En algún momento del pasado de la Tierra, estimado en aproximadamente 2.500 – 3.500 millones de años, tuvo lugar lo que denominamos revolución oxigénica, durante la cual las cianobacterias produjeron tanto oxígeno que la atmósfera y los océanos quedaron literalmente saturados de este nuevo compuesto químico. Tal producción de oxígeno afectó drásticamente a la biósfera del planeta. Antes de la revolución oxigénica, pocos organismos estaban adaptados para vivir en presencia de oxígeno abundante; las moléculas de oxígeno actuaban como un veneno, reaccionando con las moléculas orgánicas complejas y degradándolas. Debido a esto, la mayor parte de la vida existente en ese momento debió quedar exterminada; las cianobacterias serían responsables de una gran extinción masiva.

Por otro lado, los elevados niveles de oxígeno que se acumularon en la atmósfera dieron como resultado una capa de ozono, de vital importancia para la vida como la conocemos ahora. El ozono filtra los perniciosos rayos ultravioletas, que tienen un efecto especialmente perjudicial para los ácidos nucleicos, impidiendo que lleguen a la superficie de la Tierra. Si lo miramos desde esa perspectiva, es muy probable que el desarrollo de la vida fuera de los océanos y más aún, de toda la vida como la conocemos, incluso la nuestra, haya sido posible solo gracias a la capa de ozono, y por ende, a las cianobacterias que aportaron el abundante oxígeno para generarla.

En realidad, nosotros, simplemente somos una pequeña ramita del árbol de la vida. Hoy en día, es defícil encontrar algún bioquímico o geólogo, incluso entre los religosos (que no sean fanáticos), que pueda abrigar la menor duda acerca de las lineas maestras de la teoría de la evolución. Existen discrepancias en los detalles, pero ninguna sobre los aspectos generales y esenciales. Cuando un organismo vivo produce una copia de sí mismo, ésta es casi siempre perfecta, pero no lo es en todos los casos. Existen agentes exteriores que pueden, de alguna manera, incidir en la presentación de anomalías si inciden sobre el nucleo de la hélice del ácido nucleico de algún de radiación (como la luz ultravioleta que proviene del Sol, los rayos cósmicos, o la radiación que procede de sustancias radiactivas de la propia Tierra) que hace que sus átomos queden dispuestas de manera ligeramente diferentes y sean proclives a la mutación.

No todas las mutaciones son perjudiciales y, cuando son beneficiosas, el mutante y su descendencia tienen las mejores posibilidades de supervivencia. Así, la “selección naturtal” produce cambios que permanecen durante largos períodos de tiempo, y dan lugar a la aparición de nuevas especies que se adaptan al entorno cambiante que exige, de esas mutaciones. La evolución es, sencillamente, el proceso por el cual el “Azar” -mutaciones aleatorias- coopera con la leyes de la Naturaleza para formas de vida mejores y mejor adaptadas al medio que nunca será permanente y, si los seres vivos no cambias: ¡Les espera la extinción!

                  Los componentes de la vida están resparcidos por todo el Universo

Claro que, si creemos que la vida es ciudadana del universo sin fronteras, no debemos perder de vista la Panspermia, esas esporas viajeras que llegan a los mundos y en ellos, se posan y dejan pasar el tiempo para que, las condiciones locales, las radiaciones exteriores y propias del lugar, hagan su trabajo para que, con el tiempo suficiente por delante, puedan emerger y crecer hasta llegar a conformar seres con ideas y pensamientos. Como nos decía Einstein: “El Universo es igual en todas partes”. Y, si eso es así (que lo es), en todas las regiones del universo por muy alejadas que éstas puedan estar, rigen las mismas leyes y fuerzas fundamentales, brillan las estrellas de la secuencia principal de la misma manera para dar luz y calor a los mundos que, en las apropiadas condiciones, albergaran las formas de vida que su entorno pueda permitir.

La explosión de una estrella masiva, al final de su ciclo en la secuencia principal, hace que aparezca lo que conocemos como Supernova. El material exterior de la estrella primitiva sale eyectado al espacio interestelar a una velocidad apreciable y forma una Nebulosa de incluso años luz de diámetro. Los materiales sencillos y simples se convierten, en ese proceso, en materiales complejos y más pesados. La estrella origen del suceso, según sea su masa primitiva, será una estrella de Neutrones o un agujero negro. Los remanentes que podremos ver muchos años después del suceso, serán filamentos de plasma creados por diversos elementos.

De la misma manera que las estrellas se transforman, también ocurre, de forma similar, con la materia inerte que, bajo ciertas condiciones  especiales, puede llegar a transformarse en materia viva. El salto es descomunal. ¡Desde la materia inerte a los pensamientos!

Mirando este gráfico sobre la evolución de la vida en nuestro planeta y observando nuestra muy reciente aparición en la historia de este proceso, hemos llegado al surgir de la vida -en el contexto temporal del universo- hace muy poco tiempo, y, sin embargo, nos hemos apropiado del planeta y nos creemos los “reyes del mundo”, en realidad, somos un eslabón más en la evolución de la vida. ¿Qué vendrá después de nosotros?

                   Nuestra ignorancia nos llevó siempre a especular con el origen de la vida en nuestro planeta

Podemos concluir diciendo que, hace 5.000 millones de años nacía nuestra estrella, el Sol. Luego, hace 4.600 millones de años se formaron planetas, entre ellos nuestra querida Tierra. Según el fósil, la vida se origino poco después, hace aproximadamente 4.000 millones de años. Los relámpagos y la luz ultravioleta del Sol descomponían las moléculas ricas en hidrógeno de la atmósfera, estas a su vez se reorganizaban espontáneamente produciendo moléculas más y más complejas convirtiendo a los mares primitivos en una verdadera sopa orgánica. Los cometas, asteroides y meteoritos aportaron mucha agua y muchos compuestos químicos orgánicos que fueron esenciales para el posterior desarrollo de la vida en la Tierra. Algunos científicos especulan inclusive que las primeras formas de vida en nuestro planeta, las bacterias, llegaron transportadas en el interior acuoso de los cometas. Otra posibilidad que no se puede ignorar es que esas primeras bacterias hallan llegado a bordo de meteoritos provenientes de Marte en épocas en las cuales el planeta rojo era muy parecido a la Tierra.

Mientras seguimos investigando sobre lo que la vida es, amigos míos, procuremos preservar su cuna: ¡La Tierra! Este “mar” de tranquilidad y perfecta simetría en el que se producen los precisos sucesos para que todo siga igual. Movimientos tectónicos, erupciones volcánicas, terremotos…Todo tiene un por qué y, me estoy oliendo que ese por qué, tiene mucha relación con el hecho de que la Vida, siga presente aquí, en un planeta privilegiado que, situado en la parte interior del Brazo de Orión, a 30 000 años-luz del Centro Galáctico, hace posible que eso que llamamos vida, persista y siga evolucionando para que observe el Universo y llegue a comprenderlo.

¡Cuánto trabajo nos queda por delante!

La pregunta que nos ha llevado siempre de cabeza en relación al Origen de la Vida, no ha podido ser contestada todavía con la certeza científica que todos deseamos. Mucho se ha investigado y los avances y logros del conocimiento humano sobre lo que la vida es, ha dado un gran paso hasta el punto de que en la actualidad podemos estar seguros de muchas cosas relacionadas con la vida y, continuamos uniendo los hilos y atando los cabos sueltos que nos lleven a saber cómo pudo surgir la vida en nuestro planeta y, sobre todo, comprender los procesos que durante miles de años se han producido con ayuda de agentes externos para que, esa evolución, fuese posible.

Desde que el Ser Humano comenzara a pensar, siempre ha estado de actualidad la temática y la inquietante pregunta: ¿De dónde y cómo pudo surgir la vida en nuestro planeta? Desde las brumas de la mitología, hasta los orígenes de la Ciencia hemos estado batallando con esa inquietante pregunta y, según creo, así seguiremos hasta la consumación de los siglos, toda vez que, mientras no lleguemos al nivel más alto que la vida tiene destinado, es decir, ¡convertirse en pura luz! ¡Fundirse con la energía del universo! Hasta entonces, no llegaremos a comprender lo que la vida es.

emilio silvera

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de la gravedad a esa escala.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos de Van der Waals. fuerza tiene un alcance muy corto; para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente 1/r⁷. Esto significa que si se reduce la distancia dos átomos a la mitad de la fuerza de Van der Waals con la que se atraen uno a otro se hace 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza. El conocimiento de esta fuerza se debe a Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) con su tesis sobre la continuidad del líquido y gaseoso que le haría famoso, ya que en esa época (1873), la existencia de las moléculas y los átomos no estaba completamente aceptado.

La tensión superficial del agua, es el efecto físico (energía de atracción entre las moléculas) que “endurece” la capa superficial del agua en reposo y permite a algunos insectos, como el mosquito y otros desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

El famoso físico inglés James Clerk Maxwell, que formuló la teoría del electromagnetismo de Faraday, quedó muy impresionado por este de Van der Waals. Los tamaños de los seres uniceculares, animales y vegetales, se miden en micrómetros o “micras”, donde 1 micra es 1/1.000 de milímetro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pueden observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios es fascinante, pero no es el objeto de este trabajo, y continuaremos el viaje emprendido las partículas elementales que forman núcleos, átomos, células y materia, así como las fuerzas que intervienen en las interacciones fundamentales del universo y que afecta a todo lo que existe.

Hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Radiación de Cuerpo Negro

Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su , el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

Lo que Planck propuso fue “simplemente” que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. Ni más ni menos que la cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, eran inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse en una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, esto lo veremos más adelante.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida del espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de tal manera que con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

Si la mecánica cuántica tiene cosas extrañas y el espín es una de ellas. Y si uno piensa que la intuición le ayudará a comprender todo esto, pues no lo hará, o es poco probable que lo haga. Las partículas tienen un espín fundamental. Al igual que la carga eléctrica o la masa, el espín ayuda a definir que de partícula es cada una.

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

La posición y el momento de una partícula nunca lo podremos saber con precisión ilimitada.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo, la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

La mecánica cuántica es muy extraña a nuestro “sentido común”, sabemos que se desenvuelve en ese “universo” de lo muy pequeño, alejado de nuestra vida cotidiana en el macrocosmos tetradimensional que, no siempre coincide con lo que, en aquel otro ininitesimal acontece.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

Es cierto que, existe otro universo dentro de nuestro del que, aún, nos queda mucho por aprender.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de estricta formalidad. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un momento dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.”

emilio silvera