Publicado en Nature: La relación entre la tasa metabólica y la masa corporal no es una ley de potencias en mamíferos

Los elefantes son 200 000 veces más grandes en masa que los ratones pero requieren sólo 15 000 veces más energía diaria. Kolokotrones et al. han mostrado que no hay una ley de potencias que relacione la tasa metabólica y la masa corporal en mamíferos. (C) Nature.

Si dedicas 5 minutos a leer este blog, gastarás unos 350 J/kg, julios de energía por kilogramo de masa corporal. Un ratón consumiría 3000 J/kg en el mismo tiempo y un elefante africano de 4 toneladas sólo 200 J/kg. Los animales más grandes consumen menos energía y requieren, proporcionalmente, menos alimento. Todo el mundo lo sabe. Pero, ¿cuál es la relación matemática exacta entre tasa metabólica y masa corporal? Desde hace casi 200 años se ha estudiado teórica y empíricamente esta relación y la propuesta estándar es una ley de potencias. Kolokotrones et al. publican en Nature un nuevo análisis que muestra que para los mamíferos una ley de potencias no es adecuada (el exponente no es constante, crece con el tamaño). Además, proponen modificaciones en la teoría de la red fracal de distribución de nutrientes que se utiliza para entender el por qué la tasa metabólica no varía en proporción directa con la masa corporal. Nos lo cuenta Craig R. White, “Physiology: There is no single ρ,” News and Views, Nature 464: 691-693, 1 April 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Tom Kolokotrones, Van Savage, Eric J. Deeds, Walter Fontana, “Curvature in metabolic scaling,” Nature 464: 753-756, 1 April 2010.

La relación entre tasa metabólica y masa corporal fue estudiada por primera vez en los 1830 por Sarrus y Rameaux, en una serie de conferencias en la Academia Real de Medicina de París. Como el calor corporal producido por el metabolismo debe ser disipado al medio ambiente a través de la piel, la tasa metabólica debe ser proporcional a la superficie corporal y no al volumen (o masa corporal). Rubner lo demostró empíricamente en 1883 utilizando perros. En 1916, el Premio Nobel de Medicina August Krogh propuso el uso de una ley de potencias para describir la relación entre tasa metabólica (T) y masa corporal (m), es decir, T=A mp. Para animales de sangre caliente, como pájaros y mamíferos, Rubner sugirió que la potencia p es próxima a 2/3, pero que para animales de sangre fría es cercana a 1. Sin embargo, en  1932 Kleiber, e independientemente Brody y Proctor, encontraron empíricamente un exponente p cercano a 3/4, que se llama ley de Kleiber. Hemmingsen en 1960 descubrió que esta ley es válida tanto para animales de sangre caliente como fría. Sin embargo, en los últimos años se han publicado varios estudios que contradicen la universalidad de la ley de Kleiber. La explicación actual de esta ley es la teoría de la red de distribución fractal, que predice que el exponente suponiendo que la red que suministra nutrientes en el cuerpo tiene una geometría fractal.

Kolokotrones et al. aportan dos contribuciones importantes. Primero, demuestran empíricamente que la ley de Kleiber no es aplicable a mamíferos. Esencialmente, el valor del exponente p crece con el tamaño corporal: la tasa metabólica crece más rápido con la masa corporal en mamíferos grandes que en los pequeños. Este resultado confirma definitivamente la evidencia reportada por múltiples estudios en mamíferos en los últimos 3 años. Segundo, introducen modificaciones en las hipótesis en la teoría de la red de distribución fractal que justifican la variación del exponente p que han encontrado en mamíferos.

En resumen, un trabajo interesante que quizás no será el definitivo ya que en estos asuntos “polémicos” no suele haber una respuesta científica definitiva y universal.

Descubierta una diferencia entre células madre y las células adultas reprogramadas en ratones

En ratones se ha descubierto una diferencia importante entre las células adultas reprogramadas y las células madre. Si se confirma en humanos, ayudará a los investigadores clínicos a seleccionar las mejores células madre reprogramadas para aplicaciones terapéuticas y modelos de enfermedades. Las células madre pluripotentes inducidas o células iPS (por induced pluripotent stem) se obtienen mediante la reprogramación de células adultas y aparentemente son indistinguibles de las células madres del embrión: ambos tipos de células son pluripotentes, permiten desarrollar cualquier tejido del organismo. Un equipo liderado por Konrad Hochedlinger del Hospital General de Massachusetts, en Boston, han descubierto una diferencia en la expresión génica entre células madre y células iPS en ratones. Estas células tienen ADN idéntico, pero hay dos genes en el cromosoma 12 y varias secuencias de microARN reguladores que están silenciadas en las células madre pero se encuentran activas en varios tipos de células adultas y en las reprogramadas. Este es un paso importante hacia la identificación de las diferencias que pueden existir entre células reprogramadas correcta e incorrectamente. “Este descubrimiento abre la puerta para investigaciones posteriores en células iPS humanas,” como ha indicado Matthias Stadtfeld, miembro del equipo de Hochedlinger, también en el Hospital General de Massachusetts, que presentó este trabajo en una Conferencia de la Academia de Ciencias de New York, el 23 de marzo de 2010. Sin embargo, no todo el mundo está de acuerdo con estos resultados. El experto John Hambor, uno de los directores del Cell Therapy Group, consultaría de Madison, Connecticut, tiene serias dudas sobre los resultados del experimento, ya que las células iPS utilizadas no cumplen con los criterios de control de calidad actuales más estrictos. Además, los genes silenciados no tendrían importancia en tejidos en los que no se expresan estos genes. En resumen, se necesitan más análisis pero el descubrimiento es interesante. Aunque los resultados encontrados en ratones no siempre se pueden extrapolar a humanos, si se descubriera un patrón de expresión similar en células iPS humanas, tendría importantes repercusiones en la ingeniería genética de tejidos basada en células madre. Nos lo cuenta Elie Dolgin, “Gene flaw found in induced stem cells,” News, Nature 464: 663, 1 April 2010.

Publicado en Nature: Hacia un segundo más preciso en los relojes atómicos; superado el límite cuántico de la interferometría de Ramsey

Interferómetro lineal (izquierda), no lineal (centro) y estados hiperfinos del estado de Bose-Einstein utilizado (derecha). Se influye la representación en la esfera de Bloch de los estados de los átomos llamados |a> (azul), |b> (rojo) y su superposición coherente (morado). (C) Nature.

 

Se define un segundo como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación asociada a la transición hiperfina del estado fundamental del isótopo 133 del átomo de cesio. El estado del arte en relojes atómicos se basa en la interferometría de campos oscilantes separados desarrollada por Norman F. Ramsey en 1949 (Premio Nobel de Física 1989). La precisión de la interferometría de Ramsey está limitada por la estadística clásica debido a que el número de átomos utilizados es finito. Gross et al. demuestran en Nature que se puede superar el límite de Ramsey mediante interferometría atómica no lineal utilizando un condensado de Bose-Einstein. Grosso modo, la técnica en lugar de medir la transición hiperfina en un átomo de cesio, utiliza un estado entrelazado de muchos átomos (170 átomos del isótopo 87 del rubidio) y mide la transición hiperfina en este “macroátomo” (el estado condensado de Bose-Einstein se describe con una única función de onda y se comporta como un “átomo” macroscópico). Utilizando su técnica de interferometría no lineal han obtenido una medida un 61% más precisa que el límite (cuántico) teórico. El artículo técnico es C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève, M. K. Oberthaler, “Nonlinear atom interferometer surpasses classical precision limit,” Nature, advance online publication 31 March 2010.  

Estos avances parecen muy alejados de la realidad cotidiana. Uno se imagina un reloj atómico como una máquina enorme, de dos metros de alto, caro de construir y con un alto consumo de energía. Sin embargo, desde 2004 se fabrican relojes atómicos del tamaño de un chip, los llamados chips atómicos. Estos chips tienen gran número de aplicaciones en dispositivos portátiles de precisión atómica para comunicaciones inalámbricas seguras, navegación GPS precisa y otras aplicaciones, aunque todavía son caros. Riedel et al. publican también en Nature la aplicación de estados comprimidos de espín (spin-squeezed states) en condensados de Bose-Einstein de dos componentes para superar el límite de Ramsey en chips atómicos, así como su aplicación al desarrollo de relojes atómicos (esto último aún en desarrollo). Utilizando una técnica diferente, pero relacionada, logran utilizar técnicas interferométricas para medir las transiciones hiperfinas en estados entrelazados de 4 ± 1 átomos. El incremento en precisión más allá del límite cuántico no es tan espectacular como en el trabajo anterior, pero el hecho de que lo logren en chips atómicos merece toda nuestra atención. El artículo técnico es Max F. Riedel, Pascal Böhi, Yun Li, Theodor W. Hänsch, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, “Atom-chip-based generation of entanglement for quantum metrology,” Nature, advance online publication 31 March 2010. 

Representación en la esfera de Bloch de la evolución del estado interno del BEC (arriba), control de la no linealidad (χ) en el chip atómico en función de la densidad de solape normalizada entre los dos BEC (abajo, izquierda) y secuencia experimental utilizada (abajo, derecha). (C) Nature.

PS (21 abril 2010): Ya han aparecido en papel estos artículos técnicos, acompañados de un comentario de Charles A. Sackett, “Quantum measurement: A condensate’s main squeeze,” News and Views, Nature 464: 1133-1134, 22 April 2010, quien nos recuerda que el entrelazamiento permite que la incertidumbre cuántica de una variable se reduzca a costa del incremento de la de otra. Buena manera de describir el secreto de estos trabajos técnicos.

Las primeras colisiones a 7 TeV en los detecores CMS y ATLAS del LHC (CERN)

La figura muestra la primera colisión de partículas a 7 TeV que se detectó hoy en el experimento Compact Muon Solenoid (CMS) del LHC. La figura está dividida en tres partes que muestran diferentes vistas de lo mismo, con etiquetas “3D” (izquierda), “Rho Z” (derecha arriba) y “Rho Phi” (derecha abajo), donde Rho, Phi y Z son las tres componentes en coordenadas cilíndricas. La colisión de los protones se produce en el punto de colisión, el punto imaginario de donde parten todas las trayectorias en amarillo. Las curvas en amarillo corresponden a las trazas que dejan las partículas emitidas en los detectores de silicio (Silicon tracker) que permiten reconstruir las trayectorias en 3D de las partículas cargadas que se producen (sólo se detectan partículas cargadas, como muones y electrones, pero no los fotones). A partir de la curvatura de las trayectorias se puede estimar el momento, masa y energía de las partículas. Las partículas positivas (negativas) se curvan en sentido horario (antihorario). La reconstrucción tridimensional es importante porque el campo magnético que curva las trayectorias no es homogéneo y por eso las trayectorias no son arcos de circunferencia. La parte exterior del cilindro que se ve en la figura, donde aparece los histogramas en azul y rojo, corresponde a los calorímetros. Los hay de dos tipos ECal (histograma en rojo) y HCal (histograma en azul). La altura del histograma corresponde a la cantidad de energía depositada en cada calorímetro. Las partículas detectadas en los ECal (rojo) son electrones y fotones (los primeros dejan trazas en amarillo, pero los segundos no), y las detectadas en los HCal son hadrones. Los muones se detectan en ambos, ECal y HCal (en la figura de arriba, donde pone “muones” en realidad no hay muones como se muestra en la vista “3D” pero bueno, permítaseme la “licencia”). Por supuesto, los detectores fallan y presentan cierto ruido que los hace activarse incluso cuando no hay partículas. Se necesita un análisis detallado para obtener una reconstrucción completa de la colisión que se observa. Finalmente, los rectángulos rojos alargados que se ven en la vista “Rho Phi” son las cámaras de muones, diseñadas específicamente para detectar muones, de ahí el nombre de CMS.

Los interesados en ver un muón en el CMS pueden recurrir a la figura de abajo. Más claro agua: la trayectoria naranja que se “sale” del cilindro central.

Esta otra figura muestra la primera colisión de partículas a 7 TeV que se detectó hoy en el experimento ATLAS del LHC. Las vistas son también “3D” (abajo), “Rho Z” (derecha arriba en pequeño) y “Rho Phi” (izquierda arriba en grande). ATLAS está formado para varios detectores concéntricos (aros coloreados) especializados en detectar diferentes propiedades de las partículas. La parte más interna del detector ATLAS es un sistema de detección de las trayectorias de partículas utilizando sensores semiconductores. El aro verde son los calorímetros de argón líquido que permiten medir la energía de partículas electromagnéticas como electrones y fotones (los primeros presentan trayectoria visible en la parte central, los segundos no). Los pequeños cuadraditos (puntitos más bien) amarillos indican la energía depositada por estas partículas en el calorímetro (en esta colisión prácticamente no se ve ninguno). El aro rosado grande corresponde a los calorímetros que miden partículas de tipo hadrón, como protones y neutrones (los primeros presentan trayectoria visible en la parte central, los segundos no). La cantidad de energía depositada se muestra en pequeños rectángulos en amarillo (se ven muy pocos en esta colisión). Finalmente, en azul están los espectrómetros de muones, partículas muy energéticas que no se detienen en los calorímetros más internos. Los muones se observan como partículas con trayectoria en la parte central que atraviesan los aros verde y rosa sin dejar señal, pero que la dejan en la parte azul final.

 

Today is the greatest day… Las primeras colisiones a 7 TeV en el LHC en directo en la WebTV del CERN

No, no voy a decir lo mismo que Smashing Pumpkins en su canción “Today” (ver el vídeo): “Today is the greatest day I’ve ever kown.” Hoy, 30 de marzo, a las 8:30 de la mañana dará comienzo la emisión en vivo (webcast) del “LHC First Physics event” de la televisión del CERN. Obviamente tú ya lo sabes, todo el mundo lo sabe. Podremos ver conexiones en directo con todas las salas de control de los experimentos del LHC: ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Aunque la emisión será en inglés, será un momento histórico para todos los aficionados a la física de partículas… o así lo quisieran desde el CERN. Atentos… y a disfrutar… y esperemos que esta noche podamos decir lo mismo que Smashing Pumpkins en su canción “Tonight, tonight” (ver el vídeo abajo): “Tonight, so bright. Tonight. The impossible is possible tonight.”

¡Ya ha empezado! 8:30

Un problema criogénico en el sector 12 ha dejado sin habla a la locutora (durante más de 5 minutos). Se respira la tensión. 8:55

Nos han puesto un comercial del CERN con música de U2, cortito, y la locutora ha recomenzado. 9:00

A las 8:50 han saltado los sistemas de protección (quench protection system o QPS) de los imanes que se instalaron el año pasado. El QPS ya dio problemas hace unas semanas y es una de las razones por las que la rampa debe ser mucho más lenta de lo que estaba pensado (como mínimo 45 minutos). Se esperaba que en las próximas semanas los técnicos solucionaran este problema. Nadie podía soñar con las leyes de Murphy y que el QPS fuera a fallar, hoy, el gran día. Se cree que salta por “ruido” cuando no tiene que hacerlo. No es que haya un problema es sólo un fallo del sistema de detección de problemas. Salta indicando un problema incluso si no lo hay… pero salta y hay que estar precavidos.

Las primeras colisiones se retrasarán, como pronto, a las 11:00.

10:12 acaban de informar que las primeras colisiones se retrasarán hasta las 12:00… bueno, ahora hasta las 13:00… ya veremos.

Pantalla de operación global del LHC mostrando el estado energético de los dos haces de protones.

Los protones que circulan por los dos haces (B1 y B2) del LHC del CERN van “empaquetados” en paquetes (bunches) de unos 7’48 cm de largo y una sección transversal de 1×1 mm² mientras circulan, que se reduce a sólo 16 ×16 μm² en los detectores . Cada haz contiene 2808 paquetes. Los paquetes están separados entre sí 26659 / 2880 ~ 9’26 metros. En la figura de arriba la intensidad de los haces (Intensity, escala marcada 2E10) indica el número de protones en cada paquete (2E10 significa 2 × 1010 protones/bunch). En la figura de arriba la energía por haz es la energía a la que se aceleran todos los protones de los paquetes (es la energía por protón). Hoy se esperan alcanzar los 3500 GeV o 3’5 TeV.

Explicados los conceptos de energía e intensidad queda explicar el concepto de luminosidad. Básicamente es el número de partículas que pasarán por cada centímetro cuadrado en los detectores. El número de colisiones depende de la probabilidad de que un protón de un paquete golpee a otro protón de un paquete que viene en sentido contrario. Esta probabilidad es el producto del tamaño del protón y la sección transversal del paquete en el detector, P ≈ 4 × 10-21. Para una intensidad de 2 × 1010 protones/bunch el número de colisiones por cruce será sólo de 1’6. En realidad las colisiones efectivas serán algo menores, pongamos 1 por cruce. ¿Cuántos cruces por segundo? Los protones a casi la velocidad de la luz dan unas 11000 vueltas por segundo a los 27 km del túnel y como hay 2808 paquetes en cada haz, el número de cruces por segundo será de 30 millones. Luego hoy el objetivo cumplido significarán unas 30 millones de colisiones protón-protón por segundo. No todas serán detectadas. Los primeros eventos de colisiones del LHC del CERN detectados aparecerán en la página web de los detectores ATLAS (aquí)CMS (aquí).

12:38 Los haces de nuevo a 3500 GeV y la recta final para las primeras colisiones se ha iniciado de nuevo…

13:01 el LHC está en Modo Colisión… basta estabilizar los haces y los detectores empezarán a observar colisiones…

13:04 los haces están perfectamente alineados y se producen las primeras colisiones. ATLAS ha observado unos 40 eventos por segundo.

Los cuatro detectores están observando colisiones.

Robert Aymar, director del CERN, que está en Japón, recibe las bromas de los presentes: Todo ha ido bien porque él se encuentra lejos de la máquina.

Twitter-like: P.A.M. Dirac fue uno de los padres de la teoría de cuerdas

En 1962 cuando todavía no se había descubierto la teoría de cuerdas, en uno de sus artículos proféticos, P.A.M. Dirac desarrolló una teoría cuántica de las vibraciones de un objeto cuántico extendido, una membrana cargada, para estudiar dos partículas elementales muy similares, salvo por su masa, el electrón y el muón (un electrón pesado de segunda generación). Dirac pensó que ambas partículas eran dos estados cuánticos de una membrana cargada y desarrolló una teoría cuántica “sencilla” de sus vibraciones usando el método de cuantización de Bohr-Sommerfeld. Su teoría predecía que la masa del muón era 53 veces la masa del electrón, un resultado cuatro veces menor del observado experimentalmente (la masa del muón es 200 veces la masa del electrón). Gracias a este artículo podemos afirmar que Dirac es uno de los padres de la teoría de cuerdas y que tuvo mucha suerte ya que si hubiera tratado de cuantizar su membrana utilizando el método canónico o el método de integrales de camino no hubiera sido capaz de lograrlo (no es posible hacerlo con las técnicas conocidas en aquella época). El artículo técnico es  P. A. M. Dirac, “An Extensible Model of the Electron,” Proc. R. Soc. Lond. A 268: 57-67, 19 June 1962 [disponible en JSTOR].

Twitter-like: Atrapando el arco iris

Atrapar la luz consiste en propagar un pulso de luz en un medio tal que su velocidad de grupo se reduzca a cero. Atrapar un arco iris requiere atrapar luz con un ancho de banda entre 500 y 700 nm. No es fácil lograrlo, pero tampoco imposible. En este blog ya hablamos de ello en “La luz de un arco iris atrapada en el aire entre dos películas de oro nanométricas,” 25 Noviembre 2009. Se acaba de publicar un nuevo experimento que también lo ha logrado, Qiaoqiang Gan et al., “Experimental verification of the “rainbow” trapping effect in plasmonic graded gratings,” ArXiv, 22 Mar 2010.

¿Atrapar la luz? Sí, es fácil. El índice de refracción de un material afecta directamente a la velocidad de fase vp=c/n(w), donde c es la velocidad de la luz en el vacío y n(w) es (la parte real de) el índice de refracción (la parte imaginaria corresponde a la absorción). Un pulso de luz se propaga a la velocidad de grupo vg=c/ng(w), donde ng(w) = n(w) + w dn(w)/dw. La velocidad de grupo puede ser mucho menor que la velocidad de fase si la derivada del índice de refracción es positiva y grande. La velocidad de grupo puede ser nula (luz atrapada) o incluso negativa si la derivada del índice de refracción es negativa y suficientemente grande. El problema es que la absorción suele ser alta y que el ancho de banda donde se observa el efecto es estrecho. Sin embargo, ambos problemas se pueden resolver utilizando medios no lineales. Los que quieran saber más sobre este tema pueden recurrir al artículo de Daniel J. Gauthier, Alexander L. Gaeta, Robert W. Boyd, “Slow Light: From Basics to Future Prospects,” Photonics Spectra, Mach 2006.

Twitter-like: El efecto Mpemba o cuando el agua caliente se enfría más rápido que el agua fría

A veces, el agua caliente se congela antes que el agua fría, es el efecto Mpemba, que James D. Brownridge nos explica en detalle en “A search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water,” ArXiv, 16 Mar 2010, incluyendo detalles de como repetir el experimento en casa. Un fenómeno que yo descubrí hace años en David Auerbach, “Supercooling and the Mpemba effect: When hot water freezes quicker than cold,” American Journal of Physics 63: 882-885, October 1995. Más sobre el efecto Mpemba en ArXiv.

Twitter-like: Salvador Gil y su física recreativa en español

Proyectos experimentales de física usando nuevas tecnologías, ese es el objetivo de la web “Física Recreativa,” de Salvador Gil y sus colaboradores. “Estimular la curiosidad y creatividad de los estudiantes y docentes de física. El carácter lúdico de la aventura del pensamiento.”  Salvador tiene un gran número de artículos en docencia. Muchos de los cuales están publicados en inglés en el American Journal of Physics (como yo le conocí). Para abrir boca, Pablo Núñez, Silvia E. Calderón y Salvador Gil, “Búsqueda de orden y armonía en la naturaleza, descubriendo leyes de escala en el aula,” Lat. Am. J. Phys. Educ. 4: 118-126, Jan. 2010, y Salvador Gil, Hernán D. Reisin, Eduardo E. Rodríguez, “Using a digital camera as a measuring device,” American Journal of Physics 74: 768-775, September 2006.

Twitter-like: Quién será capaz de fabricar el grafeno semiconductor

Hoy en día muchos materiales con propiedades especiales se descubren gracias a simulaciones por ordenador. Un artículo reciente presenta un nuevo tipo de grafeno semiconductor (ver la figura). Octógonos, hexágonos y pentágonos en una estructura química que a mí se me antojo de gran belleza. La teoría predice sus propiedades semiconductoras, pero la cuestión es ¿quién será capaz de fabricarlo? El artículo técnico es David J. Appelhans, Zhibin Lin, Mark T. Lusk, “A Semiconducting Graphene Allotrope,” ArXiv, 19 Mar 2010.