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Los sistemas receptores 15: Sistema sensorial del gusto

Nos estamos adentrando en el final de esta serie. Después de hablar de un variado abanico de sentidos aún nos queda tratar el del gusto. En la anterior entrada habíamos estudiado el sentido del olfato y el del gusto, al igual que él,  se trata de uno cuyas espoletas iniciales del proceso son moléculas químicas que provienen del exterior del organismo. Veamos cómo es el proceso neuronal de la sensación de los sabores, aunque antes recomiendo, si aún no lo has hecho, el leer las tres primeras entradas, de carácter general, de esta serie.

Los sensores gustativos primeros se encuentran en la cavidad bucal, principalmente en la lengua y en la faringe. En estas áreas se encuentran unas formaciones, las papilas gustativas, con variados aspectos, desde el que se asemeja a una seta hasta uno filiforme o bien con aspecto de vaso o incluso con algo semejante a hojas, en donde podemos encontrar a los receptores gustativos que no son más que unas células sensoras del estímulo exterior. Al igual que en las células sensoras que conocemos de otros sentidos, las del gusto disponen en su cabeza de unos canales iónicos que, como ya sabemos, a fin de cuentas se tratan de determinadas proteínas expresadas por algún gen de su ADN, y que se encuentran incrustadas en la membrana celular. Cuando encaja la molécula excitadora en su canal parejo se genera un desequilibrio iónico en el interior de la célula, que a la postre va a derivar en la generación de una emisión de neurotransmisores en su base.

Imagen de los diversos tipos de  papilas gustativas extraída de Anatomy of the Human Body, Henry Gray 1918 (Wikimedia, dominio público)

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Biografía del Universo 19: Lo que nos enseña la radiación de fondo II

seguimos con la teoría

En la entrada anterior de esta serie dedicada a la historia de nuestro Universo habíamos comenzado a analizar el espectro de anisotropías de la radiación de fondo de microondas. Este cúmulo de palabras encadenadas no quiere decir más que estamos hablando de la foto de los primeros fotones que se emanciparon de la materia en los momentos iniciales, cuando nuestro personaje estaba cumpliendo más o menos su 380.000 cumpleaños. Nos habíamos extendido al hablar del primer pico de dicho espectro, que nos había dicho mucho sobre la curvatura del Universo y de la composición de la materia. También nos había puesto sobre la pista de algo que llamábamos energía intrínseca al tejido espacio-temporal, cosa que conocemos más comúnmente como energía oscura. Y deducíamos que debía de haber mucha. Para que no se nos olvide, repetimos aquí abajo la imagen de lo que es nuestro campo de estudio y, además, también volvemos con su carnet de identidad, que incorpora muchos rasgos de su personalidad.

A la izquierda, mapa de la radiación de fondo de microondas (Imagen: European Space Agency, ESA, non-commercial use) y a la derecha, su espectro de potencia de las anisotropías (Wikimedia, dominio público)

Tras haber analizado el primer pico, ahora vamos a continuar la investigación atendiendo al segundo pico que aparece en la fotografía de la recombinación cuando bajamos a resoluciones más finas, lo que quiere decir menor ángulo θ o momento multipolar l mayor. Es como si en el campo circular de 1º del primer pico empezáramos a ser más puntillosos y lo compartimentáramos en círculos de menos radio. Al aplicar la lupa en estos terrenos podemos detectar más pormenores, de forma que si elegimos un radio de medio grado comenzaremos a apreciar los detalles producidos por la influencia del segundo armónico de la onda de sonido que, recordemos, tenía una longitud de onda la mitad que la del armónico fundamental.[1] El resultado de este rastreo más minucioso nos hace ver que próximo a l=500, lo que equivale a un ángulo de 0,4º, encontramos otro máximo en la curva del espectro. En la entrada anterior ya dijimos cómo se construye la curva[2] de forma que ahora ya sabemos que dentro del campo fijado por este ángulo de observación sobre el fondo del Universo vamos a encontrar un intervalo de temperaturas característico, menor al que detectamos en zonas abarcadas por ángulos mayores, y que es consecuencia de la superposición de influencias de los armónicos, tal como podemos intuir al ver la figura de más abajo. No nos debe sorprender, por tanto, que el segundo pico en las anisotropías aparezca donde aparece y que tenga una menor altura que el primero. Sigue leyendo ›

  1. Podéis repasar lo que se dijo acerca de este tema en ésta y ésta entrada. []
  2. Tomamos la máxima diferencia de temperaturas en campos de 0.4º, ΔTi, y sacamos su promedio, que será el dato para este ángulo en la curva de anisotropías. []

Biografía del Universo 18: Lo que nos enseña la radiación de fondo I

más teoría

En la entrada anterior presentamos a un gran momento del Universo: la recombinación. El Universo parió a los primeros átomos y la energía quedó libre de la materia, o viceversa, lo que permitió el inicio de los procesos de la definitiva compactación gravitatoria que ha dibujado las estructuras actuales del Cosmos. Nuestra serie sobre la Biografía del Universo continúa ahora con un objetivo: vamos a intentar destripar los misterios velados en la foto de la radiación de fondo de microondas. Lo que era quedó dicho en la última entrada. Para nuestro nuevo propósito contamos con el análisis de su espectro de anisotropías -su falta de homogeneidad espacial-, que iremos deshojando al igual que podemos hacerlo con el de frecuencias de las emisiones de un cuerpo negro.

Esas anisotropías llevan encriptadas en su apariencia grumosa: [1] la información de quiénes la hicieron como son, es decir, la composición de la masa -bariónica y oscura- y su relación con la densidad de la radiación; y [2] la información de lo que hicieron, el ritmo de expansión del Universo -constante de Hubble- y de su curvatura, que dependen de la cantidad de materia y energía total existente. Podéis imaginar que la realidad de su estudio es harto compleja, pero conceptualmente, y de forma simplificada, vamos a intentar explicar el proceso.

Esta imagen es el desarrollo en 2D de la superficie esférica más lejana,desde nos viene la radiación de fondo de microondas. Imaginémonos a nosotros como observadores situados en el centro de esa esfera desde donde lanzamos conos visuales que atrapan pequeñas áreas circulares de esta superficie. Es el comienzo de lo que se explica en el texto (Imagen: European Space Agency, ESA, non-commercial use)

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Biografía del Universo 17: El big flash

a los 380.000 años desde el inicio

Nos disponemos a abrir una nueva página crucial para el conocimiento de nuestro Universo, una nueva página de la historia descrita en esta serie sobre la Biografía del Universo. En la entrada anterior lo habíamos descrito con un ¡FLASH!… pero ahora voy a ser un poco más exagerado, porque  me atrevo a ponerle la etiqueta de ¡BIG FLASH! Como allí dijimos, el Universo estaba completando una larga sinfonía iniciada en su segundo t-35 de vida. Llegaron los últimos compases que conformaron la coda final del primer movimiento en la Sinfonía del Universo.[1] Está a punto de iniciarse el último tema musical… 380.000 años después se va a completar la obra con la aparición liberadora de los átomos libres interpretando una fanfarria de metales. Después sólo quedaría la reverberación de su eco. Aunque… ¡menuda reverberación!

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

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  1. Y no se trata de la obra inconclusa del compositor estadounidense Charles Ives. []

Los sistemas receptores 14: Sistema sensorial del olfato

Continuamos con nuestra serie “Los sistemas receptoresde la que sería muy conveniente, si aún no lo has hecho, que leyeras las tres primeras entradas que explican alguno de los conceptos que vas a ver en ésta. Nos toca analizar un par de sentidos que responden a determinadas excitaciones inducidas en nuestro cuerpo por compuestos químicos que vienen del exterior. Hablábamos ya de un aspecto de ello cuando estudiamos el sentido de la nocicepción y termocepción en la entrada sobre el dolor y la temperatura, en donde vimos cómo determinadas moléculas agredían nuestra dermis provocando dolor, o bien cómo la capsaicina o el mentol llegaban a estimular los sensores de la temperatura induciéndonos unas sensaciones de calor o frío. Pero no es de eso de lo que vamos a hablar ahora, ya que me estoy refiriendo básicamente a los sentidos del olfato y el gusto.

En particular, esta entrada la dedicaremos a ver qué procesos fisiológicos y neuronales se desencadenan cuando llega un estimulante químico exterior a nuestra pituitaria, la membrana mucosa que recubre el interior de ambas fosas nasales que, al final, nos va a producir esta sensación tan potente como es la paleta de olores del mundo que nos rodea. La evolución ha matizado las sensaciones olorosas que percibimos, de forma que normalmente lo que huele bien no es nocivo para nuestro organismo -incluso puede ser beneficioso- y lo que huele mal nos avisa de que, cuanto menos, hay que alejarse de ello como medida preventiva. Incluso la evolución nos ha regalado unas sutilezas casi “hedónicas”, al haber montado la posibilidad de integrar varias de las experiencias sensoriales: qué sería de los momentos en que nos proponemos deleitarnos con la comida sin la combinación de buen olor, buen sabor y agradable vista que nos genera el placer del gusto. ¿Qué éxito comercial tendría un perfume fragantemente oloroso y a la vez de un sospechoso color marrón “no digo qué”? ¿Qué éxito reproductor tendría una posible pareja exponente máximo de la perfección corporal, pero que huela a Sus estrofa doméstica ? Evidentemente, en esto último dejo aparte a los cerdos y cerdas.

Como ya se comentó en la entrada anterior, el sentido del olfato es evolutivamente uno de los más antiguos, y prueba de ello es la simplicidad del camino que conecta al elemento químico externo con el cerebro: el área olfativa es el único lugar donde el sistema nervioso central está en directo contacto con el medio ambiente, al ser colindantes los sensores externos y las estructuras corticales olfatorias. Nos da una clara pista de esta antigüedad el hecho de que en el desarrollo embrionario las estructuras cerebrales olfativas se inician y maduran antes que los núcleos talámicos. No nos ha de extrañar, por tanto, que a la corteza olfativa se la conozca como paleocorteza -del griego παλαιός, palaiós, “antiguo“- siendo sólo superada en antigüedad evolutiva por la corteza del cerebro emocional. Un reflejo de esta antigüedad lo tenemos en el cerebro de los vertebrados inferiores, en los que la corteza olfatoria es muy representativa tanto física como funcionalmente, ya que con ella gestionan sus trascendentales respuestas, que debemos imaginar como reflejos inconscientes, frente a los retos de la supervivencia.

Prolongaciones nerviosas que desde las fosas nasales forman en conjunto, al atravesar el hueso etmoides, el nervio olfatorio. Este último finaliza en el bulbo olfatorio, que en los vertebrados ya es parte del prosencéfalo (Anatomy of the Human Body, Henry Gray, wikimedia, dominio público)

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Biografía del Universo 16: La sinfonía del Universo II

a lo largo de los primeros 380.000 años

En la entrada anterior de esta serie descubrimos cómo el Universo, a lo largo de sus primeros 380.000 años, estaba compuesto por un plasma que perdía progresivamente su densidad por causa de la continua expansión que experimentaba el tejido espacio-temporal de base. Decíamos también que este plasma estaba rielado por una serie de ondas sonoras, consecuencia de las ondas de presión que generaban los movimientos de la materia. Una sinfonía cósmica. Repito la imagen que ya se propuso en la entrada anterior y que nos daba una buena idea de cómo las ondas particulares -imagen de la izquierda-, generadas gracias a la acción-reacción de la gravedad-radiación en una fluctuación cuántica primigenia local, se superponen -imagen de la derecha- para crear esta particular sinfonía global.[1]

Doy por hecho que habéis leído la entrada anterior para que podáis conectar sin problemas con esta entrada de hoy, que acabará por desvelar sus secretos.

     

Vayamos a por harina e intentemos entender su armonía. Porque si conseguimos distinguir en los acordes de esta melodía los violines de los oboes, los distintos instrumentos de su plantilla, quizás comprendamos mejor su ser. Para ello necesitamos introducir ciertos conceptos elementales de la física de los sonidos y de las matemáticas que la soportan. Que no cunda el pánico: seré muy suave. Sigue leyendo ›

  1. El pico central corresponde inicialmente a toda la materia, bariónica y oscura, más la radiación. Con el tiempo va quedando en el centro un pico de materia oscura con una excursión de la bariónica y la radiación hacia el límite de la onda, cuyo radio crecía al ritmo de la expansión del Universo. []

Los sistemas receptores 13: La audición II. Procesos superiores.

En la entrada anterior de esta serie sobre “Los sistemas receptores habíamos dejado a los potenciales de acción circulando por los axones del nervio auditivo, cada uno con su etiqueta específica que dice “por aquí llevo la información de una frecuencia sonora determinada, pero no sé ni cómo ni cuál es“. Este nervio, que conjuntamente con el vestibular que vimos en otra entrada se le conoce como nervio craneal número VIII, tiene un corto recorrido ya que sale de la cóclea y termina en el tronco encefálico, a la altura de la unión entre el bulbo raquídeo y el cerebelo, más o menos junto a la misma cóclea.

Allí, en el tronco, les esperan la segunda línea de neuronas [n2] situadas en un núcleo llamado coclear de las que podríamos esperar, a la vista de lo que ya sabemos que sucede en otros sentidos, que enviaran sus axones directamente hasta el tálamo en donde se situaría una nueva posta de la ruta auditiva. Sin embargo, aún siendo así en parte, en este caso es un poco más complejo. Las segundas neuronas formarán una serie de subnervios que ascienden por el tronco encefálico -unos mantendrán su lado y otros se cruzaran al contrario- que darán no sólo servicio al tálamo, sino también a pares -izquierdo y derecho- de núcleos neuronales situados en el propio tronco encefálico, por debajo del tálamo.

Esquema de las vías neuronales auditivas. Los puntos de colores corresponden a las neuronas que intervienen. Podemos observar cómo entre los núcleos cocleares y las olivas hay una comunicación directa y otra cruzada contralateral que permitirá la audiocalización. Lo mismo sucede en los colículos e incluso entre los tálamos (Imagen modificada de la red, ©Sinauer Associates. Inc, fair use)

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[De Thomson a Bohr, historia de un átomo] 0-Conceptos previos 7: Energía potencial

Seguimos con la serie de modelos atómicos. En el anterior artículo terminamos con el modelo de Thomson, un par de artículos algo complicados, es verdad, pero tengo la esperanza de que el lector haya aprendido algo sobre dicho modelo. Los siguientes artículos volverán a ser conceptos previos de física general (es decir, sin enfocarlos a la física atómica) para aprender algunos conceptos necesarios al presentar el modelo atómico de Rutherford. El primero, es decir, éste, es en realidad una ampliación del artículo donde hablamos sobre la energía potencial. Y en él vamos a centrarnos en la energía potencial electrostática.

Recordemos una definición que di en su momento sobre la energía potencial:

Primero definí lo que es una fuerza conservativa. Recordemos; una fuerza es conservativa si podemos llevar un objeto desde un punto A a un punto B realizando el mismo trabajo lo llevemos por donde lo llevemos. Teníamos esta imagen:

Es decir, el trabajo realizado por una fuerza conservativa para llevar un objeto desde el punto 1 al punto 2 es el mismo tanto por el camino S1 como por el camino S2. Bien, una vez identificamos que una fuerza es conservativa podemos definir una energía potencial “asociada” a esa fuerza; de hecho no podemos definir la energía potencial como tal, sino su variación. La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo por el simple hecho de estar sometido a una fuerza conservativa. Como en general las fuerzas suelen afectar a los objetos en cualquier punto del espacio, podemos decir por lo tanto que un objeto, solamente por estar en un punto del espacio tiene una energía potencial.

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Biografía del Universo 15: La sinfonía del Universo I

a lo largo de los primeros 380.000 años

A estas alturas de nuestra serie, y ya lo veníamos advirtiendo en anteriores entradas, sabemos que el Universo había emprendido un largo camino de monotonía que iba a durar casi cuatrocientos mil años. La radiación seguía dominando su dinámica, haciendo que continuara expandiéndose a un ritmo proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, por lo que progresivamente disminuía la densidad del plasma que rellenaba el Universo. Pasó por un momento en que tuvo la del agua, luego atravesó el nivel de la del aire y no paró, pues se encaminaba hacia un estado en el que cada centímetro cúbico iba a tener tan sólo unos 103 átomos.[1]

En estas condiciones, el plasma de núcleos ligeros, electrones, fotones, neutrinos y algunas partículas de otros sabores que formaba la esencia del Universo, era como un gas. Podemos imaginar a la materia de ese gas como un mar profundo que se movía meciéndose convulsivamente dibujando un patrón de ondas causadas por la gran alteración inflacionaria primigenia. Y al igual que el sonido es un vaivén en las moléculas del gas de la atmósfera, el plasma del Universo estaba también repleto de resonancias sonoras.

En un primer plano la representación artística de como debía moverse el plasma inicial del Universo impulsando unas ondas sonoras. En el horizonte lejano se proyecta nuestra época, en donde algunas galaxias lucen como congeladas luminarias de este sonido cósmico. A lo largo de estas entradas iremos explicando su trasfondo. (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

Podemos compararlo a una sala de conciertos, quizás escuchando la Octava Sinfonía de Beethoven, la Pequeña Sinfonía, con un ambiente que está repleto de sones, muchos de ellos ondas en el rango de frecuencias audibles para el hombre. Unas provendrán de los violines o las trompetas, y serán más agudas, mientras que otras las habrán emitido los contrabajos o los trombones y serán más graves. Montadas en las ondas fundamentales de cada instrumento se encuentran además cientos de armónicos, que dan colorido y cuerpo a la música de la sinfonía. Curiosamente, de la misma manera a como los armónicos de las ondas de presión en el plasma del Universo apuntalaban el futuro dibujo de la materia. Sigue leyendo ›

  1. Eso sería al final de esos 380.000 años. Añado aquí un sencillo cálculo para que nos hagamos idea: Sabemos que la composición de átomos en aquel momento era básicamente de 75% de hidrógeno y 25% de helio 4, por lo que un átomo medio pesaría [0,75 x 1 + 0,25 x 4]= 1,75 unidades de masa atómica (uma). Cada uma equivale a 1,7 x 10-27 kilogramos, luego la densidad sería 1,75 uma/cm3 x 1,7 x 10-27 kg/uma x 103 gr/kg x 103 átomos ≈ 3 x 10-21 gramos/ cm3. Por comparar: en condiciones normales la densidad del agua es de 1 gramo/ cm3 y la del aire, 1,4 x 10-3 gramos/ cm3 . []

Los sistemas receptores 12: La audición I. Detección.

En esta nueva entrada de la serie “Los sistemas receptores“, una vez acabado en la anterior el recorrido por el sentido de la visión, vamos a iniciar nuestro paseo por las rutas neuronales relacionadas con el sentido del oído. Una vez más, antes de empezar, la pregunta que me surge es: ¿qué hay ahí afuera, cuáles son las causas que me generan la experiencia subjetiva del sonido? Es una antigua pregunta que excitaba la imaginación lógica de los filósofos, que en el siglo XVIII discutían cosas tan abstractas como que si cuando caía un árbol en el bosque, y no había nadie para escucharlo, haría algún ruido o no. “Sólo conocemos lo que percibimos” decía el irlandés George Berkeley. Lo que un siglo antes ya era la opinión de filósofo francés René Descartes cuando en su libro “Principios de filosofía“, generalizando, opinaba que las cualidades secundarias de las cosas -colores, sonidos, gustos, olores y sensaciones táctiles- no existían fuera de nosotros sino en nosotros como sujetos “sintientes”. Nosotros nos vamos a hacer las mismas preguntas para al final descubrir, ahora para otra experiencia sensorial, que el ruido no existe: sólo existen ondas de presión que se transmiten por la materia.

Cualquier alteración de este tipo en el medio que nos rodea, ya sea éste el aire al andar, el agua al nadar, la pared al pegar la oreja… tiene en él un reflejo semejante a cuando lanzamos una piedra a la superficie de un líquido: se altera formando ondas, que no son más que la expresión material de las variaciones de presión que experimentan sus moléculas. La piedra iniciadora de la excitación, al entrar en el agua ejerce una fuerza -un empujón electromagnético entre los electrones de moléculas contiguas- sobre la primera capa del líquido, que se deforma disipando esta fuerza y que a su vez la transmite a la siguiente capa, que a su vez la transmite a la siguiente…. generando una cadena de ondas de presión. En el aire también se pueden generar estas ondas a partir de cualquier excitación iniciadora: un movimiento rápido de un cuerpo o un chorro de aire que penetre en el medio.

Simulación 2D de una onda de compresión iniciada en el punto central de la red y con una atenuación en el tiempo (Wikimedia, CC BY-SA 3.0)

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