Cometas

Al cabalista lector que disfruta con la magia de los números le propongo un acertijo. ¿Qué relación guardan 1910, 1986 y 2061? ¿No lo ha adivinado? Se trata de los años en los que el cometa Halley se aproxima a la Tierra; y me refiero a la cita de nuestro planeta con un pequeño objeto -de quince por ocho por ocho kilómetros de tamaño- que, al acercarse al Sol y calentarse, se rodea de una brillante cabellera primero y de una primorosa cola después; y que, al alejarse, se enfría y vuelve invisible. No todos los cometas son igual de inofensivos; un fragmento de ochenta metros de tamaño del cometa Encke chocó con la Tierra en el año 1908: provocó una explosión de una potencia comparable a la de una bomba nuclear que, afortunadamente, no causó víctimas por producirse en Tunguska, un lugar deshabitado de Siberia.

Los cometas aparecen a su ilusionado descubridor como un punto luminoso moviéndose sobre el fondo de las estrellas fijas, a enorme distancia del Sol. La mayoría proceden de una nube (de Oort apellidada) que alberga los restos de la nebulosa con la que se formó el sistema solar; el origen de la minoría se encuentra más próximo, en el cinturón de Kuiper, el anillo de escombros ubicado un poco más allá de la órbita de Plutón. En el pasado mensajeros de los dioses que anunciaban funestos presagios, en el presente causa de temibles colisiones cuando se encuentran con la Tierra. Los cometas son cuerpos sólidos cuyo núcleo -de hielos, polvo y rocas- con su cabellera -la atmósfera de gas y polvo que lo envuelve- es lo primero que ve el noctámbulo observador del firmamento; a continuación, cuando el astro se acerca al Sol y se calienta, los hielos subliman y los gases, azotados por el viento solar, generan una cola que se extiende millones de kilómetros. Como el avisado lector ya habrá deducido cada vez que el cometa se aproxima al Sol pierde material volátil hasta que, tras miles de órbitas, agota su combustible y se apaga: se convierte en un asteroide; pero antes de hacerlo podemos admirar las estrellas fugaces con las que nos saluda: que eso son los fragmentos que el cometa ha dejado en su trayectoria y que, cuando la Tierra la atraviesa, penetran en nuestra atmósfera.

No. Los cometas no son seres amables y compasivos, sino sólo brillantes alucinaciones de la noche, eternos fantasmas en el cielo quimérico, blancas mentiras en la oscura nada.

Arrecifes de coral, una farmacia submarina

Sucederá a lo largo del siglo XXI. Los primeros turistas espaciales viajarán alrededor de nuestro planeta; desde allí, quizá alguno de ellos añore la vida terrestre cuando, al este de Australia, contemple la Gran Barrera de Coral, un arrecife que se extiende por dos mil seiscientos kilómetros, el único ser vivo visible desde una órbita.

Los arrecifes de coral, caleidoscopios de vida que cubren menos de la milésima parte de la superficie del planeta y hogar de la cuarta parte de las especies marinas, constituyen uno de los hábitats donde hay más biodiversidad del mundo y, por ello, son el escenario de una feroz lucha por la vida. En ellos, los seres vivos compiten por un espacio reducido y están en riesgo constante de depredación; como muchas de las criaturas permanecen inmóviles, necesitan poseer sustancias químicas tóxicas para evitar que sus vecinos se las coman. Por eso, en la sopa de productos químicos que contiene este ecosistema podrían estar los fármacos que en el futuro curen el cáncer, el Alzheimer, la artritis y muchas viriasis. Pero este botiquín se enfrenta a un futuro incierto: los arrecifes de coral son muy vulnerables; están amenazados por la contaminación, la sobrepesca y el cambio climático; si desaparecieran, quizá la farmacia más grande de la naturaleza, un cofre de tesoro para cualquier buscador de medicinas, se perdería para siempre.

Aunque una colonia de coral puede dar la impresión visual de un solo organismo es, en realidad, un conjunto de miles de individuos que se interconectan para repartir los nutrientes; el animal conocido como coral, el pólipo, es mucho más pequeño, mide desde unos milímetros a algunos centímetros de diámetro. Algunos corales, no todos, tienen la capacidad de fijar sobre sus tejidos el carbonato cálcico disuelto en el mar y así formar las estructuras rígidas características que pueden alcanzar grandes dimensiones; estructuras minerales que debería ser blancas y no lo son debido a los pigmentos coloreados de los tejidos y a las algas que viven en simbiosis con ellos y les proporcionan alimento. Aunque pueden atrapar plancton, la mayoría de los corales obtienen la mayor parte de sus nutrientes de las algas unicelulares que viven dentro de ellos; por eso, para que las algas puedan realizar la fotosíntesis, requieren luz solar y agua clara y poco profunda (menos de sesenta metros). ¡Haga submarinismo en aguas tropicales y subtropicales quien quiera visitarlos! Disfrutará de un espectáculo maravilloso.

¿La entropía puede crear orden?

La velocidad y la distancia, la temperatura y la presión son magnitudes físicas que el profano comprende más o menos bien; no sucede lo mismo con la entropía. Ludwig Boltzmann la definió como la cantidad de estados en los que pueden ordenarse los componentes elementales de algo; la complejidad de la definición es tal que aún hoy, un siglo después, se siguen investigando sus consecuencias. Probablemente el lector experto asociará la entropía al desorden, y no anda descaminado, porque el aumento de entropía en muchos fenómenos físicos va paralelo al aumento del desorden: así sucede cuando un huevo se bate, un gas se expande, un terrón de azúcar se disuelve o un sólido se funde. ¿Es la entropía, entonces, sinónimo de desorden? La definición de Boltzmann es más refinada de lo que habíamos creído; un interesante artículo de José A. Cuesta, publicado en el 2006, proporciona claves para entenderla; argumenta su autor que la entropía no se identifica con el desorden necesariamente, porque pueden crearse estructuras ordenadas y, simultáneamente, aumentar la entropía.

Imaginemos una sustancia cuyos componentes son esferas macizas inertes, ¿podría tener más entropía cuando se halla en estado sólido (supuestamente ordenada) que cuando aparece en un estado fluido (supuestamente desordenada)? El estudio del apilamiento de naranjas nos proporciona un resultado inesperado: no resulta difícil de entender que el volumen medio del recipiente ocupado por cada pieza cuando la fruta está desordenada es mayor que cuando está ordenada; sin embargo, al volumen medio accesible (¡ésta es la palabra clave!) a cada naranja puede sucederle lo contrario: ser mayor si la fruta está empaquetada con orden que si está desordenada. Mayor volumen disponible para cada partícula en la fase ordenada significa mayor número de estados en los que pueden colocarse dichas partículas, luego la fase ordenada tiene mayor entropía. Así ocurre: las esferas macizas se ordenan para ganar volumen accesible; sucede entonces que aumenta simultáneamente el orden y la entropía.

No, no argumentemos que las esferas duras no existen en la naturaleza pues erraremos en nuestra apreciación. Las partículas de las disoluciones coloidales se comportan prácticamente como tales y por eso en los coloides se han observado fenómenos en los que aumenta el orden espontáneamente debido al aumento de la entropía; y no sólo en ellos, se espera que en la química celular también se presenten procesos similares. Cierto, el físico se verá sorprendido por la aparición espontánea del orden… si no se percata de la sutileza del fenómeno.

NF-kB: la importancia de los controles

En los EEUU y en el segundo decenio del siglo XXI, se llevó a cabo un singular torneo; la tarea, construir el armazón de un vehículo militar. Competía un grupo de expertos contra un robot acompañado de un ingeniero que seguía sus instrucciones (leyó bien el sorprendido lector, el ingeniero seguía las instrucciones del robot). El grupo de expertos realizó la labor en ochenta y nueve horas; la pareja formada por el humano y la máquina efectuó el mismo trabajo en diez horas (y el importe de su factura era un sexto de la anterior). Sí, el futuro de las manufacturas pertenece a los robots; y para el diseño de robots la teoría del control resulta esencial. Ayer, los ingenieros trataban de regular automáticamente la temperatura de una calefacción, el rumbo de un avión o la velocidad de un automóvil, mañana máquinas autónomas interaccionarán con humanos en ambientes domésticos e industriales. ¿Se ha sorprendido el ingenuo lector? Pues no son menos increíbles los controles que realizan nuestras células.

La expresión de los genes, dicho con otras palabras, la conversión de la información contenida en el ADN en proteínas ejecutoras, es un proceso sujeto a múltiples controles, y las moléculas llamadas factores de transcripción constituyen uno de ellos; uno en concreto, el NF-kB, se encuentra en la mayoría de las células animales. La proteína apellidada NF-κB (iniciales de Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) se halla en el interior de una célula, inactiva; cuando se activa, entra en el núcleo, y allí colabora en la síntesis de ARNs mensajeros, de quienes depende la síntesis de las proteínas que provocan el cambio en la célula. Sí, el NF-κB activado estimula la expresión de genes, concretamente, de doscientos, en células de diferentes tipos, ¡nada menos! Y varios agentes -los radicales libres (sustancias muy activas que atacan a las biomoléculas), la radiación ultravioleta, las citocinas (mensajeros intercelulares), algunas moléculas transportadoras de colesterol (LDL oxidadas), el estrés y los antígenos bacterianos o virales- activan a este versátil factor de transcripción.

Los biólogos han averiguado que el NF-κB juega un papel clave en la regulación de la respuesta inmune; una activación inapropiada o una inhibición persistente guarda relación con el cáncer, con enfermedades inflamatorias y autoinmunes, con el choque séptico, con las infecciones virales o con un desarrollo inmune inadecuado; y también -esto es más sorprendente- interviene en procesos de aprendizaje y memoria. Sin duda, a los biólogos les interesa ser capaces de manipular a este controlador.

La luz láser

El Sol llenaba ya el ámbito del patio. En su escondite del ciprés, el ruiseñor había enmudecido. Sólo cantaba el surtidor en el espacio claro de la mañana. Mientras contempla amanecer, el indolente escritor recuerda que la Tierra recibe del Sol la misma intensidad de luz que emite un láser. Un láser que viene a ser una superlinterna que irradia luz diferente de la habitual. Me explicaré. Tanto la luz como la materia están hechas por minúsculas partículas, fotones una, átomos la otra. Los átomos contienen electrones que se disponen en órbitas (orbitales sería la palabra técnica) alrededor de un núcleo central. En su estado habitual –fundamental-, los electrones residen en las órbitas bajas; pero hay veces que absorben energía del exterior y ascienden a órbitas más elevadas (un físico diría que pasan a un estado excitado). Un electrón que se encuentra en una órbita alta descenderá espontáneamente a una baja emitiendo un fotón, pero no uno cualquiera, sino aquél que contiene la energía que le sobra. ¿Qué sucedería entonces si se bombardease un electrón excitado con un fotón que contuviese la energía justa? ¿Subiría a una órbita más elevada? Einstein dedujo unas ecuaciones que le revelaron que descendería de órbita, y que, en el descenso, emitiría dos fotones sincronizados (coherentes, según los expertos) y con la misma energía (vulgarmente diríamos del mismo color, monocromáticos).

            Abandonemos la teoría y construyamos un láser sencillo con una mezcla de gases helio y neón. La primera tarea consiste en proporcionar energía externa (que puede ser electricidad o luz normal) para que los átomos pasen del estado fundamental al excitado (invertir la población, dirían los técnicos). A continuación, espontáneamente, un átomo excitado cualquiera deja de estarlo emitiendo un fotón, el fotón estimulará a otro átomo para que haga lo mismo y emita dos fotones, que estimularán dos átomos que emitirán cuatro, ocho, dieciséis, y así sucesivamente se producirá una reacción en cascada que, en fracciones de segundo, habrá conseguido que todos los átomos excitados emitan fotones. Para conseguir que la luz tenga los rayos paralelos (el colimado, señalarían los expertos), encerramos el helio y neón en un cilindro, colocamos un espejo en cada una de las dos caras circulares y, en el centro de uno de ellos, hacemos un minúsculo agujero; conseguimos así que sólo los rayos paralelos al eje del cilindro salgan por la abertura. Ya hemos logrado luz monocromática, coherente y colimada: hemos obtenido el temido rayo de la muerte, el afable bisturí láser.