Límite entre la física clásica y cuántica

Una historia, para ser bien entendida, debe puntualizar con claridad sus principios, las raíces de donde nace, crece y se dilata, frondosa de sombras y frutos, de enseñanzas. Los físicos tienen dos descripciones de la naturaleza muy diferentes. La mecánica clásica explica el movimiento de objetos macroscópicos como las ruedas, los planetas y las galaxias, y describe las relaciones entre una causa y su efecto. La mecánica cuántica explica el mundo microscópico de los átomos, las moléculas y partículas elementales, a los que describe con leyes probabilísticas. La segunda teoría se considera más fundamental que la primera, por lo que tendría que englobarla; y así sucede, la mecánica cuántica se funde con la clásica a cierta escala (técnicamente cuando la constante de Planck se vuelve nula). ¿Cómo es la naturaleza de la transición? Los experimentadores han creado átomos –objetos cuánticos- que obedecen, durante un corto período de tiempo, las leyes clásicas. Para producirlos hay que comunicarles energía, con un láser, hasta que se hinchen y alcancen un tamaño que supere unas diez mil veces las dimensiones de un átomo normal. A tal escala, la posición de los electrones se localiza, o por lo menos su órbita deja de ser una nebulosa que solo representa posiciones probables (tal y como propone la mecánica cuántica); sucede entonces que el electrón traza alrededor del núcleo una elipse, como hacen los planetas en torno al Sol. En otras palabras, los experimentadores han conseguido observar aspectos clásicos en los electrones de un átomo, tales como la localización espacial y el movimiento a lo largo de una trayectoria orbital; si bien es cierto que estas acciones subsisten sólo durante períodos de tiempo muy cortos. En resumen, los experimentos han mostrado que las órbitas clásicas de un electrón caben en la moderna física.

¿Tiene algún interés entender el límite clásico de los átomos? Piense el entendido lector que la técnica moderna ha difuminado las diferencias entre el mundo microscópico y el macroscópico. Un científico emplearía la mecánica clásica para predecir un eclipse lunar y la cuántica para investigar las desintegraciones de los núcleos atómicos; pero los ingenieros ya han iniciado la construcción de dispositivos mil y aún un millón de veces menores que un milímetro con los que esperan manipular átomos y moléculas individuales: la nanotecnología ha llegado sin haberse producido un debate público sobre sus beneficios e inconvenientes: no sé si solazarme o llorar.

Richard Peto: paradoja sobre el cáncer

Me encantan las paradojas. Mucho podemos aprender de ellas porque, al igual que los buenos trucos de ilusionismo, nos causan tanto asombro que inmediatamente queremos saber cómo se han hecho. A los primeros pensadores griegos les resultaba paradójico que la diagonal de un cuadrado de lado unidad no pudiera ser medida exactamente por finas que se hicieran las graduaciones de la regla: hubo que inventar los números irracionales. Los matemáticos del XIX encontraban paradójico que hubiese tantos números enteros como número pares: fue necesario desarrollar la teoría de los números transfinitos. Y da igual que se trate de paradojas matemáticas o de paradojas científicas.

Resulta lógico colegir que todas las células animales tienen a priori la misma probabilidad de presentar cáncer; si la deducción fuera cierta -conjeturó el biólogo Richard Peto- los animales grandes presentarían mayor incidencia de cáncer que los pequeños, porque contienen más células; considere el sagaz lector que una ballena posee aproximadamente nueve mil veces más células que un ratón. ¿La naturaleza se comporta tal y como hemos teorizado? Todos los mamíferos, humanos incluidos, desde las ardillas hasta los hipopótamos, y de las liebres a los elefantes tienen aproximadamente la misma probabilidad de contraer cáncer; la incidencia de la enfermedad no parece correlacionarse con el número de células de un organismo. Los expertos califican a esta contradicción como paradoja de Peto.

Varias hipótesis pretenden explicar la incongruencia. Una, que los animales pequeños y efímeros generan una mayor cantidad de radicales libres cancerígenos. Otra, que los animales corpulentos y longevos tienen una mayor cantidad de genes supresores de cánceres. Una tercera hipótesis se debe a Aris Katzourakis; su autor estudió, en varias especies de mamíferos, la relación entre el tamaño del animal y el número de retrovirus endógenos que se han integrado en su genoma celular: encontró una correlación positiva. Antes de continuar con el discurso he de aclarar el significado de los retrovirus endógenos: se trata de unos virus saltadores que constituyen hasta el diez por ciento del genoma del animal y que pueden provocar mutaciones cancerígenas donde insertan sus genes. Colegimos que los animales corpulentos y longevos han desarrollado una capacidad protectora para acabar con tales virus. Si la hipótesis es cierta debemos alegrarnos, porque significa que los organismos grandes disponen de estrategias para eludir el cáncer. No las hemos descubierto… por ahora.

Hidrógeno metálico

La retroalimentación entre ciencia y tecnología, no por conocida, resulta menos pasmosa. El reto de averiguar la composición del aire condujo al descubrimiento del oxígeno y nitrógeno, y después del argón y helio. El descubrimiento de la superconductividad y la aparición de la industria de conservación de alimentos con frío fueron las inesperadas consecuencias de la técnica empleada para licuar gases utilizando temperaturas bajas. Titiritando abandono el frío intenso para acercarme a las presiones altas, cambio un extremo por otro; también aquí el objetivo de sintetizar diamantes artificiales ha impulsado una nueva tecnología: la que persigue obtener hidrógeno metálico.

El hidrógeno es el elemento químico más abundante: noventa y dos, de cada cien átomos existentes en el universo son hidrógeno. ¿Cómo se presenta este ubicuo elemento en las condiciones terrestres habituales? Como un gas, susceptible de convertirse en líquido a doscientos cincuenta y tres grados centígrados bajo cero, o en sólido a seis grados menos. Moléculas diatómicas componen cualquiera de los tres estados, moléculas que se comportan como un aislante eléctrico. Los físicos han pronosticado que, si el hidrógeno molecular se sometiera a una presión extrema, se disociaría en átomos y se convertiría en un metal, conductor en estado líquido, superconductor si alcanzase el estado sólido. Así ha sucedido: Arthur Mitchell, Samuel Weir y William Nellis han conseguido obtener hidrógeno metálico líquido a presiones que superan un millón cuatrocientos mil veces la atmosférica y a dos mil seiscientos grados kelvin. Falta poco, pero todavía no han logrado alcanzar las condiciones necesarias –algo más de seis millones de veces la presión atmosférica al nivel del mar- para obtener el hidrógeno metálico sólido. Estas condiciones, aunque nos parezcan desmesuradas, aparecen en la naturaleza: en el interior de Júpiter y Saturno. Una atmósfera de hidrógeno y helio cubre ambos planetas gigantes; tras el espeso velo de nubes se muestra un océano de hidrógeno molecular que precede a otro de hidrógeno atómico metálico -una transición continua entre cuatrocientas mil atmósferas y tres millones-; le sigue, un fluido de agua, metano y amoniaco que envuelve a un núcleo de roca y quizá hierro.

La aplicación de altas presiones -entre cuatro mil y seis mil atmósferas- a la temperatura del ambiente, una nueva tecnología para la conservación de alimentos, está iniciando su desarrollo. Las presiones elevadas no sólo se usan para hacer experimentos vanguardistas, sino también para pasteurizar un exquisito zumo de frutas, ¿quién lo iba a decir?

Alzheimer y el plegamiento anómalo de proteínas

Los bioquímicos no albergan dudas: varias enfermedades graves, que afectan a millones de personas y son potencialmente mortales, se deben a que las proteínas se pliegan de una forma anómala. Las proteínas, que desempeñan papeles protagonistas en cualquier organismo, son macromoléculas muy diversas; las fibrosas constituyen fibras alargadas utilizadas como sostén, las globulares adoptan formas esféricas capaces de efectuar múltiples funciones. Tan pronto son sintetizadas, las proteínas globulares se pliegan, toman una estructura tridimensional, esencial para el correcto desempeño de su función: los expertos dirían que adquieren su conformación nativa. En los últimos años los biólogos han observado que algunas proteínas adoptan una estructura fibrosa siendo su conformación nativa globular, una alteración que han asociado a varias patologías.

Como ya habrá deducido el perspicaz lector, el incorrecto plegamiento de las proteínas perjudica el funcionamiento celular. En las enfermedades de Alzheimer, de Creutzfeldt-Jakob (encefalopatía espongiforme humana) y de las vacas locas (encefalopatía espongiforme bovina), así como en la diabetes tipo II los errores en el plegamiento provocan la formación de depósitos de fibrillas de proteínas (que debían ser globulares) fuera de las células; depósitos llamados amiloides, nombre que justifica la calificación  de estas enfermedades como amiloidosis. Aclaro que todavía se ignora si el mal funcionamiento del órgano afectado –el cerebro, bazo, riñón o hígado- es la causa o el efecto del amiloide. También aparecen plegamientos anormales de proteínas en las enfermedades de Parkinson y de Huntington, aunque no se las califica como amiloidosis porque el depósito no es un amiloide. Y sospechamos que suceden fenómenos análogos en la fibrosis quística y en el enfisema pulmonar.

Los científicos ignoran por qué una proteína permanece soluble o forma los depósitos asociados a las patologías. Sí saben que las células tienen la capacidad de evitar el plegamiento anormal; cabe pensar, por lo tanto, que estas enfermedades puedan deberse bien a una alteración del ambiente celular donde se fabrica la proteína (cambio del pH, por ejemplo); bien a fallos en el control de calidad del producto. Las chaperonas y proteasas -moléculas de enrevesado nombre- se encargan de esta segunda labor; aquéllas ayudan al correcto plegamiento de las proteínas recién sintetizadas, éstas rompen las moléculas incorrectamente plegadas.

Espero que al joven lector no le atemorice el Alzheimer cuando llegue a viejo... porque ya se hayan encontrado terapias para arreglar ese mal. ¡Ojalá!

Aerosoles

Cuando cualquiera de nosotros habla, canta, tose, estornuda o, sencillamente, respira emite gotitas que se mezclan con el aire circundante y forman un aerosol; olvídese de las gotas grandes, caen rápidamente al suelo, son las pequeñas quienes constituyen el aerosol. Si el lector curioso quiere observar un aerosol o conocer su comportamiento, fíjese en el humo del tabaco, ¡nada más! Se consideran aerosoles las mezclas de partículas líquidas -o sólidas- suspendidas en un gas; aunque vulgarmente se nombren aerosoles sólo a las partículas suspendidas, el término se refiere tanto a ellas como al gas que las contiene. El tamaño de las partículas -desde dos nanómetros a cien micrómetros- importa, porque las más pequeñas (de menos de dos micrómetros y medio PM2.5) permanecen suspendidas en la atmósfera días o semanas; en cambio, las grandes (de diez micrómetros, PM10) permanecen sólo minutos u horas en el aire antes de depositarse en el suelo. Nos interesan los aerosoles porque afectan a nuestra salud y al clima -intervienen en la formación de las nubes e interaccionan con la radiación solar-. 
Los aerosoles son abundantes y muchos fenómenos naturales los generan: las cenizas volcánicas, las tormentas de polvo, la erosión del suelo, los incendios forestales o los incendios de pastizales, la pulverización de agua marina, sin olvidarnos de la producción de polen y esporas por los seres vivos. También forman aerosoles las actividades humanas, como la quema de combustibles para el transporte o la generación de electricidad, la fundición de metales, la producción de cemento, cerámica y ladrillos, además la construcción, la minería o las actividades agrícolas que desprenden polvo. 
Absorbe radiación solar el polvo mineral presente en la atmósfera (que forma un aerosol), principalmente procedente de los desiertos del Sahara y Gobi; se estima que, aproximadamente, la tercera parte de él se debe a la desertificación y al uso indebido del suelo. Los aerosoles de nitrato y sulfato, sean de fuentes naturales o antrópicas, dispersan la luz. Los aerosoles de materia orgánica también intervienen en la absorción o dispersión de la radiación solar, concretamente, el carbono negro procedente de los combustibles fósiles, absorbe radiación. 
Los aerosoles también afectan a la salud. A una exposición aguda se deben dolores pulmonares, jaquecas, malestar en la garganta y lagrimeo, mientras que la exposición crónica produce asma, cáncer de pulmón y problemas cardiovasculares; en resumen, aumentan las enfermedades respiratorias y cardiacas.