Hacia la solución del mayor problema de la hipótesis del mundo de ARN como origen de la vida

Dibujo20130215 RNA self-assembly by TAPAS-CA

¿Qué fue primero el huevo o la gallina? El mismo problema tiene el origen de la vida. El ADN almacena la información que codifica las proteínas (enzimas con actividad catalítica) y las proteínas son necesarias para descodificar esta información. La solución estándar para el origen de la vida es la hipótesis del mundo de ARN, ya que el ARN puede codificar información y también tiene actividad catalítica (ribozimas). El mayor problema de esta hipótesis es que los nucleótidos del ARN (A, G, C y U) no se ensamblan de forma espontánea para formar cadenas largas cuando están disueltos en agua. Una posible solución es que el ARN “evolucionó” a partir de moléculas más “primitivas” que fueran capaces de autoensamblarse y que tuvieran algún tipo de actividad catalítica. La respuesta más simple son las moléculas TAP y CAS, que forman cadenas en forma de anillo llamadas rosetas, pero que tienen el problema de que son metaestables y se rompen (CA es el ácido cianúrico y TAP es la triaminopirimidina; recuerda que el uracilo U y la citosina C son pirimidinas). El químico español Ramón Eritja (Barcelona) y sus colegas de EEUU han encontrado una solución gracias a usar TAPAS en lugar de TAP, donde TAPAS se forma por enlace conjugado de un succinato con TAP. Estos químicos han descubierto que disueltas en agua TAPAS y CA forman cadenas que podrían codificar la información y podrían a haber dado lugar a la molécula de ARN. ¿Han encontrado el origen de la vida? Todavía es muy pronto para saberlo. Hay muchísimos detalles por completar, lo más importante es saber si el polímero CA-TAPAS puede codificar información y si además puede “evolucionar” hacia la estructura del ARN. En cualquier caso, en mi opinión su trabajo le da un fuerte ímpetu a la hipótesis del mundo de ARN. Nos lo ha contado Robert F. Service, “Self-Assembling Molecules Offer New Clues on Life’s Possible Origin,” Science NOW, 11 Feb 2013, que se hace eco del artículo técnico Brian J. Cafferty, Isaac Gállego, Michael C. Chen, Katherine I. Farley, Ramon Eritja, Nicholas V. Hud, “Efficient Self-Assembly in Water of Long Noncovalent Polymers by Nucleobase Analogues,” J. Am. Chem. Soc. AOP Feb 8, 2003.

Por cierto, la evolución no explica el origen de la vida porque no explica el origen de LUCA (Last Universal Common Ancestor), el ancestro común a toda la vida actual en la Tierra. En el texto anterior he utilizado el término “evolución” aplicado a moléculas en su acepción de “cambio de forma” y no quisiera que se confundiera con su acepción darwinista.

EEUU le gana la carrera a Rusia: Encuentra vida microbiana en un lago antártico subglacial

Dibujo20130215 he first view of the bottom of subglacial Lake Whillans in Antarctica

El 7 de febrero se anunció que EEUU le ha ganado la carrera a Rusia en la búsqueda de vida en los lagos subglaciales antárticos. Tras perforar 800 metros de hielo, a unos 1000 km de la estación antártica de McMurdo, un equipo estadounidense recogió una muestra el 28 de enero en el lago Whillans (en la llamada parte oeste de la Antártida) en la que se han encontrado microorganismos. El equipo ruso que perforó el año pasado el lago Vostok (el mayor lago subglacial de la Antártida) ha tomado nuevas muestras, pero en los análisis preliminares no se ha encontrado vida. Los británicos que querían alcanzar el lago Ellsworth, abandonaron en diciembre pasado por problemas técnicos. La diferencia entre estos lagos es que Whillans recibe de forma periódica agua superficial, mientras que Vostok ha estado aislado del resto del planeta durante millones de años. John C. Priscu (Universidad Estatal de Montana), líder del proyecto WISSARD (Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling project), ha indicado que los resultados científicos se publicarán tras el análisis genético del ADN de las bacterias encontradas. Nos lo contó Quirin Schiermeier, “Antarctic team reaches Lake Whillans,” Nature News, 14 Jan 2013, y “Antarctic researchers find life in subglacial lake,” Nature News, 7 Feb 2013; James Gorman, “Scientists Find Life in the Cold and Dark Under Antarctic Ice,” The New York Times, Feb 6, 2013; Marc Kaufman, “Life Found Deep Under Antarctic Ice for First Time? U.S. scientists discover microbes in lake a half-mile under the surface,” National Geographic News, Feb 5, 2013.

El futuro de la fusión nuclear en Corea del Sur

Dibujo20130215 schematic sketch of the proposed K-DEMO fusion facility - South Korea National Fusion Research Institute

Corea del Sur ha aprobado una inversión de mil millones de dólares para el diseño de aquí a 2021 de un reactor nuclear de fusión tipo tokamak, llamado K-DEMO (Korean Demonstration Fusion Power Plant), cuya construcción se debería iniciar en 2022 y debería lograr la fusión por confinamiento magnético en 2036. ¿Por qué tan tarde? Porque el objetivo es aprovechar la experiencia que se adquiera en los primeros años de funcionamiento de ITER (Corea del Sur es miembro del consorcio). El gobierno espera que el proyecto K-DEMO R&D emplee a unas 2400 personas en su primera fase, que durará hasta 2016. En este proyecto colabora el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL), Nueva Jersey, del Departamento de Energía de EEUU. Su antiguo director, Robert Goldston, considera que K-DEMO es un proyecto factible (pero la opinión de Goldston está sesgada pues ayudó al diseño inicial del pequeño tokamak experimental que tiene Corea del Sur, llamado K-STAR, por Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). Nos lo ha contó Soo Bin Park, “South Korea makes billion-dollar bet on fusion power. Reactor to be built in 2030s represents a step towards commercial use,” Nature News, 21 Jan 2013. Más información sobre K-DEMO en Hyuck Jong Kim et al., “An exploratory study on the gaps and pathways to the Korean fusion DEMO,” Fusion Engineering and Design 87: 757–763, Aug 2012.

Demuestran el principio de indeterminación de Heisenberg en la medida óptica de la posición de un objeto macroscópico

Dibujo20130215 Experimental setup - continuous position measurement

La mecánica cuántica también se aplica a los objetos macroscópicos, pero sus efectos son tan pequeños que observarlos es muy difícil. Un nuevo artículo en Science ha observado los efectos del principio de indeterminación de Heisenberg en un oscilador macroscópico, una membrana como la de un tambor en una cavidad óptica (la membrana es visible a simple vista). La posición de la membrana se puede medir gracias a la luz que se refleja entre los dos espejos de la cavidad óptica y los autores del estudio han podido medir cómo afecta la presión de radiación de los fotones que inciden en la membrana en la medida óptica de su posición. La medida es tan precisa que se ve afectada por la naturaleza cuántica de los fotones y el error sistemático de la medida sólo está limitado por el ruido cuántico que predice el principio de Heisenberg. Una analogía para la medida óptica de la posición de un objeto es lo que hace el sistema de enfoque automático de una cámara de fotos; se emite un pulso de luz infrarroja que se refleja en el objeto y vuelve a la cámara donde se usa para estimar la distancia entre el objeto y el plano de la imagen. El principio de Heisenberg se puede despreciar en la cámara de fotos, pero en el nuevo experimento conduce a cambios en la intensidad de la luz detectada. El nuevo artículo ilustra la gran precisión que se está alcanzando en la medida de objetos macroscópicos en cavidades ópticas, claves para el avance en los detectores de ondas gravitacionales. La limitación fundamental de estos detectores a día de hoy es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Nos lo cuenta Gerard J. Milburn, “Demonstrating Uncertainty,” Science 339: 770-771, 15 Feb 2013, quien se hace eco del artículo técnico de T. P. Purdy, R. W. Peterson, C. A. Regal, “Observation of Radiation Pressure Shot Noise on a Macroscopic Object,” Science 339: 801-804, 15 Feb 2013. (el podcast de Science de hoy se inicia con una entrevista a Purdy; aquí la transcripción en inglés).

El efecto del principio de indeterminación de Heinsenberg en la medida óptica de la posición de un objeto se llama ruido de disparo por presión de radiación (RPSN, Radiation Pressure Shot Noise), es decir, el ruido que introduce la colisión de un fotón contra el objeto debido a su naturaleza cuántica. El momento que se transfiere en el retroceso del objeto cuando le llegan de forma aleatoria fotones que se reflejan en su superficie (ruido de disparo) presenta una incertidumbre Δp que conlleva un error mínimo en la medida de la posición  Δx, que cumple con el principio de Heisenberg  Δp Δx ≥ ℏ/2. Parece imposible medir la posición con un error menor, por lo que esta relación impone el límite máximo a la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales basados en interferómetros (como LIGO, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, y KAGRA, Kamioka Gravitational Wave Detector). El nuevo artículo en Science ha podido medir la posición de un objeto con un error limitado sólo por el RPSN, lo que le hace candidato ideal para estudiar las técnicas e ideas que se han desarrollado para burlar este límite, como el uso de luz colimada en cuadratura (quadrature-squeezed light) o técnicas para evitar el retroceso (back-action evasion). Estas propuestas teóricas podrán ser verificadas en la práctica con objetos macroscópicos gracias al nuevo esquema experimental que ha logrado una medida óptica de la posición limitada sólo por el RPSN.

Cálculo eficiente del permanente de una matriz mediante computación cuántica

Dibujo20130215 classical vs quantum random walk with photons

El permanente de una matriz cuadrada N×N se define como el determinante, pero sin alternar los signos de los factores. No hay ningún algoritmo clásico eficiente para calcular el permanente de una matriz general (aunque hay algoritmos de coste polinómico para ciertos tipos de matrices). Se publica en Science un algoritmo cuántico eficiente para calcular el permanente de una matriz que utiliza un ordenador cuántico analógico basado en caminos aleatorios. La matriz se define mediante el acoplo de N guías ópticas coplanares, fabricadas en la superficie de un chip, que son recorridas por fotones acoplados entre sí por las fuerzas de intercambio (las que resultan de la simetría de la función de onda asociada a que son partículas indistinguibles). Midiendo la probabilidad de encontrar un fotón a la salida de las guías se puede calcular el valor del permanente de la matriz. Más aún, la computación cuántica con caminos aleatorios es universal, permite simular cualquier ordenador cuántico basado en puertas lógicas, aunque se requiere un polinomio de grado doce en el número de cubits, como también se publica hoy en Science, lo que lo hace eficiente, pero no práctico. Nos lo cuenta James D. Franson, “Beating Classical Computing Without a Quantum Computer,” Science 339: 767-768, 15 Feb 2013, que se hace eco de los artículos de Matthew A. Broome et al., “Photonic Boson Sampling in a Tunable Circuit,” Science 339: 794-798, 15 Feb 2013, Andrew M. Childs et al., “Universal Computation by Multiparticle Quantum Walk,” Science 339: 791-794, 15 Feb 2013, y Justin B. Spring et al., “Boson Sampling on a Photonic Chip,” Science 339: 798-801, 15 Feb 2013.

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