La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

Archive for 30 abril 2008

Modelos antrópicos de evolución y aparición de vida compleja

Posted by Carlos en abril 30, 2008

Siempre que se considera la posibilidad de existencia de vida fuera de la Tierra y se intenta cuantificarla, es inevitable tener en cuenta el sesgo observacional que nuestra propia existencia como observadores introduce. Dada la diversidad y abundancia de formas de vida que nos encontramos en la Tierra, y dada la enorme escala del Universo, la idea de que no haya vida (simple, compleja o incluso inteligente) en ningún otro lugar suele repeler nuestra intuición. Con independencia de que nuestra intuición esté o no en lo cierto, es indudable que el hecho de que estemos aquí es la consecuencia de toda una serie de circunstancias de índole cosmológica, astronómica, geológica, y biológica. Centrándonos en este último aspecto, somos el resultado de un largo camino evolutivo a lo largo del cual han tenido lugar eventos de mayor o menor probabilidad. La hipótesis de la Tierra Rara, formulada como reacción a la aparente paradoja de Fermi, nos indica que algunos de estos eventos han de ser bastante improbables, y el análisis de las implicaciones que ello conlleva arroja consideraciones que pueden ser de gran interés.

Un estudio de este tipo ha sido realizado por Andrew J. Watson, de la Universidad de East Anglia, en un trabajo titulado

que acaba de ser publicado en Astrobiology. Este trabajo estudia la distribución de este tipo de eventos “improbables” y muestra como puede establecerse una correspondencia razonablemente sólida (en términos probabilisticos) con las principales transiciones evolutivas de las que tenemos constancia. El artículo de Watson comienza con una observación a la que no siempre se le presta la debida atención: ya hemos cubierto aproximadamente el 80% de la ventana temporal durante la cual la Tierra ha sido y será habitable (para formas de vida compleja). El mantenimiento de la biosfera depende entre otros factores de que la temperatura no supere un umbral de en torno a 50ºC, y de que la concentración de CO2 sea al menos de unas 10 ppm. Por lo que conocemos de la futura evolución de la luminosidad del Sol y de los ciclos del CO2 atmosférico, en un periodo de 1.0±0.5 Ga (1Ga=1000 millones de años) las condiciones dejarán de ser aceptables.

El hecho de que la vida inteligente haya surgido en una fase tardía del periodo de habitabilidad de la Tierra sugiere que no es un fenómeno sumamente probable a priori (o de manera más precisa, el hecho de que no haya surgido en una fase temprana no apoya que el surgimiento de vida inteligente sea un fenómeno muy probable). Watson elabora en este sentido un modelo de Brandon Carter en el que se asume la existencia de un número n de pasos críticos, cada uno con una probabilidad por unidad de tiempo λi. La criticidad de estos pasos se traduce en el hecho de han de darse de manera consecutiva, y de que si th es el tiempo de habitabilidad de la Tierra, entonces λith<<1. En estas circunstancias, puede demostrarse que la probabilidad de que se hayan producido los n pasos tras un tiempo t es

P_{n/n}(t) \approx L \prod_{i=1}^n \lambda_it^{n-1}

Si se ajusta la constante K  al hecho conocido a posteriori de que existimos sobre la Tierra, obtenemos

P_{n/n}(t) = nt^{n-1}t_h^{-n}

Calculando la esperanza matemática del momento t en el que se realizan los n pasos críticos se obtiene

E[t_{n/n}] = \frac{n}{n+1}t_h

Suponiendo que la Tierra empezó a ser habitable hace unos 4 Ga y que lo seguirá siendo 1 Ga más, lo anterior sugiere que ha habido 4 pasos críticos en nuestro caso, aunque esto depende mucho de la estimación futura (si la Tierra sólo fuera habitable 0.5 Ga más, n podría ser 8). En cualquier caso, el resultado más interesante puede ser que el tiempo esperado hasta que se dé el paso m-ésimo es

E[t_{m/n}] = \frac{m}{n+1}t_h

esto es, los eventos críticos suceden en promedio a intervalos regulares dentro de la ventana de habitabilidad (siempre con la condición a posteriori de que se satisfagan todos dentro de la misma). Bajo esta premisa, puede evaluarse la criticidad de eventos evolutivos históricos sobre la base de cuál es la probabilidad de que se dieran en el momento en el que lo hicieron (ya que se tiene una estimación de la distribución de probabilidad de los eventos críticos para un número cualquiera de los mismos). Así, un modelo basado en 7 pasos críticos indica que la aparición de código genético o de reproducción sexual habrían ocurrido de manera excepcionalmente temprana para lo que cabría esperar. Sin embargo, un modelo de 5 pasos críticos encaja bastante bien. Dichos pasos críticos serían:

  1. Aparición del código genético (establecimiento del flujo de información clásico determinado por el dogma central de la biología), ocurrido hace unos 3.5 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 41%.
  2. Aparición de los eucariotas, ocurrido hace 2.5-1.5 Ga, lo que arroja una probabilidad del 66%.
  3. Reproducción sexual, ocurrida también hace 2.5-1.5 Ga, lo que indica una probabilidad del 32%.
  4. Diferenciación celular, ocurrida hace 1.0-0.6 Ga, lo que arroja una probabilidad del 41%.
  5. Transición de primates a humanos modernos hace 0.001 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 33%.

Este análisis -además de apoyar la hipótesis de la tierra Rara- proporciona algunas indicaciones sobre lo que cabe esperar de la vida fuera de la Tierra. En primer lugar, la abiogénesis parece un evento probable, con un tiempo esperado de ocurrencia de 0.1 Ga. Sin embargo, el desarrollo de vida compleja es mucho más improbable. Por lo tanto, podría esperarse que el Universo estuviera lleno de formas simples de vida, similares a los procariotas, pero sólo podría esperarse la existencia de formas complejas de vida en los raros casos en los que la secuencia de pasos necesarios se hayan dado. Si además llegan a ser inteligentes, posiblemente llegarán también a esta misma conclusión.

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Música para el domingo – I don’t wanna dance (Eddy Grant)

Posted by Carlos en abril 27, 2008

El domingo es día de asueto y nada mejor que un poco de música para amenizarlo. Por ejemplo este clásico de Eddie Grant titulado “I don’t wanna dance“. Incluido en su sexto álbum en solitario -Killer on the Rampage- este tema fue su primer gran éxito después de dejar The Equals en 1971 por motivos de salud (de aquellos tiempos merece realmente la pena recordar a un jovencísimo Eddy Grant a la guitarra interpretando “Baby Come Back“). Este “I don’t wanna dance” fue lanzado como single en 1981 y casi 28 años después sigue siendo una gozada oírlo y ver las paradisiacas playas de Barbados en el vídeo. ¡Que lo disfruten!

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Dione a la luz del Sol

Posted by Carlos en abril 26, 2008

Dione es una de las grandes lunas de Saturno -la cuarta mayor después de Titán, Rea y Jápeto- descubiertas a finales del s. XVII. Básicamente es una gran bola de hielo y silicatos a partes más o menos iguales (si bien estos últimos son más densos y forman el núcleo del satélite). En esto es similar a Rea, lo que es una gran coincidencia si tenemos en cuenta que la figura mitológica de Dione es a veces asociada a la de Rea (por ejemplo en la Iliada). Su superficie helada exhibe una gran cantidad de características orográficas como se aprecia en la siguiente imagen tomada por la Cassini.

North Polar View of Dione
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute

La imagen corresponde a una perspectiva del Polo Norte de Dione tomada a unos 650.000 km de distancia y la escala es de 3 km por píxel. Puede apreciarse en el hemisferio iluminado la abundante presencia de cráteres y unos espectaculares acantilados de hielo. Con todo y con eso, quizás sea más espectacular una versión de larga exposición de la imagen anterior en la que el constraste entre el hemisferio iluminado y el oscuro es brutal.

Dione Polar View - Long Exposure
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute

A pesar de que la imagen pueda sugerir que el hemisferio iluminado refulge casi incandescente, la temperatura superficial media ronda los -186ºC. En el vídeo inferior pueden verse más detalles superficiales de Dione, captados durante una de las aproximaciones de la Cassini.

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Nanobacterias, nanopartículas y proto-vida

Posted by Carlos en abril 23, 2008

ALH84001 nanostructuresCuando en 1996 se hicieron públicos los estudios preliminares de las nanoestructuras encontradas en el meteorito marciano ALH84001 hubo un gran revuelo, controversia y expectación. Se sugería que estas nanoestructuras -con un tamaño de 20-100 nm- podrían ser restos fosilizados de formas de vida bacteriana o similar, lo que supondría la confirmación de la existencia de vida fuera de la Tierra. Entre los primeros argumentos contrarios a tal interpretación de estas estructuras estaba su pequeño tamaño, inferior a la de las más pequeñas bacterias terrestres conocidas (los micoplasmas, de unos 150-250 nm de tamaño). Actualmente sigue sin estar claro si dichas estructuras tienen origen biológico, o incluso si de tenerlo hay que buscarlo fuera de la Tierra o puede ser una contaminación posterior a la llegada del meteorito. En cualquier caso, es interesante retomar la cuestión del tamaño, precisamente en relación con otra hipotética familia de microorganismos (o mejor dicho, nanoorganismos) que está dando que hablar en los últimos tiempos: las nanobacterias.

Las primeras referencias específicas hacia las nanobacterias en un entorno biológico datan de 1998 (previamente -en 1981- había habido especulación a partir de hallazgos en rocas, similares a los mencionados en el caso del meteorito marciano). En un artículo publicado en PNAS, dos investigadores de la Universidad de Kuopio en Finlandia sugerían que este tipo de organismos -autorreplicantes y con ADN- eran los responsables de la deposición de fosfato de calcio en los cálculos renales. Este planteamiento fue muy controvertido, ya que se estaba hablando de tamaños inferiores a los de la mayoría de virus, que no pueden replicarse de manera autónoma. De hecho, se ha sugerido que unos 140 nm es el límite inferior para el tamaño de una célula: con menos de eso no hay espacio para el ADN y las proteínas necesarias para que ésta funcione. La interpretación alternativa era la de nanopartículas contaminadas con ADN de bacterias circundantes y que de alguna forma eran capaces de replicarse y producir apatita, extremo este último que no resultaba tampoco muy satisfactorio como planteamiento.

La controversia puede estar sin embargo cerca de su fin si se confirman los hallazgos de Jan Martel y John Ding-E Young en un reciente trabajo titulado

y que ha sido publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences. En este trabajo los autores han sido capaces de sintetizar nanopartículas cuya apariencia y comportamiento son idénticos a las supuestas nanobacterias identificadas en el suero sanguíneo. Estas nanopartículas se forman a partir de una reacción química entre calcio y CO2, sustancias que se encuentran de manera natural en la sangre, y asombrosamente son capaces de “reproducirse”, esto es, de producir nuevos cristales calizos. El fenómeno distintivo que hace que estos cristales no sean de gran tamaño es la presencia de moléculas orgánicas que envuelven a estas nanopartículas, impidiendo su crecimiento normal y forzándolas a adoptar la forma esférica o alargada típica de bacterias. No se ha localizado traza alguna de ADN, y las supuestas bacterias continuaron comportándose de la misma forma tras ser literalmente cocidas con una dosis de 30 kGy de rayos gamma (el doble de lo que tolera Deinococcus radiodurans, la bacteria más resistente a la radiación).

Aunque esto puede suponer el fin de la especulación acerca de si estas partículas eran realmente seres vivos o no, no deja de ser interesante especular con el papel que han podido jugar en el origen de la vida. Ya en 1985 el químico y biólogo molecular Graham Cairns-Smith propuso la teoría de que la vida tal como la conocemos surgió a partir de un proto-ecosistema basado en cristales de arcilla que por medios puramente químicos se “reproducían” y estaban sujetos a una suerte de selección natural. Las moléculas orgánicas eran inicialmente una “adaptación evolutiva” de estos cristales que encontraban en ellas una ventaja con vistas a su propagación. Eventualmente el proceso se cortocircuitó, y las moléculas orgánicas alcanzaron la capacidad de autorreplicación de manera independiente de los cristales arcillosos. ¿Pudiera ser que un proceso análogo hubiera podido producirse de alguna forma a través de cristales de carbonato cálcico? Quién sabe. La cuestión es en cualquier caso apasionante, y engarza con algunas discusiones que tuvimos hace tiempo sobre formas de vida fundamentalmente diferentes a la bioquímica terrestre. Merecerá la pena retomar este hilo próximamente.

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Música para el domingo – Perfect (Fairground Attraction)

Posted by Carlos en abril 20, 2008

El domingo es día de asueto y nada mejor que un poco de música para amenizarlo. Por ejemplo, esta inolvidable canción de Fairground Attraction titulada “Perfect“. Fairground Attraction odría calificarse en cierto sentido como una banda de un sólo éxito, aunque para ser justos el álbum que siguió al lanzamiento en 1988 de “Perfect” como single tuvo un éxito razonable también. Sin embargo, la efímera vida del grupo (se separaron a primeros de 1990) hizo que no tuvieran ocasión de refrendar el éxito de su primer tema. Años más tarde, Mark Nevin (guitarra y autor de la mayor parte de las canciones de Fairground Attraction) y Eddi Reader (la cantante) volverían a colaborar en el trabajo como cantante en solitario de ésta última con cierto éxito. En cualquier caso, este “Perfect” sigue siendo la mejor de sus contribuciones musicales. ¡Que la disfruten!

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Estrategias de inmortalidad en el mundo natural

Posted by Carlos en abril 18, 2008

A través de Microsiervos he llegado a un apunte en Novedades Científicas en el que se hace eco del descubrimiento de evidencia del que podría ser el ser vivo más longevo conocido, una conífera noruega cuyo sistema de raíces tiene restos en estratos correspondientes a 9.550 años de antigüedad (lo que en principio sería una cota inferior de la edad de este organismo en particular). Este apunte me hizo recordar a otro organismo también de record y que podría competir (y de hecho apabullar a esta conífera) en términos de longevidad. Se trata de Pando, un bosque de álamos temblones radicado (nunca mejor dicho) en Utah, EE.UU. También conocido como El Gigante Tembloroso, Pando es una colonia clónica de árboles que comparten el sistema de raíces. Todos los miembros de la colonia tienen el mismo perfil genético, lo que unido a la compartición de las raíces justifica pensar en la colonia como un único organismo, del que cada miembro clónico sería sólo una extremidad.

Pando quaking aspen clonal colony

Este organismo es realmente formidable, con una extensión de 43 Ha, un peso de 6.000 toneladas, y una edad estimada en 80.000 años. Para tener una idea de lo que esto significa, el hombre llegó a América procedente de Asia hace unos 10.000-20.000 años, más o menos el momento en el que se produjo la última (hasta ahora) floración de Pando: los cambios climáticos han hecho del ambiente actual un entorno muy diferente del aquél en el que Pando surgió. Hay incluso cierta controversia en cuanto a la estimación exacta de la edad del organismo, y hay quien aventura que podría ser de un millón (!) de años. De hecho, se especula con que otros organismos similares menos estudiados también en Utah podrían tener más edad que Pando. Incluso sin ir tan lejos, hay un formidable ejemplo de colonia clónica en Ibiza: se trata de un ejemplar de Posidonia oceánica, una planta marina, de 8 km de largo y unos 100.000 años de antigüedad (esto es, más que la estimación actual de la edad de Pando).

Si lo anterior es realmente asombroso, hay otro organismo (animal para más señas) que realmente riza el rizo y puede considerarse en cierta medida inmortal. Se trata de la Turritopsis nutricola, una hidromedusa que tiene la fantástica capacidad de revertir su estado adulto y convertirse de nuevo en pólipo. Este proceso puede repetirse indefinidamente, lo que a efectos prácticos supone que un ejemplar nunca muere como tal. Este comportamiento fue descrito por Stefano Pireano y colaboradores en un trabajo titulado

publicado en 1996 en The Biological Bulletin. El proceso por el cual se produce una nueva diferenciación de células ya diferenciadas se denomina transdiferenciación, y es mediante el que algunas especies animales consiguen regenerar algunos de sus órganos. Sin embargo, la completa vuelta a la infancia de esta medusa es realmente excepcional. Hay un análisis más detallado del ciclo vital de esta especie en otro trabajo -también de Pireano y colaboradores- titulado

publicado en Tissue and Cell. Desde el punto de vista externo, el proceso es bastante curioso, ya que la medusa evierte su umbrela y reabsorbe los tentáculos, fijándose a una roca por lo que anteriormente constituía su parte interna. Hay una figura ilustrativa de todo el proceso aquí.

turritopsis nutricula

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Música para el domingo – I Love L.A. (Randy Newman)

Posted by Carlos en abril 13, 2008

El domingo es día de asueto y nada mejor que un poco de música para amenizarlo. Por ejemplo, este gran éxito de Randy Newman titulado “I Love L.A.“. Randy Newman es más conocido en general por su actividad como compositor de bandas sonoras para el cine, de las que ha realizado más de un par de decenas, a pesar de lo cual ha seguido publicando más de diez álbumes en los último cuarenta años. En 1983 consiguió un gran éxito con esta canción incluida en su octavo álbum “Trouble in Paradise“. Se trata de un tema que elogia la ciudad natal de Newman, a la vez que critica sus servidumbres, y que ha sido versionada en multitud de ocasiones, a la vez que adoptada como himno deportivo por los equipos angelinos. El vídeo de la canción comienza curiosamente en Nueva York, ciudad que junto con Chicago recibe un buen varapalo por parte de Newman en esta canción. De allí pasamos a la soleada ciudad de Los Ángeles, y se hace un recorrido por su costa y las calles principales (que como en el caso de Nueva York pasan de pertenecer a las zonas más exclusivas en un extremo de la calle a los barrios más pobres en el otro). ¡Que la disfruten!

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La Odyssey descubre antiguos depósitos de sal en Marte

Posted by Carlos en abril 11, 2008

El pasado húmedo de marte continúa siendo objeto de controversia a medida que los diferentes datos obtenidos dan pie a interpretaciones en uno u otro sentido. En este caso, cabría decir que los datos arrojan una de cal, o más precisamente una de sal, en relación a la existencia de abundante agua líquida superficial en Marte en algún momento remotamente antiguo. Concretamente, imágenes tomadas por la Mars Odyssey han permitido localizar unos 200 lugares en el hemisferio Sur de Marte (con área de 1-20 km²) cuyas características espectrales (analizadas gracias a la cámara THEMIS) son consistentes con sales cloradas. La imagen inferior en falso color muestra un detalle de dos de estas regiones (situadas en Terra Sirenum) en las que los depósitos salinos aparecen en tonos brillantes.

NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Arizona State University/University of Hawaii
Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Arizona State University/University of Hawaii

Estos depósitos de sal se hallan típicamente en depresiones, con canales que fluyen hacia ellas, lo que indica que podría tratarse del resultado de la evaporación de agua superficial acumulada en las mismas. El grupo de investigadores que ha realizado el estudio ha publicado sus resultados en un artículo titulado

aparecido hace un par de semanas en Science. Los depósitos pertenecen a periodos medios o tardíos de la Era Noeica, esto es, hace al menos 3600 millones de años, y están aflorando por la erosión de los materiales que los cubrían. Los depósitos están dispersos y no conectados entre sí, lo que no apoya la idea de un océano global. En cualquier caso, la sal es un buen conservante de materia orgánica, por lo que sería interesante estudiar muestras de estos depósitos en busca de la presencia de moléculas orgánicas en el primitivo Marte.

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Guía de Campo de la Programación Genética

Posted by Carlos en abril 9, 2008

La programación genética es uno de los cuatro paradigmas principales de la computación evolutiva. Básicamente consiste en el empleo de un enfoque evolutivo para la generación de programas que resuelven una cierta tarea. Tradicionalmente, estos programas se representan mediante árboles sintácticos a través de los que es posible expresar funciones complejas e incluso programas, dependiendo del conjunto de símbolos disponible (no es extraño en cualquier caso encontrar también representaciones lineales de programas, o representaciones basadas en grafos). Para construir dichos árboles es preciso especificar el conjunto de símbolos terminales que se emplearán como hojas de los árboles (variables, constantes, etc.), así como los símbolos no terminales (funciones básicas) que se emplearán en los nodos internos, y si es preciso las reglas sintácticas y semánticas de indican qué árboles son correctos.

Genetic Programming Tree

A partir de ahí, se emplean los mecanismos de selección, reproducción y reemplazo para hacer evolucionar una población de programas en pos de la solución de un cierto problema (ya sea de tipo supervisado, en el que se desea producir una cierta salida conocida ante ciertas entradas, o no supervisado, en el que típicamente se desea un cierto comportamiento de un sistema controlado por el programa, pero no se dispone explícitamente de las salidas precisas que hay que producir para ello). Lo mejor de todo es que este enfoque funciona, y es posible resolver satisfactoriamente problemas de diferente índole (clasificación, síntesis de circuitos, control de sistemas, etc.). A modo de muestra, pinchando en la imagen inferior se puede acceder a un applet de java que emplea programación genética para realizar regresión simbólica, esto es, encontrar la curva que mejor se ajusta a unos datos sin conocer no ya los parámetros de la misma (eso sería simple regresión numérica), sino la propia forma funcional de ésta (que puede ser sumamente compleja).

Symbolic Regression with Genetic Programming

Hay disponibles diferentes libros de texto o colecciones de artículos más o menos avanzados sobre el tema, y desde hace unas semanas una guía de campo introductoria. Los autores de esa guía son Riccardo Poli, William B. Langdon (ganador por cierto este año de la tercera edición del premio a la contribución sobresaliente a la computación evolutiva, ex aequo con Marc Schoenauer; Poli y Wolfgang Banzhaf lo ganaron el año pasado, y Jennifer Willies antes que ellos), y Nicholas McPhee, y durante la conferencia de hace dos semanas acudieron con una caja de ejemplares que fueron regalando a cambio de la voluntá (y que firmaron a quien quiso). Quien esté interesado en el área puede encontrar interesante que el libro está bajo una licencia CC y puede bajarse gratuitamente de aquí.

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Adios a Charlton Heston

Posted by Carlos en abril 6, 2008

Charlton HestonUno de los más grandes del cine nos ha dejado. En la noche de ayer murió Charlton Heston a los 84 años. En el recuerdo nos queda una miriada de momentos en los que disfrutamos con sus películas, desde las superproducciones tipo peplum, bíblico o histórico como “Ben-Hur“, “Los Diez Mandamientos”, “El Cid” o “55 Días en Pekín” a obras maestras de la ciencia-ficción como “El Planeta de los Simios“, “Soylent Green: Cuando el destino nos alcance” o “El Hombre Omega“. Su activismo del derecho a portar armas como presidente en la National Rifle Association le granjeó en algunos círculos una imagen cerril y distorsionada, si se obvia que también fue un activista de los derechos civiles, contra el Macartismo y contra la guerra de Vietnan. En sus últimos años fue objeto de burlas por parte de algunos famosos de Hollywood en relación a su padecimiento de alzhéimer, lo cual retrata bastante bien la catadura moral de esas personas.

A modo de recuerdo y homenaje, aquí van dos de las escenas que siempre permancecerán en nuestro recuerdo. Ambas pertenecen a “El Planeta de los Simios“, y corresponden a los dos puntos climáticos de la misma: cuando Taylor habla por primera vez (“¡quita tus apestosas zarpas de mí, maldito mono asqueroso!“); la segunda es el final de la película (“Al fin he vuelto a casa…“, estremecedor aunque se haya visto mil veces), ambas en versión original. Descanse en paz, Charlton Heston.

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