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Archive for the ‘Física’ Category

21 Días leyendo papers: día 1

17 septiembre, 2010 5 comentarios

La dificultad de la teorización en biología empuja a los teóricos muchas veces (y algunas con éxito) a tomar enfoques y herramientas conceptuales propios de paradigmas sólidos de la física. Así, analogías, equivalencias formales, aplicaciones y demás corruptela pueblan las revistas de biología teórica. Muchos de estos enfoques han resultado particularmente provechosos en genética de poblaciones (las ecuaciones de difusión en el modelo de Kimura, por poner un conocido ejemplo), y, desde mi cutre punto de vista, el artículo que comento en esta recién inaugurada sección proporciona realmente una perspectiva interesante.

Empecemos con la corrupción. El papel en cuestión fue publicado en PNAS por Sella y Hirsh en el 2005 con el sugerente título The application of statistical physics to evolutionary biology. En él, se justifica una bonita analogía entre una familia de modelos de evolución (modelos de fijaciones sucesivas) y determinados modelos termodinámicos. Los modelos de fijaciones sucesivas se enmarcan en el límite monomórfico (la tasa de mutación por el tamaño efectivo <<1) en el que una población se presenta en un solo estado mutacional. El modelo utilizado en el artículo considera las fuerzas evolutivas de mutación, selección y deriva, planteando un proceso de Markov para describir la evolución de un conjunto de poblaciones con un carácter determinado. Estos modelos constan de un vector inicial de probabilidades (de encontrarse la población fijada en un estado i) y una matriz de transición compuesta por las potabilidades de mutación y de fijación.

Para ese tipo de modelos, interesa conocer la distribución estacionaria de probabilidades (si tiene) y es aquí donde la analogía con la mecánica estadística nos puede echar una mano. Con pocas manipulaciones (y gracias a las convenientemente definidas probabilidades de transición) podemos obtener un análogo a la distribución de Boltzmann para la distribución estacionaria de probabilidades. En esta “distribución de Boltzmann” de la población en el espacio de genotipos, el tamaño efectivo actúa como la inversa de la temperatura mientras que la “energía” del alelo viene dado por la función de fitness evaluada en ese estado (función de energía). De este modo, cuando la población es infinita (baja temperatura) la probabilidad de encontrarse en un estado sólo depende del término selectivo (se encontrará en el estado de menor energía). Por el contrario, cuando la población es finita (temperatura alta) se puede alcanzar un compromiso entre la selección y la deriva.

Con todo, los autores desarrollan la analogía in extenso llegando a presentar un “fitness libre” que  se comporte como la función de estado de energía libre de un sistema termodinámico (monótona creciente con la evolución del sistema). Esta función de estado, de naturaleza extensiva para las simplificaciones realizadas por los autores,  depende de un término del fitness del sistema (una especie de fitness promedio extensivo) y de un  segundo término que evalúa la entropía de la distribución de probabilidades en el equilibrio. Así, además de presentar el incremento del fitness promedio como una consecuencia de la progresión del sistema (el teorema fundamental de la selección natural de Fisher) puede aplicarse a poblaciones finitas al considerar el término entrópico de la distribución de estados.

En definitiva, un artículo de los que vale la pena leer y meditar, por la sencillez de su planteamiento y la luz conceptual que este ofrece.

Materia vs Antimateria, la lucha por la existencia

25 mayo, 2010 15 comentarios

Nuestra existencia se ha discutido largamente en todos los ámbitos de pensamiento que han poblado la tierra, desde el ámbito religioso, pasando por el filosófico junto con el científico, y hasta las personas de la calle se han preguntado acerca de ello. No es una cuestión nueva, eso está claro, y respuestas de diversa índole no le faltan, desde luego. Pero más allá de disertar aquí sobre mi opinión de nuestra existencia me ha parecido oportuno comentar una noticia que es de lo más interesante y que concierne al tema de la existencia: la materia gana a la antimateria.

Resulta que no tenemos ni idea de la suerte que tenemos al existir. ¿Y esto por qué es? Según el Modelo Estándar de física, actualmente vigente como modelo que se acerca algo más a la realidad pero que no es ni de lejos perfecto, propone que la materia y la antimateria son simétricas en su mayor parte. Esto significa, básicamente, que se deberían anular una a otra en una grandísima parte además de continuamente produciendo energía y nuevas partículas y antipartículas según la ecuación de Einstein (E = m·c2), sin poder dar lugar a una materia, digamos, estable. Pero parece ser que esto no es exactamente así, ya que de hecho, tú estás leyendo ésto y no te has desintegrado aun.

El hecho es que investigadores de la Colaboración DZero en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de Batavia han observado que en esta pugna la materia tiene las de ganar, por lo menos en un porcentaje más alto de lo que permite el modelo actual. Se ha llegado a esta conclusión tras un análisis de los datos de 8 años de trabajo del colisionador de Tevatron, debido a las diferencias presentadas por los pares de muones/antimuones que surgen del decaimiento de los Mesones B.

El procedimiento consistió en la comparación de la distribución de cargas de los muones (μ+ y μ-) que salen de las colisiones proton-antiprotón en el Tevatron. Un fuerte campo magnético obliga a los muones a seguir trayectorias curvas y con curvatura opuesta. Primeron compararon la distribución cuando el campo apuntaba a una dirección (configuración 1) y luego compraron cuando el campo magnético fue invertido (configuración 2). De seguir el Modelo Estándar, no se deberían haber visto diferencias entre ambos procesos, pero se comprobó una anomalía de un 1%. Para que quede más claro, aquí tenéis la imagen simplificada del proceso.

Así pues, no cabe duda que es una noticia interesante. Sabíamos que éramos una anomalía de la confrontación materia/antimateria, pero estos resultados lanzan algo de verosimilitud a nuestra percepción y le otorgan cierta validez científica. Ahora bien, queda lo más importante y lo más difícil, explicar por qué.

Actualización (27/05/2010): errar es de humanos, y sobre estas cosa sobre las que no tengo mucha idea, es muy factible que me equivoque. Así que nada, 2 días después de poner mi entrada y unos 10 después de la noticia que comentaba, ya ha sido refutada por otro estudio.

Podeís mirar aquí para informaros más y mejor: http://francisthemulenews.wordpress.com/2010/05/27/el-detector-cdf-del-tevatron-contradice-al-detector-dzero-sobre-la-existencia-de-nueva-fisica-en-los-mesones-b-neutros/

Categorías:Divulgación, Física, Noticias

Happy Birthday L.A.S.E.R (8)

18 mayo, 2010 4 comentarios

Casi toda la blogosfera se ha hecho eco del 50 aniversario de nuestro amigo el láser. No siendo menos nosotros dedicaremos esta entrada a explicar someramente los principios de la acción láser.

Láser es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation puesto que la acción láser se basa en el fenómeno de la emisión estimulada para generar un haz de fotones monocromático, coherente y colimado. La emisión estimulada se produce cuando una partícula que se encuentra en un estado excitado de energía cambia a un estado inferior emitiendo un fotón de la misma frecuencia y en fase con el que ha sido utilizado para estimular dicho cambio. Un láser pues, constará de un conjunto de partículas que son bombeadas a un estado excitado mediante la aplicación de radiación electromagnética o una descarga eléctrica. Cuando una de estas partículas, por emisión espontánea, emita un fotón éste provocará la emisión estimulada en otra partícula amplificando el efecto. Para aumentar aún más la acción láser, a cada lado del sistema encontramos dos espejos, uno de ellos semiplateado (parcialmente transparente puesto que es el espejo de salida), que servirán para el rebote de los fotones con la consecuente estimulación de más partículas así como para colimar el haz.

Uno de los problemas para generar acción láser en el visible es que la emisión espontánea es mucho más probable en esta zona y los fotones emitidos de este modo se encuentran en cualquier dirección y fase, no siendo útiles para la acción láser. De hecho, la primera amplificación de radiación electromagnética por emisión estimulada se realizó en la zona del microondas (máser) donde la emisión espontánea es muy poco probable (aumenta con el cubo de la frecuencia de la transición). Para que sea posible la acción láser en el visible, deberemos encontrar estados excitados metaestables que tengan una vida media lo suficientemente grande como para que pueda predominar la emisión estimulada. Esto se consigue para sistemas con más de dos estados como el láser de tres niveles entre los que se encuentra el láser de rubí. En este tipo de láseres el bombeo se produce inicialmente al estado más energético de donde el sistema pasa no radiativamente a un estado metaestable que no vuelve con facilidad al fundamental. La transición al fundamental será estimulada produciendo la acción láser posteriormente. Los desarrollos posteriores llevaron a láseres de cuatro niveles en los que la inversión de población inicial es mucho más fácil al terminar en un estado no poblado de baja energía distinto del fundamental.

Espero haber aclarado los principios de la acción láser y que nuestro amigo haya pedido como deseo de cumpleaños un siglo XXI lleno de descubrimientos tan útiles como este.

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La (a)simetría del Universo.

Es una noción intuitiva que nuestro universo es simétrico. Podemos visualizar un paisaje y su imagen especular, y desconocer cuál de las dos es la imagen original. No porque ambas existan, sino porque ambas pueden existir. No tenemos por qué suponer que un determinado ente natural no pueda ser posible si cambiamos su derecha por su izquierda y viceversa. 

Sin embargo, sabemos que la asimetría existe. De hecho, el ejemplo más sencillo es que nosotros mismos somos asimétricos. Pero, al reflexionar sobre ello, nos damos cuenta de que no hay ninguna razón por la que debamos pensar que no podríamos ser precisamente como lo sería nuestra imagen en el espejo. Por supuesto, me estoy refiriendo a nuestra imagen macroscópica. 

Por otra parte, sí que es cierto que la vida tal y como la conocemos es intrínsecamente asimétrica. Aunque no podamos visualizarlo a simple vista, podemos llegar a comprobar cómo nuestra imagen especular, o la de cualquier otro ser, no puede aparecer como resultado de la historia evolutiva de la vida en la Tierra (o al menos, esto sería tremendamente improbable). Esto es debido a que todos los organismos terrestres partimos de un ancestro común intrínsecamente asimétrico en sus componentes bioquímicos más simples. 

D-Alanina y L-Alanina

 Una mirada a la organización estructural de estas moléculas nos revela que tanto los aminoácidos como los hidratos de carbono de todos los habitantes de nuestro planeta son, en su inmensa mayoría, de un sólo tipo. Esto significa que no encontraremos en la naturaleza la imagen especular de los aminoácidos y azúcares que componen nuestras estructuras celulares. Por lo tanto, si dispusiésemos de un zoom adecuado, podríamos distinguir a un ser terrestre de su imagen en el espejo.

 ¿Significa esto que dicha imagen no podría existir? La respuesta es no. Habría sido perfectamente plausible que el ancestro común a todos los organismos actuales hubiese poseído D-aminoácidos y L-azúcares como componentes más básicos de su estructura, en lugar de L-aminoácidos y D-azúcares, que son los habituales para todos los seres vivos. Podemos suponer que existía una probabilidad aproximada de 0.5 de cada una de las posibilidades, y la nuestra resultó ser la que se fijó. 

Por lo tanto, no podemos decir que en nuestro universo un proceso que ocurre de derecha a izquierda no pueda ocurrir de izquierda a derecha. ¿O sí? 

En los años 50, unos chavales chino-americanos, los físicos teóricos Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee, hicieron una observación inesperada: la simetría no se conserva en las interacciones nucleares débiles. Es decir, estas interacciones sólo ocurren en un determinado sentido en nuestro Universo. Una de las consecuencias de esta violación de la simetría consiste en que, dado un átomo concreto, los electrones tienden a brotar de él por uno de sus polos. El experimento clave, sugerido por Yang y Lee, que demostró que las conclusiones extraídas por estos autores eran correctas, fue llevado a cabo en 1956 por la también física chino-americana Chien-Shiung Wu, quien mostró que núcleos de cobalto 60 orientados en la misma dirección emitían electrones sólo por uno de sus polos. El mismo año de la publicación de los resultados recibieron Yang y Lee el Premio Nobel de Física (tal vez injustamente, Wu no fue premiada), lo que les convirtió en unos de los laureados más jóvenes de la historia (31 y 35 años, respectivamente). 

Más tarde se admitió a través de estudios teóricos que las interacciones nucleares débiles sí mantienen la simetría de una cierta manera. Pero para ello se requiere invertir la carga y el fluir del tiempo. Es decir, la imagen en el espejo será posible si invertimos la carga de las particulas (electrones por positrones) y recorremos el tiempo hacia atrás. 

Podemos deducir, con todo esto, que nuestro Universo sí es intrínsecamente asimétrico. Existe la posibilidad de distinguir, por tanto, lo real de lo especular, si somos capaces de observar el sentido en que se producen las interacciones nucleares débiles. Mientras no podamos hacerlo, podremos intercambiar libremente derecha e izquierda y seguiremos observando un Universo plausible, siempre y cuando no afecten a nuestra visión este tipo de interacción nuclear. La influencia que ello ha podido suponer en el origen y desarrollo de la vida en nuestro planeta y en otros procesos ha sido discutida por varios autores. Después de todo esto, ¿no os remueve un poco por dentro pensar que en el Universo es, en sí mismo, asimétrico? 

PS: Ésta y otras apasionantes cuestiones son tratadas por el gran Isaac Asimov, en su libro de ensayos El electrón es zurdo y otros ensayos científicos. Con su estilo característico, Asimov consigue acercar conceptos en ocasiones complejos a un lector no especializado y, como siempre, sus esfuerzos por ayudarnos a comprender mejor el Universo son exitosos. Altamente recomendada, como casi todas sus posibles lecturas (aunque puede que no haya tiempo en una vida humana para leer todo lo que el Buen doctor dejó como legado).

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