Feeds:
Entradas
Comentarios

El primer refrigerador

Aunque ya existían sistemas que refrigeraban eliminando aire caliente, el primer refrigerador por compresión de amoníaco fue inventado hacia 1850 por el francés Ferdinand Carré. Este invento aparece en pleno siglo XIX, favoreciendo e impulsando aún más la expansión demográfica que se iniciaría el siglo anterior gracias a las mejoras agrícolas que hicieron posible un aumento de la población que se venía frenando desde hacía tiempo precisamente por la falta de alimentos, mejoras consecuencia de inventos como la siega mecánica, la introducción de máquinas a vapor y nuevos sistemas de distribución de los terrenos que los hacían más productivos al sustituir el barbecho por rotaciones cuatrienales. Además, cincuenta años antes se había inventado el sistema de conservación de alimentos consistente en embotellarlos herméticamente, y la comida enlatada se popularizó a principios del siglo XX, conviertiéndose en símbolo de estatus y siendo realmente útil en las guerras.

Estos avances permitieron la importación y exportación de todo tipo de comida en conserva, lo que permitió a la población crecer sin miedo en una época de alta productividad, aunque no exenta de plagas y epidemias puntuales que arruinarían cosechas enteras diezmando a la población (Irlanda 1851).

El refrigerador de Carré se basaba en la capacidad de ciertos gases de absorver calor cuando pasan de estado líquido a gaseoso (es de hecho este calor circundante el que proporciona la energía para el proceso). Posteriormente, un compresor convierte el vapor en líquido, y el ciclo se inicia de nuevo.

Refrigerador de Carré

Refrigerador de Carré

Las simetrías son comunes en la naturaleza: rotaciones, movimientos, distancias… todo parece estar regido por unas matemáticas caprichosas. Por ejemplo, la Tierra gira alrededor del Sol en un movimiento circular, y las distancias permanecen constantes. En este ejemplo, el círculo es simétrico respecto a rotaciones (es imposible distinguir un cambio). Lo mismo sucedería con el cuadrado, para rotaciones de 90º. Más allá de esto, las simetrías son aprovechadas por los físicos, y muchas veces, permiten realidades sorprendentes. Como dijo el Nobel C. N Yang, La naturaleza paredce sacar ventaja de las simples representaciones matemáticas de las leyes de la simetría.

Una de las grandes preguntas que se hacen hoy en día los físicos es por qué hay más materia que antimateria en el universo (eso parece). Tal y como predijo Dirac en 1928, y tal y como comprobó Anderson en 1932, por cada partícula de materia debería de haber una antipartícula. Es decir, por cada protón, debería de haber un antiprotón, con carga negativa, por cada electrón, su correspondiente positrón, etc. Pero si así fuera, se aniquilarían, y el universo sería quizá una especia de pasta densa de energía…

Se llama barión a cualquier partícula formada por tres quarks. Los bariones más conocidos son el protón y el neutrón, famosos por todos al formar parte de los núcleos atómicos. El número bariónico es un número cuántico invariante, propio de un sistema dado, y es un tercio del número de quarks menos el número de antiquarks. Es invariante porque su valor es el mismo antes y después de cualquier proceso.

Volviendo al descubrimiento de Dirac y Anderson, si por cada partícula debería de existir una antipartícula, éstas deberían de haberse atraído y aniquilado, convirtiéndose en pura energía, en los primeros instantes del universo. Es decir, si el número bariónico del universo fuese 0 (número de quarks = número de antiquarks), nada de lo que existe debería existir. Sin embargo, y aún no se sabe por qué, la materia dominó a la antimateria, y por eso existimos. ¿No se cumple aquí ninguna simetría? Se conoce como Bariogénesis al fenómeno que causó una mayor cantidad de bariones que de antibariones en los primeros instantes del universo, es decir, más materia que antimateria. Así, uno de los grandes misterios es: ¿Por qué B del universo no es 0?

Y volviendo ahora a las simetrías, existen las llamadas simetrías C (de carga) y P (de paridad). La primera implica que un sistema permanece invariable si la carga de sus partículas se invierte. Por ejemplo, si tomamos un átomo de hidrógeno (protio), y cambiamos el electrón por un positrón, y su protón por un antiprotón, el átomo seguiría comportándose igualmente. La simetría P implica que un sistema permanece invariante si se invierte las coordenadas (x -> -x; y -> -y; z -> -z). Es como ver su reflejo en un espejo.  De la misma manera, parece que, cualquier experimento o evento, visto a través de un espejo, debería de comportarse según las leyes de la física, haciéndonos imposible distinguir un evento ocurrido en nuestra realidad, o visto a través de un espejo (invertido). En resumen, la antimateria se debería comportar y distribuir como la materia.

Por ejemplo, si tomamos tres quarks, y los revolvemos y reordenamos, vemos que las ecuaciones permanecen igual, luego se dice que las ecuaciones que los describen tienen una simetría, y se denomina simetría SU(3). SU viene de Special Unitary (unitarias especiales), es decir, de matrices con determinante unidad y unitarias, y el 3 representaría en este caso el número de colores de los quarks. De igual manera, la fuerza débil, que gobierna las propiedades del electrón y el neutrino, tiene una simetría denominada SU(2), es decir, el electrón y el neutrino pueden rotarse hasta intercambiarse. El campo de Maxwell tiene simetría U(1), que gira sus componentes para intercambiarlas entre sí. El Modelo Estándar se forma uniendo estas simetrías: SU(3) x SU(2) x U(1).

Pero no es tan perfecto, como se vio en el post Introducción al Modelo Estándar. Y contrasta con la teoría de Einstein de la relatividad general, que posee una simetría unificadora y puede expresar gran cantidad de datos con expresiones sencillas. El Modelo Estándar falla en su simetría, como veremos, que está compuesta por tres más pequeñas unidas bruscamente y además, es también bastante complicada de expresar, y no explica fenómenos como por ejemplo la distorsión del espacio, que sí lo hace la relatividad de Einstein.

En los años 50 se observó que la fuerza débil (desintegración débil beta, reacción en la que un quark down de un neutrón se convierte en un quark up, haciendo del neutrón un protón, y emitiendo un electrón y un antineutrino) no cumplía la simetría P (esto es, algunas reacciones no ocurrían con la misma frecuencia en su versión invertida). Para entender mejor la violación de la simetría P, pongamos como ejemplo el giro de un neutrino, una partícula sin carga. Visto en un espejo, su giro sería inverso, por lo que correspondería al de un antineutrino: la imagen especular de un neutrino es un antineutrino. Así que los neutrinos violan la simetría P. Esto hizo que se propusiera una simetría conjunta CP, que establecía que cualquier proceso que viéramos a través de un espejo, y en el que las partículas se cambiasen por sus antipartículas, sería equivalente al proceso original. Ahora sí, un neutrino equivale a un antineutrino visto a través de un espejo, ya que las antipartículas tienen distinto spin y carga (si la tienen).

cp

Pero se observó también que ciertas reacciones la violaban, concretamente el decaimiento de los mesones K o kaones. Por ello se ha propuesto más recientemente la simetría CPT, que incluye al tiempo. Esto implica conjugar la carga e invertir el espacio y el tiempo (y el momento lineal: invertir sus velocidades) al mismo tiempo, y parece funcionar para todas las reacciones. Hasta ahora, todos los procesos conocidos la cumplen. Además, la simetría CPT tiene todavía algo más a favor, y es que su violación implicaría el incumplimiento de la invarianza de Lorentz, algo que no puede suceder en la física tal y como la conocemos (la teoría especial de la relatividad pide que las leyes de la física tengan la misma forma independientemente del marco de referencia inercial).

Y rescatando el concepto de bariogénesis, ¿qué significado tiene la violación de la simetría CP? El hecho de que ciertas interacciones puedan ser más frecuentes en un lado que en el otro pudo romper el equilibrio en el universo primitivo, dando lugar a una producción mayor de materia que de antimateria, y ésta es una de las posibles causas de que la materia se antepusiera a la materia. Otras opciones que se barajan son que o bien haya zonas del universo en donde la antimateria predomina sobre la materia (algo poco probable, dada la homogeneidad del universo), o que bien se encuentre fuera del universo visible.

En general, se conoce como condiciones de Sakharov a los requisitos que han de cumplirse para generar más materia que antimateria. Éstas son:

  1. Capacidad de crear o destruir bariones (protones, neutrones, y otras partículas formadas por tres quarks).
  2. Partículas y antipartículas han de presentar alguna ligera diferencia.
  3. No ha de haber equilibrio térmico.

En este escenario, la violación de la simetría CP sería el punto 2. Así, si tenemos partículas con carga +4/3, éstas podrían decaer en dos quarks up, cada uno con carga de +2/3, o bien en un positrón (+1) y un quark antidown (+1/3). Su antipartícula, podría decaer en dos antiup o en un electrón y un down. Si cada uno de estos decaimientos sucediera con u 50% de posibilidades, materia y antimateria se aniquilarían. Sin embargo, basta una ligera tendencia al decaimiento de la antipartícula en un electrón y un quark down, para que hubiera menos generación de quarks antiup, lo que significaría más generación de materia que de antimateria.

 

The Muppets.

Y ésta es la realidad que se esconde tras los míticos personajes creados por Jim Henson, el gran marionetista que también se encontraba detrás de las marionetas de Barrio Sésamo, manejando él mismo al entrañable Epi (Ernie originalmente).

ADN y la mitosis

El ADN (ácido desoxirribonucleico) es una molécula de gran longitud y repetitiva situada en los núcleos de las células y que contiene la información genética del individuo.

La mitosis es la etapa del ciclo celular en la que la célula se divide en dos células hijas con la misma información genética. Para esto, es evidente que el ADN ha de duplicarse.

Antes de estudiar el ADN, veamos las etapas del ciclo celular:

Interfase:

  • G1 (Crecimiento 1)
  • S (Síntesis y replicación de ADN)
  • G2 (Crecimiento 2)

Fase M:

La fase M incluye la mitosis y la citocinesis (división del citoplasma). La mitosis a su vez incluye:

  • Profase
  • Metafase
  • Anafase
  • Telofase

Comentaremos estas etapas más adelante.

El ADN es una gran molécula que está compuesta por dos cadenas ligadas de nucleótidos unidos entre sí. Cada nucleótido es una molécula formada por una base nitrogenada (puede ser citosina (C), timina (T), adenina (A) o guanina (G)), un azúcar (desoxirribosa para el ADN) y un fosfato. Las dos tiras, enrolladas entre sí, están unidas por puentes de hidrógeno AT o CG, de manera que si una contiene una base A, deberá unirse con una base T, luego la estructura de una de las tiras determina la de la otra.

nucleotido

Estructura de un nucleótido (izquierda) y unión de nucleótidos para formar una de las tiras (cadenas) del ADN (derecha).

Nucleótidos formando una molécula de ADN.

El ADN se encuentra en forma de cromatina en el núcleo de las células, enrollado alrededor de proteínas, y se duplica en etapas anteriores al comienzo de la mitosis, como veremos al final del artículo, al hablar sobre el ciclo celular.

Replicación del ADN durante la interfase (etapa anterior a la mitosis). Cada cadena es una especie de plantilla para el ensamblaje de su cadena complentaria, igual que la que había.

Cuando se inicia el proceso de división de la célula (etapa profase de la mitosis), la cromatina se condensa y forma una serie de filamentos gruesos visibles a través del microscopio: los cromosomas.

Cromosoma dividido en dos cromátides idénticas.

Estos filamentos, los cromosomas, están formados por dos cromátidas exactamente iguales unidas por el centrómero o centro-madre. Los cromosomas humanos miden entre 1 y 10 milésimas de milímetros, pero la molécula mide entre 0,5 y 5 micras. Esto es debido a que está enrollada y replegada.

La doble hélice del ADN se enrolla alrededor de proteínas para formar la cromatina, que se organizará en forma de cromosomas en la división celular.

Este vídeo muestra cómo el ADN se enrolla alrededor de proteínas para formar cromatina:

Y este otro muestra cómo el ADN forma los cromosomas:

Los seres humanos tenemos un total de 23 pares de cromosomas. La agrupación de cromosomas se realiza en función de su morfología, y su foto se denomina cariotipo. Cada par consta de dos cromosomas homólogos, esto es, con información para los mismos caracteres, pero no necesariamente la misma información. Es decir, tenemos dos juegos de cromosomas, uno donado por la madre, y otro por el padre, que pueden o no contener la misma información, como se verá a continución (recordar que cada cromosoma consiste en dos cromátides idénticas, como resultado de la replicación ocurrida en la etapa S de la interfase).

Cariotipo del ser humano. 44 autosomas y 2 cromosomas sexuales (XX para la mujer y XY para el hombre).

Los genes son porciones o segmentos del ADN que contienen la información necesaria para que se manifieste un carácter determinado (como el color de los ojos, el tipo de sangre, etc.). Los genes pueden tener distintos alelos (variaciones del gen). Por ejemplo, el gen que determina el factor RH tendrá una versión para el RH positivo y otra para el RH negativo. En el caso de que el cromosoma donado por el padre contenga el mismo alelo que el donado por la madre, para un gen/carácter determinado, se manifestará ese carácter. En caso de que uno de los genes diga una cosa, y el otro otra, suele existir dominancia de uno de los dos, aunque también es posible la codominancia de ambos (manifestación de los dos).

Los genes son segmentos del ADN.

Una vez que los cromosomas se han condensado, termina la profase. A continuación (metafase), distintas tensiones desde los polos y una estructura denominada huso mitótico formada por microtúbulos ordenan los cromosomas dentro del núcleo hasta que se disponen en el plano medio unidos por el centrómero. Inmediatamente después comienza la anafase, en la que las cromátidas se separan y son arrastradas hasta los polos por los mismos microtúbulos.

Etapas de la mitosis.

Finalmente, durante la telofase, el huso desaparece y se constituye la membrana del núcleo y los cromosomas, ahora de una cromátide, se reabsorben. Un estrangulamiento hace que la célula se divida en dos con la misma información genética que la célula madre, y el ciclo se repite, salvo que la célula no vuelva a dividirse.

Ciclo de la mitosis.

Este proceso puede visualizarse excelentemente en el siguiente vídeo:

Como se dijo al comienzo del post, la mitosis es una de las etapas del ciclo de vida de una célula. Los estados por los que atraviesa una célula que se encuentra en el ciclo celular son G1, S, G2 y M.

La interfase, que dura el 95% del tiempo, contiene los estados G1, S y G2. En G1 se sintetizan proteínas y ARN mensajero. En este tiempo (entre 6 y 12 horas), la célula crece de tamaño, y la etapa finaliza cuando se comienza a sintetizar ADN.

En S (de synthesis) se sintetiza y replica el ADN y se sintetiza ARNn mensjero. Al cabo de las 6-8 horas que dura, la célula contiene el doble de ADN que al principio. La síntesis consiste en la ruptura de la doble hélice y en la adhesión de los nucleótidos correspondientes a cada una de las dos tiras, generando así dos moléculas iguales a la incial.

En G2, la célula sigue creciendo y sintetizando durante 2- 3 horas proteínas que constituirán los microtúbulos del huso mitótico.

Por último, la fase M consiste en la mitosis y la citocinesis, en las que la célula se divide tal y como hemos visto.

Ciclo de una célula.

Esta semana han salido a la luz los efectos del primer virus gusano que ataca sistemas industriales Siemens, implantados por ejemplo en plataformas petrolíferas o centrales eléctricas.

El virus, desarrollado en Junio de 2010, fue descubierto recientemente por una compañía de seguridad Bielorrusa (VirusBlokAda) en un cliente iraní, y se cree que podría sabotear el programa nuclear iraní al poder tomar el control de centrales nucleares. Mahmud Liayí, alto cargo del Ministerio de Industria, ya aseguró que se trata de otro ataque de Occidente…

Aunque el vicepresidente de la Organización de la Energía Atómica encargado de asuntos de seguridad habría afirmado que el virus no ha afectado a ninguna central, lo cierto es que el jefe de la central atómica de Bushehr ha reconocido que se están intentando limpiar algunos ordenadores de empleados.

A pesar de que Irán se ha llevado una buena parte de los ataques, China es otra gran afectada, habiendo visto infectadas unas mil cuentas corporativas (y más de seis millones individuales), dañando la seguridad del país.

Aunque hasta ahora no se ha reconocido ningún efecto causado por el virus, hay expertos que piensan que el daño ya podría estar hecho. En cualquier caso, este virus, que también se ha encontrado en India, Indonesia o Pakistán, sirve perfectamente como aviso de alerta a los gobiernos.

Conocemos la velocidad del sonido o la velocidad de la luz, pero ¿qué son la primera velocidad cósmica y la segunda velocidad cósmica?

Esto lo saben bien los alumnos de bachiller, ya que no son más que las velocidades que hay que imprimir a los cuerpos para que orbiten alrededor de la Tierra o bien escapen de su campo gravitatorio y no vuelvan jamás.

Para obtener la primera (C), hay que igualar las aceleraciones propias de un cuerpo con movimiento circular y la debida a la gravedad, obteniéndose una velocidad de aproximadamente 8 km/s.

Para obtener la segunda velocidad cósmica o velocidad de escape (E), hay que anular la energía mecánica del cuerpo, por lo que se igualan las energías cinética y potencial, obteniéndose una velocidad de 11181m/s.

Para velocidades inferiores a la primera velocidad cósmica, el cuerpo cae a la superficie vencido por la fuerza de la gravedad (A y B). Para velocidades intermedias, el cuerpo dibujaría trayectorias elípticas volviendo al punto de origen (D). Para velocidades superiores a la segunda velocidad cósmica, la trayectoria será cada vez más abierta.

https://i2.wp.com/www.redshift-live.com/binaries/asset/image/8667/image/Cosmic_Velocity.jpg

Un vistazo a las proteínas

Las proteínas son uno de los compuestos esenciales de los que estamos hechos y están formadas por aminoácidos, que son cadenas de moléculas. Los aminoácidos pueden combinarse de cualquier forma, y cada proteína tiene entre 100 y 200, luego es evidente la gran cantidad de combinaciones posibles.

Las proteínas humanas están formadas por 20 aminoácidos, 8 de los cuales son esenciales: no los puede sintetizar el cuerpo humano por sí solo.

La mayoría de las proteínas que ingerimos no son compatibles con nosotros, por ello durante la digestión se descomponen en sus aminoácidos constituyentes, que pasan a la sangre y de ahí a las células, donde se utilizarán para generar las proteínas necesarias. Sobra decir que nuestros huesos, músculos y tejidos están formados, principalmente, por proteínas.

Podemos encontrar proteínas animales y vegetales. Las primeras son de mayor calidad, pero suelen venir acompañadas de grasas y además saturadas. Los vegetales tienen en cambio una cantidad casi nula de grasas. Generalmente, 2/3 de nuestras proteínas han de ser vegetales (la soja es la que más aporta).

Cuando una proteína tiene una cantidad adecuada de cada aminoácido, se denomina completa. La más completa es la del huevo. En general, como se ha dicho, las de las carnes son de alta calidad. El problema de las proteínas vegetales es que no son completas, y tienen carencias en algún aminoácido. Esto puede solucionarse mediante la combinación de distintos alimentos en la comida:

  • Legumbres + cereales integrales: lentejas + arroz, etc.
  • Legumbres + frutos secos: ensalada de lentejas + nueces, etc.
  • Cereales integrales + lácteos vegetales: arroz con leche de soja, etc.
  • Frutos secos + lácteos vegetales: arroz con leche y frutos secos, etc.
  • Frutos secos + cereales integrales: ensalada de arroz con frutos secos, etc.

Cuando el cuerpo no encuentra las proteínas que necesita, las obtiene principalmente de tejido muscular. Por ello se recomienda tomar 0.8 gramos de proteínas al día por kilo de peso (1,2 si eres deportista).