Apuntes científicos desde el MIT

Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.

Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.

Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.

Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?

Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.

Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. “¡Claro que estaban definidas! ”, pensaba Einstein, ”y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…”. Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.

En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: “Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?”. Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. “¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?”, planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.

Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.

En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!

Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.

Si os sentís incrédulos, perplejos, pensáis que algo no encaja, o creéis que no habéis terminado de entender el fenómeno en profundidad… no os preocupéis; a la mayoría de físicos también les ocurre.

Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.

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Buscando la referencia al artículo de Marc Hauser sobre los macacos resentidos que comentamos en este post , encontré otro que también da juego para divagar acerca del mono que todos llevamos dentro.

La pregunta “¿hay algo fundamental que diferencia a los humanos del resto de los animales?” siempre suscita interesantes conversaciones. Hasta hace unos días yo tenía una respuesta que me parecía original: “La paciencia!! Los homínidos somos los únicos que no sucumbimos a la recompensa inmediata si intuimos que la espera o el sacrificio nos reportará un beneficio mayor en el futuro. El resto de impulsivos animales no tienen esta capacidad de extrapolación y autocontrol, sin embargo nosotros mantenemos esta actitud hasta el sinsentido.”

De hecho, esta hipótesis ya venía avalada por varios experimentos.
En uno , a monos tamarinos y marmosetes les daban a escoger entre un poco de comida inmediata o una cantidad mayor en el futuro, y casi siempre se quedaban con la opción rápida.
En cambio, cuando a los miembros de esa especie que se coloca en la cima de la evolución les ofreces una cantidad económica ahora, o el doble dentro de un tiempo, la mayoría piensa y decide esperar.
Conclusión: la paciencia es una propiedad básicamente humana.

¿Seguro? Al grupo de Marc Hauser no le encajaban un par de aspectos:
1- ¿qué ocurriría si en lugar de tamarindos y marmosetes los experimentos se hicieran con primates más cercanos evolutivamente a nuestra especie?
2- ¿y si a esos sofisticados humanos les dieran a escoger comida en lugar del moderno dinero?
Podéis imaginar la respuesta: continuamos siendo muy monos.

En un primer estudio diseñaron un sistema que permitía a bonobos y chimpancés entender que podían escoger entre 2 uvas de inmediato o 6 con un retraso de un par de minutos.
Era la misma metodología que se había utilizado con los tamarindos, pero como indica la figura contigua, los resultados fueron muy diferentes.
Bonobos y chimpancés exhibían un grado de paciencia nunca vista hasta el momento en el reino animal.

Luego realizaron un segundo estudio en el que comparaban la disposición de chimpancés y humanos a esperar por una cantidad de comida mayor. Sorprendentemente los estudiantes universitarios que participaron en la investigación eran más impacientes que los chimpancés, y soportaban peor la tentación de comer lo antes posible.

En un tercer experimento quisieron comprobar si los humanos respondíamos de manera muy diferente ante los premios basados en comida o en dinero. Los resultados indicaron que estamos dispuestos a esperar mucho más por recompensas monetarias futuras:
Somos muy humanos para el dinero, pero muy monos para la comida.

Está claro que el dinero es intercambiable por otros productos, no ofrece la misma satisfacción inmediata, y se puede guardar más tiempo que los alimentos. Quizás eso influye en la diferencia de actitud. También se observó un efecto curioso en marmosetes y tamarinos: dentro de lo poco que ambos esperaban, los marmosetes –que se alimentan de vegetales- tenían más paciencia que los tamarinos, cuya dieta incluye insectos que requieren cazarse con acciones rápidas.

Puede haber diversas interpretaciones, pero la conclusión del estudio es que la capacidad de tomar decisiones pensando en el futuro es un rasgo evolutivo que apareció antes de la llegada de los homínidos. Y como ilustra Mikel Urmeneta , en ciertos contextos nuestros parientes más cercanos son incluso más pacientes que nosotros y reciben mayor recompensa.

Además, somos muy racionales con algo como el dinero que nuestra mente más primitiva no entiende, pero cuando nos ponen delante unos estímulos más primarios, parece que no hayamos evolucionado tanto como nos creemos…

¿Alguien se atreve a aventurar algo en lo que seamos fundamentalmente diferentes del resto de animales?

PD: Mil gracias de nuevo a Mikel por la fenomenal ilustración, y feliz 200 cumpleaños a Charles Darwin.

El experimento empieza con dos monos en sendas jaulas contiguas. Uno de ellos tiene acceso a una palanca con la que acerca a la vez una galleta para él y otra para su compañero.
Hasta aquí todo normal; siempre que el investigador coloca en el dispositivo una galleta para cada mono, el que tiene la palanca la utiliza y ambos consiguen el mismo premio.

Ahora lo curioso: si el investigador pone una galleta frente al mono con la palanca, pero 3 frente al individuo pasivo, el que tiene el control se enfada y no realiza ninguna acción.

La situación le parece tan sumamente injusta, que prefiere no obtener su premio si eso implica que gracias a su trabajo un aprovechado se quedará con el triple sin ningún esfuerzo a cambio.

Cada vez que explico este experimento se inician suculentas conversaciones. No os lo conté antes en el blog porque cuando lo oí durante una charla de Marc Hauser todavía no estaba publicado en una revista que le otorgara la supuesta “veracidad científica”, pero los geniales comensales con los que compartí cena ayer me convencieron con un simple “¿y…?”, más el complemento perfecto que necesitaba.

Y es que tenían toda la razón del mundo. El estudio se las trae… Recuerdo haber leído acerca de chimpancés enfureciéndose si por una misma acción a un compañero le daban un premio superior al suyo, pero llegar a sacrificar de tal manera su propio beneficio es algo relativamente inesperado. Sobre todo porque esto en principio no debería estar favorecido por la selección natural.

El altruismo y el rencor son aspectos peliagudos en el estudio de la naturaleza humana. Trivers en los años 70 estableció que el altruismo podría haber evolucionado para favorecer la reciprocidad dentro de los grupos de primates sociales, pero algunos consideran esta colaboración como un egoísmo encubierto en el que la ayuda está condicionada a un beneficio futuro. Sea como sea, sí tiene sentido evolutivo.

Sin embargo, realizar una acción que suponga un coste para nosotros sin que eso implique ninguna recompensa, es algo que no encaja en los esquemas de la selección natural.
Entre dos monos, uno rencoroso que no come la galleta y otro más cándido que sí se la come sin importarle que un desconocido obtenga tres a cambio, el que tiene más posibilidades de sobrevivir en la selva es el que vaya mejor alimentado.

Una explicación a este comportamiento sería que para el buen funcionamiento del grupo es muy importante penalizar las injusticias y asegurarse de que nadie se beneficia en exceso del trabajo de los demás, pero tal “razonamiento” parecía demasiado sofisticado para los primates.

El estudio de las galletas induce a pensar que la mala sangre que sentimos cuando alguien sale beneficiado en demasía de una situación que consideramos injusta, aunque no nos afecte directamente, puede estar bien arraigada en nuestra herencia evolutiva.

Evidentemente, da para mucho más. Nosotros anoche, tras darle vueltas y vueltas a las implicaciones de este experimento, el formidable Mikel Urmeneta me dijo “¿pero y esto por qué no lo has explicado en el blog?!”. “Es que no se si son macacos, chimpancés, tamarinos, bonobos… ni si les daban galletas, nueces o plátanos… ni el porcentaje exacto de monos que no accionaba la palanca… y ni siquiera tengo una triste fotografía para ilustrarlo.”
“Nada de esto debería ser un inconveniente!”, replicó sabiamente Mikel mientras cogía un papel, rotuladores, y compartía su arte con la ciencia.

En 1953 el químico Stanley Miller realizó uno de los experimentos más famosos de la historia de la ciencia. Diseñó un aparato de vidrio donde intentó recrear las condiciones de la Tierra primigenia para ver si aparecía algo cercano a la vida. Mezcló agua con metano, amoniaco e hidrógeno (los gases que supuestamente contenía la atmósfera), y aplicó descargas eléctricas para simular la gran cantidad de rayos que caían sobre su superficie en esos momentos.
A las pocas horas el matraz ya contenía varios aminoácidos diferentes, las moléculas que constituyen las proteínas. El hallazgo fue sorprendente, porque reflejaba la tremenda facilidad con que se podían formar moléculas orgánicas complejas a partir de otras mucho más sencillas, y daba una gran esperanza a la comprensión científica del origen de la vida en la Tierra. El experimento reforzaba la hipótesis de que todo empezó en una sopa prebiótica, una especie de balsas en las laderas de los volcanes donde poco a poco se iban formando moléculas, recombinándose, y aumentando de complejidad hasta generar algo que pudo metabolizar energía del exterior, mantener una estructura estable, y hacer copias de si mismo.
55 años después los geólogos saben que la composición atmosférica en los albores de la Tierra era muy diferente a la que utilizó Miller en su experimento, y esa idea de caldo primigenio en pequeños lagos superficiales también está siendo descartada por escenarios más propensos a mantener una actividad química que pudiera dar lugar a las primeras estructuras celulares, como el interior de la Tierra, los fondos oceánicos… El experimento de Miller mantiene un indiscutible gran valor conceptual, siempre será un referente para todos los investigadores en el campo de la química prebiótica, pero como pista válida para perseguir las primeras etapas del verdadero origen de la vida perdió toda su vigencia.
Hasta el curioso hallazgo publicado la semana pasada en Science.

Lo viales extraviados de Miller
Stanley Miller falleció en Mayo del 2007, y sus pertenencias científicas quedaron en manos de Jeffrey Bada, uno de sus últimos colaboradores. Revisando su viejo laboratorio Bada encontró una caja llena de botecitos y etiquetada como “Experimentos de 1953-54”. Contrastando con las libretas originales de Miller, Bada comprobó que esos viales contenían muestras del famoso experimento, pero también de dos versiones más que había realizado alterando ligeramente las condiciones iniciales. En una de esas versiones Miller había inyectado vapor de agua directamente en el lugar donde mezclaba los gases con las descargas eléctricas, algo que en ese momento no tenía gran importancia, pero que ahora recobraba interés, porque las erupciones volcánicas de la Tierra primigenia sí podían emitir gases como los que Miller había utilizado y formar nubes a su alrededor cuya composición sí estaría acorde con las condiciones de su experimento.
Miller había analizado dichas muestras, pero no con los espectrómetros tan sensibles que existen actualmente. El verano pasado Jeffrey Bada y otro científico llamado Adam Jonson volvieron a analizar las muestras y descubrieron hasta 22 aminoácidos en esa versión ignorada por Miller, el doble de los que había anunciado anteriormente. Además, 20 de ellos coinciden con los que constituyen las proteínas de los seres vivos.
Es decir, el experimento publicado por Miller había perdido validez porque las condiciones que utilizó no era fieles a la atmósfera primitiva, pero sin él saberlo había realizado otro que sí reproducía bien cómo podían ser las nubes cercanas a los volcanes, y además contenía muchos más aminoácidos de los que él había podido detectar.

Los autores del artículo de Science con concluyen que este descubrimiento refuerza la hipótesis ya existente de que los entornos de volcanes son buenos candidatos para haber cocinado las primeras formas de vida.

Representa eso el origen de la vida???
Para nada. La verdad, esta nueva investigación parece más una anécdota curiosa a añadir al famosos experimento de Miller que una pista muy trascendente sobre cómo pudo empezar la vida. Sobre todo porque si algo refuerza es la idea de que los aminoácidos y otras moléculas orgánicas se pueden formar con tanta facilidad, que si no lo hicieron en unas condiciones lo hicieron en otras. O en varias a la vez. No parece que esta generación de los primeros aminoácidos, lípidos o ácidos nucleicos sea un factor relevante, seguro que la Tierra estaba llena de ellos. El gran reto a solucionar en la comprensión científica del origen de la vida es saber cómo estas moléculas llegaron a constituir proteínas que tuvieran capacidad catalítica, o ácidos nucleicos que codificaran información, en qué orden, y cómo pudieron llegar a ensamblarse en algo tan complejo como es una célula. Aquí es donde se encuentran las investigaciones más apasionantes.
¿Qué fue antes, el gen o la proteína? ¿o lo primero es la estructura, una membrana lipídica que facilite un espacio cerrado donde se combinen tales moléculas?
¿Es más importante el metabolismo (un ciclo químico que permita el intercambio de energía) o la información (genes)? Mucho antes de la llegada del ADN, ¿hubo un mundo previo de ARN, molécula que también puede codificar información y al mismo tiempo capacidad catalítica?
Estas son las verdaderas preguntas a resolver si queremos comprender el misterio del origen de la vida. El experimento que se llevaría el gran premio sería aquel que, en lugar de meter metano, hidrógeno, amoníaco en un matraz y comprobar que se forman aminoácidos o nucleótidos, pusiera nucleótidos, lípidos, aminoácidos… y le saliera un pedazo de proteína catalizando reacciones orgánicas dentro de una protocélula. Esto sí que sería espectacular. Pero no tan descabellado! porque por sorprendente que parezca, la vida en la Tierra se originó muy pronto tras la formación del planeta. Incluso según algunos la generación de vida no es un proceso tan complicado. Todavía recuerdo un seminario en nuestro Fellowship del MIT de Charles Marshall , biólogo evolutivo cuando nos dijo algo parecido a “la formación de las primeras bacterias no es el paso más insólito de la evolución. A los pocos millones de años ya había seres unicelulares sobre la Tierra, probablemente la vida apareció y desapareció varias veces hasta que un cierto tipo prosperó. Y seguro que hay formas de vida simples en otros planetas. En cambio, costó 2.000 millones de años que esos microorganismos se agruparan formando seres pluricelulares. Éste es el paso verdaderamente significativo, inesperado, y quizás único.”