Estan vius?

http://www.youtube.com/watch?v=MYGJ9jrbpvg

 

Mireu aquest vídeo amb unes “criatures” de l’artista holandès Theo Jansen.  Ell considera que estan vives.  Segons opinions, el concepte de vida és un concepte útil que ens hem inventat, igual que “arbre”, però de la mateixa manera que hi ha zones ambigües entre un arbre i un arbust, hi ha també zones ambigües entre objectes vius i inanimats (virus, programes informàtics que es reprodueixen i evolucionen, les obres de Jansen, cristalls, parelles de molècules de RNA creades en el laboratori per Gerald Joyce, paràsits que no poden viure fora de l’animal o planta parasitats).  Vida és una construcció mental que ens ajuda a classificar objectes, però, a vegades, la classificació no està clara.

 

 

Com comprendre les escales del temps

Acostumats a viure menys del que dura un segle ens és difícil entendre fenòmens a escala còsmica. Per això moltes persones no creuen en l’evolució.  Per ells és impensable que l’home hagi pogut evolucionar de éssers unicel·lulars, ni que Àfrica i Amèrica del Sud formessin part del mateix continent, però clar, no es pot comparar el que passa en un segle amb el que passa  en 35 milions de segles, que és el temps que estimem ha passat des de que va aparèixer la vida a la Terra.  I acostumats a viure en entorns de poca gravetat i a viatjar a velocitats baixes,  comparades amb les de la llum,  també ens és difícil creure que la matèria  i la velocitat modifiquen el temps, com va dir Einstein. Però això es constata a diari en els acceleradors de partícules, en el sistema GPS,  que ha de ser molt precís,  i en les partícules dels raigs còsmics que es desintegren més lentament degut a la gran velocitat que porten. 

Per a que us feu una idea de les escales còsmiques del temps: Si l’univers hagués nascut fa un any, és a dir si el Big bang hagués tingut lloc en el minut zero del u de gener, la vida no hauria aparegut a la Terra fins el dia dos d’octubre, el homo sapiens hagués començat a evolucionar a les 23.53 del 31 de desembre i la història, entesa com els records humans documentats,  només hagués arribat 10 segons abans de mitja nit del 31.12.  

Aquesta manca de perspectiva també ens impossibilita per reaccionar davant de canvis, encara lents, com el canvi climàtic o l’amenaça dels asteroides.

Els físics creuen que el temps no pot existir sense matèria. Sense matèria no hi haurien canvis. Com mesuraríem el temps sense canvis? El fet de que la matèria i el temps estiguin relacionats, més des de que Einstein va lligar la gravetat al temps,  ens porta a la concepció de l’univers,  no com un lloc, un escenari, sinó com una història. I aquest no és un moment ordinari en la història còsmica ja que, almenys en aquest racó anomenat Terra, una cosa tan complexa com la ment conscient existeix i comença a desxifrar els misteris de l’univers i forma un nou trinomi: ment-matèria-temps que no sabem encara cap on ens pot portar.

El forat negre en el centre de la galàxia a punt de devorar un gran núvol

En un punt anomenat Sagitari A* de la nostra galàxia hi ha un monstruós forat negre amb una massa equivalent a 4,3 milions de sols, encara que no és excepcional. La galàxia veïna, Andròmeda, en té un amb una massa equivalent a 100 milions de sols i es creu que altres galàxies llunyanes en tenen de tan grans que poden arribar a l’equivalent a 10.000 milions de sols.  

Un forat negre no es pot veure perquè es tan massiu que ni la llum, amb la velocitat de 300.000 km/s,  es pot escapar de la seva força atractiva.  De fet en una òrbita veïna la llum es corba tant que mirant cap endavant ens veuríem el clatell. Però sí podem observar els moviments dels astres o altres objectes al seu voltant.  Sagitari A* està a uns 26.000 anys-llum de la Terra i està atraient un núvol de gas, anomenat G2, a una velocitat de 3.000 km/s. En aproximadament un any, el núvol passarà allò que s’anomena “horitzó d’esdeveniments” que és com una cortina,  passada la qual, ja no veiem res perquè els objectes que el traspassen ja no poden tornar enrere. En aquell moment, la major part de radiotelescopis enfocaran Sagitari A* formant un gran radiotelescopi de la grandària de la Terra amb l’objectiu d’observar aquest acte singular i veure’n les conseqüències.  De fet, tenint en compte que som a 26.000 anys-llum de Sagitari A*, ell que observarem d’aquí un any es va produir fa 26.000 anys.

La gravetat dels forats negres deforma l’espai-temps.  Si arribéssim a l’horitzó d’esdeveniments, situat a 13 milions de km del  centre del forat negre Sagitari A* amb un coet, per cada minut que passéssim allí passarien 1.000 anys a la Terra.

El primer model informàtic complet i predictiu d'una cèl·lula

En l’any 2012 un grup d’investigadors liderats per Markus Covert van publicar un model complet del bacteri Mycoplasma genitalium, el genoma del qual va ser seqüenciat per l’equip de Craig Venter en el 1995 (veure un dels blocs anteriors). Endemés, en el 2013 aquest mateix grup va demostrar que el model predeia de forma acurada l’activitat de diversos enzims. Aquest projecte havia estat començat en el 2008.

Està clar que tenir un model informàtic d’un organisme biològic permet provar idees abans de fer experiments més costosos.  En el futur si disposem d’aquests models podrem accelerar la creació de nous antibiòtics o podrem trasplantar virtualment gens per a dissenyar organismes amb propietats especials com la capacitat d’extreure hidrogen del petroli, sense incórrer en els riscos d’alterar microbis reals, en una primera fase.  Si endemés assolim representar informàticament cèl·lules humanes podrem ajudar als investigadors mèdics que es troben amb la impossibilitat per a cultivar moltes classes de cèl·lules del cos humà en el laboratori.

Convert va escollir el Mycoplasma genitalium perquè és un dels organismes més simples que existeixen i perquè, endemés, és una font d’infeccions.  Els esforços de modelització precedents havien  intentant construir un model d’una colònia de cèl·lules,  ja que aquesta és la manera com s’obtenien dades del comportament de les cèl·lules, però els avenços recents en biotecnologia i computació feien possible focalitzar-se en una sola cèl·lula.

Per començar van haver de llegir-se un miler d’articles científics a fi de poder extreure la informació necessària per a acotar els paràmetres que faria servir el seu model. Ja en el 1984 Harold Morowitz de la universitat de Yale havia plantejat la idea de fer un model informàtic dels micoplasmes per la seva senzillesa i facilitat de cultiu en el laboratori. M. genitalium, per exemple, només té 525 gens i, segons l’equip de Venter només uns 400 són essencials per a la vida.  Encara que l’equip de Venter va sintetitzar el genoma d’un micoplasma i el va trasplantar a una altra cèl·lula, això no volia dir que entenguessin l’organisme en la seva totalitat, ja que, com un membre de l’equip, Clyde Hutchinson, va dir,  la comprensió total només podria arribar quan es modelés l’organisme en un ordinador.

Convert va veure que havia de modelar tots els processos de la cèl·lula: el flux de l’energia,  els nutrients i els productes reactius (és a dir el seu metabolisme), la síntesi i la descomposició de l’ADN, l’ARN i les proteïnes, l’activitat dels milers d’enzims i fer-ho per mitjà de fórmules matemàtiques i algoritmes.   I endemés caldria integrar tot això en un marc que descrivís l’activitat del micoplasma.

El problema final era determinar les cotes superiors i inferiors dels aproximadament 1.700 paràmetres que contenia el model, cosa que van aconseguir llegint  quasi  un miler d’articles científics i fent adivinacions intel·ligents ( “educated guesses”) usant resultats d’altres bacteris.  L’avantatge d’estudiar una colònia de cèl·lules és que no totes es divideixen a l’hora i la divisió d’una no és un esdeveniment dramàtic per a la colònia, però en el cas d’una sola cèl·lula, abans de la divisió,  aquesta ha de duplicar la massa, però no sols la massa total sinó que cal duplicar cada una de les parts.  Una de les dades que els va servir de filtre era la taxa de reproducció del bacteri que es divideix típicament cada període que va de nou a deu hores en un ambient normal de laboratori i molt rarament ho fa abans de sis hores o més tard de quinze.  Si el model no donava aquesta taxa de reproducció calia retocar-lo.

L’equip es va basar en models parcials anteriors de Michael Shuler que havia fet servir equacions diferencials, però van haver d’usar diferents tècniques pels diferents mòduls, per exemple, una tècnica anomenada “anàlisi d’equilibri de fluxs” desenvolupada per Bernhard Palsson i que va servir per a modelitzar el metabolisme.   En total van construir 28 mòduls amb diferents tècniques. Per integrar-los, Covert va recordar un curs que havia estudiat en la carrera sobre disseny d’una planta química. Van fer servir un software anomenat HYSYS per a dissenyar una gran refineria. HYSYS permetia dissenyar cada un dels recipients on es produïen les reaccions i desprès ho unia tot per mitja de canonades. Covert va pensar que podia modificar el software i que podria ser útil per a integrar els diversos mòduls de la cèl·lula si assumia que, encara que els diversos processos tenien lloc simultàniament, les accions eren independents en el temps d’un segon. Aleshores podia dividir la vida de la cèl·lula en períodes d’un segon, executar els 28 mòduls durant aquest període abans de modificar les variables resultants dels processos.  A cada segon es produïen 500 megabytes de dades. Al principi el resultats va ser frustrants ja que els bacteris no es dividien en el temps esperat o es comportaven  erràticament, però al final van aconseguir un model raonable.

Desprès d’un any d’aplicar el programa informàtic ha descobert coses interessants com , per exemple, perquè el bacteri no es divideix quan es silencien certs gens o que el període de divisió, que és molt estable, és una propietat emergent que es produeix per la interacció entre dues diferents fases de replicació, cada una de les quals pot variar molt individualment.

Aquest treball és un primer pas i els resultats s’han posat en la xarxa a disposició de tots els investigadors. Els propers passos poden ser: un model del bacteri E.coli, una cèl·lula eucariota com la Sachharomyces cerevisiae i, més endavant, una cèl·lula de ratolí o d’un humà, segurament un macròfag del sistema immunitari i altres cèl·lules humanes que juguen papers importants en malalties.

  

                                                                 Mycoplasma genitalium

La torre de Hanoi

Aquest és un joc famós:

 

Es tracta de traslladar els tres discs de grandària decreixent de l’estaca A a la B, un disc cada vegada, però de tal manera que en cap moment un disc de grandària superior estigui a sobre d’un de grandària inferior.

La solució d’aquest cas senzill és : A passa a B, A passa a C, B passa a C, A passa a B, C passa a A, C passa a B i A passa a B.

Si en comptes de tres discs en tenim n, es pot comprovar  que existeix un algoritme per a solucionar-lo i que el nombre  mínim de passos és 2 (exponent n) – 1.  Aquest és, per tant, un exemple d’un problema que en la teoria de computació s’anomena exponencial i els problemes exponencials són per naturalesa difícils comparats amb els problemes que es poden resoldre en temps polinómic. El joc  va ser introduït a Occident pel matemàtic francès Édouard Lucas en el 1883.  Hi ha una història, no se sap si inventada per Lucas, de que hi havia un temple a la Índia amb tres estaques que contenien 64 disc daurats que els sacerdots  anaven movent i que el món s’acabaria el dia que completessin aquest trencacaps. Fent un moviment cada segon tardaríem 585 mil milions d’anys en resoldre’l, 127 vegades l’edat del Sol.

 

 

Té futur la indústria en els països avançats?

Es parla molt de tornar a potenciar la indústria i, certament, indústries molt automatitzades, inclús les tèxtils,  poden tenir cabuda en països avançats i facilitar el time to market dels productes.  Però es crearan molts llocs de treball? Això ja és més dubtós. Sabeu quants empleats tenia la Kodak en el seu apogeu? 140.000! I quants tenia Instagram quan en el 2012 es va vendre a Facebook per 1.000 milions de dòlars? 13!!

Prenem com exemple els E.U.A. d’on és més fàcil obtenir estadístiques. En el 1953 la indústria manufacturera representava el 28% del PIB. En el 1980 el 20% i el 12% en el 2012. Però com que el PIB va passar de 2,6 bilions a 15,5 bilions, això vol dir que el productes fabricats van triplicar en valor.  En el 1953 aquest sector donava feina a 16 milions de persones, aproximadament un  terç del total si exceptuem l’agricultura, 19 milions en el 1980 (una cinquena part dels llocs de treball no agrícoles) i en el 2012 12 milions (una desena part dels llocs de treball si exceptuem l’agricultura). Els serveis han substituït aquesta pèrdua. I, de fet, molt de valor del sector de fabricació l’obté gent empleada en serveis com gestors, suport tècnic, vendes i màrqueting, administratius. Un terç del valor i més de la meitat dels empleats.

La indústria ha invertit molt en maquinaria des del 1980 i la productivitat per hora ha pujat 189% (la productivitat per hora de tota l’economia ha pujat un 85%). Al mateix temps la proporció d’empleats en la indústria amb alguna educació universitària ha passat del 20 al 50% des del 1969. En les regions dels E.U.A. on  la transformació de la indústria ha estat més ràpida és també on més han pujat els sous.

Els llocs de treball de baix valor han anat a parar a països subdesenvolupats o emergents i les mesures proteccionistes no serveixen. Quan Obama va posar aranzels en la importació de pneumàtics xinesos va aconseguir preservar temporalment 1.200 llocs de treball, però això va costar més de 1.000 milions de dòlars als consumidors americans que, al tenir menys diners per a consumir, van fer perdre més de 3.700 llocs de treball en el comerç.

Aleshores, quina és la solució quan es perden llocs de treball en indústries que es deslocalitzen?  Sembla que la única cosa (no gens fàcil) que pot fer el govern és ajudar en reeducar la força laboral. Alemanya sembla que ha tingut un cert èxit en aquest tipus de programes.

La capacitat de reeducació es basa en la formació que es té i per això és tan important fomentar una educació de qualitat a l’escola.

Algunes sorprenents curiositats científiques

1)Si us penseu que l’acer és sòlid aquí teniu una sorpresa: el 99,95 de la massa està concentrada en el nucli atòmic la qual ocupa el 0,0000000000001 % del volum, per tant l’acer és pràcticament buit. La sensació de solidesa és deguda a les forces elèctriques que mantenen els nuclis en el seu lloc.

2)Podria l’espai tenir un nombre de dimensions diferent de tres? Si fossin quatre, per exemple, la llei de Newton es modificaria i la gravetat disminuiria amb el cub de la distància en lloc del quadrat. Les òrbites en aquest cas no serien estables com va descobrir Paul Ehrenfest en el 1917.  En el cas de dos dimensions la gravetat no seria atractiva i no podrien haver-hi sistemes solars.  Les neurones no es podrien creuar. I si el temps tingués més d’una dimensió en espais de 2 o més dimensions això eliminaria la propietat matemàtica que te la física de fer prediccions, amb la qual cosa no tindria  sentit evolucionar un cervell.

3)Tenim tantes neurones en el cervell i són relativament llargues que si les poséssim una a continuació de l’altra podríem donar la volta a la Terra quasi quatre vegades.

4)Per a que tingueu una idea de la força electromagnètica que manté dos àtoms d’hidrogen formant una molècula, per a trencar l’enllaç hauríem de fer xocar dues molècules a 50 km per segon. I per a que veieu  com es compara la força forta que manté units els nuclis amb l’electromagnètica, per a trencar dos nuclis d’heli els hauríem de fer xocar a 36.000 km/s.

1