DIVULGACION CIENTIFICA DE CIENTIFICOS
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viernes, 16 de febrero de 2024
CIENCIA, y...
miércoles, 4 de octubre de 2023
¿Por qué se envejece? - Alberto Quintero Gámez
Antiguos filósofos afirmaron que la cesación de un fenómeno es producto de su surgimiento; todo lo que alguna vez nace está condenado a permanecer y morir. Dado que el conocimiento en el ser humano es adquirido de una forma dualista (porque es como se le presenta el universo), solo a través del surgimiento se puede definir la cesación y solo a través de la cesación se puede definir el surgimiento. Por lo tanto la degeneración que presenciamos en nuestra propia vida al pasar los años no solo nos pertenece a los seres vivos, en realidad aplica de forma natural a todos los fenómenos que nos rodean, los edificios cambian y desaparecen, al igual que las ciudades, montañas, océanos, planetas, galaxias y todo el universo en un constante movimiento sin descanso.
Al margen del profundo carácter filosófico que puede
tener el plantearse preguntas sobre el declive inherente en todos los fenómenos
que nos rodean, partiendo de esa intriga generada por los filósofos como sus
predecesores, la ciencia en la actualidad dominada por una corriente de
pensamiento más materialista, ha intentado estudiar qué ocurre físicamente en
los organismos que consideramos seres vivos que produce su desaparición. Los
organismos vivos son maquinarias muy complejas al compararlas con las
desarrolladas por los seres humanos, tienen componentes muy variados y
funciones muy complejas que dependen de una gran cantidad de interacciones.
Nuestros coches son maquinas bastante simples en
comparación con nuestros organismos, al fallar alguna de sus partes o tener un
daño grave en su estructura el coche dejara de funcionar y se podrá desmontar
para usar de nuevo los materiales que le conformaron, de forma similar nuestro
organismo cuando se encuentra con el daño de algún componente o sufre daños
generalizados se detiene y el material que lo conforma es transformado con el
paso del tiempo por el entorno. Pero a diferencia del coche que se detiene
cuando se presenta un fallo, los seres vivos parecen tener un límite a su
propia vida aunque ningún problema se presentase, las células parecen estar
programadas para transcurrido un tiempo especifico detener su funcionamiento.
¿Podría esto tener algún sentido cuando el deseo de todas las especies es
seguir existiendo? ¿Qué propósito puede tener el envejecimiento? ¿Puede ser
beneficioso?
Es evidente que una de las características de los seres
vivos es su diversidad, existe una variedad enorme de pequeños organismos e
incluso en la actualidad hay siete mil millones de humanos todos con
características muy diferentes los unos de los otros. Esta diversidad se genera
debido a que en el proceso de división celular ocurre de forma constante.
Pequeños cambios en el código que define lo que será ese organismo, son cambios
aleatorios que en ocasiones pueden ser útiles para la existencia del organismo
y en otras ocasiones no tanto, generando de esta forma variedad. El intercambio
de información genética entre organismos diferentes puede acelerar el ritmo con
el que se produce esta diversidad.
Los nuevos organismos con ligeras diferencias respecto a
sus progenitores podrían tener mejores características para relacionarse con su
entorno superando obstáculos mientras que otros no tanto, y es evidente que
sería muy útil para el progreso de todo el conjunto que los que no tuviesen
tanto éxito pudiesen retirarse de la escena de forma de hacer más espacio para
los nuevos organismos mejorados, obviamente los menos aptos desaparecerían al
igual que el coche por algún desperfecto de una de sus partes o un daño
generalizado pero sería mucho más eficiente acelerar el proceso.
Por lo tanto aquellas especies con periodos de vida más
cortos tendrían más diversidad y por lo tanto mayor oportunidad de conseguir
cambios que les fuesen útiles. Una evidencia clara de lo enunciado
anteriormente son las moscas que tienen periodos de vida tan cortos como una
semana y existen cerca de 150.000 especies, mientras que en las hormigas que viven
entre 1 mes y 3 años existen cerca de 15.000 especies, finalmente dentro del
grupo de animales más longevos como la medusa “Turritopsis nutricula” que es
famosa por revertir el proceso de envejecimiento una vez alcanzada la madurez
sexual y rejuvenecer de forma que vive prácticamente hasta ser devorada por un
depredador, pertenece a la clase Hydrozoa dentro de la cual hay unas 3.000
especies.
Investigaciones actuales han comenzado a entender como
este complejo proceso de envejecimiento inducido en los organismos es posible.
Se han identificado secciones en los extremos de los cromosomas denominadas
telómeros que tienen la función de preservar la estabilidad estructural de los
cromosomas, a partir de este conocimiento se han generado teorías sobre el envejecimiento
adjudicando a estos telómeros el papel de reloj celular al definir el número de
divisiones celulares posibles hasta que la célula muere. En el proceso de
división celular estos telómeros se van haciendo cada vez más cortos, hasta
alcanzar un límite en el cual no pueden desempeñar su papel de protector de la
estructura del cromosoma y se interrumpe la división celular, las células no
solo son incapaces de reproducirse sino que activan el proceso de apoptosis o
muerte celular programada. Esta apoptosis tiene una función esencial en el
desarrollo de la vida, evitando problemas como el cáncer que es la reproducción
de forma indiscriminada de una célula ya dañada por medio de la producción de
telomerasa una enzima que evita el acortamiento de los telómeros, otro ejemplo
es la diferenciación de los dedos humanos durante el desarrollo embrionario por
la apoptosis de las células de las membranas intermedias. Por lo tanto aunque
resulte un poco irónico la muerte celular programada es causa de vida.
Finalmente aunque en nuestras pequeñas mentes entendamos
el universo como un conjunto de fenómenos discretos la realidad es un continuo
sin fronteras en constante movimiento, investigadores como Alex Wissner Gross
proponen que la capacidad de un ente para desarrollar inteligencia y ser
consciente de su entorno es producto de una maximización de la entropía o grado
de desorden del mismo, solo los sistemas altamente entrópicos pueden producir
seres que son capaces de ser conscientes del entorno. Este estado de máxima entropía
estará favorecido por el hecho de que hayan muchos surgimientos y cesaciones en
periodos más cortos de tiempo, por lo que el envejecimiento acelerado traerá un
beneficio evolutivo dando la posibilidad de generar seres tan maravillosamente
complejos como lo somos los seres humanos, siendo capaces de experimentar la
vejez, poder preguntarse porque esto ocurre y no detenerse hasta encontrar una
respuesta.
Si el tiempo es solo una abstracción para expresar lo que
observamos o es una variable con carácter físico que efectivamente puede ser
modificada de forma de viajar en ambas direcciones, no solo en un línea recta
apuntando al futuro, es un tema de la física más que de la biología, de poder
mover el tiempo en dirección inversa los fenómenos ocurrirán en dirección
inversa, todos los hechos ocurrirían también hacía atrás, la evolución de los
organismos incluida dentro de ellos. Es mejor que haya avance aunque eso
implique envejecer.
Alberto Quintero Gámez
Investigador en Universidad Carlos III de Madrid
jueves, 28 de septiembre de 2023
¿Qué es el hidrógeno metálico? - Carlos M. Pina
La
mayoría de los elementos químicos de la tabla periódica se clasifican como
metales. Los metales poseen una serie de propiedades comunes, entre las cuales
destacan su brillo característico, su alta conductividad eléctrica y térmica,
su maleabilidad y su ductilidad. Todas estas propiedades se pueden explicar
teniendo en cuenta el tipo de enlace que une a sus átomos. En los metales, los
núcleos atómicos se encuentran muy próximos unos a otros, rellenando el espacio
de la forma más eficiente posible y permaneciendo unidos entre sí gracias a una
nube o gas de electrones que los envuelven. Los electrones de esa nube, además
de reflejar la luz y proporcionar a los metales su especial brillo, tienen una
gran libertad de movimiento, lo que explica que la electricidad y el calor se
transmitan fácilmente a través de ellos. Además, la relativa debilidad de los
enlaces que forman los metales permite que sus átomos puedan deslizarse unos
respecto a otros. Ello tiene como consecuencia que se puedan deformar y estirar
con facilidad. Un caso extremo de deslizamiento de átomos en un metal lo
encontramos en el mercurio, que a temperatura ambiente no presenta una estructura
cristalina como la mayoría de los metales sino que es líquido.
Como bien nos dice Isaac Asimov en su libro “Cien
preguntas básicas sobre la Ciencia”, para que se produzca el enlace metálico y
existan electrones móviles es necesario que entre el núcleo atómico y los
electrones más externos que se encuentran a su alrededor haya un número de
capas electrónicas que apantallen la atracción electrostática que ejercen los
núcleos (con carga positiva) sobre los electrones (con carga negativa). Estas
capas son más numerosas en los elementos químicos con un alto número atómico y
que, por lo tanto, poseen un gran número de electrones. Este es el caso, por
ejemplo, del potasio, el hierro o el oro. A diferencia de estos átomos, el
átomo de hidrógeno solo tiene un protón y un electrón, que suele compartir con
el electrón de otro átomo de hidrógeno para formar la molécula gaseosa H2.
Al no haber apantallamiento posible, pues no existen capas electrónicas
inferiores, los electrones compartidos están fuertemente ligados a sus núcleos
en la molécula de H2 y, en consecuencia, el hidrógeno no tiene
propiedades metálicas en condiciones ambientales. Sin embargo, se ha especulado
mucho sobre la posibilidad de que el hidrógeno se convierta en un metal bajo
condiciones de elevada presión y temperatura.
En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell
Huntington predijeron que para que el hidrógeno se transforme en un metal
serían necesarias elevadísimas presiones [1]. Se estima que una presión
superior a la que existe en el núcleo terrestre (unos 3,5 millones de
atmósferas) podría obligar a los protones del hidrógeno a empaquetarse de forma
compacta. Solo entonces los electrones quedarían libres y se obtendría
hidrógeno metálico líquido, algo parecido al mercurio. No obstante, el
hidrógeno metálico sería un compuesto bastante diferente de los metales que
conocemos y se presentaría como un estado de la materia degenerado con
propiedades singulares. Así, se piensa que el hidrógeno metálico podría ser
superconductor a temperatura ambiente y comportarse también como un
superfluido. Por otro lado, algunos científicos creen que el hidrógeno metálico
podría permanecer de forma metaestable durante cierto tiempo, es decir sin
transformarse inmediatamente en hidrógeno ordinario una vez eliminada la
presión necesaria para formarlo. Si esto fuera así, el hidrógeno metálico
líquido podría emplearse como un combustible limpio (pues su combustión solo
produciría agua) y con una eficacia energética casi cinco veces superior a los
combustibles H2/O2 empleados actualmente. El empleo de
este nuevo combustible permitiría, entre otras cosas, aumentar la potencia de
las naves espaciales y, por tanto, acortar considerablemente la duración de los
viajes a otros planetas. Este potencial
uso del hidrógeno metálico como combustible, junto con sus propiedades
electrónicas y sus posibles aplicaciones tecnológicas derivadas, han hecho de
su obtención una importante meta científica.
A pesar del gran interés que existe por el hidrógeno
metálico y del gran número de experimentos realizados para obtenerlo, los
resultados han sido hasta la fecha limitados. En 1996, un grupo de científicos
del Lawrence Livermore National Laboratory (EE.UU.) comunicó que había conseguido casualmente detectar durante un
milisegundo la formación de hidrógeno metálico durante un experimento en el que
sometieron hidrógeno molecular líquido a temperaturas de varios miles de grados
y presiones de algo más de un millón de atmósferas [2]. Este resultado fue en
cierto modo sorprendente, pues experimentos previos realizados por otros
investigadores empleando hidrógeno molecular sólido y presiones de hasta 2,5
millones de atmósferas no habían dado lugar a la formación de hidrógeno
metálico.
Desde entonces, los intentos
para obtener hidrógeno metálico han continuado en laboratorios de todo el
mundo. En 2011, científicos del Max Planck Institut (Alemania)
publicaron un artículo en el que afirmaron haber conseguido hidrógeno metálico
a presiones entre 2,6 y 3 millones de atmósferas, pero su hallazgo fue
posteriormente cuestionado por otros investigadores [3,4]. En 2015, un grupo de
investigadores de los Sandia National Laboratories (EE.UU) publicaron
unos prometedores resultados tras llevar a cabo una serie de experimentos
empleando la llamada máquina Z, un moderno generador de ondas
electromagnéticas de alta frecuencia [5]. Estos experimentos se realizaron
aplicando ondas de choque combinadas con enormes campos magnéticos y parece que
han constituido un claro progreso en una búsqueda que dura ya varias décadas.
Sin embargo, y a pesar de los avances realizados en los últimos años, las
condiciones de presión y temperatura para la síntesis del hidrógeno metálico
todavía no están totalmente definidas y la investigación prosigue en la
actualidad.
La búsqueda del hasta ahora esquivo hidrógeno metálico no
se limita a los experimentos de laboratorio, sino que se extiende al espacio.
Desde hace tiempo, los científicos piensan que existen grandes masas de
hidrógeno metálico líquido en el interior de Júpiter y quizá también en algunos
grandes planetas extrasolares. Júpiter es el mayor de los planetas de nuestro
sistema solar y su masa es unas 320 veces mayor que la de la Tierra. Su
atmósfera está formada por 90 % de hidrógeno, 10% de helio y una cantidad inferior al 0.1 %
de metano, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y otros gases. Las capas
interiores del planeta están también mayoritariamente compuestas por hidrógeno
y se cree que su relativamente pequeño núcleo es rocoso. Debido a su enorme
masa, la presión en Júpiter aumenta desde unas dos atmósferas en zonas de su
superficie hasta unos 100 millones de atmósferas en su núcleo. Los científicos
están convencidos de que el aumento de presión en el interior de Júpiter tiene
que resultar inevitablemente en la transformación del hidrógeno molecular en
hidrógeno metálico a una cierta profundidad, si bien todavía no se sabe cuál es
esa profundidad. La confirmación de la existencia de una capa de hidrógeno
metálico y la medida de su espesor resultarán fundamentales para explicar cómo
se genera el enorme campo magnético de Júpiter. Actualmente se piensa que este
campo magnético se debe a la combinación de grandes masas de hidrógeno metálico
(que se comporta como un excelente conductor de electrones) con la rápida rotación
de Júpiter, cuyo día apenas dura 10 horas.
El pasado 4 de julio de 2016 llegó a Júpiter, después de
casi cinco años de viaje, la sonda espacial Juno.
Enviada por la NASA, Juno tiene como
misión principal estudiar la gravedad y los campos magnéticos de Júpiter. Para
ello orbitará alrededor de los polos del planeta hasta febrero de 2018. Durante
las 37 órbitas que realizará enviará constantemente a la Tierra medidas
del campo magnético y de la composición de Júpiter (1). El análisis de esas
medidas permitirá comprender mejor cómo funciona la inmensa dinamo de Júpiter y
qué papel juega el hidrógeno metálico en ella. Mientras tanto, los científicos
seguirán intentando en la Tierra sintetizar esa extraordinaria forma de la
materia.
Notas:
Bibliografía:
[1] On the possibility of a metallic modification of hydrogen (1935) E. Wigner & H.B. Huntington. Journal of Chemical Physics 3 (12): 764.
Carlos M. Pina
Doctor en Ciencias Geológicas
Profesor Titular, Universidad Complutense de Madrid