En teoría, basta medir 293 metabolitos para conocer el estado de los 2763 de una célula humana

Dibujo20130131 inference diagram - example metabolic network

El metaboloma humano (H. sapiens) comprende 5.283 reacciones bioquímicas que relacionan 2.763 metabolitos con una red metabólica de 21.026 conexiones. Para reconstruir el estado completo de esta red metabólica, es decir, la concentración de todos los metabolitos, ¿cuántas concentraciones de metabolitos hay que medir en laboratorio? La respuesta es 293 (para S. cerevisiae bastan 99 y para E. coli solo 96). ¿Sólo 293 permiten reconstruir el valor de 2.763? Así es, en teoría, claro, pues en la práctica que se pueda hacer no significa que sea factible lograrlo. Lo afirma un nuevo artículo interesantísimo de Albert-László Barabási y dos colegas que estudia la observabilidad (según la teoría del control) de redes metabólicas y de regulación génica. Todo biólogo matemático, o matemático biólogo, debería leer este artículo (tanto si trabaja con datos in silico como, y sobre todo, in vivo). El artículo técnico es Yang-Yu Liu, Jean-Jacques Slotine, Albert-László Barabási, “Observability of complex systems,” PNAS Early Edition, Jan 28, 2013. A los biólogos que tengan dificultades a la hora de entender el concepto de derivada de Lie y el jacobiano correspondiente les recomiendo consultar a cualquier matemático, o si no tienen ninguno a mano estudiar la tesis de licenciatura de Milena Anguelova, “Nonlinear Observability and Identi ability: General Theory and a Case Study of a Kinetic Model for S. cerevisiae,” Department of Mathematics, Chalmers University of Technology and Göteborg University, April 2004 [pdf].

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Varias opiniones sobre el estado de la universidad y de la investigación en España

Twitter combina la inmediatez con la reflexión, pues a veces lo que se le quiere decir a alguien no cabe en 140 caracteres y hay que reflexionar cómo cortarlo, lo que no es lo mismo que reflexionar sobre cómo contarlo. Ayer tuve una curiosa conversación con @eulez sobre el estado actual de la universidad española que finalizó con un lacónico “es muy fácil posicionarse en un discurso teórico sobre “lo que hay que hacer”.” Obviamente.

Ana Ripoll, que fue rectora de la Universidad Autónoma de Barcelona, nos cuenta en “Hacia un nuevo modelo de Universidad pública,” El País, 31 ene 2013, que “debemos aprovechar la crisis para dar un salto cualitativo hacia la excelencia. Si la Universidad española quiere destacar en el ámbito internacional necesita mejorar. (…) Las universidades deben apelar a sus valores y utilizar sus fortalezas para (…) construir un nuevo modelo de Universidad. (…) Si queremos tener universidades intensivas en investigación, hay que ser más selectivos en la oferta de estudios, primar los grupos de máxima excelencia e iniciar políticas activas de captación de investigadores excelentes. Es imprescindible redimensionar las universidades.” Hay que “avanzar hacia un nuevo modelo con un sistema propio, no burocratizado, de captación, selección y promoción del profesorado, acorde con las necesidades docentes y de investigación estratégica; un sistema que permita ganar adaptabilidad, mediante contrataciones y retribuciones más flexibles y adaptadas a los resultados académicos. (…) Para huir de la mediocridad [hay que] reconocer las singularidades y apostar por estructuras descentralizadas en las que cada centro llegue a ser motor y protagonista de su actividad académica.” Se requiere “una estructura corporativa menos numerosa en los rectorados y una estructura fuertemente operativa en los centros capaz de desarrollar sus objetivos estratégicos.” En resumen, “un cambio en el marco normativo y en la legislación vigente. (…) Mantener y preservar el carácter de servicio público de las universidades está fuera de duda, pero, a su vez, es trascendental una acción proactiva de las universidades en la búsqueda de fondos privados, que les permita ganar autonomía financiera e incorporar estabilidad en su financiación.”

Juan Hernández Armenteros (Universidad de Jaén) y José Antonio Pérez García (Univ. Politécnica de Valencia), expertos en financiación universitaria, nos cuentan en “Universidades públicas, financiación, recortes y productividad,” El País, 27 ene 2013, que “la Universidad española -amén de sus problemas- es francamente productiva (por sus resultados en relación con sus recursos): No hay exceso de universidades, tenemos una universidad cada 582.000 habitantes, por una cada 283.000 habitantes del Reino Unido y una por cada 94.000 habitantes de Estados Unidos; estamos a la cabeza de tasa de titulación (79%) de nuestros estudiantes de los países europeos, solo por detrás de Gran Bretaña y Dinamarca en rendimiento académico; los universitarios tienen una tasa de paro del 10%, frente al 26% del mercado de trabajo; la Universidad española produce el 3,3% de la producción científica mundial y el 4% de las citas científicas, cuando el tamaño de nuestra economía es el 2,2% de la mundial y nuestro comercio exterior el 1,9% del mundial; las universidades públicas proporcionan formación superior por un curso completo a sus estudiantes con el 76% de los recursos totales que cobran a sus alumnos las universidades privadas.” Pero “el tsunami de la consolidación fiscal casi nos ha retrotraído a los años noventa en recursos y, sobre todo, en costumbres. Los modelos de financiación han sido borrados del mapa. Si era necesario el ajuste (que no lo era), era posible recortar de otra manera, con mas finura, más inteligencia, más criterio. No es este el camino que requiere la mejora de la excelencia. (…) Nos jugamos el futuro.”

Alonso Rodríguez Navarro (profesor emérito, Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, Universidad Politécnica de Madrid), nos cuenta en “Las causas del fracaso de la investigación en España,” El País, 30 ene 2013, que “el número de publicaciones científicas de siete universidades estadounidenses: MIT, Columbia, California-Berkeley, Harvard, Princeton, Stanford y CALTECH, más el Instituto Howard Hughes es, aproximadamente, igual que el de España [en los últimos 12 años], pero en ese tiempo esas instituciones han obtenido 29 premios Nobel en ciencias. Estas publicaciones sirven igual para 29 premios Nobel o para ninguno, depende de quien las haga. Otro ejemplo, (…) en el “Global Ranking” el CSIC está en noveno lugar, el MIT está en el puesto ¡46! (…) A principios de los ochenta, la presencia de la ciencia española en los foros internacionales era mucho menor que su potencial. Por ello, había que estimular a los investigadores a publicar en revistas internacionales prestigiosas, la llamada “década prodigiosa” de 1985 a 1994; el crecimiento en el número de publicaciones fue espectacular en comparación con la inversión económica. Pero esa era una política coyuntural, con fecha de caducidad, (…) si se mantenía mucho tiempo, sería mortífera para la investigación. (...) Nuestras autoridades científicas no entienden que si se financia poco y se exigen muchas publicaciones, lo que se obtiene son muchas publicaciones y poco o ningún progreso importante del conocimiento. (…) España ocupa el noveno lugar en el mundo atendiendo a su posición en los Essential Science Indicators del ISI, Alemania es tercera, Japón es cuarto y Francia es sexta. (…) España adelantó a Japón en 2001, a Francia en 2009, a Alemania en 2011 y en 2011 hemos duplicado a Japón. ¿Puede alguien creér[selo]? (…) Estamos como con la burbuja inmobiliaria.”

Cornelius Lanczos (1893–1974) nos habla de la vida y obra de Albert Einstein

Dibujo20130131 Cornelius Lanczos 1893–1974

En el siguiente vídeo de youtube grabado en 1972, Cornelius Lanczos (1893–1974), quien fue asistente de Albert Einstein en Alemania, además de físico teórico, analista numérico e inventor de varios métodos numéricos, nos habla de la vida y obra del genio. Si sabes inglés, merece la pena oírlo. 

Los aficionados a los métodos numéricos también disfrutarán con los otros dos vídeos que están disponibles.

PS: Lanczos nos habla de su propia vida en el siguiente vídeo y sobre la matemática aplicada en general en el último, ¡qué los disfrutéis!

Nueva solución de la paradoja de Fermi gracias a una versión simple de la ecuación de Drake

Dibujo20130130 drake equation - 2-way ceti possible - strong fermi paradox

Las estimaciones de los parámetros de la ecuación de Drake suelen concluir que hay una alta probabilidad de existencia de civilizaciones inteligentes en nuestra galaxia. La paradoja de Fermi afirma que si existieran, ya deberíamos tener pruebas de su existencia. Hay muchas soluciones de la paradoja de Fermi (50 en FCF+). Un nuevo artículo de Nikos Prantzos (Universidad P. y M. Curie, París) simplifica la ecuación de Drake y la utiliza para resolver la paradoja: solo las civilizaciones que hayan subsistido durante un tiempo suficiente para conquistar toda la galaxia pueden llegar a descubrir otras formas de vida inteligente. Prantzos llama a su solución “versión fuerte de la paradoja de Fermi.” La verdad, me ha gustado el nuevo artículo, cuya lectura fácil recomiendo a todos, aunque como muchos ya sabéis la solución de la paradoja que más me gusta es la de mi amigo y compañero Carlos Cotta (“resolución computacional de la paradoja de Fermi“). El nuevo artículo técnico es Nikos Prantzos, “A joint analysis of the Drake equation and the Fermi paradox,” arXiv:1301.6411, 27 Jan 2013.

Prantzos empieza recordando que la ecuación de Drake corresponde al estado estacionario (o solución de equilibrio) de un problema dinámico en el tiempo. La ecuación dinámica es dN/dt =−N/L, donde N es el número de civilizaciones que han desarrollado una tecnología para comunicarse por radio y L es la duración de la fase de la historia de dicha civilización en la que ha utilizado dicha tecnología. La ecuación de Drake se puede escribir como N= P L, donde P es el ritmo de producción de estas civilizaciones (es decir, el producto de seis de los siete parámetros de la famosa ecuación de Drake). El tiempo no aparece de forma explícita en dicha ecuación, pero es necesario para interpretar valores N<1, que corresponden a un intervalo entre las civilizaciones en el galaxia mayor que la duración media de su fase con comunicaciones de radio. Por cierto, que una civilización deje de comunicarse por radio no implica que se haya podido extinguir, puede haber abandonado dicha tecnología en favor de otras más avanzadas.

Luego continúa simplificando la ecuación de Drake agrupando sus siete parámetros en sólo tres, en concreto, N=RfL, donde RA es la tasa de producción de planetas habitantes en la galaxia, fB representa la fracción de civilizaciones tecnológicas capaces de moverse a escala galáctica (el producto de todos los factores químicos, biológicos y sociológicos necesarios para que una civilización pueda/quiera hacerlo). Obviamente, fB ≤ 1 (siendo su valor difícil de estimar) y RA ≤ 0, 1/año (según los resultados de las búsquedas de planetas más recientes). ¿Cuál es la ventaja de reducir siete parámetros a solo tres? Muy fácil, así se puede dibujar el resultado en un plano. Prantzos recomienda el plano fB versus L) pues el valor RA = 0,1/año le parece muy razonable y poco discutible. Las dos figuras que abren esta entrada tienen este formato.

Para finalmente atacar la paradoja de Fermi. Substituye el valor N por el número de civilizaciones capaces de conquistar la galaxia (moverse a velocidades entre 0,01 c y 0,1 c (donde c es la velocidad de luz en el vacío) durante un tiempo suficiente para recorrer grandes distancias interestelares). Según sus estimaciones (ver figuras que abren esta entrada), si las N civilizaciones de la galaxia capaces de la conquista emprendieran la búsqueda de otras civilizaciones usando vehículos que alcanzaran 0,1 c, sería necesario que pudieran sobrevivir con dicha tecnología más de 10.000 años (valor de L mínimo) para poder descubrir otras civilizaciones inteligentes en la galaxia. Si te apetece, pues ojear la parte derecha de la figura que abre esta entrada, donde en rojo tienes las curvas de velocidad (0,1 c, 0,01 c, y 0,001 c), en verde el número estimado de civilizaciones (N=1, 100, 10.000 y 1 millón) y sombreados en celeste y naranja las regiones (en función de fB y L) que permiten el contacto entre civilizaciones. Para Prantzos, la zona naranja es la más razonable y explica la paradoja de Fermi pues nuestra civilización aún no ha alcanzado miles de años de viajes interestelares. Prantzos denomina a su solución “versión fuerte de la paradoja de Fermi.”

No quiero entrar en muchos más detalles, pero recomiendo la lectura de su artículo, que está muy bien escrito y presenta muy claramente sus ideas. Todos los aficionados a la ecuación de Drake, la paradoja de Fermi y la búsqueda vida extraterrestre inteligente disfrutarán como críos de su lectura.

Un cañón casero de bolas de ping pong supersónicas

Dibujo20130131 layout supersonic ping pong gun

Construir un cañón casero de pelotas de ping pong subsónicas es fácil (vídeo). Lograr que alcance velocidades supersónicas requiere una modificación muy simple, basta añadir una tobera convergente-divergente entre el depósito de presión y el tubo donde se inserta la bota de ping pong. Con las medidas indicadas en la figura de arriba se ha logrado alcanzar una velocidad de lanzamiento de 406 m/s (unos 1460 km/h), lo supone un número de Mach de 1,23 (si la velocidad del sonido se toma como 330 m/s); esta velocidad se midió utilizando una cámara de alta velocidad (16.000 fps con un tiempo de exposición de 1/128.000 s). Obviamente, el uso de este cañón de bolas de ping pong debe limitarse a un ambiente controlado, pues al aire libre podría ser peligroso. Más detalles para los lectores que se animen a realizar su propio cañón en Mark French, Craig Zehrung, Jim Stratton, “A Supersonic Ping Pong Gun,” arXiv:1301.5188, 22 Jan 2013.

Dibujo20130131 supersonic ping pong gun

PS (10 feb. 2013): Este vídeo de la Univ. Purdue nos explican el funcionamiento del cañón, cómo una pelota de ping pong atraviesa una raqueta de ping pong, y en el siguiente vídeo, cómo una pelota de ping pong atraviesa cinco latas de refresco en serie. ¡Qué los disfrutéis!

Atención, pregunta: La financiación duplicada de la investigación, ¿una oportunidad o una amoralidad?

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Imagina que un investigador logra financiación para el mismo proyecto desde dos fuentes diferentes, que no saben de la existencia una de la otra. ¿Crees que ha cometido una falta por no informar de este hecho? Concretemos con un ejemplo. El neurólogo Steven McIntire (Universidad de California, San Francisco) ya no se dedica a la investigación, por ello confiesa que obtuvo en el año 2001 un proyecto del NIH (Institutos Nacionales de Salud de EEUU) por 1,6 millones de dólares para estudiar la respuesta al etanol del nemátodo Caenorhabditis elegans (un animal modelo), pero “olvidó” mencionar al NIH que ya había recibido cinco meses antes 1,2 millones de dólares del DoD (Departamento de Defensa de EEUU) para estudiar lo mismo (él dice que era “casi” lo mismo, pero no lo mismo). ¿Hubiera recibido la financiación del NIH si hubiera confesado que ya había recibido la ayuda del DoD? La política del NIH trata de evitar la duplicidad en la financiación de proyectos, pero no tiene medios para evitarla (salvo que sea confesada por el propio investigador). En el caso de McIntire, el DoD descubrió la duplicidad en el informe final del proyecto, pero el contestó que ambos proyectos se solaparon en parte y que hubo “sinergia” entre ambos, pero que más tarde se separaron lo suficiente para justificar la doble financiación.

Nos cuentan Eugenie Samuel Reich, Conor L Myhrvold,” Funding agencies urged to check for duplicate grants. Nature probe reveals lack of oversight of researchers who win two grants for similar projects,” Nature 493: 588-589, 31 Jan 2013, que un estudio reciente ha mostrado que entre unas 850.000 solicitudes de financiación solicitadas al NIH había al menos 1.300 que “parecían” duplicadas (se utilizó un programa informático antiplagio). Un chequeo manual confirmó que 167 lo eran. Una auditoría del Congreso de EEUU realizada por la Oficina de Responsabilidad Gubernamental concluyó que tanto el NIH y como el DoD deben hacer todo lo posible para evitar las duplicidades en la financiación. Más información sobre este estudio en Harold R. Garner, Lauren J. McIver, Michael B. Waitzkin, “Research funding: Same work, twice the money?,” Nature 493: 599-601, 31 Jan 2013.

Dibujo20130130 twice money - same work - duplicated grants for research

La cuestión importante es que hay muchos investigadores que piensan que recibir financiación para un proyecto es equivalente a recibir un premio y nadie le hace ascos a recibir varios premios, aunque sea por lo mismo. ¿Quién debe ejercer la responsabilidad, la agencia o el investigador? ¿Actúa de forma amoral quien se aprovecha de la oportunidad? ¿Cualquiera la aprovecharía? ¿Harías tú lo mismo en plena crisis financiera y con fuertes recortes para la investigación? ¿Qué opinas? Si te apetece, utiliza los comentarios.

La actividad solar y las mareas gravitatorias inducidas por el movimiento planetario

Dibujo20130130 11-year cyclical variation number sunspots and proxy equivalents carbon-14 and beryllium-10

El número de manchas solares muestra una variación cíclica con una periodo de unos 11 años. El astrónomo suizo Rudolf Wolf (1816-1893) estableció una posible relación entre este ciclo y los movimientos de los planetas. George Ellery Hale descubrió que el magnetismo solar daba origen a las manchas y se descartó la idea de Wolf (mucha gente aún la asocia a la astrología). Un nuevo estudio publicado en Astronomy & Astrophysics rescata la idea y la hace renacer con nuevos bríos. José A. Abreu (ETH Zürich Institut für Geophysik, Zürich, Suiza) y sus colegas sugieren que el magnetismo solar está perturbado por el momento angular debido a la fuerza gravitatoria de los planetas en el sistema solar. Han estudiado la variación periódica en los últimos 9400 años de un par de isótopos radiactivos, el berilio-10 y el carbono-14, en testigos de hielo de la Antártida y de Groenlandia. Para su sorpresa, la serie temporal muestra una fuerte correlación con el momento angular total del movimiento de los planetas; más aún, en los últimos 400 años también lo está con la actividad solar (como muestra la figura). Usando métodos de Montecarlo estiman que la probabilidad de que esta correlación sea casual es menor de una parte en un millón. Según Abreu y sus colegas, el momento angular planetario induce una pequeña asfericidad en el sol que afecta a la convección en sus capas interiores y gracias a ella al magnetismo solar. ¿Homeopatía astrológica? Quizás, pero habrá que esperar a futuros estudios mediante simulaciones magnetohidrodinámicas en supercomputadores para comprobar si un efecto tan pequeño puede ser amplificado por la dinámica no lineal asociada a la actividad solar. Por cierto, la teoría convencional explica la variación periódica de la actividad aludiendo al forzamiento estocástico en la dinámica turbulenta del interior del Sol. Si ya tenemos una explicación, ¿para qué queremos una nueva? Lo cierto es que la ciencia avanza gracias a las hipótesis. Nos lo ha contado Paul Charbonneau, “Solar physics: The planetary hypothesis revived,” Nature 493: 613-614, 31 Jan 2013, que se hace eco del artículo técnico de J. A. Abreu, “Is there a planetary influence on solar activity?,” Astronomy & Astrophysics 548: A88, Dec 2012.

Por cierto, entre los autores del artículo se encuentra el investigador Antonio Ferriz-Mas del Grupo de Física Solar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y profesor en la Universidad de Vigo, como nos destacó “Los planetas podrían influir en la actividad magnética del Sol,” IAA (CSIC), SINC, 28 Nov 2012. “El Sol no rota rígidamente, posee una rotación diferencial y las regiones en el ecuador rotan más rápido que las de los polos. Esta rotación diferencial se da tan solo en el 30% más externo del Sol, en la llamada zona de convección, más abajo, en la zona radiativa, la rotación es rígida. Entre ambas zonas existe una capa, la tacoclina, crucial para el almacenamiento y amplificación del campo magnético solar (en ella se localizarían los tubos de flujo magnético que originan las manchas solares que se observan en la superficie). Una tacoclina un poco achatada, sin simetría axial, podría ser influida por los pares de fuerzas debidos al efecto de marea gravitatoria influido por el movimiento de los planetas (un fenómeno parecido a cómo la Luna y el Sol producen las mareas en los océanos terrestres). ¿Este pequeño efecto de marea podría ser suficiente para afectar la capacidad de la tacoclina para almacenar los tubos de flujo magnético?” Habrá que esperar a futuros estudios que apoyen o refuten esta sugerente idea.

La rugosidad en los chuzos de hielo depende de las impurezas del agua

Dibujo20130130 chuzos de hielo

En el norte de España, hay que tener cuidado al caminar por ciertas aceras en invierno, pues te puede “caer un chuzo de punta” (literalmente). Los carámbanos que cuelgan de los aleros de las casas son llamados chuzos (de hielo), por su analogía con la punta del chuzo, un arma medieval. Su forma no es un cono perfecto, presentan una ligera curvatura y también rugosidad. Los físicos Antony Chen y Stephen Morris de la Universidad de Toronto, Canadá, han estudiado en laboratorio el crecimiento de los carámbanos bajo condiciones controladas y han descubierto que la rugosidad tiene su origen en las impurezas del agua. Usando agua destilada, los chuzos tienen forma cónica casi perfecta; sin embargo, la adición de impurezas reduce la tensión superficial (actúan como agentes tensioactivos) y aparecen ondas en el diámetro del carámbano que provocan la rugosidad de su forma exterior. Bastan concentraciones de diez partes por millón, pues su efecto en el crecimiento está controlado por una inestabilidad no lineal (asociada al subenfriamiento). El artículo técnico es Antony Szu-Han Chen, Stephen W. Morris, “Emergence of ripples on the surface of icicles,” arXiv:1301.473421 Jan 2013. También conviene leer un trabajo anterior de los mismo autores, “Experiments on the morphology of icicles,” Phys. Rev. E 83: 026307, 2011.

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Francis en Naukas: El genoma del tiburón elefante y el error de Darwin

Dibujo20130129 alerta magufo - humanos y tiburones fantasmas

La profesora titular de Historia Antigua de la UNED, Ana María Vázquez Hoys [su blog de historia], contestó el 14 de enero de 2013 a un oyente del programa “Preguntas a la Historia” de Radio 5 la pregunta “¿Sabían los sumerios que el ADN de la raza humana es similar al de los tiburones?” de la siguiente guisa (sigue este enlace para escuchar el audio). “No salgo aún de mi asombro.” Sigue leyendo mi opinión en “Alerta Magufo: El genoma del tiburón elefante y el error de Darwin,” Naukas.com, 29 ene 2013.

La incertidumbre en la vida media del neutrón

Dibujo20130128 neutron lifetime through time from year 1960 until 2010

El neutrón y el protón forman los núcleos de los átomos; el protón es estable (su vida media es superior a 10³² años, según PDG 2012), pero el neutrón es inestable (vía la interacción electrodébil se desintegra en un protón) y aislado su vida media es de solo 880,1 ± 1,1 segundos (14 minutos y 40,1 segundos), según el PDG 2012; en muchos isótopos también es inestable aunque su vida media es mucho más larga (el carbono-14 decae en el nitrógeno 14 con una vida media de 5.730 años). Sin embargo, al releer libros antiguos uno descubre que se pensaba que la vida media era de unos 17 minutos. ¿Por qué la diferencia es tan grande? La razón es que medir la vida media de un neutrón aislado es muy difícil y el resultado depende del método experimental utilizado (los valores en discordia difieren en hasta 10 segundos). ¿Por qué es importante la medida de la vida media del neutrón? Para verificar las teorías de nucleosíntesis primordial en el big bang, así como varios parámetros necesarios para la cosmología de precisión y para el modelo estándar de las partículas elementales (como el parámetro Vud). Nos lo contó Rebecca Cheung, “Secret of a Lifetime. How long a neutron lives holds clues to the cosmos,” ScienceNews, May 4, 2012. Más información técnica en Fred E. Wietfeldt, Geoffrey L. Greene, “Colloquium: The neutron lifetime,” Rev. Mod. Phys. 83: 1173–1192, 2011, y en A. N. Ivanov, M. Pitschmann, N. I. Troitskaya, “Neutron Beta-Decay as Laboratory for Test of Standard Model,” arXiv:1212.0332, Dec 3, 2012.

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