LHC, lo pequeño es enorme

Cuando Demócrito pertrechado con un pequeño cuchillo, una manzana y un gran ingenio comenzó a caminar hacia el átomo no podía imaginarse que, 25 siglos después, ese deambular conduciría a una máquina de 27 kilómetros de radio refrigerada con helio líquido superfluído. Los siglos han pasado y la búsqueda comenzada por un solo hombre la lleva a cabo hoy un equipo internacional formado por miles de mentes. El Large Hardron Colider (LHC) es una catedral moderna, uno de los mayores esfuerzos tecnológicos humanos, una máquina ciclópea creada para estudiar un universo ridículamente pequeño, millones de veces más pequeño que un el átomo más diminuto. Si quieren averiguar por qué se necesita una máquina del tamaño de una montaña para estudiar algo tan pequeño y qué se espera observar con ella pasen y vean. Por cierto, si en Mayo se crea un agujero negro en Ginebra no me digan que estaban avisados.

En el colegio nos explicaron que los átomos son los constituyentes fundamentales de la materia, la base de la química y la biología. La historia de la física reciente tiene bastante que ver con ir más allá y atreverse a dividir lo indivisible. Los átomos se componen por una nube de electrones y un núcleo cargado positivamente según descubrió en los albores del siglo XX J. J. Thomsom. A estos electrones ya les consideramos como de la familia, sin ir más lejos fueron utilizados para hacer funcionar, en forma de rayos catódicos los televisores durante décadas. El 5 de Agosto de 1945 los habitantes de Hiroshima descubrieron, muy a su pesar, que además de electrones los átomos también tenían núcleos y que estos se podían fisionar. A partir de ese momento la historia no volvió a ser lo que era. Los físicos, envalentonados por su capacidad de destruir núcleos, situaron su punto de mira en sus constituyentes, los protones y neutrones. En los 60 Murray Gell-Mann un físico aficionado al queso y a la literatura de vanguardia demostró que los protones y neutrones, que forman los núcleos, por muy pequeños que pareciesen ser, también podían ser divididos y que estaban formados en realidad por tres quarks cada uno.

A partir de este punto esta carrera de muñecas rusas se transformó en una selva de mesones, bariones, hadrones, leptones, muones, piones y otros cientos de partículas subatómicas. Toda esta profusión de partículas, no tan fundamentales, fue domada y sistematizada en la teoría física más detallada que los humanos conocemos hasta la fecha, el modelo estándar. Según este modelo toda la materia del universo está formada por 6 leptones (uno de los cuales es nuestro querido electrón), 6 quarks y 5 bosones (entre los cuales se encuentra el humilde fotón). Pero esto, es otra historia que deberá ser contada en otra ocasión, dediquémonos a observar a un físico buscando nuevas partículas.

Para distinguir a un físico de partículas nada más sencillo que prestarle un reloj de pulsera. Lo primero que hará es lanzarlo contra la pared, para después pasarse horas estudiando las piececitas resultantes del choque. No hay ni malicia ni por odio a los relojeros en este comportamiento, simplemente es su método para estudiar la naturaleza. Para estudiar la composición del mundo subatómico hacen chocar átomos, protones y electrones con toda la furia posible. De hecho, el LHC es un acelerador de protones. Para hacernos una idea de como funciona podemos pensar en un par de pistoleros enfrentados a 27 kilómetros de distancia. Su objetivo es disparar ambas pistolas y hacer que las dos balas choquen justo en el punto en el que una cámara fotográfica espera para recoger el suceso. Claro está que el caso de los pistoleros es sencillo porque las balas son muchísimo más grandes y lentas que los protones. El desafío tecnológico consiste en acelerar los protones casi a la velocidad de la luz y provocar una colisión frontal en dos puntos determinados el anillo de 27 kilómetros.

Este nuevo experimento, el LHC, es, en realidad, una actualización del laboratorio acelerador de partículas más grande del planeta, el CERN. Fue creado en la década de los 50, está mantenido por 20 países y se localiza en el subsuelo bajo la frontera de Francia y Suiza. Actualmente trabajan en él 2600 empleados y colaboran con unos 8000 científicos e ingenieros de 500 universidades y 80 nacionalidades. Entre los logros del CERN se encuentran el descubrimiento de los bosones W y Z, la determinación del número de familias de neutrinos, la creación del antihidrógeno y el descubrimiento de la violación CP. Otro pequeño subproducto del CERN creado en 1990 ha sido la web, sí ha leído usted bien, el invento este que hace fluir a internet.

Pero dejémonos de historias y volvamos al mundo subatómico. Las gigantescas escalas manejadas en este nuevo experimento no son un mero capricho de los físicos. Cuanta más velocidad le impongamos al reloj que habíamos lanzado contra la pared, o a los protones disparados el uno contra el otro, más pequeñas serán las piezas que obtengamos. Si queremos observar los detalles más íntimos de los núcleos atómicos debemos conseguir imprimir una gran velocidad y energía a los protones. Esto se consigue acelerándolos en un círculo formado por imanes superconductores de una potencia tremenda. A medida que los protones se van haciendo girar en este circuito de 27 kilómetros se van acelerando hasta cerca de la velocidad de la luz, de modo que cuando choquen tengan una gran energía cinética acumulada. Esta energía se convertirá, de acuerdo con la famosa fórmula E=mc2, en materia. La materia y la energía son intercambiables, la materia se podría ver como una forma de energía condensada. Es así, como a partir del furioso choque de los protones, se obtiene una exótica mezcla de partículas. Estas nuevas partículas sólo aparecen en regiones del espacio en las que hay una gran energía acumulada. Esto sucedía por ejemplo en los primeros minutos tras la creación del cosmos y, en cierto modo, el LHC nos permite recrear las condiciones que reinaban segundos después del Big Bang.
Podríamos decir que la precisión de esta máquina debe ser milimétrica si no fuese porque los milímetros son enormes para un protón. El choque entre los protones debe localizarse exactamente en el centro de dos detectores, el Atlas y el Solenoide Compacto de Muones, CMS para los amigos. Básicamente estas cámaras de miles de toneladas de peso permiten fotografiar los chorros de partículas creados tras el choque de los protones. Estos detectores deben tener unas proporciones colosales, concretamente 20 y 15 metros de diámetro respectivamente, porque las partículas resultantes de los coches son extraordinariamente energéticas y atraviesan la materia con una gran facilidad. Si queremos estar seguros de poder recogerlas y analizarlas todas debemos disponer de detectores masivos capaces de detectar cualquier pequeña anomalía.

Una vez visto cómo funciona el aparatito veamos qué se espera obtener de él. Por supuesto esto es una pregunta trampa, este experimento explora una región desconocida de la física, de hecho, en esto reside su mayor interés y nadie sabe que vamos a encontrar. Sabemos que el modelo estándar, por muy buena teoría que sea, no puede ser correcto. Entre otros problemas, según esta teoría, la gravedad no existe y las masas y las cargas de las partículas que forman el universo son arbitrarias. Yo no sé ustedes, pero los físicos no se sienten excesivamente cómodos sin una buena gravedad que les una a suelo. Existen teorías que intentan solucionar estos problemas, como la teoría de supercuerdas o la gravedad cuántica de bucles, pero ninguna de ellas es demasiado satisfactoria. Los físicos quieren hacer experimentos con energías mayores para encontrar guías que les ayuden a solventar los problemas del modelo estándar. A pesar de este desconocimiento algunas predicciones sobre lo que nos puede acabar mostrando el LHC sí hay.

Una de las principales esperanzas es que se encuentre el bosón de Higgs. Según los físicos esta partícula debería explicar porque las cosas tienen masa, sin él deberíamos ser seres espirituales, incluso después de comer grandes cantidades de chocolate durante las fiestas navideñas. Por supuesto, nadie sabe si realmente se va a poder ver el bosón de Higgs en las energías generadas tras el choque de los protones. Si se ve, se descorcharán muchas botellas de champán y se concederán un par de premios Nobel, si no aparece, los teóricos deberán conformarse con seguir devanándose los sesos para introducir la masa en el modelo estándar.

Otra de las predicciones hechas por la teoría de cuerdas es que el universo tiene, en realidad, 9 u 10 dimensiones espaciales, en vez de las 3 que nosotros, pobres mortales somos capaces de observar. Esto, los teóricos de cuerdas, lo afirman sin sonrojarse lo más mínimo. El truco, según ellos, consiste en que las dimensiones adicionales están muy enrolladas y son demasiado pequeñas para que podamos verlas. Por supuesto, hay muchos otros físicos que dicen que esto es una soberana tontería. La disputa la podría resolver el LHC si consiguiese ver partículas desaparecer en una de las dimensiones adicionales después de hacer "pop".

Otro de los posibles descubrimientos es la supersimetría. Según algunas de estas teorías todas las partículas conocidas hasta el momento deben tener un "hermano" supersimétrico. Por ejemplo, al electrón le correspondería el selectrón. Esta predicción también es bastante arriesgada, pero no es la primera vez que los físicos, tras un malabarismo matemático, descubren una nueva partícula. La antimateria fue descubierta tras ser predicha por Paul Dirac y hoy en día se utiliza en aplicaciones médicas como el TEP (Tomografía por emisión de positrones).
Como nota a pie de página, los responsables del LHC avisan que, tal vez, se pueda crear algún agujero negro que otro en Ginebra. A reglón seguido, eso sí, explican que los agujeros negros no son tan negros como parece y que se evaporarán antes de que nuestro planeta completo desaparezca tras hacer "pop". Si en Mayo del 2008 sienten un siseo de rayos gamma en el cogote no se preocupen, ya será tarde.

Una de las críticas recurrentes a este experimento ha sido, por supuesto, el cochino dinero. Toda esta grandiosidad no ha sido barata, el presupuesto estimado en el 2001 era de 300 millones de euros. Muchos científicos, sobre todo los que no trabajan allí, cuestionan la utilidad de esta gran inversión, destinada a estudiar unas meras partículas subatómicas que hace decenas de millones de años que no se ven por estos lares. Los físicos teóricos responden que sin los avances de esta disciplina hoy no habrían ni ordenadores, ni microondas, ni bombas atómicas, ni web. Dejo al lector sumido en estas reflexiones no si antes añadir que, a mi entender, uno de los grandes beneficios del asunto es poder quedar a cenar con los amigos y soltarles un par de palabros como: quarks, supersimetría, supercuerdas, bosón de Higgs y, mi favorito, Solenoide Compacto de Muones.

Si les ha interesado el tema no tienen porqué conformarse con mis pobres explicaciones. Tienen a su disposición un excelente documental, Atrom

, producido por la BBC4, un buen puñado de páginas en la wikipedia e, incluso, un podcast podcast producido por uno de los científicos que trabajan en el proyecto.

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¿Por qué morimos?

En una entrada previa daf-2 fue acusado de gen asesino por interrumpir los mecanismos de mantenimiento celular y conducirnos a todos los animales a una muerte prematura. Este juicio ha sido apresurado e injusto. Es cierto que este gen acelera la muerte, pero, paradójicamente, su función es permitirnos vivir y reproducirnos. Esta argumentación puede, a priori, parecer un sin sentido, pero no se puede entender el papel de este gen asesino sin comprender antes por qué morimos.

A la cuestión anterior se suele responder con ligereza, morimos por el hambre, la enfermedad, la violencia, etc. Y, tal vez, para evitar estas respuestas apresuradas deberíamos replantear la pregunta, lo que buscamos es la causa última, ¿por qué la selección natural no produce animales inmortales? ¿Por qué los procesos de selección capaces de hacer evolucionar cámaras como los ojos o bombas como el corazón no han acabado con la vejez y la enfermedad?

Imaginemos que una mutación en un gen X genera una nueva copia capaz de conferir un año extra de vida a su portador. Este individuo tendría un año más de vida para reproducirse y repartir esta afortunada mutación. Con el tiempo el cambio quedaría fijado en la población, puesto que todos los individuos serían portadores de tan ventajosa mutación. ¿Por qué este proceso no se a repetido una y otra vez hasta conseguir animales cada vez más longevos? La respuesta es simple, no se ha creado un gen capaz de conferir tamaña vitalidad porque este gen no puede existir en un animal real. En la naturaleza las vacas no son esféricas, digan lo que dian los matemáticos, y los animales están sujetos a diversas restricciones.

Un animal es una máquina capaz de conseguir una cantidad de alimentos limitada. Estos recursos puede invertirlos en diversas partidas: mantenimiento y reparación de averías, reproducción y búsqueda de nuevo alimento. Para ser inmortal habría que aumentar la energía destinada a la reparación del desgaste causado por el tiempo. Ya conocemos un gen, daf-16, encargado de activar el mantenimiento de las proteínas celulares, de luchar contra los microbios y de reparar de los daños causados por la oxidación. Al activar estos mecanismos la célula se mantiene joven, pero también se consume energía, lo cual redunda en que la partida destinada a la reproducción se vea mermada.

Puede que no fuese un problema grave tener alguna dificultad durante la reproducción, si a cambio obtuviésemos una vida más longeva aumentando por tanto las oportunidades de reproducirnos. Podrían pues aparecer mutaciones que desviasen más energía a la reparación de las averías, dificultándose, como consecuencia, la reproducción durante ciertos periodos de carestía. Esto, podría suceder y, de hecho, sucede, pero existe un límite que no se puede rebasar impuesto por una eventualidad que no hemos tenido todavía en cuenta.

Calcémonos las botas de demiurgo y creemos un mutante prácticamente indestructible e inmortal, con unos sistemas de reparación hiperdesarrollados. A su lado situaremos a un competidor más enfermizo pero capaz de invertir más energía en la reproducción. En una época de vacas flacas, mientras el enfermizo se reproduce y va envejeciendo el mutante se mantiene joven y estéril a la espera de tiempos mejores. Llegados estos tiempos ambos individuos se reproducirán y el enfermizo acabaría por morir mientras el mutante continuará sano. Pero empeoremos las perspectivas de nuestro sano mutante situándolo al borde de un precipicio, una guerra o una hambruna. En cualquiera de estos casos fallecerá tal y como lo haría cualquier otro hijo de vecino. Mientras el enfermizo se reprodujo, distribuyendo sus genes, antes de sufrir las consecuencias de la guerra o la caída, el mutante sano no se habrá reproducido y por lo tanto sus genes se perderan.

La selección natural a creado seres enfermizos, pero capaces de reproducirse rápidamente. Esta es la causa última de la enfermedad y la muerte, no se puede dedicar demasiada energía a mantenerse sano para siempre, relegando la reproducción a un segundo plano, porque durante la juventud podríamos sufrir un accidente que nos impidiese tener descendencia.

Todas estas disquisiciones no son más que palabrería sin un modelo matemático que las justifique y unas observaciones experimentales que las apoyen, pero no dejan de ser bastante razonables. Esta no es una cuestión zanjada y lo expuesto no es más que una teoría razonable y es necesario andarse con pies de plomo en estos temas, porque la mayoría de las teorías, por muy razonables que sean son falsas. Recomiendo al lector interesado que se encamine al artículo de la wikipedia en el que se explican esta teoría y otras alternativas.

Ahora ya podemos hacernos una idea del papel de daf-2, el gen asesino. Su misión es evitar que el individuo destine demasiados recursos a mantenerse sano cuando no hay energía suficiente. Sin este gen durante un periodo de carestía podríamos quedar estériles e incuso morir de hambre. Sin daf-2 los tejidos se repararían continuamente y nos mantendríamos jóvenes, pero moriríamos al consumir todas nuestras reservas energéticas.

No sé lo que pensará usted, pero a mí se me entristece un poco darme cuenta de que cuando falta energía los genes deciden cortar la reparación de mi cuerpo antes que abandonar la posibilidad de reproducirse. Esto tiene toda la lógica cuando se interpreta desde la visión del gen egoísta, pero dado que yo también soy egoísta este abandono del soma, de nuestro cuerpo, frente al mantenimiento de las células reproductoras me ofende. Eso sí, dándole la vuelta al razonamiento, me alegra que la reproducción de mis antepasados no se detuviese a pesar de que tuviesen que pagar con sus vidas.

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Acariciando fantasmas

En previas entradas vimos cómo amputar o generar miembros fantasma, para acabar esta serie propongo que los acariciemos. En teoría, no debiera poderse tocar un pie que ya no existe, un pie que ha sido amputado, pero no olvidado. Podemos aceptar que Lord Nelson sintiese todavía como suyo un brazo perdido en Santa Cruz de Tenerife, pero ¿cómo vamos a rozar físicamente el recuerdo de un pié que ya no existe? De nuevo será, V. S. Ramachandran, el director del Instituto del cerebro y la cognición de la Universidad de California, quien nos guíe en este viaje a nuestro propio cerebro. En el camino, además, conoceremos a Penfield, un hombrecillo que habita en nuestras cabezas y daremos cuenta de orgasmos sentidos con los pies.

California, años 90 del siglo XX, un paciente, con los ojos vendados y sin brazo izquierdo, está siendo tocado por el doctor Ramachandran en distintas partes de su cuerpo. Al tocarle su hombro, responde, está tocandome el hombro, al tocar la barriga, me presiona usted la barriga doctor. Hasta aquí nada extraño, pero cuando le rozan su labio superior, oh, doctor, me hace cosquillas en mi pulgar fantasma. ¿Qué tienen que ver los labios con los pulgares? ¿Por qué este paciente siente que le tocan un dedo que ya no tiene cuando le acarician los labios? Para poder desentrañar el misterio hay que hacer primero un viaje a la corteza de nuestro cerebro.

Concretamente debemos dirigirnos al gyrus postcentral. Para hacernos una idea de dónde está esta región nada maś sencillo que proveerse de un rotulador de punta gruesa y trazar una línea desde la punta de una oreja a la otra. Es aquí donde el cerebro organiza las señales que le llegan desde la piel. Cuando algo nos toca el hombro, un grupo de neuronas de esta zona se enciende para indicarlo. De hecho, no es necesario que alguien nos toque el hombro para que lo sintamos, simplemente hay que estimular el punto exacto del cerebro.

El descubridor de esta región fue Wilder Penfield, un neurocirujano canadiense que realizó numerosas operaciones con el cerebro abierto y anestesia local, similares a las que vimos en el caso de las presencias amenazantes. Al estimular distintos puntos de la corteza con una punta eléctrica los pacientes relataban estar siendo tocados en distintas partes de su cuerpo, en la cara, la lengua, los pies o las rodillas. Penfield se dio cuenta de que distintas áreas del cerebro representaban distintas partes del cuerpo. La representación de la boca y la lengua está cerca nuestras orejas reales y al ir subiendo por la cabeza nos encontramos con las manos, el tronco, el pie y los genitales. Al dibujar los brazos, las piernas y el resto de partes del cuerpo sobre las regiones que los cartografiaban en el cerebro apareció un pequeño ser humano recostado sobre la superficie de nuestro cerebro. A este individuo se le denominó homúnculo de Penfield y constituye es una representación topológicamente, más o menos correcta, de nuestro cuerpo.

En este mapa, la representación de la cara está junto a la de la mano, por eso el paciente sentía que le tocaban los dedos al acariciarle los labios. En este momento veo a una parte de los lectores señalándome con sus dedos acusadores por haber dicho una estupidez. Todo el mundo lleva un pequeño señor acostado entre sus orejas con las manos cerca de los labios, pero no por ello sentimos que nos han besado los labios cuando sólo nos besaron la mano. Es cierto, no lo hacemos, pero hay que recordar que el paciente no tenía brazo y, por lo tanto, las señales eléctricas que debían circular desde el brazo a la representación del miembro en la cabeza faltaban. Cuando una región cerebral deja de alimentarse de las señales que normalmente le llegan tiende a ser invadida por las señales de las regiones vecinas. De modo que, al tocar los labios del paciente una señal sale disparada hacia el cerebro y una vez allí además de activar la región que inerva normalmente, actúa también en la zona vecina, la correspondiente a la mano fantasma, haciendo sentir al individuo que le han rozado la mano, cuando sólo su labio ha sido estimulado.

Ramachandran cuenta que al poner hielo en la cara del paciente el dedo gordo fantasma se le enfriaba y que al dejar que una gota de agua se pasease por sus labios el paciente descubrió alarmado que la gota le subía por el brazo, desafiando la ley de la gravedad.

En el estupendo Fantasmas en el cerebro el investigador relata la llamada telefónica de un avergonzado ingeniero de Arkansas. ¿Doctor? ¿Sí?. He leído en el periódico acerca de su trabajo y me preguntaba si podía hacerle una consulta. ¿Cómo no, adelante? Hace unos meses perdí una pierna por debajo de la rodilla y ahora cada vez que realizo el acto sexual siento cosas en mi pie. No se preocupe, en el cerebro los mapas que representan los pies y los genitales están muy próximos y puede que a causa de sus accidente las señales que se originan en los genitales acaben en el mapa cerebral de los pies. Sí todo eso está muy bien, pero usted no lo entiende, ahora siento los orgasmos también a lo largo de todo el pie y son enormes

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Muérete gusano, dijo el gen

Un ser vivo es una máquina bien engrasada con un objetivo claro, vivir lo máximo posible para poder reproducirse. Cada pieza del organismo cumple una función al servicio de su propietario. Los ojos sirven para ver, las manos para agarrar y cada minúsculo detalle trabaja por el bien del individuo. Sólo cuando estas piezas, con el tiempo, empiezan a fallar aparecen la enfermedad y la muerte. Es el desgaste de la máquina el que acaba por producir la muerte. Pero, ¿es todo esto realmente cierto? Si lo es, ¿cómo es posible que se hayan encontrado genes que al romperse aumentan la vida de sus portadores? Lo normal es que cuando un gen falla, cuando una pieza del individuo se estropea, una enfermedad aparezca. Pero, prácticamente en todos los animales en los que se han buscado, hay genes que no causan enfermedad cuando se rompen, causan vida, salud y juventud. Estas insidiosas piezas se han estudiado en gusanos, moscas y ratones, y hay indicios de que también puedan funcionar en humanos. Son una especie de bomba de relojería interna y cuando son destruidos la esperanza de vida puede llegar a multiplicarse por seis.

En 1990 Cinthya Keynon, una investigadora de la Universidad de California se preguntó, ¿por qué un rata vive 3 años mientras que una ardilla, que es fisiológicamente muy similar, es capaz de aguantar 25? ¿Hay algún gen que condene a la rata a una tumba prematura? Para buscar la respuesta recurrió a Caenorhabditis elegans, un gusano habitante de la materia orgánica en descomposición. Lo bueno de trabajar con este titán microscópico de 1000 células y 20000 genes, en vez de con humanos, es que nadie se queja cuando se le mata y además son bichitos muy sencillos, lo cual facilita la investigación. La metodología que aplicó fue la habitual, romper todos los genes del organismo de uno en uno. No sé si los biólogos rompen más platos que el resto de los mortales, pero cuando se les pone en un laboratorio no dejan gen en cromosoma.

Lo que encontró fue sorprendente, al inactivar el gen daf-2 el gusano no sólo no vivía peor sino que se mantenía joven mucho más tiempo y duplicaba su esperanza de vida, de dos a cuatro semanas. Se había encontrado una especie Jack el Destripador genético, una pieza de la maquinaria celular que destruye al organismo cuando se activa. ¿Será este un gen asesino?

Se necesitó trabajar durante años para encontrar otro gen, daf-16 que funciona de modo opuesto al presunto asesino. daf-16 funciona activando a unos 100 genes que mantienen las células sanas y al organismo saludable. Entre estos genes salutíferos hay antioxidantes, agentes antimicrobianos y proteínas carabina, encargadas de velar por la integridad estructural del resto de proteínas. Este daf-16 es, de hecho, el quid de la cuestión, puesto que la función del asesino daf-2 es detener a esta fuente de salud que representa daf-16. Los dos forman una especie de Yin-Yang genético.
La investigación en el gusano continuó y el récord de longevidad actual se encuentra en multiplicar por 6 su vida, lo cual en términos humanos sería equivalente a vivir unos 400 años. Si Newton o el Cardenal Richelie hubiesen sido gusanos, también en el sentido literal, todavía estarían coleando por aquí.

A estas alturas usted puede estar pensando, todo esto está muy bien, pero yo no soy un gusano, ¿qué hay de lo mío? Genes similares en secuencia y función a esta pareja se han encontrado en la mosca de la fruta y ratones. Concretamente a las moscas se les pudo hacer vivir un 80% más y a los ratones un 26%. ¿Y a las personas? Nadie va destruyendo genes humanos para investigar así que los datos en humanos son exiguos. Buscando en los judíos Askenazi centenarios se ha encontrado una alta frecuencia de una mutación en el equivalente humano de daf-2. Al parecer también en nosotros podría estar hacendo tic-tac una bomba de relojería similar, un gen cuya función nos va arrastrando a la tumba, paso a paso. Si es así desactivándolo se podría conseguir un aumento en la esperanza de vida, aunque seguramente este incremento sería mucho más modesto que el conseguido por el gusano. Algunos investigadores son pesimistas y avisan que puede que la fisiología humana sea lo suficientemente distinta de la de los ratones, moscas y gusanos como para que no se consiga ningún aumento en la calidad de vida deteniendo estos genes. La investigadora que realizó la investigación en gusanos no está tan segura y ha fundado una empresa, Elixir Pharmaceuticals, que actualmente está estudiando una droga inhibidora del equivalente humano del gen asesino. Tal vez en un futuro cercano haya disponible una pastilla capaz de regalarnos algunos años.

Comenzamos esta entrada pensando que todo en el individuo trabaja para que éste funcione perfectamente, pero hemos encontrado una minúscula pieza que, según toda la evidencia disponible, conspira para acabar con su dueño. ¿Es posible que la selección natural haya permitido un fallo semejante? ¿Hay realmente un gen asesino dentro de nosotros matándonos poco a poco? ¿No se suponía que los defectos en los seres vivos desaparecían a lo largo de la evolución porque no eran competitivos? ¿Cómo es posible entonces que este gen asesino haya perdurado, cómo es que uno de nuestros abuelos no lo perdió, vivió más años y tuvo muchos hijos mientras tanto? Damas y caballeros del jurado, a pesar de toda la evidencia presentada por el ministerio fiscal me propongo demostrar que daf-2 no es un mal tipo. Es cierto que creció en un barrio duro y que sufrió todo tipo de necesidades, pero tiene buen corazón y, como todos los demás genes, trabaja por nuestro bien, aunque a veces no parece que lo consiga. Para explicarles el asunto primero debemos averiguar porque mueren los seres vivos, porque la selección natural no ha creado ningún individuo inmortal, y esto nos va a llevar un tiempo, por ello solicito un aplazamiento de la vista hasta una próxima entrada.

Antes de cerrar del todo quisiera recordar que la idea para esta entrada se la debo mi podcast favorito, radiolab, y el grueso de la información la he encontrado, en el laboratorio de Cinthya Keynon y en la wikipedia (faltaría más).

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Gengis kan, el emperador de las mujeres

Aunque Gengis Kan significa, en lengua mogol, "el emperador de todos los hombres", más que a los hombres este señor a lo que se debió dedicarse con fruición fue a las mujeres. De otro modo no se explica que se convirtiese en el Padre de la Nación. Y por padre no nos referimos a que inspirase ideas o que unificase territorios, sino a un padre en el sentido biológico. Concretamente, se estima que el 8% de los hombres, que viven hoy en día en la región ocupada por el imperio Mongol, son descendientes por línea paterna del viril príncipe, lo cual representa uno de cada 200 hombres vivos en todo el mundo. Este dato no se ha publicado en un periódico amarillista sino en una de las más prestigiosas revistas de genética humana. Dado que me confieso incapaz de imaginar qué portentosas cualidades físicas permitieron a Gengis Kan convertirse en el padre más exitoso de la especie humana, me dedicaré a la más humilde labor, de explicar como se les puede seguir la pista a los descendientes de un señor que vivió hace casi mil años, sin acudir a un registro civil que, por aquel entonces, todavía tardaría siglos en ser creado. De hecho, es tan sencillo localizar a los descendientes, que incluso usted puede confirmar si esas ganas de acribillar a los vecinos, que de vez en cuando le asaltan, son debidas a que también es hijo de Gengis Kan.

La técnica se basa en estudiar el cromosoma Y recuerda a la ya vista para el caso de las genealogías criminales. El cromosoma Y se hereda, en los hombres de padre a hijo, lo que hace que siga la línea paterna en la familia, tal y como lo hace el apellido paterno. Además los investigadores disponen de tecnologías capaces de leer patrones específicos en cada cromosoma, digamos que se puede leer el código de barras de cada cromosoma. El resultado es que todos los hombres de una familia concreta comparten un cromosoma Y idéntico con un código de barras idéntico. Si en una población humana identificamos quienes de los hombres comparten cromosomas con el mismo código de barras podemos encontrar a todos los hombres de una familia concreta, aunque pertenezcan a ramas familiares separadas hace siglos. Dicho sea de paso, no todos los hombres del mundo comparten un mismo cromosoma Y, proveniente del primer hombre vivo, o incluso de algún antepasado primate, la razón es que la maquinaria que copia los cromosomas de padres a hijos, de vez en cuando, comete fallos (ver entrada sobre el secreto de la vida). Digamos que cuando se copia el cromosoma Y de padres a hijos la fotocopiadora que copia el código de barras de los cromosomas, a veces, deforma alguna de las líneas del código, creando así uno nuevo.

Las familias identificadas por el cromosoma Y se suelen distribuir en un área geográfica más o menos continua. Digamos que situamos todos los miembros de la familia "Unzua" en un mapa, lo habitual, es que estén distribuidos en una región determinada, por ejemplo, la mayor parte podría localizarse en Andalucía y alguno en Extremadura. Si, en el pasado algún miembro de dicha familia hubiese emigrado a Chile, otros individuos podrían estar localizados cerca de Santiago. Esto es lo observado normalmente y es lo que se esperaba encontrar en el estudio sobre el cromosoma Y llevado a cabo en Oriente, pero lo que se encontró fue muy diferente. En la región hay menos diversidad cromosómica de la habitual, es decir faltan cromosomas. El número de cromosomas Y diferentes de una población depende, sobre todo, del número de individuos en la población, pero en este caso hay muchos menos cromosomas distintos de los esperados para una población con ese número de hombres. Esto se debe a que hay una variante del cromosoma Y que se presenta en una frecuencia inusualmente alta, algo similar a lo que sucede con la frecuencia de Gracías en España, pero mucho más exagerada. Llamemos a este cromosoma Y concreto, cromosoma Y-g. Además, la distribución espacial de este cromosoma Y-g no se restringe, como en los demás casos, a una región concreta sino a una amplia superficie que abarca desde China a Uzbequistán.

Utilizando una técnica estadística conocida como teoría de la coalescencia (sugiero al lector recordar el nombre para poder introducirlo disimuladamente en la próxima cena con amigos) calcularon que el hombre que llevó este cromosoma, por primera vez, en sus espermatozoides debió vivir hace entre 700 y 1300 años. Y además, este hombre debió ser originario de Mongolia porque allí se observa actualmente una mayor frecuencia de dicho cromosoma Y-g. Por cierto, si desea usted saber si es portador del dichoso cromosoma puede acudir a uno de los servicios comerciales que en una semana le solventarán la duda, ¿seré yo también un hijo del gran Gengis?

La genética nos indica que hace unos 1000 años había un señor que paseaba por las estepas de Mongolia cazando yaks y era el único portador del cromosoma Y-g. De algún modo, el individuo se las ingenió para que el 8% de los varones actuales desde China hasta Ubzbequistán sean descendientes suyos. Pero, ¿qué pistas nos ofrece la historia sobre quién podría ser ese individuo? Gengis kan creó en esa época un imperio que se extendía tanto como lo hace el cromosoma Y-g y también se sabe que tuvo numerosos hijos reconocidos y naturales. Además, su ejercito tenía por costumbre matar a bastante gente, especialmente varones, al conquistar un territorio, lo que debió eliminar otros cromosomas Y competidores. A esta situación, en la que una población disminuye rápidamente de tamaño para volver a aumentar al poco tiempo, se le conoce en genética como cuello de botella. En estas circunstancias, según todos los modelos teóricos, unos pocos cromosomas aumentarán espectacularmente en la descendencia, tal y como se observa en el Y-g. De todos modos, aunque todos los indicios apuntan en esta dirección, para confirmar que realmente fue Gengis Kan, y no un lugarteniente suyo, el verdadero padre de la nación habría que hacer un análisis genético a sus restos y esto parece difícil porque nadie sabe donde descansan.

Resumiendo, si quiere usted convertirse en el próximo padre de la población mundial la receta es sencilla. Comience por conquistar el imperio, continúe masacrando a la mayoría de los hombres y provease de suficiente viagra. Este sencillo método tiene resultados garantizados, en 1000 años será reconocido como una gran figura. Eso sí, no meta la pata como Gengis Kan, asegúrese de dejar, al menos, un pelo para esta vez nadie pueda dudar de quien fue el gran estadista.

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Caos y azar

Cuando Newton acabó de crear el edificio de la física que obedecen los planetas, las manzanas y los arco iris el cosmos parecía ordenado y predecible. Si la manzana estaba a 2 metros sobre el suelo caería inexorablemente y los planetas seguirían órbitas predecibles hasta el fin del tiempo, el cosmos era una máquina, un mecanismo de relojería perfectamente engrasado. Al menos esta era la teoría, veamos por qué para Newton tres también son multitud y de que va esto del caos y el efecto mariposa.

En 1889 Poincaré se presentó a un concurso en el que se pedía determinar si el Sistema Solar era estable o si, por el contrario, cualquier día uno de los planetas podía salir despedido de su órbita sin más. Utilizando la mecánica newtoniana el gran matemático y físico demostró que el sistema era extraordinariamente caótico, es decir, que no se podía predecir la evolución de los planetas. ¿Cómo es posible que utilizando una física que nos permite lanzar satélites artificiales con portentosa precisión, se llegue a la conclusión de que el cosmos es impredecible? El truco está en las condiciones iniciales, Poincaré demostró que la evolución de los planetas, cuando había más de tres, sólo podría conocerse sí la posición y velocidad de todos ellos en un momento dado eran conocidas con infinita precisión. Poincaré se dio cuenta de que esto implicaba, en la práctica, que el sistema es impredecible porque una variación minúscula en las condiciones iniciales puede llevar a un cambio muy grande en el futuro, esto es, lo que más tarde se conoció, como efecto mariposa. En este ejemplo ya se observan varias de las características típicas de los sistemas caóticos. Primero, el caos no aparece en sistemas gobernados por el azar, sino en sistemas que obedecen leyes estrictas y deterministas. Si sé con precisión absoluta donde están hoy todos los planetas podré calcular dónde estarán el resto de la eternidad, es la incertidumbre en la medida la que ocasiona que el sistema sea impredecible y este error de medición es inevitable. Si nos equivocamos en unos miserables centímetros al determinar la posición de los planetas puede que estemos condenando a Plutón a abandonar el Sistema Solar dentro de 1000 años. El azar, a diferencia del caos, no sigue ley alguna, es completamente arbitrario e impredecible aunque lo conozcamos todo sobre el sistema.

La segunda característica típica de los sistemas caóticos es el número de elementos. El caos sólo aparece cuando hay, al menos, tres planetas y Newton sólo había resuelto las ecuaciones para dos cuerpos (en la wikipedia se puede ver una animación con el movimiento herrático y desordenado de los tres planetas frente a las órbitas elípticas del caso de dos cuerpos). Por cierto, este es el problema que Klaatu resuelve en "The Day the Earth Stood Still" para llamar la atención del científico.

Pero las conclusiones de Poincaré no cuajaron en la imaginación popular y no fue hasta la invención de los computadores que el estudio del caos no tomó la relevancia que hoy en día tiene. Ahora sabemos que no sólo los planetas son caóticos, otros ejemplos más conocidos son el clima, la bolsa, el cerebro o, incluso, el flujo del agua por una tubería. Fue Lorenz, un matemático y físico, quien, en 1960, estudiando un modelo del clima, determinó que por muchos esfuerzos que hiciésemos nunca seríamos capaces de predecir con más de dos o tres días de adelanto cuando va a llover. Para llegar a semejante conclusión introdujo su modelo sobre el movimiento del aire en la atmósfera en una computadora.

En su modelo el estado de la atmósfera en un momento concreto depende del que tuvo en el instante anterior. La simulación comenzaba en el instante cero, con unas condiciones iniciales, y progresaba calculando instantes posteriores de uno en uno. Como en aquel tiempo las computadoras no eran muy rápidas y no sólo de ciencia vive el hombre, cuando se acabó el día Lorenz, que había calculado, digamos, 1000 iteraciones hacia el futuro, imprimió los números que definían el estado de su modelo y se fue a dormir. Cuando volvió al día siguiente introdujo esos números como condiciones iniciales y dejó que el cálculo continuase a partir de la iteración 1001. Por suerte, para él y para el resto de curiosos del mundo, Lorenz era un científico meticuloso y decidió comprobar que la interrupción nocturna no había afectado al resultado así que volvió a correr la simulación desde cero hasta más allá de la iteración 1000 sin interrupción. Hasta la 1000 todo fue bien, los números de ambas simulaciones cuadraban a la perfección, pero más allá del 1000 el asunto se complicó. Al principio los cálculos eran similares aunque no idénticos, pero transcurridas unas cuantas iteraciones más los números del primer y del segundo día no se correspondían en absoluto.

Después de darle muchas vueltas Lorenz encontró la causa. Tras dejar descansar el ordenador durante la noche había introducido como condiciones iniciales los números que había impreso, pero esos números sólo tenían tres decimales mientras que, internamente, el computador funcionaba con 6 decimales. La minúscula diferencia en los números de partida, menor de una parte en 1000, hacía que los cálculos a partir de ese momento no cuadrasen. El matemático se dio cuenta de que esto implicaba que una variación mínima haría que cualquier sistema real fuese impredecible transcurrido un tiempo. Para describir este resultado Lorenz acuño el famoso término efecto mariposa. El aletear de una mariposa en Sebastopol, pequeña variación en las condiciones iniciales, puede causar un huracán en nuestra calle unos días maś tarde. Lo que Lorenz descubrió en 1960 sigue siendo válido hoy en día y esa es la razón de que las predicciones meteorológicas más allá de tres días sean tan imprecisas. Habría que conocer la posición y la velocidad de todas las moléculas de la atmósfera, mariposas incluidas, para poder hacer una predicción definitiva, pero esto, claro está, es imposible.

Pero no quería terminar sin remarcar que en el caos no todo es desorden, es el azar el que guía los sistemas completamente faltos de reglas y leyes. Hay un cierto orden interno en el caos porque, en el fondo, surge cuando se siguen leyes deterministas. Puede que no sepa si dentro de una semana va a llover en mi barrio o no, pero sé que en el próximo diciembre hará frío en Barcelona y calor en Buenos Aires. El caos presenta simetrías y sigue leyes, lo que lo diferencia del puro azar. En un universo completamente impredecible y azaroso la vida no sería posible porque los seres vivos explotan los patrones y las repeticiones para medrar y reproducirse. Este orden inherente al caos toma en muchas ocasiones bellos caminos, pero dada la extensión de esta entrada los fractales y los atractores tendrán que esperar a una próxima entrega.

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Jugando con nuestros fantasmas, tocándonos las narices

Cuando oímos hablar de un miembro fantasma pensamos inmediatamente en alguien que, a pesar, de haber perdido un brazo o una pierna, la sigue sintiendo como suya (más información en una entrada anterior). Durante mucho tiempo se pensó que una persona con todos sus miembros intactos no podría sentir estas alteraciones, pero el neurólogo V. S. Ramachandran, con un par de sencillos experimentos demostró que cualquiera podía alterar la representación de su cuerpo en su mente llegando a sentir que su nariz mide un metro o que una mano de goma forma parte de su cuerpo. Por suerte, para realizar estos experimentos no se necesita ningún instrumento sofisticado, simplemente la ayuda de un par de amigos, así que veamos como llevarlos a cabo.

El experimento se basa en que, a pesar de lo que nuestra intuición nos asegura, la representación que tenemos de nuestro cuerpo en nuestra mente se puede alterar fácilmente. La descripción original de los tres experimentos se encuentra en la trascripción de una conferencia impartida por el investigador y en el magnífico libro "Fantasmas en el cerebro".

Para el primer experimento se necesita un sujeto, llamémosle Adrián, y dos ayudantes, Bea y Carlos. Todo lo que Adrián debe hacer es sentarse en una silla con los ojos vendados y Bea se sentará en una segunda silla delante de él. Ambas sillas no deben estar enfrentadas sino una detrás de otra y alineadas en el mismo sentido. A continuación, Carlos, que se situará junto a ambos, debe agarrar la mano derecha de Adrián y hacer que su dedo índice toque la nariz de Bea en una secuencia de golpecitos aleatorios. Al mismo tiempo, Carlos con su mano izquierda debe dar los mismos golpecitos en la nariz de Adrián. Es muy importante que los golpes sigan una secuencia aleatoria, cuando más impredecible sea la secuencia más intensa será la ilusión, y que los toques del dedo de Adrián en la nariz de Bea y del dedo de Carlos en la nariz de Adrián sean simultáneos. Con algo de suerte a los 30 o 40 segundos Adrián sentirá que ,o bien su nariz se ha alargado hasta medir un metro, o que se le ha separado del cuerpo y que se encuentra flotando un metro más allá de su cara. El investigador probó el experimento en 18 individuos y 12 sintieron la extraña distorsión de su cuerpo.
La alucinación se basa en que el cerebro de Adrián está detectando unos golpes en su nariz y, al mismo tiempo, detecta que se está golpeando con su dedo índice una nariz. Si los toques son aleatorios e impredecibles concluye que si le están tocando la nariz y él está tocando una nariz necesariamente ambas narices deben ser la misma y deforma la representación interior que tiene de su cuerpo para que todo siga cuadrando.

Una vez conseguido que una persona sienta la nariz de otro como si fuese suya, el neurólogo decidió ir más allá, concretamente hasta una tienda de artículos de broma, y allí compró una mano de goma. En el segundo experimento se pretende conseguir que el sujeto sienta que esta mano de goma forma parte de su cuerpo. En esta ocasión, además de la mano de goma, se necesita un ayudante y una pared de cartón de 60 x 60 cm. Adrián debe sentarse junto a una mesa y debe situar su mano derecha detrás de la pared vertical de cartón, de forma que no pueda verla. La mano de goma se colocará justo delante del cartón para que quede bien visible frente a Adrián. Todo lo que debe hacer Carlos es golpear suavemente la mano de Adrián y la mano de goma en puntos equivalentes siguiendo una secuencia, que de nuevo debe ser aleatoria. Además es muy importante que Adrián no vea los movimientos de la mano de Carlos oculta tras el cartón. Si hay suerte, a los pocos segundos Adrián comenzará a sentir que la mano de goma forma parte de su propio cuerpo y que Carlos le está golpeando su mano de goma.

En el último experimento Ramachandran decidió probar si era necesario que el elemento que iba a ser integrado en la imagen mental debía, necesariamente, guardar un parecido anatómico con el miembro que se iba a sustituir. Para ello, simplemente, sustituyó la mano de goma del experimento anterior por un zapato y repitió el experimento. Por sorprendente que pueda parecer el resultado fue que el sujeto integró el zapato como parte de su propio cuerpo. Según describe el investigador incluso consiguió hacer sentir al sujeto que la propia mesa formaba parte de su cuerpo cuando escondió la mano del sujeto bajo la mesa y los golpes simultáneos se dieron en la mesa y en la mano.

Sorprende que la imagen mental que tenemos de nuestro cuerpo y que nos ha acompañado de forma estable desde la infancia se pueda alterar tan groseramente con una simple secuencia del golpes. Al parecer, esta imagen corporal es una construcción interna totalmente transitoria actualizada segundo a segundo. A pesar de que conscientemente sabemos que la nariz, el zapato o la mano de goma no pertenecen a nuestro cuerpo el procesamiento inconsciente de la información sensorial que se realiza en nuestra mente nos induce a sentir como propio algo absurdo. Tan sólo resta añadir que mientras preparo una entrada sobre como conseguir hacer a un sujeto sentir que se encuentra fuera de su propio cuerpo con un equipo de realidad virtual y unas cuantas palmaditas quedo a la espera de las noticias de algún lector temerario que quiera compartir sus experiencias.

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Ingeniería genética, corta y pega molecular

En los años 70 del pasado siglo se desarrolló una tecnología que ha revolucionado, entre otras ramas de la ciencia: la medicina, la biología, la agronomía e, incluso, la historia. La base fundamental de la ingeniería genética se basa en disponer de herramientas que permiten cortar y pegar genes. Lo que implica cortar con precisión dos enlaces químicos en una molécula que mide 2.6 nanómetros de ancho, es decir, es 20.000 veces más fina que un cabello, y tiene, en el caso del cromosoma humano número 1, una longitud de 220 millones de pares de bases. Nos enfrentamos pues a cortar un segmento concreto en un collar que tiene 220 millones de cuentas y una anchura de dimensiones moleculares, para, a continuación, pegarlo en un nuevo collar de similar tamaño. Y, además, esto debe hacerse con una precisión de una sola base en millones de moléculas idénticas. A pesar de lo que se podría pensar a priori, se ha conseguido que el proceso sea muy sencillo y en cualquier laboratorio de genética del mundo se lleva a cabo rutinariamente. ¿Cómo lo hacen?

Antes de comenzar aclarar que he escrito esta entrada para intentar aclarar alguna de las dudas que una entrada anterior suscitó en Jacob y espero, por supuesto, que genere otras nuevas.

Para poder cortar y pegar ADN se necesitan, evidentemente, dos elementos, ADN y una caja de herramientas molecular. Lo primero ya sabemos como obtenerlo y ahora se trata de echar un vistazo en la caja de herramientas que los biólogos guardan en la nevera. Como no podría ser de otro modo, los instrumentos necesarios para cortar moléculas deben, a su vez, tener un tamaño molecular y, efectivamente, son moléculas, concretamente proteínas bacterianas.
Una de las más utilizadas se denomina EcoRI y se extrae a partir de Escherichia coli. Podríamos ser mal pensados y preguntarnos por qué como fuente de una tecnología que iba a hacer que las siglas ADN apareciesen hasta en la sopa se buscó una bacteria presente predominantemente en la caca (podría haber escrito heces o mierda, pero no lo he hecho porque pretendo que este blog siga siendo teniendo la etiqueta de "Para todos los públicos"). Pero no vaya a pensar que el científico que descubrió la proteína era un coprófago irredento, simplemente E. coli es uno de los organismos más estudiados por la biología.

¿Pero para que quería la bacteria tener una proteína capaz de pulverizar el ADN reduciéndolo a pequeños fragmentos? La proteína EcoRI, es, en realidad, parte de un sistema de defensa del bichito. Cuando un virus intenta infectar una célula, ya sea ésta una bacteria o una célula humana, lo primero que debe hacer es introducir su ADN en la célula y activar las instrucciones codificadas en él para hacerse con el control de la maquinaria celular. Un equivalente humano de lo anterior sería ir a un edificio en construcción, golpear al jefe de obra y sustituirlo, para llevarse a la cuadrilla de albañiles a construirnos un chalé en la sierra mostrándoles unos planos falsos. Para defenderse de estos ataques en los que las instrucciones se sustituyen lo que hacen las células es pulverizar las instrucciones ajenas en cuanto las detectan. Este es el papel de EcoRI, cuando un virus introduce su ADN en la célula EcoRI reconoce que el ADN es extraño y lo corta en pequeños fragmentos. Por supuesto, el sistema de defensa es algo más complejo ya que si EcoRI cortase cualquier fragmento de ADN la célula se quedaría sin sus instrucciones genéticas. Para evitarlo hay otras proteínas que se encargan de modificar ligeramente el ADN celular para que no se pueda confundir con el vírico, pero esto es otra historia que deberá ser contada en otra ocasión. Otro detalle importante sobre esta proteína es que no corta el ADN por cualquier punto, sólo lo hace cuando encuentra la secuencia de nucleótidos GAATTC (Para saber más sobre qué es una secuencia de nucleótidos ver la entrada sobre el código genético). Dicho sea de paso, estas proteínas que catalizan reacciones en el interior de la célula son en realidad enzimas químicos y, por eso, en un alarde de originalidad se les denominó enzimas.

Una vez que tenemos aislada la enzima, EcoRI ¿qué podemos hacer con ella? Si la añadimos a un ADN con la secuencia GAATTC en él será cortado rápida y eficientemente. Este descubrimiento constituyó la base de la moderna genética molecular y les valió a tres microbiólogos el premio Nobel de medicina de 1978. Más tarde se continuó buscando otras enzimas que cortasen otras secuencias distintas, lo que permite elegir el punto de corte a lo largo de la interminable cadena de ADN simplemente eligiendo la enzima. A todas estas proteínas se les denominó enzimas de restricción y hasta el momento de escribir esta entrada se han encontrado más de 3800. Actualmente no es necesario purificarlas a partir de las bacterias en las que se encontraron, para conseguirlas simplemente hay que consultar un catálogo y pedirlas por teléfono.

Para que la tecnología funcione necesitamos, además de enzimas para cortar, enzimas para pegar. Por fortuna las bacterias además de tener enzimas para cortar también tienen otros enzimas llamados ligasas que unen el dos fragmentos de ADN. El proceso completo para, por ejemplo, introducir el gen que hace luminiscente a la luciérnaga en una planta de tabaco, consiguiendo de este modo una bonita planta que brilla en la oscuridad, se reduce básicamente a cortar el ADN del insecto con un enzima, pegar el gen de interés, utilizando una ligasa, a un fragmento de ADN bacteriano e introducirlo en la células de la planta por las buenas o por las malas.

Por supuesto, la tipología y la variedad de herramientas disponible la caja de herramientas de un investigador actual mucho más amplia de lo que se ha visto en esta entrada, tan sólo he explicado sucintamente, las herramientas que, históricamente, propiciaron la explosión tecnológica que representó la ingeniería genética, para otras entradas quedan los métodos por los que se pueden separar los fragmentos de ADN cortados utilizando moldes de comida china, los minicromosomas bacterianos que nos han permitido convertir a las bacterias en trabajadores esclavos o las enzimas que han obrado el milagro de la multiplicación de los panes y los peces.

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Mecánica cuántica: olas, balas y desconcierto

Supongo que después ver las palabras mecánica y cuántica, una tras otra, la mitad de los lectores ha decidido cerrar la página y volver a pasarse por Aristarcos otro día. Les recomiendo que lo hagan porque si aguantan hasta el final les prometo asomarnos a uno de los asombros más grandes que he encontrado en este gran cosmos. Y además, les aseguro que no voy a utilizar, términos técnicos difíciles de comprender, ni hacer uso de matemáticas avanzadas.

No vamos a intentar comprender el universo cuántico ni las matemáticas utilizadas en su descripción, ya que, por desgracia, lo ignoro todo al respecto. Simplemente siguiendo los pasos de Feynman en una de sus "Seis piezas fáciles" vamos a observar cuales son los resultados de un experimento mental en el que se lanzan electrones contra una pared con varios agujeros, lo cual no es tan extraño como pudiera parecer, cualquier tubo de rayos catódicos es un dispositivo de lanzar electrones contra una pared fluorescente e hipnótica.

Supongamos primero que realizamos el experimento con balas. Tenemos una ametralladora que dispara balas contra una pared impenetrable. Estas balas podrán a travesar la pared si llegan a un agujero presente en ella. Una vez en el agujero, la bala puede ser desviada al chocar contra los bordes del mismo. Tras la primera pared se encuentra otra de madera en la que se pueden contar las balas que han impactado en cada punto. De hecho, si se representa el número de balas que llegan a cada punto de la pared de detección, se obtendrá una curva similar a la de la figura A. De este modo, hemos respondido a la cuestión, ¿cuál es la probabilidad de que una bala que ha pasado por un agujero acabe en un punto concreto de la segunda pared? Evidentemente si ahora abrimos un segundo agujero y cerramos el primero obtendremos una curva similar desplazada respecto a la anterior (figura B). Y, por supuesto, la probabilidad con ambos agujeros abiertos a la vez es la suma de las dos probabilidades anteriores ya que las balas deben haber pasado por uno o por el otro agujero (figura C). Hasta aquí nada extraño, pero ya aviso que nos vamos a arrepentir profundamente del "Por supuesto" de la frase anterior.

En el siguiente vídeo se puede disfrutar de unos gráficos mucho mejores que los de la figura anterior, aunque, por desgracia, el audio es en versión original sin subtítulos. (Actualización acabo de encontrar una versión del vídeo con subtítulos en castellano.)

Repitamos ahora el experimento con olas en el agua. Esta vez en vez de una ametralladora tendremos un objeto que golpea repetidamente la superficie del agua en calma, por ejemplo, el pico de un pájaro, y la primera pared se sustituye por un dique con dos agujeros. En esta ocasión, lo que llegará a la segunda pared, al detector, es un patrón de ondas en el agua (figura D) y lo que se detectará es la energía trasportada por la onda en cada punto. La diferencia fundamental con el primer caso, es que esta vez, la distribución de la energía, en el caso con los dos agujeros abiertos, no es simplemente la suma de las encontradas cuando se cerraban los agujeros alternativamente. Ahora hay interferencia. Esta es una propiedad de las ondas fácil de entender. Si las ondas correspondientes a los dos agujeros se encuentran en un punto en el que ambas están en su máximo se sumarán, pero si una está en su máximo y otra en el mínimo se restará en ese punto el agua ni subirá ni bajará. El resultado obtenido se observa en la figura D.

Hasta este momento todo era macroscópico, balas y ondas en el agua, y los resultados de los experimentos no eran demasiado sorprendentes. Veamos que sucede cuando sustituimos las balas por electrones y nos adentramos en el mundo cuántico. Disparamos los electrones de uno en uno y representamos el número de electrones que llega a cada punto de la segunda pared. Este el el momento de puntualizar algo que debería ser obvio, los electrones llegan al detector de uno en uno, nunca llega medio electrón ni un cuarto, o llega un electrón o no llega, no se rompen por el camino.

¿Las probabilidades de encontrar al electrón en un punto de la segunda pared, serán equivalentes a las que encontramos con las balas o a lo que se vio con las ondas? Aquí es donde la diversión comienza y nos adentramos en un mundo desconcertante. La probabilidad de encontrar a un electrón se distribuye como lo hacían las ondas, se observa interferencia. Ya hemos visto que para que haya interferencia deben cumplirse dos requisitos: debe haber una onda implicada y la onda debe pasa por los dos agujeros a la vez. Pero ya habíamos visto que un electrón no se puede dividir, ¿cómo es posible que pase por las dos rendijas a la vez? Si pasa por un sólo agujero no debería haber interferencia y el patrón encontrado debería ser como el visto para las balas (figura C). Debería ser así, pero no lo es. Hay interferencia cuando los dos agujeros están abiertos, a pesar, de que nuestra intuición nos indica que el electrón debería pasar sólo por una rendija. Se comporta como una onda que pasa por los dos agujeros y, por o tanto, aparece la interferencia. El cosmos simplemente es mucho más extraño de lo que podríamos atrevernos a soñar.

Se podría repetir el experimento con un detector intermedio capaz de observar por que agujero pasa cada electrón para asegurarnos de que realmente atraviesa uno u otro y así intentar comprender como es posible que haya interferencia en una partícula. En este caso la distribución de los electrones cambia abruptamente y se hace idéntica a la observada en el caso de las balas. El observar el paso del electrón modifica el resultado del experimento, lo cual no tienen parangón en el mundo macroscópico. Cuando no los vemos, los electrones se comportan como ondas y cuando sí los observamos como partículas. La razón de este interferencia en el observador y el experimento se debe a que para observar al electrón hay que lanzarle una partícula de luz, un fotón, que, de algún modo, lo modifica. Esto equivale a decir, que los invitados a una fiesta en una sala con dos puertas entraran por una sola puerta si alguien los ve, pero se comportarán como ondas y entraran por las dos a la vez si ninguna cotilla se preocupa de espiarlos. Cuanto más nos adentramos en el terreno cuántico más debemos olvidarnos de nuestras intuiciones forjadas en un mundo macroscópico.

Podríamos permitirnos el lujo de suponer que todo esto no son más que delirios enfermizos de la comunidad de físicos, una especie de histeria colectiva si no fuese porque renunciar a la mecánica cuántica implicaría olvidar, entre otros inventos, el transistor y el láser, y entre otras tecnologías, internet, el ordenador personal y el teléfono móvil. La mecánica cuántica no sólo ha cambiado la forma de pensar en nuestro mundo, a través de la tecnología, ha modificado irreversiblemente la vida de los seres humanos.

El mundo microscópico es extraño, salvaje incluso. Se puede pensar en una isla paradisiaca, nos hemos pasado la vida en una playa de arenas claras frente a un mar cálido, generoso y rico en recursos. Nunca hemos necesitado abandonar esta playa hermosa y cómoda. Pero una mañana un espíritu inquieto decide mirar en otra dirección, se da la vuelta y se adentra en la selva. Tras los primeros pasos ve por primera vez una gran tucán y maravillado decide continuar el viaje y un poco más allá una tormenta le brinda el fuego. Al abandonar nuestra cómoda orilla en el océano macroscópico que hemos aprendido a comprender y a amar descubrimos que nada de lo que conocíamos es aplicable. Ni siquiera nuestros sueños podrían habernos llevado a lugares tan extraños y salvajes, pero tenemos la fortuna de que la física nos ha permitido conocerlos y admirarlos, aunque tal vez nunca lleguemos a comprenderlos del todo. Sólo queda añadir que si todo esto no le ha parecido extraño e incomprensible precoupese, Niels Bohr, premio nobel por ser uno de los padres de la mecánica cuántica afirmó: "Cualquiera que piense que puede hablar de teoría cuántica sin sentirse mareado todavía no la ha entendido."

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Ramachandran y el extraño caso de la amputación del fantasma

Un miembro fantasma es una extremidad que se sigue sintiendo como propia a pesar de que haya sido amputada años atrás. El fenómeno no es extraño, ocurre entre el 50 y el 80% de las amputaciones. Uno puede hacerse una idea de lo que se siente con tan sólo cerrar los ojos y concentrarse en un brazo, no lo vemos pero lo sentimos y sabemos que está ahí, conocemos su posición y podemos moverlo sin problemas. Esto mismo se siente con un brazo fantasma, la única diferencia es que el equivalente real ya no existe.

En ocasiones el miembro duele y no es fácil eliminar este dolor que puede llegar a ser un problema grave e incapacitante para el paciente. A veces, por ejemplo, se puede sufrir un calambre muscular continuo y el dolor es devastador. Evidentemente, no se puede amputar el miembro porque eso ya se hizo, o al menos eso es lo podría pensarse a priori. V. S. Ramachandran, un neurólogo nacido en Madrás, cambió de opinión tras conseguir amputar un brazo fantasma con un espejo y una caja de cartón.

La historia comienza con un californiano con un brazo amputado y un terrible dolor. Su inexistente brazo sufría constantes calambres y las uñas se le clavaban con fuerza en la palma de la mano. En este caso el paciente era completamente incapaz de mover el brazo y la mano, a pesar de desearlo con todas sus fuerzas. Al parecer, la parálisis del fantasma se correspondía con una parálisis anterior del brazo real que había estado inmovilizado durantemente meses antes de ser amputado. El neurólogo pensó que la parálisis permanecía tras la amputación puesto que el cerebro del paciente la había aprendido. Diríase que su mente, tras tanto tiempo sin recibir respuesta del brazo por estar paralizado, había interiorizado que ese brazo no se podría mover nunca más.

El doctor supuso que el problema se solventaría si pudiese indicar al cerebro del paciente que el brazo fantasma podía volver a moverse, pero ¿cómo hacerlo? Si el brazo existiese se podría masajear o mover con la ayuda de rehabilitación, pero eso no se puede hacer con un brazo que sólo está en dentro de la cabeza de alguien. El truco consistió en hacer, con una caja de cartón y un espejo, un dispositivo en el que al meter una mano por un agujero parezca hay dos. Se puede ver una fotografía del mismo en el artículo original.

En la siguiente sesión el doctor indicó a paciente que debía cerrar los ojos, apretar el puño de su brazo real para clavarse las uñas, tal y como se clavaba sus uñas fantasma, introducir la mano real el la caja con el espejo y, en ese momento, abrir los ojos. ¡Dios mío, puedo moverlo! fue lo que el paciente gritó a continuación. Al parecer el cerebro al ver la mano que faltaba había adaptado el fantasma a la nueva mano del espejo. Cuando el paciente decidía conscientemente mover las manos de forma simétrica ambas obedecían y el fantasma seguía fielmente los movimientos de la mano del espejo. Tras años de calambres y dolor vieron su fin mientras usaba la caja. Por desgracia al sacar la mano real del dispositivo el dolor reapareció.

Ramachandran le dio la caja al paciente y le recetó que jugase con ella una hora al día. A la semana siguiente el paciente le llamó y le dijo que se había ido. ¿Quién se ha ido? La mano, el brazo ¿Te molesta? No, en absoluto, el único problema es que aunque la mano y el brazo han desaparecido los dedos todavía están, salen del hombro y se me clavan, ¿podría rediseñar la caja para amputármelos también? Ramachandran no pudo y todavía hay un hombre en California que se pasea con unos dedos fantasma en el hombro.

Las conclusiones del neurólogo son aun más asombrosas si cabe que el propio caso. Propone que no sólo los pacientes que sufren el síndrome del miembro fantasma tienen fantasmas, en realidad, todos los tenemos. En todos nosotros hay un fantasma que se ajusta a nuestro cuerpo real como un guante a una mano. Sólo cuando falta algún miembro aparece el síndrome porque el fantasma ya no puede ajustarse correctamente al cuerpo. Partiendo de este razonamiento Ramachandran propone métodos para alterar el fantasma en personas sanas. Para realizar estos experimentos sólo hacen falta tres personas y todo consiste en tocarse las narices con la punta de los dedos, pero todo esto será contado en otra ocasión.

Esta historia junto a otras se pueden disfrutar en el excelente podcast radiolab y en el no menos apasionante libro de Ramachandran "Fantasmas en el cerebro".

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Materia oscura, el misterio continua

No ha llovido demasiado desde que revisamos el misterio de la materia oscura. Hoy vía menéame leo sobre un descubrimiento relacionado con el tema explicado en un pobre artículo en la sección de ciencia de El Mundo. Tras visitar la fuente original podemos reafirmarnos en dos opiniones: continuamos sin saber demasiado acerca de la materia oscura y la estima que nos merece el periodísmo científico presente en los medios generalistas no ha aumentado.

En el trabajo se ha estudiado el choque de dos cúmulos de galaxias, en la región conocida como Abell 520. Estos cúmulos están formados por tres componentes: galaxias individuales, constituidas por billones de estrellas, gas caliente entre las galaxias y la elusiva materia oscura. Observando los rayos X han detectado la radiación producida por el gas extraordinariamente caliente, presente en el choque, y utilizando un telescopio óptico han sido capaces de ver las galaxias y la materia oscura.

Obviamente, tal y como su nombre indica, la materia oscura no se puede ver, ¿cómo es posible pues que la hayan detectado con un telescopio óptico si es, como su su propio nombre indica, completamente oscura? Ya vimos en la entrada anterior que se podía detectar por los efectos gravitatorios que esta materia tiene sobre otros objetos astronómicos visibles. En este caso lo que se ha medido para poder cartografiar esta misteriosa materia es la desviación de la luz proveniente de objetos situados tras el cúmulo galáctico estudiado. Este efecto fue predicho por Einstein y se conoce como lente gravitatoria. Según la relatividad general, incluso la luz se ve atraída por los objetos masivos y, por tanto, un rayo de luz que pase junto a un buen pedazo de materia oscura debe ser desviado produciendo la ilusión de que las estrellas tras de si no están donde deberían. Este efecto fue, de hecho, el utilizado en una de las primeras comprobaciones de la relatividad general llevada a cabo por Arthur Eddington y, dicho sea de paso, esta es también la razón de que los agujeros negros sean negros.

¿Y qué es lo que se ha observado con este arsenal de equipos y teorías? Lo que se ha visto es la distribución de las galaxias, el gas y la materia oscura. Se esperaba que las galaxias y la materia oscura estuviesen estrechamente asociadas debido a la atracción gravitatoria de ambas. Pero no ha sido así, se ha encontrado un núcleo de materia oscura junto al gas caliente pero completamente desprovisto de galaxias, además de otra región con bastantes galaxias pero sin materia oscura alguna. Al parecer la materia oscura y las galaxias han sido separadas en este titánico choque entre cúmulos galácticos.

¿Cómo es posible que la gravedad no haya mantenido unidas a las galaxias a la materia oscura? No se sabe, pero como algo hay que proponer como hipótesis se postula que las galaxias puedan haber sido alejadas por la propia gravedad. Esto, al parecer, es contrario a lo que muestran las simulaciones. Otra idea que se propone es que se haya observado el efecto de una interación desconocida entre las partículas que forman la materia oscura. Esta última hipótesis traducida a un lenguaje más mundado podría reescribirse como: lo que hemos visto se debe a una interacción desconocida entre unas partículas desconocidas que forman una materia que no podemos ver, lo cual es tanto como concluir el trabajo con un humilde: no tenemos ni idea, pero nos diverte observar el cosmos.

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ADN, una molécula fácil de copiar

¿Por qué los ratones tienen ratones como hijos y no petunias, colibríes o neumococos? ¿Por qué los hijos se parecen a los padres? Estas sencillas cuestiones han venido espoleando la curiosidad de los pensadores desde tiempos inmemoriales. Es fácil entender como puede crecer un ser vivo, pero ¿cómo se genera uno nuevo? Para explicarlo se incluso se propuso que en el esperma había pequeños hombrecillos ya preformados esperando a crecer. Esta teoría del homúnculo tiene dos problemas fundamentales, colleva una regresión infinita, ya que el homúnculo ha de tener a su vez pequeños hombrecillos en su diminuto esperma, y además es falsa.

Hoy, por fortuna, disfrutamos del privilegio de conocer como a partir de un ser vivo se puede generar otro. La búsqueda de esta respuesta ha sido larga y tortuosa, pero creo que se puede afirmar que el punto de inflexión definitivo se encuentra en un artículo publicado por la revista Nature en 1953 firmado por Watson y Crick. En este trabajo se sugería una posible estructura para el ácido desoxirribonucleico (ADN). ¿Pero que tiene que ver esta estructura con las petunias?

Si la vida no tiene nada que ver con homúnculos, ¿cómo funciona? En los espermatozoides y los óvulos de los elefantes no hay elefantes microscópicos sino las instrucciones para construirlos. Cómo ya vimos las instrucciones están escritas en la molécula del ADN, lo que hace que un orangután fabrique pequeños orangutanes y no pequeños camellos es que las instrucciones presentes en el ADN de los orangutanes y de los camellos son diferentes. Para saber como se puede duplicar un ser vivo lo que hay que saber en realidad es como se pueden duplicar las instrucciones. Si tuvíesemos que dar a alguien unos planos lo primero que haríamos es ir a una fotocopiadora y generar una copia y esto es básicamente lo que hacen las células.

Lo que Watson y Crick descubrieron es cómo se las apañan las células sin fotocopiadoras. El truco que utilizan es tener las instrucciones escritas en una molécula, el ADN, que debido a su estructura es muy fácil de copiar. De hecho, lo que hace extraordinario al ADN es su capacidad para duplicarse, no su química, que es bastante aburrida comparada con la de las proteínas. Si se piensa detenidamente, como lo hizo Schrödinger no debería extrañar que la parte más esencial los seres vivos sea una molécula fácil de copiar ya que la característica más definitoria de un ser vivo es justamente su capacidad de generar nuevos seres similares a si mismo.

El ADN está formado por dos cadenas de nucleótidos. Cada uno de estos nucleótidos es una letra en el libro de instrucciones para fabricar al ser vivo y hay, en el ADN, cuatro tipos de nucleótidos: Adenina (A), Timina (T), Guanina(G) y Citosina (C), es decir, hay cuatro letras disponibles A, T, C y G. El quid de la cuestión es que la información presente en ambas cadenas del ADN es redundante, frente a una A siempre se encuentra una T y frente a una C siempre una G. Si en una de las cadenas está escrito GATACCA en la otra necesariamente encontraremos CTATGGT. Esta complementariedad de las bases se debe a sus propiedades químicas, concretamente a la capacidad de formar enlaces químicos débiles entre ellos. A y T encajan con dos enlaces y G y C con tres, cualquier otra combinación es difícil de obtener e inestable.

Este es el truco que hace que los seres vivos puedan copiarse tan fácilmente, una vez que tenemos una cadena es fácil generar la complementaria porque los nucleótidos saben con quien deben aparearse. Cuando una célula decide dividirse lo primero que hace es duplicar su material hereditario, el ADN. Para ello hace que las dos hebras se separen y utilizando cada una de ellas como molde genera una nueva molécula completa. Este proceso puede repetirse cuantas veces se desee y se acaba obteniendo una legión de clones.

No podría acabar de describir la estructura del ADN sin comentar que tiene que ver la famosa doble hélice con todo esto. Son las dos cadenas redundantes las que forman la doble hélice. La estructura se parece mucho a una escalera de caracol con las barandillas formadas por las cadenas y los peldaños por la parejas de AT y GC. Esta simetría espiral es extraordinariamente bella, pero no olvidemos que el verdadero secreto reside en la complementariedad de la información presente en las dos cadenas que forman la doble hélice, esto es lo que permite que los papas y las mamas tengan hijitos y que la rueda siga girando.

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