Ya hay una wiki para el análisis de la demostración de P≠NP de Deolalikar

Algunos de los mayores genios de la matemática están trabajando en la verificación de la demostración de Deolalikar, como el genial Terence Tao (que según su blog estaba de vacaciones), Timothy Gowers, Gil Kalai, Ken Regan y Suresh Venkatasubramanian, entre otros. Un grupo de grandes mentes pensantes que está estudiando la prueba de forma organizada y pública gracias a una wiki. Vinay (Deolalikar) se ha ofrecido a responder a todas las preguntas generadas en las discusiones de dicha wiki. La wiki “Deolalikar’s P!=NP paper“ promete presentar todos los progresos sobre el análisis de la demostración y si aparecen errores menores podremos seguir los progresos para su solución, muy en la línea del proyecto Polymath.

En la blogosfera una de las mejores fuentes de información sobre el problema P≠NP es el blog de Dick Lipton llamado “Gödel’s Lost Letter and P=NP” que está dedicando un buen número de entradas a explicar en un lenguaje fácil la demostración de Deolalikar: “Update on Deolalikar’s Proof that P≠NP,” August 10, 2010; “Issues In The Proof That P≠NP,” August 9, 2010; y “A Proof That P Is Not Equal To NP?,” August 8, 2010. El lenguaje de Lipton no es tan fácil como el de Dana Chivvis, “P=NP=WTF?: A Short Guide to Understanding Vinay Deolalikar’s Mathematical Breakthrough,” AOL News, August 10, 2010, pero, seamos serios, ella se limita a explicar qué significan P y NP, y poco más.

Empecemos por Dana. Su artículo nos recuerda que “P significa “tiempo polinómico” y se refiere a un conjunto de problemas cuyas soluciones son fáciles de encontrar; NP significa “tiempo polinómico no determinista” y se refiere a un conjunto de problemas cuyas soluciones son difíciles de encontrar, pero fáciles de verificar; y Algoritmo es un conjunto de instrucciones utilizadas para resolver un problema. Usamos algoritmos sin pensar en ello en nuestra vida cotidiana, como cuando tratamos de averiguar por qué una bombilla no se enciende” [BTW no entiendo por qué Dana utiliza el ejemplo de cambiar una bombilla, cuando yo hubiera puesto el ejemplo de hacer un café o cocinar un huevo]. “Tiempo polinómico se refiere a que la ejecución de un algoritmo requiere muy poco tiempo, es “eficiente,” en concreto una potencia del tamaño de los datos necesarios para ejecutar el algoritmo. Los problemas en la clase ”P” son aquellos cuyas soluciones se pueden obtener en tiempo polinómico. Los problemas en la clase ”NP ” son los que tienen soluciones que se pueden verificar en tiempo polinomial, pero se requiere un tiempo exponencial (“mucho más tiempo”) para obtener su solución.” El que quiera algo más, que se lea el artículo de Dana.

Los artículos de Richard Jay (“Dick”) Lipton son mucho más interesantes. El primero, 8 de agosto, aunque dice poco ha recibido más de 150 comentarios, muchos de los cuales son muy interesantes. Os recomiendo seguir los comentarios de KWRegan, de vloodin y de Lenka Zdeborova. Un comentario de vloodin indica que ha encontrado una hipótesis en la prueba que es discutible. Zdeborova nos recuerda que dicha hipóteis podría abrir una puerta trasera: un problema k-SAT podría tener ciertas simetrías ”ocultas” que resbalarían entre los resquicios de la prueba de Deolalikar.

El segundo artículo de Dick, fechado el 9 de agosto, nos presenta 4 posibles problemas/errores en la demostración. Lo primero que nos recuerda es que la demostración se acaba de publicar en la web y nadie ha tenido tiempo todavía de estudiar con suficiente profundidad el artículo (de más de 100 páginas). Incluso si la demostración de Vinay Deolalikar contiene errores ha hecho una gran favor a la comunidad de matemáticos al compartir sus ideas con todos. Una tormenta de ideas (brainstorming) alrededor de su artículo podría resolver dichos problemas y conducir finalmente a la demostración correcta.

La demostración se basa en una reducción al absurdo. El autor proclama que P=NP implica la existencia de cierto algoritmo en P para cierto tipo de problemas k-SAT cuya existencia contradice ciertas propiedades estadísticas bien conocidas y demostradas rigurosamente de cualquier instancia de un problema k-SAT. Los problemas de la demostración apuntan a y convergen en la sección 7.2 del artículo. Los problemas son los siguientes:

1. Un problema encontrado por James Gate, Arthur Milchior y David Barrington y Lance Fortnow (ver también Barrington y Milchoir) es el siguiente. Todo problema NP se puede escribir mediante una fórmula de la lógica de primer orden gracias a la introducción de una relación de orden (<) adecuada, que siempre existe. Hay un teorema que caracteriza así la clase NP. Sin embargo, la clase P no se puede caracterizar tan fácilmente y es necesario que dicho orden exista, caracterización de P gracias a FO(LFP). Es un problema abierto (aún no resuelto y que parece muy difícil) determinar si es posible encontrar siempre dicho orden. Deolalikar compensa este defecto utilizando un retrueque técnico que le permite introducir un orden válido para los problemas k-SAT en P que el obtiene a partir de la suposición P=NP. Parece que no está claro si este truco funciona siempre para todos estos problemas como Deolalikar afirma. 

2. Otro problema encontrado por Paul Christiano y también Barrington es el siguiente. El artículo requiere que cierto predicado, fórmula lógica en FO(LFP), cumpla cierta propiedad (sea unario). Para que cumpla dicha propiedad, Deolalikar realiza una reescritura (reestructuración) de dicha fórmula para un problema k-SAT aleatorio que está basada en un procedimiento que utiliza una variable k’, pero no está claro si dicho procedimiento funciona cuando k’=k. Los argumentos de Deolalikar para garantizar que así sea parece que no están del todo claros.

3. La demostración de Deolalikar utiliza un teorema que podemos escribir crípticamente como FOL+LFP = P. La demostración de este teorema utiliza la técnica de la inducción y obtiene de forma constructiva una fórmula para cada problema en P. Sin embargo, Deolalikar usa este teorema sin recurrir a dicha construcción explícita y utiliza directamente la fórmula final (el punto fijo o FP de LFP) lo que genera ciertas dudas sobre si lo está usando correctamente o no (Christiano y KWRegan). Parece que está cuestión debería formar parte de la discusión presentada en la sección 7.2 pero no aparece.

4. Finalmente, hay un problema íntimo con la misma idea (método) de la demostración encontrado por Cris Moore y corroborado por Alif Wahid. La estrategia de la demostración parece aplicable solo a un subconjunto de todos los problemas k-SAT aleatorios posibles, un subconjunto grande, pero no a todos ellos. No está claro que la línea argumental de Deolalikar sea aplicable a todos ellos.

Estos cuatro problemas de la demostración no significan que la demostración sea incorrecta. La demostración es un primer boceto (first-draft) y es de esperar que contenga ciertos errores menores que tendrán que ser pulidos (así ocurrió ya con la demostración de Andrew Wiles del último teorema de Fermat y con el primer preprint de la demostración de Grisha Perelman de la conjetura de Poincaré). La cuestión importante es si la propia estrategia de la prueba es correcta. Si lo es, todos estos problemas serán resueltos en los próximos meses. Si no lo es, la demostración quedará como un gran alarde técnico a punto de lograr la gloria.

El tercer artículo de Dick trata de ayudar al estudio de la demostración de Deolalikar y su análisis, propiendo tres problemas relacionados con ella para los que las técnicas utilizadas en la demostración podrían ser prometedoras. Solo os comentaré el primer problema propuesto y os animo a los matemáticos a considerar también los otros dos.

Una de las ideas clave de la demostración de Deolalikar es la representación de algoritmos mediante fórmulas de la lógica de primer orden. Empecemos recordando la representación en árbol de una expresión aritmética en lógica booleana (que casi todo el mundo estudió en la parte de la Lógica de los cursos de Filosofía en Bachillerato). Estas expresiones usan variables lógicas que pueden valer 1 (verdad) y 0 (falso), y operadores de conjunción (y-lógica o ∧) y de disyunción (o-lógica o ∨). Por ejemplo, la fórmula de la figura de la derecha es ((α∧β∧γ∧δ)∨(α∧ζ∧θ)) y significa que es verdad o α y β y γ yδ (simultáneamente) o α y ζ y θ. Toda fórmula lógica se puede escribir en forma de árbol con una estructura similar a esta, una disyunción de conjunciones. Los que recuerden algo de lógica habrán estudiado este resultado. El tamaño de este árbol (número de hojas) es una función del número de variables (en la figura hay 6 variables y 7 hojas). En general una fórmula de este tipo tiene un número exponencial (no polinómico) de hojas como función del número de variables. Muchas fórmulas lógicas se pueden simplificar, por ejemplo, aplicando las leyes de Morgan, lo que conduce a un árbol asimétrico que tiene una profundidad mayor de 2 (como el de la figura). La profundidad es el mayor número de flechas que hay que recorrer para llegar desde la raíz (∨ en la figura) hasta cualquiera de sus hojas (las variables α, β, etc. en la figura). 

Dick nos propone considerar el subconjunto de todas las fórmulas lógicas llamadas fórmulas UTC (uniform tree computation). Son fórmulas que se pueden reescribir con un árbol más sencillo, pero asimétrico, que tenga un número de hojas que sea un polinomio en el número de sus variables, cuya profundidad (la del árbol) sea una constante fija y que cumple una condición técnica llamada “uniformidad” (en la que entraré). Dick nos propone demostrar que un problema k-SAT no puede ser resuelto mediante una fórmula UTC (un resultado ya conocido) utilizando las técnicas matemáticas utilizadas por Vinay en su nueva demostración. El problema considera Vinay en su demostración de P≠NP es algo más complejo.

El ascenso y la caída del Rubbiatrón en Zaragoza (LAESA y el acelerador de energía propuesto por Carlo Rubbia)

Recordemos la historia. En 1997 se creó una sociedad privada con participación del Instituto Aragonés de Fomento (aprobado por las Cortes de Aragón) llamada Laboratorio del Amplificador de Energía, S.A. (LAESA), presidida por Miguel Ángel Hidalgo, con el objetivo de concretar los proyectos científicos y técnicos que permitiesen la construcción de un prototipo de Rubbiatrón en un plazo breve de tiempo (se hablaba de 6 años) con una potencia mínima de 100 MW.  El profesor Juan Antonio Rubio de la Universidad de Zaragoza anunció a bombo y platillo el 27 de abril de 1997 en el Heraldo de Aragón “¡Un prototipo de 100-250 MW en 2002!” Pero el proyecto de LAESA era inviable por muchas razones (la poca madurez científica del proyecto, el elevado coste en plena recesión de la industria nuclear, etc.) y LAESA quebró a finales de 2001, lo que se anunció a la chita callando el 27 de septiembre de 2001 en El Mundo. Ya hacía dos años que no había contactos entre LAESA y Carlo Rubbia. Me parece que Rubbia nunca se tomó en serio que España fuera capaz de lograr con éxito la construcción de un prototipo del Rubbiatrón. Basta recordar sus palabras en la entrevista que le hizo Gérard Chevalier, “Carlo rubbia protons, neutrons, plomb et megawatts,” Entretien, La Recherche 302 (10), 1997 (fue traducida al español en la revista Mundo Científico). GC: ¿España está dispuesta a pagar todo el desarrollo de un prototipo? CR: No. Creo que un programa puramente nacional no tendría sentido hoy en día. España (…) ha expresado su interés, (…) pero en todo caso la operación tendría que ser controlada por Euratom (…) Los españoles nos han ofrecido un lugar, Italia otro, en Francia, Cadarache sería una posibilidad. No es una instalación peligrosa… Poco ilusionado se veía a Rubbia en octubre de 1997 cuando la creación de LAESA ya había sido aprobada.

Los interesados en detalles técnicos pueden consultar Carlo Rubbia, Juan Antonio Rubio, et al., “Conceptual design of a fast neutron operated high power energy amplifier,” CERN-AT-95-44 ET, 29 Sep 1995 (164 pp.) y C. Rubbia, S. Buono, Y. Kadi, J.A. Rubio, “Fast neutron incineration in the energy amplifier as alternative to geologic storage: The case of Spain,” CERN-LHC-97-001-EET, 17 Feb 1997 (69 pp.). El ascenso y la caída del Rubbiatrón nos los cuenta André Gsponer, “In memoriam: L’amplificateur d’énergie nucléaire de Carlo Rubbia (1993 — 2003),” La Gazette Nucléaire, No. 209/210, novembre 2003. Permitidme un resumen en español.

El 24 de noviembre de 1993, Carlo Rubbia, físico de partículas, Premio Nobel de Física 1984, Director General del CERN desde 1989 a 1993, justo antes de abandonar este último cargo anunció en un rueda de prensa que él, el genio, el Premio Nobel, había logrado encontrar la solución a todos los problemas de la energía nuclear: procesar los residuos radioactivos y obtener energía a partir de ellos por un procedimiento sin riesgo para la proliferación de armas nucleares. Como podéis imaginar todos los medios se hicieron eco. Hoy en día hubiera sido un bombazo en internet, pero en aquel momento la internet estaba dando sus primeros pasos fuera del CERN y muy pocos usábamos con regularidad Mosaic 1.0 (yo lo usaba para acceder a los artículos de ArXiv). Pronto ya tenía página web personal y todo gracias a Ricardo, pero esa es otra historia… (en el Internet Archive – Wayback Machine solo aparece la versión de 1997). Pero volvamos a Carlo Rubbia.

André Gsponer es muy crudo en sus comentarios. “Carlo Rubbia había reinventado el agua caliente. Un tipo de reactor tan antiguo como las propias centrales nucleares actuales. En estos últimos el combustible se mantiene en un estado crítico estable (K=1) que a su vez mantiene en estado estable la reacción en cadena. El “descubrimiento” de Carlo Rubbia fue que la adición de neutrones desde el exterior al combustible puede llevar a una producción neta de energía en un sistema donde el combustible está, en principio, en un estado subcrítico (K <1), que elimina todo riesgo a priori de una explosión nuclear (K > 1). El sistema puede considerarse como un “amplificador” de energía en el que la energía necesaria para la fuente externa de neutrones es amplificada por un factor G=1/(1-K). El valor de G puede ser muy grande si K está muy cerca de 1.”

Carlo Rubia proponía “como fuente exterior de neutrinos un acelerador de partículas. Por ejemplo, los protones pueden producir neutrones por espalación al golpear un material formado por núcleos pesados (como plomo o bismuto). El reactor híbrido de fisión por espalación es uno más de las múltiples propuestas de sistemas nucleares híbridos que aparecen continuamente en todo debate sobre el futuro de la energía nuclear. Se han propuesto también reactores híbridos de fusión termonuclear que aprovechan la espalación.” El gran problema de todas estas propuestas es que K tiene que estar muy próxima a 1. Si por cualquier razón K se hace mayor que 1 (accidente o similar) nos encontraremos con que tenemos un reactor termonuclear de fisión convencional y con todos los problemas que lleva aparejados (residuos nucleares, riesgo de explosión, etc.). Nos cuenta Gsponer que el 09 de diciembre 1993 estos riesgos ya fueron puestos en claro en un artículo en la prestigiosa revista Nucleonics Week (no he encontrado el enlace). El gran problema del Rubbiatrón es la seguridad: si queremos que el amplificador tenga una ganancia G alta necesitamos que el reactor de fisión funcione cerca del punto crítico (K>0’98) y los riesgos se aproximan tanto a los de un reactor convencional que deja de tener sentido esta una nueva tecnología. Para un valor de K<0’95, la ganancia G de energía es tan pequeña que las pérdidas hacen que el sistema no sea económicamente competitivo.

Según Gsponer, Rubbia decidió proponer el uso de torio en lugar de uranio como combustible (no solo para evitar la producción de plutonio) sino como herramienta de márketing para redirigir la atención de los medios, del público general y de los políticos lejos de la energía nuclear de fisión y de la mala prensa que tiene. Su enfoque de reactor híbrido capaz de destruir los residuos nucleares de otros reactores da la impresión de tener todas las ventajas de la energía nuclear y un mínimo molestias. No es así y ya el 21 de noviembre de 1995 en una audiencia parlamentaria del gobierno francés sobre el Rubbiatrón, presidida por Claude Birraux y abierta a la prensa, el público se sorprendió cuando el propio Carlo Rubbia propuso que las aplicaciones más interesantes del Rubbiatrón no eran civiles sino militares (producción de plutonio y tritio). Para el gobierno de EEUU este tipo de iniciativas se consideran “guerra preventiva” y son contrarias al derecho internacional.

Los problemas de seguridad el Rubbiatrón quizás se puedan resolver pero para ello se requieren muchos años de investigación. Por ejemplo, la interfaz entre el acelerador y el reactor es una ventana de tungsteno que separa el vacío del plomo fundido, según cálculos detallados realizados por Jacques Maillard y su estudiante de doctorado Fabienne Bacha puede romperse tras algunas horas debido a la intenso bombardeo por los protones acelerados. El 5 de julio de 2002 se realizó un experimento en laboratorio para confirmarlo y tras 36 horas de irradiación a plena potencia la ventana se rompió (un “incidente” en cuyo estudio intervino personalmente el propio André Gsponer). Obviamente, hay otras opciones para la ventana. Carlo Rubbia incluso llegó a proponer eliminarla (algo parecido a lo que se hace en un reactor nuclear por confinamiento inercial). Pero hacerlo requiere un reanálisis completo de todos los cálculos para evitar todo tipo de problemas de seguridad.

En 2003, según Gsponer, Rubbia ha abandonado por completo la idea del Rubbiatrón y se ha centrado en liderar grandes proyectos de instalaciones científicas (p.ej. el Laboratorio de Gran Sasso, que estudia la desintegración del protón, y su proyecto ICARUS, para el estudio de los neutrinos) y en cargos de carácter más político que científico (p.ej. es asesor científico del CIEMAT, España).

Para Gsponer, el ascenso y la caída del proyecto del amplificador de energía de Carlo Rubbia merece un análisis detallado por parte de los historiadores de la ciencia ya que se trata de un ejemplo ilustrativo de uno de los grandes problemas de la ciencia: un líder puede llevar a muchos colaboradores por un camino equivocado sin tener que rendir cuentas cuando el proyecto fracasa. También puede ser caso de estudio para los sociólogos: un ejemplo de como el prestigio de recibir un Premio Nobel permite que una idea abocada al fracaso tenga una gran repercusión en los medios de comunicación, la política, las grandes instituciones y la sociedad en su conjunto. Para Gsponer, los filtros internos de la ciencia han funcionado en el caso del Rubbiatron (resultados técnicos de algunos científicos aislados contrarios a las opiniones de un Premio Nobel).

El desarrollo de una tesis doctoral

Bonita ilustración gráfica del proceso de formación e investigación conducente hasta una tesis doctoral. Yo suelo poner el ejemplo de una piragua nadando contracorriente en el delta de un río ancho en busca de un lugar en la orilla que aún no haya pisado nadie. Visto en Menéame, como no.

Cursos en youtube: Caos, fractales y sistemas dinámicos

El verano es buena época para aprender y estudiar (si no estás liado con exámenes). Me permito recomendarte un curso en inglés impartido por el indio S. Banerjee, del Departmento de Ingeniería Eléctrica del IIT Kharagpur, titulado “Chaos, Fractals & Dynamic Systems,” disponible en youtube (el curso está bastante bien):  

01 – Representations of Dynamical Systems [54:56]

02 – Vector Fields of Nonlinear Systems [56:44]

03 – Limit Cycles [56:22]

04 – The Lorenz Equation – I [53:35]

05 – The Lorenz Equation – II [56:37]

06 – The Rossler Equation and Forced Pendulum [58:11]

07 – The Chuas Circuit [54:41]

08 – Discrete Time Dynamical Systems [55:37]

09 – The Logistic Map and Period doubling [55:25]

10 – Flip and Tangent Bifurcations [56:20]

11 – Intermittency Transcritical and pitchfork [55:31]

12 – Two Dimensional Maps [54:49]

13 – Bifurcations in Two Dimensional Maps [53:47]

14 – Introduction to Fractals [52:29]

15 – Mandelbrot Sets and Julia Sets [53:37]

16 – The Space Where Fractals Live [53:59]

17 – Interactive Function Systems [56:03]

18 – IFS Algorithms [55:00]

19 – Fractal Image Compression [51:25]

20 – Stable and Unstable Manifolds [55:24]

21 – Boundary Crisis and Interior Crisis [56:52]

22 – Statistics of Chaotic Attractors [57:04]

23 – Matrix Times Circle : Ellipse [52:26]

24 – Lyapunov Exponent [53:22]

25 – Frequency Spectra of Orbits [55:28]

26 – Dynamics on a Torus [54:41]

27 – Dynamics on a Torus [54:48]

28 – Analysis of Chaotic Time Series [56:10]

29 – Analysis of Chaotic Time Series [51:12]

30 – Lyapunov Function and Centre Manifold Theory [1:00:42]

31 – Non-Smooth Bifurcations [54:19]

32 – Non-Smooth Bifurcations [54:51]

33 – Normal from for Piecewise Smooth 2D Maps [54:10]

34 – Bifurcations in Piecewise Linear 2D Maps [55:32]

35 – Bifurcations in Piecewise Linear 2D Maps [52:59]

36 – Multiple Attractor Bifurcation and Dangerous [59:21]

37 – Dynamics of Discontinuous Maps [56:39]

38 – Introduction to Floquet Theory [57:11]

39 – The Monodromy Matrix and the Saltation Matrix [57:37]

40 – Control of Chaos [54:17]

Los grandes aceleradores de partículas podrían funcionar como fuentes de energía

El artículo de R. R. Wilson, “Very Big Accelerators as Energy Producers,” ArXiv, 29 Jul 2010, me llamó la atención (Wilson murió en el año 2000, pero el artículo fue escrito en 1976). Pero como apareció comentado en KentuckyFC, “Particle Accelerators Could Work As Power Generators,” The physics arXiv blog, August 09, 2010, pensé que Kanijo seguro que lo traduce al español. Parece que Kanijo está disfrutando de unas merecidas vacaciones. Así que traduciré yo mismo la entrada de Kentucky Fried Chicken.

Los aceleradores de partículas podrían funcionar como generadores de energía

Los aceleradores de partículas podrían generar más energía de la que consumen según ciertos cálculos realizados hace 30 años. Los aceleradores de partículas no son las máquinas más obvias para generar energía. Sin embargo, la idea de que podrían producir más energía de la que consumen no es del todo descabellada, como nos recuerda Robert Rathbun Wilson (4 Marzo 1914 – 16 Enero 2000) uno de los físicos americanos que lideró el Proyecto Manhattan y uno de los mayores impulsores para la creación del Fermilab (Fermi National Laboratory), en Batavia, cerca de Chicago (cuyo acelerador estrella ahora es el Tevatrón), en su artículo “Particle Accelerators Could Work As Power Generators.”

La aparición en 2010 en arXiv de este artículo de 1976 de solo 3 páginas pone de relieve algunas ideas para reflexionar. En aquel momento, Wilson era director del Fermilab (lo fue desde 1967 a 1978) y se estaba construyendo un nuevo acelerador llamado Energy Doubler/Saver, que empleaba imanes superconductores para acelerar un haz de protones de alta energía a lo largo de una circunferencia gigante. Estos protones alcanzarían energías de hasta 1000 GeV. Este acelerador era el primero en el que los imanes superconductes se utilizarían a gran escala. En palabras de Wilson “una de las ventajas de la aplicación de la superconductividad a la construcción de futuros aceleradores es que su consumo de energía se reducirá muchísimo.”

Wilson nos propone imaginarnos que los protones en este acelerador se redirijan hacia un bloque de uranio. Podríamos esperar que cada protón generase en el material una reacción en cadena de unos 60.000 neutrones, la mayoría de los cuales serían absorbidos por los núcleos de uranio para formar átomos de plutonio. En un reactor nuclear convencional, cada átomo de plutonio produce 0’2 GeV de energía por fisión. Así que 60 000 producirían la friolera de 12 000 GeV. Obviamente este cálculo al estilo de la cuenta de la vieja parece tener truco: un solo protón acelerado a 1000 GeV liberaría 12 000 GeV de energía por fisión. Un cálculo más detallado debe tener en cuenta las grandes cantidades de energía que se podrían perder en este proceso. Por ejemplo, se requieren unos 20 MW de potencia eléctrica para lograr que los haces de protones alcancen una potencia de 0’2 MW en el Energy Doubler/Saver. Pero incluso con este tipo de pérdidas, parece que merece la pena estudiar el proceso con más detalle para ver si se puede obtener una producción total de energía positiva. Wilson lo tenía claro: “Probablemente hay mejores formas de producir plutonio, pero parece que sería factible construir un acelerador de protones que produzca más energía de la que consume.”

Hoy en día, 30 años más tarde, la tecnología de imanes superconductores para aceleradores es mucho más avanzada y los aceleradores son aún más eficientes de lo que eran en que en 1976. Quizás sea un buen momento para replantearse de nuevo las ideas de Wilson. No solo para resolver el problema de la producción de energía eléctrica, sino también como fuente de plutonio. Las naves interplanetarias de la NASA, como Galileo y Cassini, utilizan baterías de plutonio, pero obtener plutonio cada día es más caro. El enfoque de Wilson podría ayudar. Sin embargo, siempre que se habla de energía nuclear por fisión aparece el fantasma de la proliferación de armas nucleares. La posibilidad de fabricación de plutonio en gran escala utilizando una tecnología tan vieja como la de los aceleradores de hace 30 años es un problema para que estas ideas de Wilson acaben cuajando. Pero quien sabe. Cuando el hambre (de energía) apremia…

Preguntas y respuestas sobre la cuarta generación de partículas en el modelo estándar (SM4)

“The Standard Model of Particle Physics” film produced as CERN/ATLAS multimedia contest internship.

Una apuesta entre T. Dorigo y L. Motl sobre cuál será el primer descubrimiento del LHC del CERN trae a colación la cuarta generación de partículas en el modelo estándar. La apuesta de Dorigo. Motl apuesta por la supersimetría. Motl tiene todas las de perder, salvo que no exista la cuarta generación, ya que las señales de la supersimetría son mucho más difíciles de observar en el LHC y requerirá encontrar varias partículas. Por el contrario la señal de un par quarks de cuarta generación es muy clara (si es que existen, claro). No me gusta apostar, pero como excusa bien vale una apuesta. La entrada de Tommaso Dorigo es ”My Bet? A Fourth Generation Quark,” A Quantum Diaries Survivor, August 4th 2010, cuya lectura debería ser acompañada de otras tres de su blog: “Thou shalt have three generations,” March 25, 2008; “Four Things About Four Generations,” May 2nd 2009; y “The 450-GeV Quark That Wouldn’t Go Away,” May 6th 2010. Todos estos artículos apuntan a B.Holdom, W.S.Hou, T.Hurth, M.L.Mangano, S.Sultansoy, G. Unel, “Four Statements about the Fourth Generation,” PMC Phys. A3: 4,2009 (open access) [también en ArXiv], un resumen del workshop “Beyond the 3-generation SM in the LHC era” que se centró en la a discusión sobre la posibilidad de encontrar una cuarta generación de partículas en el LHC: (1) los tests de precisión de la teoría electrodébil no la excluyen; (2)resuelve ciertos problemas del modelo estándar; (3) apunta hacia nueva física; y (4) el LHC del CERN podría descubrirla en los próximos años. Si Holdom et al. tienen razón, la apuesta de Tommaso es sobre seguro.

¿Cuántas generaciones de partículas existen? El modelo estándar no predice el número de generaciones de fermiones (quarks y leptones). Hoy conocemos tres generaciones, pero podrían existir más. Una cuarta generación dentro del modelo estándar estaría formada por dos quarks pesados y y dos leptones pesados y . Cualquier otra opción implicaría física más allá del modelo estándar. En este caso SM4 sustituiría a SM3, como SM3 sustituyó a SM2 en los 1970.

¿Podría haber infinitas generaciones de partículas? No, no pueden ser infinitas. El modelo estándar no lo permite. Una propiedad clave de la cromodinámica cuántica (QCD), llamada libertad asintótica, que ha sido demostrada experimentalmente, limita el número posible de generaciones de partículas a 9.

¿No demostró LEP2 que había solo 3 generaciones? El acelerador de partículas extinto LEP2 del CERN encontró que las propiedades del bosón vectorial Z indican la existencia de solo 3 generaciones de neutrinos (sin masa). Hoy sabemos que los neutrinos tienen masa por lo que LEP2 solo limita la existencia de neutrinos muy ligeros. Podrían existir neutrinos pesados compatibles con los datos obtenidos por LEP2. El acelerador Tevatrón del Fermilab no ha encontrado la cuarta generación, pero con colisiones a 2 TeV en el centro de masas (c.m.) no puede explorar energías mayores a 1/3 TeV. El LHC del CERN con colisiones a 7 TeV c.m. podría encontrar antes de diciembre de 2011 pruebas de la existencia de quarks de cuarta generación si existen y tienen una masa menor de 1 TeV. En 2012 el LHC será parado para mejorar sus sistemas de seguridad y prepararlo para colisiones a 14 TeV c.m., que le permitirán explorar energías hasta 2’3 TeV.

¿Cuáles son los límites de exclusión actuales para la masa de la cuarta generación? Según el Particle Data Group 2009 las masas de los quarks, con un 95% C.L., son y , y las masas de los leptones pesados son  y . Estos son los límites inferiores seguros (hay límites más altos bajo ciertas hipótesis razonables). Además, estos límites han sido mejorados por el Tevatrón (aunque solo para ciertos modos de desintegración), en concreto por CDF como  y . Más aún, una revisión de los datos de LEP indica que solo acotan .

¿Cuáles son los límites de exclusión que se espera obtener del LHC? A corto plazo, utilizando las colisiones a 7 TeV c.m. hasta finales de 2011 se espera que el experimento CMS en el LHC del CERN sea capaz de excluir, como mínimo,  y .

 ¿Excluyen los tests de precisión del modelo estándar SM3 la existencia de una cuarta generación? No, aunque algunos han afirmado que sí. El valor de un parámetro técnico (no entraré en detalles) llamado parámetro oblicuo S excluye una cuarta generación con un intervalo de confianza de 6 sigma (es decir, fuera de toda duda). Aún así hay que tomar este resultado con alfileres ya que si se tienen en cuenta los tres parámetros oblicuos S, T y U hay hueco para una cuarta generación si se reajustan todos de forma adecuada (el reajuste depende de si y/o , de si los neutrinos son partículas de Dirac o Majorana y de la masa que tenga el bosón de Higgs). La precisión del ajuste del resto de los parámetros del SM3 no se vería afectada por estos cambios, por lo que el SM4 es compatible con los tests de precisión del SM3.

¿Permite la matriz CKM la inclusión de una cuarta generación? La matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa es una matriz 3×3 que indica cómo se mezclan (oscilan) los quarks down en el modelo estándar (d, s y b). Esta osciilación es similar a la de los neutrinos con masa, aunque los quarks no pueden ser observados como partículas libres. La medida más precisa de la primera fila de la matriz nos da . Aparentemente queda poco hueco para una cuarta generación. Pero igualando dicho número a , se obtiene (de forma similar se obtienen y ). ¿Con qué comparar este número? Con el mejor límite actual para . La segunda y la tercera fila de la matriz dan más juego aún ya que sus valores son más imprecisos.

¿Qué tiene que ver con la asimetría materia-antimateria? La tercera generación de partículas fue una predicción del modelo estándar de Kobayashi y Maskawa (Premio Nobel por ello). La asimetría materia-antimateria en los primeros instantes de la gran explosión se puede explicar gracias a la violación de la simetría CP en el modelo estándar. Dos generaciones de partículas no permiten obtener suficiente violación CP. Kobayashi y Maskawa predijeron que si existiera una tercera generación la violación CP sería mucho mayor y explicaría la asimetría materia-antimateria gracias a las condiciones de Sakharov. Hoy sabemos que la violación CP de la tercera generación no es suficiente (unos 10 órdenes de magnitud más pequeña de lo necesario). Una cuarta generación de partículas añadiría más violación CP en el modelo estándar, en teoría entre 13 y 15 órdenes de magnitud (los teóricos siempre son optimistas). La idea que llevó desde la matriz de Cabbibo de 2×2 a la matriz de Kobayashi-Maskawa de 3×3 puede ser reiterada y nos lleva a una matriz CKM de 4×4. ¿Se repetirá la historia? No hay que olvidar que en 1974 solo se conocían 3 quarks de las dos primeras generaciones. El cuarto quark (charm o c) se descubrió en la “revolución de noviembre de 1974.” La tercera generación (descubrimiento del quark bottom y del leptón tau) tuvo que esperar a 1977 (el último quark, top, se descubrió en 1995).

¿Ayudaría una cuarta generación a la búsqueda del bosón de Higgs? Como ya se ha dicho en este blog, una propuesta muy interesante para explicar por qué no se ha encontrado el bosón de Higgs aún es porque es una partícula compuesta de dos fermiones pesados, que bien podrían ser un quark y un antiquark de cuarta generación. En lugar de una ruptura espontánea de la simetría electrodébil, el modelo estándar utilizaría una ruptura dinámica, lo que desde el punto de vista conceptual es preferible ya que ofrece una explicación a por qué las partículas elementales adquieren masa.

¿Cómo afecta la cuarta generación al problema de la materia oscura? La cuarta generación de partículas correspondería a materia bariónica y por tanto no daría cuenta de la materia oscura (la evidencia apunta a materia oscura fría no bariónica). Sin embargo, si los dos leptones pesados de la 4ª generación ( y ) fueran muy masivos podrían dar cuenta de la materia oscura fría sin mayor problema.

¿Podría descubrir el LHC que no existe la cuarta generación? Sí, podría descubrirla pero también refutarla. El ajuste actual de ciertos parámetros de precisión del modelo estándar no permiten que una cuarta generación de quarks tenga una masa arbitraria. El límite máximo para su masa es del orden de 1 TeV (la región que el LHC explorará con mucha precisión). Si el LHC no encuentra una cuarta generación es que no existe una cuarta generación y el modelo SM4 no es la respueta correcta.

En resumen, no se puede descartar que lo primero que descubra el LHC sea la cuarta generación de partículas, como tampoco se puede descartar que demuestre que en realidad dicha generación no existe. En mi opinión, la primera opción es más razonable que la segunda. Pero la segunda es mucho más interesante para los físicos teóricos interesados en física exótica. La física exótica ya sabe, o dentro de unas décadas forma parte del nuevo modelo estándar, o dentro de unas décadas estará en el cubo de la basura de las ideas que nunca llegaron a cuajar. La historia es la mejor consejera. Puede parecer que el camino hacia el modelo estándar fue un camino de rosas, pero no fue así y hay cientos de ideas de miles de físicos teóricos que están en el cubo de la basura desde de 1979 porque el modelo estándar mínimo les dio el tiro de gracia.

También en este blog: ”La cuarta generación de quarks y leptones y el bosón de Higgs,” 19 Marzo 2010; ”Sheldon Lee Glashow y el tortuoso camino hacia el modelo estándar de la física de partículas elementales,” 13 Diciembre 2009; y “La última década en la física teórica de partículas elementales,” 3 Abril 2010.

Una copa de cava y la demostración de P≠NP de Vinay Deolalikar

He cenado con cava y sigo con cava. Vinay Deolalikar, nacido en 1971 en Nueva Delhi, India, doctor en ingeniería eléctrica y matemáticas, afiliado a HP Research Labs, Palo Alto, California, envió un artículo el 6 de agosto de 2010 (102 páginas a 12pt) a investigadores de renombre en varias áreas. Afirma haber demostrado que P≠NP y que el manuscrito ha acabado en internet sin su permiso. Así que ha decidido publicar él mismo el pdf en su web (103 páginas ahora mismo). Varios expertos creen (y lo comentan en la web) que la demostración tiene buena pinta y parece un ataque a la conjetura realmente serio. Así que no me queda otro remedio que leerme la demostración. ¡Asustan 103 páginas! Supongo que no me enteraré de nada…

Bueno, antes de lanzarme al ruedo voy a recurrir a la opinión de  Scott Aaronson, “Putting my money where my mouth isn’t,” Shtetl-Optimized, August 9th, 2010. “El manuscrito de Deolalikar está bien escrito y presenta la historia, los antecedentes y las dificultades asociadas al problema P vs NP de forma muy competente.” Bueno, como es de esperar ya que por algún sitio he leído que lleva varios años trabajando en este problema. Confiesa Scott que “todavía no he encontrado la oportunidad de estudiar este manuscrito de 103 páginas en detalle. Además , no voy a interrumpir mis vacaciones para hacerlo, a menos que los expertos que están estudiando los detalles del artículo desde el primer día me digan que debo hacerlo.” Queda claro que habrá que estar atento a Shtetl-Optimized.

La demostración de Deolalikar utiliza física estadística. Física estadística aplicada al modelado de ciertos problemas sobre lógicas de primer orden que modelan la búsqueda de soluciones de problemas de satisfacción de restricciones (problemas k-SAT). Una demostración de un resultado matemático tan importante como P≠NP utilizando técnicas de física estadística erizará los pelos de los matemáticos ya que es posible que algún “teorema” de física estadística utilizado en la demostración puede que no sea un “teorema” de matemáticas. Ya sabéis que para los matemáticos las demostraciones de los físicos no son fetén fetén. Así que habrá que cruzar los dedos y confiar en que la demostración no acabe siendo un nuevo enfoque físico a la conjetura P≠NP.

Quinta y última copa de cava (no soy el único que bebe cava en casa). Espero que mi resumen no me quede demasiado mal. Ya se sabe, el cava… El resumen de la prueba (“synopsis of proof“) aparece en las páginas 5-11 del artículo. Tiene buena pinta tras una primera lectura. Pero un resumen es solo eso, un resumen.

La idea es encontrar un problema NP-completo que no se pueda descomponer en un número polinomial de subproblemas en P. Deolalikar considera el problema k-SAT. El problema de satisfacer una fórmula booleana con k bits escrita en forma normal conjuntiva. La clase NP es la clase de problemas cuya solución requiere un coste (número de pasos o tiempo de cómputo) no polinómico pero para los que la verificación de una solución solo requiere un número polinómico de pasos. La clase P es la clase de problemas que se pueden resolver en coste polinómico en el tamaño de la entrada. La clase de  problemas NP-completos es un conjunto de problemas NP que son equivalentes entre sí en el sentido de que obtener un algoritmo en P para resolver uno de estos problemas  permite obtener un algoritmo para resolverlos todos. El problema k-SAT es un problema NP-completo para k>=3.  

Deolalikar considera el problema k-SAT elegido aleatoriamente que puede expresarse como un problema búsqueda (en número exponencial, no polinómico)  y cada búsqueda como un fórmula de la lógica de primer orden. La solución del problema k-SAT corresponde a un punto fijo en la búsqueda. Un problema clásico llamado FO(LFP). La prueba procede por reducción al absurdo. Si asumimos que NP=P y aplicamos ciertas técnicas de física estadística para el análisis de los NP problemas de búsqueda resulta que los problemas de búsqueda deben cumplir ciertas propiedades técnicas que contradicen a ciertos resultados bien conocidos sobre la física estadística de un problema k-SAT aleatorio. Por reducción al absurdo resulta que P≠NP. 

La demostración se basa en aplicar ideas de física estadística en el contexto de la teoría de modelos gráficos probabilísticos y la teoría de modelos finitos (que permite caracterizar la clase de complejidad PTIME o de problemas resolubles en tiempo polinómico). Para ello se utiliza un teorema de la llamada teoría de réplicas que asocia una distribución de probabilidad conjunta a todas las posibles instancias del problema. Esta distribución conjunta es factorizable en distribuciones más sencillas si dicha distribución cumple ciertas propiedades técnicas (teorema de Hammersley-Clifford). Las distribuciones de probabilidad más sencillas corresponden a problemas que cumplen con las restricciones del problema. El problema original para las instancias asociadas a estas distribuciones de probabilidad más sencillas es de coste polinómico. 

Bueno, no puedo contar mucho más. Necesito una lectura más detallada y una mente más fresca. Habrá que estar al loro los próximos días para ver como acaba este asunto…

Este fin de semana se ha obtenido un nuevo récord de luminosidad en el LHC del CERN que avanza viento en popa

Este fin de semana (7-8 de agosto) el LHC del CERN ha logrado un nuevo récord de luminosidad pico (número de colisiones por segundo). Ya permite que cada haz contenga 25 paquetes de protones y el objetivo óptimo este año es alcanzar 750 (384 según un artículo en ICHEP 2010) paquetes por haz. En marzo del año próximo el LHC debería alcanzar 796 paquetes de protones por haz para garantizar que a finales de año se cumplan todos los objetivos plenamente. El LHC del CERN avanza viento en popa y a toda marcha. ¡Enhorabuena a todos los que trabajan en el CERN! Para los aficionados a números más técnicos os indicaré que el récord alcanzado este fin de semana ha sido una luminosidad pico o instantánea equivalente a 0’13 /fb/año (inversos de femtobarn al año). Para lograr el objetivo del LHC para el próximo año (2011), que es obtener 1/fb de colisiones acumuladas, se deberá lograr este año una luminosidad pico mantenida de unos 0’13/fb/mes (en LHC funcionará entre febrero y octubre, unos 8 meses). Este año el LHC funcionará hasta octubre (en colisiones protón-protón, después colisionará durante un mes iones pesados). Nadie duda que el LHC logrará alcanzar en los próximos 3 meses una luminosidad pico 12 veces mayor que la actual. Ya ha logrado incrementos mayores en sus primeros cuatro meses y el LHC está funcionando mejor de lo esperado. Este fin de semana también hay que celebrar que el LHC ha logrado acumular un número total de colisiones de 1/pb, 1000 veces menos que lo que tendrá que lograr el año que viene (ATLAS y CMS alcanzarán este número esta semana en curso). Buenas noticias para todos los que seguimos al LHC. Nos lo han contado en todos los foros que siguen al LHC. La figura que abre esta entrada también ha sido elegida por Philip Gibbs para comentar esta noticia en ”Another record luminosity at LHC,” viXra log, August 7, 2010.

Y ya que estamos hablando del LHC, un colisionador de hadrones, no me resisto a poneros la siguiente ilustración de la diferencia entre una colisión entre dos hadrones (protones o antiprotones) y dos leptones (electrones o muones). En una colisión protón-protón a 7 TeV colisionan unas 50 partículas contra otras 50 partículas en dada protón. Además, cada haz lleva paquetes de muchos protones. El resultado es que las colisiones son bastante “sucias” comparadas con lo que sería una colisión “limpia” entre dos leptones, en la que solo colisionan una partícula contra otra.

Aquí tenéis una representación clásica de un protón. Un saco de tres quarks de valencia (las bolas azules solitarias) junto a muchos gluones (líneas a garabatos) y pares quark-antiquark (pares de bolas azul-verde). Un protón es un objeto muy complicado. En las colisiones en el LHC del CERN entre dos protones lo que en realidad se observan son colisiones quark contra quark, quark contra antiquark, gluón contra quark, y gluón contra gluón. Los diagramas de Feynman de esta figura ilustran todas estas posibilidades.

Ya lo hemos contado en varias ocasiones en este blog, pero a veces hay que repetirlo. ¿Cómo se mide el número de colisiones por segundo en un colisionador? Yo he utilizado las unidades 1/fb y 1/pb ¿qué significan? La probabilidad para un modo de colisión/desintegración entre partículas se denomina sección eficaz. La sección eficaz es un área o superficie y se suele medir en barn. Un barn es, más o menos el área transversal de un núcleo de uranio, en concreto 10^-28 m². La luminosidad es el número de partículas por unidad de superficie y por unidad de tiempo en un haz (de partículas). ¿Unidad de superficie? Sí, porque en los detectores se mide un flujo incidente, un número de partículas por unidad de tiempo que incide en una unidad de área de detector. La luminosidad instantánea es la luminosidad pico y se mide unidades inversas de sección eficaz por unidad de tiempo. Por tanto, 1/fb/año es un inverso de femtobarn por año. La luminosidad integrada o acumulada es la integral (suma) de la luminosidad instantánea y se mide en unidades inversas de sección eficaz. Por tanto, 1/fb de colisiones se obtiene tras 1 año de colisiones a 1/fb/año, donde 1 pb (picobarn) = 10^-12 barn, 1 nb (naoobarn) = 10^-9 barn, y 1 fb (femtobarn) = 10^-12 barn. Aproximadamente, en el LHC 0’1/fb son mil millones de colisiones. El objetivo para el LHC durante el bienio 2010-2011 es obtener unos diez mil millones de colisiones protón-protón con una energía en el centro de masas de 7 TeV (teraelectrónvoltio).

PS: Los dos detectores principales del LHC, tanto ATLAS como CMS, ya tienen un inverso de picobarn de colisiones almacenadas en disco. Pronto empezaremos a leer resultados interesantes de estos datos. Como nos recuerdan en ”His First Inverse Picobarn,” Resonaances, 9 August 2010, un 1/pb en el LHC a 7 TeV c.m. equivale a producir (que no es lo mismo que detectar) 200000 bosones W, 60000 bosones Z, 1000 pares de quarks top, y entre 10-20 bosones de Higgs bosons (para una masa de unos 120 GeV/c²).

PS: Muy buena entrada sobre el estado actual y el futuro cercano del LHC en Philip Gibbs, “LHC Progress and Plans for August and Beyond,” viXra log, August 9, 2010. Agosto será un mes crítico (la energía en los imanes ronda el millón de julios y valor “peligroso” para la máquina). Este mes se dedicará entero a colisiones y a aprender a manejar la máquina a 25 paquetes de protones por haz. Se espera que en agosto se obtenga un segundo inverso de picobarn de colisiones. Buenas noticias para los que buscan nueva física escondidado en los datos del LHC.

Applet de Java para diseñar experimentos tipo Stern-Gerlach sin moverte del sillón

¿Quieres emular a Stern y Gerlach y diseñar experimentos que demuestren las propiedades del espín? SPINS Java (http://bit.ly/spinsoft) es tu oportunidad (acceso directo al Applet). Un programa interactivo muy sencillo de usar que simula experimentos tipo Stern-Gerlach para partículas con espín 1/2 (como los electrones) y con 1 (como los fotones). Este applet es una versión del software para Macintosh escrito por Danivel V. Schroeder y Thomas A. Moore, “A computer-simulated Stern–Gerlach laboratory,” American Journal of Physics 61: 798-805, September 1993 [copia gratis, otra copia gratis]. Lo más fácil para empezar es seguir los pasos del artículo. Pero si eres físico puedes ponerte a jugar directamente. ¡Ánimo! ¡Qué el espín te acompañe!

Por cierto, ¿qué es el espín?, dices mientras clavas en mi pupila tu pupila azul. ¡Qué es el espín! ¿Y tú me lo preguntas? Cientifi.net te contesta…

Nuevo artículo de teoría de cuerdas aplicada a la física de la materia condensada publicado en Science

Los físicos teóricos de cuerdas están de enhorabuena. Si trabajan en física de la materia condensada ya pueden aspirar a publicar en revistas como Science y Nature. La teoría de cuerdas, una utopía hace una década, se está convirtiendo en una herramienta, cual escalpelo, capaz de diseccionar la realidad desde un nuevo enfoque: la realidad exótica en la física de la materia condensada y del estado sólido. El comportamiento de los electrones en los metales se explica gracias a la teoría de líquidos de Fermi. En superconductores de alta temperatura (cupratos y pnicturos) y en materiales con fermiones pesados cerca de una transición de fase cuántica (toda una repajolera de materiales), se observan electrones que no se comportan según la teoría de líquidos de Fermi. Las técnicas matemáticas para entender estos materiales tan extraños están en su infancia. La teoría de cuerdas, más matemáticas que física, se nos ofrece como una poderosa herramienta donde no hay otra opción (la matemática de la teoría de cuerdas manda cojones para cualquier físico de la materia condensada). La dualidad AdS/CFT (gravedad/teoría cuántica de campos) permite caracterizar los materiales que no se comportan como líquidos de Fermi y entender sus comportamientos y propiedades. Bueno, no hay que exagerar, la matemática de la teoría de cuerdas tampoco es tan complicada, digo yo. Tras 40 años de avances teóricos de los físico-matemáticos más frikis del planeta ya hay hasta libros de texto para enterarse de la misa la mitad. Aún así cuando me hablan de teorías holográficas para entender la física de materiales se me ponen los pelos como escarpias (a mí que estudié y aprobé holografía en Óptica de Fourier). El artículo técnico que Thomas Faulkner, Nabil Iqbal, Hong Liu, John McGreevy y  David Vegh han logrado colar en Science se titula “Strange Metal Transport Realized by Gauge/Gravity Duality,” Science, Published Online August 5, 2010 [el artículo está en ArXiv, con otro título]. El artículo técnico, en mi modesta opinión, es solo para frikis. Algunos pensarán que me equivoco y que dentro de 10 años el físico que no lo entienda no debería haber recibido el título. Quizás tengan razón. He de confesar que no pude pasar del primer tomo del “Superstring theory” de Green, Schwarz y Witten, y que aunque me tragué los dos tomos del “String Theory” de Polchinski, soy incapaz de resolver la mayoría de los ejercicios propuestos (afortunadamente la solución se encuentra en muchas fuentes por internet). Me encuentro entre los que disfrutaron con pasión ”The Quantum Theory of Fields” de Weinberg. ¡Pobre de mí! ¡A mis años, un torpe!

Biología de sistemas, biología sintética y las bacterias como biofábricas

Un vídeo curioso que nos presenta la biología de sistemas de manos de Jordi Planas y Josep Maria Serrat (profesores del Departamento de Biología de Sistemas de la Universitat de Vic). Me sorprende que una universidad española atesore un departamento de biología de sistemas, un campo emergente en la biología que se ha puesto muy de moda en los últimos 10 años. ¿Para cuándo un departamento en biología sintética? El objetivo de la biología sintética es aplicar las técnicas de diseño utilizadas en ingeniería, especialmente por la industria microelectrónica, que han sido responsables de que en 60 años un ordenador como ENIAC se haya convertido en el ordenador que utilizas para leer esto. Una iniciativa apadrinada por el MIT que ha creado el banco de “piezas” de ADN (biobricks o bioladrillos). El objetivo es que esta “piezas” puedan ser insertadas en el ADN de un organismo y permitan realizar funciones de la misma forma que las piezas de una cadena de montaje se insertan en una fábrica convencional. Quizás pueda parecer que es un objetivo muy a largo plazo, pero como nos cuenta Alla Katsnelson en “La fábrica de ADN hecha humo,” Nature News en español, 22 de julio de 2010 (traducción de “DNA factory builds up steam“), “los primeros componentes fiables para la biología sintética podrían estar disponibles a finales de año. BIOFAB (International Open Facility Advancing Biotechnology) pretende proporcionar a los biólogos sintéticos una colección de piezas genéticas que puedan utilizar en sus experimentos. Las partes biológicas –realmente secuencias de ADN– deben tener funciones predecibles y conocidas, de manera que se puedan insertar en las células para impulsar la producción de una proteína en particular, por ejemplo, o hacerla sensible a una toxina específica.“

“Pieza a pieza. Los biólogos sintéticos se han esforzado por estandarizar las comparaciones de cómo trabajan las distintas partes.” Por ahora, el mayor énfasis ha sido en el desarrollo de “promotores genéticos (regiones de ADN que facilitan la transcripción de los genes) y segmentos de ADN que codifican los sitios de unión al ribosoma (secuencias de ARN mensajero que controlan la traducción de proteínas) para determinar si se comportan igual en diferentes contextos celulares. [...] Los investigadores determinan la actividad relativa de cada promotor con respecto a un promotor de referencia ampliamente utilizado. No es un sistema perfecto pero es un comienzo. Sin embargo, no está claro si estos instrumentos de referencia funcionarán en condiciones industriales. “

“En última instancia, los objetivos de BIOFAB –y de la biología sintética– deben superar algunas limitaciones básicas de este campo. “¿Hay alguna parte que funcione en la actualidad?”, preguntó un investigador en la reunión. “No creo que haya una sola parte biológica que funcione en cualquier entorno.”“

Recomiendo saltar directamente al minuto 03:30.

Dopar un aislante topológico con impurezas magnéticas rompe la simetría de inversión temporal y abre una nueva vía a la espintrónica

Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones en su superficie exterior, pero actúan como aislantes en su volumen interior. Esta propiedad tiene su origen en la forma en que los electrones se mueven a través del material. Los electrones poseen un espín mecánico-cuántico que apunta hacia “arriba” o hacia “abajo”. El espín es normalmente independiente del movimiento de los electrones, pero dentro de los aislantes topológicos, el espín de los electrones está estrechamente relacionado con su movimiento. El resultado es que los aislantes topológicos tridimensionales, como las aleaciones de Bi_xSb_{1 -x} y los cristales Bi₂Se₃ y Bi₂Te₃, presentan estados de conducción superficiales muy robustos (protegidos topológicamente) que solo pueden ser destruidos por cambios que también destruyan el carácter aislante de su volumen, eso sí, siempre que el material conserve la simetría de inversión temporal, que el aislante topológico no sea magnético en ausencia de un campo magnético externo. La teoría afirma que si la simetría de inversión temporal se rompe, incluso la perturbación magnética más débil es capaz de abrir una brecha en el espectro de estados de conducción superficial protegidas topológicamente. Y. L. Chen (Universidad de Stanford) et al. han confirmado por primera vez esta teoría utilizando el aislante topológico cristalino Bi₂Se₃ en el que han introducido impurezas magnéticas (Mg y Fe). Un control tan preciso de las propiedades magnéticas de un material con un número contado de impurezas promete muchas aplicaciones en la industria de la grabación magnética de información de alta escala de integración, tanto en discos duros, como en memorias magnéticas de estado sólido, etc. Los aislantes topológicos también pueden servir como plataforma para otras aplicaciones tecnológicas como la espintrónica y el procesamiento cuántico de la información. Nos lo cuenta Marcel Franz, “Physics: In Praise of Exact Quantization,” Perspectives, Science 329: 639-640, 6 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Y.L. Chen et al., “Massive Dirac Fermion on the Surface of a Magnetically Doped Topological Insulator,” Science 329: 659-662, 6 August 2010. Más información sobre otras aplicaciones de los aislantes topológicos en Geoff Brumfiel, “¿Se esconden los secretos del universo en un chip?,” Nature News en español, 16 de marzo 2010.

La regulación epigenética de la función cerebral

Hay muchos genes que regulan como funciona tu cerebro, como piensas. Algunos provienen de mamá y otros de papá. Ellos no pueden influir en lo que piensas, pero influyeron en como lo haces. Más aún, marcas epigenéticas determinan si tus genes expresan alelos provenientes de papá o de mamá. Además, depende de la etapa del desarrollo, del tipo de célula y de otros factores. Cuando yo estudié todo era más fácil. Un gen tiene dos alelos, uno dominante A y otro recesivo a. Papá y mamá son AA, Aa o aa. Si papá y mamá son ambos Aa, el 25% de los hijos será aa y presentará el carácter recesivo. La epigenética (la parte de la herencia no transmitida por el ADN sino por los elementos químicos que le acompañan en el óvulo y el esperma) lo ha complicado todo en extremo. En el desarrollo temprano de las células germinales muchos genes reciben marcas epigenéticas. A veces estas marcas suprimen la expresión de un alelo de mamá y por tanto solo se expresa el alelo de papá, incluso si es recesivo. En otros casos, al contrario. La expresión de un mismo gen en un hijo es diferente si proviene de papá o de mamá.  El resultado es que la regulación epigenética de la expresión génica en los hijos es muy compleja y solo estamos empezando a entenderla. Dos artículos de Christopher Gregg (Universidad de Harvard) et al. en Science rozan la superficie de la influencia de la epigenética en la regulación de la función cerebral, un campo emergente que dará mucho que hablar en los próximos años.  Nos lo cuenta magistralmente Lawrence S. Wilkinson, “Developmental Biology: Which Parental Gene Gets the Upper Hand?,” Perspectives, Science 329: 636-637, 6 August 2010, haciéndose de eco del doblete de artículos técnicos de Christopher Gregg et al., “High-Resolution Analysis of Parent-of-Origin Allelic Expression in the Mouse Brain,” Science 329: 643-648, 6 August 2010, y Christopher Gregg et al., “Sex-Specific Parent-of-Origin Allelic Expression in the Mouse Brain,” Science 329: 682-685, 6 August 2010.

Ambos estudios de Gregg et al. utilizan una “nueva generación” de métodos de secuenciación genómica de alta resolución que permiten la determinación del transcriptoma (todas las moléculas del ARN transcrito a partir de un genoma) en los tejidos del cerebro de un ratón. Su método permite identificar si la expresión de un gen corresponde al alelo parental masculino o al femenino. ‘El primero resultado que destaca Wilkinson es la gran cantidad de genes expresados en el cerebro que muestran  el sesgo parental (más de 1300 proteínas y ARN no codificantes, es decir, diez veces más de lo que se esperaba encontrar). ¿Por qué nadie se había dado cuenta hasta ahora de que estos genes estaban marcados epigenéticamente? Wilkinson apunta a que ha sido necesario utilizar las últimas técnicas de secuenciación genómica de alta resolución para descubrirlo.

El cerebro de los mamíferos es muy complejo en términos de su desarrollo, conectividad y composición celular. El trabajo de Gregg et al. muestra que también es muy complejo a nivel de expresión génica de genes marcados epigenéticamente. Algunos genes marcados solo muestran el sesgo parental en la expresión de uno de sus alelos en determinadas fases del desarrollo, mientras que otros lo muestran solo en ciertos tipos celulares, presentando expresión de ambos alelos parentales en otras partes del cerebro, o incluso en función del sexo de la persona. Algunas improntas genómicas se expresan de forma selectiva entre los hijos y las hijas. Los resultados revelan un nivel complejidad del todo inesperado.

La gran pregunta que nos hacemos todos en relación al trabajo de Gregg et al. sobre la regulación epigenética de la función cerebral en ratones es en qué grado estos resultados son relevantes para los seres humanos. Según Wilkinson, la única respuesta posible es que la impronta genómica también tiene un papel importante en la función cerebral y en el comportamiento humano. Una nueva visión sorprendente sobre el papel y la importancia de las influencias de los padres sobre la expresión genética en nuestro cerebro que se espera que llegue a ayudar en la etiología (las causas) de los trastornos cerebrales complejos,como el autismo y la esquizofrenia.

PS (11 agosto 2010): También se hacen eco del artículo de Gregg et al. en Nature, en concreto Eric B. Keverne, “Neuroscience: A mine of imprinted genes,” News and Views, Nature 466: 823–824, 12 August 2010.

Atención, pregunta: Debería EE.UU. copiar el sistema de salud pública de Cuba

A veces cuando leo algo no sé si va en serio o va en broma. El 30 de abril leí en Science un artículo sobre las excelencias del sistema de salud pública cubana. El artículo proponía que el Presidente Obama debería tomar buena nota e incluso imitar a Cuba en su reforma del sistema sanitario público en EEUU. A mí el artículo me resultó muy curioso. No por las estadísticas que presentaba, todas repletas de datos oficiales del gobierno cubano, que podrían estar adulterados, sino porque una revista tan norteamericana como Science publicara un artículo loando las excelencias de un país que ha sufrido un embargo terrible durante 50 años y sigue. En su momento pensé en escribir una entrada en mi blog. Pero luego pensé que la semana que viene seguro que alguien protesta y le envía una carta al editor vociferando coces contra el artículo y entonces aprovecho y la escribo. No ocurrió y no le di mayor importancia. Lo olvidé en el buzón de borradores pendientes. Mea culpa. Esta semana Science publica dos cartas al editor y una respuesta de los autores. Se han hecho de rogar. Aprovecharé la excusa. Al grano. Lo primero una traducción libre (algo resumida) y luego los comentarios al editor.

El artículo en liza es Paul K. Drain, Michele Barry (Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford, California, EEUU), “Fifty Years of U.S. Embargo: Cuba’s Health Outcomes and Lessons,” Science 328: 572-573, 30 April 2010. La esperanza de vida en Cuba, a pesar del embargo en alimentos, medicinas y suministros médicos, es similar a la de EEUU y superior a la de otras regiones de América Latina. Durante los primeros 30 años del embargo, con el apoyo soviético, subió 12’2 años. Después del colapso de la Unión Soviética, durante el periodo especial, la ayuda exterior se tambaleó y la economía de Cuba y la salud público sufrieron un duro golpe. La ingesta calórica de los adultos disminuyó en un 40%, el porcentaje de recién nacidos con bajo peso (< 2500 gramos) se incrementó un 23%, la anemia se hizo común entre las mujeres embarazadas y el número de operaciones de cirugía realizadas disminuyó un 30%. Tras una década de periodo especial la tasa total de mortalidad aumentó un 13%.

Lo más duro fue el embargo en la importación de medicinas. Por ejemplo, la escasez de medicamentos provocó un incremento del 48% en el número de muertes por tuberculosis de 1992 a 1993, hasta el punto de que el número de casos de tuberculosis en 1995 fue el triple que en 1990. Fue un periodo muy duro. Estados Unidos en el año 2000 eliminó las restricciones para la venta de alimentos a Cuba, pero las restricciones para medicamentos y suministros  médicos no fueron derogadas.

El pueblo cubano se crece ante la panuria y pese a las dificultades para obtener medicamentos y suministros médicos, la buena labor de los profesionales de la salud cubanos y las medidas de salud globales adoptadas en el país han permitido que Cuba presente índices de salud pública mejores que la mayoría de los países de América Latina y comparables a los de la mayoría de los países desarrollados. Cuba tiene el mayor promedio de esperanza de vida (78’6 años), el mayor número de médicos por habitante (59 médicos por cada 10000 personas) y las tasas más bajas de mortalidad en partos y bebés lactantes entre los 33 países de América Latina y el Caribe.

¿Es un sinsentido comparar Cuba con EEUU en cuanto a salud pública? En 2006 el gobierno cubano invirtió el 7’1% del PIB del país en salud pública. El costo anual de la atención para la salud en EEUU supone un 15’3% del total del PIB. Cuba gastó menos en salud pública que la mayoría de los países europeos. ¿Cómo con un coste tan bajo se puede explicar un éxito tan grande? Durante el embargo el gobierno ha puesto el énfasis en la prevención de enfermedades y en la atención sanitaria primaria. Según afirman los autores del artículo: Cuba tiene uno de los sistemas más activos de atención primaria de salud en el mundo. Al educar a su población sobre la prevención de enfermedades y la promoción de la salud, los cubanos dependen menos de los suministros médicos para mantener una población sana. En EEUU ocurre justo lo contrario: los suministros médicos y las nuevas tecnologías sanitarias, con un coste muy alto, son fundamentales para mantener a la población sana.

La formación universitaria en medicina en Cuba hace hincapié en la atención primaria desde 1960, cuando Cuba creó un sistema de salud que alienta a los médicos jóvenes a trabajar en las zonas rurales. En 1974 se dictaminó que todos los licenciados en medicina deben dedicar 3 años a la práctica de la medicina comunitaria en una zona rural (para devolver al Estado los costes que ha supuesto su formación). En la actualidad, alrededor del 65 % de los médicos se dedican a la medicina de atención primaria y el resto inician su formación como médico especialista. Cuba también ha creado una infraestructura de salud para apoyar la medicina de atención primaria: el país cuenta además de con grandes hospitales, con 498 policlínicas (básicamente centros de atención primaria) y cada policlínica sirve como núcleo de organización para entre 20 y 40 consultorios. Todo cubano visita o es visitado por un médico de un consultorio por lo menos una vez al año. Cuba además tiene una de las tasas más altas de vacunación. Toda la atención sanitaria es gratuita para los pacientes, excepto para algunos medicamentos no subvencionados. El énfasis en la medicina de atención primaria, la alfabetización en salud de los ciudadanos y la cobertura universal en salud son los artífices de que Cuba presente uno de los sistemas de salud del mundo desarrollado más efectivos para su bajo presupuesto (mejor relación coste/eficiencia).

Los autores del artículo acaban indicando que EE.UU. podría aprender de Cuba lecciones muy valiosas acerca del desarrollo de un sistema de salud universal que hace hincapié en la atención primaria. Los autores recomiendan que el Congreso solicite al NIH (Instituto Nacional de la Salud) un estudio de los éxitos del sistema de salud cubano y cómo se puede emprender una nueva era de cooperación entre los científicos de EE.UU. y los cubanos. Además, de eliminar el embargo para la exportación de medicinas y material sanitario a Cuba.

Tras el resumen vienen los comentarios (también traducidos y resumidos).

Katherine Hirschfeld lo tiene claro, cuidado con la fuente de los datos. En “Cuban Health Care: Consider the Source,” Science 329: 627-628, 6 August 2010, protesta porque los datos presentados en el artículo de Drain y Barry tienen como fuente el gobierno cubano. Para ella estos datos son un descarado lavado de cara del sistema de salud cubano. Ella no se cree que el sector salud cubano sea un oasis de humanismo e igualitarismo en el que los ciudadanos no se encuentren afectados por el problemas asociados al autoritarismo, la represión de la información y los graves abusos contra los derechos humanos que han caracterizado el régimen de Castro en sus 50 años de historia. Las publicaciones e informes oficiosos de periodistas y médicos disidentes del régimen han documentado una miríada de problemas sistémicos de Cuba encarnados en la organización y la prestación de asistencia sanitaria. Los resultados de dichos trabajos son desfavorables para el gobierno cubano y revelan un sistema de salud plagado de corrupción, autoritarismo, desigualdad, falsificación de datos y abusos de los derechos humanos. Cualquier artículo académico que evalúe la situación del sistema de salud en Cuba debe discutir la forma en que estos problemas sistémicos falsean la la investigación empírica.

Lawrence Bodenstein también lo tiene claro, no hay nada gratis. En “Cuban Health Care: Benefits Without Costs,” Science 329: 628, 6 August 2010, afirma que no se cree que Cuba pueda proporcionar a Estados Unidos el know-how para ofrecer una atención en salud primaria de alta calidad a bajo costo. El sistema de salud de Cuba es específico de un país pequeño centralizado. No se puede aplicar en una nación tan amplia y heterogénea, profundamente centrado en las libertades individuales, incluyendo la libertad personal para evitar la atención preventiva, como EEUU. Muchos países puede proporcionar medicina y tecnologías médicas a costos menores que los Estados Unidos, pero no se puede olvidar que la mayoría de los medicamentos genéricos de bajo costo se basan en descubrimientos realizados en Estados Unidos y un puñado de otras naciones desarrolladas. Estados Unidos carga con los gastos de un sistema de salud y una infraestructura que han producido una asombrosa serie de avances médicos en los últimos decenios. Otros países, como Cuba, se aprovecha de estos beneficios evitando al mismo tiempo la mayor parte de los costes. ¿Cuál sería la calidad de la atención de salud primaria en Cuba si solo contaran con los descubrimientos y avances médicos originarios de su país?

Obviamente, los autores se defienden. Paul K. Drain y Michele Barry les contentas en “Response—Cuban Health Care,” Science 329: 628, 6 August 2010. Hirschfeld expresa escepticismo respecto a la validez de datos de salud de Cuba, pero es infundado. Los datos de morbilidad y mortalidad anual por edad, sexo, causa de muerte y región geográfica en Cuba se han publicado desde 1970, a partir de datos reales recogidos en cada policlínica y hospital. Cada año, Cuba presenta datos nacionales sobre 42 indicadores de salud, así como causas de mortalidad a la Organización Panamericana de la Salud (OPS). Teniendo en cuenta la integridad y la coherencia de Cuba, parece muy improbable que se hayan falsificado de forma regular los informes con datos de salud en los últimos 40 años.

Le contestan a Bodenstein recordando que ellos no abogan por reducir la financiación de la investigación médica en EE.UU., sino más bien por proporcionar un mejor acceso al cuidado médico primario en cuanto a la relación coste/eficacia, como ha demostrado el sistema de salud cubano. Por ejemplo, en 2003 los adultos estadounidenses recibieron sólo el 55% de la atención preventiva en salud recomendada. El sistema sanitario de los EE.UU. debe esforzarse por agilizar los procesos administrativos y cambiar el enfoque de hacia la prevención de enfermedades en lugar de hacia su tratamiento. Las soluciones de bajo costo adoptadas en Cuba podrían ser aplicadas para mejorar la salud de los estadounidenses y ayudar a sufragar los costos médicos en general. Y como no, vuelven a la carga, y les admiramos por ello, eliminar el embargo comercial puede favorecer una mayor colaboración entre los científicos y médicos norteamericanos y cubanos, que puede conducir a futuros avances de la medicina y a nuevos descubrimientos.

Y ya para acabar.  ¿Debería EE.UU. copiar el sistema de salud pública de España? Y para generar polémica. ¿Debería España copiar el sistema de salud pública de Cuba?

Un Premio Nobel afirma que los investigadores del CSIC no cometieron fraude y Science duda si retractará su artículo

La revista Nature se hizo rápido eco de que el comité de ética del CSIC había observado señales de fraude en un artículo publicado en Science y liderado por investigadores españoles (ya nos hicimos eco en el fraude salpica a investigadores del CSIC, el 28 de julio de 2010). Science decidió recabar información por su cuenta. Envió al Premio Nobel Richard Roberts al laboratorio en el CSIC de Manuel Ferrer, el autor principal español, y ha quedado impresionado. Más aún, ha enviado muestras anónimas de 10 proteínas purificadas al laboratorio de Ferrer quien las ha analizado con la nueva técnica y ha remitido los resultados a Roberts. El Premio Nobel afirma que los resultados de su prueba confirman que el trabajo de Ferrer está fuera de toda duda. Estos resultados ya están en manos de los editores de Science que están evaluando la posible retracción del artículo. Todos los españoles deseamos que la conclusión final sea que el artículo no debe ser retractado, a pesar del informe del comité de ética del CSIC y que la Ciencia Española quede limpia de toda duda en relación a este asunto. Nos lo informa John Travis, “Nobel Prize–Winner Says Tests Show Controversial Enzyme Chip Works,” Science Insider, August 3, 2010.

La investigación realizada por los editores de Science aclara que varios biólogos han usado la misma metodología propuesta por los españoles para obtener el reactoma (toda la actividad enzimática dentro de una célula) y han concluido que la metodología es correcta, aunque quizás haya habido defectos de forma en la preparación del manuscrito y de su información suplementaria. Aún así, no creen que se haya cometido fraude y no se recomienda que el artículo sea retractado, pese a la polémica y a la opinión del comité de ética del CSIC: “que encontró claros indicios de desviaciones respecto de los principios de buenas prácticas científicas, falta de controles adecuados en los experimentos y en el tratamiento de datos, ausencia de información relevante en la publicación y contradicciones en las respuestas a la revista tras la revisión por pares. Por todo ello, el comité recomienda la retracción del artículo.”  El comité no concluye que haya evidencia de que la nueva técnica presentada en el artículo no funcione, más bien al contrario, señala que hay evidencia de que “cierto número de científicos están convencidos de la validez de la metodología utilizada.” Los editores de Science todavía no han tomado la decisión final, pero todo apunta a que será negativa respecto a la retracción, afortunadamente.

John Travis nos recuerda que la metodología propuesta ha sido utilizada en España por otros investigadores, como Antonio Suárez García, del Centro de Investigación Biomédica en Armilla, España, que afirma que “esta técnica representa un gran avance en las metodologías de alto rendimiento para obtener el reactorma y será muy útil para investigadores en muchas disciplinas científicas” (su grupo la ha usado para caracterizar el reactoma de la actividad enzimática intestinal y de la flora microbacteriana en personas delgadas y obesas). “Hemos usados los chips para determinar el reactoma antes y después de la controversia y hasta donde sabemos funcionan como se esperaba. Los casos que no encajan pueden ser indicativos de nuevas reacciones metabólicas previamente no documentadas.“

El informe del comité de ética del CSIC ha decepcionado a algunos científicos, como Victor de Lorenzo,  del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC en Madrid: ”Francamente creo que el Comité del CSIC podría haber hecho un trabajo mucho mejor distinguiendo claramente entre la parte del trabajo fuera de toda duda y la parte que podría ser dudosa o presentar anomalías. Con tal fin deberían haber entrevistado a los autores y haber realizado su trabajo a pie de laboratorio. Todo el proceso se ha llevado a cabo a distancia. Si el artículo es retractado tengo miedo de dos cosas, (1) que la comunidad científica sea privada del uso de una herramienta muy poderosa para resolver un problema muy difícil (determinar el reactoma), y (2) que cualquier listillo aproveche la situación para repetir el trabajo, publicarlo en una revista de primer nivel y reclamar el crédito sobre la nueva técnica.”

¿Qué hará finalmente la revista Science? Supongo que lo sabremos la próxima semana (los editores afirman que harán una declaración pública al respecto y que tomarán la decisión cuanto antes). Todos cruzamos los dedos y deseamos que el artículo no sea retractado. Yo soy optimista. ¡Qué le acompañe la suerte doctor Ferrer!

A veces una imagen vale más que mil palabras… NACA0012 a número de Reynolds 23000 y 33000

A veces sí y veces no. Quizás este no sea el caso. Depende de tu formación en aerodinámica y fluidodinámica. El artículo técnico con las palabras que le faltan a esta entrada es de los coreanos Dong-Ha Kim, Jo-Won Chang, “Unsteady boundary layer for a pitching airfoil at low Reynolds numbers,” Journal of Mechanical Science and Technology (revista de The Korean Society of Mechanical Engineers) 24: 429-440, enero de 2010 [PDF gratis aquí]. Me han llamado la atención esas figuras, pero estoy un poco vaguete… me perdonaréis porque estamos en agosto y hace mucha calor.

Foldit: un juego online multijugador ayuda a resolver la estructura tridimensional de proteínas

Comparación entre las predicciones de los jugadores (verde) a partir de una aproximación obtenida por Rosetta (rojo) y la estructura verdadera (azul). Sorprende la calidad de la reconstrucción “ciega” por parte de los jugadores. (C) Nature

Muchos problemas son tan difíciles que programar un ordenador para que los resuelva de forma eficiente es casi imposible. Una persona es capaz de resolver problemas muy complejos sin que se sepa realmente como los resuelve. Se podría utilizar dicha capacidad de “computacíon humana” para resolver problemas si se lograra incentivar a la gente para que se enfrentara a problemas científicos difíciles. ¿Cómo lograrlo? Mediante juegos de ordenador adictivos cuya solución sea la solución del problema científico considerado. ¿Quién es capaz de diseñar un juego así? No parece fácil, pero Seth Cooper y sus colegas han diseñado un juego multijugador por internet para la predicción interactiva de la estructura tridimensional de proteínas llamado Foldit, cuyo núcleo está basado en el famoso programa de predicción automática del plegamiento de proteínas llamado Rosetta. Los jugadores compiten entre ellos y colaboran para optimizar la energía de plegamiento de la proteína conforme la visualizan en 3D. Lo sorprendente es que sus soluciones son muy buenas. Tan buenas que esta aproximación al problema del plegamiento de proteínas ha merecido ser publicada en la mismísima Nature: Seth Cooper et al., “Predicting protein structures with a multiplayer online game,” Nature 466: 756–760, 05 August 2010. Merece la pena ojear la información suplementaria que presenta gran número de ejemplos que ilustran la gran calidad de los resultados obtenidos con este enfoque de optimización híbrida humano-máquina para la resolución del problema del plegamiento de proteínas.

Se sabe desde hace más de 40 años que las estructuras tridimensionales de las proteínas están determinadas por sus secuencias de aminoácidos. Sin embargo, predecir dicha estructura siendo un problema aún no resuelto (salvo para proteínas pequeñas). Un programa profesional tan usado como Rosetta está limitado por la necesidad de muestrear el espacio de conformaciones posibles en la búsqueda de la conformación con menor energía libre. Este espacio de búsqueda puede ser enorme ya que incluso las proteínas pequeñas tienen miles de grados de libertad. Rosetta utiliza una combinación de algoritmos estocásticos y deterministas basados en la reconstrucción parcial de fragmentos y su recolocación espacial. La hipótesis de Cooper et al. es que el razonamiento espacial humano podría mejorar tanto la toma de muestras del espacio conformacional como la determinación de la configuración óptima si algunos pasos estocásticos durante la búsqueda son sustituidos por decisiones tomadas por humanos. Foldit es un juego online multijugador que combina la “inteligencia” del software Rosetta con la inteligencia humana para predecir las conformaciones óptimas de proteínas. El interfaz del software se presenta en la figura de abajo. Los jugadores se enfrentan a un rompecabezas. Los jugadores de forma interactiva tratan de buscar configuraciones mejores que las que va obteniendo Rosetta y reciben una puntuación de acuerdo con lo que han logrado reducir la energía respecto a los resultados de Rosetta. El juego es accesible a jugadores sin formación científica (por lo que los términos técnicos se han sustituido por términos de uso común). Además, el software de visualización elimina ciertos elementos proteicos que dificultan la solución de problema y resalta las áreas donde Rosetta tiene más dificultades para reducir la energía conformacional (ya que allí es donde se espera que la inteligencia humana avance más allá del software). Lo realmente sorprendente es que el concepto funciona y que la creatividad humana logra obtener resultados más próximos a las estructuras reales de las proteínas que las que obtiene Rosetta por sí mismo. Un enfoque de optimización híbrida humano-máquina logra resultados realmente sorprendentes. Aún así, Foldit todavía ha de ser mejorado, sobre todo en lo referente a la jugabilidad (los “juegos” duran varios días) y en cuanto a la escala, ya que por ahora se limita a proteínas relativamente pequeñas.

Los secretos del sfumato de Leonardo da Vinci en la Gioconda desvelados gracias a la fluorescencia de rayos X

Leonardo da Vinci estaba obsesionado con alcanzar la perfección, siempre mejorando su técnica pictórica. El Papa León X se quejó de que ”¡este hombre nunca llegará a ningún lado!” ya que Leonardo prefería inventar un nuevo barniz a comenzar la última obra que le habían encargado. La Gioconda (también conocida como La Mona Lisa) es una obra (en teoría) inacabada. La inicó en 1503 y le dedicó 4 años, pero según cuentan nunca la dio por acabada, por lo que regresó a ella muchas veces durante toda su vida. ¿Qué secretos oculta esta obra? Un análisis gracias a un generador portátil de rayos X (para no mover el cuadro del Louvre, París) del  Sincrotrón Europeo de Grenoble, mediante la técnica de fluorescencia de rayos X, ha desvelado los secretos de la técnica de sfumato que utilizó Leonardo en esta obra maestra del esfumado. “El esfumado es un efecto vaporoso que se obtiene por la superposición de varias capas de pintura extremadamente delicadas, proporcionando a la composición unos contornos imprecisos, así como un aspecto de vaguedad y lejanía;  da una impresión de profundidad en los cuadros.” Los investigadores han determinado la composición y el grosor de las capas de pintura en la cara de La Mona Lisa, así como en otras  seis pinturas de Leonardo en el Louvre. Philippe Walter y sus colegas en el Centro de Investigación y Restauración de los Museos de Francia han descubierto que Leonardo logró una capa de esmalte marrón casi transparente encima del sonrosado de la mejillas de La Gioconda cuyo espesor es solo de 2-5 micrómetros (en la parte más delgada) y hasta 30 micrómetros (en la parte más gruesa). Este esmalte marrón es un pigmento terroso de óxido de hierro oscurecido con óxido de manganeso. Estos materiales fueron muy utilizados en el Renacimiento, pero el control del espesor de la capa de pigmento que logró Leonardo es excepcional. Los autores del estudio creen que usó su propia mano en lugar de un pincel (esto también lo hacían otros pintores al aplicar la técnica del esfumado). Walter y sus colegas han usado una técnica no invasiva para el análisis de obras de arte: la espectroscopía de fluorescencia con rayos X . Se bombardean los átomos del pigmento con rayos X de alta energía que provocan que los electrones se exciten a un nivel electrónico más elevado en cada átomo, desde el que más tarde decaen emitiendo nuevos rayos X cuya  energía revela la identidad de cada átomo. Este estudio de las capas de pintura de la Mona Lisa se ha publicado en Laurence de Viguerie, Philippe Walter, Eric Laval, Bruno Mottin, V. Armando Solé, “Revealing the sfumato Technique of Leonardo da Vinci by X-Ray Fluorescence Spectroscopy,” Angewandte Chemie International Edition, published online el 14 de julio de 2010.

PS (5 ago 2010): Un lector en Menéame (radioman) ha detectado que mi título era erróneo, por lo que lo he cambiado . Gracias, radioman.

Por qué el bosón de Higgs no se llama bosón de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble

Una razón es obvia, la concreción. La otra, una mera anécdota. Muy conocida, eso sí, aunque nos la recuerda Ian Sample, “The long story of how the boson got only Higgs’s name,” Nature 466: 689, 05 August 2010. Acompañado por una copa de vino, el físico coreano Benjamin W. Lee charló sobre el bosón con Peter Higgs en 1967 en una conferencia. El artículo de Higgs de 1964 era muy poco conocido. Higgs no le dijo nada a Lee sobre las contribuciones de Brout y Englert, y las de Hagen, Guralnik y Kibble, o sobre las de Anderson o Goldstone u otros. Delante de una copa de vino uno tiene que abreviar (y ponerse flores). Lee impartió una conferencia plenaria sobre el mecanismo de ruptura espontánea de la simetría electrodébil en la Conferencia Internacional de Fïsica de Alta Energía celebrada en 1972 en el (ahora llamado) Fermilab, en Batavia, Illinois, EEUU. Lee recordó su charla con Higgs por lo que utilizó el nombre “mecanismo de Higgs” y llamó “bosón de Higgs” a la partícula que resulta de dicho mecanismo. Casi nadie conocía esta “oscura” teoría, hasta que esta charla de Lee la popularizó como parte fundamental del Modelo Estándar, que entonces estaba empezando a cuajar. “Bosón de Higgs” resonó en la mente de todos y se convirtió en el nombre “oficial” del bosón BEHHGK, o como siempre afirma el propio Peter Higgs en sus conferencias, el bosón de ABEGHHK’tH, en referencia a sus “padres” oficiales: Phil Anderson, Robert Brout, François Englert, Gerry Guralnik, Dick Hagen, Peter Higgs, Tom Kibble y Gerard ‘t Hooft. Descubridores, redescubridores, y encumbradores del bosón. Curiosos giros de la historia. Los amantes de la “foto” y de la historia contada por Higgs disfrutarán de “El sexteto de Higgs, Premio de la APS en honor a J.J. Sakurai, y la historia del mecanismo de Higgs,” 5 Junio 2010.

El genoma de Bob Esponja, digo de la esponja de mar (Amphimedon queenslandica)

Bob Esponja le encanta a mi hijo. No sé por qué. Ni siquiera es una esponja de mar. Ahora Bob, digo, la esponja de mar, es noticia. Se ha secuenciado su genoma, en concreto el de la esponja de mar  de la Gran Barrera de Coral(Amphimedon queenslandica). El genoma se publica en Nature, como no. ¿Para qué secuenciar el genoma de una esponja de mar? Para estudiar los orígenes del cáncer. ¿Cómo? Un genoma que ofrece una ventana crucial hacia los orígenes de la vida multicelular. Uno de los descubrimientos más interesantes de este estudio es la existencia de células suicidas, células que se suicidan por el bien de la comunidad, cuya regulación génica, con toda seguridad, está implicada en el cáncer. El cáncer, el enemigo público número uno de los organismos multicelulares. El cáncer, el motivo último por el que se ha secuenciado el genoma de la esponja. “Las esponjas forman parte de uno de los linajes más antiguos del reino animal, por ello su ADN permite identificar las innovaciones genéticas que han permitido la transición de la vida unicelular a la multicelular hace unos 600 millones de años.” Podrían incluso arrojar luz sobre la biología del cáncer, ya que muchos de los genes relacionados con la aparición de animales están también implicados en el cáncer, que surge de los defectos en los procesos básicos relacionados con la multicelularidad animal. El genoma de la esponja nos permite estudiar la evolución de los animales unicelulares (protozoos) hacia los multicelulares (metazoos). La autora principal del artículo es la genetista Mansi Srivastava, ahora postdoctorada en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) en Cambridge, EEUU. Un genoma con más de 18000 genes individuales que codifica los mecanismos por los que células diversas se adhieren entre sí, crecen de forma organizada y reconocen células intrusas. Un genoma que incluye genes análogos a los que codifican el sistema neuromuscular, el código genético para el tejido muscular y las neuronas.  Nos lo cuentan Maely Gauthier, “El genoma de la esponja de mar arroja luz sobre la evolución animal y la formación del cáncer,” SINC, 4 Ago. 2010, y Adam Mann, “Sponge genome goes deep. Researchers wring evolutionary clues from gene sequence,” News, Nature 466: 673, 4 August 2010. El artículo técnico es Mansi Srivastava et al., “The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity,” Nature 466: 720–726, 05 August 2010.