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La biografía de la Vida 03. La Química se apunta a lo bio.

En la entrada anterior de la serie sobre La Biografía de la Vida explicábamos dos ideas que me parece importante recordar. En un primer bloque hablamos de algunas generalidades químicas, insinuando que el paso de la química prebiótica a la bioquímica y sus moléculas tuvo que ser algo inevitable en el mundo primigenio. Presentamos después las principales moléculas bioquímicas que tejerán y destejerán la Vida. Acabamos con un bloque acerca de las principales teorías acerca de cómo apareció la Vida sobre nuestro planeta. Hoy nos toca avanzar a través de un tema bastante arduo: Teorías sobre lo que pudo ser el camino más posible desde la química prebiótica hacia el mundo de la especialización biótica. En esta entrada hablaremos desde los inicios incipientes hasta el momento en que la trama estaba preparada para dar el salto a la complejidad. Nos moveremos por un terreno resbaladizo en donde algunas teorías son absolutamente deterministas con el suceso -la Vida fue un subproducto de lo obligado- y otras absolutamente azarosas, evolutivas y competitivas –la Vida como el resultado de un largo camino de circunstancias-.

Tengo que manifestar claramente mi admiración y asombro por la inteligencia y empeño que han manifestado todos y cada uno de los científicos que se atrevieron con tan arduo tema. Algunos de ellos saldrán a relucir a lo largo de las siguientes líneas.

Seguimos entre los ocultos recovecos del Hadeico: desde hace 4.570 hasta 3.800 millones de años.

Un posible primer arranque de motores

Los avances de la física estadística, de la secuenciación genética y la comprensión más rica de la química interestelar, geoquímica y bioquímica, han hecho que los científicos puedan imaginar cómo los sistemas naturales podrían haber alumbrado la existencia de la Vida. Una de las teorías clásicas la ha enunciado el biofísico Harold J. Morowitz en su libro Energy Flow in Biology (1979). La idea surgió al contemplar cómo actúa la geosfera en determinados procesos. Por ejemplo, la radiación solar es absorbida sobre la superficie del planeta, produciendo diferencias de temperatura en diferentes lugares. Físicamente, los principios generales de la geofísica serían capaces de aliviar estas diferencias mediante sencillos procesos de difusión. Sin embargo, este camino sería tremendamente lento, debido a la gran resistencia a seguir una sucesiva cadena de estados próximos al equilibrio. En su lugar la geosfera lo realiza mediante el transporte intenso y eficaz de energía mediante un flujo que se concreta en un frente de tormentas convectivas, como pueden ser los huracanes.

Huracán Katrina, un ejemplo para Harold Morowitz de canal de flujo energético (wikipedia, dominio público)

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Computador mágico XVI – El biestable síncrono

En el último capítulo de la serie vimos el biestable RS como celda básica de memoria. Vimos que tenía un comportamiento interesante: podíamos poner un 0, un 1, o pedirle que simplemente no modificara el valor que tenía almacenado. Esto era algo que, hasta ahora, no habíamos podido hacer con nuestras puertas lógicas: su salida siempre dependía exclusivamente de la entrada. En cambio, ahora tenemos un componente, el biestable, cuya salida no solo depende de la entrada, sino también de su estado anterior (es decir, de entradas anteriores).

Pero nos encontrábamos con un problema: el mundo no es ideal. En el mundo ideal, poner 0s y 1s es fácil, y podemos decidir poner un 1 aquí y un 0 allá y otro 0 acullá. Pero en el mundo real hacer eso, todo a la vez, es imposible. Las señales tardan un cierto tiempo (muy pequeño, pero no nulo) en propagarse por los cables. Los transistores tardan un cierto tiempo (pequeño, pero no nulo) en pasar de saturación a corte o viceversa. Es decir, que no todos los 1s y 0s se ponen a la vez en los circuitos combinacionales.

Así que lo que hacemos es introducir el concepto de entrada de sincronismo.

 

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La biografía de la Vida 02. Algunas generalidades

En la entrada anterior de la serie La Biografía de la Vida hablamos del escenario en donde se iba a desarrollar el drama. La Tierra comenzaba su andadura. Acabábamos planteando un hilo argumental sobre los puntos de encuentro de todos los organismos vivos, hilo que iremos desarrollando en un futuro, aunque hoy aún nos moveremos por temas muy generales, incluso elementales para la gran mayoría, que encuadran el camino. En un primer bloque de esta entrada la química es la protagonista y en él pretendo no sólo complementar el conocimiento con la presentación de los actores elementales, las moléculas orgánicas, sino también dejar en la mente de todos los lectores la idea de que los juegos de la química elemental, que más tarde dio origen a la química orgánica, fueron unos procesos naturales, elementales y obligatorios. La bioquímica tuvo que aparecer si o si. En un segundo bloque de esta entrada seguiremos con el relato biográfico, profundizando un escalón más en los misterios del inicio, aún dentro de los 770 millones de años que duró el  Hadeico.

De las profundidades de este eón, entre fuego y explosiones, a través de un agitado caminar hacia la estabilidad, surgieron como de la nada, empujados por las fuerzas universales, nuestro planeta Tierra, y sobre él una misteriosa Vida. En este momento de su biografía vamos a intentar desmadejar, en la medida de lo que el conocimiento actual nos permite, cómo sucedió todo.

En la entrada introductoria del Hadeico fuimos manejando muchas palabras nuevas, diferentes realidades moleculares y actores desconocidos, como no podía ser menos casi en el inicio de esta biografía. Hablaremos de todos tarde o temprano, empezando a continuación con los más elementales, que no por ello dejan de ser menos trascendentales, en los cimientos de esto que llamamos Vida. Sin ello puede quedar la tramoya ininteligible. Ahí va, pues, un poco de química.

La Vida pudo escoger a su viejo patriarca entre varios de los habitantes de la tabla periódica de elementos químicos. Pero eligió al Carbono.

Nuestro amigo el carbono

Y el Carbono organizó su trabajo echando mano de los elementos más abundantes del entorno que le rodeaba y que fueran compatibles con su especial “fenotipo” –su cara visible-: formaron el equipo de los bioelementos.  Los más frecuentes en los organismos vivos, de forma que entre todos ellos aportan más o menos un 96% de sus masas, son los siguientes: comenzando con el ya mencionado pivote, el carbono C, la relación continúa con el hidrógeno H, el oxígeno O, el nitrógeno N, el fósforo P y el azufre S. Luego, en menor proporción (3,9%) participan el calcio Ca, sodio Na, potasio K, cloro Cl, yodo I, magnesio Mg y hierro Fe.

Todos ellos pueden unirse formando diversas asociaciones químicas, las moléculas. Un poco más abajo intentaremos desmitificar la “alquimia” de tales enlaces.

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Música y ciencia -12 El gran cisma musical del siglo pasado.

En el artículo anterior de esta serie sobre Música y Ciencia llamábamos la atención acerca del inconveniente de razonar exclusivamente en base a notas y alteraciones, y decíamos, al terminar, que eso puede llevar a los músicos a caer en errores de concepto tan graves como querer fundar teorías que no resisten la prueba del cálculo matemático.

Una actitud tal como ésa podrá parecer incongruente, pero tuvo sus causas. Y, lógicamente, también tendría consecuencias. A comienzos del siglo XX se produjo un verdadero cisma musical cuyas causas fueron varias, pero también hay evidencias de que hubo carencia de bases científicas, por parte de los músicos, para hacer ciertas propuestas de reforma de la teoría general de la música. No es que tal cosa haya ocurrido por primera vez en la historia, pero ahora la irrupción de las nuevas ideas tuvo ribetes nunca vistos que perduran todavía hoy, en pleno siglo XXI. Me refiero a la ruptura de la tonalidad y sus consecuencias – incluso para los oyentes. Debido a que la ciencia fue invocada repetidas veces para fundamentar esa ruptura, ése será precisamente el enfoque que le daremos a este artículo.

La otra cara de la escala de 12 sonidos.

En el artículo dedicado al círculo de quintas indagábamos a fondo en el sistema tonal y la escala temperada de 12 sonidos. Vimos también que una música se puede definir como “tonal”  cuando utiliza únicamente 7 de los 12 sonidos de la escala cromática. Esos 7 sonidos, recordemos, son los que corresponden exclusivamente a la escala diatónica elegida para componer la música. Desde luego, éste es un ámbito bastante restringido, y los compositores comenzaron a recurrir forzosamente a los cambios de tonalidad, es decir, a las “modulaciones”, durante el desarrollo de una misma partitura. En otras palabras, utilizaron normalmente más de 7 sonidos a lo largo de una misma composición. Y, lógicamente, a medida que fueron combinando cada vez más cantidad de tonalidades en una misma obra, terminaron por utilizar casi constantemente la escala completa de 12 sonidos. En consecuencia, las obras así creadas parecieron carecer de un perfil tonal nítidamente definible. A causa de ello se creyó que la música había entrado en una fase nueva que sería irreversible: el atonalismo (ausencia de tonalidad).

Por otra parte, ese momento coincidió con el empuje del conocimiento científico y el desarrollo rápido de la tecnología que caracterizaron al siglo XX. Entonces, a pesar de una resistencia tenaz de parte de muchos artistas, surgiría con fuerza la iniciativa de apelar a la ciencia para explorar nuevos caminos.

Pues bien, esta iniciativa no encierra ninguna novedad. Como ya sabemos, la ciencia estuvo presente a lo largo de casi toda la historia de la música, y no pocas veces en forma decisiva y hasta profética. La escala de 12 sonidos es un buen ejemplo de esto que decimos. Ya en el año 234 AC., un teórico chino llamado Lin-Len escribió uno de los documentos más antiguos que se conocen relativos a la música, y ahí él ya calculaba una octava dividida en 12 semitonos, aunque sería recién en 1850 cuando se comenzaría a generalizar el uso del temperamento igual (con la evolución del piano moderno). Es decir, la escala de 12 sonidos es muy antigua y, de hecho, Pitágoras también había calculado una, si bien no era la escala temperada actual. Lo que estos hechos demuestran es bastante evidente: en todas las épocas los músicos tuvieron la necesidad de disponer de herramientas teóricas lo más exactas posibles para componer la música. Y la ciencia se las proporcionó.

Pero en ningún antecedente histórico ocurrió lo que sucedería, al transcurso de los siglos, con la escala temperada moderna: ésta heredaría de la Edad Media 7 nombres para las notas, los famosos Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Si, en tanto que los sonidos utilizables son, en realidad, 12. Tal hecho marcaría – sin exageración – casi un destino en los fundamentos teóricos de la música.

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¿De qué están hechas las cosas? – (I) Introducción

Era una cálida tarde de verano en la antigua Grecia… Lo siento, no me he podido resistir.

¿Más química? No solo está haciendo Pedro un apasionante trabajo contándonos los elementos que hay y dónde nos los encontramos, sino que Alex Girón está explicándonos detalladamente cómo funciona la tabla periódica, y qué compuestos hay. Mi humilde aportación en relación a lo que están haciendo esos dos genios es explicar química de una forma más de andar por casa, y ver por qué las cosas tienen las propiedades que tienen.

Los químicos presumimos de que todo es química. Hay química en el aire que respiras, en los yogures que comes de postre, en el tren que te lleva a trabajar y hay química también en la ropa que llevas puesta. Sin embargo, no hay química en todo; el hecho de que cuando tiras de la cadena el agua se escape por las tuberías no lo puede explicar la química, y tampoco puede explicar por qué el jefe que el otro día te gritaba hoy está arrepentido y te tiene en un altar.

Sin embargo, esto es una serie de química, y te quiero explicar por qué estudiamos la química, para qué nos vale y por qué nos interesa.

La química nos permite entender de qué están compuestas las sustancias, y qué diferencia hay entre una sustancia y otra. ¿Por qué los cristales se rompen con una pedrada y en cambio los ladrillos no? ¿Por qué si tiro un cañonazo a una pared de ladrillos se rompe, pero si se lo tiro al agua veo cómo se hunde sin que el agua se rompa? ¿Por qué las cosas son de colores distintos? ¿Por qué un anillo de hierro se oxida y uno de oro no? ¿De qué está compuesta la atmósfera, y por qué tiene esas propiedades? Esto se explica por la composición de los materiales; a diferente composición, los materiales van a tener propiedades diferentes, y eso nos lo explica la química.

Sin embargo, no sólo nos vale con saber qué elementos químicos hay en una estructura para saber las propiedades que van a tener. Necesitamos también conocer la estructura, es decir, como están “enganchadas” entre sí las partículas que lo forman. Seguro que tú, inteligente lector, te has preguntado muchas veces, ¿por qué algunos plásticos son transparentes y otros no, y por qué unos son duros y otros blandos, si están hechos a partir de más o menos lo mismo? ¿Por qué hay animales que pueden andar sobre el agua? ¿Por qué el aceite forma bolitas sobre el agua? Todo esto se explica por la estructura de las sustancias, y esto es especialmente importante en el caso de la bioquímica, que es la química de las cosas vivas como tú y como yo. A diferente estructura, los materiales tienen propiedades diferentes, y eso nos lo explica la química.

Pero, sin duda, lo más útil de la química es que explica las reacciones químicas. Las reacciones químicas son transformaciones de unas sustancias en otras. Esto suena a magia, pero es algo que haces siempre que vas a la cocina a prepararte unas salchichas. Unas cosas se transforman en otras, y eso lo usamos también para construir cosas en la industria. Además, las reacciones químicas biológicas explican por qué tienes resaca después de beber vino, entre otras cosas interesantes. ¿Adivinas cuál es la ciencia que estudia las reacciones químicas? La química, obvio.

Por eso la química es tan fabulosamente interesante, y por eso quiero contarte un poco de qué va. En el siguiente capítulo, si te parece, hablamos de cómo clasificamos los materiales.

Computador mágico XV – El biestable RS

En el último artículo  de esta serie diseñamos una ALU sencillita. La ALU era el bloque de lógica combinacional más complejo que hemos visto hasta ahora (y de hecho, aunque habrá bloques mucho más complejos que ese, no los diseñaremos en detalle; supondremos que has interiorizado el hecho de que son combinacionales y, por tanto, se pueden construir). En este artículo vamos a comenzar el camino hacia la lógica secuencial (ya veremos lo que es eso), presentando el biestable.

Un biestable es una cajita de electrónica capaz de almacenar un bit, y dejarlo allí hasta que pongamos otro bit (del mismo valor u otro). Es decir, es la unidad mínima de memoria. En inglés se les suele llamar flip-flop o latch.

Fíjate en que, con las cajas que hemos visto hasta ahora, esto no era posible. Imagina que tenemos una puerta NOT. Si en la entrada tengo un 1, en la salida tengo un 0. Pero si quito el 1, en la salida tengo… ¿qué tengo? Yo qué sé. Depende de lo que haya puesto cuando quité el 1, ¿no? Eso es lo que definía a la lógica combinacional: la salida dependía exclusivamente de la entrada. En cambio ahora vamos a ver un componentes cuya salida no depende únicamente de la entrada, sino del estado anterior.

Supongo que ese trabalenguas te parece ininteligible, así que vamos a meternos directamente en harina y verás cómo lo vas entendiendo. Te advierto, no obstante, de que será un artículo durillo, quizá requiera que lo leas un par de veces (por este motivo, será cortito).

 

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La biografía de la Vida 01. Hadeico

Iniciamos la andadura de nuestra aventura. En la entrada anterior de la serie La Biografía de la Vida, introductoria, había esbozado las líneas generales que van a enmarcar nuestro caminar. Ahora ya no queda más que ajustarse las botas y husmear por el escenario.

Comencemos por el inicio:

Se hizo la Tierra y la Vida. De 4.570 a 3.800 millones de años (mm aa)

La Tierra primitiva, eón Hadeico (también llamado Hádico o Hadeano), duró aproximadamente desde hace 4.570 hasta hace 3.800 millones años, es decir, un 16% de la vida de la Tierra, y fue un eón de formación y asentamiento. En la mitología griega Hades, de donde recibe el nombre este eón, alude al antiguo inframundo, la neblinosa y sombría morada de los muertos. Y realmente la Tierra en aquellos años se perdía en la niebla de lo desconocido, del calor y la confusión, como un infierno catastrófico y en llamas.

Hablaremos en esta entrada y siguientes de cómo apareció la Vida a partir de los más elementales átomos, incrementando su complejidad y cooperación, hasta la preservación de la información, replicación y transmisión de la misma. Hablaremos de los entornos donde surgió y donde, protegida, prosperó en forma de una primera célula procariota, la ancestral eubacteria.

Representación artística de cómo pudo ser la acreción del sistema solar, con el Sol central, la franja interior de planetas rocosos donde se estaba gestando la Tierra y la exterior de planetas gaseosos y helados (Wikipedia Dominio público)

Durante este período, probablemente, el Sistema Solar se estaba formando dentro de una gran nube de gas y polvo. En su centro se iba condensando la mayor parte de la materia que la constituía, al final un 98,8% del vecindario. La gran presión gravitatoria de esta masa encendió el horno del Sol, expulsando radiaciones que barrían los elementos más ligeros de sus proximidades, dejando sólo a los pesados, empujándolos hacia el espacio hasta encontrar una posición más cómoda. Allí, en cuatro zonas muy concretas, pudieron ya aglutinarse de acuerdo a los grumos que la gravedad iba formando.  Se estaban gestando los gigantes de gas Júpiter y Saturno, y los de hielo Urano y Neptuno. Próximo a ellos, ya suficientemente lejos del calor de la protoestrella central, hacía el suficiente frío (tanto que se le llama la “línea de hielo”) como para que sobre las motas de polvo de aluminio o de silicio que por allí se movieran pudieran congelarse poco a poco las moléculas de agua, metano y dióxido de carbono, formando cuerpos helados de todos los tamaños.

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El euro: Países Bajos

Queda cada vez menos para que esta serie, en la que analizamos una a una las caras nacionales de las monedas del euro, llegue a su fin. En el artículo anterior estuvimos en el segundo país más pequeño del mundo, el Principado de Mónaco; hoy interrumpiremos brevemente esta racha de países diminutos. Viajamos por última vez al norte de Europa: hablemos del Reino de los Países Bajos.[1]

Mapa

Localización de los Países Bajos en Europa. En verde clarito, la Unión Europea. (NuclearVacuum/CC BY-SA 3.0 Unported)

El país

BanderaEscudoEl Reino de los Países Bajos es un país un tanto complicado. Antiguamente era una federación integrada por dos países: los Países Bajos europeos propiamente dichos[2] y las Antillas Neerlandesas.[3][4] Ambos países compartían relaciones exteriores, defensa y ciudadanía, aunque las Antillas Neerlandesas no pertenecían a la Unión Europea. En el año 1986, Aruba decidió salir de las Antillas Neerlandesas, constituyendo un país aparte —pero aún dentro del Reino de los Países Bajos—. Finalmente, en 2010 y tras la celebración de un referéndum, las Antillas Neerlandesas fueron disueltas: Curazao[5] y San Martín[6] decidieron seguir los pasos de Aruba y separarse, mientras que el resto de islas —Bonaire, San Eustaquio[7] y Saba— pasaron a formar parte integral de los Países Bajos europeos, como municipios especiales u openbare lichamen, «entidades públicas». En conclusión, el Reino de los Países Bajos se encuentra hoy formado por cuatro países, Aruba, Curazao, San Martín y los Países Bajos: Aruba utiliza el florín arubeño y Curazao y San Martín siguen utilizando el antiguo florín de las Antillas Neerlandesas, así que solo los Países Bajos europeos usan el euro. A este país es al que me referiré a partir de ahora. Sigue leyendo ›

  1. En holandés: Koninkrijk der Nederlanden. []
  2. En holandés: Nederland. []
  3. En holandés: Nederlandse Antillen. []
  4. Más antiguamente, también pertenecía a esta federación la Guayana Holandesa, hoy país independiente llamado Surinam. []
  5. En holandés: Curaçao. []
  6. En holandés: Sint Maarten. []
  7. En holandés: Sint Eustatius. []

Computador mágico XIV – Unidad aritmético-lógica

Hemos dedicado los últimos capítulos de esta serie sobre todo a representar números en notación binaria y a operar con ellos. Incluso hicimos un sumador con lógica combinacional. Pero se nos ocurren más operaciones que podríamos hacer con ellos, ¿verdad? Como mínimo, podríamos querer restar, multiplicar y dividir números. Podríamos querer además hacer operaciones lógicas, como AND u OR de dos operandos, o incluso operaciones individuales sobre sus bits, como máscaras y desplazamientos. Podríamos comprobar si un valor es mayor que otro. O incluso operaciones matemáticas más complejas, como potencias, trigonometría, logaritmos… yo qué sé, las posibilidades son infinitas.

Pues eso es lo que vamos a hacer hoy: hacer un bloque funcional que se encargue de las operaciones aritméticas y lógicas entre palabras, al que llamaremos unidad aritmético-lógica.

 

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La biografía de la Vida: Una aventura maravillosa

Carta a la gran familia de El Cedazo (y El Tamiz), animado por los fuertes lazos “internáuticos” de tantos años de leer y ser desasnados por los mismos, variados y fantásticos pedagogos:

Respondiendo a la llamada de arrebato de Pedro, doy un temeroso paso adelante.

No sé si me estoy metiendo en un berenjenal, si intento iniciar el camino de un timo blogero más o si soy más arrojado que el Capitán Trueno. Queridos lectores de El Cedazo, ¡ahí va mi propuesta!

No soy un geólogo, ni un químico, ni tampoco físico ni biólogo: mi formación es de ingenierillo generalista. Con unas inquietudes que me han llevado a investigar por mi cuenta y riesgo en determinados temas. Uno de ellos responde a la pregunta de ¿la vida biológica es un acto de fe? ¿O es algo tan natural como la lluvia?

Con esta mochila inicié hace unos tres años una intensa y divertida aventura personal, que me llevó a husmear todo lo que me resultó interesante sobre el origen de la Vida. Muchos libros, muchos artículos, mucha página web. Sin más criterio que el que deducía al ir abriendo páginas que a su vez me llevaban al conocimiento de nuevos horizontes para explorar. Mi cabeza de jubilado me exigía tomar notas para no olvidar. Mi mente cuadriculada (me gustaría decir en su lugar “científica”) me llevó a enhebrar todas mis chuletas, encajarlas y darles una coherencia. A la vez me divertía, y mucho, el trabajo manual de edición y de ilustración.

El resultado ha sido un voluminoso y enciclopédico (para mí) tratado sobre lo que se teoriza hoy en día acerca de la Vida. ¿A que suena sublime?

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