10 febrero 2010 — Los seres vivos, especialmente las células, dominan las fuerzas de la física más avanzada de formas ingeniosas. Este ingenio inspira a veces a los físicos a intentar copiarlo. Aquí tenemos algunos recientes ejemplos:
- Fotosíntesis y mecánica cuántica: Nature comunicaba que las plantas emplean la mecánica cuántica.1 «El aparato fotosintético de las algas criptofitas es extraño —sus pigmentos están más alejados de lo que se espera para un funcionamiento eficiente. Un estudio acerca de cómo este aparato funciona tan bien desvela la aplicación de efectos cuánticos.» Y Grondelle y Novoderezhkin prosiguen diciendo, exponiendo que las plantas superan a los humanos en esta capacidad:
Es de común conocimiento que las plantas, las algas y ciertas bacterias usan la fotosíntesis para transformar la energía solar en una forma que los organismos puedan usar para vivir y reproducirse. Pero lo que es menos sabido es que la eficiencia de la fotosíntesis podría depender en parte de procesos mecánicos cuánticos. En la página 644 de este número, Collini et al.2 comunican datos que sugieren que un proceso conocido como coherencia cuántica «conecta» entre sí moléculas distantes en el aparato de captación de luz de las algas criptofitas marinas. Esta es la primera vez que se ha observado este fenómeno en proteínas fotosintéticas a temperatura ambiente, en lugar de a temperaturas mucho más bajas, lo que respalda la idea de que la coherencia cuántica influye en la captación de la luz in vivo.
Collini et al parecen sorprendidos ante su mismo descubrimiento: «Cosa fascinante, en trabajos recientes se ha documentado que las moléculas absorbentes de luz en algunas proteínas fotosintéticas capturan y transfieren energía según las leyes probabilistas de mecánica cuántica en lugar de las leyes clásicas a temperaturas de hasta 180K», dicen. «Esto contrasta con la opinión sostenida durante largo tiempo de que la coherencia cuántica a gran distancia entre moléculas no puede sostenerse en sistemas biológicos complejos, ni siquiera a bajas temperaturas». La capacidad de las plantas para usar unas leyes de mecánica cuánticas con «un diseño antiintuitivo» aumenta el rendimiento de la captación de la luz. Grondelle y Novoderezhkin titulan su artículo: «Diseño cuántico para una trampa de luz».
Fotosistema I. La captación de la luz para su transformación y utilización en los sistemas biológicos tiene lugar en un sistema con un diseño pasmoso del que aquí sólo aparece un esquema sumamente rudimentario. Imagen: M. Mashaghi
- Tecnología de redes inteligentes: Prosiguiendo con el tema de la fotosíntesis, un comentario de David M. Kramer que aparece en PNAS (Universidad Estatal de Washington)3 describe cómo las plantas y otros fotoautótrofos (organismos que usan la energía solar) emplean un sistema de «red inteligente» para disipar el exceso de energía e impedir daños:
Para hacer frente a las prometeanas consecuencias de la captación de la luz, los fotoautótrofos han evolucionado una «red intelligente» que equilibra la entrada de energía en sus dos fotosistemas —el fotosistema I (F I) y el fotosistema II (F II)— para prevenir una sobreexcitación y subsiguiente producción de especies reactivas de oxígeno. Igual que los sistemas eléctricos diseñados por ingenieros humanos, la red fotónica inteligente puede regular la transferencia de energía a varios niveles. A diferencia de sus homólogos diseñados por ingenieros que tienen plantas eléctrica controlables, los fotoautótrofos no pueden atenuar la emisión del sol. En lugar de ello, cuando la captación de luz excede a la capacidad del sistema para su proceso, se tiene que disipar o redirigir para evitar un daño debido al exceso de luz. Los cloroplastos resuelven este problema ajustando las propiedades de las antenas fotosintéticas que se encuentran sometidas a condiciones fotodañinas.
Kramer prosigue describiendo cómo la planta eléctrica tiene un mecanismo a prueba de fallos. El estado por defecto de la conformación de las moléculas en el fotosistema es probablemente el del modo apagado —el modo seguro. «De esta manera, diversos estímulos diferentes pueden resultar en una regulación de atenuación similar de la red fotónica inteligente.»
- Adhesión por cohesión: Sabemos que las notas «post-it» funcionan creando fuerzas de adhesión con diminutas gotas sobre el papel. Los escarabajos emplean un truco parecido para mantenerse sobre hojas. Lo hacen tan bien que pueden aferrarse a las hojas con una fuerza 100 veces superior a su propio peso, y luego desprenderse instantáneamente. Esto lo consiguen controlando miles de diminutas gotitas en sus patas. La adhesión creada por tensión superficial en cualquiera de las gotas es muy pequeña, pero se multiplica con la gran cantidad de contactos de gotitas.
Las propiedades adhesivas de las notas Post-It se deben a una tecnología en absoluto reciente. Ya existía en los seres vivos …
Inspirado por el éxito de los escarabajos, ingenieros en Cornell, con financiación de la Fundación Nacional de la Ciencia y de DARPA, han creado un prototipo de adhesivo que opera con el mismo principio. Controla las gotitas con campos eléctricos. Al invertir los campos, se puede desprender el dispositivo con facilidad. El principal problema es conseguir impedir que las gotitas se junten, pero están haciendo progresos. Science Daily comunicaba que su dispositivo de tamaño manual que emplea tensión superficial de agua podría hacer posible que un futuro hombre-araña camine por las paredes.
- Nanomecánica acústica: «NASA estudia la nanomecánica del oído interno», anunciaba el titular de PhysOrg. A menudo damos por supuesto nuestro sentido del equilibrio, pero depende de unas sofisticadas respuestas de unas diminutas células ciliadas al medioambiente (véase también un segundo artículo de PhysOrg sobre esto mismo). ¿Pero cómo consiguen las células ciliadas mantener una sensibilidad aguda a movimientos sumamente pequeños sin verse saturadas por grandes movimientos? En este artículo se describe cómo el organismo puede apagar y encender el amplificador de forma instantánea.
Los órganos auditivos internos están diseñados y ajustados de forma precisa para cambios ambientales: que afecten al órgano auditivo: en el caso del órgano del oído, un cambio en la presión sónica, como el causado por la bocina de un automóvil, puede deformar el tímpano y llevar rápidamente a reconocer y ubicar el sonido. En el caso del órgano del equilibrio, cuando suceden casos como perder inesperadamente el pie al salir de la acera, se detecta el movimiento de la cabeza y lleva rápidamente a reflejos motores para mantener el equilibrio. Cuanto más sensible sea nuestra capacidad para detectar estos cambios, tanto más aguda nuestra sensación. Esta extraordinaria capacidad y amplificación para poder detectar los estímulos más ligeros nos permite ajustar nuestra postura.
Pez sapo – La NASA estudia las células pilosas de su oído interno para ayudar a comprender los mecanismos del equilibrio en los seres vivos. Disponen de una sofisticada tecnología de detección de movimiento y control del equilibrio que, cuando se examina de cerca, lleva al asombro por sus sofisticados mecanismos de regulación.
La NASA quiere comprender estos mecanismos para ayudar a los astronautas a evitar el vértigo en el espacio. Están estudiando las células ciliadas en los peces sapo. «Los datos fósiles, que se remontan al menos hasta el Período Devónico hace 400 millones de años, demuestran que las elaboradas estructuras sensoriales usadas para detectar el movimiento del organismo se encuentran extraordinariamente conservadas entre los vertebrados. Los resultados demuestran un proceso activo en las células ciliadas de un antiguo pez óseo, lo que sugiere que el mecanismo es ancestral, y puede subyacer a la generalizada presencia de procesos activos de células ciliadas en anfibios, reptiles, aves y mamíferos, incluyendo a los humanos.»
Visión esquemática del sistema del equilibrio en su contexto en el aparato auditivo. Imagen: Madhero88
- A los cilios les va el ritmo: Un artículo aparecido en Nature el mes pasado abordaba el problema de cómo los cilios y los flagelos baten con oscilaciones regulares.4 Buscando comprender esto, los investigadores desarrollaron un modelo matemático que empleaba «motores en oposición y muelles». Concretamente, estudiaron la oscilación del flagelo en células de esperma para lograr una «ecuación espermática». El siguiente extracto parece salido de un libro de texto de ingeniería:
Cualquier oscilación se puede describir como una suma de oscilaciones sinusoidales de creciente frecuencia, que se conocen como modos de Fourier; las oscilaciones laterales pueden describirse mediante los modos de Fourier temporales de ángulos tangentes. El análisis mediante espectro de potencia resultó en que se podía realizar una buena aproximación a las oscilaciones observadas experimentalmente en ángulos tangentes usando sólo el primer modo (fundamental) de Fourier, de modo que la ecuación espermática se podía resolver analíticamente usando valores de este modo. Los ángulos tangentes cuantifican la curvatura del axonema en una posición dada, y la curvatura está geométricamente relacionada con la distancia de deslizamiento entre dobletes en aquella posición. Así, la ecuación espermática relaciona el movimiento angular dependiente del tiempo en cada posición con la extensión y la velocidad de deslizamiento inter-doblete en dicha posición, y con las fuerzas locales que o bien se oponen a un adicional deslizamiento. o bien lo promueven.
El modelo contiene dos parámetros ajustables —rigidez y fricción del material activo dentro del axonema que deforma y ejerce fuerza durante el combado. También contiene diversos parámetros fijos que Jülicher y colegas midieron de manera independiente y que introdujeron en la ecuación. Estos parámetros incluyen la resistencia hidrodinámica del flagelo en movimiento y su rigidez ordinaria, factores ambos que se oponen a la deformación activa, y la frecuencia de batido. Los autores obtuvieron un excelente ajuste con los datos, donde tanto la rigidez interna como la fricción exhibían los valores negativos esperados para un material activo. Cosa importante, un modelo microscópico del comportamiento de la dineína, que incorpora el concepto de disociación dependiente de la fuerza como aparece ilustrado en la Figura 2, predecía valores negativos para la rigidez y la fricción similares a los obtenidos en el ajuste de la ecuación espermática.
Los autores proseguían describiendo conceptos físicos como frecuencia de batido, relaciones de disociación de fuerzas, movimiento tipo pistón de dobletes en la base de los cilios, y fricción de deslizamiento. Tu vida depende de la aplicación por parte de la célula espermática de la física del batido para recorrer el camino hasta un óvulo —y sigue hoy mismo dependiendo de billones de otros cilios y flagelas obedientes a la física en las células de tu cuerpo.
- Un conmutador flagelar de las bacterias: Un artículo en Science consideraba cómo pueden cooperar los flagelos de una bacteria usando un conmutador estocástico.5 Varios de los autores trabajan en el Departamento de Física en Oxford —no sólo en el departamento de biología. «Los elementos de las redes de señalización de las proteínas son a menudo complejos que cambian su actividad en respuesta a su unión con ligandos específicos», comenzaba su artículo. «Los complejos de proteínas de subunidades múltiples exhiben frecuentemente cooperación, exhibiendo el enlace o la actividad una dependencia sigmoidal a semejanza de conmutación sobre la concentración del ligando». Introducen el concepto de «extensión conformacional» para explicar la conducta de conmutación entre la rotación horaria (CW) y antihoraria (CCW). Luego pasaban a considerar las propiedades físicas del sistema: elasticidad, un proceso de Poisson de dos estados, acoplamiento estocástico, y más. Que estas máquinas celulares se puedan describir con los artificios de la mecánica no sólo hace resaltar la física en la biofísica, sino que también demuestra cómo los seres vivos han llegado a dominar los métodos que estudian los ingenieros humanos.
- Termodinámica: Descubren el demonio de Maxwell: James Clerk Maxwell, un físico del siglo 19, sabía que la entropía tiene que aumentar en un sistema, pero imaginó una manera de contrarrestarla: la introducción de un selector inteligente en el sistema. Por ejemplo, en principio, un «demonio» podría aislar moléculas calientes y frías en diferentes compartimientos. PNAS comunicaba que se podrían emplear bacterias para aprovechar el movimiento aleatorio browniano para imprimir movimiento a engranajes.6
Las leyes de la termodinámica prohíben la extracción de trabajo útil del movimiento browniano de las moléculas o partículas en sistemas en equilibrio (inexistencia de un móvil perpetuo de la segunda clase, o demonio de Maxwell). Sin embargo, cuando estos objetos en movimiento aleatorio interaccionan con ciertos tipos de potenciales externos variantes respecto al tiempo o con obstáculos geométricos asimétricos bajo condiciones alejadas del equilibrio, sus movimientos se pueden «rectificar» y transformar en direccionales. Este fenómeno, considerado por primera vez por Smoluchowski y luego analizado de forma detallada por Feynman, subyace a la operación de los llamados trinquetes y motores brownianos. Como ejemplos de «motores brownianos» biológicos se incluyen las proteínas cinesina y miosina que convierten la energía química en movimiento dirigido en microtúbulos, y las bacterias que se propulsan en fluidos viscosos debido a la «asimetría»/quiralidad de la rotación flagelar.
Los autores sugieren que los ingenieros humanos podrían emplear flagelos como demonios de Maxwell para hacer girar engranajes nanoscópicos. Se debería observar que todos los casos que mencionan de trinquetes brownianos se encuentran en sistemas vivientes o fueron producidos por ingenieros humanos.
- Diseño de redes: Para conseguir una mejor red logística, se debe diseñar como una hoja. PhysOrg dice, «Las venas de las hojas inspiran un nuevo modelo para redes de distribución».
Seguir el camino recto y estrecho puede ser un buen consejo moral, pero no es un gran principio de diseño para una red de distribución. En nuevas investigaciones, un equipo de biofísicos describen una compleja red de venas interconectadas en circuitos cerrados que la evolución concibió para distribuir el agua en las hojas. Este trabajo, que hunde opiniones mantenidas durante décadas, puede que obligue a los ingenieros a revisar algunas suposiciones comunes que han informado la implementación de muchas redes de distribución de elaboración humana.
La logística de las células, modelo para las redes logísticas humanas … Imagen: Lưu Ly
Es posible que los patrones en red que se ven en las hojas sean no sólo la manera más eficiente de llevar cargas de un lado a otro, sino que sean además la más segura. El «sistema en árbol» que se emplea más comúnmente carece de la redundancia de los sistemas que siguen el modelo de las hojas. «Como contraste, en las hojas de las plantas más complejas, la evolución ha concebido un sistema para distribuir agua que es más flexible en al menos dos formas clave», respondiendo a la fluctuación de la demanda y variando las rutas alrededor de partes dañadas de la red. Los videos en el artículo ilustran cómo el agua se distribuye en diferentes clases de hojas. En el artículo también se observa que el diseño de red en circuitos cerrados se encuentra también en corales y en alas de los insectos. «Estos descubrimientos podrían llevar a un serio replanteamiento», decía un investigador. «La gente tendrá que volverse a plantear como diseñan este tipo de sistemas». Uno de los investigadores está ahora estudiando cómo este diseño gestiona la fluctuación en las cargas, «guiándose por la solución de la naturaleza en la hoja».
El último artículo menciona la evolución muchas veces: p. ej., «la evolución ha concebido un sistema» para hacer esto o lo otro, personificando la evolución como alguna especie de ingeniero que dirige las mutaciones hacia una meta —un concepto totalmente inválido en la tesis evolucionista. Por ejemplo, el artículo señala el árbol ginko como una planta «primitiva» (menos evolucionado) con una distribución más simple de las venas. Pero en el artículo no se explica por qué razón este árbol ha sobrevivido como un «fósil viviente», desde la antigüedad hasta nuestros días, si sus hojas eran primitivas; tampoco por qué los corales, más antiguos que el ginko, ya estaban dotados del diseño de redes en circuito cerrado más avanzado.
1. Grondelle y Novoderezhkin, «Photosynthesis: Quantum design for a light trap», Nature 463, 614-615 (4 febrero 2010); doi:10.1038/463614a.
2. Collini et al, «Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature», Nature 463, 644-647 (4 febrero 2010); doi:10.1038/nature08811.
3. David M. Kramer, «The photonic “smart grid” of the chloroplast in action», Proceedings of the National Academy of Sciences, en línea el 5 de febrero de 2010, doi: 10.1073/pnas.0914429107. 4. T. J. Mitchison y H. M. Mitchison, «Cell biology: How cilia beat», Nature 463, 308-309 (21 enero 2010); doi:10.1038/463308a.
5. Bai, Branch et al, «Conformational Spread as a Mechanism for Cooperativity in the Bacterial Flagellar Switch», Science, 5 febrero 2010: Vol. 327. no. 5966, pp. 685-689, DOI: 10.1126/science.1182105. 6. Sokolov et al, «Swimming bacteria power microscopic gears», Proceedings of the National Academy of Sciences, 19 enero 2010 vol. 107 no. 3 969-974, 10.1073/pnas.0913015107.
La práctica tan habitual de acreditar a la «evolución» un diseño de los sistemas expertos de los seres vivos es absurda por carente de base, sin sentido. El proceso evolutivo darwinista que se propone desde el Naturalismo no es un ingeniero. No es una persona. No puede organizar componentes para un fin; sería un proceso totalmente aleatorio, que daría una respuesta oportunista a circunstancias inmediatas. Los evolucionistas cometen dos falacias con una frecuencia alarmante. Para empezar, usan «evolucionar» como un verbo activo, diciendo, por ejemplo, que los corazones evolucionaron para bombear sangre. Esta frase evolucionar a es el corazón de la falacia. Implica un comportamiento dirigido a un fin. Sólo los agentes inteligentes dirigen las cosas hacia fines funcionales. La materia en movimiento no hace tal cosa, ni tampoco lo hacen los objetos carentes de razón. La conducta aparentemente dirigida a un fin de las bacterias hacia un gradiente químico o de las polillas hacia la luz es un resultado de su diseño. Los organismos no «deciden» establecer metas y trabajar hacia su consecución. Cuando leemos evolucionó a o encontramos diseño y evolución en la misma frase, se deberían encender todas las alarmas. Los árbitros científicos y filosóficos deberían pitar falta.
La segunda falacia que cometen los evolucionistas se parece al principio antrópico en cosmología: «Si el universo no estuviera finamente ajustado para la vida no estaríamos aquí para preocuparnos sobre esta cuestión». Esto es un regate, no una explicación. No explica por qué el universo está diseñado ni cómo llego a serlo; es echar un chorro de tinta. Igualmente, la teoría de la selección natural implica que si el ave no hubiera evolucionado un ala, no estaría volando; si las plantas no empleasen trampas de luz basadas en mecánica cuántica, no estarían captando luz. De esto no sigue que el ave evolucionase las alas. Estos sería la consecuencia lógica sólo si la evolución se da por supuesta a priori como la única opción. Pero no lo es. No se puede dar como supuesto aquello que se tiene que demostrar (véase falacias lógicas, #14). Por cuanto nuestra experiencia uniforme es que el diseño de ingeniería lo realizan agentes inteligentes, el diseño inteligente debería ser la inferencia por defecto a la mejor explicación para alas, corazones y sistemas fotosintéticos.
El apartado acerca del demonio de Maxwell (#7 más arriba) es digno de mención. Tal como se define a veces la Segunda Ley de la Termodinámica, todos los sistemas naturales aumentan en entropía. Sabemos que los humanos pueden contrarrestar la ley de la entropía en aumento (de forma local y temporal) ejerciendo trabajo dirigido a un objetivo, como en la utilización de la energía química de la gasolina (procedente en último término de la luz solar) mediante un motor de pistones bien diseñado. ¿Es esto algo natural? Si los humanos son el producto natural de la evolución, entonces cualquier cosa que hagamos se debería definir como natural. Pero esto significaría que la disminución de la entropía también es natural —una contradicción de la Segunda Ley de la Termodinámica, que es una ley natural si las hay. ¿Y qué acerca del trabajo en el mundo real de demonios de Maxwell como los motores de la ATP sintasa, de los flagelos y de otros trinquetes brownianos que captan energía térmica aleatoria para realizar trabajo útil? ¿Son naturales, estos dispositivos? ¿O son artificios producto de un propósito y de un plan? Es sólo convirtiendo la palabra natural en un concepto carente de significado, o abandonando la universalidad de las leyes de la naturaleza que los materialistas pueden negar que hay causas inteligentes operando en el universo, y que una Causa inteligente estuvo en su origen.
Fuente: Creation·Evolution Headlines – Life Masters Physics 10/02/2010
Redacción: David Coppedge © 2010 Creation Safaris – www.creationsafaris.com
Traducción y adaptación: Santiago Escuain — © SEDIN 2010 – www.sedin.org
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Publicado por Santiago Escuain para Boletín de SEDIN el 2/15/2010 05:18:00 PM
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