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En los últimos días, ciertos sectores de la sociedad parece que quieren iniciar un retroceso en el conocimiento científico sobre el origen de nuestro planeta y de la vida que habita el mismo, poniendo de nuevo al ser humano en el centro de todo. Cada vez que escucho comentarios de esta índole, recuerdo las palabras que solía decir una profesora ya jubilada del Departamento de Geología de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU): “los seres humanos nos creemos el ombligo del mundo y que podemos alterar todo lo que nos rodea. Pues para revolución de verdad, la que montaron unos organismos microscópicos hace más de 2000 millones de años”. Esta sentencia hacía que te sintieses como una pequeña mota de polvo dentro de la historia de nuestro planeta. Pero, ¿qué pudieron hacer estos microorganismos para liarla tan parda?

Para responder a esta pregunta debemos viajar hasta los orígenes de nuestro propio planeta. Se estima que, hace unos 4500 millones de años, la Tierra podría tener una atmósfera primitiva reductora, conformada por gases como dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2) y agua (H2O), muy inestable y débil, ya que esos gases escaparían al espacio. Pero, cuando nuestro nacimiento planetario se tranquilizó, hace entre 4400 y 3500 millones de años, gracias a procesos como la diferenciación de la corteza y el núcleo, el bombardeo de cuerpos extraterrestres y la aparición de océanos de agua líquida sobre la superficie, la Tierra contaría con una atmósfera secundaria estable. Esta capa atmosférica sería débilmente reductora y estaría compuesta por monóxido y dióxido de carbono (CO y CO2), hidrógeno (H2), agua (H2O), amoniaco (NH3) y metano (CH4).

Imagen de microscopio de cianobacterias del género Lyngbya encontradas en Baja California (México). Fuente:  NASA / Wikimedia CommonsLas cianobacterias y el Gran Evento Oxidativo

Bajo esta atmósfera primitiva, en la Tierra ocurrió uno de los eventos que nos diferencia de nuestros vecinos planetarios más cercanos, la aparición de la vida. Al principio, se trataba de células simples, unas bacterias primitivas sin núcleo diferenciado, que vivían en medios con salinidades y temperaturas extremas alimentándose de metano o compuestos metálicos. Pero rápidamente se les ocurrió la brillante idea de combinarse entre sí para convertirse en organismos más complejos, dando lugar a las cianobacterias. Aparecidas hace entre 3700 y 3400 millones de años, la principal característica de las cianobacterias es que son los primeros organismos fotosintéticos de la historia, por lo que fueron capaces de liberar moléculas de oxígeno (O2) gaseoso a la atmósfera.

Esta actividad bacteriana favoreció que tanto la atmósfera como las capas más superficiales de las aguas oceánicas pasasen a convertirse en débilmente oxidantes. Pero a las cianobacterias no les pareció suficiente. En los siguientes millones de años decidieron proliferar por todo el mundo, convirtiéndose en la forma de vida dominante de nuestro planeta. Esto provocó la liberación de cantidades cada vez mayores de oxígeno a la atmósfera hasta que, hace unos 2400 millones de años, generaron esa revolución de la que os hablaba al principio de este artículo: el Gran Evento Oxidativo, o GOE por sus siglas en inglés (Great Oxidation Event).

A) Estromatolitos actuales creciendo en las aguas poco profundas de la Hamelin Pool Marine Nature Reserve de Shark Bay (Australia). B) Estromatolitos fósiles en corte longitudinal, donde se observan las capas superpuestas de sedimento, encontrados en Québec (Canadá). Fuentes: A) Paul Harrison / Wikimedia Commons; B) André P. Drapeau / Wikimedia Commons

El GOE, ocurrido hace entre 2400 y 2100 millones de años, supuso un cambio radical de todo lo conocido hasta ese momento, así como el comienzo de todo lo que vino después. La atmósfera pasó de ser reductora o ligeramente oxidativa a completamente oxidativa, llegando a tener porcentajes de oxígeno incluso superiores a los de nuestra atmósfera actual; las aguas oceánicas también se convirtieron en oxidativas, tanto las masas más superficiales como las que circulaban por los fondos marinos; el oxígeno gaseoso reaccionó con el metano atmosférico, reduciendo la cantidad de este gas de efecto invernadero y, por tanto, disminuyendo la temperatura de nuestro planeta; y, debido a la disociación de las moléculas de oxígeno producida por la luz solar, se empezaron a combinar tres moléculas de oxígeno para generar la capa de ozono (O3) que recubre nuestro planeta y que lo protege de la radiación solar, efecto que favoreció la colonización de tierra firme, primero por las plantas y después por los animales, millones de años después.

Estas cianobacterias siguen pululando por nuestro planeta, aunque ya no son tan dominantes como en el pasado. Uno de los lugares donde se pueden encontrar en la actualidad son los mares cálidos y poco profundos de Australia, donde forman unas estructuras sedimentarias conocidas como estromatolitos. Precisamente, la presencia de fósiles de estromatolitos de hace casi 3700 millones de años nos aportan una de las evidencias de la aparición de las cianobacterias en la Tierra. Sin embargo, el registro fósil del GOE que a mí más me gusta son las Formaciones de Hierro Bandeado o BIF por sus siglas en inglés (Banded Iron Formations). Se trata de depósitos sedimentarios en los que se alternan capas de minerales de hierro oxidado, como el hematites (Fe2O3), de colores rojizos, con capas de silicio (SiO2) de colores grises y negros, que se formaron hace entre 2500 y 1800 millones de años. En este caso, la existencia de ese hierro oxidado, implica que las masas de agua que atravesaron estas partículas minerales antes de depositarse en los fondos oceánicos eran ya oxidativas y no reductoras.

Depósito de una Formación de Hierro Bandeado (BIF) generado hace unos 2100 millones de años encontrado en Norteamérica. Fuente: André Karwath / Wikimedia Commons

Como os decía al principio, volver la vista atrás en nuestra historia y comprobar que unos simples organismos microscópicos provocaron un cambio tan grande en todo el planeta, hace que se nos bajen mucho los humos. Si no se hubiesen puesto a liberar oxígeno a la atmósfera como si no hubiese un mañana, los seres humanos no estaríamos hoy en día sobre la Tierra, porque la evolución biótica de nuestro planeta es una historia maravillosa repleta de fantásticas casualidades que no debemos dejar que nos arrebaten.

Agradecimientos:

Quiero darle las gracias a Estíbaliz Apellaniz, profesora jubilada de Paleontología del Departamento de Geología de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), tanto por repetir continuamente la frase con la que abro este artículo, como por despertarnos la curiosidad por conocer nuestros verdaderos orígenes a generaciones de estudiantes que pasamos por sus manos.

Para saber más:

J. Pla-García y C. Menor-Salván (2017). La composición química de la atmósfera primitiva del planeta Tierra. Anales de Química 113 (1), 16-26

 

 

Sobre la autora: Blanca María Martínez es doctora en geología, investigadora de la Sociedad de Ciencias Aranzadi y colaboradora externa del departamento de Geología de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

 

El artículo La rebelión de las cianobacterias se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Munduan badira 10.000 hegazti espezie baino gehiago, eta haietatik 80 biltzen ditu Hegaztien inbentarioa (2020) liburuak: hala pinguinoa nola kolibria; bai enara eta bai zozoa; hontza eta pelikanoa…

Irudia: Hegaztien inbentarioa liburuaren azala. (Iturria: Pamiela Etxea)

Animali hauen morfologia deskribatzeko balio duen hiztegi irudidun ttipi bat dakar hasieran. Gero, espezie bakoitzari dagokionez, argibide jakingarriak ematen dira: lumajea, elikadura mota, estaltzeko ohiturak… baita sortzen duten kantua edo hotsa ere. Hegazti bakoitzaren batez besteko tamaina eta hego-luzera ere ikasiko ditugu, bata bestearekin alderatzeko.

Bilduma honetako gainerako liburuetan bezala, honetan ikusiko ditugun irudiak estilo zientifikokoak dira, zehaztasun handiz eginak, garai bateko naturalistek beren landa koadernoetan egiten zituztenen gisakoak: errotuladorez nahiz tinta txinatarrez marraztuak, eta akuarela bidez koloreztatuak; horrela lortzen dute izaki zoragarri hauen irudi fin eta poetiko bat ematea.

Oso liburu erakargarria da, hegaztien irudi ikusgarriengatik ez ezik, haiei buruzko eduki tekniko ulergarri bezain jakingarriengatik ere bai, bertan erakusten baita nola egiten duten habia, nola aireratzen diren hegan eta nola egiten duten kantua.

Argitalpenaren fitxa:

• Izenburua: Hegaztien inbentarioa
• Egilea: Virginie Aladjidi
• Itzultzailea: Mikel Taberna eta Juanjoxe Petrirena
• Ilustratzailea: Emmanuelle Tchoukriel
• ISBNa: 978-84-9172-173-4
• Argitaletxea: Pamiela etxea; Kalandraka
• Hizkuntza: Euskara
• Orrialdeak: 80
• Urtea: 2020

Iturria:

Pamiela etxea: Hegaztien inbentarioa.

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La bella Hipatia escribió varios tratados: profesaba la astronomía en Alejandría cuando fue asesinada por el clero, fue en 415. Maria Cunitz, hija de un médico de Silesia, publicó en 1650 unas tablas astronómicas. Marie-Claire Eimmart Muller, hija y esposa de astrónomos conocidos, también fue astrónoma. Jeanne Dumée presentó en 1680 unas entrevistas sobre el sistema de Copérnico. La esposa de Hevelius realizaba obvervaciones junto a él. Las hermanas de Manfredi calculaban las efemérides de Bolonia; las tres hermanas de Kirch calcularon durante mucho tiempo las efemérides de Berlín; su esposa, nacida Winkelmann, presentó en 1712 una obra de astronomía. La Marquesa de Châtelet ha proporcionado una traducción de Newton. La condesa de Puzynina ha fundado un observatorio en Polonia […]. Madame Lepaute, fallecida en 1788, ha calculado durante más de diez años efemérides de la Academia, y la viuda de Edwards trabaja en Inglaterra en el «Nautical almanac«. Madame du Piery ha realizado numerosos cálculos de eclipses para comprender mejor el movimiento de la Luna; fue la primera que ejerció la astronomía en París. Miss Caroline Herschel trabaja con su hermano. Ya ha descubierto cinco cometas. La Señora Duquesa de Gotha ha realizado gran cantidad de cálculos, pero no desea ser citada. Mi sobrina, Le Français de Lalande, ayuda a su marido en sus observaciones y obtiene conclusiones de ellas mediante cálculos; ha reducido diez mil estrellas, ha preparado trescientas páginas de tablas horarias para la marina, un trabajo inmenso para su edad y sexo. Están en mi “Abrégé de Navigation”.

Joseph-Jérôme Le Français de Lalande, Astronomie des dames (1785): 5-7.

Portada de Ephemerides motuum coelestium de Eustachio Manfredi. Fuente: Google Books.

 

Las hermanas Maddalena y Teresa Manfredi nacieron en 1673 y 1679, respectivamente. Su madre, Anna Maria Fiorini, y su padre, el notario Alfonso Manfredi, no dieron a sus hijas (eran tres, la tercera se llamaba Agnese) la oportunidad de estudiar en la universidad, a diferencia de sus hijos (Eustachio, Gabriele, Eraclito y Emilio). Las hermanas Manfredi recibieron una educación primaria tradicional en un convento de monjas terciarias.

Una familia ilustrada

Gracias a los conocimientos de sus hermanos y a las amistades que frecuentaban la casa familiar, Maddalena y Teresa pudieron mejorar la escasa formación que habían recibido. En particular, tenían buenos conocimientos de astronomía, matemáticas y latín.

Su hermano Eustachio (1674-1739) fundó la Accademia degli Inquieti (Academia de la Inquietud) en Bolonia alrededor de 1690; buscaba un lugar en el que se pudieran discutir temas científicos. Se dedicó a la observación astronómica; entre sus numerosos trabajos científicos se encuentra Ephemerides motuum coelestium (1715-1725), que completó con la ayuda de sus hermanas Maddalena y Teresa.

Gabriele (1681-1761) y Eraclito (1682-1759), también hermanos de Maddalena y Teresa, estudiaron medicina. Gabriele abandonó esta materia para centrarse en las matemáticas, dedicándose fundamentalmente al cálculo infinitesimal. En su obra De constructionae aequationum differentiationium primi gradu (1707) expuso sus resultados sobre la resolución de problemas relacionados con ecuaciones diferenciales y fundamentos del cálculo. Emilio (1679-1742) se convirtió en sacerdote jesuita. De Agnese no hay datos disponibles.

A pesar de su influencia en la vida cultural de Bolonia, los hermanos Manfredi tenían puestos mal remunerados. Debido a estas limitaciones económicas, la familia se mantuvo muy cohesionada, involucrando a hermanos y hermanas en la creación de una empresa cultural destinada a mejorar el presupuesto familiar.

Así, Maddalena y Teresa, además de ocuparse de las labores domésticas, se dedicaron también a la administración del negocio familiar, a la colaboración científica en la obra de sus hermanos y a la producción de obras literarias para el mercado de la burguesía boloñesa.

En 1701 toda la familia Manfredi se trasladó al palacio del conde Luigi Ferdinando Marsili que deseaba de crear una academia en Bolonia siguiendo el modelo de la Académie des Sciences de París y la Royal Society de Londres; Eustachio ayudó a Marsili a crear la Academia de Ciencias de Bolonia. En 1711, Eustachio fue nombrado astrónomo de la Academia, sus hermanas lo acompañaron a su nuevo destino.

El trabajo de Maddalena y Teresa

La familia Manfredi comenzó a realizar observaciones de las posiciones de los objetos astronómicos en una cúpula astronómica preparada en su casa para crear efemérides. Maddalena y Teresa se encargaron del trabajo computacional; sus avances en las técnicas de cálculo ayudaron a que algunos de ellos pudieran ser realizados por personas no especialistas. Por ello, probablemente, su hermana Agnese también podría haber colaborado en el trabajo.

En 1715, Eustachio publicó Ephemerides motuum coelestium, una referencia ampliamente utilizada por otros astrónomos europeos. Atribuyó a sus hermanas la ayuda con las efemérides desde 1712 y, en particular, a Maddalena el cálculo de la tabla de latitudes y longitudes incluida en la publicación.

Eustachio también contó con la colaboración de sus hermanas para realizar investigaciones bibliográficas para la redacción de su Compendiosa Informazione di facto sopra el confines del Ferrara community di Ariano con il Stato Veneto (1735). 

Con el paso de los años, a pesar de permanecer a la sombra de sus hermanos, Maddalena y Teresa adquirieron cierta popularidad. La familia Manfredi cultivó la pasión por la poesía y la literatura dialectal. Como producto adicional de la empresa cultural familiar, publicaron obras literarias para público general, como la traducción de cuentos napolitanos al dialecto boloñés. Aunque los nombres de los traductores no aparecían en la portada, era de conocimiento general que las traducciones de Bertoldo y de Chiaqlira eran obra de Teresa y Maddalena, apoyadas por las hermanas Teresa Maria y Angiola Anna Maria Zanotti, hijas del pintor Giampietro Zanotti (1675-1765).

Maddalena falleció el 11 de marzo de 1744 a la edad de 72 años; Teresa murió 23 años después, el 8 de octubre de 1767.

El asteroide 13225 Manfredi fue nombrado en honor a Eustachio, Gabriele y Eraclito. A pesar de su colaboración en el trabajo de sus hermanos, esta dedicatoria no incluía a Maddalena y Teresa…

Referencias

• Ariane Dröscher, Manfredi Maddalena, Szienza a due voci
• Gabriella Bernardi, Maddalena (1673–1744) and Teresa (1679–1767) Manfredi, en The Unforgotten Sisters, 2016
• Maddalena and Teresa Manfredi, Wikipedia

Sobre la autora: Marta Macho Stadler es profesora de Topología en el Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU, y editora de Mujeres con Ciencia

El artículo Maddalena y Teresa Manfredi, calculadoras astronómicas se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Ramón Muñoz-Chápuli Oriol

Energiaren ikuspegitik hegaztien hegaldia mirari bat da. Hegaztien muskuluek, eta bereziki bular-muskuluek, energia handia behar dute beren funtzioa betetzeko. Muskulu ahaleginaren eta tenperatura konstantea mantendu behar izatearen ondorioz, hegaztiek elikagai ugari kontsumitzen dituzte egunero, oro har, beren gorputz masaren % 10-% 20. Muturreko kasua kolibriena da, tasa metaboliko handiena duten animalia endotermikoena, gorputz masa halako bost kontsumitu baitezakete egunero.

Elikagaiak, ordea, ez dira hegaztien metabolismoaren baldintzatzaile bakarra. Elikagaiak oxidatu egin behar dira energia sortzeko; hortaz, arnas sistemak oxigeno kopuru handia hornitu behar du. Horrexegatik da, hain zuzen ere, hegaztien arnas sistema erabat desberdina ornodunen beste edozein talderenarekin alderatuta (ugaztunak barne). Eta aireko zakuak dira sistema berezi horren funtsezko osagaia.

Aireko zakuak biriken dibertikuluak dira eta animaliaren gorputzean zehar banatzen dira. Talde bat gorputz-enborraren aurrealdean dago eta beste bat toraxaren atzealdeko gunean eta abdomenean. Honako funtzio hauek esleitzen zaizkie, besteak beste: barneko tenperatura erregulatzea, muskuluen arteko marruskadura murriztea edo gorputz dentsitatea murriztea. Baina haien funtzio nagusiak hegaztien aireztapen sistema sofistikatuarekin du zerikusia.

Hegaztien birikak ez dira gureak bezala puzten eta husten. Hori ez litzateke eraginkorra izango; izan ere, ugaztunen biriketako oxigeno edukia murriztu egiten da arnasa hartu ondoren odolera igarotzean. Zikloaren amaieran aire arrarifikatua bota egiten da eta berritu egiten da arnasa berriro hartzean.

1. irudia: hegaztien biriketako aireztapen zikloa. Arnasa hartzean, aireak bete egiten ditu atzealdeko aireko zakuak eta parabronkioetatik igarotzen da. Oxigeno gutxiko airea pilatu egiten da aurrealdeko aireko zakuetan. Airea botatzean, atzealdeko aireko zakuak uzkurtu egiten dira eta aire korronte freskoa mantentzen du parabronkioetan, eta. aldi berean, bota egiten da aurrealdeko zakuetako airea. Balbulen sistema batek (gorriz) fluxuak erregulatzen ditu. Bularreko muskuluen azpialdeko dibertikuluaren posizioa erakusten da.

Hegaztien birikak (1. irudia) parabronkio izeneko hodi fin eta oso baskularizatuen sare konplexu batek osatzen ditu. Parabronkio horietan zehar aire freskoko korronte etengabe bat ibiltzen da, eta horrek oxigeno mailak altu mantentzen ditu beti, odolak har ditzan. Atzealdeko aireko zakuek Galiziako gaitaren hauspoaren antzera funtzionatzen dute eta sarrerako airea biltegiratu eta parabronkioetara bidaltzen dute arnasa botatzean. Oxigeno gutxiko airea aurrealdeko zakuetan biltegiratzen da kanpora bota bitartean. Hala, nahiz eta hegaztiak ziklikoki arnasa hartu eta bota, parabronkioetako airea etengabea, norabide bakarrekoa eta oxigeno ugarikoa da.

Aireko zakuak erritmikoki betetzen eta husten dira toraxeko eta abdominaleko muskuluen ekintzaren bidez. Hau da, muskuluen ekintzak lagundu egiten du birikak aireztatzen, gure diafragmak egiten duen bezala. Horrexegatik izan da hain harrigarria deskubritzea, aireko zakuek funtzio garrantzitsua dutela hegaldiaren mekanikan, batez ere planeatze hegaldiaren mekanismoan.

2. irudia: saia (Neophron percnopterus) hegazti planeatzailea da, bularreko muskuluen azpialdeko dibertikuluen mekanismoa erabiltzen duena bularreko muskuluen ahalegina murrizteko. (Iturria: Cuaderno de Cultura Científica)

Hegazti planeatzaileek hegoak zabalik mantentzen dituzte airean eutsi ahal izateko (2. irudia). Hegoen bularreko muskuluek hegoak astintzeaz arduratzen diren muskuluek baino lan gutxiago egin behar dute, baina, hala ere, ahalegin handia egin behar dute hegoak zabalik mantentzeko. Bitxiki, hegazti planeatzaileek, oro har, aurrealdeko aireko zakuen dibertikulu txikiak izaten dituzte, bularreko muskuluen azpialdean; baina, oraindik, ez dakigu zein den horien funtzioa. Bularreko muskuluen azpialdeko dibertikuluak deitzen zaie, eta hegan egiteko hegoak astindu behar izaten dituzten hegaztiek ez dute halakorik.

Nature aldizkarian argitaratu berri den artikulu batek erakutsi du dibertikulu hori gutxienez zazpi aldiz agertu zela, modu independentean, hegaztien bilakaeran, betiere planeatze hegaldiaren garapenarekin bat etorriz. Bularreko muskuluen azpialdeko dibertikuluak dituzte kaioek, kurriloek, albatrosek, ubarroiek, pelikanoek, arranoek eta beste harrapari planeatzaile batzuek. Azterlan horren autoreen iritziz, bularreko muskuluen azpialdeko dibertikulua puztean, murriztu egiten da planeatze hegaldian hegoak zabalik mantentzeko egin behar den ahalegina.

3. irudia. Karga bati besoa angelu zuzenean dugula, ukondotik distantzia jakin batera, eusten diogunean, kargarekin biderkatutako distantziak honako honen berdina izan behar du: bizepsak egindako indarra bider muskulu uneko besoa.

Hori ulertzeko, uneko besoa kontzeptua azaldu behar dugu, hau da, indar baten ekintza lerroaren eta errotazio ardatz baten arteko distantzia perpendikularra. 3. irudiak ideia hori irudikatzen du. Besoa angelu zuzenean jarri eta karga bati eusten badiogu, egin behar dugun indarra handiagoa izango da bizepsaren ardatza ukondotik zenbat eta hurbilago egon, eta alderantziz Muskuluen indar lerroaren eta ukondoaren giltzaduraren arteko distantzia perpendikular horixe da muskulu uneko besoa.

4. irudia: hegazti planeatzaileetan hegoak zabalik mantentzeko egin behar den ahalegina murriztu egiten da bularreko muskuluen azpialdeko dibertikulua puztu egiten denean, bularreko muskuluak humeroaren gainean lotzeko angelua aldatzen baitu. Horrela, handitu egiten da muskulu uneko besoa.

4. irudiak lagundu egingo digu bularreko muskuluen azpialdeko dibertikuluen funtzionamendu susmagaitza ulertzen. Bularreko muskuluak humeroan eta bularrezurrean lotzen dira, eta bular gerrikoaren beste hezur batzuen gainetik pasatzen dira (korakoidea eta klabikula). Planeatze hegaldia mantentzeko, muskuluek egin beharreko indarrak orekatu egin behar du goranzko indarra, airearen presioak hegoen gainean eragiten duena. Zehazkiago, bularreko muskulu uneko besoak (MUB) bider muskuluen indarrak (MI) berdindu egin behar du hegoaren uneko besoa (HUB) bider goranzko indarra (GI):

MUB x MI = HUB x GI

Gakoa da bularreko muskuluen azpialdeko dibertikulua puztean handitu egiten dela muskulu uneko besoa, eta proportzionalki murrizten dela goranzko indarra orekatzeko behar den muskulu ahalegina. Aireko zakuen funtzio berri eta ustekabekoa da, gutxienez zazpi hegazti leinuk planeatze hegaldiaren garapenarekin batera eskuratutako berrikuntza. Eta garapen brikolajearen beste adibide liluragarri bat.

Erreferentzia bibliografikoa:

Schachner, Emma R.; Moore, Andrew J.; Martinez, Aracely; Diaz Jr., Raul E.; Echols, M. Scott: Atterholt, Jessie; Kissane, Roger W. P.; Hedrick, Brandon P.; Bates, Karl T. (2024). The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds. Nature, 630, 671-676. DOI: 10.1038/s41586-024-07485-y

Tobalske, Bret W. (2024). Air sacs reduce energy costs for soaring birds. Nature. DOI: 10.1038/d41586-024-01508-4

Egileaz:

Ramón Muñoz-Chápuli Oriol Animalien Biologiako Katedraduna (erretiratua) da Malagako Unibertsitatean.

Jatorrizko artikulua Cuaderno de Cultura Científica blogean argitaratu zen 2024ko uztailaren 1ean: Una nueva (e inesperada) función de los sacos aéreos.

Itzulpena: UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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Los marcos de referencia desde los cuales los observadores ven los eventos cuánticos pueden tener múltiples ubicaciones posibles a la vez, un descubrimiento con importantes ramificaciones.

Un artículo de Anil Ananthaswamy. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

La naturaleza cuántica de los marcos de referencia puede incluso afectar el orden percibido de los acontecimientos. Ilustración: Michele Sclafani para Quanta Magazine

Imagínate que estás de pie en un andén viendo pasar un tranvía. A una chica que está en el tranvía se le cae una pelota roja brillante. Para ella, la pelota cae directamente hacia abajo. Pero desde el andén ves que la pelota describe un arco antes de tocar el suelo del tranvía. Los dos observáis el mismo evento, pero desde diferentes marcos de referencia: uno anclado al tranvía y el otro al andén.

La idea de los marcos de referencia tiene una larga historia en la física clásica: Isaac Newton, Galileo y Albert Einstein se basaron en ellos para sus estudios sobre el movimiento. Un marco de referencia es, en esencia, un sistema de coordenadas (una forma de especificar posiciones y tiempos relativos a un punto cero u “origen”) que puede él mismo estar en movimiento. Einstein utilizó marcos de referencia para desarrollar sus teorías de la relatividad, que revelaron que el espacio y el tiempo no son telones de fondo fijos del universo, sino entidades elásticas que pueden estirarse, contraerse y deformarse.

Pero la física cuántica ha ignorado en gran medida los marcos de referencia. Alice y Bob, los observadores ficticios en muchos experimentos de física cuántica, suelen tener diferentes ubicaciones físicas, pero se supone que tienen un marco de referencia común. Esto está cambiando ahora. Los físicos cuánticos se están dando cuenta de que no pueden ignorar el hecho de que el marco de referencia al que está anclada Alice (similar al tranvía o el andén) puede tener múltiples ubicaciones posibles a la vez. O que el reloj que Bob usa para medir el tiempo puede estar sujeto a la incertidumbre cuántica.

“En el mundo cuántico, los marcos de referencia deberían [también] describirse mediante el formalismo de la teoría cuántica”, explica Renato Renner, físico teórico del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich.

En un artículo publicado este año, el físico Časlav Brukner, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Universidad de Viena, y sus colegas demostraron que los marcos de referencia cuánticos ofrecen una nueva perspectiva a fenómenos cuánticos largamente estudiados, como la superposición y el entrelazamiento. Los hallazgos llevaron a Renner a sospechar que los marcos de referencia cuánticos podrían ayudar a resolver algunas de las extrañas paradojas que surgen en los experimentos mentales cuánticos.

Časlav Brukner, físico de la Universidad de Viena y director del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica, ha explorado los marcos de referencia cuánticos en una serie de artículos recientes. Foto cortesía de Magdalena Zych

Más ambiciosos aun, Brukner y sus colegas esperan que pensar en la lógica de los marcos de referencia cuánticos pueda producir nuevos conocimientos sobre la gravedad cuántica, un programa de investigación que intenta colocar la gravedad en el mismo ámbito teórico que las otras fuerzas fundamentales.

Con esta nueva incursión en los marcos de referencia cuánticos, afirma Renner, “estamos solo en el comienzo de algo muy grande”.

Ubicaciones difusas

La noción de marcos de referencia cuánticos se introdujo por primera vez en 1984, pero varios grupos retomaron la idea alrededor de 2019, lo que ha desencadenado la oleada de estudios recientes. Los argumentos nos desafían a cambiar nuestra forma de pensar sobre dos propiedades cuánticas por excelencia: la superposición, donde un objeto puede estar simultáneamente en múltiples estados posibles, y el entrelazamiento, donde partículas distintas comparten un único estado cuántico, de modo que la medición de una de ellas determina instantáneamente el estado de la otra, independientemente de la distancia entre ellas.

De izquierda a derecha: Luca Apadula, Anne-Catherine de la Hamette y Viktoria Kabel del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica y la Universidad de Viena dirigieron conjuntamente un estudio que muestra que la elección del marco de referencia afecta a los sistemas que parecen estar entrelazados o en superposición. Foto: Andrea Di Biagio

Para ver cómo, consideremos dos sistemas de referencia; los llamaremos A y B. Digamos que el origen de A está anclado a un objeto cuántico que tiene probabilidades de encontrarse en varias ubicaciones. Desde la perspectiva de B, la ubicación de A está difuminada sobre alguna región. Pero desde la perspectiva de A, la distancia a B está difuminada. Parece como si B fuera el que está en una superposición.

La cosa mejora. ¿Y si B también está anclado a un objeto cuántico que se encuentra en una superposición de dos posiciones? Entonces, el estado cuántico de A se difumina de dos maneras diferentes, dependiendo de las posibles posiciones de B. Como la determinación del estado cuántico de B determina el estado de A, A y B ahora están entrelazados.

Renato Renner, físico del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, cree que un análisis cuidadoso de los marcos de referencia cuánticos resolverá las paradojas en nuestra comprensión del mundo cuántico. Foto: Giulia Marthaler

En el ejemplo anterior, dos propiedades esenciales de los sistemas cuánticos (la superposición y el entrelazamiento) resultan depender del marco de referencia. “El mensaje principal es que muchas de las propiedades que consideramos muy importantes y, en cierto modo, absolutas, son relacionales” o relativas, explica Anne-Catherine de la Hamette, coautora del artículo reciente.

Incluso el orden de los acontecimientos sucumbe a los rigores de los marcos de referencia cuánticos. Por ejemplo, desde un marco de referencia, podríamos observar el clic de un detector que se produce en un momento determinado, pero desde un marco de referencia diferente, el clic podría acabar en una superposición de ocurrir antes y después de algún otro evento. El hecho de que observemos el clic como si se produjera en un momento determinado o como si se tratara de una superposición de diferentes órdenes de acontecimientos depende de la elección del marco de referencia.

Un paso hacia la gravedad

Los investigadores esperan utilizar estas diferentes perspectivas cuánticas para dar sentido a la desconcertante naturaleza de la gravedad. La relatividad general de Einstein, que es una teoría clásica de la gravedad, dice que la gravedad es la deformación del tejido del espacio-tiempo por un objeto masivo. Pero, ¿cómo se deformará el espacio-tiempo si el propio objeto está en una superposición de dos ubicaciones? «Es muy difícil responder a esa pregunta con la física cuántica y la gravedad habituales», afirma Viktoria Kabel, investigadora del grupo de Brukner y coautora del nuevo artículo.

Sin embargo, si cambiamos a un sistema de referencia cuyo origen se encuentra en una superposición, el objeto masivo puede terminar en una ubicación definida. Ahora es posible calcular su campo gravitatorio. “Al encontrar un sistema de referencia cuántico conveniente, podemos tomar un problema que no podemos resolver [y convertirlo] en un problema para el cual podemos usar la física estándar conocida”, explica Kabel.

Estos cambios de perspectiva deberían ser útiles para analizar futuros experimentos cuyo objetivo sea colocar masas extremadamente pequeñas en superposiciones. Por ejemplo, los físicos Chiara Marletto y Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, han propuesto colocar dos masas cada una en una superposición de dos posiciones y luego estudiar cómo esto afecta a sus campos gravitatorios. Los crecientes intentos de describir formalmente los marcos de referencia cuánticos podrían ayudar a dar sentido a estas investigaciones sobre la interacción entre la gravedad y la teoría cuántica, un paso esencial hacia una teoría de la gravedad cuántica.

Renner cree que los marcos de referencia cuánticos también pueden ser fundamentales para dilucidar los fundamentos de la física cuántica. Hace unos años, él y su colega Daniela Frauchiger diseñaron un experimento mental cuántico que crea una contradicción lógica. La paradoja resultante parece implicar que los físicos deben renunciar a al menos una de las muchas nociones aceptadas sobre nuestro mundo, por ejemplo, que la teoría cuántica es universal y que se aplica tanto a los seres humanos como a los átomos.

Sin embargo, Renner ahora sospecha que la paradoja surge simplemente porque los físicos no han tenido en cuenta cuidadosamente los marcos de referencia. Nadie ha descubierto aún cómo reescribir este u otros experimentos mentales utilizando marcos de referencia cuánticos, pero hacerlo “es muy probable que nos lleve a la solución de las paradojas”, afirma.

No va a ser fácil, porque los sistemas de referencia cuánticos traen consigo muchos problemas sin resolver. Por ejemplo, con los sistemas de referencia clásicos, si cambias tu punto de vista de un sistema a otro, esta transformación es reversible: puedes volver a tu punto de vista original. No está claro que esto sea posible en la actualidad de forma universal con los sistemas de referencia cuánticos.

Además, en este momento no hay una forma estándar de definir y cambiar entre sistemas de referencia cuánticos. Diferentes grupos de físicos tienen diferentes enfoques. “Todos parecen razonables a primera vista, pero no son equivalentes entre sí”, apunta Renner.

Con el tiempo, sin embargo, los marcos de referencia cuánticos podrían resultar esenciales para dar sentido al mundo cuántico.

 

El artículo original, In the Quantum World, Even Points of View Are Uncertain, se publicó el 22 de noviembre de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López

El artículo En el mundo cuántico hasta los marcos de referencia son inciertos se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Josu Doncel

Joko-teoria matematikaren atal bat da, zeinak dituen aldaketak aztertzen dituen. Hainbat arlotan aplikatzen da joko-teoria: ekonomian eta politikan esate baterako (baita afarien ordainketan ere). Artikulu honetan garraio-sareetan ere aplikatzen dela ikusiko dugu.

Garraio-sareak errepidez osaturiko sareak dira. Bertan, zenbait ibilgailu ibiltzen dira: kotxeak, furgonetak, kamioiak, motorrak, autobusak eta abar. Gainera, garraiobide bakoitzak erabakiak hartu ahal ditu errepidean; alegia, ibilgailu batek aurreko ibilgailua aurreratu ahal du edo errepidearen alde berean jarraitu ahal du. Hortaz, joko-teoria erabiliz, ikertu daiteke zein izango den garraiobide-sarearen egoera.

Irudia: joko-teoria erabiliz ikertu daiteke zein izango den garraiobide-sarearen egoera. (Argazkia: Pexels – Pixabay lizentziapean. Iturria: Pixabay)

Oro har, garraio-sareetan ibilgailuen erabakiak denboraren arabera hartzen dira, hau da, ibilgailuek erabakiak hartzen dituzte bi lekuren arteko bidea (lantokitik etxera, esate baterako) ahalik eta lasterren egiteko. Artikulu honetan, jatorrizko tokiari A puntua deituko diogu eta xede lekuari B puntua. Horrela, pentsatuko dugu garraio-sareko elementu guztiak (kotxeak, kamioak, etab.) biderik lasterrena aukeratuz A puntutik B puntura joango direla.

Artikulu honetan aztertuko dugun eredu matematikoari Pigou-ren adibidea deitzen zaio. Bertan, A puntutik B puntura 10 kotxe mugituko dira eta, horretarako, bi bide posible daudela pentsatuko da (1 bidea eta 2 bidea izango dira). Horiek horrela, 1 bidea 2 bidea baino okerragoa da; zehazki, kotxe batek 1 bidea zeharkatzeko denbora segundo batekoa da; aldiz, 2 bidea zeharkatzeko, p segundo, non p 2 bidea aukeratutako kotxe kopuruaren proportzioa baita. Hau da, zazpi kotxe 1 bidetik joanez gero (eta, ondorioz, hiru kotxe 2 bidetik), 2 bidea hartzen duen kotxe bakoitzak 3/10 segundo behar du A puntutik B puntura joateko. Horrela, auto guztiek jatorritik xedera joateko behar duten denbora honakoa da: 7*1+3*3/10=79/10 segundo.

Aurreko guztia kontuan hartuz, honako galdera egin diezaiokegu geure buruari: zein izango da kotxeen banaketa egokiena auto guztiek A puntutik B puntura joateko behar duten denbora minimizatzeko? Problema honen ebazpena erraza da (ebazpenaren frogapena, berriz, ez hain erraza): autoak berdinki banatzen dira bideetan, hots, bost kotxek 1 bidea hartzen dute eta beste bost kotxek 2 bidea. Egoera honetan, auto guztiek jatorritik xedera joateko behar duten denbora hau izango da: 5*1+5*5/10=75/10 segundo.

Orain, joko-teoriaren ikuspuntutik aztertuko dugu problema hau. Horrela, kotxe bakoitzak 1 bidea edo 2 bidea aukeratu ahal du A puntutik B puntura lehenbailehen ailegatzeko. Horrela, joko matematiko bat eratu daiteke egoera honetan, non Nash-en orekak deskribatzen duen zein izango den kotxeen banaketa. Alegia, Nashen orekak esaten du zein bide aukeratuko duen auto bakoitzak haren bidaia-denbora minimizatzeko. Beraz, 1 bideko bidaia-denbora 1 segundo denez eta 2 bidekoa p segundo (p txikiago edo berdin bat izanik, proportzio bat delako), kotxe guztiek 2 bidea aukeratuko dute. Egoera honetan, auto guztiek jatorritik xedera joateko behar duten denbora ondokoa izango da: 0*1+10*1=10 segundo. Eta ohartu 10 segundo 75/10 segundo baino gehiago dela. Horrek esan nahi du Nashen orekan ageri den egoera ez dela kotxe guztien bidai-denbora minimizatzen duen banaketa; edo beste modu batean esanda, Nashen oreka ez dela kotxe-banaketa optimoa.

Adibide honen bidez ondorioztatu daiteke, beraz, erabaki berekoien ondorioz lortutako egoera ez dela zertan optimoa izan. Fenomeno hau ezaguna da joko-teoriaren arloan. Izan ere, joko-teorian esaten da Nashen oreka eraginkorra dela egoera optimoarekin bat egiten badu. Hortaz, Pigou-ren adibidearen kasuan, esan daiteke Nashen oreka ez dela eraginkorra.

Nash-en orekaren eraginkortasuna aztertzeko, anarkiaren kostua deituriko kontzeptua erabiltzen da joko-teorian. Kasu orokorrean, anarkiaren kostuak adierazten du zein den Nashen orekaren galera egoera optimoaren aldean; alegia, definitzen da Nashen orekan lortutako errendimendua eta errendimendu optimoaren zatiketa bezala (Pigou-ren adibidearen kasuan, errendimendua kotxe guztien bidai-denbora izango da). Definizio horri erreparatuz, anarkiaren kostuaren balioa bat da Nashen oreka eraginkorra denean eta, bestela, bat baino handiagoa da.

Pigou-ren adibidera bueltatuta, lortutako emaitzak kontuan hartuz, kasu honetan anarkiaren kostua honakoa da: 10/(75/10)=4/3. Beraz, esan daiteke Nashen orekaren ondorioz ageri den galera ez dela oso handia adibide honetan. [1] eta [2] artikuluetan Pigou-ren adibideko eredua orokortzen dute eta, haien emaitzen arabera, edozein garraio-sareren anarkiaren kostua beti 4/3 da, baldin eta ibilgailu batek bide bakoitza zeharkatzeko behar duen denbora x-ren funtzio lineala bada, x izanik ibilgailuen banaketa bideetan.

Erreferentzia bibliografikoak:

• Roughgarden, Tim eta Tardos, Éva (2002). How bad is selfish routing? J. ACM, 49 (2), 236–259. DOI:10.1145/506147.506153
• Roughgarden, Tim eta Tardos, Éva (2004). Bounding the inefficiency of equilibria in nonatomic congestion games. Games and Economic Behavior, 47 (2), 389-403. DOI:10.1016/j.geb.2003.06.004

Egileaz:

Josu Doncel Matematikan doktorea da eta UPV/EHUko Matematika Saileko irakaslea.

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En 1971, los Bee Gees alcanzaron por primera vez al número 1 en EE. UU. con su canción How Can you Mend a Broken Heart (“Cómo puedes reparar un corazón roto”). Más de medio siglo después tenemos una respuesta que jamás hubieran imaginado los hermanos Gibb: durmiendo. Pero no se trata de hacer un esfuerzo para dormir más. Se acaba de descubrir que el daño cardiaco provoca una inducción de sueño profundo que favorece la reparación de dicho daño. Resulta difícil de creer, así que lo vamos a explicar detenidamente.

El sueño sigue siendo un fenómeno misterioso en muchos aspectos. Sabemos que el sueño es indispensable para la salud, aunque muchas conexiones entre sueño y salud se nos escapan. Un grupo de investigadores estadounidenses acaba de publicar en Nature una conexión que ha resultado ser tan inesperada como sorprendente.

Figura 1. Esquema de los resultados obtenidos por Huynh et al., (2024). Un infarto de miocardio provocado por la ligadura de la arteria coronaria descendente anterior (ACDA) genera señales circulantes que hacen que la microglía del tálamo atraiga monocitos desde el plexo coroideo. Los monocitos invasores secretan factor de necrosis tumoral (TNF) que induce una prolongación de la fase de sueño de ondas lentas. De esta forma se mejora el proceso de reparación del corazón. Si se interrumpe el sueño, se alarga el proceso inflamatorio en el corazón, perjudicando la reparación. Imágenes: Wikimedia Commons, Medical gallery of Blausen y generadas con Microsoft Bing

Es posible provocar un infarto de miocardio en los ratones ligando, con microcirugía, la arteria coronaria descendente anterior. Como control de los experimentos se utilizan ratones sometidos al mismo procedimiento de anestesia y toracotomía, pero sin ligar la arteria. Pues bien, los ratones con infarto de miocardio (en adelante ratones-IM) experimentan periodos más largos de sueño de ondas lentas, un tipo de sueño profundo diferente al sueño REM. Esta prolongación del sueño de ondas lentas se mantiene durante siete días tras el infarto.

¿Cómo se induce un mayor periodo de sueño de ondas lentas tras el infarto? La microglía1 de los ratones-IM envía señales que provocan el reclutamiento de monocitos, un tipo de células inmunitarias. Estos monocitos abandonan la circulación en el plexo coroideo e invaden una región del tálamo. La invasión puede ser también inducida inyectando en el líquido cefalorraquídeo de ratones sanos plasma de ratones-IM, lo que indica que se debe a factores circulantes. De hecho, si se inhiben farmacológica o genéticamente ciertos receptores de señales de los monocitos, estos no invaden el tálamo y desaparece el efecto del infarto sobre el sueño.

¿Qué sucede si se inyectan directamente monocitos en el líquido cefalorraquídeo de un ratón normal? Pues si estos proceden de un ratón-IM, se induce la prolongación del sueño de ondas lentas, pero esto no ocurre si los monocitos vienen de ratones control. Por tanto, los monocitos de ratones-IM hacen algo en el tálamo para inducir cambios en el sueño.

Comparando el transcriptoma (conjunto de genes expresados) de monocitos aislados del tálamo de ratones-IM con el de ratones control, se observó en los primeros un aumento en la secreción del factor de necrosis tumoral (TNF), una citoquina2 implicada en procesos de inflamación, entre otros muchos. Todo indicaba que TNF era el elemento inductor del sueño. El sueño de ondas lentas no se prolongaba en ratones-IM si se inyectaban anticuerpos anti-TNF en el líquido cefalorraquídeo. Tampoco si los monocitos procedían de ratones mutantes sin expresión de TNF, o si los ratones-IM carecían de receptores para el TNF.

Resumiendo hasta ahora, un infarto provoca la invasión de monocitos circulantes en el tálamo, estos producen TNF, provocando un aumento del sueño de ondas lentas. Ahora viene lo importante, ese aumento del sueño profundo ¿realmente contribuye a reparar el corazón?

Pues así es. Si se producían interrupciones en el sueño aumentaba la cantidad de troponina3 en sangre pasadas 1-3 semanas desde el infarto. También disminuía la función cardiaca. Me estoy refiriendo ahora solo a ratones hembras, que son los que se utilizaron principalmente en el experimento. Los ratones machos soportan peor la ligadura coronaria y sobreviven menos. Eso sí, la interrupción del sueño en ratones-IM machos resultaba fatal. El 68% de los que habían dormido sin problemas sobrevivían una semana después del infarto. En cambio, solo sobrevivió el 18% de los que habían visto su sueño interrumpido.

Sueño y reparación del corazón

El estudio aventura una hipótesis sobre la relación entre sueño y reparación cardiaca. Los ratones-IM con sueño interrumpido mostraban en sus corazones más células del sistema inmune que los controles. La idea es que el sueño de ondas lentas disminuye la actividad del sistema simpático sobre el corazón, una actividad que contribuye a mantener la inflamación cardiaca post-infarto perjudicando la capacidad reparadora.

Un punto crucial: ¿Este descubrimiento tiene alguna relación con lo que sucede en humanos? Los investigadores realizaron un estudio preliminar sobre 78 pacientes que se habían recuperado de un infarto. Los dividieron en dos grupos atendiendo a indicadores de la calidad del sueño. Dos años después del infarto, los que habían dormido bien tenían una mejor función cardiaca que los que tenían peor calidad de sueño. Estos últimos sufrieron una mayor mortalidad a lo largo de estos dos años y el doble de eventos cardiovasculares adversos que los pacientes “bien dormidos”. Aunque es imprescindible contar con más estudios, esto sugiere que dormir bien contribuye a la recuperación tras un infarto de miocardio.

Los resultados son sorprendentes y contraintuitivos, porque sugieren que un proceso inflamatorio cerebral (invasión de monocitos, secreción de TNF) induce sueño profundo, disminuyendo la inflamación cardiaca. Pero también son estimulantes, ya que proporcionan nuevas vías para el tratamiento del infarto de miocardio y subrayan la importancia de una correcta higiene del sueño en dicho tratamiento.

Referencias

Huynh, P., Hoffmann, J.D., Gerhardt, T., et al. (2024) Myocardial infarction augments sleep to limit cardiac inflammation and damage. Nature. doi: 10.1038/s41586-024-08100-w.

Notas:

1 Células del sistema inmune presentes en el cerebro.

2 Proteína señalizadora producida por células inmunitarias.

3 Un marcador circulante que indica la existencia de daño cardiaco

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Sobre el autor: Ramón Muñoz-Chápuli Oriol es Catedrático de Biología Animal (jubilado) de la Universidad de Málaga

El artículo Dormir para reparar el corazón se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

UPV/EHUko Adimen Konputazionala Taldeak nabigazio autonomoko teknologia bat garatu du, kostu txikikoa, bi dronek edo gehiagok ez dezaten talka egin elkarren kontra airean doazenean; horretarako, barneko kamerak eta sentsoreak baino ez ditu erabiltzen. Emaitza positiboak eta itxaropentsuak lortu ditu.

Kostu apaleko ekipo sinple bat eta ikusmen artifizialean oinarritutako algoritmo bat erabiliz, teknologia sendo bat garatu dute droneen arteko talka behar bezala saihesteko, koloreak identifikatzean oinarrituta. “Teknologia hori erraz estrapola daiteke aireko robot komertzial eta ikerketa-robot gehienetara, eta, horretaz gainera, soluzioaren software-kode osoa ematen dugu”, adierazi du ikerketako parte-hartzaile izan den Julián Estévez UPV/EHUko Adimen Konputazionala Taldeko ikertzaileak.

Irudia: UPV/EHUko Adimen Konputazionala Taldeak kostu txikiko teknologia bat garatu du bi dronek edo gehiagok elkarren kontra talka ez egiteko. (Iturria: UPV/EHU prentsa bulegoa)

Ezagutzen ditugun drone gehienak tripulatuak dira, baita operadorearen bistatik aldenduta daudenean ere. Drone batek, erabat autonomoa izan dadin, gai izan behar du hegaldi-erabakiak bere kabuz hartzeko, gizakiaren esku-hartzerik gabe; hau da, bakarrik erabaki behar du nola saihestu talkak, nola mantendu norabideak haize-boladak direnean, nola kontrolatu hegaldi-abiadura, zer egin eraikinak eta zuhaitzak saihesteko…

“Lan hau urrats txiki bat da nabigazio erabat autonomorantz —gizakiaren inolako esku-hartzerik gabe—, droneek beren kabuz erabaki dezaten zer maniobra egin, zer norabide hartu eta, hala, zer egin haien arteko talkak edo aireko beste oztopo batzuk saihesteko. Onartzen badugu etorkizunean gure aire-espazioan askoz ere drone gehiago izango direla merkataritza-zerbitzuak eskaintzen, gure lana ekarpen txiki bat da norabide horretan”, adierazi du Julián Estévezek.

Ikerketaren egileak azaldu duenez, “talkak saihesteko gure proposamenak ez du eskatzen droneek elkarren artean informazioa trukatzea; horren ordez, barneko kamerak eta sentsoreak baino ez dituzte erabiltzen”. “Droneen barneko kameraren seinalea lortzen dugu, eta, irudiak prozesatuz, doitu egiten ditugu roboten erreakzioak, emeki eta zehaztasun handiz hegan egin dezaten”, gaineratu du Estévezek.

Esperimentuetan droneen baldintza errealistak imitatzen saiatu dira, hau da, ohiko hiri-eremu batean gerta daitezkeen agertokiak, kontrolatu gabeko argiztapen-baldintzak, hainbat norabidetan hegan doazen droneak eta abar. Beraz, eginiko ekarpenak mundu errealeko aplikazioetara bideratuta daude, hasierako lanak laborategian eginak izan arren.

Kolorean oinarritutako algoritmoak

“Drone bakoitzari txartel gorri bat ipini diogu, softwarearen algoritmoak gerturatzen ari den drone bat detektatzeko eta haren hurbiltasuna neurtzeko”, azaldu du Adimen Konputazionala Taldeko ikertzaileak. “Gure proposamena —jarraitu du ikertzaileak— oso erraza da: drone bakoitzak kamera bat darama barnean, eta pantaila bi zatitan banatuta dago (ezkerrekoa eta eskuinekoa). Kamera horrek lehen adierazi ditugun txartelen kolore gorria bilatzen du une oro. Irudi-prozesamendu sinpleen bidez, jakin dezakegu kameraren zer portzentaje hartzen duen kolore gorriak, eta, hala, eremu gorri horren zatirik handiena pantailaren ezkerraldean edo eskuinaldean dagoen zehazten da. Eremu gorria gehienbat pantailaren ezkerraldean badago, dronea eskuinerantz joango da hegan, talka ez egiteko. Eremu gorria eskuinean badago, berriz, ezkerrerantz egingo du. Airean dauden drone guztiek gauza bera egingo dute”.

“Gainera, pantailako kolore gorriaren ehunekoa handitzeak esan nahi du droneak aurrez aurre ari direla hurbiltzen. Beraz, atalase bat gainditzean, robotak jakingo du ihes-maniobra egin behar duela. Hori guztia modu autonomoan gertatzen da, giza operadoreak esku hartu gabe. Modu erraza da talkak saihesteko, sentsoreen eta ekipamenduaren bidez egin daiteke, eta low cost, gainera!”, azpimarratu du Estévezek. Antzeko zerbait gertatzen da pertsona bat kaletik oinez doanean eta norbait ezkerretik hurbiltzen zaiola ikusten duenean; kasu horretan, pertsona eskuinerantz erretiratzen saiatzen da, elkarren kontra ez jotzeko.

Iturria:

UPV/EHU prentsa bulegoa: Low cost teknologia berria, droneen arteko talkak saihesteko

Erreferentzia bibliografikoa:

Estevez, Julian; Nuñez, Endika; Lopez-Guede, Jose Manuel; Garate, Gorka (2024). A low-cost vision system for online reciprocal collision avoidance with UAVs. Aerospace Science and Technology, 150. DOI: 10.1016/j.ast.2024.109190

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Las drogas forman parte de nuestra sociedad, con todas sus formas y aplicaciones. Desde el tabaco al alcohol, pasando por los opiáceos, siempre han estado de moda. En los medios vemos constantemente noticias relacionadas con la crisis del fentanilo, la legalización del cannabis y los efectos antioxidantes del consumo de vino. Pero ¿cuál es la base química que hace que estas sustancias sean tan populares y peligrosas?

Imagen: vat loai / PixabayUna vieja costumbre

La historia del consumo de drogas es prácticamente tan antigua como la de la humanidad. Ya en la Edad Antigua, numerosas drogas como el opio recorrieron ampliamente las civilizaciones de la cuenca mediterránea, principalmente aplicadas como remedios medicinales. Pese al aviso de pensadores como Diágoras de Melos (“es mejor sufrir dolor que volverse dependiente del opio”, siglo V a. e. c.), su aplicación recreativa no tardó en llegar.

Otro ejemplo de droga popular desde la Antigüedad es el alcohol. Persas, griegos, chinos, egipcios, mayas, romanos… Por todos los rincones del mundo la elaboración y el consumo de bebidas alcohólicas formaba parte de la vida social, espiritual y cultural de cada civilización. Hoy en día la situación se mantiene: el consumo moderado de alcohol en la cultura occidental está normalizado, legalizado y extendido a gran parte de la población. En ocasiones, el cine, la televisión y la música incluso glorifican su ingesta, enfatizando sus efectos eufóricos.

¿Cuál es el secreto de estas sustancias? ¿Cómo es posible que afecten a nuestra química cerebral hasta el punto de influir en el devenir de las civilizaciones?

La respuesta se encuentra en un conjunto de áreas interconectadas de nuestro cerebro conocido como sistema mesocorticolímbico.

¿Me está engañando mi dopamina?

Para hacernos saber que un estímulo es beneficioso para la supervivencia, nuestro cerebro se encarga de que este nos guste. Ejemplo de ello son las sensaciones de placer que experimentamos a través de una comida calórica, el sexo y la interacción social.

Acompañando a esa sensación, nuestro cerebro también señaliza ese estímulo y hace que aprendamos que nos ha gustado: así es más probable que repitamos esa actividad positiva. De hecho, gracias a este sistema tendremos además una gran motivación, necesaria para poner en marcha nuestro cuerpo y así obtener esos estímulos.

¿Son siempre importantes para la supervivencia las conductas que se ven reforzadas? La respuesta es que no.

Al sistema mesocorticolímbico encargado de la recompensa se le puede hackear.

A nivel celular, las dos regiones más relevantes de este sistema son el área tegmental ventral y el núcleo accumbens. Las neuronas de la primera región conectan con las de la segunda y envían una molécula neurotransmisora llamada dopamina. Esta cumple un rol esencial en la recompensa: cuando se aumenta el nivel de dopamina que se libera se inician una serie de procesos. El resultado final es que aprendemos que ese estímulo es importante para la supervivencia y provoca que estemos más motivados para volver a buscarlo en el futuro.

Este sistema requiere regulación. De esto se encargan unas proteínas en la superficie celular llamadas receptores opioides. Es aquí donde entran en juego las drogas y el hackeo del sistema: este tipo de receptores pueden ser activados tanto por estímulos naturales como por las drogas. Al hacerlo, se intensifica la liberación de dopamina.

El resultado es que a nuestro cerebro le gustan estas drogas, aprende que son estímulos importantes y nos motiva a volver a conseguirlas. Aunque no aporten ventajas para la supervivencia.

De este modo se explican parcialmente los efectos eufóricos y reforzantes del consumo agudo de estas sustancias. Sin embargo, también es la base de su cara más oscura: la adicción. ¿Qué pasa cuando el uso de drogas se cronifica?

La delgada línea entre la euforia y el dolor

Si bien el consumo moderado de drogas se normaliza y hasta celebra en contextos sociales, este puede desencadenar problemas graves. El consumo prolongado de alcohol y de otras sustancias no solo afecta a nuestras percepciones y comportamientos, sino que también deja su huella en nuestro cerebro de una manera que puede ser difícil de revertir.

Recordemos que nuestro sistema mesocorticolímbico es un sistema de recompensa, diseñado para hacernos sentir bien cuando realizamos acciones beneficiosas. No obstante, el consumo repetido de estas sustancias puede hacer que su funcionamiento cambie y que aquello que solía producir placer ya no lo haga en la misma medida.

Estos cambios en las capacidades reforzantes del alcohol y los opioides se deben, entre otras cosas, a reducciones en la liberación de dopamina. Pero ¿quién es responsable de estas alteraciones?

Igual que hay receptores opioides –receptor Mu opioide– que provocan un incremento en la liberación de dopamina y son responsables del refuerzo positivo, existen otros –receptor Kappa opioide– que actúan de forma opuesta. Es decir, su actividad hace que disminuya la liberación del neurotransmisor y da lugar a efectos opuestos: disforia, aversión y pérdida de motivación.

Durante el consumo repetitivo de sustancias como alcohol y opioides tienen lugar cambios en la expresión de estos receptores. Mientras que los Mu están cada vez menos activos, los Kappa lo están cada vez más.

La disminución de la capacidad de las drogas para generar sensaciones placenteras hace que estas se vuelvan menos gratificantes con el tiempo. Este hecho, junto a los estados disfóricos que se manifiestan en ausencia de la sustancia, conducen a escaladas en el consumo con la finalidad de autotratar dicho malestar.

Es tan importante este mecanismo en la adicción que hasta se ha acuñado un nuevo término: hyperkatifeia, del griego katifeia, que significa “abatimiento” o “estado emocional negativo”. Curiosamente, estas alteraciones en los receptores opioides son similares a las que ocurren en situaciones de dolor crónico y pueden desencadenar estados negativos como falta de motivación, ansiedad y depresión.

La conclusión es que el consumo continuado de ciertas sustancias puede tener consecuencias físicas, mentales y sociales graves, y alterar la manera en que nuestro cerebro experimenta el placer y el dolor. No es de extrañar que la adicción a las drogas haga tocar fondo. Aunque se disfracen como aliadas para sobrellevar los problemas, acaban convirtiéndose en el mayor de ellos.

Sobre las autoras: María Ros Ramírez de Arellano, Doctorando en Neurociencias, Lucía Hipólito Cubedo, Profesora en el área de Farmacia y Tecnología Farmacéutica y Víctor Ferrís Vilar, Doctorando en Neurociencias. Los tres de la Universitat de València.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Artículo original.

El artículo Cómo la química de nuestro cerebro hace que las drogas tomen el control se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Enara Calvo Gil

Asteon zientzia begi-bistan igandeetako gehigarria da. Astean zehar sarean zientzia euskaraz jorratu duten artikuluak biltzen ditugu. Begi-bistan duguna jaso eta laburbiltzea da gure helburua.

Fisika

Hutsaren desintegrazioa, unibertsoa suntsi lezakeen fenomeno kuantikoa, uste baino askoz lehenago gerta liteke, nahiz eta oraindik denbora asko falta den hori gertatzeko. Higgsen eremuak, partikulen masaren arduradunak, energia egoera baxuago baterantz “tunel bat” egin lezake, energia gutxiagoko burbuila bat argiaren abiaduran hedatzea eraginez, atomoak kolapsatuz. Duela gutxi egindako kalkuluen arabera, hori aurreikusitakoa baino 10.000 aldiz azkarrago gerta liteke, baina, zorionez, denbora asko falta da horretarako. Azalpen guztiak Zientzia Kaieran.

Genetika

Nature aldizkarian argitaratutako ikerketa batek erakutsi du gantz-ehuneko zelulek obesitatearen “memoria” gordetzen dutela, pisua galdu arren. Transkripzio-aldaketek eta aldaketa epigenetikoek (RNA sekuentzian eta gene-adierazpenean) gantz-azidoen sintesia eta gantz-zelulen sorrera eragiten dituzte, pisua berriro hartzeko aukera handituz. Gizakien eta saguen gantz-zeluletan egindako azterketek aldaketa horiek berresten dituzte. Ikertzaileen arabera, mekanismo horiek ulertzeak lagun dezake epe luzerako pisu-kontrola hobetzen. Datuak Elhuyar aldizkarian.

Azterketa genetiko berri batek erakutsi du almidoia digeritzeko AMY1 genea bikoiztu zela duela 800.000 urte, nekazaritzaren agerpena baino askoz lehenago. Gene horrek listu amilasa ekoiztea ahalbidetzen du, almidoia modu eraginkorragoan metabolizatzeko. Honek adierazten du gure arbasoek karbohidratoak barne hartzen zituztela beren dietan, landareak etxekotu aurretik. Eboluzioan zehar, genearen kopiak ugaritu egin dira, eta kopuru handiagoa dutenek hobeto aprobetxatu dute almidoia, gizaki modernoaren eta beste espezie batzuen egokitzapenean lagunduz. Egokitzapen honek garunaren garapenean eta dieta aldakorretara moldatzean eragina izan du. Informazioa Zientzia Kaieran.

Kimika

Sara Beldarrain Pavok, POLYMATeko doktoregoko ikasleak, titanio dioxidoaren (TiO2) erabilera optimizatzea du helburu, pinturen jasangarritasuna hobetzeko. TiO2 pigmentu zuritzailea pintura zuriaren oinarria da, baina haren kostu ekonomiko eta energetiko altuak erronka dira. Beldarrain partikula inorganikoen sakabanaketa hobetzeko polimero-kateak eta elur-panpina itxurako polimero-partikulak garatzen ari da. Ur-oinarriko pinturetan proba eginda, filmaren opakutasuna eta babes-propietateak hobetzea lortu dute. Hurrengo pausoa sistema eskalagarriak sortzea da. Zientzialari honen inguruko informazio gehiago UEU webgunean.

Geologia

Duela gutxi egindako ikerketa baten arabera, Stonehengeko “Aldarea” arroka ez dator Gales hegoaldetik, uste zen bezala, baizik eta Eskozia iparraldetik, 750 km-ra. Hau, zirkoia, apatitoa eta errutiloa bezalako mineralen analisi bati esker aurkitu zen, arroken jatorri geologikoa zehaztea ahalbidetzen dutenak. Aurkikuntzak antzinako zibilizazioen garraio-gaitasun aurreratua nabarmentzen du, eta geologiak arkeologia nola osatzen duen erakusten du. Azalpenak Zientzia Kaieran.

Medikuntza

Meta-analisi batek ondorioztatu du bihotz-biriketako egoera gorputz-masaren indizea (GMI) baino hobea dela gaixotasun kardiobaskularrak eta heriotza-arriskua iragartzeko. British Journal of Sports Medicine aldizkarian argitaratutako ikerketak, 400.000 behaketa aztertuta, erakutsi du arriskuak berdinak direla bihotz-biriketako egoera berean, GMI edozein dela ere. Hortaz, ikertzaileek proposatu dute obesitatearen prebentzioan fokua osasun kardiobaskularrean jartzea, pisua galtzean zentratu beharrean. Aurkikuntzak estrategiak berrikusteko baliagarriak dira, obesitatearen prebalentzia eta inpaktu ekonomikoa handitzen ari baitira. Datuak Elhuyar aldizkarian.

Argitalpenak

Lunatikoak. Zientziaren bidezidorretatik (2013) Egoitz Etxebeste Adurizek idatzi eta Manu Ortegak ilustratutako liburuak zientzia irauli zuten 40 pertsonaiaren istorioak biltzen ditu. Besteak beste, Sophie Germain, Ignaz Semmelweis eta Anton van Leeuwenhoek izango dira bertan. Nahiz eta batzuk “lunatikotzat” jo zituzten beren garaian bizitzari eta zientziari beste modu batez begiratzeko gaitasuna edo ausardia izan zutelako, haietako asko ameslariak edo bide berriak ireki zituzten zientzialariak ziren. Izenburuak “Lunatikoen Kluba” aipatzen du, ilargi betearen azpian biltzen zen XVIII. mendeko zientzialari talde bat, Erasmus Darwin eta James Watt kasu. Datuak Zientzia Kaieran.

Ingeniaritza informatikoa

Ainhize Barrainkua Agirrek algoritmoen ekitatean eta gizarte-inpaktuetan du ikerketa-arloa. Bere tesiak ziurgabetasuna modelizatuz diskriminazioa neurtu eta zuzentzeko metodo matematikoak aztertzen ditu. Algoritmoak, gizarteko joera diskriminatzaileak islatuz, jarrera arrazista edo matxistak erreproduzitu ditzakete. Bere ikerketak hiru zuzenketa-maila aztertzen ditu: datuak garbitzea, entrenamendua moldatzea eta emaitzak egokitzea. Erronka nagusiak datu falta edo gizartearen izaera dinamikoa dira. Algoritmoek gizartean duten eraginari buruz hausnartzen du, hauek justizia soziala bultza dezaten eredu berriak proposatuz. Zientzialari honen inguruko informazio gehiago UEU webgunean.

Egileaz:

Enara Calvo Gil kazetaria da eta UPV/EHUko Kultura Zientifikoko Katedraren komunikazio digitaleko teknikaria.

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Irudia: oraindik ez da asmatu bihotz hautsi bati zelan eman erremedioa, baina praktika on batzuk jarraitzeak bihotz puskak batzen eta aurrera egiten lagun diezaguke. (Argazkia: Clay Banks – Unsplash lizentziapean. Iturria: Unsplash)

Eman daiteken aholkurik zuhurrena da onartu behar dela ezer segurutzat eman ezin den unibertso batean bizi garela, ziurgabetasunarekin bizi behar dela eta hartara proaktiboki egokitu behar garela. Edo antzeko zerbait. Hori da Tilkut erakusten diguna bere binetan: We live in a universe of probabilistic uncertainties.

Onartuta dago dagoeneko adimen artifiziala eta robotika neurozientziatik elikatzen direla, ezta?: A self-organizing nervous system of robots.

Zer gertatzen da zure garunean zure bikotekideak harremana apurtzen duenean? Ba bihotz hautsiak bere dosia kentzen dioten drogazale batek izango lukeen abstinentzia-sindromearen antza handia du. Chiara Bressan ikertzaileak azaltzen du: The neuroscience of heartbreak.

Argiak (bere eremu elektrikoa) solido baten elektroiak bultza ditzake eta korronte elektriko bat sortu. Eredu berri batek hau zelan gertatzen den deskribatzeko gaitasuna agertu du, eta ez bakarrik kristaletan. DIPCko ikertzaileek dituzte xehetasunak: The Resta model for the shift current in all situations.

Mapping Ignorance bloga lanean diharduten ikertzaileek eta hainbat arlotako profesionalek lantzen dute. Zientziaren edozein arlotako ikerketen azken emaitzen berri ematen duen gunea da. UPV/EHUko Kultura Zientifikoko Katedraren eta Nazioarteko Bikaintasun Campusaren ekimena da eta bertan parte hartu nahi izanez gero, idatzi iezaguzu.

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Maddi Astigarraga

Hilabete honetan, Kiñuk unibertsoan barrena bidaia txiki bat egitea proposatzen digu, eta planeta izeneko gorputz astronomiko interesgarrien inguruko hainbat kontu azalduko dizkigu. Planeta bat izateko, hainbat baldintza bete behar dira. Baina baldintza hauek ez dira beti berdinak izan. Gure kirikiñoarekin azkenengo aldaketen errepasoa egingo dugu.

Gaur egun, Eguzki-sisteman zortzi planeta handi ezagutzen ditugu, eta horiez gain, planeta nanoak ere aztertzen ditugu. Gure eguzki-sistematik harago bestelako planetak daude, exoplanetak.

Unibertsoan zehar beste bidai batzuk egin ditugu Kiñurekin batera, eta oraingoan erreparatu dio gure eguzki-sistemako planeten izenak erromatarren garaitik datozela. Baina, gaur egun, planetei izenak jartzeko bestelako aukerak daude eta gure kirikiñoak bere buruari galdetu dio ea ezin ote duen planeta batek bere izena hartu.

Hilero, azkenengo ostiralean, Kiñuk bisitatuko du Zientzia Kaiera bloga. Kiñuren begirada gure triku txikiaren tartea izango da eta haren eskutik gure egileek argitaratu duten gai zientifikoren bati buruzko daturik bitxienak ekarriko dizkigu fin.

Egileaz:

Maddi Astigarraga Bergara (IG: @xomorro_) Biomedikuntzan graduatua, UPV/EHUko Ilustrazio Zientifikoko masterra egin du eta ilustratzailea da.

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Dijo una vez Ursula K. Le Guin que no somos nosotros los que viajamos en el tiempo, sino que es el tiempo el que viaja a través de nosotros, y tal vez ese sea el el motivo por el que todo lo relacionado con él nos fascina tanto: no lo controlamos, nos controla y lo hace, además, sin que podamos evitarlo y sin que, desde un aspecto puramente científico, tengamos todavía muy claro qué es. Sabemos que el tiempo, o la dirección en la que casi siempre lo vemos transcurrir, se manifiesta a través de los procesos irreversibles de la naturaleza, ya sean termodinámicos, cuánticos, cosmológicos… El universo que nos rodea parece tener claro hacia dónde va; resta averiguar por qué.

Más allá de la física, el tiempo determina prácticamente todos los aspectos de la experiencia humana, de ahí que haya sido un tema omnipresente en nuestras narraciones desde hace miles de años. Primero, en los mitos y leyendas, después, en la ciencia ficción. En el Mahabharata, texto hindú de alrededor del siglo III a. C, el rey Kakudmi experimenta los «efectos relativistas» de abandonar por un momento la Tierra para visitar a Brahma, el creador, y encontrarse al volver que han transcurrido varias generaciones desde su partida; algo similar a lo que le pasa a Urashima, el pescador protagonista de una leyenda japonesa del siglo XV, quien, cuando regresa a su aldea tras estar tres años en el palacio del dios dragón en el fondo del mar, se da cuenta de que, en realidad, han pasado casi trescientos cincuenta. Quedarse dormido y despertarse varios siglos en el futuro también es una forma muy típica de viajar en el tiempo en muchas historias fantásticas, o a través de la ingesta de algún tipo de sustancia con poderes milagrosos. Pero ¿en qué momento esos relatos de viajes dejaron la fantasía a un lado para intentar convertirse en ciencia? ¿Es que acaso la física permitiría algo así? ¿Existe alguna teoría que respalde la posibilidad de viajar en el tiempo, no solo hacia el futuro y más allá de la dilatación relativista? En otras palabras: ¿es posible viajar en el tiempo de alguna forma «no sobrenatural» o este tipo de historias están condenadas a existir en el ámbito de la fantaciencia para siempre?

Ha habido innumerables intentos de justificar de una manera racional la existencia de viajeros temporales en la literatura de ciencia ficción. Enrique Gaspar y Rimbau identificó el tiempo con algún tipo de fluido manipulable —algo similar al éter, aunque no exactamente eso—, en El anacronópete (1887) cuando trató de despojarlo de su halo místico. H. G. Wells, por su parte, habló de una cuarta dimensión en La máquina del tiempo (1895) —algo muy similar a lo que ya había hecho en «Los ojos del señor Davidson» (1894) con el espacio para conectar dos lugares muy alejados entre sí utilizando una especie de agujero de gusano—. Sorprendentemente, ambos vislumbraron de alguna manera el camino por el que luego iría la teoría de la relatividad general y algunas de las soluciones a las ecuaciones de Einstein. Y, así, podríamos seguir enumerando relatos y novelas hasta llegar a 1958, cuando Robert A. Heinlein escribió el que, al menos para mí, es uno de los relatos más verosímiles de viajes en el tiempo o, al menos, uno que no escandalizaría a la ciencia tanto como otros: «All you zombies—», publicado en The Magazine of Fantasy and Science Fiction en marzo del año siguiente y adaptado a la gran pantalla por Michael y Peter Spierig en 2014 con el título de Predestination.

Primera página de «All you zombies—», de Robert Heinlein. publicada por primera vez en The Magazine of Fantasy and Science Fiction. Se adaptó al cine con el título de Predestination en 2014.

Al que no haya leído el relato o visto la película y no le gusten los spoilers —y este es uno de esos casos en los que un mínimo destripe puede echar a perder toda la experiencia— le recomiendo que lo haga, y que vuelva más adelante a este artículo. No voy a entrar en los detalles fundamentales de la trama, pero, entre solución y solución relativista, sí es posible que haya suficientes pistas como para que alguien pueda ser capaz de desvelar el truco del prestidigitador.

Dicho esto, convirtamos la ciencia ficción en ciencia.

Entre todas estas historias de viajes temporales al pasado, al futuro, con máquina, sin máquina, de paradojas y quebraderos de cabeza con el libre albedrío hay unas de un tipo concreto que, en principio, la física no prohíbe: las de bucles temporales o, en lenguaje científico, las curvas cerradas de tipo tiempo.

En la teoría de la relatividad de Einstein, cualquier objeto que se mueve a través del espacio-tiempo tetradimensional sigue una trayectoria denominada «línea de universo». Ese espacio-tiempo normalmente lo representamos de forma geométrica con el conocido cono de luz, que, además, describe la estructura causal de determinado evento. Esto es: sus posibles pasados —causas—, su momento presente y sus posibles futuros —consecuencias—.

El cono de luz describe las relaciones causales de cualquier evento, tanto hacia el pasado como hacia el futuro. La propia superficie viene determinada por la velocidad de la luz. Como nada puede ir más rápido según la teoría de la relatividad, todo lo que sucede en el universo se encuentra dentro de sus límites. Créditos: CC BY-SA 3.0/Stib, K. Aainsqatsu e Ignacio Icke.

Existen, además, varios tipos de líneas de universo en función de la posición que ocupen respecto al cono de luz:

• De tipo tiempo: siempre están dentro del cono, lo que significa que describen las trayectorias de partículas que viajan a menor velocidad que la de la luz o que tienen masa.

• De tipo nulo o tipo luz: se encuentran sobre la superficie del cono y describen las trayectorias de partículas sin masa, como los fotones, que viajan a la velocidad de la luz.

• De tipo espacio: estarían fuera del cono de luz; representarían eventos desconectados causalmente o, por decirlo de otra manera, completamente «incomunicados» entre sí.

Lo que sucede en nuestro mundo se encuentra, por tanto, dentro del cono de luz y, en principio, todo tiene un punto de inicio y un punto final. Pero ¿es esa la única opción posible? Según la teoría de la relatividad general, no. Matemáticamente no hay inconveniente en que existan líneas de universo «cerradas» o bucles que empiecen y acaben en el mismo punto y se retroalimenten a sí mismos. Eso son las curvas cerradas de tipo tiempo que mencionamos antes. Y es cierto que podrían provocar algunos problemas causales, pero no siempre. En la práctica, como es obvio, este tipo de soluciones son bastante impracticables, pero ¿cuándo los límites de la realidad supusieron algún problema para un físico teórico?

Este tipo de soluciones de las ecuaciones de Einstein fueron, de hecho, de las primeras en aparecer. El físico holandés Willem Jacob van Stockum las encontró en 1937 al tratar de describir cómo sería el campo gravitacional generado por un cilindro infinito compuesto por un fluido —Gaspar y Rimbau no iba tan desencaminado— que gira alrededor de un eje. La contraposición entre fuerzas gravitacionales y centrífugas haría que, en zonas de curvatura intensa, los conos de luz se inclinaran en la dirección de rotación y… Voilà! Las líneas de universo se cerraran sobre sí mismas. Kurt Gödel encontró una solución muy similar en 1949, pero él puso a girar todo el universo, tejido del espacio-tiempo incluido, en lugar de solo una región, como Van Stockum. De nuevo, la rotación permitía la inclinación de los conos de luz y la existencia de curvas cerradas de tipo tiempo. En 1963, llegarían los agujeros negros rotatorios de Kerr, que también permitirían la existencia de bucles temporales en sus inmediaciones; en 1974, el cilindro rotatorio de Tipler…

Para entender un poco mejor qué es lo que estaría pasando en este tipo de geometrías y universos —estos últimos nada tienen que ver con el nuestro, por cierto— basta pensar en cómo los campos gravitatorios intensos afectan al tiempo dentro del marco de la relatividad general: a mayor curvatura, más lento pasa el tiempo, como ya nos enseñó la película Interstellar. Si, además, los ponemos a rotar, se produce una distorsión adicional que provoca un efecto llamado «arrastre de marcos de referencia», que como si nos lleváramos por delante el propio espacio-tiempo, pudiendo poner patas arriba su estructura causal.

Este remolino de tela sería lo más parecido a cómo se verían las zonas que podrían albergar curvas cerradas de tipo tiempo en geometrías rotatorias. Si la tela fuera plana, imaginemos los conos de luz cosidos a ella verticalmente. Al poner la tela a girar a grandísimas velocidades, los conos, con las arrugas, se inclinarían y las líneas de universo que contienen, se acabarían cerrando sobre sí mismas.
Créditos: Pixabay/Mohamed_hassan

No son conceptos fáciles de visualizar, ni siquiera para un físico teórico y ni siquiera con las ecuaciones y los diagramas delante, por no mencionar los quebraderos de cabeza que podría dar que se demostrara que existiera algo así. Imaginemos, simplemente, un sistema cuántico atrapado en uno de esos bucles temporales, ¿dónde quedarían su naturaleza estadística y el principio de indeterminación si, para no violar la causalidad, estuviera condenado a encontrarse siempre en el mismo estado al pasar por determinado punto?

Por si acaso, y para curarse en salud, Stephen Hawking planteó, en 1992, su conjetura de protección cronológica, que dice, básicamente, que el universo se protege a sí mismo de inconsistencias. No elimina la posibilidad de la existencia de curvas cerradas de tiempo tiempo, pero sí de aquellas que puedan provocar «¡…una paradoja temporal, lo que produciría una reacción en cadena que seguramente desarticularía el continuo espacio-tiempo y destruiría todo el universo!», como explicaría el doctor Emmett Brown en Regreso al futuro II. ¿Vas a intentar viajar al pasado para matar a tu abuelo? No pasa nada, se te encasquillará el revólver; te resbalarás con una cáscara de plátano al intentarlo, frustrando el homicidio, o descubrirás, al no desaparecer de la existencia, que hubo una infidelidad marital, pero el universo siempre evitará que se produzca una paradoja.

En junio de 2009, Stephen Hawking organizó una fiesta para viajeros del tiempo… pero envió las invitaciones después. Como no fue nadie, dio por demostrado que viajar en el tiempo es imposible. Pero ¿demostró con esta maniobra la conjetura de protección cronológica? Créditos: Discovery Communications

Está claro que los físicos se han comido bastante la cabeza para, en primer lugar, buscar maneras de que los viajes en el tiempo sean algo loquísmo, pero no tanto como podría parecer de primeras. Y, en segundo, buscarse las mañas para que esa posibilidad no provoque paradojas que destruyan el universo. ¿Sabéis quién lo hizo también? Robert A. Heinlein.

Bibliografía

Gaspar y Rimbau, E. (1887). El anacronópete. Daniel Cortezo. Biblioteca «Arte y letras».

Gödel, K. (1949). An example of a new type of cosmological solutions of Einstein’s field equations of gravitation. Reviews of Modern Physics, 21(3), 447–450

Hawking, S. W. (1992). The Chronology Protection Conjecture. Physical Review D, 46(2), 603-611.

Hawking, S., y Ellis, G. F. R. (1973). The large scale structure of space-time. Cambridge University Press.

Heinlein, R. A. (marzo de 1959). All you zombies—. The Magazine of Fantasy and Science Fiction.

Kerr, R. P. (1963). Gravitational field of a spinning mass as an example of algebraically special metrics. Physical Review Letters, 11(5), 237–238

Le Guin, U. K (2021 [1995]). Ether, OR. En Lo irreal y lo real. Minotauro.

Thorne, K. (1992). Closed timelike curves. Proceddings of the 13th International Conference on General Relativity and Gravitation.

Tipler, F. J. (1974). Rotating cylinders and the possibility of global causality violation. Physical Review D, 9(8), 2203–2206

Stockum, W. J. van (1937). The gravitational field of a distribution of particles rotating around an axis of symmetry. Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, 57, 135.

Wells, H. G. (1895). La máquina del tiempo. William Heinemann.

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Sobre la autora: Gisela Baños es divulgadora de ciencia, tecnología y ciencia ficción.

El artículo Cómo viajar en el tiempo sin destruir el universo se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Lunatikoak. Zientziaren bidezidorretatik (2013) liburuan biltzen dira bide berriak ireki edo aurkikuntza berriak egin zituzten 40 pertsonaiaren istorioak. Horien artean Sophie Germain, Ignaz Semmelweis, Auguste Piccard edo Anton van Leeuwenhoek daude, besteak beste.

Irudia: Lunatikoak. Zientziaren bidezidorretatik liburuaren azala. (Iturria: Elhuyar fundazioa)

Ez dira lunatikoak liburu honetako pertsonaia guztiak; gehienek gutxi dute erotik. Batzuk benetako jeinuak izan ziren; beste batzuk, zortea izan zuten zientzialari argiak, edo lanaren poderioz lorpen handiak egitera iritsi zirenak. Jeinuak, argiak, langileak, setatiak, ausartak, ameslariak, abenturazaleak, mugalariak…

Bere garaian, ordea, lunatiko gisa ikusi zituzten askok, bizitzari eta zientziari beste modu batez begiratzeko gaitasuna edo ausardia izan zutelako. Garaiko usteekin edo sinesmenekin bat ez zetozen aurkikuntzak eta proposamenak egin zituztelako. Bide nagusietatik aparte zeuden edo beste inork urratu gabeko bidezidorrak ireki zituztelako, edo emakume izateagatik itxita zituzten bideak ireki behar izan zituztelako.

XVIII. mendeko zientzialari handienetako batzuk “Lunatikoen kluba” izenekoan biltzen ziren ilargi beteko gauetan; tartean zeuden Erasmus Darwin (Charles Darwinen aitona), James Watt, Joseph Pristley, William Herschel… eta hortik izenburua.

Argitalpenaren fitxa:

• Izenburua: Lunatikoak. Zientziaren bidezidorretatik
• Egilea: Egoitz Etxebeste Aduriz
• Ilustratzailea: Manu Ortega
• ISBN: 978-84-92457-96-0
• Argitaletxea: Elhuyar fundazioa
• Hizkuntza: Euskara
• Urtea: 2013

Iturria:

Elhuyar fundazioa: Lunatikoak. Zientziaren bidezidorretatik 

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En el libro El prodigio de los números, del divulgador científico estadounidense Clifford A. Pickover (1957) se muestra un rompecabezas geométrico, conocido con el nombre de IQ-Block, que está formado por piezas geométricas pertenecientes a la versátil familia de los poliominós. Vamos a dedicar esta entrada del Cuaderno de Cultura Científica a este juego geométrico.

Caja y piezas del rompecabezas geométrico conocido con el nombre de IQ-Block

 

El juego fue fabricado y comercializado por la empresa británica Hercules, aunque manufacturado en Hong-Kong, hacia la década de 1980.

Los poliominós, juntando cuadrados

Los poliominós son unos curiosos objetos geométricos que fueron introducidos formalmente por el matemático e ingeniero estadounidense Solomon W. Golomb (1932-2016) en una conferencia en el Harvard Mathematics Club en 1953, y en su posterior artículo Checkers Boards and Polyominoes publicado en la revista American Mathematical Monthly, revista matemática de la MAA (Asociación Matemática de América) dirigida a un amplio público dentro de las matemáticas, desde estudiantes de grado hasta investigadores punteros, que se ha convertido en la revista matemática más leída del mundo. Pero serían descubiertos para el público general por el gran divulgador de las matemáticas Martin Gardner (1914-2010), en su columna de juegos matemáticos de Scientific American (1957). Poco después, en 1965, Golomb publicaría un extenso libro que analizaba en profundidad estos objetos geométricos, con el sencillo título Polyominoes (Poliominós). Al introducir los poliominós, el matemático abrió un fructífero campo para las matemáticas, las ciencias de la computación y la creación de juegos. Están relacionados con conceptos matemáticos como las teselaciones (o embaldosados), los patrones geométricos, los empaquetamientos o la medida (área), y de ellos han surgido infinidad de juegos de ingenio y rompecabezas geométricos, como el juego de los pentominós y sus derivados (véase la entrada Tetris, embaldosados y demostraciones), el Tetris o el Vee-21 (véase la entrada Embaldosando con L-triominós (Un ejemplo de demostración por inducción)), por citar algunos.

Katamino es el nombre comercial de la empresa francesa Gigamic para el juego de los pentominós

 

Un poliominó es una figura geométrica plana formada conectando dos o más cuadrados por alguno de sus lados. Los cuadrados se conectan lado con lado, pero no se pueden conectar ni por sus vértices, ni juntando solo parte de un lado de un cuadrado con parte de un lado de otro. Si unimos dos cuadrados se obtiene un dominó, si se juntan tres cuadrados se construye un triominó, o trominó, con cuatro cuadrados se tiene un tetraminó, con cinco un pentominó, y así se puede continuar para cualquier número de cuadrados, hexaminó, heptaminó, octominó. etcétera. Podemos considerar que un único cuadrado es también un poliominó, que denominamos monominó.

Todos los poliominós formados por 1, 2, 3, 4 o 5 cuadrados

 

Como podemos ver en la anterior imagen, existen un monominó, un dominó, dos triominós, cinco tetraminós y doce pentominós. Si pasamos al orden seis, la familia de los poliominós se extiende con 35 hexominós, poliominós formados con seis cuadrados.

Antes de seguir adelante con el rompecabezas, una pequeña aclaración sobre estas piezas. Como estamos trabajando con piezas geométricas que vamos a poder manipular, se considera que podemos darles la vuelta, luego poliominós como los de la imagen (que son dos tetraminós) se consideran iguales, ya que dando la vuelta a uno se obtiene el otro (que es su imagen especular). Si estuviésemos trabajando con juegos o cuestiones simplemente planas, con en el Tetris, serían poliominós distintos, en cuyo caso podríamos hablar de “poliominós planos” o “poliominós de una cara”, como los denomina Golomb. Por ejemplo, hay 5 tetraminós (poliominós construidos con cinco cuadrados), como se muestra en la imagen de arriba, pero existen siete si hablamos de poliominós de una cara.

Dos tetraminós que son iguales como poliominós, ya que podemos pasar de uno a otro dándole la vuelta (uno es la imagen especular del otro), pero diferentes como poliominós de una cara (planos)

 

Aunque para lo que nos ocupa en esta entrada del Cuaderno de Cultura Científica seguiremos con los poliominós normales, los que se pueden voltear.

Las piezas del rompecabezas IQ-Block

Este rompecabezas geométrico está formado por diez piezas, diez poliominós, en concreto, un tetraminó, dos pentominós, dos hexominós, dos heptominós y tres octominós, una de ellas con forma de rectángulo, otra con forma de Z y las demás con formas que son, más o menos, una L, como aparece en la siguiente imagen.

Las diez piezas del juego IQ-Block

 

El número total de cuadrados implicados en las diez piezas del juego son 64 (1 x 4 + 2 x 5 + 2 x 6 + 2 x 7 + 3 x 8), luego, a priori, se podría, y se puede, formar un cuadrado de lado 8, como se muestra en la siguiente imagen.

Con las diez piezas del juego IQ-Block puede formarse un cuadrado grande de lado igual a 8 cuadrados, luego cuya superficie es de 64 cuadrados

 

Este es esencialmente el objetivo de este rompecabezas, construir un cuadrado grande 8 x 8, un cuadrado de lado 8, es decir, formado por 64 cuadrados, con las diez piezas del juego. Tengamos en cuenta que las piezas del rompecabezas se pueden rotar y dar la vuelta.

Antes de seguir adelante, mi recomendación es construirse uno mismo las piezas de este rompecabezas, ya sea con papel, cartulina, papel maché, madera o piezas de algún juego de construcción, como he hecho yo, que he utilizado piezas cuadradas del LiveCube, para poder disfrutar jugando con las mismas, tanto mientras se lee esta entrada, como después.

Las diez piezas del rompecabezas IQ-Block construidas con las piezas cuadradas del LiveCube

 

El rompecabezas IQ-Block

Como acabamos de comentar, el objetivo de este rompecabezas es formar un cuadrado grande 8 x 8 con las diez piezas que acabamos de describir, un tetraminó, dos pentominós, dos hexominós, dos heptominós y tres octominós.

Aunque, en el juego comercializado por la empresa Hercules las reglas del rompecabezas estaban escritas de la siguiente forma.

Primero debes elegir una de las piezas del juego, la que desees, que es la que va a estar colocada en la esquina superior izquierda (véase imagen inferior). Después, coloca las otras nueve piezas para que formen un cuadrado 8 x 8, sin mover de la esquina superior izquierda la pieza elegida.

Como vemos el objetivo del juego es formar un cuadrado grande de tamaño 8 x 8, con las diez fichas del juego, aunque en las reglas del juego comercial se plantea que se obtenga al menos una solución para cada una de las fichas colocada en la esquina superior izquierda. Por una parte, se amplia el reto a encontrar al menos diez soluciones, una por cada una de las diez fichas colocadas en la esquina. Pero además si se tiene en cuenta que cada ficha elegida para la posición de la esquina superior izquierda puede ser colocada de varias maneras distintas, se puede buscar al menos una solución para cada ficha y para cada una de sus posiciones posibles en la esquina superior izquierda. Quizás, este es el motivo por el cual en las reglas se menciona que hay bastantes soluciones distintas, en concreto:

Existen más de sesenta soluciones distintas que puedes encontrar. Se muestran dos soluciones a modo de ejemplo.

Las dos soluciones mostradas en las reglas del juego comercial son las siguientes.

Dos soluciones del rompecabezas IQ-Block mostradas en las reglas del juego

 

Es cierto que, al plantearse en las reglas del rompecabezas IQ-Block obtener soluciones para cada ficha, y para cada una de sus posiciones posibles, colocada en la esquina superior izquierda, esto nos anima a obtener muchas más soluciones, que solamente una, pero también a clasificarlas a la hora de encontrarlas, según cual sea la ficha y la posición de esa esquina.

Y la parte de las reglas del juego termina con la siguiente frase.

Trata de encontrar la mayor cantidad de soluciones posibles. Únete a nosotros para desafiar a tu I. Q. (Intelligence Quotient / Cociente intelectual).

Las soluciones del IQ-Block

Una pregunta lógica, tanto de quien idea y construye el rompecabezas, como de quien pretende solucionarlo, es cuántas soluciones distintas existen. En las reglas del juego afirman que existen más de 60 soluciones, pero no sabemos, al leer eso, cuántas más hay, es decir, cuántas son realmente todas las soluciones del rompecabezas.

Antes de seguir con esta cuestión observemos las dos soluciones que nos ofrecen como ejemplos en las reglas del juego. La primera de ellas es exactamente la misma que la que se había mostrado antes, pero girada 90 grados en el sentido de las agujas del reloj. Desde el punto de vista de las soluciones estas dos se consideran “esencialmente” la misma, al igual que las obtenidas si seguimos girando 90 grados, e incluso si diésemos la vuelta a la solución, luego todas ellas cuentan como una en el cómputo de soluciones.

Una solución del rompecabezas, la primera de los dos ejemplos de las reglas, y la solución obtenida al dar la vuelta a esta (que es su imagen especular), y que se considera que son “esencialmente” la misma solución

 

El matemático estadounidense Charles Ashbacher, que fue co-editor de la revista Journal of Recreational Mathematics, revista en la cual Pickover había publicado un par de artículos sobre el rompecabezas IQ-Block, escribió un programa de ordenador que rápidamente obtuvo mil soluciones distintas del rompecabezas. Sin embargo, hay más soluciones aún. El alemán Hartmut Blessing, miembro de MENSA e INTERTEL, sociedades de personas con alto cociente intelectual, afirma que existen 12.724 soluciones, lo cual ha sido comprobado con el programa PolySolver, que es un programa de Jaap Scherphuis que resuelve una gran variedad de rompecabezas geométricos.

Algunos retos con las piezas del IQ-Block

El autor de libros como El prodigio de los números (2000), La maravilla de los números (2001), Las matemáticas de Oz (2002), La banda de Moebius (2006), El libro de las matemáticas, de Pitágoras a la 57ª dimensión (2009) o Inteligencia artificial (2019), entre muchos otros, planteaba en su libro El prodigio de los números algunos retos relacionados con este rompecabezas.

Pregunta 1: ¿Puede construirse una estructura cuadrada eliminando una pieza y utilizando todas las restantes?

La respuesta a esta cuestión es sencilla. Al eliminar una pieza, que tendrá 5, 6, 7 u 8 cuadrados, nos quedarán nueve piezas que sumarán entre todas entre 56 y 59 cuadrados, lejos del siguiente número cuadrado más bajo 49 (que correspondería con un cuadrado 7 x 7), luego la respuesta es negativa.

Pero podemos ir un poco más allá, analizando caso por caso. Si se elimina la pieza con 5 cuadrados (pentominó) quedarían nueve piezas con 64 – 5 = 59 cuadrados, pero 59 es un número primo, luego es imposible formar una estructura rectangular, no solo cuadrada, con las nueve piezas restantes. Si se quita una de las dos piezas con 6 cuadrados (hexaminós) las otras nueve piezas sumarían 64 – 6 = 58, que es igual a 2 x 29, luego a priori podría formarse un rectángulo de tamaño 2 x 29, lo cual es imposible en este caso ya que hay varias piezas cuya anchura mínima es tres, luego imposible colocarlas para formar un cuadrado de anchura 2. Si se elimina una pieza de 7 cuadrados (heptominós), quedarían nueve piezas con 64 – 7 = 57, que es igual a 3 x 19, luego se podría construir un rectángulo de tamaño 3 x 19, lo cual es posible como he podido comprobar por mí mismo (si tenéis construidas las piezas del rompecabezas podéis buscar alguna distribución posible). Finalmente, si se deja fuera una pieza de 8 cuadrados quedan nueve piezas con 56 cuadrados en total, pero como 56 = 7 x 8, se podría formar un rectángulo de tamaño 7 x 8, lo cual es posible, como se muestra en la siguiente imagen.

Estructura rectangular de tamaño 7 x 8 obtenida por todas las piezas del IQ-Block menos el octominó que aparece a la derecha

 

En este último caso, si se elimina una pieza de 8 cuadrados, ya hemos explicado que quedan nueve piezas con 56 cuadrados entre todas y se puede construir un rectángulo de tamaño 7 x 8, pero pensemos … ¿también se podría construir de tamaño 14 x 4? La respuesta a esta cuestión también la dejo para que la penséis quienes estáis leyendo esta entrada.

La cuestión anterior puede ampliarse a dos piezas (o más).

Pregunta 2: ¿Puede construirse una estructura cuadrada eliminando dos piezas y utilizando todas las restantes?

Como el siguiente número cuadrado, más pequeño que 64, es 49, como hemos comentado arriba, y la diferencia entre ambos es 64 – 49 = 15, hay que eliminar una pieza con 7 cuadrados y otra con 8, solo para esta opción podría ser posible construir una estructura cuadrada con el resto de piezas. Teniendo en cuenta esta información podéis buscar vosotros mismos dichas estructuras.

Si hasta ahora la diversión consistía en construir un cuadrado 8 x 8 (o más pequeños si se eliminan piezas), ahora vamos a darle la vuelta a la tortilla, ahora se tratará de formar, con las diez piezas del IQ-Block, el perímetro alrededor de un cuadrado 8 x 8, o si se elimina una pieza, un cuadrado 7 x 7.

Pregunta 3: ¿Puede construirse el perímetro de una estructura cuadrada vacía de tamaño 8 x 8 con todas las piezas del rompecabezas? ¿Y si se elimina una pieza puede construirse el perímetro de una estructura cuadrada vacía de tamaño 7 x 7?

Veamos una posible solución a la primera cuestión.

Dejo para diversión de las personas que estáis leyendo esta entrada la búsqueda de soluciones, que las hay, para el caso en el que se quita una de las piezas del rompecabezas y se utilizan las otras nueve piezas.

Otro de los formatos comercializados del IQ-Block

 

Bibliografía

1.- Raúl Ibáñez, Del ajedrez a los grafos, la seriedad matemática de los juegos, El mundo es matemático, RBA, 2015.

2.- Solomon W. Golomb, Polyominoes: Puzzles, Patterns, Problems, and Packings, Princeton University Press, 1994.

3.- Clifford A. Pickover, El prodigio de los números. Desafíos, paradojas y curiosidades matemáticas, Ma Non Troppo (ediciones Robinbook), 2002.

Sobre el autor: Raúl Ibáñez es profesor del Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU y colaborador de la Cátedra de Cultura Científica

El artículo El rompecabezas IQ-Block se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Blanca Martínez

Nature aldizkarian duela gutxi argitaratutako artikulu batean jatorrizko leku berri bat proposatzen da Stonehenge aztarnategi megalitikoko arroka batentzat. Arroka hori “Aldarea” izenaz da ezaguna, eta haren jatorri berria egungo kokalekutik 750 kilometrora kokatu dute.

Aurkikuntzak eztabaida arkeologiko sutsua piztu du duela milaka urte sei tonatik gorako bloke arrokatsu horren garraio prozesuari buruz. Eta, kasu honetan, bigarren planoan geratu da Geologiak izan duen garrantzia; baina, diziplina hori gabe, ezinezkoa izango litekeen aurkikuntza egitea.

1. irudia: Stonehenge aztarnategi megalitikoa, Ingalaterrako Wiltshire konderrian. (Argazkia: Diego Delso – CC BY-SA 4.0 lizentziapean. Iturria: Wikimedia Commons)

Stonehenge aztarnategi megalitikoa Ingalaterraren hegoaldean dago, eta haren jatorria, eraikuntza eta funtzioa mundu prehistorikoan eztabaidagai izan dira duela mende askotatik. Kondaira arturiko britainiarraren parte izan da, eta Merlin druida famatuari loturiko ezaugarri magikoak ere egotzi zaizkio.

Mitologia alde batera utzita, orain arte eginiko ikerketa arkeologiko gehienak hemengo egiturak osatzen dituzten arroken jatorria zehazten saiatu dira. Horretarako, ikerketa taldeek arroken ezaugarri litologikoak aztertu dituzte; hau da, arroken jatorria (metamorfikoa, igneoa edo sedimentarioa), eta konposizio minerala. Horiek horrela, inguruko eremuetan antzekoenak diren eta harrizko materialak erauzteko harrobi zaharrak era zitzaketen materialak bilatu dituzte. Ikerketa horien guztien arabera, artikulu berri hau argitaratu arte, Stonehengeko arrokak bi multzotan bereizten ziren: batetik, 1- autoktonoak, Marlborougheko hareharri izeneko arroka sendimentarioak. Marlborough aztarnategitik iparraldera 25 kilometro ingurura dagoen eremua da. Eta, bestetik, 2- aloktonoak, edo “kanpokoak”, arroka igneoen (doleritak eta erriolitak) eta hareharrien multzoa. Azken horiek, dirudienez, Mynydd Preselikoak dira, Galesko hegoaldeko mendi sistemakoak, Stonehengetik 250 kilometro ingurura dagoena.

2. irudia: Stonehenge aztarnategiko oinaren ikuspegia, hura eraikitzeko erabilitako arroka motak eta “Aldarea” izeneko arroka identifikatuta. (Iturria: irudi eraldatua; Clarke, A; et. al. (2024))

Hala ere, arroka apaingarri baten jatorria zehazteko metodo klasikoak, soilik konposizioa, itxura eta eduki fosilak aztertuta —bestelako ezaugarri litologikoen artean—, arazo handi bat dauka: ingurune berean, garai berean eta baldintza geologiko berberetan baina oso eremu desberdinetan sortu diren arrokak oso antzekoak dira itxura orokorrari dagokionez. Beharrezkoa da miaketa mikroskopiokoetan eta geokimikoetan oinarritutako azterketa geologiko oso xehatua egitea arroka bakoitza bakar bihurtzen dituen ezaugarriak aurkitzeko, eta, horren bidez, zehaztasun osoz arroka horren jatorri geografikoa zehazteko.

Eta horixe izan da Stonehengen hamarkadetan egin den akatsa. Bloke arrokatsu horiek erauzteko teknikak eta, batez ere, Ingalaterrako hegoaldean zehar dozenaka edo ehunka kilometrotan garraiatzeko teknikak azaltzen saiatzean, Mesopotamian gurpila asmatu zuten ala ez oraindik oso argi ez dagoen garai batean, logikak pentsarazten digu hurbilen zeuzkaten arrokak erabili zituztela. Baina Egiptoko piramideei esker ikasi dugu ez ditugula gutxietsi behar antzinako zibilizazioek ingeniaritza zibilaren arloan zeuzkaten ezagutzak. Eta Stonehenge ez da salbuespena.

Jar dezagun berriro ardatza argitaratu berri den artikuluan. Britainiako eta Australiako ikertzaileek osatutako talde batek ikusi zuen multzo megalitikoaren erdigunean dagoen “Aldarea” izeneko hareharriak (ustez Galesen hegoaldetik ekarritakoa) zituen kanpoko ezaugarri litologikoak inguruko arrokekiko ezberdin xamarrak zirela. Eta, horretan oinarrituta, haren jatorrizko eremua zehaztu nahi izan zuten. Horretarako, arroka zehaztasun handiz datatzea erabaki zuten; hau da, haren adina kalkulatzea.

3. irudia: Zirkoi kristalak mikroskopio eskaneatzaile elektronikoaren pean. Eskala: 0,1 mm. (Iturria: irudi eraldatua; Dröllner, Maximilian; et. al. (2021))

Eta orduan sartzen dira jokoan gure hiru protagonistak: zirkoia, apatitoa eta errutiloa izeneko hiru mineralak. Mineral horiek ia suntsiezinak dira; izan ere, behin eratuta, berdin dio zein prozesu geologikoren menpe dauden, ez baitute inola ere aldaketarik jasango. Hau da, arroken barnean denbora kapsula gisa geratzen dira. Gainera, mineralen egitura kimikoak isotopo erradiaktiboak ditu; eta horrek esan nahi du, denborarekin, isotopo horiek beste mota bateko isotopo bihurtuko direla. Zehazki, uranioa (U) berun (Pb) bihurtzen da, eta lutezioa (Lu) hafnio (Hf). Mineral horietan dagoen U-Pb eta Lu-Hf edukia neur dezakegunez, badakigu zenbat denbora igaro behar den eraldaketa isotopiko hori geratzeko; eta, horrenbestez, adin absolutua eman diezaiokegu mineral horietako bakoitzari.

4. irudia: Stonehenge aztarnategi megalitikoan erabilitako arroken jatorrizko lekuak. Laranjaz Britainia Handian hareharri zaharrak dauden eremuak markatu dira. Lerro gorriak duela 1000 milioi urte baino gehiago sortutako zirkoiak dituzten arroken (iparraldea) eta mineral modernoagoak dituztenen (hegoaldea) arteko bereizketa markatzen du. (Iturria: irudi eraldatua; Clarke, A; et. al. (2024))

Ikerketa taldeak “Aldarea” izeneko hareharri blokeko zirkoi, apatito eta errutilo kristalak datatu zituenean, deskubritu zuen gehienek 1000 eta 2000 milioi urte artean zituztela. Eta emaitza horiek alderatzean aurretik Stonehenge aztarnategitik hurbileko hareharrietan eginiko beste lan batzuekin, ikusi zuten azken horien mineralak duela 500 eta 700 milioi urte sortu zirela. Hau da, historia geologiko ezberdina kontatzen dute eta, beraz, “Aldarea” eraikitzeko erabili zen arroka ezin da Galesko harrobietakoa izan. Baina Britainia Handian badaude 1000 milioi urtetik gorako adina duten eta konposizioan zirkoia, errutiloa eta apatitoa dituzten hareharri batzuk. Kontua da arroka horiek Eskoziaren iparraldean daudela, Stonehengetik 800 kilometrora. Eta horrela aurkitu zuten aztarnategi megalitikoaren erdiguneko arroka bitxi horren jatorrizko eremua, irla handiaren beste muturrean.

Artikuluak eskaintzen digun ikasketa nagusia da arrokek pasaporte isotopiko bat dutela, horien jatorrizko lekua markatzen duena, eta pasaporte hori interpretatzen jakiteak lagun diezagukeela gure aurretiko zibilizazioen gaitasunen pertzepzioa aldatzen, ezagutzen dugun historia eraldatzera ere iritsiz. Eta hori Arkeologiaren zeregina bada ere, Geologiak ere badu zer esanik.

Erreferentzia bibliografikoa:

Clarke, Anthony J.I.; Kirkland, Christopher L.; Bevins, Richard E.; Pearce, Nick, J. G.; Glorie, Stijn; Ixer, Rob A. (2024). A Scottish provenance for the Altar Stone of Stonehenge. Nature, 632, 570-575. DOI: 10.1038/s41586-024-07652-1

Egileaz:

Blanca María Martínez (@BlancaMG4) Geologian doktorea da, Aranzadi Zientzia Elkarteko ikertzailea eta UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko Geologia Saileko laguntzailea.

Jatorrizko artikulua Cuaderno de Cultura Científica blogean argitaratu zen 2024ko irailaren 12an: Las piedras también tienen pasaporte.

Itzulpena: UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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El agua, una molécula esencial para la vida, presenta unas propiedades inusuales —conocidas como anomalías— que definen su comportamiento. Sin embargo, todavía hay muchas incógnitas sobre los mecanismos moleculares que explicarían las anomalías que hacen única a la molécula de agua. Descifrar y reproducir este comportamiento particular del agua en diferentes rangos de temperaturas es todavía un gran desafío para la comunidad científica. Ahora, un estudio presenta un nuevo modelo teórico capaz de superar las limitaciones de metodologías anteriores para entender cómo es el comportamiento del agua en condiciones extremas.

La investigación no solo amplía nuestra comprensión de la física del agua, sino que tiene implicaciones en el ámbito de la tecnología, la biología y la biomedicina, en especial para abordar el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas y el desarrollo de biotecnologías avanzadas.

Un punto crítico entre dos formas líquidas de agua

La investigación, que deriva de la tesis doctoral que Luis E. Coronas presentó en 2023 en la Facultat de Física de la UB, muestra un nuevo modelo teórico que responde a las siglas CVF (las iniciales de los apellidos de los investigadores Luis E. Coronas, Oriol Vilanova y Giancarlo Franzese). El nuevo modelo CVF se caracteriza por ser fiable, eficiente, escalable y transferible, e incorpora cálculos cuánticos ab initio que reproducen con precisión las propiedades termodinámicas del agua bajo diferentes condiciones.

Mediante la aplicación del nuevo marco teórico, el estudio revela que «existe un punto crítico entre dos formas líquidas de agua, y este punto crítico es el origen de las anomalías que hacen que el agua sea única y esencial para la vida, así como para muchas aplicaciones tecnológicas», detalla el profesor Giancarlo Franzese, de la Sección de Física Estadística del Departamento de Física de la Materia Condensada.

«Aunque esta conclusión ya se había alcanzado en otros modelos de agua, ninguno de ellos tiene las características específicas del modelo que hemos desarrollado en este estudio», detalla Franzese.

El modelo CVF

Algunos de los modelos actuales para explicar las anomalías del agua no son capaces de reproducir adecuadamente las propiedades termodinámicas del agua, como, por ejemplo, su compresibilidad y capacidad calorífica. «Sin embargo, el modelo CVF lo consigue porque incorpora resultados de cálculos cuánticos ab initio sobre interacciones entre moléculas. Estas interacciones, conocidas como interacciones de muchos cuerpos, van más allá de la física clásica y se deben a que las moléculas de agua comparten electrones de una manera difícil de medir experimentalmente», detalla Franzese.

Según el estudio, «las fluctuaciones de densidad, energía y entropía del agua están reguladas por estas interacciones cuánticas, con efectos que van desde la escala nanométrica hasta la macroscópica», detalla el investigador Luis E. Coronas.

«Por ejemplo —continúa Coronas— el agua regula el intercambio de energía y moléculas, así como el estado de agregación de proteínas y ácidos nucleicos en las células. Se sospecha que defectos en estos procesos pueden causar enfermedades graves como el alzhéimer, el párkinson y la esclerosis lateral amiotrófica. Por lo tanto, entender cómo las fluctuaciones del agua contribuyen a estos procesos podría ser clave para encontrar tratamientos contra estas patologías».

Nuevas biotecnologías

El modelo CVF también ofrece nuevas ventajas que permiten realizar cálculos donde otros modelos fallan, debido a que son computacionalmente muy pesados o bien porque se desvían significativamente de los resultados experimentales.

En el ámbito del desarrollo tecnológico, algunos laboratorios están desarrollando biotecnologías para reemplazar músculos (actuadores mecánicos) que aprovechan las interacciones cuánticas del agua; memorias a base de agua (water-based memristors) para crear dispositivos de memoria (con una capacidad millones de veces mayor que las actuales), o bien la aplicación de esponjas de grafeno que separan el agua de impurezas gracias a las fluctuaciones de densidad del agua en nanoporos.

También existen implicaciones en la comprensión de la física del agua. «Este modelo puede reproducir las propiedades del agua líquida en prácticamente todas las temperaturas y presiones que se encuentran en nuestro planeta, aunque se desvía en condiciones extremas alcanzadas en laboratorios», detallan los expertos. «Esto demuestra que los efectos no incluidos en el modelo —los efectos cuánticos nucleares— también son importantes a estas presiones y temperaturas extremas. Así, las limitaciones del modelo nos guían hacia dónde mejorar para llegar a una formulación definitiva del mismo», concluyen.

Referencia:

Luis Enrique Coronas, Giancarlo Franzese (2024) Phase behavior of metastable water from large-scale simulations of a quantitatively accurate model near ambient conditions: The liquid–liquid critical point. J. Chem. Phys. doi: 10.1063/5.0219313

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por la Universitat de Barcelona

El artículo El agua tiene un punto crítico líquido-líquido se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Juanma Gallego

Almidoia digeritzea ahalbidetzen duen gene baten bikoizketa nekazaritzaren agerpena baino askoz aurretikoa dela ondorioztatu du ikerketa batek. Are, kode genetikoan geratu diren marken abiatuta, gizaki modernoaren agerpenaren aurrekoa izan daitekeela diote ikertzaileek.

Ezaguna da ehiztari-biltzaile izatetik nekazaritzan eta abeltzaintzan oinarritutako bizi modu baterako trantsizioan gizakiak hainbat aldaketa biologiko izan zituela egokitzapen genetikoaren ondorioz. Horien artean, nabarmenena agian laktosarekiko tolerantziarena izan da, horren bitartez gizaki askok animalietan eratorritako produktu lakteoak dietara sartzeko modua izan zutelako.

Baina gauzak ez dira beti horren linealak, almidoia errazago prozesatzeko gako den gene zehatz baten azterketan abiatutako ikerketa batek argi utzi duenez. Horri esker, eta senak esango lukeenaren kontra, zientzialariak konturatu dira almidoia hartzea erraztu zigun aldaketa ez zela gertatu nekazaritzaren agerpenarekin batera, askoz garai urrunago batean baizik.

1. irudia: almidoia glukosa bihurtzeaz gain, amilasak ogiari horren berezkoa duen zaporea ematen dio. (Argazkia: Kate Remmer – Unsplash lizentziapean. Iturria: Unsplash)

Normalean haragiaren kontsumoarekin lotzen dugu historiaurreko gizakien dieta, baina gero eta ebidentzia gehiago pilatzen ari dira azken hamarkadetan dieta zabalagoa zutelako ideian, eta, jatorri begetaleko elikagai asko kontsumitzen zutela ere, tartea, almidoi asko zutenak ere, hortzetako mikrobiomaren azterketatik ondorioztatu izan denez. Baina, aztarnategietan pilatutako arrastoez ez ezik, genoman bertan dauden zantzuak ere norabide berean doaz, ikerketa honek agerian utzi duenez.

AMY1 izeneko geneaz ari gara. Aurretik egindako ikerketek frogatu dute gene hau lotuta dagoela gure listuan askatzen den amilasa entzimaren kopuruarekin. Listu amilasaren gene gisa ere ezaguna, karbohidratoak ahotik bertatik digeritzen hasten laguntzen digun gene horren hainbat kopia dauzkagu gizakiok. Kopurua pertsonaren arabera aldatzen da, eta eboluzioan zehar handitu izan da, baina orain arte ez da erraza izan ikertzaileentzat hau noiz gertatu zen zehaztea.

Karbohidrato sinpleak —azukrea, kasurako— arin digeritzen dira, eta energia ematen dute berehalakoan. Baina konplexuagoak direnak —barazkietan edo zerealetako aleetan daudenak, adibidez— mantsoago digeritzen dira, eta, horretan, funtsezko rola du amilasak. Horregatik, amilasa entzima eduki ezean, gizakiak ez lirateke gai izango patatak, pasta, arroza edota ogia digeritzeko. Beraz, almidoia prozesatu eta organismoak erabiltzeko modukoak diren azukre sinpleagoetan bihurtzeko aukera ematen du amilasak.

Berez pankreak amilasa sortzen du hesteetan karbohidratoak digeritu ahal izateko, baina ahoan amilasa askatuz, karbohidratoen lehen deskonposaketa bat egiten da, ondorengo digestioa erratuz. Modu horretan, irentsi aurretik ere, errazagoa da almidoi asko duten elikagaiak metabolizatzeko lehen pausuak ematea. Almidoia glukosa bihurtzeaz gain, amilasak ogiari horren berezkoa duen zaporea ematen dio ere.

Orain, ikertzaile talde batek gene horren arrastoari jarraitu dio antzinako DNAren azterketa zabal batean abiatuta; modu honetan, konturatu dira gizakia aspalditik zegoela prestatuta almidoia prozesatzeko.. Science aldizkarian argitaratutako zientzia artikulu batean ezagutzera eman dutenez, hori ahalbidetzen duen genearen bikoizketa duela 800.000 urte gertatu zelako zantzuak aurkitu dituzte.

Orotara, 68 gizakiren antzinako DNA aztertu dute. Horien artean, 45.000 urteko Siberiako lagin bat. Ikusi dutenez, hasierako bikoizketak zelula bakoitzeko AMY1 genearen hiru kopia edukitzea ahalbidetu zuen. Baina ikusi dute hasierako bikoizketaren ostean amilasaren locusa —gene batek kromosoman izaten duen kokapena— ezegonkorra bihurtu zela, eta aldaketa berriak sortzen hasi zela. Aldaketa horien ondorioz, hasierako hiru kopia horietatik bederatzi kopia lor daitezke, baina baita bueltatu daiteke zelula bakoitzeko kopia bakarra izatera.

Hala, ikusi ahal izan dute nekazaritza agertu aurretik bizi ziren gizakiek zelula diploide bakoitzeko gene horren lau eta zortzi kopia artean zituztela batez bestean. Ondorioz, argi dute Eurasian zehar ibili ziren gizakiek genearen kopia asko zituztela eskura landarean etxekotu eta almidoi kopuru handiak kontsumitzen hasi aurretik.

2. irudia: listu amilasari esker, almidoia ahotik bertatik prozesatzeko lehen pausoak ematen dira. (Irudia: PDB entry 1SMD – Domeinu publikoko irudia. Iturria: Wikimedia Commons)

Baina lehen egokitzapena noiz gertatu zen jakiteko funtsezko elementua izan da giza eboluzioaren egutegia. Hala, espezie horretan ere genearen antzeko kopiak aurkitu dituztenez, ikertzaileek uste dute gizaki modernoak neandertaletatik bereizi ziren garaia baino askoz lehenago gertatu zela bikoizketa. Izan ere, neandertalen eta denisovarren artean ere bazegoen genearen bikoizketa. Beraz, gizaki modernoekin batera, espezie horiek zaharragoa zen arbaso komun batetik jaso zuten egokitzapen genetiko hori, eta horretan oinarritu dute, hain justu, duela 800.000 urteko data hori.

Zientzialariek uste dute genearen bikoizketa horren goiz gertatu izanak bidea eman zuela gaur egun gizakien artean gene horrekiko ikusten den aldakortasuna eragiteko. Epe luzerako begirada mantendu duten arren, azken milurtekoetan nekazaritzak gene horren aldaketan izan zuen eragina ikusteko moduan egon dira ere. Hala, azken 4.000 urteetan Europako nekazariek izan duten genearen kopien kopurua handiagoa izan da batez bestean, eta hori almidoi asko izan duten dietak eduki izanari egotzi diote. Gogora ekarri dute aurreko zenbait ikerketatan ere ikusia zutela genearen kopia gehiago zituztela gizakien alboan bizi ziren etxekotutako animaliek.

“Amilasaren genearen gero eta kopia gehiago izanda, orduan eta amilasa gehiago sortu dezakezu, eta orduan eta almidoi gehiago digeritu ahal duzu modu eraginkorrean”, azaldu du prentsa ohar batean Buffaloko Unibertsitateko (AEB) biologo Omer Gokcumen-ek.

Egileek babestu dute metodologia berritzaileaz baliatu direla genea zehaztasun handiz mapatu ahal izateko. Zehazki, genomaren mapatze optikoa eta irakurketa luzeko sekuentziazioa erabili dituzte horretarako. Irakurketa laburreko ohiko metodoekin ez da erraza geneen kopiak bereiztea, geneen sekuentzia oso antzekoa delako, baina irakurketa luzeko aldaerarekin, modu argiagoan zehaztu ahal izan dituzte geneen bikoizketak, eta, horrela, ikertzaileak oso gertu dauden antzeko geneak bereizteko moduan egon dira.

Gokcumenek laburbildu du egokitzapen honen garrantzia: “Amilasaren erregioan aldakortasun esanguratsu baterako oinarriak jarri zituzten gure genometan agertutako lehen bikoizketek. Teknologia eta bizi estilo berrien agerpenarekin, almidoiaren kontsumoa izugarri handitu zenez, bikoizketa horiek gizakiei aukera eman zieten dieta aldagarri berrietara egokitzeko”. Laburbilduz, gene horrek espezieari eman zion malgutasunak aukerak ireki zituen dieta desberdinetara aiseago egokitu ahal izateko.

“Litekeena da AMY1 genearen kopia gehiago zituzten norbanakoek almidoia modu efizienteagoan digeritzea eta seme-alaba gehiago izatea. Beren leinuak hobeto garatu ziren eboluzio tarte luzeagoan, kopia gutxiago zituztenen aldean, AMY1 genearen kopia gehiago zabalduz”, erantsi du Gokcumenek. Bestetik, ikertzaileek babestu dute proteinak beharrean, karbohidratoak izan zirela garunaren tamaina handitzeko energia iturri nagusia.

Zientzialariek gogora ekarri dute ikerketa honetan ateratako emaitzak bat datozela berriki Nature aldizkarian argitaratutako beste ikerketa baten ondorioekin. Bertan erakutsi zuten azken 12.000 urteetan AMY1 genearen kopiak lau izatetik zazpi izatera pasa zirela, batez bestean.

Erreferentzia bibliografikoa:

Yılmaz, Feyza et al. (2024). Reconstruction of the human amylase locus reveals ancient duplications seeding modern-day variation. Science, eadn0609. DOI: 10.1126/science.adn0609

 

Egileaz:

Juanma Gallego (@juanmagallego) zientzia kazetaria da.

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Marte es uno de esos lugares de nuestro sistema solar que al mismo tiempo nos resulta aterradoramente parecido a la Tierra, pero, por otro, nos parece totalmente diferente. Lo que hoy es un desierto helado y yermo dominado por una ubicua capa de polvo rojo, hace miles de millones de años era un planeta vivo -en el sentido geológico de la palabra, no me malinterpreten- donde los volcanes todavía entraban en erupción con cierta regularidad y el agua en estado líquido esculpía su superficie.

Todavía hoy seguimos discutiendo las causas y los procesos que transformaron de una manera tan radical al planeta. ¿Fue un cambio gradual o acaso cambió de manera brusca? ¿O quizás la historia de Marte ha sido mayoritariamente fría, pero con periodos cálidos donde la existencia de una atmósfera más densa permitía que el agua líquida fuese estable en su superficie? Todavía nos quedan muchos detalles -y límites temporales- que marcar en Marte para poder responder a estas preguntas.

¿Tuvo Marte en algún momento de su historia este aspecto? Es una de las preguntas que esperamos responder en el futuro, cuando dispongamos de más datos sobre la geología del planeta rojo. Cortesía de ESO/M. Kornmesser.

Por estudios más recientes -como el publicado por Thomas et al. (2023)- el rango de composición y densidad atmosférico hace unos 3800 millones de años indican una atmósfera mayoritariamente compuesta por dióxido de carbono (0.3-1.5 bares de presión) y nitrógeno (0.2-0.4 bares), composición que quizás no era tan diferente a la segunda atmósfera de nuestro planeta, antes de la aparición de la fotosíntesis -al menos en las proporciones de los gases- y que probablemente tuvo su origen principal en la degasificación del magma fruto de importante actividad volcánica que tendría el planeta al principio de su historia.

Pero bueno, ¿por qué dejar la geología hoy para hablar del agua? Lo cierto es que podemos considerar al agua como un recurso geológico, pero también es un importante agente de modelado del relieve, así como de transporte de sedimentos tanto en su fase líquida como en la de hielo, y de ahí que desde el punto de vista de la geología también sea extremadamente interesante y fundamental para explicar Marte tal y como lo entendemos hoy día.

Un nuevo artículo publicado por Buhler (2024) propone un interesante mecanismo para generar periodos “húmedos” en Marte. Para ello tenemos que viajar en el tiempo a la transición entre el periodo Noeico y el Hespérico, hace aproximadamente 3600 millones de años. Probablemente en este momento prácticamente toda el agua superficial de Marte se encontraría congelada en distintas reservas: suelos, casquetes glaciares, escarcha…

Sería este momento cuando, según esta nueva investigación, comienza a producirse una serie de eventos de manera periódica: los colapsos atmosféricos. Este proceso ocurriría cuando la inclinación del eje del planeta cruzase cierto umbral, de tal manera que el dióxido de carbono de la atmósfera, debido a las bajas temperaturas, se condensaría y congelaría sobre los polos, cubriendo estos con un gran casquete de hielo de dióxido de carbono. Este proceso, como hemos dicho más arriba, sería periódico y ocurriría durante millones de años.

Detalle de los depósitos de hielo y polvo presentes en el polo norte de Marte, donde se puede apreciar cierta alternancia y distintos ciclos donde ha habido más depósito de hielo y, en otros, de polvo. Cortesía de NASA/JPL-Caltech/UArizona.

En el punto álgido de este ciclo de colapsos, la mayor parte del agua de la superficie de Marte se encontraba congelada, pero en concreto, en el hemisferio sur, formando grandes casquetes de hielo o glaciares. Sobre estos habría “nevado” una gran parte del dióxido de carbono congelado desde la atmósfera durante los procesos de colapso atmosférico.

¿Qué efecto tendría este hielo de dióxido carbono depositado sobre el hielo de agua? Pues actuaría como una manta térmica que no dejaría escapar el calor… pero, ¿de qué calor hablamos? El autor sugiere que el calor geotérmico -el que sale del interior del planeta- sería suficiente como para comenzar la fusión de los hielos en la interfaz entre la corteza y el hielo, o lo que es lo mismo, en la base de los casquetes glaciares.

Esto habría provocado una gigantesca cantidad de agua líquida, suficiente para alimentar ríos de cientos de kilómetros que llegarían a la cuenca de Argyre, una enorme depresión que se transformaría en un lago del tamaño del mar Mediterráneo y que, en ocasiones, acabaría desbordándose con la gran cantidad de agua que llegaba hasta él.

Imagen de uno de los extremos de la cuenca de Argyre, en Marte, tomada por la sonda Europea Mars Express. Se aprecian unas zonas de terreno caótico que podrían haberse formado por la fusión del hielo a gran escala. Cortesía de ESA/DLR/FU Berlin.

Pero no todo acaba aquí, porque nos estamos saltando una parte muy importante y de la que debemos hablar para comprender mejor este fenómeno: el ciclo del agua. Hace 3600 millones de años, no solo hacía más frío en Marte, sino que la atmósfera era, probablemente, mucho más tenue, haciendo difícil la presencia de masas de agua estable -a escala geológica- en su superficie.

Pues bien, el agua se iba moviendo -principalmente por las redes fluviales- desde el polo sur hasta el ecuador, pero durante este tránsito, los procesos de sublimación del hielo y evaporación del agua devolverían parte de esta a la atmósfera y de ahí, de nuevo, a los polos. Este ciclo podría haberse repetido entre 100.000 años y 10 millones de años y ocurrido varias veces a lo largo de una ventana temporal de 100 millones de años.

Esta nueva interpretación desafía a esa imagen que tenemos del clima de Marte que es necesario para la presencia de masas de agua y redes fluviales en el planeta y que normalmente asociamos a periodos cálidos, pero también podrían haberse dado en periodos fríos, rompiendo de algún modo esa paradoja que existía a la hora de interpretar las formas de modelado del relieve creadas por el agua en la transición entre el Noeico y el Hespérico, cuando la atmósfera de Marte era más tenue y el planeta más frío.

Y una cosa más: esta presencia de agua líquida en la superficie podría también tener repercusiones a nivel astrobiológico y haber extendido la ventana de habitabilidad en el planeta no solo en la propia superficie de este, sino en los posibles lagos y ríos subglaciales que se habrían formado durante la fusión de los hielo y que estarían menos expuestos a las condiciones más extremas de radiación… ¿Fue la superficie de Marte, quizás, un lugar habitable durante más tiempo del que pensamos?.

Referencias:

Thomas, Trent B, et al (2023) Constraints on the Size and Composition of the Ancient Martian Atmosphere from Coupled CO2–N2–Ar Isotopic Evolution Models The Planetary Science Journal, vol. 4, no. 3, 1 Mar. 2023, pp. 41–41 doi: 10.3847/psj/acb924

Buhler, P B.  (2024) Massive Ice Sheet Basal Melting Triggered by Atmospheric Collapse on Mars, Leading to Formation of an Overtopped, Ice‐Covered Argyre Basin Paleolake Fed by 1,000‐Km Rivers Journal of Geophysical Research Planets, vol. 129, no. 11, 1 Nov. 2024 doi:  10.1029/2024je008608

Sobre el autor: Nahúm Méndez Chazarra es geólogo planetario y divulgador científico.

El artículo El colapso atmosférico y los periodos húmedos de Marte se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Unibertsoa zeharkatzen duen eremu kuantikoetako bat berezia da bere balio lehenetsia aldatu egingo delako, eta badirudi aldatzearekin batera dena eraldatuko duela.

Hutsaren desintegrazioa ezagutzen dugun unibertsoa suntsi dezakeen prozesua da, eta uste genuena baino 10.000 aldiz lehenago gerta liteke. Zorionez, denbora asko falta da horretarako.

1. irudia: energia txikiagoko huts burbuila bat argiaren abiaduran haziko litzateke, bidean aurkitzen dituen atomo guztiak suntsituta. (Ilustrazioa: Nico Roper – Copyright lizentziapean. Iturria: Quanta Magazine)

Fisikariek “hutsa” aipatzen dutenean, badirudi “espazio hutsa” esan nahi dutela; eta, neurri batean, hala da. Zehazki, balio lehenetsien multzo bat da, kontrol mahai baten doikuntzen modukoak. Espazioa zeharkatzen duten eremu kuantikoak balio lehenetsi horietan daudenean, espazioa hutsik dagoela esaten da. Balio lehenetsietako doikuntza txikiek partikulak sortzen dituzte: eremu elektromagnetikoa pixka bat handitzen bada, fotoi bat sortzen da. Baina doikuntzak handiak direnean, hobe da balio lehenetsi berritzat hartzea. Izan ere, espazio hutsaren beste definizio bat sortzen dute, ezaugarri ezberdinak dituena.

Eremu kuantiko zehatz bat berezia da haren balio lehenetsia alda daitekeelako. Higgsen eremu esaten zaio, eta oinarrizko partikula askoren masa kontrolatzen du, hala nola elektroiena eta quarkena. Komunitate zientifikoak deskubritu dituen gainerako eremu kuantikoek ez bezala, Higgsen eremuak zerotik gaineko balio lehenetsia du. Higgsen eremuaren balioa handitu edo murriztuko balitz, elektroien eta beste partikula batzuen masa handitu edo murriztuko litzateke. Higgsen eremuaren balioa zero balitz, partikula horiek ez lukete masarik izango.

Zeroz bestelako balio lehenetsian egon gintezkeen eternitate osoan mekanika kuantikorik ez balego. Eremu kuantiko batek “tunel bat egin” dezake, energia balio txikiago berri batera aldatuta, energia handieneko bitarteko balioetatik igarotzeko energia nahikorik ez badu ere; hau da, horma solido bat zeharkatzearen antzeko efektua.

Hori gertatzeko, energia egoera txikiago batera iritsi ahal izan behar da tunelaren bidez. Hadroien talka-eragingailu handia eraiki aurretik, uste zuten Higgsen eremuaren egungo egoera txikiena izan litekeela, baina hori aldatu egin da.

Beti jakin izan dugu Higgsen eremuaren konfigurazio ezberdinetarako behar den energia irudikatzen duen kurbak kapela itxura eta hegala gorantz duela. Higgsen eremuaren egungo konfigurazioa hegoaren beheko aldean dagoen bola batekin irudikatu daiteke.

2. irudia. Ilustrazioa: Mark Belan – Copyright lizentziapean. Iturria: Quanta Magazine

Hala ere, zuzenketa kuantiko txikiek kurbaren forma alda dezakete. Eremu kuantikoek energia atzeraelikatzen diote elkarri. Elektroien eta eremu elektromagnetikoaren arteko interakzio kuantikoek atomoen energia mailak aldatzen dituzte, adibidez; efektu hori 1940ko hamarkadan deskubritu zuten.

Higgsen eremuaren kasuan, kapelaren hegalaren kurba Higgsen bosoiaren masak zehazten du. Higgsen bosoia eremuaren efektuak transmititzen dituen oinarrizko partikula da, eta 2012an deskubritu zen hadroien talka-eragingailu handian. Halaber, beste partikula batzuek ere kurbaren forma zuzentzen dute, Higgsen bosoiarekin elkarreragin handia baitute: masa handia dutenak, hala nola top quark delakoa, oinarrizko partikula ezagun pisutsuena. Higgsen bosoiaren masa quark toparen masarekin alderatu ondoren, fisikariek egun uste dute litekeena dela kapela berriro mailatzea. Higgsen eremuarena baino balio lehenetsi askoz handiagoan, energia egoera txikiagoa dago.

3. irudia. Ilustrazioa: Mark Belan – Copyright lizentziapean. Iturria: Quanta Magazine

Kasu honetan, Higgsen eremuak tunel hori zeharkatuko luke azkenean, edo “desintegratuko litzateke” egoera horretara iristeko. Desintegrazio hori leku batean hasi eta ondoren hedatuko litzateke, argiaren abiaduran haziko litzatekeen burbuila esferiko bat osatuta eta unibertsoa eraldatuta. Oinarrizko partikulak askoz pisutsuagoak izango liratekeen eta, beraz, grabitateak partikulak bereizita mantentzen dituzten beste indarrek baino gehiago erakarriko lituzke. Atomoek kolapsatuko lukete.

Hala ere, ez gara aurki iritsiko Higgsen balio lehenetsi altuago horretara. Fisikariek modu asko erabiltzen dituzte hutsa desintegratzeko probabilitateak kalkulatzeko. Metodorik zuzenenean, eremua balio batetik bestera aldatzeko beharrezkoak izango liratekeen eraldaketen erregistro bat egiten dute (energiaren kontserbazioa urratzen duten eraldaketak, mekanika kuantikoak laburki gertatzea onartzen duena), eta agertoki bakoitza haztatu egiten dute energiaren kontserbazioa bezalako arauak zein neurritan urratzen dituen arabera. Kalkulu horien arabera, espazioaren gigaparsek kubiko batek hutsa desintegratzen ikusiko du 10794 urtean behin, edo 1 digitua eta 794 zero jarraian; hau da, denbora tarte imajinaezina. Orain arte, 1010 urte besterik ez dira igaro Big Bangetik.

Duela gutxi, Esloveniako fisikarien talde batek adierazi zuen akats txiki bat aurkitu zuela kalkuluan, eta horrek ezagutzen dugun unibertsoaren amaiera azeleratuko luke 10790 urtera (eta ez 10794 urtera). 10.000ko faktore aldaketa bat erraldoia badirudi ere, kalkuluaren beste zati batzuen ziurgabetasuna baino askoz txikiagoa da. Baina hauxe da garrantzitsuena: ziurgabetasun horiek ez dira hain handiak gu eta hutsaren desintegrazioaren izuen artean dauden eonak murrizteko.

Jatorrizko artikulua:

Matt von Hippel (2024). Vacuum of Space to Decay Sooner Than Expected (but Still Not Soon), Quanta Magazine, 2024ko uztailaren 22a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.

Itzulpena:

UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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