Los nuevos descubrimientos, los experimentos que incansablemente se llevan a cabo en todos los laboratorios del mundo y que hace posible que cada día, sepamos más de nosotros mismos y de cómo funciona nuestro organismo. Se han descubierto los mecanismos mediante los cuales, el Sulfuro de Hidrógeno (H2S), protege a nuestros organismo al proteger a las Mitocondrias, y, eso hace posible que el envejecimiento sea más lento en nosotros.

El H2S, o sulfuro de hidrógeno, puede causar daño en el organismo dependiendo de la concentración y el tiempo de exposición, siendo un gas tóxico y peligroso. Puede provocar irritación en los ojos y el tracto respiratorio.

Si llegamos a poder saber la manera de restringir en nuestra dieta la presencia de 2 aminoácido (la metionina y la cisteína), incrementaremos la producción de H2S y se reducen los daños en nuestro organismo. La principal cuestión a tener en cuenta es que la ingestión sea somera, es decir, que no comamos más de lo necesario y, se ha demostrado que, comer de manera moderada, es conveniente para nuestra Salud.

Así que debemos procurar que las mitocondrias (en simbiosis con nuestro organismo desde tiempos ancestrales), tengan unas condiciones idóneas para su propia salud, y. ya que son los motores que nos proporcionan la energía a nosotros., si ellas están saludables será beneficioso para nosotros. ¿Cómo hacer posible que todo esto se pueda llevar a buen término? Bueno, actualmente, equipos especializados están estudiando sobre el tema y, finalmente, conseguirán su objetivo de que nuestras vidas sean más largas dentro de un estado de salud que llegará a duplicar la vida media de los seres humanos.

En este punto, quisiera recordar aquí un trabajo que publicó  la Revista de la Real Sociedad Española de Física, y, nos constaba como el CERN con su LHC, además de investigar los componentes de la materia, había colaborado y estaba al Servicio de la Salud (entre otras muchas cosas).

                                                               Partículas y mucho más

Los lectores de la Revista Española de Física han oído más de una vez hablar del CERN. Fundado en 1954, constituye el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, con veinte países miembros y un personal de unas 3.000 personas entre físicos, ingenieros y personal técnico y administrativo de todo tipo. Seguramente están también al tanto de los grandes experimentos que se están preparando en este centro como el Large Hadron Collider (LHC), situado en un túnel circular de 27 km de longitud, destinado a elucidar el origen de la llamada ruptura de la simetría electrodébil y en última instancia el origen de las masas de las partículas elementales (no de la masa del protón o del neutrón como erróneamente se dice a veces en los medios de comunicación), o del proyecto CERN Neutrino Gran Sasso (CNGS), que consiste en enviar un haz de neutrinos de alta energía desde el CERN al laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso que se encuentra a 730 km, para estudiar las oscilaciones de estas huidizas partículas.

También es muy probable que muchos lectores asocien de manera natural la palabra acelerador de partículas  a los instrumentos que utilizan los físicos modernos para estudiar y comprender mejor la estructura y el comportamiento de la materia a pequeñas escalas. Sin embargo, de los 17.000 aceleradores de partículas que se estima existen en la actualidad en todo el mundo, aproximadamente la mitad de ellos se usan en medicina y sólo una parte muy pequeña se usan para investigación fundamental. Por este y otros motivos que se discutirán más adelante, en este número especial de la Revista Española de Física dedicado a la física y las ciencias de la vida, ha parecido conveniente incluir un artículo en el que, al menos brevemente, se describieran algunas de las transferencias tecnológicas (spinoffs) importantes que la actividad del CERN aporta a dichas ciencias.

    Mucho de lo que aquí se descubre, se aplica a nuestra Salud

Es bastante razonable que, como ocurre con las ciencias del espacio, mucha gente se pregunte cuál es la utilidad social de la física de partículas más allá  de la adquisición de conocimientos fundamentales de la naturaleza. Sin embargo, es preciso señalar que los aceleradores y detectores de partículas del CERN y otros laboratorios similares requieren el uso, y muchas veces el desarrollo, de tecnologías de punta que obligan a una estrecha colaboración con la industria  que redunda en beneficio de ambas partes. Las transferencias tecnológicas que se producen en este proceso se incorporan inmediatamente a nuestra vida diaria en áreas tales como la electrónica, procesamiento industrial y médico de imágenes, manejo y usos de la radiación , metrología, nuevos materiales, tecnologías de la computación y la información, tratamiento del cáncer, etc. En este artículo se pondrá el énfasis en aquellas actividades del CERN que han redundado de una forma más clara en beneficio de las ciencias biomédicas.

        PET/TC o más allá de los rayos X

En el ámbito de la medicina los aceleradores de partículas se utilizan con dos finalidades; una para la formación de imágenes con propósitos diagnósticos y otra, para terapia, principalmente oncológica. Desde el descubrimiento de los rayos X por Röntgen en 1895, este tipo de radiación electromagnética ha proporcionado una información de valor incalculable y aún sigue proporcionándola. Sin embargo, mucho más recientemente, se han desarrollado otras técnicas complementarias de diagnóstico basadas en los llamados radiofármacos. Estas sustancias radiactivas presentan idealmente la propiedad de poder ser inyectadas en el organismo humano de forma segura y de fijarse exclusivamente a determinados tejidos. Posteriormente, a medida que van desintegrándose, emiten ciertas partículas que pueden ser detectadas y analizadas produciendo de esta forma imágenes estáticas o incluso dinámicas de los órganos en los que se depositaron los radiofármacos y, en definitiva, proporcionando información no solamente sobre la morfología de aquellos, sino también, en muchos casos, sobre su función y metabolismo. Los radiofármacos se producen utilizando haces de protones de alta intensidad y, como tienen una vida media muy baja, deben utilizarse cerca de donde se han creado. Se calcula que unos 20 millones de personas son diagnosticadas cada año mediante el uso de este tipo de sustancias.

Son técnicas no invasivas que dejan al descubierto lo que interesa ver y eliminar

Una de las técnicas de este tipo más utilizada en la actualidad es la Positrón Emisión Tomography (PET). En su aplicación se utiliza normalmente un ciclotrón para irradiar alguna sustancia que se convierte en radiactiva por desintegración beta positiva (emisora de positrones). Esta sustancia se une por ejemplo a la glucosa y se inyecta al paciente. Los positrones producidos se aniquilan con los electrones circundantes dando lugar a dos fotones de energía muy bien definida, emitidos en direcciones opuestas. Estos fotones interaccionan con un material escintilador dando lugar a la emisión de otros fotones que pueden ser detectados por fotomultiplicadores o fotodiodos para formar la imagen de los tejidos que se pretenden estudiar en función de la distribución de la glucosa radiactiva. Por ejemplo, en el caso del diagnóstico del cáncer las células cancerosas suelen consumir más glucosa que las células sanas debido a su mayor vascularización y a su mayor actividad metabólica y reproductiva, produciendo por tanto una mayor emisión de fotones. Por el contrario, las zonas donde el tejido presente mayor número de células muertas brillarán menos debido a la menor concentración de glucosa radioactiva, lo cual puede ser muy útil para el diagnóstico de infartos y otras lesiones.

Nuevas tecnologías que llegan más lejos

De acuerdo con David Townsend, uno de los pioneros en el desarrollo de la tecnología PET, aunque ésta no fue inventada en el CERN, una cantidad esencial e inicial de trabajo desarrollado en el CERN  a partir de 1977 contribuyó de forma significativa al desarrollo del PET 3D. La tecnología PET alcanza su grado más alto de utilidad diagnóstica cuando se combina con la Computed Tomography (CT). La CT es un método de formación de imágenes tridimensionales a partir del procesamiento digital de un gran número de imágenes bidimensionales de rayos X. Inicialmente, las diferentes imágenes se obtenían alrededor de un solo eje de rotación y de ahí su nombre original de Computed Axial Tomography (CAT).

La técnica combinada PET/CT es uno de los desarrollos más excitantes de la medicina nuclear y la radiología modernas. Las reconstrucciones de imágenes CT permiten el diagnóstico precoz de tumores basándose en sus características morfológicas, mientras que la tecnología PET es capaz de diferenciar con grane eficiencia los tejidos malignos de los benignos. La fusión PET/CT permite ahora integrar las imágenes morfológica y fisiológica en una única imagen. El prototipo del scanner ART, el Partial Ring Tomograph (PRT), fue desarrollado en el CERN en 1980 y 1990 por David Townsend, Martín Wensveen y Henri Tochon-Danguy, y evaluado clínicamente en el departamento de medicina nuclear del Hospital Cantonal de Ginebra. ART puede considerarse como el precursor de la parte PET del moderno scanner PET/CT, que ha producido un impacto extraordinario en la tecnología de imágenes con fines médicos. Además, el CERN continua hoy en día contribuyendo a este campo fundamental de la medicina moderna mediante proyectos como Clear PET, Clear PEM, HPD PET etc.

Sin embargo, la importancia del CERN en el desarrollo de las tecnologías PET o CT, y en general de todo tipo de scanner, va mucho más allá. En efecto, todo este tipo de dispositivos se basa, de una forma u otra, en los detectores desarrollados a finales de los  sesenta en el CERN por George Charpak. Su trabajo fue reconocido en 1992 con la concesión del Premio Nobel de Física por su invención y desarrollo de detectores de partículas, en particular de la cámara proporcional multihilos, que produjo una revolución en la técnica de exploración de las partes más íntimas de la materia. Los detectores desarrollados por Charpak se usan aún para todo tipo de investigaciones médicas y biológicas y podrían eventualmente sustituir completamente a las placas fotográficas en la radio-biología aplicada. La velocidad creciente con la que permiten registrar las imágenes en radio medicina conducen a una menor tiempo de exposición y a menores dosis de radiación indeseada recibida por los pacientes.

Hadrón-terapia, o las partículas contra el cáncer

Como es bien sabido, una de las herramientas terapéuticas esenciales en el campo de la oncología es la radioterapia. Dicho tratamiento se aplica hoy en día aproximadamente a la mitad de los pacientes de cáncer. En cierto modo se puede considerar como una forma sutil de cirugía donde el bisturí es reemplazado por un haz colimado de partículas capaz de esterilizar las células malignas mediante la inactivación de su ADN, impidiendo así su reproducción. Tradicionalmente, la radioterapia se ha basado en el uso de rayos X (fotones), electrones y, más recientemente, hadrones, es decir, partículas capaces de interaccionar fuerte o nuclearmente, si bien no es ésta la propiedad más interesante de estas partículas para las aplicaciones radio-terapéuticas. Los haces de rayos X y los electrones se obtienen normalmente a partir de aceleradores lineales como los del CERN, aunque mucho más pequeños, y se apuntan hacia los tumores con la energía, dirección y colimación apropiadas para optimizar su efecto destructivo sobre los mismos. Por su parte, los neutrones pierden energía en el interior del organismo de una forma diferente, lo cual les hace más indicados para el tratamiento de ciertos tipos especiales de tumores. Se obtienen a partir de las colisiones de protones, previamente acelerados en un ciclotrón, con núcleos de berilio. Este hecho hace que esta terapia sea bastante más cara que las anteriores, pero a cambio el ciclotrón puede ser usado también para la producción de radiofármacos.

     Científicos del CERN aplican antimateria contra el Cáncer

El estudio de las posibilidades de utilización de haces de hadrones en la terapia del cáncer tuvo su origen en el trabajo seminal de R.R Wilson titulado Radiological Use of Fast Protons (Radiology 47, 1946). En dicho artículo se ponía de manifiesto que los protones, así como otras partículas cargadas pesadas, presentan la propiedad única de que al penetrar en el cuerpo humano depositan la mayor parte de su energía a una profundidad que depende de su energía inicial. Este hecho permite seleccionar cuidadosamente el área que se quiere irradiar, preservando de dicha radiación al tejido sano que pudiera encontrarse a menor profundidad. Además, como las partículas se detienen a una distancia de la superficie bien definida por la energía del haz, tampoco resultarían dañadas las células situadas detrás del blanco seleccionado.

En contraste, la energía depositada por los rayos X alcanza su máximo cerca de la superficie de entrada y decae exponencialmente hasta que abandona el cuerpo humano en el lado opuesto, haciendo por tanto muy difícil seleccionar la zona que quiere irradiarse sin dañar otras áreas de células sanas. El trabajo de Wilson de 1946 condujo a toda una nueva línea de investigación experimental, principalmente en el Lawrence Berkeley Laboratory, que ha dado lugar al desarrollo de una nueva clase de terapias antitumorales basadas en la irradiación con protones y más recientemente con iones de carbono. Estas técnicas han sido aplicadas en más de 40 centros de todo el mundo, y de ellas se han beneficiado hasta la fecha más de 50.000 pacientes. No obstante, continúan investigándose nuevas formas de intentar mejorar el ratio entre la energía depositada en las células tumorales y en el tejido sano.

Hidroterapia

En la actualidad, el CERN se encuentra involucrado en diversos proyectos relacionados con la hadrón-terapia. Por ejemplo, en el diseño de un acelerador de protones e iones de carbono dedicado exclusivamente a usos médicos conocido como Proton Ion Medical Machine Study (PIMMS). Otro proyecto interesante es la realización de las pruebas del Linear Booster ( LIBO), capaz de acelerar una haz de protones hasta 200 Mev (los hospitales habitualmente utilizan energías en torno a los 65 MeV) y que estaría especializado en el tratamiento de tumores profundos.

Finalmente, y situándonos en un plano de investigación a un nivel más básico, es interesante señalar que en octubre de 2006 se presentaron los primeros resultados de un experimento llevado a cabo en el CERN con potencial para futuras aplicaciones en la terapia del cáncer. Se trataba del Antiproton Cell Experiment (ACE), que constituye la primera investigación realizada hasta la fecha sobre efectos biológicos de los antiprotones. Los antiprotones se comportan como los protones cuando entran en el organismo, pero generan mucha más energía en el blanco seleccionado debido a du aniquilación con los protones existentes en los núcleos de los átomos de las células, y además depositan esta energía de una forma biológicamente más efectiva.

Cómo la antimateria permite diagnosticar cáncer de manera más directa y certera.

 Se busca antimateria contra el Cáncer. Los resultados muestran que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones para destruir células vivas. (Foto: Especial CERN )

Evaluando la fracción de células supervivientes después de la irradiación con el haz de antiprotones, el experimento ACE ha encontrado que a eficiencia de éstos es unas cuatro veces mayor que la de los protones, mientras que el daño producido a las células situadas antes del blanco era básicamente el mismo. De acuerdo con Michael Holzscheiter, portavoz del experimento ACE, este hecho podría ser extremadamente importante para el tratamiento de casos de cáncer recurrente, donde este tipo de propiedad es vital. La tecnología desarrollada previamente en el CERN para la obtención de haces de antiprotones de buena calidad a la energía apropiada es esencial para este prometedor experimento, que difícilmente podría haberse realizado en ningún otro laboratorio. Éste es por tanto un magnífico ejemplo de cómo la investigación en física de partículas desarrollada en el CERN puede generar soluciones innovadores con excelentes beneficios médicos potenciales.

Los investigadores de ACE, en colaboración con otras instituciones de todo el mundo, están realizando en la actualidad nuevos tests para comprobar la eficacia de este método en el caso de tumores situados a mayor profundidad, y comparando sus resultados con los de otros métodos más convencionales como la irradiación mediante iones de carbono. Si todo sale como se espera, los beneficios clínicos de esta nueva técnica podrían empezar a producirse dentro de la próxima década.

No es un metal precioso ni un diamante ni un mineral estratégico… Es la antimateria, la otra cara (invisible) de la materia común. Sus cualidades son extraordinarias. Ya la usamos para detectar células cancerosas y servirá para destruirlas sin dañar los tejidos sanos. Y puede ser el combustible del futuro. Con solo diez miligramos una nave llegaría a Marte. El problema es que producir un solo miligramo de antimateria cuesta 57.000 millones de euros. Y el precio no es el único inconveniente…

Otro ejemplo importante de tecnología creada en el CERN con aplicaciones a la terapia del cáncer es el Neutrón Driven Element Trasmuter. Se trata de un sistema de producción de radioisótopos específicos específicos a partir de un acelerador de protones cuyo desarrollo fue liderado por Carlo Rubbia, Premio Nobel de Física en 1984 por el descubrimiento de los bosones W y Z y ex director general del CERN. La idea es utilizar el haz de protones para producir neutrones los cuales provocan reacciones en un ambiente apropiado donde ciertos elementos son convertidos en los isótopos deseados.

La diferencia principal entre este método, seguro y barato, y el método más tradicional de utilizar los neutrones provenientes de un reactor nuclear, es que no requiere el uso de material fisionable ni funciona críticamente, es decir las reacciones se detienen en el momento en el que el acelerador es apagado. Más aún, el método tiene la ventaja de que sólo se producen los isótopos requeridos, lo que redunda en una importante reducción de impacto ambiental. Normalmente, el blanco utilizado es plomo, elemento idóneo por presentar el menor ritmo de captura de neutrones. Los neutrones se producen por espalación a partir del haz de protones y permanecen en el interior del blanco de plomo, que está rodeado  de un deflector de grafito, hasta que su espectro se suaviza suficientemente para cubrir un gran rango de energías que permiten su utilización para la transmutación de los elementos necesarios para la obtención de los isótopos deseados.

El Neutron Driven Element Trasmuter ha permitido, entre otras cosas, la producción de radioisótopos beta emisores como el 166Ho, 186 Re o el 188Re que son de gran importancia en braquiterapia. Dicha técnica, muy utilizada en el tratamiento de cánceres ginecológicos y en el de cáncer de próstata, es un tipo de radioterapia de proximidad donde la fuente radiactiva se sitúa dentro o muy cerca de los tejidos que requieren irradiación. Típicamente, la fuente radiactiva, de alta actividad y corta vida media, se encapsula en una semilla, filamento o tubo y se implanta en quirófano en la zona deseada. Las diferentes dosis requeridas en cada caso hacen que sea fundamental disponer del mayor muestrario posible de radioisótopos con la actividad y vida media apropiadas, lo cual convierte al Neutrón Driven Element Trasmuter en una herramienta valiosísima para el futuro de este tipo de técnica terapéutica.

            Información y computación sin fronteras

CERN, … where the web was born; éste es uno de los reclamos publicitarios que suelen utilizarse  para hacer ver al público la importancia de los retornos tecnológicos que en este laboratorio tienen lugar. Y en efecto, fue a finales de los ochenta cuando Tim Berners-Lee desarrolló estándar de Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)  e implementó los primeros servidores web en el CERN. Su esfuerzo permitió la comunicación fácil y segura y el intercambio de todo tipo de información entre todos los ordenadores del mundo conectados a internet, dando lugar de esta forma a una de las revoluciones tecnológicas más importantes de las últimas décadas. Las repercusiones científicas, tecnológicas, culturales, comerciales y de ocio de la web son ya tan conocidas que apenas merecen comentario alguno.

El término Grid fue acuñado por Ian Foster and Carl Kesselman en su libro The Grid, Blueprint for new Computing Infraestructure (Morgan Kaufman, 1998), aunque las ideas básicas habían sido consideradas con anterioridad. No existe un acuerdo general sobre cual debería ser la definición precisa de las tecnologías Grid, pero hay un amplio concenso en que esta debería contener elementos tales como recursos compartidos, virtualización, abstracción del acceso a los recursos y estandarización. La filosofía Grid consistiría, no sólo en compartir información entre diferentes usuarios, sino también recursos, como por ejemplo, procesadores, tiempo de CPU, unidades de almacenamiento, así como otros aparatos e instrumentos, de tal forma que eventualmente cada usuario tendría acceso virtual, por ejemplo, a la capacidad de cálculo de todos los demás usuarios de esa Grid. En los primeros tiempos de esta tecnología de la información se llegó a hablar de la Grid, refiriéndose a la posibilidad  de existencia de una única World  Wide Grid.

                    Todo surgió del CERN

El CERN creó su propia red de computación, o Grid, conocida como LHC Computing Grid (LCG), para manejar la gran cantidad de datos generados por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Esta red permite a miles de científicos de todo el mundo acceder y analizar los datos de las colisiones.

Hasta el momento,, sin embargo, este concepto no es una realidad y más bien lo que se encuentra es que diferentes grupos de proyectos crean su propia Grid usando sus propias implementaciones, estándares y protocolos y dando acceso restringido solamente a una cierta comunidad de usuarios autorizados. Así, aunque se siguen realizando importantes esfuerzos en cuanto a la estandarización de los protocolos, no está claro cual será el camino que este tipo de tecnología seguirá en el futuro en lo que se refiere a la futura existencia de un única Grid.

En cualquier caso es importante resaltar que una vez más el CERN ha sido pionero en este tipo de tecnología. Los detectores que se están instalando (a estas alturas, todos instalados y en marcha) en el LHC (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, SUSY, etc.), son tan complejos, que han requerido cada uno de ellos el concurso de muchas instituciones de todo el mundo para su construcción, y lo seguirán requiriendo para su mantenimiento cuando el acelerador empiece a funcionar (ya está en marcha), y, como no, para el análisis de los datos que se obtengan. Para hacerse una idea de la dimensión y complejidad de estos análisis baste mencionar que el compact Muon Selenoid (CMS), una vez pasado su primer filtro, deberá almacenar información sobre el resultado de las colisiones producidas en su interior a un ritmo del orden de 100 a 200 MB por segundo durante un tiempo esperado de unos cien días por año. Resulta obvio que sólo una tecnología tipo Grid puede afrontar con posibilidades de éxito un reto semejante y de hecho el CERN ha inspirado varios proyectos Grid multinacionales por este motivo. Posiblemente, el más grande de ellos hasta la fecha sea el EGEE (Enablinbg Grids for E-Science), que conecta más de 150 paises y ofrece 20 000 CPUs y más de 10 Petabytes de memoria.

De manera análoga a como ocurrió con las tecnologías de la detección y aceleración, las tecnologías Grid tendrán, y de hecho ya empiezan a tener, un fuerte impacto en las ciencias de la vida y de la salud. En este sentido, uno de los campos obvios de aplicación es la bioinformática. Gracias a los espectaculares avances llevados a cabo en los últimos años en el campo de la biología molecular, se dispone hoy en día de cantidades crecientes de información genética de diferentes especies e individuos. Dicha información codificada en el ADN en forma de secuencia de tripletes o codones de ácidos nucleicos, que constituyen los genes que contienen la estructura primaria de las diferentes proteínas, ha sido y está siendo obtenida por centenares de grupos diferentes distribuidos por todo el mundo y debe almacenarse en gigantescas bases de datos de forma eficiente para su compartición, contrastación y análisis.

Ejemplos típicos serían la búsqueda de determinadas secuencias, comparaciones, búsqueda de determinadas mutaciones o alelos, etc. Resulta evidente que esta ingente labor puede verse enormemente beneficiada por el uso de tecnologías Grid. De hecho, la Bioinformática, y en particular sus aplicaciones biomédicas, han sido una parte importante del proyecto EGEE desde el comienzo del mismo.

Finalmente, y como última muestra de cómo puede revertir en la sociedad las tecnologías de la información y la computación provenientes de la física de partículas, es interesante mencionar el Proyecto Mammogrid y su continuación Mammogrid Plus. Liderado por el CERN, dicho proyecto de la UE utiliza la tecnología Grid para crear una base de datos de mamografías que pueda ser usada para investigar un gran conjunto de datos e imágenes que, aparte de otras aplicaciones sanitarias, sea útil para estudiar el potencial de esta tecnología para servir de soporte a la colaboración entre los profesionales de la salud de la  UE.

    Ciencia, Tecnología y Sociedad

A estas alturas debería haber quedado claro que los centros científicos de élite internacionales como el CERN, no sólo nos proporcionan un conocimiento más profundo de la naturaleza, sino que las tecnologías de punta que en ellos se desarrollan acaban permeando a la Sociedad y se incorporan a nuestras vidas cotidianas. El autor del artículo, Antonio Dobado, del Departamento de Física Teórica I de la Universidad Complutense de Madrid, ha pretendido ilustrar el hecho innegable de la conexión existente entre temas tan aparentemente dispares como el de la Física de Partículas y la Biomedicina, pero ejemplos semejantes podrían haberse encontrado en prácticamente cualquier área de la actividad humana.

La Sociedad no puede permanecer por más tiempo ajena a la Ciencia y a todo lo que trae consigo. Precisamente por eso la RSEF dedica un gran esfuerzo a la difícil tarea de convencer al público de la importancia de la Física como valor científico, cultural y social, como una forma rigurosa y profunda del acercamiento al conocimiento de la naturaleza, y a la vez como generadora de nuevas tecnologías. En este sentido, es una espléndida noticia la inminente creación de un nuevo Grupo especializado en el seno de la RSEF denominado Física Médica. Y, desde aquí, aprovechamos la oportunidad para darles la bienvenida y desearles el mayor éxito en sus futuras andaduras en la búsqueda de la verdad científica.

Fuente: Revista Española de FÍSICA.

Emilio Silvera Vázquez, el titular de este Blog (el creador y Administrador es SHALAFI) es miembro numerario de la R.S.E.F. y adscrito a los Grupos Especializados de Física Teórica y Astrofísica.

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Antes de que se formaran los primeros planetas y estrellas pasaron muchas cosas

¡El Universo!

Antes de alrededor de un minuto y cuarenta segundos desde el comienzo del tiempo,  no hay núcleos atómicos estables.  El nivel de energía en el ambiente es mayor que la energía de unión nuclear. Por consiguiente, todos los núcleos que se forman, se destruyen de rápidamente.

 

La Era de Planck, la espuma cósmica

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Una galaxia enana rozó la Vía Láctea hace más de 300 millones de años y aún se nota la turbulencia

La Vía Láctea devoró una galaxia enana hace unos 10.000 millones de años.

Los peces grandes se comen a los pequeños (otro principio de la Naturaleza que, se aplica a las galaxias también).

Hace ya algún tiempo que nuevos estudios realizados por investigadores de Australia, Austria y Alemania pusieron en entredicho la forma en la que entendemos la física de la gravedad. Los descubrimientos, publicados en las revistas Astrophysical Journal y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, se basan en observaciones de galaxias enanas satélite o galaxias más pequeñas que se encuentran en el extrarradio de la gran galaxia espiral que es la Vía Láctea.

La Ley de la gravitación universal de Newton, publicada en 1687, sirve para explicar cómo actúa la gravedad en la Tierra, por ejemplo por qué cae una manzana de un árbol. El profesor Pavel Kroupa del Instituto de Astronomía Argelander de la Universidad de Bonn (Alemania) explicó que «a pesar de que su ley describe los efectos cotidianos de la gravedad en la Tierra, las cosas que podemos ver y medir, cabe la posibilidad de que no hayamos sido capaces de comprender en absoluto las leyes físicas que rigen realmente la fuerza de la gravedad».

La ley de Newton ha sido puesta en entredicho por distintos cosmólogos modernos, los cuales han redactado teorías contradictorias sobre la gravitación que intentan explicar la gran cantidad de discrepancias que se dan entre las mediciones reales de los sucesos astronómicos y las predicciones basadas en los modelos teóricos. La idea de que la «materia oscura» pueda ser la responsable de estas discrepancias ha ganado muchos adeptos durante los últimos años. No obstante, no existen pruebas concluyentes de su existencia.

Seis de las nueve galaxias enanas encontradas en las Nubes de Magallanes

En esta investigación, el profesor Kroupa y varios colegas examinaron «galaxias enanas satélite», cientos de las cuales deberían existir en la cercanía de las principales galaxias, incluida la Vía Láctea, según indican los modelos teóricos. Se cree que algunas de estas galaxias menores contienen tan sólo unos pocos millares de estrellas (se estima que la Vía Láctea, por ejemplo, contiene más de 200.000 millones de estrellas).

No obstante, a día de hoy sólo se ha logrado detectar treinta de estas galaxias alrededor de la Vía Láctea. Esta situación se atribuye al hecho de que, al contener tan pocas estrellas, su luz es demasiado débil como para que podamos observarlas desde una distancia tan lejana. Lo cierto es que este estudio tan detallado ha deparado resultados sorprendentes.

«En primer lugar, hay algo extraño en su distribución», indicó el profesor Kroupa. «Estas galaxias satélite deberían estar distribuidas uniformemente alrededor de su galaxia madre, pero no es el caso.»

Los investigadores dicen que descubrieron que la totalidad de los satélites clásicos de la Vía Láctea (las once galaxias enanas más brillantes) están situados prácticamente en un mismo plano que dibuja una especie de disco. También observaron que la mayoría de estas once galaxias rotan en la misma dirección en su movimiento circular alrededor de la Vía Láctea, de forma muy similar a como lo hacen los planetas alrededor del Sol.

                       Grupo Local de Galaxias

La explicación de los físicos a estos fenómenos es que los satélites debieron surgir de una colisión entregalaxias más jóvenes. «Los fragmentos resultantes de un acontecimiento así pueden formar galaxias enanas en rotación», explicó el Dr. Manuel Metz, también del Instituto de Astronomía Argelander. Éste añadió que «los cálculos teóricos nos indican la imposibilidad de que los satélites creados contengan materia oscura».

Estos cálculos contradicen otras observaciones del equipo. «Las estrellas contenidas en los satélites que hemos observado se mueven a mucha más velocidad que la predicha por la Ley de la gravitación universal. Si se aplica la física clásica, esto sólo puede atribuirse a la presencia de materia oscura», aseveró el Dr. Metz.

Este enigma nos indica que quizás se hayan interpretado de forma incorrecta algunos de los principios fundamentales de la física. «La única solución posible sería desechar la Ley de la gravitación de Newton», indicó el profesor Kroupa. «Probablemente habitemos un universo no Newtoniano. De ser cierto, nuestras observaciones podrían tener explicación sin necesidad de recurrir a la materia oscura.»

                                         Universo sin la materia oscura

Hasta ahora, la Ley de la gravitación de Newton sólo ha sido modificada en tres ocasiones: para incluir los efectos de las grandes velocidades (la teoría especial de la relatividad), la proximidad de grandes masas (la teoría general de la relatividad) y las escalas subatómicas (la mecánica cuántica). Ahora, las graves inconsistencias reveladas por los datos obtenidos sobre las galaxias satélite respaldan la idea de que hay que adoptar una «dinámica newtoniana modificada» (MOND) para el espacio.

Según un nuevo análisis, unos datos recientes sobre galaxias ricas en gas coinciden exactamente con la predicción hecha por una teoría conocida como MOND, la cual constituye una modificación de la gravedad con respecto a los planteamientos teóricos más aceptados.

Esta predicción, la última de varias hechas a la luz de esta teoría y que han tenido acierto, despierta nuevas dudas sobre la precisión del modelo cosmológico hoy vigente del universo.

La teoría MOND, propuesta en 1981, modifica la segunda ley de la dinámica de Newton para que con ella se pueda explicar la rotación a velocidad uniforme de las galaxias, que contradice las predicciones newtonianas que afirman que la velocidad de los objetos separados del centro será menor.

Después de la colisión de los dos grupos, en la teoría MOND, la masa está en la nube de gas en el centro (arriba). Con la materia oscura, …

Los nuevos descubrimientos poseen implicaciones de gran calado para la física fundamental y para las teorías sobre el Universo. Según el astrofísico Bob Sanders de la Universidad de Groningen (Países Bajos), «los autores de este artículo aportan argumentos contundentes. Sus resultados coinciden plenamente con lo predicho por la dinámica newtoniana modificada, pero completamente contrarios a la hipótesis de la materia oscura. No es normal encontrarse con observaciones tan concluyentes.»

Por el momento ellos son los ganadores

Claro que, todos estos nuevos derroteros y atisbos de teorías (hay algunas más circulando por ahí), no son más que demostraciones de la insatisfacción que algunos sienten al comprender que…, ¡falta algo! y, yo personalmente en mi modestia y con humildad, me decanto por el simple hecho de que aún, no conocemos a fondo eso que llamamos Gravitación que debe ser mucho más amplia de lo que nos dijo Einstein y, no me extrañaría que, incluso eso que llamamos “materia oscura” no sea otra cosa que un continuo de esa Gravedad, es decir, la parte desconocida y que, al ser ignorantes de su existencia, nos hemos inventado “la materia oscura” para que nos cuadren los números.

¡Qué bonito es saber! A mí me gustaría.

Para más información, consulte:

Instituto Argelander de Astronomía:

http://www.astro.uni-bonn.de

Astrophysical Journal:

http://www.iop.org/EJ/journal/apj

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society:

http://www.wiley.com/bw/journal.asp?ref=0035-8711

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                                  La búsqueda de inteligencia extraterrestre

Son las fuerzas que rigen todo el universo

A esas cuatro fuerzas fundamentales que rigen todo el universo, hay que añadirle el complemento que les proporcionan las Constantes universales, y, además, conforme determinen las característica de los mundos (Gravedad, atmósfera, masa y elementos que contenga, océanos, distancia a su estrella….), estará o no la Vida presente.

De todas las maneras hay que pensar (aplicando la lógica), que la vida prolifera por todo el universo.

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Ya lo decía Popper, el Filósofo de la Ciencia: “Cuanto más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se. Mis conocimientos son limitados, mi ignorancia infinita.” Me recuerda este pensamiento aquel otro realizado por un famoso filósofo de la Griega Clásica: “Sólo se, que no se nada.” Tampoco hay que desechar aquel otro pensamiento, también de un filósofo: “”Cambiaría todo lo que se, por loa mitad de lo que ignoro”.

Todos ellos vienen a darnos la razón de que, las preguntas siguen ganando a las respuestas.

Cuando nos preguntan:  ¿Qué es más grande el Universo o el cerebro humano? Sin pensarlo un momento responderemos el Universo. Sin embargo…

Si nos paramos a pensar en el hecho cierto de que, el cerebro humano adulto, con poco más de un kilo de peso, contiene unos 86.000.000.000 de células nerviosas o neuronas, La capa ondulada más exterior o corteza cerebral, que es la parte del cerebro de evolución más reciente, contiene alrededor de 30 mil millones de neuronas y más de un billón de conexiones o sinapsis. Si contáramos una sinapsis cada segundo, tardaríamos 32 millones de años en completar el recuento. Si consideramos el número posible de circuitos neuronales, tenemos que habérnosla con cifras hiper-astronómicas: 10 seguido de un millón de ceros. No existe en el Universo ninguna otra cosa de la que pueda resultar una cantidad igual. Incluso el número de partículas del universo conocido es de 10 seguido de tan sólo 79 ceros (El número de Eddington₎. En comparación con el número de circuitos neuronales…

A la vista de este dato… ¡Habría que pensarse la respuesta a la pregunta planteada! Por mi parte, para no complicarme la vida, diría que el cerebro mes como un universo en miniatura.

 

Sí, existe una similitud fascinante entre la expansión del universo y la del cerebro humano, aunque en diferentes escalas. Ambas se caracterizan por una expansión que implica la formación de redes complejas y jerárquicas, y se rigen por principios similares. 

Nuestros cerebros, como el mismo Universo, también se expande y con el paso del Tiempo abarcan más conocimientos cuya profundidad aumenta a medida que se añaden nuevas parcelas del saber. Sin embargo… ¡Saberlo todo nunca podremos! 

Se da la paradoja de que al adquirir un conocimiento nuevo, de manera automática, en el cerebro  se abren nuevas posibilidades que dan lugar a plantear nuevas preguntas que, antes de adquirir ese nuevo conocimiento, no se podía plantear. Nos lleva a nuevos escenarios, y, posibilita el abrir nuevos caminos. Así hemos avanzado a lo largo de nuestra Historia.

Al menos de momento, tenemos que admitir que es así. No creo que nunca podamos adquirir un conocimiento pleno de todas las cosas. Siempre nos quedarán secretos que desvelar y misterios por descubrir, y, la inmensa variedad, la vastedad compleja de la diversidad de la Naturaleza, tendrá siempre para nosotros, algunos rincones oscuros en los que moran respuestas que deseamos encontrar y que, posiblemente, nunca podremos decir que han completado totalmente el desalojo de la ignorancia que nosotros siempre llevaremos como parte del precio que pagamos por la vida.

              ¿Oiremos alguna vez que han encontrado los restos de la Atlántida?

Al hombre por naturaleza le ha intrigado aquellos sucesos a los cuales no encuentra una explicación lógica, y cuando sus respuestas no son las adecuadas, las ha convertido en misterios, leyendas o mitos pero, con el paso del tiempo, poco a poco, fue dejando de lado la mitología y a las divinidades para emplear la lógica y la observación del mundo, y, más tarde, llegó el experimento: la Ciencia había nacido.

Muchas son las cosas que no sabemos

Nosotros, los componentes de la especie Homo, ( hemos tenido un ancestro común con los Chimpancés los componentes de la especie Pan. Dicen que fue el último ancestro común que, por cierto, no era ni Homo ni Pan. No se sabe el por qué ambas especies divergieron, y, mientras que una sigue en la copa de los árboles, la otra trata de llegar a las estrellas.

El cráneo de “Lucy” (AL 288-1)

Uno de los misterios más grandes se refieren a nosotros mismos, de manera fidedigna, no sabemos lo que pasó para que ahora podamos estar aquí. El cráneo de Lucy y unos huesos diminutos , cuidadosamente dispuestos en una vitrina del museo para su exhibición al público, nos pueden transportar hasta la cálida sabana africana en la que, según todos los indicios, se gestó la Humanidad hace unos tres millones de años.

          Para recorrerla por completo debemos recorrer 12 años luz

Nebulosas hacedoras de mundos en las que, nacen estrellas nuevas y se transmutan los elementos sencillos en complejos, en ellas y en las estrellas surge el CHON (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno) que son materiales esenciales para la vida.

“La región interior de la Nebulosa de Orión vista por el instrumento NIRCam del Telescopio Espacial James Webb. Esta es una imagen compuesta de varios filtros que representa la emisión de gas ionizado, hidrocarburos, gas molecular, polvo y luz estelar dispersa. La más destacada es la barra de Orión, una pared de gas y polvo denso que se extiende desde la parte superior izquierda hasta la parte inferior derecha de esta imagen y que contiene la brillante estrella θ2 Orionis A.

La escena está iluminada por un grupo de estrellas jóvenes y calientes. estrellas (conocido como el cúmulo de trapecio) que se encuentra justo al lado de la parte superior derecha de la imagen. La fuerte y dura radiación ultravioleta del cúmulo Trapezium crea un ambiente caliente e ionizado en la parte superior derecha y erosiona lentamente la barra de Orión. Las moléculas y el polvo pueden sobrevivir más tiempo en el entorno protegido que ofrece la barra densa, pero la oleada de energía estelar esculpe una región que muestra una increíble riqueza de filamentos, glóbulos, estrellas jóvenes con discos y cavidades. Crédito: NASA, ESA, CSA.

Si viajamos hacia atrás en el tiempo esos tres millones de años, podríamos contemplar, con asombro, a nuestros primeros antepasados. Los dinosaurios nos llevan a un tiempo de veinte a setenta veces más antiguo, a unos bosques mesozoicos por los que discurren bestias prodigiosas.

Bosques mesozoicos por los que discurren bestias prodigiosas

¿Qué habría pasado en la historia de la evolución si no hubiera caído aquel meteorito?

Claro que es mucho lo que aún desconocemos de la historia de la vida y, de la misma manera, se podrán expresar nuestros nietos, no es una asignatura de fácil comprensión, ya que, no teníamos aquí a un historiador recopilando todo lo que pasó, ni el tiempo que ha transcurrido nos permite encontrar las huellas necesarias que nos den una respuesta completa.

Claro que, a pesar de todo, incluso con esos enormes inconvenientes de la falta de pruebas, la historia de la Vida, es una narración tan apasionante que, seguimos y seguiremos buscando indicios del pasado que nos hablen de lo que pasó, de nosotros y de otros seres que, como nosotros mismos, surgieron a la vida tras un complejo proceso evolutivo del que, al parecer, sólo nosotros alcanzamos un nivel de consciencia superior.

La historia de la vida solemos relatarla al estilo de la genealogía de Abraham: las bacterias engendraron a los protozoos, los protozoos engendraron a los invertebrados, los invertebrados engendraron a los peces…y, así, sucesivamente, Claro que tales listas de conocimientos adquirido pueden ser memorizadas pero, no dejan mucho espacio para pensar que, en lugar de recitar como un papagayo esas cuestiones, es mejor, salir a espacios abiertos y a lugares remotos del planeta en los que, los vestigios e indicios nos digan que allí pasó algo, donde podamos encontrar rocas viejas y fósiles que sí, de manera fehaciente, nos hablaran de ese pasado que queremos conocer.

   La prueba irrefutable de que estuvieron aquí

Los actuales descubrimientos de la Paleontología, la más tradicional de las empresas científicas, se entrelazan con nuevas ideas nacida de la biología molecular y la geoquímica. Los huesos de los dinosaurios son grandes y espectaculares y nos llevan al asombro. Pero, aparte del tamaño de sus habitantes, el Mundo de los dinosaurios se parecía mucho al nuestro. Contrasta con él la historia profunda de la Tierra, que nos cuentan fósiles microscópicos y sutiles señales químicas y que es, pese a ello, un relato dramático, una sucesión de mundos desaparecidos que, por medio de la transformación de la atmósfera y una evolución biológica, nos llevan hasta el mundo que conocemos hoy.

fósiles de bacterias descubiertos en Australia se convierten en la evidencia más antigua de la que se tiene constancia, se han datado en 3.450 millones de años.

Pero, ¿cómo podemos llegar a comprender acontecimientos que ocurrieron hace unos miles de millones de años? Una cosa es aprender que en las llanuras mareales de hace mil quinientos millones de años vivían bacterias fotosintéticas, y otra muy distinta entender cómo se infiere que unos fósiles microscópicos pertenecen a bacterias fotosintéticas, cómo se averigua que las rocas que los rodean se formaron en antiguas llanuras mareales y cómo se estima su edad en mil quinientos millones de años.

En tanto que empresa humana, está es también la historia de la exploración que se extiende desde el espacio interior de las moléculas al espacio literalmente exterior del espacio interestelar y de los planetas como Marte.

¿De verdad hay una cara en Marte?

“La sonda Viking 1, un orbitador de la NASA, volaban algunas de las esperanzas más excitantes de la carrera espacial estadounidense en plena madurez aventada por la guerra fría y los fracasos del enemigo soviético. La Viking debía realizar una somera inspección visual de la superficie marciana con la finalidad de encontrar los mejores emplazamientos posibles para el aterrizaje de su sucesora, la Viking 2, que, ella sí, tocaría suelo. El 25 de julio de 1976, la sonda tomaba fotografías de la región marciana de Cydonia, un área de panzas y llanos que ofrecía una relativa seguridad en contraste con otras zonas más meridionales de Marte, escarpadas y peligrosas. Los técnicos del Jet Propulsion Laboratory en Pasadena que recibían en Tierra las imágenes estaban acostumbrados a procesar cientos de fotos aburridas y terriblemente iguales. Por eso debió de ser para ellos un motivo de alborozo, un martillazo en sus tediosas jornadas de trabajo, la llegada de la muestra 070A13, la primera de una serie de capturas cada vez en mayor resolución que arrojaban los monitores lo que indiscutiblemente se asemejaba a una gran cara, con los ojos profundos, la nariz griega y una boca tranquila y misteriosa, ensombrecida en su mitad izquierda por los estragos de un sol demasiado bajo.””

“No podría ser otra cosa que un efecto óptico sobre el relieve de una protuberancia rocosa, pero alguien intuyó que aquella imagen podría tener un efecto mediático gigantesco: todo el mundo iba a enterarse de lo que Estados Unidos estaba haciendo en las proximidades del planeta rojo. Otra victoria propagandística de la NASA estaba en ciernes, pues no tardaron en emitir una nota de Prensa algo rocambolesca. «La gran formación rocosa en el centro de la imagen, que remeda una cara humana, está formada por sombras que dan la ilusión de ser ojos, nariz y boca», concluían.”

Muchas son las evidencias de la existencia de agua en Marte

 Muchas de las imágenes del planeta Marte, nos hablan de secretos que… Aunque podrían se figuras conformadas por el azar, como cuando miramos las nubes y creemos ver en ellas figuras de dinosaurios. Alguna vez con los niños y en el campo, acostados sobre la yerba, jugábamos a eso.

Muestras recogidas en Marte nos podrán hablar de qué aspectos de nuestra biología terrestre se pueden encontrar allí donde existe la vida, existió la vida o, ¿quién sabe? existirá. Seguramente en Marte podremos encontrar, para nuestro asombro, productos específicos de nuestra particular historia que yacen allí para darnos una respuesta pero, el camino que hemos de seguir para buscar la vida en el Universo dependerá, en gran medida, de lo que podamos encontrar en nuestro “barrio”: Marte, Encelado, Europa, Titán, Ganímedes y otros pequeños mundos que, cuando les dedicamos una profunda mirada, nos envían promesas que, no podemos desatender.

Uno de los temas más claros en la historia evolutiva es el carácter acumulativo de la diversidad biológica. Las especies individuales (al menos la de los organismos nucleados) aparecen y desaparecen en una sucesión geológica de extinciones que ponen de manifiesto la fragilidad de las poblaciones en un mundo de competencia y cambio ambiental. Pero la historia de las asociaciones -de formas de vida con una morfología y fisiología características- es una historia de acumulación. La visión de la evolución a gran escala es indiscutiblemente la de una acumulación  en el tiempo gobernada por las reglas del funcionamiento de los ecosistemas. La serie de sustituciones que sugieren los enfoques al estilo de la genealogía de Abraham no consigue captar este atributo básico de la historia biológica.

Otro de los grandes temas es el de la coevolución de la Tierra y la Vida. Tanto los organismos como en Ambiente han cambiado drásticamente con el tiempo, a menud de forma concertada. Los cambios del clima, la geología e incluso la composición de la atmósfera y de los océanos han influido en el curso de la evolución, del mismo modo que las innovaciones biológicas han influido, a su vez, en la historia del medio ambiente.

Los científicos saben que, la Vida, nació por mediación de procesos físicos -tectónicos, oceanográficos y atmósfericos- estos mismos procesos antes mencionados, sustentaron la vida era tras era al tiempo que modificaban  continuamente la superficie de la Tierra.

Aunque la cifran en dos millones de especies, lo cierto es que podrían ser más de siete millones de especies las que pueblan la Tierra, y, eso teniendo en cuenta que sólo el 1% de las que han existido viven en la actualidad.

Por fin la vida se expandió y diversificó hasta convertirse en una fuerza planetaria por derecho propio, uniéndose a los procesos tectónicos y físico-químicos en la transformación de la atmósfera y los océanos.

Creo que, el surgimiento de la vida como una característica definitoria de nuestro planeta es algo que, no podemos calificar con una palabra menor a la de un hecho extraordinario.

¿Cuántas veces habrá ocurrido lo mismo en la vastedad del Universo? Debemos pesar que el Universo tiene 13.750 millones de años, y, que nosotros, solo llevamos aquí algunos cientos de miles de años. Sabemos que las estrellas han estado “fabricando” los elementos de los que está hecha la vida  durante diez millones de años, lo que nos lleva a pensar que esos 3.750 millones de años habrán podido suceder muchas cosas en los miles de millones de planetas que existen en nuestra propia Galaxia. Que nosotros desconozcamos los hechos,,, ¡No significan que no sucedieran!

Como decía aquel gran cosmólogo: “La ausencia de pruebas no es prueba de ausencia.”

Emilio Silvera Vázquez

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