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Los sistemas receptores 11: La visión III. Procesos superiores.

Nos habíamos quedado en la entrada anterior de esta serie en el momento en que la señal visual, que se había iniciado en una célula fotorreceptora de la retina, había conseguido llegar en forma de potencial de acción, a través de una cadena formada por dos neuronas consecutivas, una [n1] en la misma retina y la segunda [n2] en el tálamo, hasta la corteza visual primaria V1, situada en la parte trasera del lóbulo occipital del neocórtex.

Es curioso el constatar que las proyecciones de estos axones que salen del tálamo y llegan a la corteza visual V1 lo hacen físicamente de tal forma que dibujan sobre esta corteza un mapa invertido –arriba/abajo, derecha/izquierda- de la realidad exterior que impresionó la retina. No en vano el ojo, y lo que hay inmediatamente detrás, trabaja como una “cámara fotográfica”. El resultado es algo similar al homúnculo representado sobre la corteza somatosensorial -del que ya hablamos en otra entrada- o sobre la corteza motora, aunque en este caso no es espacialmente figurativo, sino de asignación espacial de propiedades de la señal. Pero sigamos adelante.

Habíamos determinado que llegaba una información muy definida de acuerdo a determinadas etiquetas: lado del escenario visto, ojo de procedencia, color e intensidad luminosa, detalle de la vía Parvo frente a generalidad de la vía Magno y todo ello de acuerdo a un mapa retiniano de puntos o pequeños círculos, que llamamos campos receptivos, manifiestamente sensibles a los contrastes luminosos más que a la intensidad puntual en sí.

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Biografía del Universo 12: Los hadrones

de 10-6 segundos a 1 segundo desde el inicio

Recordamos de la entrada anterior de esta serie que en el tiempo t=10-6 segundos después de su inicio el Universo estaba formado por un medio al que llamamos plasma quark-gluón, aunque realmente había allí más partículas compañeras de viaje. Este plasma comienza a ser familiar para los físicos, puesto que ya ha sido recreado en experimentos realizados en algún acelerador de partículas como el del CERN.[1] Lo curioso del caso es que estos experimentos nos dicen que, más que a un gas, el plasma quark-gluón se asemeja a un líquido apenas viscoso, a pesar de que la teoría nos dice que la densidad es tremenda, puesto que corresponde a 1017 veces la del agua. En este momento de la vida del Universo se ha alcanzado un nivel energético que se encuentra en el entorno de 1 GeV, lo que equivale a una temperatura de crucero de 1013K.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Cronómetro 0: tiempo igual a t-6 segundos. Va a comenzar la transición de quarks a hadrones. La nómina de estos últimos, que son partículas que están formadas por dos o tres quarks, está compuesta por el  protón, el neutrón y algún que otro bosón raro, entre los que se encuentra el mesón pión, bosones que tienen su importancia en la fortaleza de los núcleos atómicos. Los quarks son unas partículas elementales que, por lo que sabemos hoy en día, creemos que no están compuestas de otras más pequeñas.[2] Los conocemos de seis “sabores” -se suele usar esta terminología-, seis quarks distintos emparejados de dos en dos. La masa de tres de ellos supera la energía promedio del momento, lo cual quiere decir que su única oportunidad de aparecer en escena es como producto en alguna reacción “ad-hoc” entre partículas o en una fluctuación cuántica de su campo, para luego desaparecer en un plazo brevísimo como corresponde a partículas pesadas. Cosas de la incertidumbre cuántica, ya sabemos. Los otros tres, ademas de estos caminos para nacer, y al tener una masa inferior a la energía del momento de 1 GeV, aún se generaban en parejas quark-antiquark por el choque de los fotones que en aquella época se movían con ese nivel de energía.

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  1. En este enlace podéis profundizar en el tema. []
  2. Claro que hasta hace unas décadas pensábamos que el protón y el neutrón eran a su vez elementales… []

Lo que se preguntan sus alumnos de 3º de la ESO – XXVIII: ¿Cómo se creó la primera estrella?

Hoy vamos a abordar en nuestra serie un nuevo interrogante planteado por los alumnos de 3º de la ESO del profe Lorenzo Hernández: “¿Cómo se creó la primera estrella?”. Como diría Tirso de Molina en su Burlador de Sevilla, “¡Cuán largo me lo fiáis!”. Pero sí, en algún momento tuvo que comenzar a lucir la primera estrella, la Eva de la familia de las poco más o menos 1022 astros que pensamos que palpitan en el volumen de nuestro Universo observable.

Eso debió de pasar hace mucho tiempo. Tanto que aún andamos con nuestros telescopios y nuestras tecnologías sondeando el Cosmos más profundo en busca de tan ancestral abuela. Porque estamos hablando de darnos un paseo en el pasado de hace unos 13.700 millones de años… cuando nuestro Universo era un pipiolo de tan sólo unos cien millones de años o poco más.

¿Quieres ver algo realmente joven joven de hace mucho mucho tiempo? Aquí tienes a la galaxia GN-z11, una imagen de hace 13.400 millones de años. Algo parecido debió ser donde se encendió la primera estrella un par de cientos de millones de años antes (WikimediaNASA Hubble site, dominio público)

Unos pocos años antes, cuando el Universo cumplió los 380.000 mil años, se había aclarado el panorama. Anteriormente, la materia y la radiación estaban amalgamadas en un plasma no demasiado espeso en donde los electrones andaban electromagnéticamente tras los protones -y tras los núcleos de helio, que a fin de cuentas tienen dos protones y… dos neutrones- y en donde los fotones iban tras los electrones importunándoles con sus empujones, empujones que conocemos como interacciones Thomson. Y toda esta materia “normal”, junto con la radiación, bailando al son de lo que decía la materia oscura. Eso era el Universo en aquellos momentos. Sigue leyendo ›

Los sistemas receptores 10: La visión II. Procesos intermedios.

En la entrada anterior de la serie “Los sistemas receptores” estudiamos el cómo del proceso visual, por el que la entrada de un fotón luminoso al ojo genera en el fondo de la retina un potencial de acción, potencial que va a discurrir por los axones que conforman el nervio óptico hacia el interior del encéfalo. Se trata de los de las neuronas que hacen el primer relevo en el conjunto de las autopistas visuales. El espectáculo, por tanto, lo habíamos dejado en marcha. Veamos ahora como continúa. Como siempre en estas entradas recomiendo la lectura de las tres primeras de esta serie que os ayudarán a navegar por lo que hoy digamos.

El mundo que apreciamos es tridimensional, esto es evidente. Pero a la hora de ver lo que sea que haya ahí afuera, el cerebro ha preferido dividirlo en dos espacios, el derecho y el izquierdo. Cada uno de ellos se procesa en uno de los hemisferios cerebrales, aunque con la sutileza de que aplica una contralateralidad: el hemisferio derecho “contempla” el mundo exterior izquierdo, mientras que el hemisferio izquierdo hace lo propio con el mundo externo derecho. Ambos hemisferios están conectados por un haz poderoso de “autopistas” nerviosas, por lo que esta división del mundo en derecho e izquierdo no es al final un problema, ya que nuestra gran masa encefálica se encarga de integrar los dos aspectos y así proponernos una realidad unitaria útil.

Sin embargo, si hablamos de la información inicial a nivel del ojo, observamos que en la retina de cada uno de ellos se reciben datos del total del escenario por delante de ellos. En los dos ojos las mitades derechas de sus retinas reciben los fotones que provienen de la izquierda del escenario, ya que la luz que viene de la izquierda tras cruzar las estructuras ópticas del ojo se proyecta sobre el lado derecho de su interior, y lo contrario sucede en las mitades izquierdas de las retinas, sobre las que se proyectan los fotones que provienen de la derecha del escenario. Luego, toda esta información de la derecha o la izquierda del campo visual se canaliza, aunque aún de forma separada, por el nervio óptico de cada ojo hacia las siguientes estructuras de procesamiento visual en el sistema nervioso. Pero si esto es así, ¿cómo es que he dicho que cada hemisferio cerebral procesa contralateralmente sólo la mitad del escenario? ¿en qué momento se disciernen ambas informaciones?

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Biografía del Universo 11: La liberación de la fuerza débil II

 de 10-12 a 10-6 segundos desde el inicio

Al final de la última entrada de esta serie sobre la Biografía del Universo me había tomado la licencia de interrumpirla, dado que con más de 1.700 palabras, e imaginando lo que faltaba, se me escapaba una vez más hacia una longitud que podríamos calificar cuanto menos como no prudente. El relato estaba trascurriendo en la época que conocemos como electrodébil. La energía del Universo había descendido hasta niveles adecuados para que pudieran suceder dos cosas muy trascendentales para su futuro: la “condensación” de la partícula Higgs y la consiguiente rotura del campo electrodébil. Allí habíamos comentado los correspondientes detalles y nos habíamos quedado en una descripción teórica de cómo Higgs pudo engendrar una masa en las partículas elementales. Recuperemos algún párrafo que nos enlace con lo de hoy.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

“¿Por qué pasan este tipo de cosas? Voy a intentar explicarlo en los párrafos que vienen, una digresión teórica referente a lo que hemos dicho que pasó con el campo de Higgs. Una explicación muy simple, espantosamente simple, aunque creo que clara, de por qué creemos que sucede esta dinámica en algún tipo de campo.” [1] Sigue leyendo ›

  1. Si queréis un poco mas de profundidad entendible os recomiendo que leáis estas dos entradas del blog “Of particular significance”. La primera, general sobre la interactuación entre campos relativistas enlazados y la segunda, que se apoya en la anterior, para explicar matemáticamente cómo Higgs induce masa en otros campos que en principio no la tenían. []

Biografía del Universo 10: La liberación de la fuerza débil I

de 10-12 a 10-6 segundos desde el inicio

Llegó el momento t=10-12 segundos desde el principio. Comienza la época electrodébil. Espero que al final de esta entrada de la serie sobre la Biografía del Universo se entienda el porqué se llama así. En estos momentos de la historia del Cosmos nuestro personaje había estirado sus estructuras desde la época del recalentamiento en un factor de 1010. Aunque el tamaño total del Universo es un arcano, podemos hacer uso de la imaginación y pensar que la naranja que surgió de la inflación pudo pasar a ser una “esfera” de unos mil millones de kilómetros: el campo de juego en aquellos tiempos cabría entre el Sol y Júpiter. En esta inmensidad pongamos una cabeza de alfiler de medio milímetro de diámetro ¿lo véis? pues eso que creéis ver es justamente lo que ocupaba el universo observable, habían pasado 10-12 segundos y la luz sólo podía haberse desplazado el radio de esta esferilla.[1]  Aquella pequeña naranja que fue en el momento 10-32 segundos ahora había crecido y, aunque menos que entonces, aún seguía siendo un mundo denso, muy denso, 1025 veces más denso que el agua de nuestras piscinas.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Habíamos quedado al final de la entrada anterior que los habitantes de tan apretado barrio eran los bosones, tales como los gravitacionales gravitones -si realmente existen, porque aún no los hemos visto-, los electromagnéticos fotones y los gluones y bosones W y Z de las fuerzas nucleares.[2] También revoloteaban por allí los bosones de Higgs, no sabemos si de cuatro tipos o quizá más: todo depende de la imaginación de los físicos matemáticos. También estaban presentes las “partículas” de la materia, los “fermionosos” quarks, electrones, neutrinos y alguno más. Y no me gustaría olvidarme que nuestro mundo es como es gracias a la materia oscura, así que tenemos que añadir al cóctel las posibles partículas asociadas, quizás los axiones o quizás los neutralinos, aunque no tengamos ni idea de lo que son.

A excepción de los bosones de Higgs, todos tenían una característica que los hacía diferentes a como los vemos en nuestros días: no tenían masa, o quizás muy poca, del orden de la de los neutrinos. Lo cual quiere decir, como nos ilustró Einstein, que se desplazaban a la velocidad de la luz o muy próxima a ella. Así había sido desde el principio.

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  1. Como universo observable entendemos a una región parcial del Universo total, una esfera con nosotros de observadores en el centro en la que la luz emitida por los puntos frontera más exteriores ha tenido tiempo de llegar hasta el centro de la esfera. Lo que quiere decir que estos puntos frontera se encuentran a una distancia tiempo-luz de nosotros igual a la edad del Universo en el momento. Hoy su edad es de 13.800 millones de años-luz, que ampliados por el efecto de la expansión equivalen a unos 5×1023 kilómetros de radio de la esfera observable. El resto del Universo es inalcanzable. []
  2. Realmente en esta época los fotones y los bosones W y Z eran indistinguibles. Habría que esperar todavía un poco a que el campo de Higgs hiciera sus diabluras y los diferenciara. []

Los sistemas receptores 09: La visión I. Detección.

Esta entrada de la serie “Los sistemas receptores” vamos a dedicarla a explorar el sistema de la percepción visual. Y antes de entrar definitivamente en harina, como ya os comenté en otras entradas, permitidme que os recomiende que repaséis las tres primeras de esta serie si no las habéis leído ya. ¿Leídas…? Pues adelante.

A los que no tenemos problemas irresolubles con el sistema de percepción de la visión, como pudieran ser la ceguera u otras minusvalías importantes, nos parece que éste es el sentido “por excelencia”. ¡Ver para creer! ¡Si no lo veo no lo creo! ¡De lo que no veas ni la mitad te creas! dice el sabio refranero popular: ¿qué haríamos sin poder ver nada de lo que pueda haber por ahí afuera? ¡Si lo primero que se nos viene a la mente son imágenes de lo recordado o de lo que estamos planificando para el futuro! No obstante, no me atrevo a decir que si me faltara la vista iba a ser incapaz de vivir, puesto que hay mucha gente que nos demuestra lo contrario al manejarse perfectamente sin este sentido. Pero… la verdad es que yo veo bien y no me gustaría dejar de hacerlo. Es mi percepción, como también la tiene cualquier otro animal mamífero de la especie humana. Posiblemente sería distinta si yo fuera un topo. Y con toda seguridad lo sería si fuera una libélula, con sus magníficos ojos compuestos.

¿Por qué esta sensación de sentido preeminente? Quizás -posiblemente- sea una mera impresión subjetiva de los humanos. O quizás su importancia resida en el inconsciente de la complejidad estructural de las cortezas dedicadas a la visión, indicio de la complejidad de los procesamiento cerebrales implicados. O tal vez quizás sea porque la retina es realmente parte de la masa encefálica y, aunque se hable de un nervio óptico, no lo es como una estructura independiente del cerebro. Si estudiamos el desarrollo de un embrión veremos que casi a la par de que en su tubo neuronal aparece el tálamo, a su lado, y casi en el mismo momento, aparece otra prolongación, la vesícula óptica, que dará lugar más tarde a la retina y a la capa celular pigmentada que la recubre. Sea lo que sea, la información que presenta al cerebro es fundamental para sus procesos mentales y de percepción. Ahí afuera hay cosas que se interrelacionan electromagnéticamente, que emiten y reciben continuamente fotones. Algunos de estos llegan a nuestros ojos e incluso, de entre ellos, hay algunos que al ser detectados pueden generar en nosotros percepciones de cosas sólidas y de colores.

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Biografía del Universo 09: Una sopa con mucha radiación

de 10-32 a 10-12 segundos desde el inicio

Después de unas entradas con contenido más teórico que biográfico, por otro lado necesarias para comprender mejor lo que vamos a leer, proseguimos en ésta con el transcurrir de la historia del Universo, que es el objeto último de esta serie. Volvamos a nuestro Universo del tamaño de una naranja, allí por el momento 10-32 segundos tras el Big Bang… más o menos. Hay opiniones al respecto del momento concreto del suceso, pero me parece que para nuestra historia del Cosmos son irrelevantes. Sabemos que fue muy al principio y en un momento que se había roto ya lo que postulaba la teoría de la Gran Unificación (GUT), al haberse liberado la fuerza nuclear fuerte de sus dos compañeras, la débil y la electromagnética, que siguieron formando un tandem (la fuerza electrodébil). Gracias al campo inflatón el Universo se había duplicado unas cien veces, tras lo que se había producido un intercambio de cromos: energía interna por materia y radiación, en un entorno de gran densidad y mucha temperatura, 1028K. Tras el recalentamiento habían quedado reliquias de ciertas fluctuaciones cuánticas, las cuales hacían que la distribución energética, o de masas, o de temperatura, que prácticamente es lo mismo, presentara unas tenues irregularidades. Las partículas y la radiación danzante conformaban un plasma por el que se transmitían ondas de presión semejantes a unas ondas sonoras.

Nuestro Universo era joven y, como parece corresponder a la edad, subversivo y alborotador, pero aún tendremos que esperar mucho tiempo para observar en él un cambio sustancial. Al poco de salir de la inflación este plasma violento había atemperado sus turbulencias, continuando su camino, activo y agitado, pero hacia un estado cada vez más asentado en el equilibrio termodinámico. La expansión del tejido base seguía su ritmo persistente, aunque ahora mucho más atemperado. La propia expansión difuminaba los grumos de fluctuaciones cuánticas que, como dijimos, habían aparecido a lo largo de la excursión del campo inflatón hacia su mínima energía.[1] Así, el cuerpo del Universo se iba transformando paulatinamente en una nube de plasma cada vez más uniforme, conservando el recuerdo de sus irregularidades, sus rincones de mayor o menor energía, reliquias precisamente de aquellas fluctuaciones cuánticas. Por delante le quedaba unos 380.000 años de sopa de partículas y radiación. En realidad, más de lo último que de lo primero.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Estamos entrando en una nueva era que conocemos como la época electrodébil,[2] durante la que va culminando el proceso de bariogénesis[3] por el que la que la materia se va a decantar definitivamente frente a la antimateria, permitiendo el nacimiento de los quarks que con el tiempo acabarán formando los protones y los neutrones… en fin, la familia de los bariones.[4] Pero veamos con un poco más de detalle qué pudo pasar a lo largo de esta fase¿Qué tipo de partículas fueron posibles en aquel escenario?

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  1. Podéis repasar el tema releyendo la cuarta entrada de esta serie. []
  2. Recordemos cómo ya se había roto la simetría GUT, separándose la interacción nuclear fuerte de la interacción electrodébil. De ahí el nombre. []
  3. Recordemos que este concepto se desarrolló en la entrada anterior y que, de forma diferente a lo que parece sugerir el nombre, se trata del proceso mediante el cual la materia dominó a la antimateria. []
  4. Recuerdo aquí otra vez lo útil de leer la serie de El Tamiz “Esas maravillosas partículas”, o bien releer la entrada número 7 de esta serie. []

Los sistemas receptores 08: Dolor y temperatura

En esta entrada de la serie “Los sistemas receptores” vamos a analizar el sentido nociceptivo, etimológicamente noci-, daño, capere, coger. Es decir, el que nos va a dar al final la percepción del dolor. Y de la temperatura, que a veces se percibe también como dolorosa. En cualquier caso, nos vamos a quedar exclusivamente en la descripción de la captación de las señales que se van a sentir como dolorosas y en el transporte de esta información hasta el cerebro. No vamos a profundizar en el detalle de la evidente influencia de las emociones en la percepción del dolor, aunque daremos alguna pincelada del momento del proceso en donde se mueven y los sistemas neuronales que intervienen. Y, como ya os comenté en otras entradas, antes de entrar definitivamente en harina os recomiendo que repaséis las tres primeras de esta serie si no las habéis leído ya.

Quién puede dudar acerca de la importancia vital de “sentir” el dolor. Lo podemos imaginar en esta situación hipotética: Estoy tratando de sobrevivir lo mejor que puedo en una cabaña perdida entre las nieves de la montaña, tras una larga jornada de esfuerzo. El frío es aterrador, pero me da igual, tengo encendida una gran fogata que me proporciona por delante las calorías que voy perdiendo por la fría espalda. Estoy participando de una interesante charla con mis colegas, tan interesante que casi no me doy cuenta de que he acercado demasiado el pie hacia el fuego. De repente huelo a carne asada, miro a todos los lados, hasta que me fijo en que mis pantorrillas lucen un agradable colorido de un churrasco de morcillo, mientras destilan unos olorosos vapores que han excitado mi pituitaria. ¡Dios mío, no he notado el calor, no me ha funcionado mi sentido de la temperatura y del dolor! Me he puesto en riesgo de perder la pierna. Realmente acabo de apreciar el valor vital del sentido de la nocicepción.

Por lo general ese sentido actúa avisándonos en todo momento de la potencial amenaza que incorpora un variado abanico de circunstancias con las que nos podemos encontrar en el día a día. Nos va a alertar de un daño que podría recibir nuestro cuerpo, por lo que es fácil hacernos idea acerca de la importancia de esta herramienta en nuestro continuo navegar por el mundo que nos rodea. Y no sólo nos ayuda en este aspecto, sino que también colabora con nuestro sistema de propiocepción –el conocimiento en cada momento del estado de la arquitectura física de nuestro cuerpo-, con quien comparte estructuras y de cuya importancia hemos hablado en otra entrada anterior.

Entremos ya en la descripción de las estructuras sensoras de aquellos estímulos externos que a la fin nos van a producir percepciones de dolor o de temperatura. Los nociceptores varían según su localización en el organismo o según el tipo de estímulo lesivo que los excita –químico, mecánico o térmico-. La mayoría se encuentran en la piel, pero también los hay en el interior del cuerpo, como puede ser la superficie de las articulaciones y de los huesos, o en algunos órganos.

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¿Has leído… El Enigma de Fermat, de Simon Singh?

He encontrado una demostración absolutamente maravillosa, pero el margen de esta hoja es demasiado estrecho para incluirla…

Pierre de Fermat

Pierre de Fermat

Esta breve frase, anotada en el margen de la copia de la Aritmética de Diofanto de Alejandría que poseía el gran matemático Pierre de Fermat (de hecho era su libro de cabecera), ha llevado de cabeza a muchas generaciones de matemáticos durante trescientos cincuenta años. Estaba escrita al lado de uno más de los numerosos teoremas que Fermat había escrito en su Aritmética, uno aparentemente sencillo:

La ecuación xn = yn + zn no tiene soluciones enteras, siendo n mayor que 2”.[1]

Es decir, no es posible encontrar cuatro números enteros x,y,z,n tales que se cumpla la ecuación anterior cuando el exponente n es mayor que dos. Ninguna combinación posible de las infinitas existentes satisface la igualdad xn = yn + zn. Ni una sola.

Se trata de un enunciado sencillo, que cualquiera puede entender, uno más entre los muchos que dejó Fermat para la posteridad a su muerte, uno entre tantos, para el que había “encontrado una demostración maravillosa…”, pero que a pesar de ello se ha resistido a los intentos de demostración de los más insignes matemáticos: Euler, Cauchy, Sophie Germain, Dirichlet, Legendre, Galois, etc.

Este libro que hoy os recomiendo, escrito por el periodista científico británico Simon Singh, muestra de una forma amena, casi novelada, la historia de la resolución de este famoso teorema a lo largo de los siglos hasta que finalmente el matemático británico Andrew Wiles lo consiguiera en 1995. Un viaje desde que se fundó la escuela pitagórica en el siglo V antes de Cristo hasta su demostración final en el siglo XX, casi ya en el XXI. La resolución del “Último Teorema de Fermat”.

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  1. En realidad Pierre de Fermat no lo dijo de esta manera tan simple. Lo que escribió en el margen de la Aritmética, en latín, desde luego, el idioma de la ciencia en el siglo XVII, fue: Cubum autem in duos cubos, aut quadratoquadratum in duos quadratoquadratos, et generaliter nullam in infinitum ultra quadratum potestatem in duos eiusdem nominis fas est dividere cuius rei demonstrationem mirabilem sane detexi, hanc marginis exiguitas non caperet. Es decir: Es imposible descomponer un cubo en dos cubos, un bicuadrado en dos bicuadrados, y en general, una potencia cualquiera, aparte del cuadrado, en dos potencias del mismo exponente. He encontrado una demostración realmente maravillosa, pero el margen del libro es muy estrecho para incluirla. []