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Sevilla strikes back – Ciencia Jot Down 2015

Llegadas estas fechas como ya es tradición, una tradición de un año pero por algún sitio hay que empezar, Sevilla, Jot Down y unos cuantos amigos confabulan para traer un poco de ciencia.

A ver, os cuento como va la cosa.

Para empezar hay mil eurazos en juego.  Solo tienes que escribir una entrada inédita de divulgación o un relato con claro contenido (y formal) científico y enviarlo tal y como te cuentan aquí:

http://ciencia.jotdown.es/

en la pestaña CONCURSO.  Daos prisa por favor.

Por otro lado vamos a tener charlas y mesas redondas que seguro que son de vuestro interés. ¿Quién participa este año?  Pues echa un ojo a la programación.

http://ciencia.jotdown.es/programacion/

Para tener un control sobre los asistentes, y porque así lo exigen las normas de seguridad no se vaya a desmadrar el asunto, hay que rellenar un formulario de inscripción totalmente gratuito.   http://ciencia.jotdown.es/inscripcion/

Eso sí, hay la opción de entrar en la fila cero que por un módico precio, lo comido por lo servido, te da derecho a increíbles ventajas entre las que se encuentra una maravillosa cena al aire libre en un lugar de encanto junto a los divulgadores y ponentes del evento.  Ya decides tú :)

Y nada más, que apuntéis en la agenda este evento porque tenemos intención de que siga por muchos años.

Nos seguimos leyendo…

Esta entrada es la polla

Roman Column-04Me parece que hace unos días se celebró la iniciativa #lunesTetas y que ha tenido consecuencias indeseables, inesperadas, injustas  y estúpidas.

Valga esta entrada para demostrar que hay que no hay que prejuzgar una iniciativa por su nombre, tal vez tendríamos que mirar un poco lo que esconde para poder criticar o patalear.  Y para seguir con la tradición de #lunes…… (pon tu chorrada favorita sobre la línea de puntos)  aquí va mi contribución al #lunesPollas.  Espero que todos podamos aprender algo en estas líneas.

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Tetas, cerebros y grafos

Los siete de enero son días raros para todos los que vuelven al trabajo, o al estudio, después de dos semanas de vacaciones. Y si no lo son, al menos, ocurren cosas raras como que de unos comentarios en Twitter a una entrada en Naukas, escrita por @jralonso3, acabe saliendo una idea “loca”, desde mi punto de vista, claro, consistente en proponer a los blogueros que escriben divulgación científica en español publicar una entrada sobre tetas un día concreto (hoy), a una hora concreta (ahora).

Ese día miraba mi TL tranquilamente sentada en mi sofá cuando, desde ese relajado lugar, leí la mencionada conversación. ¿Me animo? – Pensé. No, no soy médico, ni bióloga, ni psicóloga…¿qué puede contar una física sobre tetas? Pues supongo que algo podría decir desde la perspectiva de mi género, pero ¿me encontraría cómoda haciéndolo?

A ver, tetas…según la RAE son los órganos glandulosos y salientes que los mamíferos tienen en número par y sirven en las hembras para la secreción de la leche. Pero, si os dicen “entrada sobre tetas” ¿pensáis en tetas de vaca, perro o burro? O ¿pensáis en otras tetas?

Alguno de vosotros (si tenéis la suficiente edad), puestos a pensar en tetas y encadenando ideas, habrá recordado ( y si no, pues ahí tenéis el vídeo) el famoso incidente relacionado con la teta de cierta cantante ocurrido en la gala de fin de año de rtve de 1987. ¿Cómo algo que, desde mi punto de vista, no tenía la menor importancia llegó a ser conocido por todo un país? Esta pregunta podría ser objeto de estudio en ciencias sociales, la Física no tiene la respuesta, por ahora, ;-) , pero estoy convencida de que el hecho de que implicara la imagen de una teta de mujer fue crucial en esta particular historia.

Bueno, la idea encadenada no me servía para mucho y como seguía queriendo escribir la entrada sobre tetas, intenté que me viniese la inspiración observando, o admirando, el órgano en cuestión mostrado en uno de mis cuadros favoritos, “La casta Susana”, de Gonzalo Bilbao.

La casta Susana. Gonzalo Bilbao

Pues, no. La inspiración seguía sin venir. Supongo que el tema no me motivaba lo suficiente. Quizá lo habría hecho más si se tratase de otro órgano, el cerebro, por ejemplo. Es que las mujeres no solo tenemos pechos. También tenemos cerebro, no nos olvidemos. Y, a mi parecer, es un órgano mucho más importante. Así que, de pensar en tetas pasé a pensar en el cerebro y me acordé de un artículo que había leído hacía poco cuyo título decía: “Graph Theoretical Analysis Reveals: Women’s Brains are Better Connected than Men’s” escrito por Balàzs Szalkai, Bàlint Varga y Vince Grolmusz.

El título del artículo en español sería algo así como “El análisis de la Teoría de Grafos revela que el cerebro de las mujeres está mejor conectado que el de los hombres”. ¡Anda! ¡Tal vez por eso no pensamos tanto en tetas! ;-)

Lo anterior era broma, pero la cuestión es: ¿Qué quieren decir los autores con que nuestro cerebro está mejor conectado? Vamos a intentar explicarlo a continuación.

El cerebro, simplificando mucho, podemos decir que es un sistema formado por muchas neuronas interconectadas, o lo que es lo mismo, una red de neuronas.

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Definiendo red como una representación simplificada de un sistema que lo reduce a una estructura abstracta donde se tienen en cuenta solo las conexiones entre puntos de la red, y poco más, vemos que el cerebro podría encajar en la definición de red.

grafo

Y una red, en lenguaje matemático, es un grafo. Y, como hemos dicho, es una colección de puntos unidos por líneas. Los puntos también pueden llamarse nodos o vértices y las líneas, aristas. En los grafos puede ocurrir que entre dos nodos no haya ninguna arista, o que hay una, o varias, y también podrían darse casos de aristas que salen desde un nodo y vuelven a ese mismo nodo, en lugar de terminar en otro. Y partiendo desde ahí, hay ramas de las matemáticas que estudian los grafos y tienen desarrolladas teorías sobre este interesante y útil campo.

Existen muchos sistemas tanto en física, como en biología o en ciencias sociales, que pueden ser descritos como redes o grafos, ya que pueden considerarse sistemas con componentes individuales unidas o enlazadas de un cierto modo. El ejemplo más conocido es internet que sería, según una definición un poco burda, una colección de computadoras unidas por conexiones de datos.

Cuando las redes tienen muchos nodos y aristas su estudio se complica. Sin embargo, en los últimos años y gracias al avance en informática se ha progresado mucho en el estudio de grandes redes.

Existe un proyecto llamado The Humann Connectome Proyect (HCP) financiado por institutos de salud estadounidenses que arrancó en 2009 cuyo objetivo es crear un mapa de la estructura completa del cerebro para poder investigar tanto la anatomía como el funcionamiento del cerebro sano así como acumular datos para investigar en enfermedades del cerebro. Se han hecho pruebas para obtener datos a los cerebros de miles de personas. Aquí tenéis el enlace a la página del HCP.

Los autores del artículo que os he comentado antes han utilizados datos tomados de este proyecto y usando la teoría de grafos han obtenido resultados interesantes. Por cierto, la palabra connectome se refiere al grafo del cerebro. Y al utilizar grafos para describir el cerebro se consiguen descubrimientos sobre su funcionalidad y su estructura.

El título del artículo, recordemos, decía que el cerebro de las mujeres está mejor conectado que el de los hombres. Esta conclusión la sacan nuestros autores tras analizar los datos que obtienen. Como hemos dicho, tomaron los datos del HPC, y tras un cuidadoso análisis estadístico, encontraron que había diferencias en los valores de los parámetros que calcularon según se tratara de grafos de cerebros masculinos o femeninos. Parece que esperaban obtener los mismos resultados en ambos casos, pero encontraron que no. Por ejemplo, en los cálculos realizados obtuvieron que el grafo del cerebro de la mujer tenía más aristas que el del hombre. También encontraron valores mayores en otros parámetros ( fueron nueve los que calcularon).

Resulta que el cerebro promedio de una mujer pesa menos que el de un hombre. Este hecho, unido a los mayores valores obtenidos en los parámetros para el cerebro promedio femenino les hace deducir el título del artículo.

Entonces, ¿tenemos un cerebro mejor conectado? De momento, parece que sí. Pero los científicos seguirán trabajando y se seguirá adelantando en este campo y, bueno, ya nos contarán.

Por cierto, yo tenía que escribir sobre tetas.¿Cómo era aquello? Una imagen vale más que mil palabras, ¿no? Pues ahí van unas tetas:

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¡Hasta pronto!

Aquí podéis leer el artículo “Graph Theoretical Analysis Reveals: Women’s Brains are Better Connected than Men’s”.

Plátanos y radiactividad

platano¿Qué tienen que ver los plátanos y la radiactividad? Bueno, un plátano es una fruta que se cultiva en Canarias además de en otros muchos lugares del mundo y la radiactividad es un fenómeno que consiste en la transformación espontánea de un núcleo (sobre núcleos ya hablamos en la entrada “El núcleo y sus modelos”) que conduce a un cambio en su composición o en su energía interna mediante la emisión de partículas o radiación electromagnética. Hasta aquí no parece que tengan mucho que ver. Pero, entonces, ¿por qué empezamos esta entrada con la fotografía de un plátano? Pues porque los plátanos son radiactivos.

Sí, el plátano que te has comido a media mañana o para acabar el almuerzo emite radiación. Antes y después de entrar en tu estómago. De hecho, se han inventado conceptos como “dosis equivalente a un plátano” que, en casos de fugas radiactivas, son utilizados para explicar el nivel de radiación a la población. Pero no hay que preocuparse. En nuestro planeta existen de manera natural los emisores radiactivos, nosotros también emitimos radiación e incluso el agua o la cerveza que nos bebemos. Y, ahora que vemos radiación por “everywhere”, intentemos explicar con un poco más de detalle los tipos más frecuentes de desintegraciones nucleares, las conocidas desintegraciones α, β y γ, así como la fisión y la emisión de nucleones.

Desintegración Alfa

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Como vemos en la imagen, la desintegración alfa consiste en la emisión de núcleos de Helio (las llamadas partículas α) por núcleos pesados. Hemos puesto el ejemplo del Uranio que emite una partícula alfa, disminuyendo su número de nucleones en cuatro (dos protones y dos neutrones) y transmutando en Torio.

En los núcleos la repulsión electrostática va aumentando a medida que el número de protones se va haciendo mayor. En los átomos con Z>82 la repulsión coulombiana empieza a ser capaz de romper la estabilidad nuclear. Y entonces, para determinados núcleos, ocurre la desintegración alfa. El motivo de que la partícula emitida sea un núcleo de helio en vez de cualquier otra partícula tiene que ver con la enorme energía de enlace que poseen dichas partículas.

Este tipo de desintegración es una prueba del conocido “efecto túnel”. Hablemos un poco de qué es esto. En principio, tenemos nuestra partícula en un pozo de potencial, debido al núcleo, como el siguiente:

particulas clasicas dentro y fuera de la barrera

La partícula tiene una energía positiva pero no suficiente para traspasar la barrera de potencial desde el punto de vista clásico. Debería, por tanto, quedarse confinada en el núcleo. Sin embargo, se observa experimentalmente que escapa. Lo que ocurre es que este fenómeno no puede estudiarse clásicamente. La física cuántica nos dice que la partícula α sí puede abandonar el núcleo porque su función de onda tiene una expresión tal que la probabilidad de encontrar a la partícula fuera del pozo no es cero. Por tanto, lo que tenemos en el caso de la desintegración α es una prueba del llamado “efecto túnel”.

Desintegración Beta

beta

La desintegración beta comprende tres procesos nucleares. En uno de ellos se emiten electrones, en otro positrones y en el tercero se produce la captura de un electrón por parte de núcleos alejados de la línea de estabilidad. En un momento explicaremos qué es esta línea.

En la figura anterior aparecen los casos del Carbono 14 y del Nitrógeno 13 como ejemplos de desintegraciones \beta^+ y \beta^- respectivamente .

La línea de la estabiliddad es algo que aparece cuando representamos gráficamente en tres dimensiones, para núcleos, el número neutrónico frente al número atómico y, en el tercer eje, la masa. En dos dimensiones, al representar N frente a Z tenemos lo siguiente:

belt of stability

Observamos que los núcleos estables se encuentran en la zona en la que Z≅N para A<40. A partir de A∼40 el cociente N/Z va aumentando poco a poco, hasta alcanzar valores de N/Z∼1,56.

El proceso de desintegración beta es una interacción débil en el que uno de los nucleones que se encuentra en exceso (neutrón o protón) se transforma en el otro, emitiendo un electrón, o un positrón de forma que se conserve la carga eléctrica. En el caso de la captura electrónica un protón del núcleo captura un electrón dejando un hueco en la estructura electrónica. Este hueco es llenado inmediatamente por otro electrón y habrá emisión de radiación electromagnética (rayos X) procedente de la corteza atómica.

En todos los casos aparece un neutrino, o su antipartícula, para cumplir con la conservación de la energía y el momento angular total. De hecho, la existencia de esta partícula se postuló en los años 30 para hacer cumplir con el principio de consevación de la energía, porque sin ella, no era posible. Lo que ocurría era que el espectro energético de los electrones emitidos en la desintegración era contínuo, con energías que iban desde cero hasta un cierto valor máximo. Pero sin neutrinos, para cumplir con la conservación de la energía tendría que ocurrir que el electrón fuese emitido siempre con la misma energía. Ya que eso no pasaba, había que buscar soluciones. Se llegó a proponer que la energía no tenía que conservarse, pero posteriormente, Pauli propuso que en la desintegración era emitida además, una partícula neutra (recordemos que la carga sí se conservaba) aunque dicha partícula no se hubiese detectado aún. No fue hasta los años 50 cuando por fin, se produjo su descubrimiento.

En la entrada Neutrino history, what’s NEXT? – ¿Neutrinos? están explicados con más detalles estos conceptos.

En la mayoría de los casos, el núcleo que tenemos tras la desintegración queda en un estado excitado, que no es el estado en que quizás algunos estáis pensando, sino un estado energético que no es el más bajo posible. En esos casos lo que ocurre es que, a continuación, tiene lugar una desintegración gamma que deja al núcleo en un estado de menor energía. Si este estado es el de menor energía posible hablaríamos entonces de estado fundamental.

Si no hay desintegración gamma posterior, al núcleo se le llama emisor beta puro.

Desintegración Gamma

gamma

Los núcleos pueden presentar distintos estados cuánticos con valores de energía discretos. Cuando el núcleo se encuentra en un nivel de energía excitado, como acabamos de contar, puede pasar a un nivel de menor energía emitiendo fotones de una cierta frecuencia. A esta radiación se la llama radiación gamma. Es decir, el núcleo no cambia su composición sino que los nucleones que lo forman experimentan una transición entre dos niveles energéticos, algo parecido a las desexcitaciones de electrones en átomos.

Y, ¿por qué estaría un núcleo en un estado excitado? Pues, por ejemplo, porque sea un núcleo resultante de una desintegración alfa o beta o de una reacción nuclear.

La radiación gamma es, por tanto, una radiación de naturaleza electromagnética de alta frecuencia, alta energía y muy penetrante, bastante más que las radiaciones alfa y beta, como vemos en la siguiente imagen:

penetracion

Los fotones de las desintegraciones nucleares tienen energías del orden de 10^6 veces la de los fotones del espectro visible emitidos por átomos excitados. Es, por tanto, una radiación ionizante.

Los núcleos también pueden desexcitarse por otros procesos, aunque son menos probables. Uno de ellos es la conversión interna. En este caso el exceso de energía se cede a un electrón de la corteza atómica, que sale “disparado” del átomo.

Como mencionamos al principio, existen más tipos de desintegraciones nucleares. Una de ellas es la fisión espontánea. Este tipo de desintegración tiene lugar en núcleos con número másico elevado debido a las fuerzas de repulsión eléctricas, suele ocurrir en elementos con número atómico superior al del Uranio (transuránidos) y es uno de los motivos por los que no pueden existir núcleos estables con un número másico muy grande.

Esta entrada está llegando a su fin y aún no hemos visto ninguna ecuación. Vamos a poner remedio a esto, inmediatamente, con la fórmula matemática para la desintegración radiactiva.

Supongamos que tenemos N átomos de una sustancia radiactiva y queremos saber cómo varía, con el tiempo, su número. Pues resulta que el número de núcleos que se desintegran por unidad de tiempo es proporcional al número de núcleos que tenemos. Luego podemos escribir la siguiente ecuación:

desintegracionradiactiva

donde λ es la constante de desintegración que es una característica de cada isótopo y no depende de condiciones externas. Resolviendo obtenemos la expresión que aparece en la parte inferior de la imagen, la llamada ley de desintegración radiactiva. Como vemos, el comportamiento es exponencial.

Se definen también magnitudes como el periodo de semidesintegración (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido a la mitad) o la vida media (tiempo en el que el número de núcleos se ha reducido en un factor e o valor medio del tiempo que tarda un conjunto de núcleos en desintegrarse).

Vamos a dejarlo aquí, por ahora, pero la historia continuará.

¡Hasta pronto!

 

 

 

 

 

 

 

 

Evolución al extremo

A la tercera va la vencida. Con esta entrada terminaremos la serie sobre robótica evolutiva. Las dos entradas anteriores se centraron en cómo un robot puede aprender comportamientos que nosotros deseamos, combinando aprendizaje por refuerzo con redes neuronales y algoritmos genéticos. Ahora, veremos que algunos investigadores han aplicado las ideas evolutivas hasta sus últimas consecuencias.

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Diseño de robots por evolución

Ya hemos comentado que la robótica evolutiva, al margen de las técnicas utilizadas, trae un cambio de paradigma a la robótica: ¿para qué programar a mano un robot, si él mismo puede aprender? Pues bien, en vez de quedarse en la mera idea de programar comportamientos, hay quien se ha preguntado por qué deberíamos seguir diseñando robots. Es decir, por qué tenemos que pensar nosotros si un robot dado necesita un par de brazos, unas ruedas y una configuración concreta para llevar a cabo una tarea.

Si miramos a la naturaleza, la evolución ha esculpido todas las formas de vida, no solo sus comportamientos, sino también su morfología. La variedad de seres vivos es impresionante, siendo cada uno de ellos una solución para sobrevivir y reproducirse en sus entornos. Y la verdad es que las soluciones generadas por evolución funcionan muy muy bien.

Algunos investigadores han intentado reproducir esos resultados que vemos en la naturaleza. Claro, hacer eso con robots reales es algo muy complicado hoy en día. Pero por suerte, podemos construir simuladores en los que las condiciones son las que nosotros queremos. Podemos definir unas piezas básicas, unas articulaciones para juntar esas piezas e inducir movimentos, podemos definir la gravedad, la fricción y otros aspectos que hagan que los robots simulados se asemejen a la realidad.

Esta corriente de hacer evolucionar robots virtuales en simuladores nos ha traído ya resultados bastante curiosos. Mirad bien el siguiente video. Veréis cómo van evolucionando unas criaturas extrañas con el objetivo de desplazarse de forma más rápida por su entorno simulado. Algo muy interesante del video es que comparan las morfologías de distintas generaciones, enseñando claramente cómo se da una evolución en la forma de la criatura artificial consiguiendo una mayor eficiencia. El “bicho”, además, es puesto a prueba en terrenos desiguales. Os dejo con el video:

A continuación os pongo otro ejemplo de hacer evolucionar criaturas virtuales. En este caso, se pueden ver criaturas para entornos acuosos y terrestres. Criaturas cuyo objetivo es perseguir una señal luminosa que un usuario puede ir moviendo por el entorno virtual. Pero lo que a mí más me gusta es la competición que se montan entre distintas criaturas evolucionadas para poder ver quien de ellas puede hacerse con una pieza cuadrada (a partir del minuto 2:10). Vamos, como si esto fuera Pokemon. Y la criatura que más me gusta es ésa que olvidándose de la pieza ¡se centra en atacar directamente al oponente! Lo podéis ver en el minuto 3:20 más o menos:

En el caso de las competiciones, no solo evoluciona la morfología de las criaturas, sino también las estrategias que usan para ganar. A esta clase de evolución por competición, se le llama co-evolución.

Esto no es solo un juego

Puede quedar la impresión de que lo que hemos mostrado hasta ahora es solo un juego para unos cuantos investigadores ociosos. No es así. Es investigación básica sobre una rama de la robótica que además de generar resultados interesantes, genera un conocimiento sobre algoritmos evolutivos muy importante. En un curso de robótica evolutiva al que asistí, el ponente nos explicó que ya habían usado estas técnicas de diseño para un robot que tenía que limpiar cascos de barcos. Los hacían evolucionar en entornos simulados y cuando llegaban a una solución buena, construían el modelo real y lo mejoraban probándolo en situaciones reales. Lamentablemente, no he podido encontrar información sobre ese proyecto.

Como un ejemplo de cómo estas criaturas virtuales evolucionadas pueden trarse al mundo real, tenemos el proyecto Golem. En él intentan crear máquinas que se puedan mover de forma eficiente en la realidad. Para ello, definen unas piezas básicas en el simulador, con unas articulaciones específicas. Esas piezas, tienen pequeñas redes neuronales integradas que son las que implementan la estrategia de control de las articulaciones. Haciendo evolucionar esas redes neuronales y la configuración de distintas piezas, llegan a crear robots reales que se mueven en entornos reales. El salto entre la criatura virtual y el robot real se realiza gracias a impresoras 3D. Pero mejor lo veáis vosotros mismos:

Todavía queda un enorme trabajo para aplicar de forma generalizada estas estrategias de diseño robótico. Éste es un área de la robótica al que no se le dedican tantos esfuerzos como a otros, pero poco a poco se van conseguiendo resultados asombrosos. La idea en sí a mí me parece espectacular. Espero que a vosotros también os haya gustado.

Nos seguimos leyendo…