El juego de la imitación.

Que tal si te propongo la tarea de saber si la persona con la que chateas, o con quien hablas por teléfono es inteligente. ¿Como lo harías?. ¿Sabias que muchas de las "personas" que prestan ayuda en chats de diversos tipos son en realidad programas computacionales?.

El titulo de esta columna hace referencia a un juego que consiste en determinar si un interlocutor es una persona o una maquina, solo mediante sus respuestas.

Supongamos que alguna máquina es capaz de "ganar" el juego (en realidad, bajo ciertos estándares discutibles, el año pasado, un programa de computación logro pasar el test http://es.wikipedia.org/wiki/Eugene_Goostman). Podemos decir entonces que esa máquina "piensa"?, ¿Es consciente?.

Esto nos lleva a pensar en cuán compleja ha de ser una inteligencia para ser capaz de poseer autoconciencia. Esta es una pregunta más complicada de lo que pareciera a primera vista, dado que la misma definición de conciencia es ambigua.**

Uno de los pioneros en el desarrollo de los computadores, el matemático inglés Alan Turing (1912-1954), se formuló esta misma pregunta, y fue él invento el test antes mencionado, conocido ahora como el Test de Turing. Sobre Alan, su interesante vida, sus aportes a la creación de los computadores, su rol en el segunda guerra mundial y su figura como ícono sobre la lucha contra la discriminación, hablaremos hoy en el Tocino.

Alan Turing y los inicios de la computación moderna.

Para ser precisos, la idea de máquinas automáticas capaces de hacer cálculos es una idea antigua. Basta citar por ejemplo los trabajos del matemático persa Musa al-Juarismi quien, en plena edad media, describió el procedimiento para manipular números arábigos y también una forma sistemática de resolver ecuaciones de segundo grado, usando lo que conocemos como un algoritmo (la palabra algoritmo deriva de su nombre) o el trabajo de Charles Babagge,  quien en 1822  diseñó una máquina mecánica (con poleas y engranajes), que servía como calculadora. Esta máquina fue terminada de construir en 1991 por el museo de Londres, usando los planos proyectados por Babbage y sólo métodos de su época, ya que el sólo la diseñó pero nunca la construyó
http://www.sciencemuseum.org.uk/objects/computing_and_data_processing/1992-556.aspx).

Turing se interesó en la idea de máquinas que calculan cuando trabajaba en lógica formal, en particular en la idea propuesta por David Hilbert sobre axiomatización de las matemáticas (El Entscheidungsproblem). En 1936 Turing presentó el primer modelo teórico de una máquina universal de cómputo,
que ahora lleva el nombre de Máquina de Turing, preocupándose sólo por los mínimos elementos necesarios. Estos elementos son:

- Una cinta separada en distintos cuadrados, donde en cada cuadrado puede existir un 1 o un 0 (esta cinta se supone infinita).

- Una cabeza lectora (CL), capaz de leer el estado de la cinta, moverse a la derecha o a la izquierda, borrar y escribir un número (0 o 1) sobre la cinta.

- Un registro de estado asociado con la cabeza lectora (la cabeza puede estar en 0 o 1)

- Una tabla, que asigna acciones sobre la cinta, dependiendo del estado de la cabeza lectora.

Esta simple definición incluye la más general maquina de cómputo. Esto significa que puede simular cualquier otro computador, sentando las bases teóricas de la computación, años antes de que los primeros computadores digitales aparecieran.

Diagrama de una máquina de Turing. Cinta con un input y un cabezal lector en estado q1. [Imagen tomada de Wikipedia].

Como un ejemplo, pensemos que en la cinta están los números 00[0]1000, donde el paréntesis denota la posición de la cabeza lectora. Supongamos que la cabeza lectora está en el estado 0. La tabla cumple el rol de un programa, y como ejemplo usamos la siguiente

• Si el estado de CL es 0, y el valor leído en la cinta en 0, la cabeza se detiene.
• Si el estado en CL es 1 y el valor leído es 0, la cabeza se mueve a la derecha y cambia su estado a 0.
• Si CL esta en 0 y el valor leído es 1, la cabeza borra el número y escribe un cero. Luego, se mueve a la derecha y cambia su estado a 0.
• Si CL es 1 y el valor leído es uno, la cinta se mueve a la izquierda

Es fácil ver que con esta tabla (tomando el estado de CL=1), y el input 00[0]100, CL se mueve a la derecha 000[1]00, luego cambia el 1 por 0 -> 000000 y luego se detiene (intenta jugando con otros inputs!)

Vídeo donde usando legos se replica la idea de una maquina de Turing (en Inglés).

Su trabajo durante la guerra.

Luego de la primera guerra mundial, la Alemania Nazi desarrolló una máquina, denominada Enigma, para encriptar (y desencriptar) mensajes secretos que se consideraba imposible de descifrar. Alan Turing luego de la fama adquirida por sus trabajos como matemático en el área de teoría de la computación, fue reclutado para trabajar en descifrar la encriptación de los mensajes alemanes. Para lograrlo, Alan y su equipo logran hacer ingeniería reversa a Enigma, y explotar una de sus falencias. Esto requería probar muchas combinaciones, por lo que el equipo, en búsqueda de la solución, construyó uno de los primeros computadores. Este logro permitió a los aliados descifrar las comunicaciones Nazis y se estima que ayudó a acortar la guerra al menos 2 años, salvando miles de vidas. Pese al reconocimiento oficial de su trabajo (con la Orden del Imperio Británico, el honor más alto que recibe un civil en Inglaterra), Turing y su trabajo científico no fueron  apreciados en ese momento y por el contrario, la discriminación social por su tendencia sexual lograron opacar sus grandes contribuciones.

La participación de Alan en la segunda guerra mundial, y su trabajo para decodificar los mensajes nazis serán parte de la trama de una próxima película.

Su figura como símbolo contra la discriminación.

En 1952 a la edad de 39 años, Alan fue condenado por ofensas a la moral, por su relación sentimental con Arnold Murray (en esos tiempos la homosexualidad era un crimen en Inglaterra). Como alternativa a la cárcel, Turing aceptó un tratamiento con estrógenos, el cual entre otros varios efectos lo dejó impotente y le desarrolló ginecomastia (en otras palabras, desarrolló senos). En 1954, sin poder soportar más su situación, Alan se suicidó comiendo una manzana envenenada con cianuro.

En 2009, luego de una petición ciudadana, el gobierno del Reino Unido se disculpó públicamente por el trato dado a Turing y se le agradecía su ayuda en la guerra. Finalmente,  luego de 60 años desde su muerte, en diciembre del 2013  Turing recibió el indulto de todo tipo de culpa por orden de la Reina Isabel ll.

Test de Turing.

Turing también fue uno de los primeros en proponer una prueba simple para ver si un computador (o en su defecto una inteligencia artificial) puede pensar . En una de sus primeras versiones Turing propuso un juego de tres jugadores, A un hombre, B una mujer y C un juez (de cualquier sexo). El jugador C no puede ver a A ni B, y sólo se puede comunicar con ellos mediante textos escritos. El objetivo de C es determinar quién es el hombre y quién es la mujer. El rol de A es tratar de hacer que C se equivoque, mientras el rol de B es tratar de que C acierte.
Turing propone poner a un computador en el rol de A, y al comparar los resultados entre el juego incluyendo sólo personas y el juego con un computador en la posición de A, se puede decidir si el computador es inteligente. En otras palabras, si C se equivoca tan a menudo cuando A es un hombre que cuando A es un computador, entonces podemos inferir que el computador es inteligente. 

Por supuesto este test ha sido mejorado y debatido ad infinitum, pero su aporte es el de poner un escenario concreto donde intentar responder la elusiva pregunta ¿pueden los computadores pensar?.**

Aunque a veces también me pregunto, frente a tanta calamidad, si siquiera el ser humano puede pensar. Recordar a Alan y su legado puede ayudarnos a guiar el camino.

Video explicativo del funcionamiento de Enigma y su rol en la Guerra

**Sobre la Inteligencia en computadores y el Hard problem de neurociencia.

Un lector curioso podria inmediatamente preguntar ¿Pensar o ser/parecer inteligente es sinónimo de conciencia? ¿lo era para Turing?.

Como surge la conexión entre la capacidad de cómputo y el fenómeno de la conciencia? Este último punto se conoce como el Hard Problem (Problema difícil) en Neurociencia. El intentar responder estas preguntas es uno de los  motores detrás de los estudios en Neurociencia que acá no intentaremos responder. Podemos eso si, intentar discutir que significaba la inteligencia para Turing.

Turing enfrenta algunas de estas preguntas en su artículo "Intelligent Machinery" (Máquinas Inteligentes) de 1948. En el, Alan se pregunta ¿Pueden las máquinas mostrar comportamiento inteligente?. Usando modelos matemáticos simples de redes neuronales, estableció las bases del área de "Machine Learning" que encuentra aplicaciones en Data mining o robotica, donde maquinas estan constantemente cambiando sus decisiones basadas en nuevos datos. Así, como se puede leer hacia el final de "Intelligent Machinery", para Turing "La actividad intelectual consiste principalmente en varios tipos de búsqueda" siendo para él la calificación misma de inteligencia un proceso subjetivo, como lo discute en la sección "Inteligence as an Emotional concept" (Inteligencia como un concepto Emocional).

Ciencia y ética, evitando el "gato por liebre"

  ¿Qué puede decir la ciencia sobre temas como Dios, lo bueno, lo malo, la vida o la muerte? La actividad científica tiene mucho que aportar tanto al capital cultural como tecnológico de nuestro País. Sin embargo, en el debate público sobre temas complejos, como la legislación sobre el aborto o eutanasia, es posible encontrar argumentos que disfrazan creencias personales de verdades científicas y viceversa. Lamentablemente, este tipo de confusiones entrampa la solución del problema y dificulta los acuerdos. La columna de esta semana intenta comprender las limitaciones que tiene la ciencia frente a los dilemas éticos de nuestra vida en sociedad.

Ciencia v/s Creencias personales

El conocimiento de tipo formal ha sido históricamente manejado por pocos y generalmente vinculado a grupos que detentan el poder político-económico y/o religioso. Es el caso, por ejemplo, de los sacerdotes del antiguo Egipto, quienes “adivinaban” la escasez o abundancia de las cosechas gracias a que conocían (sólo ellos) el comportamiento regular del caudal  en el río Nilo.  Fue dentro de esa tendencia donde Francis Bacon **, como muchos otros personajes del llamado “siglo de las luces”, rechazó casi agresivamente todo pensamiento que se alejara de lo científico. La mirada radical de Bacon era quizás la respuesta natural frente a una tradición en donde el pensamiento supersticioso y de tipo mágico había dominado los distintos ámbitos de la vida, en muchos casos, excesiva y erróneamente. Ello explicaría la fuerza que luego adquirió el movimiento denominado Ilustración (a fines del siglo XVII), el cual buscaba la liberación de las supersticiones nocivas y cuyas ideas antecedieron a la Revolución Francesa de 1789 con sus ideales de Libertad, Igualdad y Fraternidad.

Quizás al mismo tiempo en que se sostuvo este maravilloso ideal de democratizar el conocimiento para toda la humanidad, se tendió a sacralizar la ciencia y a pensar que ésta era LA mirada más exacta del mundo o la única que ofrecía “La verdad”. Sin embargo, para muchos investigadores, tal como el filósofo Emmanuel Kant, la ciencia es tan sólo  “el camino seguro de la razón”, en el sentido de que ésta no puede negar ni confirmar otros aspectos del ser humano que estén más allá de lo físicamente comprobable (metafísica). Visto desde este punto de vista, las creencias personales (cosas no demostrables como la Fé o la Religión) no son menos importantes que las verdades científicas y no pueden ser rechazadas por éstas a menos que intentáramos hacer ciencia con creencias personales. Pero ¿Qué puede decirnos la ciencia sobre nuestra conducta ética y moral?

 Como vimos en una columna anterior, mientras la ciencia busca la coherencia de los resultados empíricos con una hipótesis, la ética busca la coherencia de nuestra conducta con valores y principios que no están sujetos a comprobación sino que simplemente se aceptan. Entonces, ciencia y ética se manifiestan en ámbitos independientes. A pesar de aquello, es tremendamente necesario que exista una conversación entre ambos aspectos. Un ejemplo claro fue la investigación sobre la naturaleza del átomo que se mal utilizó para el desarrollo de la bomba atómica finalmente arrojada sobre Hiroshima y Nagasaki. En ese caso, algunos científicos no detuvieron su actividad profesional en pos de conservar y respetar valores fundamentales de la Humanidad. Según esto, nuestra ética puede usar a la ciencia sólo como un instrumento, apoyarse en ella, pero jamás ver a la moral aparecer exclusivamente desde los resultados experimentales. 

Discusión sobre el origen de  la vida y el aborto

          La vida es algo simple en el sentido de que no necesitamos ninguna teoría previa para experimentarla, es un proceso al que nos incorporamos de forma innata, aunque no entendamos cómo sucede. En otras palabras, es fácil tener la certeza de estar vivos, pero no es fácil explicar qué es exactamente vivir y cuando comienza este proceso.  Este tipo de problemática es la que enfrentamos actualmente frente a la legislación sobre el aborto. 

       Es importante recordar en este debate que la verdad no viene revelada en la naturaleza como si fuera un libro sagrado, al menos nadie ha podido demostrar eso. Si así fuera, no habría discusión, pues bastaría llamar a un par de expertos y ponerlos a explicar en un par de horas cuando es que comienza la vida. Si tenemos suerte, podrán explicar la vida desde una perspectiva biológica, pudiendo establecer si ciertos organismos viven o no, pero cuando se trata de definir qué es lo que exactamente constituye a un ser humano, incluso desde una perspectiva puramente científica, la tarea se vuelve titánica y aún no se ha resuelto. 

        Pero asumamos que se puede encontrar un criterio científico para decidir el momento exacto en que comienza la vida humana. El siguiente problema es determinar qué vale más, si esa vida en gestación por sí misma, o la autonomía de una madre que no lo quiere tener porque, por ejemplo, va a nacer en condiciones muy desfavorables o fue producto de una violación. Ningún aparato médico, ni parámetro clínico puede tomar la decisión por nosotros. Un dilema similar sucede con la eutanasia en donde se debe escoger entre la autonomía de la persona que no quiere conservar su vida y la obligación legal de mantenerla. En esos ámbitos la actividad científica no tiene competencias directas. Sin embargo, la ciencia puede y debe contribuir a este debate. Por ejemplo, en el caso del aborto, proporcionando información sobre aspectos biológicos del desarrollo fetal; efectos psicológicos y físicos de mujeres que han sido violadas, de quienes tienen un embarazo inviable o de quienes simplemente deciden abortar. Los científicos,  como todo  estamento de la sociedad, no pueden ser relegados en este debate.

Es difícil ver una solución a este debate que no sea un consenso, en donde todas las partes en conflicto estén conscientes de que el acuerdo será una determinación arbitraria que nacerá desde la ideología particular de cada uno.  El tema es urgente por que la defensa de la vida es algo a lo que el Estado dice aspirar en su constitución y un deseo que creo la mayoría de las personas tenemos . Sea cual sea la decisión sobre el aborto, debe ser coherente y basada en un debate abierto, pluralista, libre y honesto.

**Muchas personas sitúan el origen de la ciencia natural en el texto “Novum Organum” de Francis Bacon (1620). Uno de ellos es Emmanuel Kant, quien en la introducción de “Crítica de la razón pura” (1710), agrega que la ciencia surgió antecedida por una revolución del pensamiento en donde a partir de principios empíricos (demostrables mediante experimentos) se inducen nuevas leyes que permiten predecir fenómenos del mundo sensible. Esta es una revolución porque el hombre comienza a explicar fenómenos mediante experimentos basados en el método científico y no solamente mediante conjeturas, historias o mitos. Si bien éste es un cambio fundamental en la historia del pensamiento humano, no quiere decir que sea la única forma de pensamiento posible, simplemente es una manera distinta de comprender parte de lo que nos rodea. 

Fantasías Macromoleculares (post invitado)

Hola amantes del tocino. Esta semana tenemos un post invitado en el blog. El autor es Tomás Corrales, doctor en Física de la Universidad de Mainz, Alemania. Él nos cuenta sobre los temas que lo matuvieron ocupado en los últimos años, durante su doctorado y de su actual investigación sobre ADN, que lleva a cabo como investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell, en EEUU.

¿Se han preguntado alguna vez de que están hechos todos estos materiales relativamente blandos que se encuentran a nuestro alrededor y que usamos día a día? Sólo por nombrar algunos ejemplos: las bolsas del supermercado, los envases de yogurt, los recubrimientos de las píldoras, las llantas de un auto y los pañales para bebés. El denominador común entre todos materiales es que están hechos de moléculas muy especiales llamadas macromoléculas. Las macromoléculas se encuentran en casi todos los materiales que usamos a diario, (ver más ejemplos), pero aún más importante, son fundamentales en la organización de la vida como la conocemos. Dos grandes ejemplos biológicos de macromoléculas son las proteínas y nuestro propio ADN, en cuya estructura se codifica la información genética de los seres vivos. ¿Pero, qué es una macromolécula? La palabra en sí lo dice todo, es una molécula…“gigante”, tan grande, que agregarle o quitarle unos cuantos átomos no afectan sus propiedades, es casi como si le sobrasen átomos. Típicamente una macromolécula puede tener dimensiones desde 1 nanómetro (la millonésima parte de un milímetro) hasta llegar a los micrones (la milésima parte de un milímetro). 

 

Si bien hoy en día el uso de macromoléculas es trivial, y cada día aparecen productos con propiedades mejoradas (más ligero, más resistente, etc), su descubrimiento y la manipulación de sus propiedades no lo fueron tanto. Materiales hechos de macromoléculas, como el caucho, las fibras de algodón e incluso los primeros plásticos, ya eran utilizados mucho antes de que se supiese realmente de que estaban hechos. No fue sino hasta 1920 que el concepto de macromolécula fue propuesto por el químico alemán Hermann Staudinger. En un comienzo, la idea de Staudinger fue controversial. Los científicos de la época creían que materiales como el caucho consistían en grandes agrupaciones de moléculas pequeñas que eran atraídas por fuerzas eléctricas, formando partículas o coloides. Staudinger en cambio, fue el primero que propuso que materiales como el caucho estaban hechos de macromoléculas compuestas por cientos o miles de átomos unidos por enlaces covalentes. Al cabo del tiempo, los desarrollos experimentales y teóricos de la década de los 20 le dieron la razón a Staudinger, y de paso, el premio Nobel de química en 1953. En la naturaleza se pueden encontrar muchos tipos de macromoléculas distintas, pero en el tocino de hoy sólo hablaré de dos, polímeros sintéticos y el ADN.

Figura 1: a) Representación de un polímero lineal, con su característica forma de culebra, o fideo. b) Composición química del polímero lineal más simple, el polietileno, en donde las barras negras indican enlaces covalentes. Los puntos suspensivos al final de cada lado indican que la estructura formada por el carbono y los dos hidrógenos se puede repetir y repetir.

Los plásticos son un ejemplo de materiales que están hechos de polímeros sintéticos. Un polímero se caracteriza por ser una especie de culebra (figura 1a), con una unidad química que se repite a lo largo del espacio, formando una cadena. Uno de los polímeros más simples es el polietileno (figura 1b), el cual consiste en átomos de carbón unidos por enlace covalentes formando una cadena lineal. A los costados de esta cadena se conectan además átomos de hidrógeno. En forma condensada, los polímeros pueden formar materiales con distintas propiedades. El largo de la cadena, sus ramificaciones y la flexibilidad intrínseca de la molécula controlan la dureza del plástico y también a qué temperatura se ablanda. Si hiciéramos un zoom a una bolsa de plástico de polietileno y tomásemos un área de 10x10 nanómetros, veríamos una especie de tallarinata de moléculas (figura 2).

Figura 2: Si pudiésemos hacer una imagen nanoscópica de una bolsa de plástico de polietileno (izquierda) veríamos que está compuesta por muchas moléculas largas parecidas a un tallarín (centro) condensadas de manera desordenada. Si magnificáramos nuevamente un solo tallarín veríamos una estructura de átomos de carbono (círculos negros) que forman una cadena en zigzag, con átomos de hidrogeno a sus costados (círculos blancos).

Para no aburrirlos con definiciones tediosas, pasemos a algo un poco más entretenido, ¿Cómo estudiar y visualizar estas macromoléculas? ¿O más interesante aún, como estirar o apretar macromoléculas individuales? Sin duda, uno de los instrumentos más versátiles y revolucionarios en nanotecnología ha sido el microscopio de fuerza atómica (o AFM por sus siglas en inglés). Este instrumento permite visualizar, así como también manipular macromoléculas individuales. El AFM fue desarrollado en 1989 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer, sólo unos cuantos años después de la invención del microscopio de efecto túnel (STM), por el cual Binning y Rohrer recibieron el premio Nobel de física de 1986. El AFM funciona palpando el objeto o superficie, utilizando una aguja de silicio del tamaño de algunos átomos; digamos que éste es como un microscopio ciego (figura 3a). Esta técnica ha permitido a científicos ver objetos más chicos que cualquier método óptico haya podido resolver, llegando a ver átomos individuales. La aguja atómica de un AFM se sitúa al final de una barrita de silicio (figura 3b y c), la cual se deforma cada vez que la punta de la aguja toca la superficie. Al barrer esta aguja de silicio sobre la superficie un objeto se genera un mapa de la deformación de la barra de silicio, la cual nos da información sobre la topografía de nuestra superficie. El AFM puede hacer imágenes de casi cualquier material, sea aislante o conductor, lo cual le da una ventaja por sobre el STM que requiere de superficies conductoras.

Figura 3: a) Caricatura del AFM, un microscopio ciego que “siente” los átomos de una superficie (círculos rojo y blancos). Ojo, la punta del AFM no tiene manos, lo que siente la aguja del AFM son fuerzas de repulsión y atracción eléctricas entre los átomos de la punta y los átomos de la superficie. Las imagen b) muestran una punta de AFM real con su respectiva barrita de silicio (cantiléver en inglés). En c) se muestra una imagen magnificada de la punta. La punta de una aguja comercial puede llegar a tener entre 1 y 5 nanometros. Las imágenes b) y c) fueron obtenidas usando un microscopio de barrido electrónico (SEM por sus siglas en inglés) y se pueden encontrar en mi tesis :) (Link).

Otra ventaja del AFM es que se puede utilizar en distintos medios, por ejemplo, en medios acuosos, los cuales son relevantes para estudiar macromoléculas biológicas. Un ejemplo de la capacidad de esta técnica que me parece interesante, fue publicado hace alrededor de 2 años, en donde se visualiza por primera vez en espacio real la doble hélice de una molécula de ADN. La estructura de doble hélice del ADN fue descubierta hace más de 50 años usando difracción de rayos X (esto da para otro tocinazo), pero hasta ahora nadie había generado una visualización es espacio real de esta hélice. En la imagen generada por AFM aparece una molécula individual de ADN, si, es ese tallarín largo que aparece acostado sobre la superficie plana (figura 4a)!. La doble hélice aparecen como líneas diagonales al eje largo de la molécula, indicadas con flechas verdes (figura 4b). 

Figura 4: a) Una molécula individual de ADN acostada sobre una superficie plana. La imagen fue tomada en un medio líquido. La región encerrada en el cuadrado punteado indica donde se hará una magnificación. b) Imagen magnificada tomada de la imagen anterior. En esta imagen se puede ver la doble hélice del ADN indicado por pares de flechas verdes. Estas imágenes fueron obtenidas por el grupo del Dr. Bart Hoogenboom, investigador del University Collegue London, y aparecieron publicadas hace dos años en Nano Letters, 2012, 12 (7), pp 3846–3850. Este año este grupo ha obtenido imágenes aún más espectaculares de la doble hélice (link).

Aparte de poder visualizar macromoléculas ocupando AFM, se ha demostrado que se pueden medir las propiedades mecánicas de macromoléculas individuales usando la punta del AFM para estirarlas. La fuerza con la que se pueden estirar una macromolécula ocupando AFM va desde los cientos de nanonewton (1 nN = 0.000000001 N) hasta la aproximadamente la centésima parte de un nanonewton (0.01 nN). Para poner esto en contexto, si tomase una manzana de alrededor de 100 gramos, esta ejercería una fuerza de 1 Newton sobre mí mano. Usando estas pequeñísimas fuerzas se pueden estirar varios tipos de macromolécula, incluyendo proteínas, polímeros y ADN. Una aplicación de esto es estudiar cómo se doblan las proteínas. Desafortunadamente las fuerzas involucradas en procesos biológicos relevantes para el ADN son mucho menores a las fuerzas que se pueden lograr utilizando un AFM. Típicamente para leer y copiar un segmento de ADN, proceso que ocurre constantemente dentro de nuestro cuerpo, se requieren del orden de milésimas de nanonewton (0.001 nN = 1 piconewton - pN). Tales fuerzas están fuera del alcance de un AFM, por lo cual nuevas técnicas han sido desarrolladas. Una de estas técnicas, que ha tomado relevancia en las últimas décadas para aplicar fuerzas del orden de piconewtons a macromoléculas, son las llamadas pinzas ópticas. Utilizando pinzas ópticas, se pueden estirar moléculas como el ADN con fuerzas iguales o menores a 1 pN (= 0.000000000001 Newtons, y si, hay 12 posiciones decimales en ese número). Las pinzas ópticas funcionan bajo el siguiente concepto básico: atrapar y manipular micropartículas que se encuentran flotando en una solución liquida. Tales micropartículas pueden ser, por ejemplo, esferas de vidrio del tamaño de 1 micrómetro (milésima de un milímetro). En el caso de las pinzas ópticas, la microparticula se atrapa usando la radiación óptica de un láser. La microparticula es atraída y queda atrapada cerca del punto donde el láser se enfoca. Al mover la posición del foco del láser lateralmente dentro de la solución, uno puede mover la micropartícula (figura 5a). Ahora imaginen que esta microparticula está anclada a una superficie por medio de una molécula de ADN, tal como un niño que sujeta un globo de helio con un cordel (figura 5b). Al mover la microparticula, el ADN se estira y se genera una fuerza. Esta trampa óptica puede estirar un pedazo de ADN con fuerzas que van desde los 0.1 pN hasta ~50 pN. Si uno grafica la fuerza con que se estira el ADN versus su extensión (figura 5c) uno se da cuenta que no se comporta como un elástico. Según la ley de Hooke un elástico se comportaría de manera lineal en un gráfico de fuerza versus extensión. El ADN en este caso tiene dos contribuciones, a bajas fuerzas (menos a 20 pN), el ADN se tiene que desenredar de su estado relajado (y desordenado). Cuando ya totalmente estirado (sobre 20 pN) el ADN empieza a comportarse como un elástico. 

Figura 5: a) Usando un láser se pueden atrapar microparticulas, generalmente de vidrio. Usando reacciones bioquímicas una molécula de ADN se puede adherir a la microparticula de un extremo y a una superficie plana desde el otro extremo. b) Muestra una analogía a este concepto de anclaje, donde en vez de usar un láser, el cordel se tensiona cuando sopla una ráfaga de viento, moviendo el globo. La imagen c) muestra datos experimentales de una molécula de ADN la estirarse. Este gráfico fue obtenido por el grupo del Dr. Steven Block en 1997 y fue publicado en la revista Biophysical Journal 72(3): 1335–1346.

Las pinzas ópticas permiten estudiar procesos biológicos, como la transcripción de segmentos de ADN, replicando las condiciones en las que suceden dentro del cuerpo humano, lo cual era impensado hace tan sólo 20 años. Como si fuese poco, en los últimos años, científicos han desarrollado formas de rotar micropartículas para así aplicar torque sobre moléculas individuales de ADN.

¿Cuál es el futuro de todo esto? Esta es una pregunta personal, que no tiene una respuesta única, sino más bien una humilde opinión. Para mí, uno de los mayores retos en esta área es entender que rol juegan las propiedades mecánicas del ADN al momento de enrollarse para formar el cromosoma. El cromosoma humano suele tener un tamaño del orden de micrómetros, si desenrollásemos esta estructura obtendríamos una fibra de ADN que llegaría a tener centímetros de largo. El proceso de densificación del ADN para llegar formar el cromosoma es bastante complejo (figura 6), entender como el ADN se dobla y tuerce nos dará un entendimiento más profundo de este proceso. Por otro lado, sería interesante estudiar como un pedazo individual de ADN interactúa con la masa densificada de ADN que es el cromosoma. ¿Existirán secuencias de ADN que son más flexibles que otras? ¿Sufrirá algún cambio estructural el ADN al enrollarse en el cromosoma? Estas son solo algunas de las preguntas que me motivan a estudiar estos bichos, además de la posibilidad de desarrollar nuevas técnicas con las cuales estirar y jugar con estas macromoléculas, molécula a la vez. 

Figura 6: Los distintos niveles de compactación del ADN para formar el cromosoma humano.

  Temas relacionados:
http://metododeltocino.blogspot.co.il/2014/01/alimentos-geneticamente-modificados.html

http://metododeltocino.blogspot.co.il/2013/10/ver-para-entender_22.html

The Times They Are A-Changin

The Times They Are A-Changin, (los tiempos están cambiando), es el título de una canción de Bob Dylan, usada en la intro de Watchmen, una interesante película de superhéroes, basada en el cómic del mismo nombre. Este título también hace referencia al tema que quiero presentar en esta columna: dilatación temporal y la posibilidad de viajar en el tiempo.

El tiempo es una idea que ha fascinado al ser humano desde siempre. La mitología griega lo pone a la altura de un Dios, con Aión representando el tiempo en la eternidad, y con Kronos representando el tiempo histórico, dividido en pasado, presente y futuro. 

El intento por domar la idea del tiempo, definirla y parcelarla en unidades es algo característico de nuestra especie, definiendo nuestra forma de enfrentar la vida y pensar en el futuro. Por ejemplo, en lengua Kaweskar - lengua del pueblo del mismo nombre que habitó la isla grande de tierra del fuego por 10000 años - existen cuatro formas de denominar el pasado dependiendo de cuando los eventos ocurrieron (si ocurrió recién, hace un tiempo determinado, en un tiempo indeterminado, o en un tiempo mítico). [Link lengua Kaweskar]. Esto tiene sentido ya que este pueblo consideraba el pasado muy importante, mientras que el futuro era algo fuera de su control, para él sólo tenían una forma de conjugar acciones en el futuro.

En el ámbito de las ciencias, el tiempo en un principio era visto como una entidad absoluta, esto es, independiente del observador. Así, Isaac Newton formuló las leyes de la Mecánica clásica (o las leyes sobre como los objetos se mueven) usando este postulado (o axioma, como se conoce en jerga científica). Esta idea es bastante natural, ya que es lo que experimentamos día a día, como cuando por ejemplo alguien va atrasado y corre por las escaleras mecánicas, sumando su velocidad a la velocidad de las escaleras (todos los que han estado atrasados en los aeropuertos saben de lo que hablo).

El movimiento de la tierra alrededor del Sol define los meses, de forma que podemos predecir la ubicación del Sol en un momento especifico, dado que conocemos las leyes que gobiernan el movimiento de él en el tiempo.

Otra consecuencia de considerar el tiempo como absoluto es la idea de que nos podemos poner de acuerdo respecto a un evento y cuando este sucede: "Ayer tembló a las 3 de la mañana", "el partido es a las 7 de la tarde", "tienen 30 minutos para hacer la tarea", son frases que tienen sentido debido a que existe un marco de tiempo dentro del cual todos podemos ponernos de acuerdo.

Lo interesante, y ciertamente confuso la primera vez que uno lo escucha, es que el tiempo no es absoluto, en términos Newtonianos, sino mas bien es relativo al estado de movimiento del observador. Esta es una manifestación de la relatividad especial, que fue descubierta por Albert Einstein a principios del siglo pasado.

La relatividad del tiempo (y el espacio) es una consecuencia natural de una inocente característica de la luz. La luz se desplaza a la increíble velocidad de 300 mil kilómetros por segundo, por lo que un rayo de luz desde la superficie de la tierra, demora poco más de un segundo en llegar a la luna. Esta velocidad, es una constante de la naturaleza que no depende del movimiento del observador. Esto es extraño ya que estamos acostumbrados a ver que las velocidades se suman. Por ejemplo, pensemos en dos personas subiendo una escalera. Mientras una persona sube usando los escalones convencionales, la segunda usa una escalera mecánica. Si la persona que usa la escalera mecánica ademas sube usando los escalones de esta a la misma velocidad de quien sube por la escalera convencional, obviamente llegará a destino mas rápido, ya que sube con la suma de las velocidades de la escalera mecánica mas su propia velocidad.

Supongamos ahora que quien sube por la escalera mecánica sostiene una linterna, y mientras sube corriendo, enciende la linterna. Uno puede preguntarse: ¿los fotones de esa linterna, a que velocidad viajan?. La respuesta ingenua es: los fotones (las partículas que componen la luz) viajan a su velocidad natural, llamémosla c, más la velocidad de el individuo que sube por la escalera, mas la velocidad de la escalera mecánica. Mientras que esto suena lógico, la verdad es que la luz viaja a la velocidad constante c, independiente del movimiento inercial (o movimiento sin aceleración) del emisor.

Veamos como esta idea de una velocidad constante tiene consecuencias muy inesperadas. Con este objeto, analicemos la paradoja de los gemelos (que no es realmente una paradoja). Supongamos que dos gemelos (idénticos), Antonio (A) y Bernardo (B), se proponen encontrarse luego de el viaje por el espacio que Bernardo hará, que le tomará 2 horas (según su reloj), una hora de ida y una hora de vuelta. Se despiden ambos con sus relojes sincronizados a las 12 horas.

Ellos acuerdan medir el tiempo que transcurre en el viaje, mediante señales periódicas de luz (recordemos que un reloj es cualquier aparato que mide intervalos periódicos de tiempo), que emitirá uno de los dos (no importa quién, pero digamos que el que emite las señales de luz es Bernardo, desde su cohete). Veamos lo que sucede cuidadosamente en el siguiente video.

Vemos que en el viaje de ida el cohete emite señales cada una espaciada cada seis minutos, tiempo del cohete. Suponemos que la velocidad del cohete es tal que las señales son recibidas en la tierra en intervalos de 12 minutos tiempo de la tierra, debido al efecto Doppler. [Recordemos que el efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de una señal debido al movimiento relativo de el emisor y el receptor].

 Luego de 60 minutos tiempo en el cohete (esto significa que ha emitido 10 flashes), este decide dar la vuelta y regresar. Veamos que pasa ahora.

El hecho de que el cohete esté regresando solo es notado por Antonio en la Tierra cuando este recibe el décimo flash de luz. En este momento, en la Tierra son las 2 PM, ya que 10 flashes, en intervalos de 12 min nos da 120 minutos, o dos horas. Dado que la señal toma un tiempo finito en llegar del emisor al receptor, la noción de simultaneidad se ve afectada!!.
Por otro lado, Bernardo, en el cohete, sigue emitiendo sus pulsos de luz cada seis minutos según su reloj, por lo que en el viaje de vuelta el emite 10 pulsos nuevamente, solo que ahora esos diez pulsos llegan a la tierra no cada 12 minutos como cuando la nave se alejaba, pero cada tres, ya que la nave se aproxima a la tierra y el efecto Doppler entra en juego de nuevo.

Vemos que los 10 Flashes que Bernardo emite desde el cohete son recibidos cada tres , minutos en la tierra, lo que nos da un total de 30 minutos.

Entonces, en el reloj de la tierra 

Ida: 10 flashes cada 12 minutos +Vuelta: 10 flashes cada tres minutos = 2 horas treinta minutos.

Mientras que en el reloj de la nave

Ida: 10 flashes cada 6 minutos + Vuelta: 10 flashes cada 6 minutos = 2 horas.

Esto implica que el Bernardo en su viaje por el espacio, llega a la tierra y es 30 minutos mas joven que su hermano gemelo Antonio. 

Este fenómeno se conoce como Dilatación temporal, y permite que podamos viajar al futuro. Es una de las consecuencias de la relatividad especial, que permite la existencia de agujeros negros*, agujeros de gusano*, contracción espacial y muchos otros fenómenos muy geniales.

Estas ideas han sido comprobadas experimentalmente en los cohetes que van al espacio. La razón de porque nosotros no notamos esta dilatación en nuestros viajes del día a día es que que es necesario que la velocidad con la que se viaja sea una fracción importante de la velocidad de la luz para que el efecto sea perceptible. Por ejemplo, experimentos con aviones volando entre Londres y Washington reportaron una diferencia en sus relojes del orden de los 100 nanosegundos, en concordancia con la teoría. El sistema GPS también ajusta sus medidas tomando en cuenta la dilatación temporal para proveer datos mas precisos.

Espero que estén recogiendo los pedazos de su cerebro que acaba de explotar.

Saludos.

*Estos fenómenos son consecuencia de Relatividad general, no solo relatividad especial.