viernes, 25 de noviembre de 2011

¿Es el olfato un sentido cuántico?

Siguiendo con la serie de tres posts hablando sobre biología y física cuántica quiero escribir ahora sobre otro tema muy reciente. Lo escuché por primera vez en Agosto, en un congreso sobre efectos cuánticos en sistemas biológicos. Se trata de como funciona el sentido del olfato y si hay algún efecto cuántico en él. Por supuesto esto es un tema muy reciente y, por lo tanto, controvertido así que tampoco saquemos demasiadas conclusiones. En cualquier caso es un tema interesante y divertido. 

Teoría electrónica del olfato

Obviamente la cuestión de como distinguimos olores no es algo que nadie se haya preguntado hasta ahora. De hecho la estructura del sistema olfativo es bien conocida desde hace mucho. Para comprender a grandes rasgos como funciona el sistema olfativo podemos recurrir a la Wikipedia.


Los receptores químicos del olfato son:
  • La glándula pituitaria roja: Se ubica en la parte inferior de la fosa nasal y está recubierto por numerosos vasos sanguíneos que calientan el aire.
  1. Células de sostén
  2. Células olfatorias
  3. Células basales
Las células olfatorias son células nerviosas receptoras de estímulos químicos provocados por los vapores. En la pituitaria amarilla se encuentran las glándulas mucosas de Bowman, que libera un líquido que mantiene húmedo y limpio el epitelio olfatorio.
Para estimular éstas es necesario que las sustancias sean volátiles, es decir, han de desprender vapores que puedan penetrar en las fosas nasales, y que sean solubles en agua para que se disuelvan en el moco y lleguen a las células olfatorias. Éstas transmiten un impulso nervioso al bulbo olfatorio y de este a los centros olfatorios de la corteza cerebral, que es donde se aprecia e interpreta la sensación de olor. Se cree que existen 7 tipos de células olfatorias, cada una de las cuales sólo es capaz de detectar un tipo de moléculas, éstas son:
  • Alcanforado: olor a naftalina.
  • Almizclado: olor a almizcle.
  • Floral.
  • Mentolado.
  • Etéreo: olor a fluidos de limpieza en seco.
  • Picante.
  • Pútrido.
Wikipedia: El número 6 son los receptores olfativos.


O sea, que las moléculas volátiles se disuelven en el moco y estimulan los centros olfativos.  Hasta aquí todo genial. La pregunta que ahora nos hacemos es ¿Cómo estimulan las moléculas un centro olfativo u otro?

La teoría clásica de estimulación se basa en la corteza electrónica de las moléculas. Como sabemos las moléculas están formadas por átomos que a su vez tienen un buen número de electrones. De como se distribuyan los electrones en la molécula dependen sus propiedades químicas, y son estas las que determinan si tiene un olor u otro. A veces se ilustra diciendo que los electrones de las moléculas, según se distribuyan, constituyen una llave y que cada llave abre la puerta a distintos receptores, estimulando así el olfato.

Entonces está todo claro, la capa electrónica de las moléculas determina que receptores se estimulan y eso da lugar a la sensación del olfato. Caso cerrado. ¿O no? Pues no del todo. Resulta que hay otra teoría que compite con esta y es la que voy a explicar a continuación.


Teoría vibracional del olfato. 


En los últimos años otra teoría sobre el olfato ha empezado a tener bastante éxito. La propuso Luca Turin en 1996 y fue publicada en la revista Chemical Senses (después de que fuera rechazado por Nature).  Esta teoría se basa en lo siguiente, primero la molécula debe encajar en el receptor, al igual que en la teoría anterior. Sin embargo esta "compatibilidad electrónica" no es suficiente para excitar el mecanismo. Además es necesario que haya una transferencia de electrones entre la molécula en cuestión y el receptor. Esta transferencia se da por efecto túnel.

Por si alguien no lo sabe el efecto túnel es un efecto cuántico que permite a las partículas atravesar potenciales que les están prohibidos de manera clásica. Como si las partículas pudieran escalar una montaña sin tener energía suficiente para ello.


Wikipedia: Reflexión y "tunelado" de un electrón dirigido hacia una barrera de potencial. El punto resplandeciente moviéndose de derecha a izquierda es la sección reflejada del paquete de onda. Un vislumbre puede observarse a la derecha de la barrera. Esta pequeña fracción del paquete de onda atraviesa el túnel de una forma imposible para los sistemas clásicos. También es notable la interferencia de los contornos entre las ondas de emisión y de reflexión.

¿Entonces de qué dependerá que una molécula tenga un olor u otro? Pues según esta teoría básicamente de dos factores: Primero, de su estructura electrónica, como en la teoría anterior. Y Segundo de los núcleos que compongan la molécula. Esto último es importante porque los núcleos de las moléculas vibran y esto facilita que se de el efecto túnel si la frecuencia de oscilación de la molécula y del receptor son parecidas.

Entonces ahora la pregunta es muy sencilla ¿cómo sabemos qué teoría es correcta? Pues para eso sólo hay una solución y es la misma de siempre: experimentación.


Experimentos sobre la teoría vibracional del olfato

Ahora hay que pasar a la última parte del método científico, experimentar y experimentar. Primero de todo (obviamente) hay que diseñar un experimento. ¿Cómo podemos distinguir entre una teoría que dice que el olfato depende sólo de la estructura electrónica de las moléculas y otra que dice que además cuenta la estructura nuclear? Pues hay una manera "sencilla", hay que oler moléculas que tengan igual los electrones y diferente los núcleos y ver si hay o no diferencia. Para eso necesitamos recurrir a nuestros amigos los isótopos.



Los isótopos, como ya sabemos son átomos que tienen el mismo número de electrones y protones, pero no de neutrones. Esto hace que sean idénticos entre ellos en cuanto a la capa electrónica (y la química) pero muy diferentes desde el punto de vista nuclear. Un ejemplo muy claro son los átomos radiactivos, cuyas propiedades dependen fuertemente de su número de neutrones. 


Isótopos del hidrógeno


Entonces el diseño del experimento empieza a estar claro. Podemos coger un tipo de molécula, cambiarle algún átomo de hidrógeno por uno de deuterio o tritio (ver figura anterior) y ver la diferencia. Esto es lo que hizo un grupo de Nueva York y lo publicaron en la revista Nature Neuroscience. El experimento consistió en hacer oler a personas compuestos orgánicos en los que se sustituyó el hidrógeno por deuterio y ver si notaban la diferencia. El resultado fue tajante: No hay ninguna diferencia. Esto hizo que la revista Nature publicara una editorial muy dura en contra de la teoría vibracional. 

Entonces eso es todo ¿no? Ha habido un experimento, este es negativo pues no se hable más. Afortunadamente no. El padre de la teoría Turin, contactó a gente del MIT y del Centro de investigación Biomédica Alexander Fleming e hicieron otro experimento. Su argumento era que los experimentos con humanos son muy complejos, ya que tienen un gran margen de subjetividad, y que era mejor hacerlo con animales. En concreto su experimento se hizo con moscas de la fruta (Drosophila melanogaster, para los amigos).

Los resultados se encuentran en un artículo de Proceedings of National Academy of Sciences. Básicamente entrenaron, mediante descargas eléctricas, a moscas para que distinguieran los olores de compuestos con hidrógeno y deuterio. Después cuando las moscas se veían expuestas a ambos olores recordaban cual era el "bueno" y lo escogían mayoritariamente. Al igual que el otro experimento las conclusiones son bastante tajantes pero en este caso a favor de la teoría vibracional. 


Conclusión

¿Entonces qué podemos concluir si hay dos experimentos y son contradictorios? Pues sólo una cosa: hacen falta más experimentos. 

Como bien es sabido la experimentación es la piedra angular de la ciencia, sin embargo eso no quiere decir que todos los experimentos sean correctos. Puede haber algún error sistemático, o la muestra es demasiado pequeña, o hay factores psicológicos (como en el experimento de Nature). También existe la posibilidad de que la teoría vibracional sea correcta para moscas pero no para humanos, aunque parece improbable. En cualquier caso la solución pasa por hacer otros experimentos, en otros grupos y con otros dispositivos. Al final la realidad se abrirá paso ella sola. 





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Esta obra es de Daniel Manzano Diosdado y tiene una licencia Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported License.


El entrelazamiento cuántico y la orientación de los pájaros

Un tema de rabiosa actualidad en el mundillo de la física cuántica es la existencia de fenómenos propios de de esta en los seres vivos. Por un lado es evidente que la cuántica afecta a los seres vivos en tanto que estamos formados por átomos, que a su vez forman moléculas y el comportamiento de estas está determinado por esta teoría. Sin embargo de lo que vamos a hablar aquí es de otro tema, se trata de fenómenos propios del mundo de la física cuántica, como la coherencia, el entrelazamiento o el efecto túnel, que aparentemente juegan un importante papel en ciertos procesos biológicos. 

En tres post diferentes voy a describir los tres procesos principales que se estudian actualmente sobre el tema. La brújula de los pájaros, la fotosíntesis y el sentido del olfato. Este post trata sobre el primero de todos.  

La brújula aviar y el entanglement 

Una pregunta que ha habido desde hace mucho tiempo es como funciona la brújula de los pájaros. De hecho se conocen más de 50 especies que pueden detectar el norte de manera innata, entre ellos hay aves, mamíferos, reptiles, peces, anfibios e insectos. El caso de los pájaros es el más estudiado y aún así no podemos decir que el efecto esté totalmente comprendido. El principal problema para comprenderlo es que el campo magnético terrestre es muy pequeño, de unos 50 microteslas, y no es fácil fabricar una brújula en miniatura para detectarlo. Tampoco en la mayoría de las reacciones químicas se suele detectar su efecto, aunque como veremos ahora hay algunas que pueden.

Un momento revolucionario al respecto fue la publicación de dos artículos, basados en experimentos dirigidos por el profesor P.J. Hore, uno de ellos  en la revista Nature titulado Chemical compass model of avían magnetoreception y el segundo en la revista Procceding of National Academy of Sciences titulado Chemical magnetoreception in birds: The radical pair mechanism. Estos dos artículos proponen y estudian un procedimiento llamado radical pair mecanism (RPM a partir de ahora) que se puede dar en la retina de un pájaro específico el petirrojo europeo. Según estos investigadores este proceso depende del campo magnético terrestre y permite a los pájaros "ver" el norte. Como dato curioso mencionar que el hecho de que la brújula de estos pájaros se encuentran en sus ojos se probó haciendo experimentos en los cuales se les cerraba uno de los ojos, en ese caso podían volar pero perdían totalmente el sentido de la orientación por lo que se ve que la brújula se encuentra en ambos ojos (referencia). 

El petirrojo europeo protagonista de toda esta historia. Vía Wikipedia.
¿En qué consiste este mecanismo entonces? Básicamente se basa en lo siguiente. Como sabemos los electrones tienen una cualidad llamada espín, que es un campo magnético intrínseco a la partícula. Con "campo magnético" queremos decir que los electrones son como pequeñas brújulas y con "intrínseco" queremos decir que no tiene origen en ningún otro aspecto de la partícula en sí. Como curiosidad mencionar que el término espín, viene del inglés spin que significa "giro" porque sus descubridores pensaban que lo producía el electrón al girar, aunque ahora sabemos que no es así. Una propiedad importante del espín es que si lo mides sólo encontrarás dos valores, $\uparrow$ o $\downarrow$ o como los quieras llamar, pero sólo dos. Eso se puede demostrar fácilmente con el experimento de Stern-Gerlach


Esquema del experimento de Stern-Gerlach, que dio pie al descubrimiento del espín. Vía Wikipedia. 


Lo que ocurre ahora es que nosotros no estamos formados por electrones libres, sino por átomos. ¿Qué pinta entonces el espín? La cuestión es que muchas reacciones químicas se dan cuando se encuentran un átomo o molécula al que le sobra un electrón con un átomo o molécula al que le falta uno, entonces el espín será el del electrón que sobra o del que falta (también hay que tener en cuenta el efecto de los electrones al moverse, pero eso no lo tendremos en cuenta por no liar). 

¿Podemos responder ya a la pregunta "qué es un RPM"? Pues es sencillo, como ya he dicho los espines sólo tienen dos posibilidades, $\uparrow$ o $\downarrow$, así que si dos espines se encuentran tenemos cuatro posibilidades: $\uparrow\uparrow$, $\uparrow\downarrow$, $\downarrow\uparrow$ y $\downarrow\downarrow$. Lo bueno es que la física cuántica es muy rara y transforma estas cuatro obvias posibilidades en otras cuatro, menos obvias: mantenemos $\uparrow\uparrow$, $\downarrow\downarrow$, pero debido al Principio de exclusión de Pauli las otras dos están prohibidas. En su lugar aparecen dos nuevas $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$ y $\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$, que vienen a indicar que cada espín está en dos estados al mismo tiempo y conectados (que es lo que llamamos coherencia y entrelazamiento, como bien sabéis). 

La cuestión que nos interesa ahora es que estos cuatro estados se pueden agrupar de dos maneras, como singletes ($\uparrow\uparrow$,  $\downarrow\downarrow$ y $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$) y como triplete ($\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$). Cada uno de estos grupos tiene un espín total diferente (cero el triple, uno el singlete). "¿Qué nos importa todo esto?", os preguntaréis. Pues porque cuando dos electrones se encuentran en un estado u otro pueden dar lugar a reacciones químicas diferentes y midiendo el resultado se puede saber si estaban en un estado u otro. "¿Y qué demonios tiene que ver esto con la brújula aviar?", os volveréis a preguntar. Pues la cuestión es que como he dicho los espines son campos magnéticos, por lo tanto se ven afectados por un campo magnético como el de la tierra.  

En resumen en la retina de los pájaros se da una reacción química, que se basa en el siguiente mecanismo: Un fotón (la luz) excita una molécula de la retina y esta pierde un electrón (la llamaremos donante), este electrón se lo queda otra molécula (a esta la llamaremos receptora, originalidad ante todo) y ambos tiene espín. Entonces la moléculas se separan, viven su vida y cuanto se vuelven a encontrar deciden unirse y hacer una reacción química. El resultado de esta reacción química depende del espín de las moléculas y del campo magnético externo, por lo que midiendo el resultado podemos saber si estamos volando hacia el norte o no. 

Resumen de la reacción que se da en la retina de las aves. * significa excitado, + con un electrón más, - con un electrón menos, S significa singlete, T triplete, A es la donante y B la receptora. Fuente.

Esta reacción se refleja como ya hemos dicho antes en una sensación visual para el pájaro, de modo que puede "ver" el norte. 

Recreación de la vista de un petirrojo. Fuente.

Otra cosa que os podréis preguntar es: ¿es esto un efecto puramente cuántico? Evidentemente el espín es un fenómeno cuántico, pero todo esto es química al fin y al cabo y ya sabemos que la química está por todas partes. La cuestión que hace esto interesante desde el punto de vista cuántico es ¿qué ocurre cuando las moléculas están separadas? ¿Se mantiene el entrelazamiento entre ellas? Al respecto hay un muy reciente artículo del grupo de Hans Briegel, titulado Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass donde se demuestra que a mayor entrelazamiento en el sistema, mayor sensibilidad. Esto indica que el entrelazamiento juega un importante rol en la brújula aviar y abre la puerta a la invención de dispositivos tan precisos como este. 

Y eso es todo por ahora, espero que haya quedado algo claro y si no para eso están los comentarios. Os dejo con un chiste que sólo entenderá gente muy especializada. 

Fuente

  Y un trozo de una película que explica lo que (no) pasaría si los pájaros dejaran de sentir el campo magnético. Eso sí, para echarse unas risas a su costa la peli es el no va más (de mala). 








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martes, 1 de noviembre de 2011

El problema del software libre

Hoy he visto en menéame la n-sima portada sobre las opiniones de Richard Stallman sobre Apple el software libre y demás. No entiendo muy bien como salen a una portada semanal con la misma información, pero lo bueno es que las opiniones de este hombre siempre dan lugar a debate. He escrito un comentario que ha sido muy bien acogido, pero nadie me ha contestado. Así pues he decidido escribir aquí mi postura al respecto, como defensor del software libre que me considero, para ver si originamos un constructivo debate, o al menos un debate. 

Antes que nada mi presentación en este sentido: Yo soy físico, como ya sabréis algunos, investigador en el campo de la física cuántica. Descubrí Linux en la universidad y casi inmediatamente decidí dejar de usar Windows, que me parecía una porquería. Hace unos 8 años que uso exclusivamente Linux como sistema operativo tanto profesional como personal. En mi trabajo programo mucho en C, uso aplicaciones ofimáticas, programas de matemáticas como Mathematica y Matlab, editores de texto científicos como LaTex y demás cosas de uso cotidiano. Como usuario soy algo friki pero no llego al nivel de algunos de mis amigos, sin embargo uso la mayoría de las cosas usuales, veo películas, escucho música, uso p2p, mensajería, etc. Tengo 2 ordenadores, un portátil y un netbook sin contar el del trabajo, un Samsumg mini con Android y un Kindle. En general no me considero un analfabeto digital ni tampoco un usuario de nivel experto.

La cuestión es que hace un mes en mi instituto en Austria decidimos que había que actualizarme mi ordenador y, después de hablar con varios de mis compañeros he decidido que sea un Macpro   Macbook pro. Básicamente aquí quiero comentar como he decidido que mi instituto compre un ordenador de una de las empresas más cerradas en cuestión de software a pesar de ser usuario de software libre. Así que una vez echas las presentaciones vamos a ello. 

Lo primero es especificar la utilidad del ordenador. Aunque lo usaré también como ordenador personal no es esa la función del mismo, es un ordenador para desarrollar mi trabajo. Llevo haciendo ese trabajo en Linux ya 5 años con buenos resultados, por lo que está claro que no es imprescindible cambiar, ¿qué ocurre entonces? Lo que ocurre es una cuestión de funcionalidad y tiempo. En el mac prácticamente todo vale dinero y va como la seda, en el linux hay muchas cosas gratis (no todas, Mathematica por ejemplo vale lo mismo) y hay que dedicarle bastante tiempo a que todo quede como tú lo necesitas. Por ejemplo al configurar el uso de LaTex en Inkscape me costó la vida hacerla, el Mathematica de vez en cuando se me cerraba sin previo aviso y sin guardar la información y así bastantes cosas más. En definitiva al final el trabajo se hacía y en su mayoría con la misma calidad que pueda hacerla con el mac, el problema es el tiempo que le debía dedicar. Es cierto que las licencias de software no son nada baratas, pero mi salario tampoco lo es y si tengo que dedicar horas y horas al mantenimiento de mi sistema operativo (SO en adelante) estamos malgastando mucho dinero público. Sinceramente pienso que lo más sensato por mi parte es usar la herramienta que mejor me permita hacer mi trabajo y hoy por hoy considero que es un mac con MacOS.  No se nos olvide que el tiempo también es dinero y tanto en lo profesional como en lo personal mucha gente prefiere pagar por ahorrar tiempo de trabajo. Habrá también quien alegue que todos esos problemas que menciono y los demás que tuve no los solucioné en un segundo porque soy un inútil y no porque sean  difíciles de solucionar, en cualquier caso me estarán dando la razón, con mis capacidades limitadas tengo que optar por la opción que sea más ventajosa. En cualquier caso considero que intentar extender el software libre a base de decir que el que no lo usa es un paleto, que es de lo más común como se puede ver en cualquier noticia al respecto en menéame, es una estrategia poco afortunada. 

Con esto por supuesto no estoy diciendo que siempre haya que comprarle mac a todos los trabajadores y demás. En esta supuesta guerra software libre VS software privativo se lleva mucho el "o estás conmigo o contra mi", que traducido es "o usas siempre software libre o eres un vendido a Apple y Microsoft". Yo pienso que en los colegios, institutos y universidades debe priorizarse el uso de software libre siempre que sea posible. A los estudiantes hay que enseñarles a usar un SO en cualquier caso, así que mejor que sea uno libre y que no le cueste un dineral al estado en forma de licencias. Otra cosa es que también se les enseñe un software privativo si se considera que lo van a necesitar en el futuro, como en la universidad me enseñaron a usa Mathematica. Otro ejemplo es cuando se usan ordenadores para una cuestión administrativa pública, como gestionar una base de datos, y tienen Windows. Esto es una manera horrible de tirar el dinero a la basura. Cambiándolo todo a Linux, con lo que nos ahorramos en licencias se podría crear una empresa pública que hiciera el software y lo dejara todo igual de funcional de modo que no se perdiera nada de productividad. Cada caso es diferente y depende del uso concreto del software y del número de ordenadores, claro está.

Otra cuestión es la de la coexistencia de software libre y el software privativo. Yo con mi mac puedo instalar Inkscape, Libreoffice y mucho más software libre. Con Macports puedo instalar casi todo lo que tengo en Ubuntu. Esto obviamente me abre muchas posibilidades y esto es lo que yo creo que es el futuro. Como ya he dicho antes lo del software libre y el software privativo es una guerra en la que tienes que escoger bando y no tiene por que ser así. Esperar que todo el software sea libre algún día es excesivamente utópico e improductivo en mi opinión. Hay muchas y muy buenas empresas que prefirirán echar el cerrojo antes que hacer software libre, y si se les obliga a ello estaremos cerrando la puerta a muchos y muy buenos productos. En el mundo de los videojuegos, por ejemplo, hay muy poco software libre (y ahora me lloverán ejemplos de videojuegos libres, pero todos sabemos que no tienen la misma calidad) y tampoco creo que si algún quiere gastarse su dinero en un megacerrado videojuego pues que haga lo que quiera. También se que los principales oponentes a esta coexistencia no son los desarrolladores de software libre, sino Apple y Microsoft que intentan hacer sus sistemas lo más cerrado que pueden. La cuestión es que si conseguimos que una masa crítica use programas libres estas empresas verán que oponerse les reporta más pérdidas que beneficios. 

A modo de conclusión sólo decir que si queremos que cada vez haya más software libre y menos DRM y restricciones semejantes tenemos que cambiar un poco el punto de vista. En general si vais a explicarle a alguien la ventaja de tener Linux en vez de Windows o MacOS la estrategia de primero decirle que no sabe usarlo porque es tonto y luego soltarle un sermón porque tiene un Iphone no es una buena estrategia. 


Edición: Tanto en menéame como en los comentarios se me ha comentado que el título no casa con el artículo en si, tras releerlo he visto que realmente no me he expresado muy bien. El problema del software libre que menciono se resume en lo siguiente: considerar que usar software libre es "bueno" y software privativo "malo" e intentar que la gente use exclusivamente el primero. La gente debe ser libre de usar el software que considere oportuno y si alguien por motivos personales o profesionales decide pagar por ahorrarse algo de tiempo, por comodidad o lo que sea, pues muy bien. El futuro del software libre es la coexistencia con el software privativo, no la derrota de este. Aparte un problema no del software libre en si, pero sí de muchos defensores de este es considerar que la gente tiene la obligación de instalar en sus ordenadores lo que a ellos les de la gana. Si usas Windows en vez de Linux, es que eres un idiota o un vendido al capital y blahblahblah. Tratemos a la gente como personas adultas y capaces que saben que es lo que más les interesa en cada momento, enseñémosle que hay otras opciones, y si después de verlas y sopesarlas deciden seguir con lo que tienen pues muy bien, ni los tratemos de idiotas ni los juzguemos.


Esta obra es de Daniel Manzano Diosdado y tiene una licencia Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported License.