viernes, 27 de septiembre de 2013

Isaac Newton: hacedor de universos

No sé qué puedo parecer a los demás, pero me siento 
como un niño que juega a la orilla del mar, que se distrae
de vez en cuando al encontrar un caracol más bonito 
que los demás, mientras el gran océano de la verdad 
sin descubrir se extiende ante mis ojos.

Isaac Newton


Ya en el prefacio de los Principios Matemáticos de la Filosofia Natural, Halley decía, refiriéndose a Newton que "a nadie le fue concedido aproximarse tanto a los dioses".

En los trescientos años que nos separan de aquella publicación, los homenajes y las expresiones de asombro ante Newton y

su obra principal se han ido acumulan do desde el jocoso comentario de Hume, quien señaló que "no había cuerpos celestes cuyo movimiento Newton no hubiera explicado, con excepción del de las mujeres", el más solemne de Laplace, que calificó a los

Principios como "obra cumbre del pensamiento

humano", hasta la encendida admiración de Einstein en el artículo conme morativo del bicentenario de la muerte

del gran físico. Prodigioso, monumental, grandioso... no hay aumentativo que se haya dejado de aplicar... y en ningún caso puede considerarse una exageración. Los Principios de Newton inauguran de manera formal y orgánica la física moderna, resumen un siglo y medio de búsqueda y tanteo -en el que

hay que incluir figuras del calibre de Copérnico, Galileo,

Giordano Bruno, Tycho Brahe, Kepier, Descartes-, unifican de golpe toda la mecánica delmundo, establecen leyes que describen el movimiento de todos los cuerpos, fundan una metodología, derrumban para siempre la concepción aristotélica y fabrican un nuevo universo, limpio y va cío, donde las leyes de la física se cum plen con geométrica pulcritud.

Los siglos XVI y XVII presenciaron el derrumbe del sistema geocéntrico de Tolomeo y el lento y firme proceso de separación entre la física y la teología. En 1547, Copérnico ubica el Sol en el centro del sistema solar, y más tarde Kepler encuentra las leyes que rigen el movimiento planetario. Sus órbitas elípticas, de paso, introducen una cuña empírica -y conceptual- en la perfecta circularidad de los cielos, ya bastante maltrecho por los descubrimientos telescópicos de Galileo. Sobre la Tierra, este último sienta las bases de la mecánica, al encontrar -entre otras- la ley de la caída de los cuerpos y rozar el principio angular de la nueva física.

El principio de inercia destruía la clasificación tradicional entre movimientos "naturales" y "violentos", y la distinción entre el reposo y el movimiento uniforme y rectilíneo, quebrando el espinazo de la física aristotélica. Pero quebrar tina física no significa construir otra. Limpiar los cielos de esferas y epiciclos, demoliendo el cosmos tolemaico, no implicaba la construcción de un nuevo cosmos. Hacía falta fabricar un nuevo escenario donde pudieran desplegarse la física y la astronomía, un marco que sirviera de soporte al universo. Y ésta fue, precisamente, la obra de Newton.

No la única. Cualquiera de sus otros descubrimientos, sea en el terreno de la óptica, sea, especialmente, la creación -en forma independiente y contemporánea con Leibniz- del cálculo infinitesimal, le hubiera garantizado un lugar de honor en la historia de la ciencia. Su larga vida, en la que alcanzó la cima del prestigio científico y la presidencia de la Royal Society, ofrece facetas múltiples, algunas bastante extravagantes, como la dedicación y el tiempo que empleó en especulaciones alquímicas y teológicas tratando de fijar la fecha exacta del Diluvio Universal o del Segundo Advenimiento. Pero más allá de estas peripecias, es con la publicación en 1687 de los Principia Matematica Philosophia Naturalis (Principios Matemáticos (le la Filosofía Natural) con los que lleva a cabo una hazaña muy poco usual: fabricar un mundo completo.

Los Principia exponen la física como un conjunto de proposiciones, axiomas y definiciones, con riguroso estilo matemático. Ya en el primer libro enuncian la ley de inercia, la de proporcionalidad entre la fuerza y la aceleración, y el principio de acción y reacción. La primera había sido utilizada por Galileo y enunciada por Descartes; la segunda había sido empleada con éxito por Huygens. Pero es en los Principia donde se elevan a la categoría de cimientos, de leyes fundadoras de toda la mecánica y válidas para toda la materia. Con estas tres herramientas, Newton desarrolla la dinámica de la masa puntual demostrando, entre otras cosas, la ley kepleriana de las áreas como un teorema e, inversamente, demuestra también que un cuerpo que cumpla las leyes de Kepler se mueve según una fuerza central inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. En este primer libro, y en el segundo, establece sobre bases firmes la cinemática y la dinámica, como preludio al tercero, promisoriamente titulado Sistema del mundo matemáticamente tratado.

Y es allí donde enuncia su ley de Gravitación Universal. Dos cuerpos cualesquiera, en lugares cualesquiera, se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto (le sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Dos cuerpos cualesquiera, en dos lugares cualesquiera... es muy difícil transmitir la fuerza prodigiosa de esta síntesis. Dos cuerpos cualesquiera... La manzana que cae del árbol y la Luna que no cae, la gota de lluvia que se abre paso en la atmósfera y los satélites de Júpiter descubiertos por Galileo responden a la misma ley. La fuerza que nos mantiene a nosotros, los hombres, sujetos a la Tierra, mantiene los planetas en sus órbitas, es causa de las mareas y actúa, entre el Sol y las estrellas más lejanas, con matemático rigor. Las esferas celestes tolemaicas -y aun las copernicanas-, los torbellinos de Descartes, la separación entre cielos y Tierra, entre mundo sub y supralunar, desaparecían. Después de ciento cincuenta años de especulación, avances y retrocesos ("Si yo vi más lejos -dijo Newton- fue porque pude montarme sobre los hombros de tres gigantes: Copérnico, Galileo y Kepler") el mundo estaba explicado.

Pero, en realidad, el mundo no estaba solamente explicado. En verdad, el mundo había sido reconstruido, se había fabricado un escenario nuevo. Porque, ¿dónde ocurrían todas estas cosas? ¿En qué lugar se cumplen las leves d¿ la física? ¿Y cuándo? El cosmos aristotélico era un lugar cerrado por la esfera exterior de las estrellas fijas, fuera de la cual no había nada, y dentro de la cual el espacio estaba rigurosamente jerarquizado: espacio perfecto y supralunar, espacio imperfecto y mudable sublunar, donde cada cuerpo se movía según un sistema de lugares Previamente asignados, y donde no existía el vacío. Cuando Copérnico alteró la visión geocéntrica, mantuvo las esferas y la finitud del universo -o por lo menos no se metió mucho con ellas. Kepler argumentó en favor de la finitud del cosmos y la existencia de la esfera de las estrellas fijas. Galileo no incursionó demasiado profundamente en el problema de la unicidad del mundo. En el año 1600, Giordano Bruno había sido quemado -entre otras cosas- por postular un espacio infinito, con infinidad de sistemas solares, y en el que todos los lugares eran equivalentes, uniformemente llenos de materia sutil. El sistema de Descartes es, probablemente, el t)rimero que presupone un espacio indeterminado, -también lleno -Descartes afirma la imposibilidad lógica de la existencia del vacío- de materia sutil, cuyos torbellinos aportaban la cantidad de movimiento constante para el funcionamiento del mundo. Indeterminado, no infinito,palabra que reserva solo para Dios.

¿Y el sistema de Newton? ¿Dónde y cuando ocurre? En el marco del espacio absoluto y vacío, sobre el que fluye el tiempo, uniforme y matemático. Es el espacio y tiempo de Euclides, el mundo de la geometría, donde los cuerpos interactúan según leyes deducidas matemáticamente de algunos principios generalizados por inducción. No hay lugares ni momentos privilegiados -el espacio se extiende infinitamente hacia todos los lados, y en el tiempo, hacia atrás y hacia el futuro-. Esta geometrización no es una simple especulación, sino que es necesaria para que las leyes que descubren los Principia puedan funcionar -están implícitos en ellas-. Si un móvil sobre el que no actúa ninguna fuerza se mueve siempre sobre una línea recta, debe encontrar siempre regiones donde moverse. Si el sistema estelar no colapsa sobre sí mismo por acción de la gravedad, siempre, y a toda distancia, se deberán encontrar estrellas, en número infinito, entre las que la fuerza de gravitación actúa en forma instantánea y a distancia, a través del espacio vacío. Y si se quiere encontrar que los fenómenos cumplan las leyes y propiedades deducidos geométricamente, el espaciotiempo debe también ser geométrco, euclidiano, plano, infinito y único. El espacio de Newton es un espacio profano, sin lugares distintos o especiales y sin jerarquías sacralizadoras: es un espacio laico, sin lugar para los ángeles. Es el escenario ideal para que actúen los científicos del Iluminismo, es el mejor sitio imaginable para creer en la razón.

Notablemente, Newton no compartía para nada esta postura más bien volteriana. Muy por el contrario, tanto él como los teólogos ingleses Bentley, Harris, Clarke y Derharn creyeron ver en los Principia una base perfecta para la fundación de una teogonía natural de cuño newtoniano y una imagen del mundo donde la Providencia estaba presente según las exigencias del anglicanismo latitudinario. Incluso pensaban que el sistema newtoniano evitaba el mecanicismo y el ateísmo supuestamente implícitos en el sistema cartesiano, defectos que se agregaban al no despreciable de ser falso. Newton mismo contribuyó activamente a sustentar esta postura y en sus últimos años llegó casi a identificar a Dios con el espacio absoluto, algo así como un éter invisible y omnipresente, cuya divina y continua intervención permitía el funcionamiento de las leyes físicas y la acción a distancia de la gravitación universal.

Buena parte de estas cuestiones ocuparon la polémica siguiente a la aparición de los Principia. La mecánica newtoniana, aunque rápidamente aceptada en Inglaterra, encontró más resistencias en Europa, donde debió luchar con paciencia kuhniana contra los torbellinos y la física del plenum de Descartes. Voltaire, newtoniano acérrimo, comentaba risueñamente:


"Un francés que llega a Londres encuentra las cosas muy cambiadas en filosofía, como en todo lo demás. Ha dejado el mundo lleno: se lo encuentra vacío. En París se ve el mundo compuesto de torbellinos de materia sutil; en Londres no se ve nada de eso..."

El problema de la fuerza de atracción y su acción a distancia no fue el menor de los escollos, y la polémica entre Newton y Leibniz sobre la prioridad en el descubrimiento del cálculo infinitesimal erizó y emponzoñó la resistencia. Sin embargo, a mediados del siglo XVIII, el nuevo sistema del mundo estaba firmemente asentado, y aun los cartesianos más recalcitrantes se batían en retirada. La predicción del regreso del cometa Halley aportó una prueba formidable y Newton, y la física de Newton, se convirtieron en el paradigma de la física y de toda ciencia. No hubo disciplina que no aspirara al rigor newtoniano.

Lo interesante es que el sistema de Newton logró un triunfo cartesiano y se asentó como un sistema puramente mecánico, libre de las desafortunadas especulaciones de su propio autor sobre la intervención de la Providencia para garantizar a cada instante el cumplimento de la Ley de Gravitación Universal. El espacio absoluto, infinito, vacío, profano, geométrico y euclideano de Newton, sobre el que fluye el tiempo continuo y matemático, se impuso como visión del cosmos... y así se quedaría durante más de dos siglos, hasta que las poderosas manos de Einstein lo curvaron, sometiéndolo al rigor de nuevas geometrías.

El problema -perturbador, por cierto- de la acción a distancia fue discretamente obviado y la naturaleza de la fuerza de atracción sobre la que Newton afirmó al principio "que él no forjaba hipótesis" y que la trataba como una fuerza matemática, fue asimilada como una propiedad más en la materia sobre la que, precisamente, no se hacían hipótesis. El problema quedó pendiente y otra vez hubo que esperar hasta 1915, cuando Einstein, al enunciar su Teoría General de la Relatividad, rehizo -una vez más- el cosmos.

miércoles, 25 de septiembre de 2013

Vórtices y superconductores

 DIALOGO CON GABRIELA PASQUINI, DOCTORA EN FISICA, FCEN, UBA



El Jinete Hipotético recuerda cuando los superconductores cobraron visibilidad y su desarrollo prometía conseguir superconducción a temperatura ambiente. Eso no sucedió, pero hoy se usan industrialmente y sigue siendo un tema de interés.


–Usted se dedica a algo relacionado con las bajas temperaturas.
–En realidad, más o menos. Trabajo en un laboratorio que tiene un nombre histórico, el Laboratorio de Bajas Temperaturas, pero no me dedico específicamente a eso. Acá lo que tenemos es la posibilidad de licuar líquidos criogénicos y usarlos como una especie de heladera para hacer diversos experimentos.
–¿Qué son los líquidos criogénicos? –Nitrógeno, fundamentalmente. Lo sacamos del aire, se licua a 200 grados bajo cero (que son 77 grados Kelvin). Es un procedimiento bastante sencillo, si bien las máquinas son sofisticadas. En el caso del helio, que se extrae de pozos petrolíferos, el procedimiento es mucho más costoso (en términos económicos). Todos los equipos que trabajan con helio tienen un sistema de recuperación, de modo que se pierda lo menos posible.
–¿A qué temperatura licua el helio? –Cuatro grados Kelvin, 270 grados bajo cero. La mayoría de los experimentos los hacemos con helio líquido. La cuestión es que no investigamos el tema de las bajas temperaturas, sino que lo usamos para hacer investigaciones propias. Cuando se enfrían los materiales, podemos ver ciertas cuestiones.
–A ver... –En general, las fluctuaciones térmicas lo que hacen es mover mucho las cosas y desordenarlas. Cuando se enfría mucho, aparecen otras interacciones que empiezan a preponderar y se hacen interesantes para estudiar. La superconductividad o la magnetorresistencia son algunas de las cosas que nosotros investigamos y que aparecen cuando los materiales se enfrían.
–Cuénteme un poco de eso. –Nosotros estudiamos, específicamente, materiales superconductores. Y más específicamente, los vórtices de los superconductores.
–¿Qué es eso? –Cuando la gente oye hablar de superconductividad sabe que son materiales que pueden transportar corriente sin disipar. Pero los materiales superconductores tienen otras propiedades bastante interesantes: cuando uno los pone en un campo magnético, el campo penetra en este material. Y lo que penetra, penetra cuantizado: lugares donde hay campo y lugares donde no hay. Y de esos lugares hay justo una cantidad de campo que es un flujo de cuanto magnético, que es una cantidad cuántica. Entra un “pedacito” de campo magnético en un lugar, otro al lado, otro al lado, y así sucesivamente. Y esos flujos de campo magnético están rodeados por corrientes que los apantallan, y por eso se llaman vórtices.
–Descartes estaría encantado. –Seguramente. Si uno lo mira en escala nanométrica, se da cuenta de que el campo magnético no es uniforme, sino que “pincha” el material en un montón de lugares. Nosotros lo que estudiamos es cómo se mueven estos vórtices, estas corrientes, que determinan todas las propiedades de estos materiales, tanto las magnéticas como las que hacen a la superconductividad. Dependiendo de lo que pase con estos vórtices, el material disipa y deja de ser superconductor. Entonces a estos vórtices hay que agarrarlos y atraparlos en el material. Como le dije, dependiendo de todo lo que les pase a estos vórtices resulta cómo se comportan estos materiales, si el superconductor sirve o no sirve.
–La superconductividad tuvo un pico de interés hace muchos años... ¿y ahora? –Hace años se pudo encontrar superconductores a temperaturas que se obtienen con nitrógeno líquido. Hasta ese momento había que licuar helio para poder trabajar con superconductores.
–En ese momento se empezó a sospechar que se iba a poder obtener superconducción a temperatura ambiente. –Cosa que no sucedió. A los fines prácticos, que un superconductor esté 20 grados por encima del nitrógeno líquido no significa demasiado. No se llegó a temperaturas que ni siquiera se acerquen a lo que sería trabajar con superconductividad a temperatura ambiente. De todas maneras, superconductores de “alta temperatura” se usan industrialmente ahora: tienen un tubito adentro donde se refrigera el material...
–¿Por qué la baja temperatura produce superconducción? –No es que produzca superconducción: hay algunas interacciones que la temperatura borra y hace que dejen de preponderar. Cuando las mutaciones térmicas dejan de ser tan importantes, emergen estas nuevas características de los materiales. Y no pasa sólo con la superconductividad. Los materiales tienen generalmente un estado fundamental, que es el estado en el que energéticamente “les gusta” estar. A estos materiales “les gusta” ser superconductores. Cuando están a temperaturas muy altas no están en el estado fundamental, y lo mismo ocurre a temperaturas muy bajas. Al material le “gusta” ser superconductor por debajo de una temperatura que se llama “temperatura crítica”. Hay dos tipos de superconductores.
–¿Cuáles? –Los de tipo I son los primeros que se descubrieron, en 1914. Esos son metales bastante más sencillos; cuando se vuelven superconductores expulsan el campo magnético, mientras en el estado superconductor no disipan. Pero en esos materiales se rompe muy fácil la superconductividad. En campos magnéticos muy chicos, ya se sale del estado superconductor. No son muy útiles: se usan a temperaturas muy bajas y tienen campos críticos muy bajos. Después aparecieron aleaciones metálicas, los superconductores de tipo II, que tienen temperaturas críticas más altas (14 grados Kelvin, 20 grados Kelvin). Estos son los materiales en los cuales entran esos vórtices. Y lo mismo pasa con los superconductores de alta temperatura: no son superconductores que expulsan todo el campo magnético, sino que dejan entrar el campo cuantizado en forma de vórtice.
–¿Por qué son superconductores? –Porque efectivamente los electrones en los superconductores se aparean y forman pares de Cooper que no interactúan con los demás y se mueven sin disipación. El tema es que a estos materiales, los superconductores de tipo II (que son los que tienen los vórtices), les gusta formar superficies entre el material superconductor y el material que no es superconductor. Energéticamente, le conviene formar estos vórtices. La cantidad de vórtices depende de muchas cosas. Estos vórtices, que no son otra cosa que corrientes, interactúan entre ellos y forman una especie de red (esto se ve en fotos). Esto, si no hay defectos; si hay defectos, se tiende a desordenar la red de vórtices (que quieren estar lo más ordenados posibles). Estos vórtices, si hay mucha temperatura, pueden llegar a formar una especie de líquido, en el sentido que se mueven y es como si fueran moléculas de un líquido, o pueden formar una red ordenada (que sería como un sólido de vórtice), o pueden formar un vidrio de vórtice. Estas son las cosas que nosotros estudiamos.
–¿Y usted qué es lo que quiere averiguar? –Nosotros estudiamos qué pasa con estas fases de vórtices: que un vidrio se vuelve un sólido, o que un vidrio se vuelva un líquido, etc. Dependiendo de cómo esté el vórtice, cómo se va a mover y la respuesta que vamos a ver. Nosotros tratamos de entender qué les pasa a estos vórtices, y nos interesa por varios motivos. De por sí, hay algo que tiene que ver con la aplicación: si los vórtices se mueven y disipan, el material no sirve. Si se quedan quietos, el material será un buen superconductor. Eso, si bien no es lo que estudiamos nosotros, es relevante: la humanidad está interesada en entender bien el sistema porque es muy útil. Pero a nosotros nos interesa porque estos sistemas son análogos a otros sistemas: no-sotros podemos cambiar la cantidad de vórtices aumentando o disminuyendo el campo magnético; podemos hacer un montón de cosas con este sistema que no es tan fácil con otros sistemas. Y muchas de las cosas que encontramos para éste son aplicables para otros. Como éste es un sistema fácil de manipular, resulta muy productivo.

miércoles, 18 de septiembre de 2013

A vueltas con la salmonella

 DIALOGO CON PABLO CHACANA, DOCTOR EN CIENCIAS VETERINARIAS, INTA


Aunque se conocen en detalle la biología y la epidemiología de la salmonella, los brotes siguen siendo un problema para la salud mundial. No se trata sólo de un problema con la bacteria, sino del manejo de las producciones avícolas y su control.


–Cuénteme qué es lo que hace.
–Desde hace doce años trabajo en el INTA, siempre en temas relacionados con la agricultura y la producción de algunos desarrollos tecnológicos.
–¿Y más particularmente?
–Me dedico a la salmonella. Básicamente, a dos cosas con la salmonelosis. Por un lado, desarrollo modelos de inspección experimental de aves con salmonella, y el objetivo de eso es poder probar productos para el control de la bacteria que desarrollamos en el INTA. Además, trabajo con el desarrollo de anticuerpos de yema de huevo, que es una tecnología que incorporamos en el INTA hace diez años.
–Hablemos, primero, de la salmonella y su peligrosidad.
–La salmonella es una bacteria que, en general, cuando ocurren brotes en la población, tiene que ver con productos de origen aviar. Esto ocurre porque la salmonella es una bacteria que habitualmente se encuentra distribuida entre las aves; hay inspecciones que no la detectan fácilmente. Todos los productos que vienen de las aves, entonces, tienen el riesgo de contener salmonella. En los seres humanos, esta salmonella provoca diarreas (siempre por intoxicación alimentaria) y en general los grupos de mayor riesgo, donde se pueden generar trastornos más allá de las diarreas, son los niños, los ancianos y los inmunocomprometidos. El control de esto se debe realizar, básicamente, desde la producción. Alimentos más sanos se logran controlando a la población de animales. Hay toda una cadena en la cual si uno controla el problema en las aves va a lograr controlar o disminuir las intoxicaciones en seres humanos.
–La salmonella es un peligro para los alimentos caseros...
–Depende. Generalmente la salmonella se transmite a través de la carne de pollo o de huevos. Los grandes brotes de salmonelosis tienen que ver, por ejemplo, con las mayonesas caseras. Por eso cuando hay brotes de salmonella es mucha gente la que se intoxica, y esto tiene que ver con la preparación de algunos alimentos a partir de huevo crudo. Si bien, como le decía, existe posibilidad de transmitir salmonella a través de la carne del pollo, eso no sucede porque la salmonella es una bacteria que muere rápidamente con la cocción. Y son pocos los que consumen carne de pollo “jugosa”, a diferencia de lo que pasa con la carne de res. Pero los huevos crudos sí suelen transmitir salmonella, porque sí se suelen utilizar no cocidos.
–¿Y por qué ocurre tanto en las fiestas?
–Bueno, la probabilidad de que un huevo tenga salmonella es baja, pero cuando hay un huevo contaminado que se mezcla con todo el resto, rápidamente el alimento se contamina porque la bacteria se reproduce muy rápido. Por eso generalmente estos brotes en seres humanos están relacionados con grandes eventos.
–¿Pero las mayonesas se hacen a mano?
–Si se compran hechas, los procesos industriales y los aditivos matan la bacteria. Si uno compra en el supermercado, no hay ningún problema, no está contaminada. Esto ocurre con las mayonesas caseras. Otra fuente importante de contaminación son los huevos caseros, esos tan lindos. Porque cuando uno compra huevos que no vienen de la industria, no cuenta con el control de las aves que sí vienen de la industria. De modo que la probabilidad de que los huevos “de campo” estén contaminados es mayor que la posibilidad de que los huevos industriales lo estén.
–¿Qué hace falta para que un huevo tenga salmonella?
–La gallina tiene que tener salmonella. El control para que eso no ocurra es, justamente, controlar a la población aviar, a través de vacunaciones, programas alimentarios y diferentes manejos que se hacen en la avicultura industrial. Una vez que el huevo ya existe, se debe analizar si tiene o no salmonella, y eso se hace con diagnósticos de laboratorio. Se hace un muestreo y lo que se busca es tratar de aislar la materia y determinar si la bacteria está o no presente. Es un análisis bromatológico.
–O sea que la famosa “agricultura orgánica” es mucho más peligrosa que la industrial.
–No sé si la palabra es “peligrosa”, pero sí es cierto que muchas veces la forma de producción orgánica puede tener más riesgos. Riesgos que obviamente se pueden evitar si uno hace el tratamiento con vacunas y los análisis bromatológicos adecuados. No es que esté mal producir de manera orgánica, de hecho es bueno, pero tiene que haber algunas pautas de control.
–¿Por qué es bueno?
–Es bueno porque creo que les agrega valor a muchas producciones y puede abrir mercados nuevos para la Argentina que tienen su valor agregado. Pero esto tiene que estar acompañado por medidas sanitarias, si no sí se torna peligroso. Las gallinas tienen que ser controladas sanitariamente con vacunas. Creo que la industrial y la orgánica son dos formas de producir, cada una con sus ventajas y desventajas, pero lo importante es siempre que esos alimentos sean seguros para la población. Particularmente, en el caso de esta bacteria. Otro problema relacionado con esta bacteria, ya no en el tema salud estrictamente, sino con el comercio internacional, es que existen ordenanzas y legislaciones (particularmente en la Unión Europea) que exigen que los productos que se exporten de origen aviar tienen que estar libres de salmonella. Cuando uno quiere exportar a la Unión Europea, esos productos tienen que estar libres de salmonella, de modo que su presencia puede ser una barrera para la exportación. Cuando uno habla de la producción animal, hay tres problemas que aparecen vinculados: uno es la enfermedad veterinaria, que los animales se enfermen con la bacteria (en cuyo caso es un problema de salud animal); el otro es que la bacteria sea zoonótica...
–¿Zoonótica?
–Sí. Son los microorganismos que pueden pasar de los animales al hombre, como la salmonella. Y el tercer problema tiene que ver con la posibilidad de barreras arancelarias para el comercio internacional. En el caso de la salmonella, los tres problemas se conjugan: es un problema veterinario, es un problema de salud pública y es un problema en el comercio internacional.
–¿Y qué hace usted con la bacteria?
–Se hacen varias cosas. Por un lado, en el diagnóstico, tenemos laboratorios donde se puede detectar la bacteria en los alimentos o analizar si las aves están o no contaminadas. Por otro lado, desarrollamos conocimiento de cómo esa bacteria infecta a las aves. Desarrollamos modelos de infección experimental, particularmente en Castelar, en el centro de investigación de ciencias veterinarias y agronómicas al que yo pertenezco. Ahí tenemos aves de experimentación a las cuales inyectamos con salmonella para desarrollar la tercera cosa que hacemos, que son productos para controlar la bacteria en las aves y poder transferir eso a la industria.
–Da la sensación de que la bacteria de la salmonella debería ser, ya, un problema cerrado.
–Es totalmente cierto eso. Pero, por ejemplo, cuando la OMS lanza los rankings de las enfermedades que están en la mira, siempre aparece la salmonella. A pesar de que no es una bacteria que cause muerte en los seres humanos. Ahora: si bien se conoce mucho de la biología de la salmonella, incluso de la epidemiología y de la patogenia, la realidad es que tenemos que pensar que no es un problema de la bacteria en sí, sino del manejo de las producciones. Un ejemplo clásico es éste: cuando aparece el brote, lo que se suele hacer es que a las aves se las trata con antibióticos. Ahora, desde hace unos años, lo que ocurre es que las bacterias han generado resistencia a los antibióticos. Y eso ocurre porque muchas veces se usa el antibiótico no para curar sino para prevenir. La medicación irracional genera, justamente, bacterias resistentes. Frente a eso es necesario el constante desarrollo de productos para controlar esas bacterias, por más que uno conozca las bacterias y sepa dónde están. Hay muchos factores que intervienen que no tienen que ver con el conocimiento, simplemente, sino con aplicaciones, con usos, con legislaciones. Y a eso hay que ir adaptándose permanentemente.

jueves, 12 de septiembre de 2013

Las acuaporinas: viaje al interior de la célula

DIALOGO CON KARINA ALLEVA, BIOQUIMICA, FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUIMICA, INVESTIGADORA ADJUNTA DEL CONICET

Para atravesar la membrana plasmática navegando en su barco hipotético, el Jinete ingresa en el canal de una acuaporina, esas proteínas que permiten el traspaso de agua y otras sustancias. La complejidad de una célula le resulta increíble.

–Esta es una página que, como sabe, sale hace varios años e intenta mostrar lo que hacen los científicos de todo el país. Yo soy un Jinete hipotético que va cabalgando y averiguando cosas y ahora quiero saber qué es lo que hace usted.
–A ver...
–Cuéntemelo como si estuviera en un café. –¿En el ámbito de la investigación científica, verdad? Porque en la universidad hacemos cuestiones con docencia...
–En su investigación, sí. –Bueno, mi objeto de investigación son las acuaporinas.
–¿Qué son? –Proteínas que están en las membranas, de un lado y del otro (atraviesan la membrana) y tienen un poro por donde pasan agua o solutos. Originalmente se las nombra acuaporinas porque fueron el punto cúlmine de una búsqueda que llevaron a cabo en los ’70 muchos biofísicos que estaban convencidos de que el agua no pasaba solamente a través de las membranas lipídicas, sino que pasaba a través de una proteína.
–Me traen un café, veo. Acá sí que se hace ciencia en serio. El café es esencial para el desarrollo científico. –Yo soy más de tomar mate. El mate también es esencial.
–De acuerdo... –Le decía, entonces, que había un gran proceso de investigación en torno del tema. Era demasiado el caudal de agua como para que solamente estuviera pasando por las membranas lipídicas. Cuando se encontró el canal responsable, el descubridor se llevó el Premio Nobel. Con el tiempo se descubrió que no era un canal exclusivamente de agua, sino que muchas acuaporinas dejan pasar otras cosas. Pero todavía mantienen ese nombre.
–¿Y qué estudian? –Lo que yo estudio tiene que ver con las relaciones estructura-función. Dentro de las acuaporinas hay varias subfamilias. Nosotros estudiamos unas que se llaman PMIP (plasma membran intrinsec proteins), que son acuaporinas que se ubican en la membrana plasmática de las plantas.
–Que es... –La membrana más externa de la célula. Porque hay otras que son intracelulares, que están en las membranas de adentro. Nosotros estudiamos las PMIP, y particularmente estudiamos cómo interaccionan, porque tienen algo particular estos canales.
–Cuénteme. –Si bien cada acuaporina tiene un poro por el que pasa el agua, aparentemente en la membrana siempre están de a cuatro, son tetrámeros. Hay siempre, siempre, cuatro. Algo particular que pasa entonces en plantas es que, según indican algunas evidencias experimentales, este tetrámero puede estar formado por distintos tipos de PMIPs. Entonces lo que nosotros estudiamos es qué pasa cuando una célula recibe dos de estas acuaporinas juntas.
–¿Cómo cuando recibe dos acuaporinas? ¿Dónde se fabrican las acuaporinas? –Como toda proteína, están codificadas en el núcleo. Luego de todo el proceso ya conocido, viajan a la membrana plasmática. Nosotros lo que hacemos es sacarlas de su sistema natural (no las estudiamos en plantas) y tomamos un sistema heterólogo (los ovocitos de xenopus) y le inyectamos el ARN.
–¿Qué son los ovocitos de xenopus? –Los óvulos del xenopus laevis, un anfibio que tiene unos óvulos que permiten que uno le inyecte el ARN mensajero de cualquier proteína y lo expresa como si fuera suyo. No reconoce que son exógenos. Lo que hacemos es sacar el ARN de la planta y transformarlo en ADN codificante, y el ARN que le damos al ovocito lo sintetizamos in vitro. Nosotros lo que le inyectamos es un ARN que fabricamos en el laboratorio, copiado de un ADN que a su vez se copió del ARN de la planta. Pero básicamente el ARN es el de la planta y se lo damos al ovocito, que fabrica la proteína. Eso nos permite hacer algunas mediciones funcionales y caracterizar funcionalmente la proteína (cuánta agua transporta, qué sensibilidad al PH tiene). Lo que hacemos, en los últimos años, es inyectarle al ovocito dos tipos de ARN que codifican para dos acuaporinas diferentes. Vemos luego la respuesta funcional y vemos que esa respuesta funcional es distinta de la que veríamos si las dos acuaporinas funcionaran por separado y la respuesta fuera la suma. Aparecen cosas nuevas.
–¿Por ejemplo? –Una sensibilidad a PH distinta; un transporte de agua muchísimo más alto. Después, por ejemplo, una de las acuaporinas que inyectamos es una acuaporina de tipo PMIP 1 que, si está sola, no llega a la membrana plasmática, se queda en el retículo endoplasmático, una organela. En presencia de la PMIP 2, por el contrario, las dos van juntas a la membrana. Nosotros, entonces, estudiamos funcionalmente el resultado de esa interacción, por microscopía de fluorescencia...
–¿Se ven en un microscopio las acuaporinas? –Nosotros lo que hacemos es adosarlas a una proteína fluorescente y luego lo que buscamos en el microscopio (con focal) es la proteína con fluorescencia. Es un microscopio particular.
–¿Y en microscopio electrónico se ven las proteínas? Supongo que sí... –Sí, pero no las podríamos reconocer. Nosotros tenemos que poder marcarlas y seguirlas dentro de las células. No podríamos saber, si no, que es la acuaporina específica que estamos buscando.
–¿Cómo es una acuaporina? Si me encuentro por la calle con una acuaporina, ¿qué vería? –Es linda, pero no se puede hacer mucho el canchero: andan de a cuatro juntas (es un tetrámero). Son muy parecidas entre sí. Es una proteína bastante pequeña, tiene vasos transmembrana (que pasan la membrana, salen, entran, salen, como un hilo) y los dos extremos (N y C terminal) quedan para el lado de adentro de la célula en el citoplasma. Entre esos seis vasos transmembrana se conforma el poro, por el que se supone que pasan las moléculas.
–¿Qué quiere decir que se arma el poro? –Dejan un hueco, literalmente. Imagínese que tiene un cable al que pliega seis veces, de tal manera que le quede una conformación cilíndrica en la que, en el medio, no haya nada. Bueno, tiene una imagen bastante cercana de cómo funciona la acuaporina. Eso queda insertado en la membrana, de modo que es un poro por el que pasan las moléculas de agua. Lo que nosotros sabemos para las acuaporinas de plantas con las que trabajamos es que en función del PH ese poro se puede abrir o cerrar. Si el PH es muy ácido, ocurre un cambio conformacional para que el poro quede cerrado; si el PH es más alcalino, hay otro cambio de la estructura de la proteína y se abre el poro. En función del PH, entonces, aun cuando exista la fuerza impulsora para el transporte de agua (porque no hay que olvidarse de que la proteína deja pasar agua cuando hay un gradiente osmótico, es decir, cuando hay una diferencia en la concentración de solutos de un lado a otro de la membrana plasmática) todo depende de si la acuaporina está abierta o cerrada.

martes, 10 de septiembre de 2013

Materia y energía



Verás árboles y estrellas, verás el vidrio blanquísimo
verás a las hormigas caminando hacia la nada.
Verás el espejismo que de pronto
desaparece
y el lento marchitarse de la tarde
y la aurora feliz, y el viento norte
que reseca la piel.
Todo verás: el trigo, y los planetas,
el átomo sencillo y seguro de sí mismo.
y el vacío que ocupa el universo.
Verás la apariencia y la forma
y el rayo y la voz y la tintura
que cambia los colores.
Y te dirás : ¿qué es lo que hay?
¿qué es lo que existe verdaderamente?
Paisaje, de Enrique de Ramés.

Primero vino el fuego, el árbol que ardía,
la floresta incendiada que aquellos hombres monos mirarían pasmados. Luego la quemadura y el grito. Lo llevaron los barcos, y hubo ciudades incendiadas y enseguida el grito de las mujeres que eran violadas y arrastradas a las naves: así los aqueos arrasaron Troya, dejando detrás de ellos la Ilíada y un nombre sin ojos y sin cuerpo : Homero.


- Incendio en Malibú.

Después vino el vapor, moviendo máquinas,
y escapándose por altas chimeneas enceradas.
El vapor no cuenta historias: sólo un silbido
sólo la fuerza que mueve el pistón, o el agudo
grito chirriante que anuncia el comenzar de una jornada.

- Incendio en Malibú.

Primero vino el fuego, la chispa bienhechora
que garantizó la comida, la defensa y la cerámica.
Primero vino el fuego, y en su entorno
se tejieron leyendas.
El fuego fue domesticado, y encerrado,
en calderas y aparatos. Invisible.
Siguió latiendo.

¿Dónde hay fuego?


¿Dónde hay fuego
en el cemento, en la ciudad, en los suburbios
donde anida el desamparo?
¿Qué se hizo de ese fuego ancestral, de los fogones
que encendió algún dios olvidadizo?
¿Dónde hay fuego?

Pero un día sopló el viento del desierto y esa chispa
que inadvertidamente prendiste, aquel mísero resto
del cigarrillo que abandonaste a su suerte,
la curiosa sensación de calor, que deseaste,
el anhelo ancestral,
volvió,
creció como la guerra, o como el trigo,
y quemó tu mansión de celuloide
la dulce fábrica de sueños, el temible
poder del dinero, la soberbia
casa que se levanta entre jardines,
donde niños dorados se ofrendan al Sol
y los mayordomos urden tramas policiales.

- Incendio en Malibú.

Un día sopló el viento del desierto, caliente y seco como el Poder (o la Justicia.
Y una mansión y otra mansión y una tercera
se hundieron en un mundo de tinieblas
donde azorados e impotentes hombres monos
sólo atinan a refugiarse en el mar.

viernes, 6 de septiembre de 2013

Caos y control en el mundo cuántico

DIALOGO CON DIEGO WISNIACKI, DOCTOR EN FISICA, FCEN CONICET


La mecánica cuántica puede ser antiintuitiva y bizarra, pero es la teoría física más exitosa. En ese mundo extraño se intenta el control de los sistemas y también averiguar el lugar del caos, para desarrollar tecnología.

–Cuénteme en qué se especializó.
–Hoy en día, mis dos líneas de trabajo son el control cuántico y el caos cuántico.
–Empecemos por el control, que resulta más tranquilizador. ¿Qué es? –Lo que yo trato es de establecer recetas o procedimientos para regular el comportamiento de un sistema cuántico. La idea es ver cómo hacer para que ese sistema haga lo que uno quiere que haga y termine en el estado que uno está buscando.
–¿Cómo son esos sistemas? –Pueden ser desde un ion, un electrón, una juntura de Josephson. Cualquier sistema de propiedades cuánticas. Nosotros hace un tiempo diseñamos un método de control que funcionaba muy bien para sistemas aislados. Pero el problema con los sistemas cuánticos es que muchas veces no son sistemas aislados, y el hecho de no ser aislados les saca las propiedades cuánticas. Entonces la pregunta principal que tratamos de responder es cómo hacer para que ese método que parecía tan universal y funcionaba en un montón de situaciones, funcione en una situación más realista. Y lo que encontramos es que la mejor manera era hacerlo muy rápido, para que el entorno actuara lo menos posible.
–¿A qué se refiere con que un sistema cuántico haga lo que uno quiera? Deme un ejemplo. –Interactuar, por ejemplo. Agarrar un electrón e iluminarlo con láser, o agarrar una trampa de iones e iluminarlos con un láser para que ese sistema termine en el estado en que uno quiere. Esto es fundamental en problemas de tecnología cuántica: uno lo que quiere es que el sistema opere de determinada manera, y eso es lo que busca con el sistema de control cuántico.
–¿Qué es un sistema de información cuántica? –Es un sistema de información que usa las propiedades de la mecánica cuántica.
–¿Por ejemplo? –La criptografía cuántica consiste en usar la mecánica cuántica para transmitir información, y se ha visto que es mucho más segura que los métodos clásicos de criptografía. Y de hecho hoy por hoy existen aparatos que usan fotones que están entrelazados. Usando esa propiedad, es muy fácil detectar si un espía se metió en el medio. Pero el problema de todos esos sistemas, el problema fundamental, es la decoherencia, o sea, la pérdida muy rápida de las propiedades cuánticas. Lo que tratamos de ver es cómo preservar ese sistema de la decoherencia. Ahora hay ideas de usar el entorno a favor. Nosotros teníamos un método que funcionaba bien pero que –nos dimos cuenta– era medio lento. Encontramos entonces una manera de hacerlo rápido, y no sólo rápido, sino de la manera más rápida que permite la mecánica cuántica. En la mecánica cuántica, si uno quiere pasar de un estado a otro hay una cosa que se llama quantum speed limit: no se puede hacer a una velocidad más rápida que ésa. Nuestro método está dentro de ese límite, y supongo que en algún momento, en el futuro, encontraremos una mejor manera. Hay gente que propone, por ejemplo, hacerle cosas al entorno para aprovecharlo; nosotros lo que hicimos fueron cosas sobre el sistema.
–¿Y su otra línea de trabajo? –Es la principal, que tiene que ver con el caos cuántico. El caos es una propiedad clara en la mecánica clásica: hipersensibilidad a las condiciones iniciales que hace que los sistemas sean impredecibles y que el caos sea la fundamentación de la termodinámica y de la mecánica estadística. Ahora... ¿qué pasa en la cuántica? En la cuántica, la ecuación fundamental de Schrödinger es lineal, y la no linealidad que necesita el caos no existe. Pero una teoría es el límite de la otra, de modo que la pregunta es: ¿cómo se manifiesta el caos en la mecánica cuántica?
–¿Cómo? –Esa fue la pregunta inicial, la pregunta de la que se partió. Se encontraron muchas manifestaciones, por ejemplo, en la estadística de los niveles. Los niveles de energía en un sistema cuántico son discretos. Entonces: ¿cómo se distribuyen esos niveles? Si el sistema es caótico, clásicamente, es de una manera y, si no, es de otra. Esa es una manifestación. Una cosa que nosotros hicimos hace unos años fue probar qué pasaba si uno perturbaba un sistema. Si el sistema es caótico, le pasa algo que es universal. La manera de reaccionar de un sistema caótico ante perturbaciones es universal. Todos los sistemas reaccionan de la misma manera. La que yo creo que es la pregunta fundamental hoy en el tema de caos cuántico es que se está empezando a pensar cómo juega el caos en los sistemas de muchos cuerpos. Los desarrollos fueron mayormente hechos, hasta ahora, para sistemas de una partícula. La pregunta de cómo juega el caos en la termalización, proceso por el que las partículas alcanzan el equilibrio térmico mediante la interacción entre ellas, de los sistemas cuando éstos son cuánticos es fundamental, no sólo a nivel teórico, porque hoy en día se hacen redes ópticas donde se meten partículas y se las hace interactuar. Hoy se hacen experimentos con muchas partículas y se las termaliza. Ver cómo juega ahí el caos es una pregunta fundamental.
–¿Y esto está llegando a la práctica? –Hacer experimentos de muchos cuerpos es una tecnología que hoy se hace en muchos laboratorios: hacer cadenas de iones, por ejemplo, y hacerlas interactuar, iluminando un ion con un láser por ejemplo, es una tecnología no corriente pero sí muy usada.
–Explique un poco qué es la mecánica cuántica. –Es la teoría más exitosa de la ciencia de los últimos cien años. Explica el comportamiento del mundo microscópico y, fundamentalmente, es absolutamente antiintuitiva y bizarra.
–¿Por qué? –Bueno, por poner sólo un ejemplo, la idea que uno tiene de que las partículas tienen su trayectoria en mecánica cuántica no pasa. Otra cosa rara es la famosa dualidad onda-partícula, o el entrelazamiento de partículas.
–El entrelazamiento de partículas... eso no podría transmitir información, ¿no? –No. No transmite información, de hecho.
–¿Qué es el entrelazamiento? –Uno tiene dos partículas, y las puede poner en un estado cuántico en el que están “entrelazadas”: las propiedades de cada una implican cosas sobre la otra, que no es lo que uno está acostumbrado en el mundo clásico. En el mundo clásico, si yo tengo la conjunción de una partícula roja y una verde, no dejo de tener una partícula roja y una verde, conjuntas; en el mundo cuántico tengo algo nuevo rojo y verde al mismo tiempo. Y si uno mide una, perturba la otra y viceversa.
–¿Tiene algo que ver todo esto con las computadoras cuánticas? –Están íntimamente relacionadas, porque finalmente un cómputo cuántico es una operación cuántica: agarra un sistema en un estado y lo transmite en otro. El sistema evoluciona de la manera que uno quiere, uno observa el sistema y obtiene el resultado. Eso finalmente es controlar el estado del sistema. Para hacer una computadora cuántica, uno tiene que poder inicializarla, y para poder inicializarla se tiene que poder controlar el sistema.
–Las computadoras cuánticas están en el candelero hace mucho tiempo, ¿no? Pero no parece avanzar demasiado la cosa. –Bueno, no sé si vamos a llegar a tener en nuestras casas computadoras cuánticas. Hoy por hoy eso no se puede predecir: somos cautos. Efectivamente hubo un crecimiento muy rápido del control de las tecnologías cuánticas, pero todavía no se logró ninguna tecnología que cumpla con todos los criterios. Ahora, lo que está empezando a aparecer son tecnologías que conectan diversas tecnologías, valga la redundancia. Por ejemplo, una trampa de iones donde uno hace el cálculo, que se envía a través de fotones, y esa información se guarda en otra tecnología. Y me parece que eso es lo que se está trabajando hoy: en la conexión de distintas tecnologías.

martes, 3 de septiembre de 2013

El principio de inercia



Los ochenta y siete años que van desde que Giordano Bruno murió quemado en la hoguera hasta 1687, cuando Newton publica sus Principios Matemáticos de la Filosofia Natural, presenciaron el nacimiento de la física clásica y la solución del problema del movimiento. El espacio geométrico y único se instaló, primero extraoficialmente, y tras algunos trámites, con carta de ciudadanía planetaria.

Galileo razonaba con planos infinitos, esferas que se movían sobre ellos sin rozamiento y péndulos perfectos; y la necesidad de matematizar la física se convertía en pasión de multitudes (de multitudes de físicos, claro está). El mismo Galileo proclamaba que la naturaleza escribe sus cosas en lenguaje matemático, encontraba la ley matemática que gobierna la caída de los cuerpos y señalaba que, si no fuera por la resistencia del aire, todos los cuerpos caerían de la misma manera, independientemente de su peso.

Si no fuera por la resistencia del aire, esto es, en el vacío. Era mucho decir... El vacío -cuya posibilidad Descartes negó, y cuya molesta existencia llevó a los físicos a llenarlo de éter- no era otra cosa que el espacio geométrico naciente. ¡En ese espacio nuevito empezaron a moverse los cuerpos en el siglo XVII! Y allí Galileo tocó la pelota y se le escapó, aunque la dejó perfectamente colocada frente al arco desguarnecido, para que Newton hiciera el gol. Rozó y no llegó a aferrar del todo la palanca maestra de la teoría del movimiento: el principio de inercia. Es posible que el ejemplo aleccionador de lo ocurrido con Giordano Bruno lo indujera a la prudencia, a no internarse demasiado en las peligrosas complicaciones del espacio infinito y a dedicar su atención al problema de la caída de los cuerpos -que gloriosamente resolvió-. 0 que cierta manía circular residual le impidiera enfrentarse con el protagonista de los tiempos por venir: el movimiento uniforme, el movimiento en línea recta y con velocidad constante.

Y este movimiento rectilíneo y uniforme en el espacio matemático y vacío que sanciona Newton... no es nada. No existe. El móvil es indiferente a él, no se da cuenta de que lo está ejerciendo. Un objeto que se está moviendo con movimiento rectilíneo y uniforme -afirma el principio- continúa indefinidamente en ese estado, sin ninguna modificación. A menos que intervenga una fuerza. Es decir, que no se detiene por sí mismo. ¿Por qué habría de hacerlo? Es más... ;qué quiere decir detenerse, dado que la velocidad del móvil es arbitraria (y constante) según el punto de referencia? Si se detuviera respecto de un punto de referencia, seguiría moviéndose respecto de otros. Detenerse significa pasar del inovimiento al reposo, pero el reposo (como el movimiento rectilíneo y uniforme) no es más que una ilusión. Es más, la idea misma de reposo carece de sentido y sólo indica que la distancia a un punto determinado no varía. El reposo, ese anhelo de los cuerpos aristotélicos que se precipitaban a la tierra o se detenían para alcanzarlo, ese reposo absoluto que el mismo Kepler calificó como "tan distinto del movimiento como las tinieblas de la luz", es ahora accesible a todo el mundo, y gratis, siempre que uno se tome la molestia de elegir el punto adecuado.

El movimiento no es, ni volverá a ser jamás, un proceso transitorio de cambio y reparación de algún supuesto "orden natural" alterado y que se pretende restaurar, ni necesita (por lo menos el movimiento rectilíneo y uniforme) causa alguna que lo produzca: es un estado en el cual los cuerpos están, respecto del cual son indiferentes, y en el cual permanecerán a menos que actúe una fuerza externa.

Es decir, el movimiento rectilíneo y uniforme que describen las leyes de Newton (y casi casi las de Galileo), es relativo, pero la palabreja apenas describe la novedad y el cambio radical que acarrea. El principio de inercia es, legítimamente, una de las más potentes (y encantadoras) conquistas del pensamiento. Piénsese: nunca nadie había visto (y nunca nadie verá) a ningún móvil describiendo una trayectoria en línea recta, y con velocidad constante, sin inmutarse, hacia el infinito y, sin embargo, la idea pudo generalizarse para todos los móviles. Fue un ejercicio de pura abstracción, una transacción geométrica efectuada en la trastienda de la razón pura. Llevó su tiempo, por cierto, pero con el principio de inercia en la mano, y aunque ninguno de los protagonistas de la hazaña lo sospechara, estaba abierto el camino a las estrellas.