, S., Mungpakdee, S., Aury, J., Da Silva, C., Brinkmann, H., Mikhaleva, J., Olsen, L., Jubin, C., Canestro, C., Bouquet, J., Danks, G., Poulain, J., Campsteijn, C., Adamski, M., Cross, I., Yadetie, F., Muffato, M., Louis, A., Butcher, S., Tsagkogeorga, G., Konrad, A., Singh, S., Jensen, M., Cong, E., Eikeseth-Otteraa, H., Noel, B., Anthouard, V., Porcel, B., Kachouri-Lafond, R., Nishino, A., Ugolini, M., Chourrout, P., Nishida, H., Aasland, R., Huzurbazar, S., Westhof, E., Delsuc, F., Lehrach, H., Reinhardt, R., Weissenbach, J., Roy, S., Artiguenave, F., Postlethwait, J., Manak, J., Thompson, E., Jaillon, O., Du Pasquier, L., Boudinot, P., Liberles, D., Volff, J., Philippe, H., Lenhard, B., Crollius, H., Wincker, P., & Chourrout, D. (2010). Plasticity of Animal Genome Architecture Unmasked by Rapid Evolution of a Pelagic Tunicate Science DOI: 10.1126/science.1194167

martes, 23 de noviembre de 2010

Aracnofobia: el cerebro ante los miedos evolutivos.


En un famoso discurso Franklin Delano Roosevelt aseguró a sus conciudadanos que “lo único a lo que tenemos que temer es al miedo mismo”. El equipo de Dean Mobbs, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) ha querido introducir “el miedo mismo” en un entorno experimental en trozos manejables para inducir terror. Con objeto de revelar el circuito cerebral relacionado con el miedo ha recurrido a su encarnación material: una tarántula.

Las arañas hace mucho tiempo que ponen nerviosos a los humanos. Aunque éstos se mantengan relativamente tranquilos ante la presencia de un arácnido lejos de su espacio personal, los seres humanos vienen equipados con una necesidad innata de evitar el contacto con cualquier cosa semoviente, por pequeña que sea, que tenga más de seis patas. Hay estudios que afirman que más de la mitad de las mujeres y casi un quinto de los varones padecen aracnofobia. Dado que un encuentro con algunas de las especies más venenosas podría haber significado la muerte para los ancestros de los humanos actuales, algunos psicólogos evolutivos creen que estamos ante una predisposición evolutiva.

Todo esto hace de las arañas el estímulo espeluznante ideal con el que comprobar las respuestas humanas a las amenazas percibidas. El equipo de Mobbs estaba particularmente interesado en ver cómo el cerebro distingue entre lo cerca que está una amenaza y si ésta se acerca o se aleja. Publican sus resultados en los Proceedings of the National Academy of Sciences.

El equipo pidió a 25 voluntarios que se tumbasen en un escáner de resonancia magnética funcional (fMRI) con un pie en el primer compartimento de una caja construida expresamente para el experimento. La caja tenía otros cinco compartimentos, cada uno de 18 centímetros de longitud, todos separados por paredes que podían ser retiradas. Los participantes podían ver por vídeo la caja y sus contenidos, incluido su pie desnudo. A continuación el equipo introducía una tarántula en uno de los compartimentos vacíos elegido al azar. En pruebas posteriores, se les decía a los sujetos en qué compartimento se introduciría la tarántula a continuación y se les pedía que predijesen lo asustados que estarían cuando esto se hiciese. Entonces veían la tarántula viva deslizarse en el compartimento indicado y se les preguntaba por su estado de terror. Los investigadores hacían una pequeña trampa para asegurarse de que la tarántula se movía siempre igual para todos los probandos, usando videos pregrabados (de hecho, dos voluntarios se dieron cuenta de la trampa y sus datos hubieron de descartarse)

Los investigadores encontraron que el patrón de la actividad cerebral de sus voluntarios cambiaba dependiendo de en qué compartimento se colocaba la tarántula. Si se colocaba alejada del pie del voluntario la red básica del miedo, centrada en la amígdala, se mostraba tranquila mientras que el córtex prefrontal, habitualmente implicado en el razonamiento abstracto, estaba activo. Lo contrario ocurría cuando el compartimento estaba próximo al pie del sujeto.

Independientemente de en qué compartimiento estuviese la tarántula, si ésta comenzaba a deslizarse hacia el pie del sujeto, una susbsección concreta de la red del miedo, la que se piensa que es el circuito del pánico, se disparaba. Dado que esto ocurría independientemente de la distancia al pie, los datos del fMRI sugieren que los cerebros humanos tienen un mecanismo especializado para determinar la dirección del movimiento de una amenaza inminente. Los investigadores también encontraron que cuando el valor que habían predicho que iban a mostrar los sujetos no era igualado por la realidad, los mecanismos neurológicos implicados eran los mismos que se activan cuando alguien recibe un susto repentino.

La idea tras esta investigación es ser capaz de ayudar al diagnóstico y tratamiento de las fobias que, como el miedo a las serpientes o arañas, a las alturas o a estar confinado en un lugar cerrado, pueden tener un origen evolutivo. El miedo al miedo mismo puede que no entre en esta categoría.

Información complementaria sobre este estudio en El cerebro humano y las arañas

Referencia:


Mobbs, D., Yu, R., Rowe, J., Eich, H., FeldmanHall, O., & Dalgleish, T. (2010). Neural activity associated with monitoring the oscillating threat value of a tarantula Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1009076107

lunes, 22 de noviembre de 2010

Demonología aplicada: la información es energía.


Los científicos no son, en su propia imaginación por lo menos, muy dados a los mitos. Sin embargo hay una bestia mitológica que ha perseguido a físicos y químicos durante casi 150 años. En 1867 James Clerk Maxwell se preguntó si se podría obtener energía del aire a baja concentración, en aparente contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Supuso la existencia de un homúnculo capaz de verlo todo que podría lograrlo, un homúnculo que fue casi inmediatamente conocido como el demonio de Maxwell.

La segunda ley, una de las más famosas de la física, afirma que el orden no puede surgir de forma espontánea. Es necesario realizar trabajo para crearlo, y ese trabajo (en el sentido técnico de cantidad de energía que mueve cosas) se convierte en calor en el proceso. Dado que el calor no es más que el movimiento desordenado de moléculas, el orden creado por el trabajo realizado se ve más que compensado por el incremento en el desorden molecular.

El demonio de Maxwell, sin embargo, puede superar esta dificultad. El homúnculo de Maxwell, en su experimento mental original, podía clasificar según sus velocidades las moléculas de aire que encontraba en dos cajas conectadas. Controlaba una trampilla entre las cajas y permitía sólo a las que se movían rápidamente (es decir, a las “calientes”) pasar en una dirección y sólo a las lentas (“frías”) en la otra. Cuando las moléculas habían sido todas clasificadas de esta manera la diferencia de temperatura entre las cajas podía, según la teoría, usarse para realizar trabajo útil de la misma forma que lo realiza la diferencia de temperatura entre las partes caliente y fría de una máquina de vapor.

Desde entonces la búsqueda de un sistema físico que se comportase como el demonio de Maxwell no ha cesado. En 1929 Leo Szilard añadió un matiz. Se dio cuenta de que Maxwell no había considerado la energía que necesitaría el demonio para decidir si una molécula se estaba moviendo rápida o lentamente. Esta decisión binaria es equivalente a un bit de información. Almacenar este bit, de tal forma que se pueda actuar sobre él, requiere energía. Szilard calculó que, a temperatura ambiente, un bit de información debería necesitar al menos 3·10-21 julios de trabajo para ser almacenado. No es que sea una cantidad muy grande precisamente, pero sí es la suficiente para equilibrar las ecuaciones y devolver las ecuaciones de la termodinámica a su estado inmaculado.

La observación de Szilard tuvo una implicación interesante: la información es, por sí misma, un tipo de energía; una observación que es de alguna manera análoga a la de Einstein para la masa, publicada 24 años antes. Ahora, 81 años después, un equipo de físicos encabezado por Shoichi Toyabe, de la Universidad Chuo (Japón), ha sido capaz de probar el principio de Szilard de equivalencia información/energía construyendo un demonio de Maxwell que funciona. Sus resultados se publican en Nature Physics.

Más que clasificar moléculas del aire en cajas, Toyabe y sus colaboradores usaron un objeto compuesto por dos bolitas de poliestireno, cada una de 287 nanómetros de diámetro, unidas entre sí y sumergidas en un líquido. Una de las bolitas estaba sujeta a una superficie de cristal de tal manera que cuando giraba la otra rotaba alrededor de ella. Este minúsculo rotor se movía en el sentido de las agujas del reloj o en contra conforme las moléculas chocaban con él desde un lado u otro. Los físicos usaron un campo eléctrico para aplicar par al motor, haciendo que fuese más difícil para el sistema que girase en contra de las agujas del reloj que a favor.

Toyabe compara el sistema con a una pelota en una escalera espiral (véase la imagen). Todo lo demás igual, cuando una pelota recibe un impulso de energía, es más probable que caiga un escalón que que lo suba. Sin embargo, si cada vez que sube uno, se coloca un tablero por parte de esta versión del demonio de Maxwell para evitar que lo vuelva a bajar otra vez, la pelota irá subiendo gradualmente la escalera, almacenando energía potencial conforme lo hace. Ésta puede convertirse en trabajo dejándola caer una vez más, una analogía de usar el movimiento de los gases frío y caliente en el experimento mental de Maxwell.

En el experimento del equipo de Toyabe, el impulso que movía la bolita venía de las moléculas del líquido que la impactaban aleatoriamente. Pero, debido al par en el sentido de las agujas del reloj, el rotor era mucho menos probable que se moviese en contra de las agujas del reloj (equivalente a la bola subiendo la escalera) que a favor (equivalente a bajar). Cada vez que conseguía moverse en contra , sin embargo, ese movimiento era detectado por una cámara: el ojo del demonio. La cámara estaba conectada a un ordenador que ajustaba el campo eléctrico para bloquear la correspondiente ganancia energética, almacenando información al hacerlo. La bolita estaba subiendo, en la analogía de Toyabe, la escalera.

El experimento fue lo suficientemente preciso para permitir a los investigadores calcular que alrededor del 28% de la energía almacenada como información en los movimientos de la bolita se convirtió en energía potencial del minirrotor, confirmando una predicción hecha en 1997 por Christopher Jarzynski (Universidad de Maryland; EE.UU.). En otras palabras, la máquina información/trabajo tenía una eficiencia del 28%. Esta cifra, obviamente, no tiene en cuenta todo el aparataje necesario para realizar el ensayo. Pero la hipótesis ha sido probada: la información es realmente energía.

Imagen cortesía de Mabuchi Design Office / Yuki Akimoto

Referencia:

Toyabe, S., Sagawa, T., Ueda, M., Muneyuki, E., & Sano, M. (2010). Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1821

jueves, 18 de noviembre de 2010

El tacto modula la neurogénesis en la médula espinal de adultos.



La exposición a nuevas sensaciones táctiles puede estimular la aparición de nuevas neuronas en la médula espinal de ratones, según un artículo que aparece en Molecular Psychiatry y que recoge las conclusiones del estudio llevado a cabo por el equipo de Michal Schwartz del Instituto Weizmann (Israel). Este resultado sugiere que la neurogénesis podría ser una componente importante del tacto. La neurogénesis en la médula espinal hasta ahora sólo se había documentado in vitro, el equipo de Schwartz informa de su detección in vivo en el asta posterior de la médula espinal.

El equipo de investigadores detectó que existía una proliferación de células progenitoras neuronales en el asta posterior de la médula espinal (marcada con el número 2 en esta imagen) de los ratones que estaban estudiando. Dado que esta parte de la médula espinal se sabe que está compuesta principalmente de neuronas sensoriales, los científicos se plantearon la hipótesis de que estas neuronas podrían estar participando en la nocicepción (sensación de dolor) y/o el tacto.

Para comprobar esta idea, el equipo colocó ratones durante dos horas en jaulas en las que se habían introducido sensaciones táctiles adicionales cambiando el suelo por papel de lija, grava, esponja o una combinación de los anteriores. El resultado no pudo ser más espectacular. Sólo dos horas después de ser expuestos a estos ambientes enriquecidos en sensaciones los ratones mostraban un incremento sustancial en el número de nuevas células en el asta posterior. La cantidad de neurogénesis era mayor en los ratones expuestos a los entornos con una combinación de materiales en el suelo, lo que sugiere que la proliferación celular podría ser una respuesta no sólo a la novedad del entorno, sino también a su diversidad.

Para determinar el papel de la neurogénesis en la habituación a los estímulos, los investigadores expusieron a un grupo de ratones a los distintos entornos repetidamente durante un período de 7 días y a otro grupo lo mantuvieron permanentemente en las distintas jaulas modificadas. En abierto contraste con los experimentos de una sola exposición, las exposiciones repetidas no supusieron un incremento en la neurogénesis, y la exposición continuada incluso parecía inhibir el proceso. Un análisis pormenorizado de las células reveló que, en vez de proliferar, las células recién formadas habían comenzado a diferenciarse, en su mayoría en neuronas GABAérgicas inmaduras. Las neuronas GABAérgicas son inhibidoras, por lo que podrían estar jugando un papel en la habituación.

Un aspecto llamativo es que estas neuronas inmaduras morían a las cuatro semanas. No está claro qué provoca esta muerte celular, pero en el tiempo que están vivas muy probablemente liberen GABA, como ya se demostró para este tipo de neuronas en el bulbo olfatorio, donde comienzan a liberar neurotransmisor a la semana del nacimiento.

De hecho, los hallazgos del equipo de Schwartz son muy similares al proceso de neurogénesis en adultos que tiene lugar en el bulbo olfatorio, donde se ha encontrado que la exposición a distintos olores estimula la proliferación celular. Por lo tanto el proceso de neurogénesis y diferenciación podría ser un fenómeno más general de la plasticidad de los órganos sensoriales.

El hallazgo de que la neurogénesis puede ser una parte integral de la sensación táctil podría tener implicaciones para la gestión del dolor y de las enfermedades dolorosas. Dado que estas nuevas neuronas GABAérgicas, inhibitorias, se generan donde las fibras nociceptivas terminan en la médula espinal podrían cambiar el umbral de dolor.

Referencia:


Shechter, R., Baruch, K., Schwartz, M., & Rolls, A. (2010). Touch gives new life: mechanosensation modulates spinal cord adult neurogenesis Molecular Psychiatry DOI: 10.1038/mp.2010.116

miércoles, 17 de noviembre de 2010

Las verdades matemáticas, ¿se inventan o se descubren?


Antes de entrar en materia un pequeño test. Reflexiona y responde sinceramente a cada pregunta.

  1. ¿Crees que los objetos matemáticos existen?

  2. ¿Crees que los objetos matemáticos son abstractos?

  3. ¿Crees que los objetos matemáticos son independientes de tu actividad racional?

  4. ¿Las verdades matemáticas se descubren o se inventan?


Si has respondido sí a las tres primeras preguntas eres un platónico matemático y lo mismo no lo sabías. Respecto a la cuarta pregunta, sigue leyendo.

El platonismo matemático es la posición de aquellos que mantienen que los objetos matemáticos existen, que son abstractos y que son independientes de nuestras actividades racionales. Por ejemplo, un platónico podría afirmar que el número pi existe fuera del espacio y el tiempo y que tiene las características que tiene independientemente de cualquier actividad, física o mental, de los seres humanos. Así, de la misma forma que los electrones y los planetas existen independientemente de nosotros, existirían los números y los conjuntos. Y, al igual que las afirmaciones acerca de los electrones y los planetas se hacen verdaderas o falsas al confrontarlas con los objetos a los que hacen referencia y sus características perfectamente objetivas, las afirmaciones acerca de los números y los conjuntos serán verdaderas o falsas por el mismo procedimiento. Consecuentemente, para el platónico las verdades matemáticas se descubren, no se inventan.

Paradójicamente a los platónicos matemáticos se les llama “realistas” aunque, estrictamente hablando, haya realistas que no son platónicos porque no aceptan el requisito platónico de que los objetos matemáticos tengan que ser abstractos.

El platonismo matemático disfruta de amplia aceptación y frecuentemente es la posición metafísica por defecto con respecto a las matemáticas. Mucha gente que ha estudiado matemáticas, pero que no ha reflexionado sobre la cuestión, es platónica sin saberlo, aunque en otros ámbitos sus posiciones filosóficas disten mucho del platonismo. Este hecho no es sorprendente dado lo natural que resulta su uso en el día a día. En concreto, el platonismo matemático acepta sin problemas verdades como que “existe” un número infinito de números primos y aporta explicaciones sencillas de la objetividad matemática y de las diferencias entre los objetos del espaciotempo y los matemáticos.

Los argumentos a favor del platonismo matemático son, en muchos casos, variaciones del argumento de Frege, y suelen incluir afirmaciones como que si las teorías matemáticas son ciertas entonces su estructura lógica debe referirse a objetos matemáticos, que muchas teorías matemáticas son objetivamente verdaderas y que los objetos matemáticos no son parte de la realidad espaciotemporal.

Los filósofos han desarrollado todo un abanico de objeciones al platonismo matemático. Entre ellas la más ampliamente citada por su robustez considera que los objetos matemáticos abstractos son algo epistemológicamente inaccesible y metafísicamente problemático. En otras palabras, por una parte el platonismo matemático requeriría una separación metafísica impenetrable entre los objetos matemáticos y los seres humanos. Pero, por otra, una separación metafísica impenetrable haría de nuestra capacidad para “referirnos a/tener conocimiento de/tener creencias justificadas sobre” los objetos matemáticos algo completamente misterioso. Sospechosamente parecido a la capacidad que, según la astrología, tienen algunos planetas y satélites de influir sobre la vida y destino de los humanos.

Responde de nuevo: ¿las matemáticas se inventan o se descubren? Puedes justificar tu respuesta en los comentarios.


Esta entrada es la contribución de Experientia docet al VIII Carnaval de Matemáticas, que este mes alberga Los matemáticos no son gente seria.




martes, 16 de noviembre de 2010

Otro estado más para el agua: cuasicristal.


Con al menos quince formas cristalinas diferentes, dos fases sólidas desordenadas diferentes (vidrios), y puede que dos estados líquidos diferentes, el agua es un transformista prodigioso. Pero el equipo de Valeria Molinero, Universidad de Utah (EE.UU.), anuncia ahora que el agua tiene todavía más ases en la manga. Parece ser que cuando se confina el agua entre dos placas separadas tan sólo 8,5 Angstroms (el espacio justo para dos capas moleculares) puede alcanzar un estado cuasicristalino en el que tendría una simetría dodecagonal, “prohibida”.

Aunque se había especulado con que el agua podía adoptar esta forma sólida, hasta ahora no se habían presentado pruebas firmes de que pudiera existir. No sólo eso, todos los cuasicristales conocidos hasta ahora han sido mezclas de dos o más componentes, lo que haría a este el primero monocomponente. Ahora bien, lo que el grupo de Molinero ha hecho es una predicción basada en simulaciones por ordenador, aún no hay una observación experimental.

Los cuasicristales se descubrieron por primera vez en 1984 en una aleación de aluminio y manganeso. Al igual que los cristales, generan patrones de difracción de los rayos X con puntos brillantes dispuestos simétricamente, pero con simetrías (pentagonales, decagonales, dodecagonales) que no pueden ser producidas por ningún empaquetamiento ordenado de partículas que sea regular. Por contra, los cuasicristales no son perfectamente periódicos: contienen disposiciones atómicas locales con estas simetrías prohibidas, pero que no se repiten exactamente.

El agua parece un buen candidato para formar un cuasicristal parecido al hielo, ya que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas favorecen la formación de anillos pentagonales.

El grupo de Molinero simuló el agua entre dos placas a presiones de hasta 5000 atmósferas: la presión favorece el empaquetamiento más compacto que proporcionan los anillos pentagonales frente al estándar hexagonal del hielo. Los investigadores encontraron una fase cristalina de simetría tetragonal formada por pentágonos unidos, y otra fase compuesta por pentágonos y hexágonos con una cuasisimetría dodecagonal.

Los investigadores admiten que las condiciones de las simulaciones son difíciles de crear experimentalmente, pero señalan un aspecto muy interesante. El estado del cuasicristal puede ser estabilizado sin aplicar presión, basta con modular la intensidad de la interacción agua-superficie. Por lo que podría ser concebible que pudiera conseguirse depositando una fina capa de agua sobre una sola superficie plana.

Referencia:

Johnston, J., Kastelowitz, N., & Molinero, V. (2010). Liquid to quasicrystal transition in bilayer water The Journal of Chemical Physics, 133 (15) DOI: 10.1063/1.3499323

Esta entrada participa en la XIII edición del Carnaval de la Física, que este mes alberga Gravedad Cero.