Los límites del ciencia.

Recuerdo, hace ya muchos años, una conversación con mi papá mientras caminábamos por Santiago un caluroso enero. Divagando de tema en tema, como siempre hacíamos durante esas caminatas, en algún momento la conversación giró y nos encontramos haciendonos la siguiente pregunta ¿Qué cosas quedan por conocer?. Recuerdo que él me dijo: En estos tiempos ya no quedan preguntas abiertas. Si bien ha pasado mucho tiempo desde esa conversación, la seguridad con la que él dijo esas palabras, expresando una plena confianza en el desarrollo humano, aun resuena en mi cabeza. Dada la innumerable cantidad de conocimiento que hemos adquirido como humanidad, no es tan difícil pensar que quedan pocas preguntas sin resolver. Por supuesto, mientras uno más se especializa en un tema, descubre más y más lo mucho que falta por entender. Pero aún así, la pregunta inicial aún aparece. ¿Podemos llegar a conocerlo todo?.

Podríamos rápidamente entrar en una discusión sobre qué significa el conocer, discusión necesaria e interesantísima, pero que prefiero postergar por ahora. En cambio, dejenme aproximarme al problema del conocimiento desde un punto de vista más directo, pragmático (pero como veremos, incompleto). Parafrasearé entonces la pregunta en una forma más manejable.

¿Cuál es el límite de la ciencia?.

Al cambiar la pregunta inicial por esta pregunta más ingenua, estoy haciendo una declaración. El conocer, lo estoy acotando al conocer científico, como lo dicta la disciplina científica. En este contexto conocer significa poseer un modelo el cual nos permita anticipar una consecuencia, dada una causa. Los modelos pueden ser simples, como la representación de una molécula usando esferas y palitos, o más complejos, como la misma molécula representada por la densidad electrónica que es solución de una ecuación diferencial.

Estos modelos en los que se basa nuestro entendimiento, son resultado del desarrollo científico, que tiene como piedra angular el método científico.

De un modo simple y conciso, el método científico es un método que nos permite discernir cuales modelos son más apropiados que otros para describir una situación del mundo real. Este proceso llamado método científico consiste en cuatro pasos: a) Plantear una pregunta, b) desarrollar una hipótesis, c) testear las implicancias de esa hipótesis en un experimento d) comparar resultados con predicciones y si es necesario cambiar la hipótesis. La aplicación y confianza en el método asume un naturalismo metodológico, que es simplemente la idea de que existe un mundo natural al cual como seres humanos podemos acceder de manera precisa. Dicho de otra forma, al aceptar al método científico como herramienta válida, estamos aceptando una forma de ver e interpretar el universo suponiendo que es entendible. Vemos acá la primera limitación de la ciencia, ya que no nos permite acceder a conocimiento fuera del marco de lo “real”, donde por real entendemos al mundo natural que puede ser sujeto de experimentación. Es una definición circular, lo sé, pero útil, ya que al final del día nos provee de herramientas (tecnologías) que afectan de manera bien contundente nuestra vida cotidiana..

Así la esfera de “lo real” es una esfera que se agranda e incluye más fenómenos a medida que conocemos más. Para el hombre primitivo por ejemplo, los rayos eran una manifestación de un ente metafísico y no consecuencia de una serie de fenómenos físicos, como ahora sabemos. Para ellos, el rayo no era parte de su esfera de lo real, siguiendo nuestra definición.

Este es un límite bastante claro, que podríamos resumir de la siguiente forma: el quehacer científico sólo puede responder preguntas que están sujetas a verificación. Por supuesto, en la búsqueda de el entendimiento, este límite se cruza a cada momento. Muchas veces las hipótesis son elaboradas en base a la intuición, sin una directa verificación experimental, y toma el trabajo de muchas generaciones de científicos el verificar o refutar estas hipótesis. En este punto podemos ver el siguiente límite importante al que se enfrenta la ciencia.

Como mencioné anteriormente, el método científico se basa en la búsqueda de hipótesis que puedan ser contrastadas con experimentos. Pero esto supone un importante límite en nuestro entendimiento, ya que sólo podemos establecer la validez de una teoría mientras no se pruebe lo contrario. No es que en el proceso acumulativo que implica el entender, desechemos sin más ni más un marco teórico si se presenta un caso en donde no funciona, más bien lo que hacemos es verificar sus rangos de aplicabilidad, y buscar una teoría más completa, que contenga a la antigua como uno de sus casos particulares.

Ok, pero suficiente con los límites epistemológicos*. Otros dos límites de la ciencia, que tienen su base en la naturaleza humana de su quehacer son a) los límites éticos, y b) los límites técnicos.

La capacidad transformadora de la tecnología, que resulta del desarrollo científico tiene importantes implicancias sociales. Esta verdad, patente en nuestros días, no fue apreciada hasta bien entrado el siglo XX, luego de que quedara en evidencia con la capacidad destructora de la maquinaria de guerra nacida al alero de la técnica. Un ejemplo demoledor de esto es la bomba atómica. Por supuesto, el conocimiento como entidad abstracta es amoral, pero una pregunta válida es cuánto valor le ponemos a el conocimiento por sobre la ética. Esta búsqueda de un equilibrio entre lo que queremos saber y la forma de encontrar ese conocimiento (o las implicancias que tendría) produce cierta ciencia tabú.

Ejemplos de estos tabúes abundan, podría nombrar el estudio de las diferencias raciales, en particular la pregunta ¿Existe una raza más inteligente que el resto?, o la clonación de seres humanos, o más allá, la creación de híbridos entre humanos y otras especies.

Finalmente, al menos en lo que respecta a esta columna, tenemos los límites técnicos de la ciencia. Con esto me refiero a la falta de herramientas para testear ciertas ideas. Ejemplos claros de esta limitación provienen de escenarios extremos. En Cosmología, ciertas ideas sobre evolución del universo no pueden ser testeadas porque están fuera del alcance de cualquier experimento, por ejemplo la idea de multiverso. Esta idea básicamente propone que vivimos en un universo apto para la vida, no por algún designio de una creatura sobrenatural, sino porque existen millones de instancias de universos con leyes físicas que toman valores aleatorios. En algunas instancias por ejemplo la constante de gravitación universal es un poco más grande que el valor que posee en este universo, lo que genera que poco tiempo luego del Big Bang ese universo colapse (dado que las cosas allí se atraen entre sí con una fuerza un poco mayor), evitando generar vida como la conocemos.

Mientras que los límites epistemológicos del conocer (al menos en cuanto a la ciencia concierne) son más rígidos, los límites técnicos y morales cambian dado el contexto tecnológico y cultural.

 En base a las ideas expuestas, aparecen bastantes preguntas. ¿Tiene sentido proponer una ética basada en la ciencia, o estas se desarrollan en ámbitos independientes?, ¿Se contrapone la ciencia a la idea de un creador?, ¿Es capaz de desmentir la existencia de Dios?, ¿en que sentido?. En el ámbito de la ciencia y la ética hay quienes postulan que la existencia de tabúes científicos no es deseable, ya que todo ámbito debiese ser abierto a escrutinio y análisis, y siempre existirán científicos dispuestos de saltarse las normas implícitas con tal de hacer algo que les parezca vale la pena, aunque sea reñido con la ética imperante.
Es por esto que necesitamos una sociedad interesada en la ciencia y capaz de desarrollar pensamiento crítico, ya que es la sociedad quien impone las barreras éticas (en mi opinión, necesarias) donde se ha de desarrollar la actividad científica.

Usted estimado lector, ¿qué opina?.

* Epistemología es la rama de la filosofía que estudia el conocimiento, su naturaleza y su alcance. Se ocupa de estudiar como y hasta que punto el conocimiento puede ser adquirido. http://plato.stanford.edu/entries/epistemology/

Puro cielo

La exposición "Puro Cielo" de Explora Conicyt, está abierta al público hasta el 28 de febrero en el GAM. Hace un recorrido por las técnicas usadas por los astrónomos para estudiar el universo, con algunas explicaciones semi-interactivas. Un grupo de jóvenes está en la exhibición, ofreciendo un pequeño tour a través de la muestra. Fui hace un par de semanas y me pareció interesante, la gente que estaba ahí estaba muy entretenida aprendiendo sobre las ondas electromagnéticas, expansión del universo, planetas extrasolares y muchos otros temas.

Más informacion en el link:
http://www.conicyt.cl/explora/2014/01/30/noticias-del-universo-y-puro-cielo-en-el-gam/

Y de repente... Supernova!

El lugar y momento preciso

Ben Cooke, Tom Wright, Matthew Wilde y Guy Pollack son 4 estudiantes de pregrado de la University College London. El 21 de enero estaban en el observatorio docente de la universidad, guiados por el Dr. Steve Fossey. Era una noche nublada, pero había un pedazo de cielo que aún no estaba cerrado por las nubes, así que Fossey decidió apuntar ahí el telescopio de 0.35 metros de diámetro para dar una demostración de cómo usar la cámara CCD. Y ahí, mientras comían pizza y examinaban las imágenes que habían tomado, descubrieron un punto brillante en la galaxia M82 que no se conocía en imágenes anteriores. Habían encontrado a SN2014J, la supernova en la galaxia M82, conocida por ser una galaxia con alta formación estelar y “muy cercana”, a sólo 11.4 millones de años luz*. 

Y saltaron a la fama.

Animación con la aparición de la "nueva estrella".  El punto brillante que aparece cerca, marcado por las líneas blancas corresponde a SN 2014J.
(Fuente: UCL)

Super qué?

Las Supernovas (SNe) son la etapa final de la evolución estelar y consisten en explosiones muy energéticas. Hay dos tipos de SNe: el primero ocurre cuando una estrella de alta masa (al menos más masiva que 8 veces la masa del sol) ha agotado el combustible para las reacciones nucleares en su núcleo, por lo que se vuelve inestable y explota. El segundo corresponde a estrellas de baja masa, que no terminan su vida como SN sino como enanas blancas, y que están en sistemas de al menos dos estrellas, donde una de ellas le transfiere masa a la enana blanca. Esto produce que el núcleo de la enana blanca alcance una masa "crítica",  se “encienda” y explote. SN2014J corresponde a este último tipo, o en lenguaje más técnico, tipo Ia. La luz de las SNe viene del decaimiento de elementos radiactivos producidos en la explosión, por lo que el brillo irá decayendo en las semanas siguientes a la explosión.

Se han conocido muchos registros de explosiones de SNe que han sido observadas desde la Tierra a “ojo desnudo”. La más brillante ha sido SN 1006, (el número corresponde al año en la denominación oficial), registrada por varias culturas, notablemente la china, y de la cuál se determinó ser unas 10 veces más brillante que Venus. Otras SNe notables son: la SN1054, también registrada por muchas culturas de la cual su remanente es la famosa Nebulosa del Cangrejo; SN1987A, descubierta en Chile, fue visible en el hemisferio sur por algunas semanas. Esta SN es una de las mejores estudiadas ya que pertenece a la Nube Grande de Magallanes, una galaxia irregular que orbita nuestra propia Vía Láctea a una distancia de 168.000 años luz. SN2014 J representa una nueva oportunidad de estudiar estas magníficas explosiones en detalle.

La impresionante explosión de SN1987A (izq.) y el progenitor marcado con la flecha (der.)
Fuente: AAO

La famosa Nebulosa del Cangrejo, remanente de la SN1054. Aún no puedo imaginarme un cangrejo en esta nube.
(Fuente: APOD)

Las SNe tipo Ia tienen una importancia especial en astronomía, ya que, debido a que los progenitores tienen todos aproximadamente la misma masa, la explosiones tienen el mismo brillo, lo que las hace excelentes medidores de distancia**. Y a diferencia de las RR Lyrae, que son mucho más débiles, las SNe, al ser mucho más brillantes, pueden encontrarse en galaxias muy lejanas. Estudios de SNe tipo Ia distantes permitieron a los premios Nobel (2011) Brian Schmidt, Saul Perlmutter and Adam Riess a concluir que el universo se está expandiendo aceleradamente (más detalles de esto en una próxima columna). Otra importante característica de estos objetos es que durante la explosión, debido a procesos nucleares (conocido por nucleosíntesis), se producen varios elementos químicos. Por ejemplo, el fierro (Fe) del que está hecho tu escritorio, o tu silla en la que estás sentado en la terraza comiendo sandía, o que compone nuestra sangre provino de una de estas explosiones de SNe. 

El centro de atención

Desde el momento del descubrimiento, la comunidad astrónomica no ha perdido el tiempo y ha estado tomando imágenes de SN2014J en cualquier telescopio donde sea posible. Además, como M82 es una galaxia cercana y muy estudiada, imágenes de archivo ayudarán a determinar el progenitor de la explosión. También ha llamado la atención de astrónomos amateurs en el hemisferio norte, y muchas imágenes dan vuelta la internet. La SN no puede ser observada a simple vista, pero se espera que en su fase de máximo brillo, que ocurrirá por estos días, pueda ser observada con simples binoculares.

Sin duda,  este es un bonito ejemplo de cómo un poco de suerte y una rápida respuesta de la comunidad astronómica en el mundo nos permite explorar en detalle sucesos en escalas de tiempo humanas y desentrañar misterios estelares.

*En distancias astrónomicas, eso es a la vuelta de la esquina.

** En el caso de las SNe tipo II, esto no es tan simple ya que presentan un rango mucho mas amplio de brillo en su máximo y en su curva de luz

Tranquilo Nervioso

           
Si analizamos la frase “Más nervioso que cocodrilo en una fábrica de carteras” o vemos el siguiente video http://tinyurl.com/cdtrhnn, podemos encontrar algunos elementos en común. Entre ellos, la aparición de un cambio claro en la conducta del individuo frente a una perturbación externa. En el caso del cocodrilo su nerviosismo está plenamente justificado puesto que corre serio riesgo de dejar de existir. En el segundo caso (¡guatón, tómate un armonyl!), la reacción del oficinista parece  exagerada puesto que nada pone en peligro su integridad física de forma evidente. Aunque ambas reacciones aparecen en ambientes diferentes, corresponden a formas de una respuesta adaptativa conocida como estrés. En esta columna, explicaremos  el fenómeno del estrés y analizaremos su relación con la conducta del ser humano moderno.

            Para tener una idea más clara sobre el estrés necesitamos introducir el concepto de equilibrio interno u homeostasis. Cuando hablamos de equilibrio interno en un organismo nos referimos a que todos los elementos que lo componen  se mantienen funcionando de forma armónica y estable en el tiempo. Los seres vivos poseemos una infinidad de mecanismos que buscan restablecer nuestro equilibrio interno una vez que  lo perdemos. Por ejemplo, si posamos nuestro dedo sobre la pequeña llama de una vela comenzaremos a sentir un dolor que no es habitual  e instintivamente tendemos a retirar la mano del fuego para volver a nuestro punto de equilibrio, libre de dolor. Si fuera de otra manera, nuestra homeostasis o equilibrio corporal se vería severamente afectado por los efectos de una quemadura. De manera análoga, cuando un tigre se lanza a capturar a una cebra, ésta cambia todo su funcionamiento desde el reposo para correr como loca y salvar su vida (o conservar su homeostasis) Entonces podemos entender al estrés como todo evento de respuesta frente a una amenaza para nuestro equilibrio interno. Todas las especies  que conocemos han desarrollado mecanismos comunes de respuesta frente a amenazas que implican riesgo vital. Durante el curso histórico de las especies, estos mecanismos se puede gatillar en contextos diferentes y por motivos distintos.

Mecanismos fisiológicos del estrés

Muchos textos  resumen  el concepto de estrés  como una respuesta  del tipo “pelear o volar”, es decir, como una manera de prepararse para “pelear” frente a un potencial predador  o “volar” lejos  del peligro. Probablemente, esta conducta aparece en nuestra especie  en el contexto de la huida de predadores salvajes o una catástrofe inesperada .Generar este tipo de respuesta requiere una serie de cambios de nuestro organismo que nuestro sistema nervioso y de hormonas (endocrino) ayuda a orquestar rápidamente*. Las hormonas se definen como sustancias químicas que se liberan al torrente sanguíneo en muy  baja concentración y que, sin embargo, tienen un efecto potente en todo nuestro cuerpo. Tal es el caso del cortisol y adrenalina, las principales hormonas del estrés. El Cortisol es una molécula de tipo apolar esteroidal (similar al colesterol) que a diferencia de la adrenalina (polar), puede cruzar la membrana de la célula, llegar al núcleo y modificar la expresión de genes, generando cambios de mayor duración que la adrenalina.

Tanto el exceso de cortisol como de adrenalina tienen variados efectos negativos. El cortisol daña, en el largo plazo, neuronas de diferentes zonas cerebrales, por ejemplo, el hipocampo (necesario para la adquisición de memoria y orientación espacial). También produce daños en ciertas zonas de la corteza que producen una disminución en la capacidad de realizar planes y pensamientos lógicos.  Además, neuronas dopaminérgicas implicadas en los circuitos de placer y recompensa, se atrofian y traen como consecuencia poca motivación y dificultad para experimentar placer. Por si fuera poco, una de las pocas neuronas que el cortisol potencia o favorece en el largo plazo son las implicadas en el circuito de la angustia y miedo. Entonces, la persona estresada termina con dificultad para pensar y sentirse bien, pero con mucha facilidad de sentir pánico o angustia.

Estrés y cerebro,  la mirada de Robert Sapolsky

Es muy interesante notar que los seres humanos no necesitamos tener ningún predador o catástrofe cerca para sentir pánico y estresarnos. Bastaría caminar diariamente un par de cuadras pensando en todo lo malo que nos podría suceder en la vida para que terminemos bastante estresados, y si la conducta persiste, deprimidos. En teoría, mediante pensamientos tristes o de angustia podemos evocar los mismos efectos negativos que produciría un agente estresante “natural”  en la vida salvaje. Este sería un claro ejemplo donde el mundo de las ideas tiene una conexión concreta con el mundo físico, modificando nuestro cuerpo. Robert Sapolsky es un Neuroetólogo** norteamericano especializado en estrés, que intenta explicar este fenómeno desde una perspectiva muy interesante ***

            Para el problema anterior, Sapolsky cita un modelo de sistema nervioso propuesto por Paul MacLean en 1960 llamado “modelo de tres capas”. Éste postula que a lo largo de la historia del sistema nervioso en las especies es posible encontrar tres tipos de “cerebros” o “encéfalos” que se van superponiendo progresivamente, figura 1. El primero (más antiguo o conservado) llamado “cerebro tipo reptil” está encargado de mantener las funciones más automáticas y esenciales  de un organismo tales como la respiración, temperatura,  respuestas instintivas de dominación o agresión, entre otras. El segundo nivel corresponde al cerebro “límbico” o rinencéfalo, vinculado a las emociones y conductas con motivación, el cual permite conductas sociales más elaboradas y propias de los mamíferos. El tercer nivel del cerebro es la neocorteza que Sapolsky identifica como una especialización de los primates (animales similares a simios) que poseemos como humanos. Con este último nivel , en el cerebro surgen funciones como el pensamiento lógico y la imaginación. Lo importante es que estas tres partes del cerebro humano están conectadas funcional y anatómicamente por proyecciones neuronales recíprocas y se modifican entre sí. Por ejemplo, una emoción muy fuerte nos puede nublar el pensamiento y hacernos actuar de forma estúpida, pensando que la estamos “rompiendo”. Por otro lado, los procesos de pensamiento que aparecen gracias a la neocorteza pueden hacer que sintamos emociones fuertes. Esto podría explicar la capacidad de emocionar que tienen las palabras, por ejemplo, en un poema. Es así como ideas negativas pueden disparar la liberación de cortisol en la sangre, iniciando procesos físicos similares al estrés producido por un medio ambiente salvaje.

Figura 1. Modelo de las tres capas de cerebro propuesto por Paul MacLean. Se muestra un cerebro humano anatómicamente moderno donde se distinguen tres estructuras funcionalemente distintas : Cerebro reptil ( regulación de funciones corporales básicas), Cerebro límbico (respuestas emocionales) y Neocorteza (reflexión y pensamiento lógico). Todas estas estructuras están conectadas por neuronas que permiten un flujo de información en ambos sentidos, entre las distintas capas (flechas rojas).

Se sabe  que el estrés está fuertemente relacionado con  diversas patologías tales como hipertensión y  arterioesclerosis. Además, Virus oportunistas como el herpes Zóster, e incluso algunos tipos de cánceres pueden surgir de forma concomitante o posterior a un evento estresante o traumático. A nivel emocional, el estrés es un factor que antecede o facilita la aparición de trastornos del ánimo o cuadros depresivos. Como vemos, el efecto del estrés suele ser paradójico, pues genera un mecanismo de sobrevida en el corto plazo, que sin embargo producirá una serie de efectos negativos para el organismo en el largo plazo. Lo mejor es estresarse poco, lo justo y necesario.

* Bajo estrés, el  flujo sanguíneo a todos los órganos que no sean músculos grandes y cerebro se reduce fuertemente, el corazón comienza a bombear más fuerte y nuestros sentidos se agudizan para reaccionar mejor frente al peligro. Aumenta la degradación de grasas y músculos del cuerpo con el objetivo de producir más glucosa (azúcar, principal fuente de energía) para liberarla en la sangre.  Por otro lado,  la captación de glucosa desde muchos tipos de células disminuye  dado  que  se reduce el número de  transportadores (proteínas que hacen las veces de compuerta para que entre la glucosa desde la sangre) Esto permite re-dirigir las reservas energéticas hacia lugares de mayor demanda como son los músculos. Durante el estrés se interrumpe la irrigación sanguínea de los genitales, la liberación de hormonas sexuales y  el ciclo reproductivo femenino. Podemos ver que se privilegian las funciones que tienen que ver con el movimiento del cuerpo por sobre otras como las reproductivas. 

** Un neuroetólogo es una persona que estudia la conducta de los animales con una perspectiva histórica que establece comparaciones entre el sistema nervioso de diversas especies.

*** Clases de Robert Sapolsky en Standford (Inglés) http://tinyurl.com/lnk3jly

Computadores cuáticos, parte final.

 En tiempos de fin de año, comienzo del siguiente, aparecen las promesas de año nuevo, ese conjunto de objetivos que uno se propone alcanzar durante el año que recién comienza. Puede ser desde bajar de peso, leer más, viajar, o ser más feliz. Cualquiera que sean sus objetivos durante este año 2014, esperamos que los puedan cumplir.  Por nuestra parte, con la columna de hoy, y con ánimo de ir cerrando capítulos, terminamos la serie de artículos sobre computadores cuánticos.
 
En la primera columna de esta serie (puedes hacer click acá para acceder a ella) aprendimos que existen problemas de distinta dificultad, entre los cuales destacamos los problemas tipo NP que en palabras simples* son los problemas difíciles de solucionar, pero los cuales,  si por alguna razón un candidato a solución se encuentra, se puede verificar si ese candidato es o no solución de manera rápida.
En la segunda columna de esta serie, aprendimos un poco de como funciona la mecánica cuántica (accede a esa columna acá). Allí explicamos el
famoso experimento de las dos rendijas, donde los electrones se comportan como onda y como partícula.
Aunque las dos columnas anteriores son (espero) interesantes por si mismas, es obvio preguntarse: ¿están estos dos temas relacionados?.

Para empezar a entender como estos temas se conectan, volvamos al electrón.
El hecho de que el electrón se comporte como onda y partícula simultáneamente se conoce como la dualidad onda-partícula. Es bastante extraño que un objeto posea dos cualidades que son opuestas, de forma simultánea. Nadie anda por la vida siendo de la U y del Colo-Colo al mismo tiempo, o avanzando y retrocediendo simultáneamente. Sucede que el mundo cuántico es completamente diferente, y las cosas si pueden tener dos características opuestas, simultaneamente (como la dualidad onda particula). 

 Para entender mas patentemente esta idea extraña, miremos a otra característica del electrón, su espín. El espín del electrón es una propiedad interna, lo podemos imaginar como su color o su "forma". En particular los físicos asociamos el espín del electrón con un momentum angular intrínseco. Este espín esta caracterizado por la "dirección de giro*" de la partícula. Cuando medimos el espín de un electrón, producimos un colapso de la función de onda, y solo obtenemos dos resultados opuestos, o el espín apunta digamos al norte (N), o al sur (S). Antes de la medición, el espín se encuentra en una superposición de norte y sur. Luego de medir, obtenemos con cierta probabilidad p norte y con probabilidad 1-p sur. Esta característica del sistema es la que permite crear computadores mucho mas poderosos.

Recordemos como funcionan básicamente los computadores actuales. Dejando de lado la arquitectura y el software, a nivel fundamental los computadores actuales usan, para guardar y manipular la información, una serie de ceros y unos, que representan el estado de encendido/apagado. Un estado, o bit, posee dos configuraciones excluyentes, o esta encendido o esta apagado. No existe un bit medio encendido medio apagado. Por otro parte, si  usamos un sistema cuántico (por ejemplo el espín del electrón) para representar los estados de un computador, tendríamos un bit cuántico, qbit, que posee infinitas configuraciones posibles. Mientras que para caracterizar una secuencia de N bits necesitamos N valores, una secuencia de N qbits es caracterizada por 2 elevado a N configuraciones!.  Es este crecimiento exponencial el que hace la computación cuántica tan prometedora.

La idea es entonces construir un aparato que en vez de estar basado en bits, esté basado en qbits. Este sistema tendría la particularidad de que no debe ser medido en ningún momento durante un calculo, ya que una medición destruiría las características cuánticas (colapso de la función de onda, ¿recuerdan?). 

El computador cuántico sería capaz de, en un solo cómputo, calcular todas las posibilidades simultáneamente. Luego de que el cómputo ha finalizado, podemos medir el estado del sistema para obtener la respuesta.

Ahora, como recordarán, una medición en un sistema cuántico entrega distintos resultados con cierta probabilidad. Es aquí cuando el concepto de problemas tipo NP entra en juego. Luego de la medición, tenemos un candidato a respuesta, pero tenemos que verificar si es en realidad una respuesta correcta, dado que la medición pudo habernos entregado otro resultado que no tiene nada que ver con la respuesta que estamos buscando. Esta verificación se puede realizar con computadores convencionales para problemas tipo NP, que son difíciles de solucionar, pero fáciles de verificar dada una solución.

Existe un pero, eso si. Nosotros vivimos en un mundo clásico donde no existen estados opuestos a nivel macroscópico. Entonces el mundo clásico conspira contra estos estados cuánticos, provocando que estos estados pierdan su "cuanticidad". Eso se conoce como decoherencia. Por eso que es tan difícil construir un aparato macroscópico que mantenga sus características cuánticas sobre un número de sistemas y un tiempo suficiente para hacer cálculos.

Un computador cuántico requerirá trabajar a temperaturas muy bajas, donde las fluctuaciones térmicas están suprimidas y la decoherencia es mínima. Imagen The Economist

Pero la ciencia y la curiosidad humana no se detienen, y esperamos que esta poderosa idea avance y logre hacerse realidad.**

Se que esta columna puede ser un poco densa (revisamos 200 años de ideas!), por lo que cualquier pregunta, no duden en dejarla en los comentarios.

*En explicar estos conceptos, he preferido la simplicidad a la rigurosidad técnica.
** Existen algunas compañías que aseguran que ya han construido un computador cuántico. La más conocida de estas compañías se llama Dwave y ha vendido algunos de sus dispositivos a la Nasa y Google por ejemplo. Cuán cuánticos son estos computadores es algo que la comunidad científica no tiene claro, pero lo seguro es que aún no logran la escala necesaria para superar el poder de un computador clásico. Aunque al principio mucha gente veía con reticencia a esta compañía, dado su desprecio a la comunidad científica y secretismo respecto al hardware, un cambio en su política comunicacional y una apertura al testeo por parte de la comunidad, han empezado a cambiar esta situación.

Alimentos Genéticamente Modificados, ¿Esperanza o Desastre?

  Es verano!, temporada de cerezas, frambuesas, damascos, duraznos, plátanos y tomates. Esta temporada es genial para los que disfrutamos de las frutas,, luego en otoño e invierno la variedad de frutas disminuye sustancialmente, y nos vemos limitados y las naranjas y manzanas, pero no te preocupes aun tendrás plátanos y tomates!!..

La razón que en Chile tengamos estas frutas, y otras tantas más, disponibles en invierno (especialmente en los supermercados) se debe a que éstas en la mayoría de los casos son productos genéticamente modificados (GM). En el ultimo tiempo, con el aumento de este tipo de producto y la mayor información al respecto, se ha generado un fuerte debate acerca del uso y regulación de organismos GM, sus pros y contras. La discusión recién ha comenzado en Chile y está lejos de acabar, además la falta de evidencias científicas solidas y el conflicto de intereses existente han hecho difícil que la ciencia pueda verdaderamente aportar a esta discusión (1).

Esta columna no busca defender una posición en particular, pero sí introducir aspectos fundamentales del tema que permitan en una próxima columna discutir en mayor detalle las posiciones existentes.

Qué es un organismo genéticamente modificado (GM)?

Un organismo genéticamente modificado (sea éste un animal, una planta, semilla, fruto o verdura) es aquel cuyo ADN (ácido desoxirribonucleico) ha sido alterado intencionalmente por el ser humano. El ADN, como ya sabemos, es la molécula que contiene la información genética necesaria para el funcionamiento y desarrollo de todo organismo vivo. Esta molécula consiste en una serie de 4 unidades distintas (llamadas nucleótidos) que se conectan de manera específica para producir una estructura tridimensional comúnmente conocida como doble hélice (Figura 1). Estas 4 unidades actúan como letras del abecedario y la secuencia en la que éstas se encuentren determinará que genes se expresaran y que proteínas se producirán en cada célula, y por lo tanto, organismo. 

Figura 1: Un gen es un fragmento de ADN que codifica la secuencia de  una proteína. Cada set de  nucleótidos ( (A) Adenina, (T) Timina, (G) Guanina o (C) Citosina) determinará un aminoácido, la secuencia de aminoácidos proporcionada por el código dará lugar a una cadena de aminoácidos en particular (figura modificada desde http://www.pressenza.com/).

De forma natural los cambios en la secuencia del ADN involucran millones de años. En el laboratorio sin embargo esto se ha puede hacer mucho más rápido. El primer paso en la generación de un organismo GM en el laboratorio consiste en aislar  un gen desde otro organismo que presente alguna característica interesante, como por ejemplo, conferir a una planta mayor resistencia al frio o a la acción de pesticidas. Recordemos que  un gen es un segmento de ADN que contiene la información para sintetizar, entre otras cosas, una proteína en particular que determinará qué tipo de rasgos tendrá esa célula. Para la aislar el gen de interés, se utilizan enzimas (Proteínas especializadas en acelerar reacciones químicas) que permiten cortar el ADN  dentro de una secuencia específica de letras del código, estas se conocen como “enzimas de restricción” Existen cientos de enzimas de restricción y  cada una reconoce una secuencia en particular para el ADN, es sólo cosa de darse el tiempo de encontrar la combinación adecuada de enzimas para extraer lo que nos interesa de un organismo.  Por otro lado, si la secuencia de ADN que codifica dicho gen es conocida, también es posible sintetizarlo de forma artificial letra por letra (base por base). Una vez que el gen ha sido aislado (o extraído) es posible insertarlo  o introducirlo en el ADN  de otro organismo  a través de un proceso mediado por otras enzimas, como  las “ligasas” , las cuales unen fragmentos de ADN que antes estaban separados. Es así como en 20 años se han generado no sólo tomates GM (el primer alimento GM obtenido en 1994), sino también semillas, algodón y mascotas GM (Figura 2).

Figura 2: Desde 1994, con el primer alimento genéticamente, el numero de alimentos GM ha aumentado substancialmente. Además de salmón, papaya y plátanos (entre otros), hoy es posible obtener mascotas fluorescentes, por ejemplo peces fluorescentes que en el mercado se venden en colores "purpura galáctico", "verde eléctrico", entre otros (www.glofish.com).

Pros y Contras

El objetivo principal de la ingeniera genética es modificar  un organismo con diversos fines, ya sea haciéndolo más resistente al clima de la zona, a pesticidas o bien aumentando su poder nutritivo. La promesa de alimentos mejorados implica una serie de beneficios y riesgos, cuyos efectos no han sido aun cuantificados. Han pasado solo 3 décadas desde que los primeros estudios se llevaron a cabo y durante este tiempo aspectos positivos y negativos de esta tecnología se han evidenciado. Nuestro entendimiento esta lejos de ser completo y a continuación indico solo un ejemplo de cada uno:

Una de las contribuciones más importantes de la ingeniería genética ha sido en el área de la medicina. A través de esta tecnología ha sido posible la producción en masa de insulina. Las personas con diabetes no producen suficiente insulina y por lo tanto necesitan obtener esta de forma externa. es así como por muchos años estos pacientes sobrevivieron inyectándose insulina animal purificada. Actualmente es posible insertar los genes relacionados con la producción de insulina en determinadas bacterias, los cuales se expresan y permiten la obtención de este compuesto de forma artificial. Esto además tiene la ventaja de generar una insulina más compatible con el organismo que la obtenida de animales, puesto que a las bacterias se les inserta ADN con un código de un insulina humana. Un procedimiento similar ha sido utilizado para la obtención de hormonas, tal como follistim (para el tratamiento de infertilidad), vacunas y otras drogas (2).

Por otra parte, no de los aspectos más negativos y peligrosos (debido a su rápido aumento) es la disminución en la biodiversidad. La presencia de especies mejoradas ha conducido, ya sea de forma natural o forzada (por ejemplo, a través de las políticas regulatorias de la empresa Monsanto), a la predominancia de determinadas especies. Depender de una sola especie no es bueno, pues si esta se ve afectada por algún virus o microorganismo no existen otras variedades para reemplazarla. Eso pasó en el año 2004 en EEUU con el algodón. A finales de los 90' la mayoría de los granjeros estadounidenses habían adoptado algodón GM y con ello un tipo especial (menos tóxico) de herbicida (ambos vendidos por la empresa Monsanto). En el año 2004 se encontró a primera evidencia de resistencia a dicho herbicida, para el año 2011 esto se había extendido a varias zonas del país y a otros países (3). Los agricultores acostumbrados a variar cada año el tipo de químico utilizado y a arar la tierra para retrasar dicha resistencia habían seguido las tecnologías de punta y con ello en una temporada perdido completamente sus cultivos. En respuesta a esto Monsanto publicó un estudio donde se concluía que la rotación de la tierra y la variación de pesticidas no mejoraba la resistencia (el estudio fue criticado por algunos científicos).

La discusión recién ha comenzado (4) y esperamos poder continuarla aquí en el Tocino.

1-Nature (2013)  497, 5-6; doi:10.1038/497005b

2-http://phys.org/news/2012-12-algae-complex-anti-cancer-drug.html

3-Nature (2013)  497, 24-26 doi:10.1038/497024a

4-http://www.biobiochile.cl/2014/01/07/ley-monsanto-las-dudas-y-temores-que-rodean-el-polemico-proyecto.shtml