Zientzia

no lineal

Aunque el origen de la Dinámica se fundó a partir de los experimentos de Mecánica efectuados por Galileo Galilei, el cálculo infinitesimal -inventado por Isaac Newton y Gottfried Leibniz- permitió describir matemáticamente la evolución general de algunas de las más relevantes magnitudes de todas las ciencias. Las maravillosas ecuaciones diferenciales nos permiten describir, predecir e incluso controlar la dinámica de sistemas no sólo basados en las leyes de la mecánica clásica o relativista, el electromagnetismo o la mecánica cuántica, sino en todas las ciencias naturales y sociales, así como en todas las ingenierías.

El gran Henri Poincaré estableció a finales del siglo XIX las propiedades cualitativas de la teoría de ecuaciones diferenciales, con la Mecánica Celeste [1] como ejemplo de aplicación, pero más allá de esto, estableció su teoría matemática generalizada para fundar la Ciencia General de la Dinámica de Sistemas, aplicable a modelar, predecir su evolución en el tiempo y caracterizar las propiedades esenciales de cualquier efecto medible en cualquier tipo de realidad científica.

El mundo a nuestro alrededor es mayormente no lineal. Foto: Jorge Fernández Salas / UnsplashEl principio de superposición

La mayoría de los científicos naturales o sociales, muy a menudo consideramos verdadera la hipótesis de que la respuesta neta causada en un sistema por dos o más estímulos es la suma de las respuestas que habría causado cada estímulo por separado. Esto es el Principio de Superposición, que parece ser una cuestión casi de sentido común, y que muchas veces la asumimos sin demasiadas cautelas.

Una función matemática que satisface el principio de superposición se denomina función lineal. Estas funciones lineales, muy utilizadas con gran generalidad en todas las ciencias, incorporan dos propiedades matemáticas muy útiles como la aditividad y la homogeneidad, y nos permiten un análisis e interpretación muy profunda -y bastante sencilla- de leyes que establezcamos, experimentos que realicemos, generalizaciones que propongamos o conclusiones que extraigamos de una investigación.

El principio de superposición se aplica a cualquier sistema lineal, descrito mediante ecuaciones algebraicas o ecuaciones diferenciales lineales. Los estímulos sobre un sistema y las respuestas de éste pueden ser números, funciones, vectores, campos vectoriales, señales variables en el tiempo o cualquier otro objeto que cumpla ciertos axiomas muy comunes. Los Sistemas Lineales son una de las maneras más utilizadas para describir la realidad, aún estudiando situaciones complejas, como aquellas basadas en las leyes de Newton, las ecuaciones de Maxwell, la ecuación de Schrödinger o modelos en econometría, ecología, o cualquier tipo de ciencia para la que tratamos de expresar matemáticamente su funcionamiento. Una ventaja que tenemos es que, cuando escribimos un estímulo muy general en un sistema lineal como la superposición de estímulos de una forma específica y simple, a menudo la respuesta global resulta más fácil de calcular y predecir.

Modelos lineales ordinarios o extraordinarios

Muchos sistemas dinámicos, basados en algunas de las leyes más valiosas de la historia de la ciencia, se pueden expresar mediante ecuaciones diferenciales ordinarias lineales con coeficientes constantes. Los matemáticos han suministrado para este tipo de sistemas -llamados autónomos- un verdadero arsenal de medios para resolverlos analíticamente, por muy complejos éstos sean. Por ejemplo, la conocida Transformada de Laplace reduce un complejo sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias lineales en un sistema de ecuaciones algebraicas, mucho más fácil de solucionar. Ello además nos permite nos solo conocer al dedillo la evolución en el tiempo del sistema dinámico que hemos resuelto, sino también descubrir sus sorprendentes propiedades en el dominio de la frecuencia, extrayendo nuevo conocimiento que no pensábamos obtener de la mera integración de una sencilla ecuación diferencial.

Las ecuaciones diferenciales ordinarias son un caso particular de las ecuaciones en derivadas parciales, muy comunes también para describir la dinámica en todas las ciencias, y que, en contraposición con las anteriores más sencillas descripciones ordinarias, podemos denominar modelos extraordinarios. Aunque su resolución en este caso es algo más compleja, las ecuaciones diferenciales lineales, sean ordinarias o no, permitieron a los físicos expresar asuntos clave como la dinámica de los planetas, todo el electromagnetismo o la dualidad onda-corpúsculo, entre muchas otras cuestiones. Hoy día científicos e ingenieros de toda especie establecen modelos dinámicos para explicar por qué ocurre la realidad experimentada en su propio ámbito.

La realidad es no lineal

Muy pocos científicos utilizan ecuaciones diferenciales no lineales. Sentimos una cierta reacción alérgica a su empleo, quizás por la dificultad de resolver la matemática de estas ecuaciones o quizás por abandonar el principio de superposición que tanto apreciamos. En la teoría general de relatividad de Albert Einstein, las ecuaciones son no lineales, y su resolución casi siempre implican métodos matemáticos de linealización o de perturbaciones. Incluso para sistemas mucho más sencillos, descritos en simples ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales, nuestra tendencia es linealizar el sistema en torno a unas ciertas condiciones y resolver ecuaciones lineales, para tratar de extraer información -al menos parcial- de la realidad que hemos modelado.

La cuestión es que la realidad es no lineal, y nuestras ecuaciones lineales pueden modelar bastante bien las cosas, pero en ocasiones ocurren fenómenos muy imprevisibles y no intuitivos, tanto en las ciencias naturales como en las ciencias sociales o en las ingenierías. Estos fenómenos no se producen en los modelos lineales, y son por tanto exclusivos de los sistemas no lineales.

Múltiples puntos de equilibrio

Los puntos de equilibrio son las soluciones constantes en una ecuación diferencial. En sistemas lineales autónomos, el modelo tiende a un único punto de equilibrio. Uno de los ejemplos más sencillos podemos encontrarlo en la aproximada ley de enfriamiento de Newton: una simple ecuación diferencial lineal de primer orden que explica la transferencia de calor entre dos cuerpos partiendo de diferentes temperaturas. El punto de equilibrio es único y establece igualdad de temperaturas entre ambos cuerpos.

Si a esta sencilla ecuación diferencial añadimos un simple término cuadrático nos encontramos con un básico sistema no lineal, cuya resolución numérica puede observarse en la Figura 1.

Figura 1: Dos puntos de equilibrio en una simple ecuación diferencial ordinaria autónoma no lineal de primer orden: punto de equilibrio estable en 0 y punto de equilibrio inestable en 1. Ecuación =-x+x2 . Fuente: [2] Cap. 1, pp.: 5-6.

Vemos que linealizando el sistema en torno a la temperatura 0, la solución (trayectorias azules) tienden al punto de equilibrio previsto por la ley de enfriamiento de Newton, si partimos de las inmediaciones en torno a la cual hemos linealizado. Pero si resolvemos el sistema no lineal completo, descubrimos que partir de otras condiciones iniciales nos puede dar lugar a otras soluciones radicalmente diferentes causadas por un segundo punto de equilibrio en 1. Cualquier perturbación partiendo de esta segunda temperatura hace que el sistema abandone la situación y, o bien tienda al anterior equilibrio 0 (trayectoria verde), o bien la temperatura crezca sin límite (trayectoria roja).

Ciclos límite

Los sistemas no lineales pueden oscilar sin excitación externa, con amplitud y frecuencia fijas. Las oscilaciones lineales como por ejemplo las de un péndulo linealizado en torno a la vertical, puede cambiar la amplitud de sus oscilaciones (por ejemplo, empujando más o menos un columpio). Balthasar Van der Pol, hacia 1920, añadió un término no lineal a la ecuación diferencial lineal del péndulo, haciendo depender su coeficiente de amortiguamiento con su posición. Se trata entonces de una sencilla ecuación diferencial ordinaria no lineal de segundo orden.

En sistemas dinámicos de orden dos o superior, se emplea muchas veces el espacio de fases para representar los grados de libertad del sistema. En la Figura 2 se muestra la solución de la ecuación de Van der Pol con dos condiciones iniciales diferentes.

Figura 2: Ciclo límite estable en la ecuación de Van der Pol: solución representada en el plano de fase (posición-velocidad). Ecuación +(x2-1)+x=0 . Fuente [2] Cap 5, pp: 95-99.

Partiendo de posición y velocidad pequeñas (trayectoria azul inicialmente cerca de cero en la Figura 2), el sistema amplifica su oscilación sin excitación externa y tiende a cierta frecuencia y amplitud fijas (ciclo cerrado azul). Partiendo de posición y velocidad amplias (trayectoria roja) el sistema pierde energía y al final tiende a oscilar exactamente igual. En el plano fásico observamos el ciclo cerrado, llamado ciclo límite, efecto causado por la no linealidad añadida por Van der Pol. Ante cualquier perturbación creciente o decreciente que sufra la posición o velocidad de este especial péndulo no lineal, el dispositivo corregirá la situación y volverá a oscilar a la misma frecuencia y amplitud propias. Se trata de un sorprendente ciclo límite estable, exclusivo de los sistemas no lineales, y que nos lleva a un nuevo concepto de región de equilibrio estable, generalización del concepto de punto de equilibrio estable que hemos descrito arriba.

Caos

En sistemas dinámicos lineales estables, la ligera modificación de sus condiciones iniciales da lugar a ligeros cambios en su respuesta. Sin embargo, en sencillos sistemas no lineales se puede observar una extrema sensibilidad a las condiciones iniciales, propiedad exclusiva de la no linealidad, y que se denomina caos.

En la Figura 3 se muestran las soluciones de una ecuación diferencial ordinaria no lineal de segundo orden que modela un sistema mecánico con deflexiones elásticas no lineales y forzado con un coeficiente no constante ([2] p.7).

Figura 3: Evolución imprevisible de dos trayectorias en un simple sistema no lineal de segundo orden con dos condiciones iniciales casi idénticas. Ecuación +0,1+x5=6sen t. Fuente: [2] Cap. 1, pp.: 7-8.

Puede observarse que, ante condiciones iniciales casi idénticas, las dos trayectorias del sistema (azul y roja) son al principio iguales, pero en pocos instantes se produce una bifurcación radical en el comportamiento del sistema. Nuestro modelo es totalmente determinista, su ecuación puede ser exacta, pero su comportamiento es imprevisible: muy parecido a la imposible previsión del tiempo atmosférico que conocemos. Este ejemplo es aún más sencillo que el famoso modelo de dinámica atmosférica que presentó el conocido matemático y meteorólogo Edward Lorenz. En la Figura 4 se muestra una implementación física del atractor de Lorenz y su medida caótica en el laboratorio.

Figura 4: Circuito electrónico que satisface el modelo del famoso atractor de Lorenz y medida de su respuesta caótica en el plano fásico. Fuente: Dept. de Electricidad y Electrónica UPV/EHU

 

La dinámica de la naturaleza y las sociedades es inherentemente no lineal. Los sistemas lineales deben entenderse como caso particular de los más generales sistemas no lineales. Los fenómenos impredecibles, anti-intuitivos o sorprendentes los podemos modelar, explicar, predecir, experimentar y controlar en el laboratorio, así como tratar de contribuir a descubrir o solucionar los enigmas de lo que llamamos realidad.

Referencias

[1] Henri Poincaré (1892-1893-1899) Les méthodes nouvelles de la mécanique céleste TOME I, II et III (PDF). Gauthier-Villars et fils, Paris

[2] Victor Etxebarria (1999) Sistemas de control no lineal y robótica. Servicio Editorial de la UPV/EHU, ISBN 8483731924 – 9788483731925, Bilbao

Sobre el autor: Victor Etxebarria Ecenarro es Catedrático de Ingeniería de Sistemas y Automática en la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)

El artículo La realidad resulta enigmática porque es no lineal se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Iridioaren mintzoa: Meteoritoa eta dinosauroen akabantza (2021) Kepa Altonaga zoologoak idatzitako saiakera-liburua da. Idatziak 65 milioi urte atzera egiten du, azken dinosauroen desagerpena eman zen unera, 1980an desagertze honen bueltan plazaratu zen hipotesi ausart bat abiapuntu hartuta.

Irudia: Iridioaren mintzoa. Meteoritoa eta dinosauroen akabantza liburuaren azala. (Iturria: Pamiela argitaletxea)

Biologian doktorea da Kepa Altonaga, EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko irakaslea eta ibilbide honek inguruari so egiteko modu propio bat eskaini dio. Hori erakusten du Iridioaren mintzoa: Meteoritoa eta dinosauroen akabantza liburuan. Dinosauroen desagerpena ekarri zuen meteoritoa baliatu du literatura eta zientzia uztartzeko izaera anitzeko aktoreak elkartuz. Horrela, esaterako, Nikolas Alzola Bitaño idazlea, Luis Alvarez fisikaria (1968. urteko Fisikako Nobel sariduna) eta Walter Alvarez geofisikariaren figurak ehotzen ditu eszenatoki berean, dinosauroen suntsipenari buruzko film berri bati ekiteko.

Aixerrotako amilburuetatik hasita, hara eta hona eramaten gaitu denboran eta espazioan. Atzera-aurre honetan epizentroa 1980. urtea litzateke, non Luis Alvarez eta Walter Alvarez zientzialariek meteorito-inpaktuaren hipotesia argitaratu zuten. Hipotesi honen arabera meteorito batek desagerrarazi omen zituen dinosauroak orain dela 65 milioi urte, eztabaida zientifiko sutsuak sortaraziz planteamenduak.

Iridio elementu kimikoaren kontzentrazio anomalo batean oinarrituta dago hipotesia eta oso sinplea da ulertzeko. Puntu bi ditu. Lehenaren arabera, meteorito gigaerraldoi batek jo zuen Lurra. Bigarrenak dioenez, inpaktu osteko ingurune-baldintza gaiztoek eragin zuten suntsipen masiboa bat-batean. Paleontologoen iritziz ostera, dinosauroak ordurako suntsituak zeuden, milioika urteko gainbehera gradual baten ondotik.

Iridioaren mintzoa: Meteoritoa eta dinosauroen akabantza lana handik eta hemendik ibiliko da suspensea bidelagun duela, hainbat urrutiko pasarte bitxi hartuz, puzzle zirraragarri bat osatzeko.

Argitalpenaren fitxa:

• Izenburua: Iridioaren mintzoa. Meteoritoa eta dinosauroen akabantza
• Egilea: Kepa Altonaga Sustatxa
• ISBN: 978-84-91722-23-6
• Hizkuntza: Euskara
• Urtea: 2021
• Orrialdeak: 128 or.

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En una reciente entrada de la sección Matemoción del Cuaderno de Cultura Científica, titulada Los cuadrados de MacMahon, estuvimos hablando de un interesante rompecabezas geométrico, cuyo nombre es precisamente el título de la misma. En esta entrada vamos a ir un poco más allá y con los cuadrados de ese juego de ingenio construiremos cubos que nos permitirán crear un nuevo rompecabezas, conocido primero con el nombre de “el rompecabezas de Nelson”, y después como “el rompecabezas de los cuatro cubos”.

El rompecabezas de Nelson, con la firma de su creador Scott Nelson, comercializado en Japón por el inventor, coleccionista y comunicador de rompecabezas matemáticos y juegos de ingenio japonés Nob Yoshigahara (1936-2004). Imagen de la colección online de rompecabezas mecánicos de Jerry Slocum, cortesía de la Biblioteca Lilly de la Universidad de Indiana.Los cuadrados de MacMahon

En primer lugar, recordemos el rompecabezas de los cuadrados de MacMahon, y más concretamente, las piezas con las que se juega al mismo. Percy Alexander MacMahon (1854–1929), que fue un militar y matemático británico, se planteó de cuántas formas distintas, salvo rotaciones, se puede colorear el cuadrado dividido en cuatro partes iguales por sus dos diagonales utilizando tres colores distintos y observó que es posible hacerlo de 24 maneras distintas. A partir de esta información, creó el rompecabezas que lleva su nombre, cuyas piezas, que vemos en la siguiente imagen (con los colores verde, azul y amarillo), son la realización de las 24 formas de colorear el cuadrado dividido en cuatro partes iguales por sus dos diagonales utilizando tres colores distintos.

Las 24 fichas que componen el rompecabezas de “los cuadrados de MacMahon”

 

El rompecabezas consiste en construir un rectángulo de 4 filas y 6 columnas con las 24 fichas del mismo (si deseas imprimirlas te dejamos aquí el PDF con las 24 fichas), de manera que cuando dos fichas tienen un lado en común el color de las regiones triangulares que comparten ese lado, en los dos cuadrados, tienen que tener el mismo color y, además, todo el perímetro, es decir, todas las regiones triangulares que forman el perímetro del rectángulo, tiene que ser de un mismo color, ya sea este, verde, azul o amarillo (para más información sobre este juego de ingenio puede leerse la entrada Los cuadrados de MacMahon).

Con las 24 fichas se puede jugar al rompecabezas de MacMahon, pero también se pueden plantear otros juegos relacionados con el mismo. Por ejemplo, los miembros del Grupo Alquerque de Sevilla, los matemáticos Juan Antonio Hans Martín, José Muñoz Santonja y Antonio Fernández-Aliseda Redondo, plantearon diferentes retos, con diferentes niveles de dificultad, aunque más sencillos que el original (en los mismos solo se pide que se cumpla la primera condición, esto es, cuando dos fichas son adyacentes tienen el mismo color en las regiones de contacto) en su artículo «MacMahon y las matemáticas en colores», publicado en la revista SUMA. Estos problemas serían los siguientes:

A) de las 24 fichas del rompecabezas, separar las 9 que tienen los tres colores y con ellas formar un cuadrado de lado 3, es decir, con tres filas y tres columnas;

Ejemplo de cuadrado de lado 3 formado por las 9 fichas que tienen los tres colores

 

B) con las 12 fichas que tienen sólo 2 colores construir un rectángulo 3 x 4, tres filas y cuatro columnas;

C) con las 12 fichas complementarias de las anteriores, luego las que tienen 1 o 3 colores, componer también un rectángulo 3 x 4;

D) con las 15 fichas que tienen 1 o 2 colores, construir un rectángulo 3 x 5;

E) con las 15 fichas anteriores (que tienen 1 o 2 colores) y otra cualquiera de las que tienen 3 colores, formar un rectángulo de lado 4, luego con cuatro filas y cuatro columnas;

F) dividiendo primero las 24 fichas en dos grupos de 12 fichas, componer dos rectángulos 3 x 4;

G) con todas las 24 fichas construir rectángulos de tamaños 2 x 12, 3 x 8 y 4 x 6 (si a estos últimos les añadimos la condición del perímetro tenemos el rompecabezas de MacMahon, aunque en los dos tamaños anteriores esta condición nos lleva a que no existan soluciones);

H) con todas las 24 fichas construir rectángulos huecos de tamaños 3 x 11, 4 x 10, 5 x 9, 6 x 8 y 7 x 7 (todos ellos de perímetro igual a 24, que son las piezas que tenemos para construirlos).

Ejemplo de cuadrado hueco de lado 7 formado por las 24 fichas

 

Los cubos de Nelson

El matemático, programador informático y diseñador de juegos de ingenio estadounidense Harry Lewis Nelson (1932), quien diseñó un juego basado en los cuadrados de MacMahon denominado Pohaku (véanse las siguientes imágenes), planteó la cuestión de si sería posible utilizar las 24 piezas cuadradas de MacMahon como las caras de cuatro cubos (como hay 6 caras por cubo, son 24 caras en total) de manera que, si dos caras comparten una arista, el color de las regiones triangulares de contacto sean del mismo color.

Portada del juego Pohaku, inventado por el matemático estadounidense Harry L. Nelson y comercializado por Penny Norman, que consistía en 5 juegos, para jugar entre dos personas, que utilizaban los 24 cuadrados de MacMahon, denominados Domino Pohaku, Standard Pohaku, 5 x 5 Pohaku y Toroidal Pohaku. Imagen de eBay

 

Reglas de los juegos Domino Pohaku, Standard Pohaku, 5 x 5 Pohaku y Toroidal Pohaku. Imagen de eBay

 

La cuestión planteada por el matemático fue resuelta por su hijo Scott Nelson en 1970, cuando tenía tan solo 9 años y fue el nacimiento de un nuevo rompecabezas. En la siguiente imagen se muestran los cuatro cubos, cumpliendo las condiciones de Harry Nelson, al desplegar en el plano las seis caras de los mismos.

¿En qué consiste el rompecabezas de Nelson? Se trata de crear formas tridimensionales con los cuatro cubos, como una fila de cuatro cubos o los cuatro cubos juntos formando una estructura cuadrada (véase la siguiente imagen), de manera que en las caras visibles se cumpla la condición de que las caras adyacentes tengan el mismo color en las regiones de contacto.

Por ejemplo, las soluciones a las dos figuras anteriores son las siguientes.

Las formas tridimensionales que aparecían en el juego comercial, divididas por nivel de dificultad, eran las siguientes. Nivel para principiantes:

Nivel intermedio:

Nivel experto:

Como cada vez que hablamos de rompecabezas, mi consejo es que construyáis los cuatro cubos de Nelson, cuyas caras son los 24 cuadrados de MacMahon, y disfrutéis del juego.

El rompecabezas de Nelson fue comercializado como el rompecabezas de los cuatro cubos por la empresa Binary Arts, que hoy es ThinkFun. Imagen de la colección online de rompecabezas mecánicos de Jerry Slocum, cortesía de la Biblioteca Lilly de la Universidad de Indiana

Bibliografía

1.- Percy A. MacMahon, New Mathematical Pastimes, Cambridge University Press, 1921 (puede obtenerse una copia en pdf a través de la biblioteca digital Internet Archive [archive.org]).

2.- Martin Gardner, Nuevos pasatiempos matemáticos, Alianza editorial, 2018.

3.- Juan Antonio Hans Martín, José Muñoz Santonja y Antonio Fernández-Aliseda Redondo, MacMahon y las matemáticas en colores, SUMA 63, pp. 51-57, 2010.

Sobre el autor: Raúl Ibáñez es profesor del Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU y colaborador de la Cátedra de Cultura Científica

El artículo El rompecabezas de los cuatro cubos de Nelson se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Eduardo Angulo

Munduko animalia espezie inbaditzailerik handiena da, Kaliforniako San Diego de La Jolla Unibertsitateko Jonathan Shurinek eta bere lankideek idatzi duten bezala. Hiru eta bost metro artean neurtzen du burutik isatsaren muturrera, eta metro eta erdiko altuera du sorbaldetaraino. Batez besteko pisua 1.500 eta 1.800 kilo artekoa da, baina 3.000 kilora artekoa ere izan daiteke. Hipopotamo arrunta da, Hippopotamus amphibius izen zientifikoa duena. Saharaz hegoaldeko Afrikan bizi da, Hegoafrikaraino, eta espezie inbaditzailea da Kolonbian, Pablo Escobar narkotrafikatzaile ospetsuaren kapritxoengatik.

Ángel León Panal biologoak 2021ean argitaratu zuen Historia de las especies invasoras liburuaren azala eta lehen kapitulua Kolonbiako hipopotamoei eta Pablo Escobar narkoari eskainita daude. Pablo Escobarrek Medellingo kartela zuzentzen zuen 1978an. Magdalena ibaiaren haraneko erdiko bidea bisitatzen zuen, Kolonbia erdialdean. Gune hartan, oihana, ura eta mendia zituzten hainbat lursail erosi zituen, eta Nápoles etxaldea sortu zuen, Puerto Triunfo udalerrian, Antioquia departamenduan, eta hala deitu zion Napolesen jaio zen eta miresten zuen Al Caponeren omenez.

1. irudia: Hipopotamo arrunta Saharaz hegoaldeko Afrikan bizi da, Hegoafrikaraino, eta espezie inbaditzailea da Kolonbian, Pablo Escobar narkotrafikatzaile ospetsuaren kapritxoengatik. (Argazkia: Timon Cornelissen – domeinu publikoko argazkia. Iturria: Pexels.com)

Etxaldean haren automobil bilduma erakusten zuen eta hainbat kirol egiten zituen; tartean, tenisa. Baina gunerik erakargarriena zoologikoa zen. Kolonbiako inguru hartako klimara egokituko ziren espezieei buruzko informazioa bildu zuen eta, Estatu Batuetako bitartekarien bidez, besteak beste zebrak, elefanteak, errinozeroak, jirafak, hipopotamoak eta pixkanaka etxaldera iristen ziren espezie gehiago erosi zituen. Guztira mila eta berrehun animalia inguru izan ziren.

Lehenengo hipopotamoak lau izan ziren, hiru eme eta ar bat, 1981ean, eta laster seira iritsi ziren beste ale batzuk erosita (baliteke, ez dago argi, bi eta sei ale artean ziren hasierako taldekoak). Pablo Escobar 44 urterekin hil zen, 1993an, Kolonbiako poliziak tiroz josita; orduan, hipopotamoak eta beste animalia batzuk Nápoles etxaldean geratu ziren. Hipopotamo asko ziren, eta 2016an 30 ale zeuden; 2020rako, 60 eta 80 banako artean zeudela kalkulatu zen. Batez beste, 40 urte inguru bizi dira basa-egoeran, eta emeek 25 bat kume izaten dituzte. Etorkizunerako proiekzioen arabera, 2040rako, 800-1400 banako izango dira Kolonbian.

Duela aste batzuk Floridako Unibertsitateko (Gainesville) Amanda Subaluskyk eta bere kideek argitaratutako azken aurreikuspenen arabera, hipopotamoen populazioaren hazkundea % 9,6koa da urtean; hau da, 230 banako egongo dira 2032an. Mexiko Hiriko Zientzia eta Teknologiako Kontseilu Nazionaleko D.N. Castelblanco-Martínezen eta bere taldearen arabera, populazioaren hazkundearen kalkulua 800 banakora ere irits liteke 2034an. Datu horiek guztiek diotenez, Kolonbiako Gobernuak hartzen duen kontrol-estrategiaren arabera, 50-100 urtez daude hipopotamoak herrialdean.

Ondorioz, Afrikatik kanpo aurki daitekeen hipopotamo-talde basati eta bideragarri bakarra da.

Ale batzuek Náploles etxaldetik alde egin zuten eta Magdalena ibaitik iparralderantz jarraitu zuten, oraingoz eta datuak baieztatuta, finkatik 150 kilometro ingurura arte, iparralderago dauden aipamenak 400 kilometro ingurura daudela dirudien arren. Ibai bazterretako biztanleentzat kontu zaila da, hipopotamoak oldarkorrak eta arriskutsuak baitira. Afrikan, lehoiek, elefanteek, bufaloek eta errinozeroek (horiek guztiek batera) baino heriotza gehiago eragiten dituzte urtean, Ángel León Panalek idatzi duen bezala. Gainera, tuberkulosia, bruzelosia, leptospirosia, antraxa, salmonellosia eta beste gaixotasun batzuk transmiti ditzakete.

Ekosistemen ingeniariak

Hipopotamoak ekosistemen ingeniariak dira, bizilekutzat dituzten habitatak alda baititzakete. Belarjaleak dira, eta mantenugaiak garraiatzen dituzte elikatzen diren landareetatik gorozkiak askatzen dituzten ur eremuetaraino. Tona bat karbono eta bestelako konposatu, urteko eta banakoko. Bizi diren uretako ekosistemetan, eutrofizazioa eragin dezakete mantenugai gehiegi daudelako, gorozkien osagaiak metatzen direlako. Jonathan Shurinen eta bere kideen laburpenaren arabera, hipopotamoek materia organikoa eta mantenugaiak inportatzen dizkiote uretako habitatari, eta horrek eragin nabarmena du ekosistemaren metabolismoan eta komunitatearen egituran.

Bide batez, 2012tik, eta epailearen aginduz, debekatuta dago hipopotamoak ehizatzea Kolonbian. 2014an, gobernuak hipopotamoak kontserbatzea erabaki zuen, haien ugalketa kontrolatu zuen eta ale batzuk esportatu zituen beste herrialde batzuetako zoologikoetara, hala nola Ekuadorrera eta Uruguaira. Hala ere, 2021ean, Natura Kontserbatzeko Nazioarteko Batasunak esku hartzeko gutun bat bidali zion Kolonbiako Gobernuari, hipopotamoen populazioa ezabatzeko programa bat has zezan gomendatzeko. Eta, kontrako zentzuan, hipopotamoa espezie inbaditzaile deklaratu zuen legez 2022ko martxoaren 24an; orain dela urtebete eta gutxi, bada.

Kolonbiako hipopotamoen populazioaren kontrolak hainbat arazo sortu ditu. 2018an, Lasallista Unibertsitate Korporazioko Santiago Monsalve eta Durhamgo Unibertsitateko Alejandro Ramírezek metodoak berrikusi zituzten. Emeentzako antisorgailuak eta arren kastrazio kimikoa proposatu ditu. Baina haren eraginkortasunari buruzko datuak falta dira. Badirudi metodo horietako batek ere ez duela funtzionatuko aplikatzea proposatzen den moduan, D.N. Castelblanco-Martínezen eta bere taldearen arabera. Teknika horiek aplikatzeko, hipopotamoen oldarkortasuna kontrolatu behar da. Hori gutxi aztertu da eta saihesteko zaila da, haien tamainagatik eta pisuagatik. Populazioak ere gora egin du, eta zoologikoei ematea ezinezkoa da honezkero. Banakoak ehizatzearen eta desagerraraztearen harira, asko eztabaidatu da GKE-ekin eta, oro har, gizartearekin, eta, beraz, oraingoz alde batera utzi da.

Hipopotamoen kontserbazio errukiorra ez da aukera bat

Yale Unibertsitateko Amanda Subalusky eta bere lankideek 2021ean argitaratutako iruzkinek azken laburpen gisa balio dute. Hipopotamoa ekosistemen ingeniaria da, eta ondorio sakonak izan ditzake lehorreko eta uretako inguruneetan, eta Magdalena ibaiaren arroko jatorrizko biodibertsitateari eragin diezaioke. Hipopotamoak, gainera, erasokorrak dira eta mehatxu bat dira Magdalena ibaiaren eskualdeko biztanleentzat, nahiz eta, bestalde, turismoagatik onura ekonomikoak ere sor ditzaketen. Hala ere, ikerketa gehiago behar da hipopotamoen populazioaren tamaina eta banaketa kuantifikatzeko eta eragin ditzaketen ondorio ekologiko, sozial eta ekonomikoak aurreikusteko. Baina ezagutza kezka sozial eta kulturalak kontuan hartzearekin orekatu behar da, espezie inbaditzaile bat sartzeko kudeaketa estrategia egokiak garatze aldera.

Gainera, espezie inbaditzaile bat kudeatzeko moduari buruzko eztabaida honetan, Kolonbia, neurri handi batean, negazionismo zientifikoaren mende dago: eztabaida publikoetan parte hartzen duten hainbat pertsonak zientzialarien lana eta iritziak desitxuratzen dituzte eta haien etika eta arrazoiak zalantzan jartzen dituzte. Zientzian oinarritutako ekintzaren beharra eta horren gaineko konfiantza nabarmentzen dute, kezka etikoei buruzko eztabaidetan parte hartzea proposatzen dute, eta dilema faltsuak gainditu behar dituzte, askotan gutxi argudiatzen direnak. “Kontserbazio errukiorra”, espezie exotiko karismatiko bateko banakoen eskubideak eta interesak baloratzen dituena, ezin da nagusitu (1) bertako espezieen banakoen eskubide eta interesen gainetik, eta (2) bertako espezieen populazioen, ekosistemen eta zerbitzuen kontserbazioaren gainetik. Bogotako Javeriana Unibertsitateko eta Andeetako Unibertsitateko Sebastián Restrepok eta Carlos Daniel Cadenasek proposatzen duten bezala, Kolonbiako ingurumen agintariek ekintza erabakigarririk ez badute egiten askotariko neurriekin –tartean, hilketa selektiboa, animalien ongizatearen estandar humanitarioen arabera–, hipopotamoen populazioak giza komunitate kalteberei eta bertako espezieei eusten dieten ekosistemen kontura hedatzen jarraituko dute.

Erreferentzia bibliografikoak:

• Castaño, José Alejandro (2008). Dos hipopótamos tristes. Letras Libres. or. 22-25.
• Castelblanco-Martínez, D.N. et al. (2021). A hippo in the room: Predicting the persistence and dispersion of an invasive mega-vertebrate in Colombia, South America. Biological Conservation 253, 108923. DOI: 10.1016/j.biocon.2020.108923
  
• Dembitzer, Jacob (2018). The case for hippos in Colombia. Israel Journal of Ecology & Evolution, 63. DOI: 10.1163/22244662-06303002
• León Panal, Ángel (2021). Historia de las especies invasoras. Guadalmazán.
• Monsalve Buriticá, Santiago; Ramírez Guerra, Alejandro (2018). Estado actual de los hipopótamos (Hippopotamus amphibius) en Colombia: 2018. CES Medicina Veterinaria y Zootecnia 13, 338-346. DOI: 10.21615/cesmvz.13.3.4
• Restrepo, Sebastián; Cadena, Carlos Daniel (2021). Science denialism limits management of invasive hippos in Colombia. Frontiers in Ecology and the Environment 19, 323-325. DOI: 10.1002/fee.2373
  
• Shurin, Jonathan B. et al. (2020). Ecosystem effects of the world’s largest invasive animal. Ecology e02991. DOI: 10.1002/ecy.2991
  
• Subalusky, Amanda L. et al. (2019). Potential ecological and socio-economic effects of a novel megaherbivore introduction: the hippopotamus in Colombia. Oryx 55, 1-9. DOI: 10.1017/S0030605318001588
  
• Subalusky, Amanda L. et al. (2023). Rapid population growth and high management costs have created a narrow window for control of introduced hippos in Colombia. Scientific Reports 13, 6193. DOI: 10.1038/s41598-023-33028-y
  

Iturriak:

• Resolución nº 0346, de 24 marzo 2022 del El Ministro de Ambiente y Desarrollo Sostenible (Colombia), por la cual se modifica el artículo 1º de la Resolución Nº 848 de 2008, adicionando la especie Hippopotamus amphibius (Hipopótamo común) y se toman otras determinaciones.
• Wikipedia.  Hippopotamus amphibius. 2023ko maiatzak 12an.

Egileaz:

Eduardo Angulo Biologian doktorea da, UPV/EHUko Zelula Biologiako irakasle erretiratua eta zientzia-dibulgatzailea. La biología estupenda blogaren egilea da.

Jatorrizko artikulua Cuaderno de Cultura Científica blogean argitaratu zen 2023ko uztailaren 18an: Los invasores: Los hipopótamos del narco Escobar.

Itzulpena: UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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Ilustración del modelo de disco de acreción inclinado. El eje de giro del agujero negro se alinea verticalmente y la dirección del chorro es casi perpendicular al disco. La desalineación entre el eje de giro del agujero negro y el eje de rotación del disco provocará la precesión (balanceo) del disco y del chorro. Fuente: Yuzhu Cui et al. 2023 / Intouchable Lab@Openverse / Zhejiang Lab

Un equipo científico internacional, con participación del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha analizado datos de 23 años del centro de la galaxia Messier 87 (M87), que alberga un agujero negro supermasivo (6.500 millones de veces más masivo que el Sol), el primero del que se obtuvo una imagen.

Los resultados revelan que el chorro que emerge del agujero negro a altísima velocidad oscila hacia arriba y hacia abajo con una amplitud de unos 10 grados, lo que a su vez confirma que el agujero negro se halla en rotación.

Los agujeros negros absorben grandes cantidades de material debido a su fuerza de gravedad, tan potente que ni siquiera la luz escapa de ellos, e impulsan un flujo de plasma en forma de chorro que se mueve casi a la velocidad de la luz y abarca enormes distancias. La galaxia M87, por ejemplo, presenta un chorro que emerge de sus regiones centrales y se extiende mucho más allá del tamaño de la propia galaxia.

Sin embargo, el mecanismo de transferencia de energía entre los agujeros negros supermasivos, los discos de acreción y los chorros aún se desconoce. La teoría predominante sugiere que se puede extraer energía de un agujero negro en rotación, permitiendo que parte del material que rodea el agujero negro sea expulsado a gran velocidad. A pesar de ello, la rotación de los agujeros negros supermasivos, un factor crucial en este proceso y el parámetro fundamental, además de la masa del agujero negro, nunca se ha observado directamente.

Un chorro en precesión

El análisis del equipo de investigación, que incluye una comparación con una simulación teórica, indica que el eje de rotación del disco de acreción se desalinea con el eje de giro del agujero negro, lo que genera un chorro en precesión (como el balanceo de una peonza).

La detección de esta precesión constituye una evidencia inequívoca de que el agujero negro supermasivo de M87 se halla, en efecto, girando, lo que abre nuevas dimensiones en nuestra comprensión de la naturaleza de estos objetos.

La desalineación entre el agujero negro y el disco es relativamente pequeña y el período de precesión es de alrededor de once años, por lo que un análisis exhaustivo de los datos de alta resolución de la estructura de M87 acumulados durante dos décadas han sido suficientes para poder detectarla

Pero, ¿qué fuerza puede alterar la dirección de un chorro tan poderoso? La respuesta podría hallarse en el comportamiento del disco de acreción: a medida que los materiales que caen orbitan alrededor del agujero negro, forman una estructura de disco antes de girar gradualmente en espiral hasta que son absorbidos por el agujero negro. Pero si el agujero negro gira, ello ejerce un impacto significativo en el espacio-tiempo circundante, provocando que los objetos cercanos sean arrastrados a lo largo de su eje de rotación, es decir, produciendo el “arrastre de marco” (frame dragging) predicho por la Relatividad General de Einstein.

Si bien este estudio arroja luz sobre cómo funciona un agujero negro supermasivo, también abre grandes incógnitas. La estructura del disco y el valor exacto del giro del agujero negro supermasivo M87* son aún inciertos, y este trabajo predice que existen más factores que intervienen en esta configuración, lo que añade nuevos desafíos a la investigación.

Referencia:

Cui, Y., Hada, K., Kawashima, T. et al.  (2023) Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87  Nature doi: 10.1038/s41586-023-06479-6

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por IAA-CSIC

El artículo Primera observación de la rotación de un agujero negro supermasivo se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Ainara Sangroniz, Leire Sangroniz

Azken urteotan pneumatiko-hondakinek gizartearen arreta bereganatu dute, zabortegietan pilatzen baitira eta ingurumena kutsatzen baitute. Bereziki aipagarria da Seseñako legez kanpoko pneumatiko-hondakinen biltegiaren sutea, 2016an gertatua. Bertan 70-90 mila tona pneumatiko zeuden eta, sortu zen sutearen ondorioz, lekuz aldatu behar izan zen inguruko biztanleria. Mota hauetako gertakariek agerian utzi dute beharrezkoa dela pneumatiko-hondakinak modu egokian kudeatzea.

Pneumatikoen konposatpnu nagusia kautxua da. Kautxua polimero bat da; polimeroak etengabe errepikatzen diren unitatez osatutako molekula handiak dira. Pneumatikoak egiteko bi kautxu mota erabiltzen dira: naturala eta sintetikoa. Naturala oso iraunkorra da eta pneumatikoaren karkasan erabiltzen da. Kautxu sintetikoa aldiz, errepideari ondo heltzeko diseinatzen da eta kanpoko aldean erabiltzen da. Horretaz gain, beste osagai batzuk gehitzen dira: karbono beltza eta silika (betegarri gisa jokatzen dutenak), antioxidatzaileak, oihal, beira eta altzairuzko zuntzak (egonkortasuna eta zurruntasuna ematen baitute) etab. Lortu nahi den pneumatiko motaren arabera aldatu egiten da osaera.

1. irudia: autoen industriaren hazkundeak nabarmen areagotu zuen kautxuaren eskaera. (Argazkia: Magda Ehlers – domeinu publikoko irudia. Iturria: Pexels.com)

Kautxu naturala, nagusiki, Hevea brasiliensis zuhaitzetik lortzen da, jatorriz Amazonian hazten dena. Zuhaitzaren enborrean ebakidurak eginez latexa ateratzen da, kolore zuria daukan likidoa. Latexak kautxua dauka (%35), kasu honetan nagusiki cis-1,4-poliisoprenoa, beste zenbait osagairekin batera: proteina, gantz-azidoak, erretxinak eta ura.

Kautxua aspalditik da ezaguna. Hain zuzen ere, XV. mendean Kolon Ameriketara joan zenean, Haitiko biztanleek kautxuz egindako baloi batekin jolasten zutela ikusi zuen. Badirudi kautxuaren propietate fisiko kaskarrak zirela-eta hasiera batean haren aplikazioak mugatuak zirela. XIX. Mendean, ordea, benetako iraultza etorri zen Charles Goodyear-ek bulkanizazioa aurkitu zuenean, kautxuari sufrea gehitu eta tenperaturaren eragina aztertzen ari zela. Esperimentua ahaztu eta lagina estufa bero baten gainean utzi zuen gau osoan. Hurrengo egunean materialak propietate hobeak zituela ikusi zuen bulkanizazio prozesua dela-eta: erreakzio kimiko bat gertatu zen non kautxuaren molekula erraldoiek sare bat osatzen duten beren artean lotuz. Honela propietate hobeak ditu materialak: egonkorra da disolbatzaileen eta tenperatura-aldaketen aurrean eta propietate mekaniko hobeak ditu.

Autoen industriaren hazkundeak nabarmen areagotu zuen kautxuaren eskaera. XIX. mende amaieran Hevea haziak Asian landatu zituzten, eta modu honetan munduko kautxu ekoizle nagusia bihurtu zen kontinente hura. XX. Mende hasieran II. Mundu gerrak eragindako kautxu eskasia zela eta, hura ordezkatuko zuen kautxu sintetikoa aurkitzeko lana hasi zen. Bi urte baino gutxiagoan gai ziren kautxu sintetikoa eskala handian ekoizteko. Hala ere, kautxu naturalak eta sintetikoak propietate desberdinak dituzte; hori dela eta, aplikazioaren arabera bata edo bestea erabiltzen da.

Azken urteotan pneumatiko-etxeak kautxu naturala modu jasangarriagoan ekoizteko ahaleginak egiten ari dira. Kautxu-plantazioek oihan-galtzea eragiten dute eta gainera kautxua Asiatik Europara garraiatzea ez da jasangarria; ondorioz, beste aukera batzuk aztertu dira. Zientzialariak kautxua ekoizten duten landareak bilatzen ari dira Europan eta Estatu Batuetan hazi daitezkeenak. 2.500 landare espeziek ekoitzi dezakete kautxua, baina horietatik oso gutxi dira gai Heveatik eratorritako kautxua ordezkatzeko. Bi dira interes gehien piztu duten aukerak: guayulea eta txikori belar errusiarra.

Guayulea oso ingurune gogorretan hazi daiteke, ez dauzka latexarekiko alergiekin lotuta dauden proteinak, eta propietate fisiko onak ditu. Dagoeneko etxe batek komertzializatu du landare honetatik datorren kautxua; esaterako, neoprenoak egiteko erabili da. Gaztela-Mantxan 2017tik guayule plantazio bat dago martxan landare honen barietate ugariak ikertzeko.

2. irudia: guayulea oso ingurune gogorretan hazi daiteke, ez dauzka latexarekiko alergiekin lotuta dauden proteinak, eta propietate fisiko onak ditu. (Argazkia: domeinu publikoko irudia. Iturria: Wikimedia Commons)

Txikori belar errusiarra, berriz, egokiagoa da abrasio handia jasaten den aplikazioetan, esaterako pneumatikoetan. Landare hau klima epeletan hazten da. Dagoeneko landare hauetatik lortutako bizikleta-pneumatikoak komertzializatu ditu etxe batek eta lehenengo saiakerak egin ditu autoentzako pneumatiko bat egiteko.

Kautxu jasangarriagoa lortzeaz gain, ahalegin handiak egin dira pneumatiko-hondakin guztiak behar den bezala kudeatzeko. Hain zuzen ere, erabilitako pneumatikoen % 94 jaso eta kudeatzen da Europan. Erabilitako pneumatiko-hondakinek bi aukera dituzte: birziklapena eta berreskurapena.

Pneumatikoak birziklatzeko bi bide daude: gehien erabiltzen dena xehatzea da; kautxu hautsa lortzen da horrela. Lehen aipatu den bezala, pneumatikoak askotariko materialez osatuta daude: kautxua, oihala, metala etab. eta haiek banatzea oso garrantzitsua da amaierako produktuaren kalitatea bermatzeko. Lortutako hauts hau aplikazio askotan erabiltzen da: oinetakoen zoletan, koltxoietan, umeen parkeetan erabiltzen den zoruetan, gehigarri gisa asfaltoan, zementuan etab.

Beste birziklapen metodo bat desbulkanizazioa da. Goian aipatu den bezala, kautxuak propietate egokiak izan ditzan lortzeko, bulkanizatu egiten da sufrea gehituz, hiru dimentsiotako sare bat osa dezan. Desbulkanizazioan sufre-loturak hautsi egiten dira eta sarea hautsi egiten da horrela, modu horretan berreskuratu egiten da hasierako kautxua. Kautxu hau berriz erabil daiteke pneumatiko eta produktu berriak egiteko. Teknika honen desabantaila nagusia selektibitate eza da: sufre-loturaz gain kautxuan dauden beste loturak ere hausten dira. Ondorioz, amaierako materialak propietate kaxkarragoak ditu eta murritzagoak izango dira dituen aplikazioak.

Birziklatzen ez diren pneumatiko-hondakinak berreskuratu egiten dira. Metodo honetan, pirolisi, gasifikazio edo errauste bidez kautxu hondakinetatik abiatuz produktu kimiko erabilgarriak lortzen dira: erregaia eta energia. Teknika hauek egokiak dira oso kaltetuta dauden pneumatikoen kasuan.

Erreferentzia bibliografikoak:

• Araujo-Morera, Javier; Verdejo, Raquel; López-Manchado, Miguel Angel; Hernández Santana, Marianella (2021). Sustainable mobility: The route of tires through the circular economy model. Waste Management, 126, 309-322. DOI: 10.1016/j.wasman.2021.03.025
• Xiao, Zheng; Pramanik, Alokesh; Basak, Arun Kumar; Prakash, Chander; Shankar, Subramanian (2022). Material recovery and recycling of waste tyres: A review. Cleaner Materials, 5, 100115. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100115
• Chapman, K. (2021, urtarrila) How rubber is bouncing back. Chemistry world. https://www.chemistryworld.com/features/how-rubber-is-bouncing-back/4012952.article
• Scott, A. (2023, maiatza) Can tires turn green? Chemical and Engineering News. https://cen.acs.org/environment/sustainable-tire-market/101/i17

Egileez:

Leire Sangroniz Kimikan doktorea da eta UPV/EHUko Kimika Fakultatearen PMAS Saileko (Polimero eta Material Aurreratuak: Fisika, Kimika eta Teknologia Saila) ikertzailea Polymaten eta Ainara Sangroniz Kimikan doktorea da eta UPV/EHUko Kimika Fakultateko irakaslea Polymaten.

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En al menos tres ocasiones, en Planeta B hemos hablado sobre Europa, uno de los satélites más interesantes de Júpiter: “La evolución del interior de la luna Europa”, “Una tectónica de placas más allá de la Tierra” y “¿Y si pudiésemos llegar al océano de Europa sin necesidad de atravesar toda la corteza?”.

Y es que cuando lo miramos de cerca, su superficie atestigua una historia reciente de actividad geológica, quizás no solo pretérita, sino también en la actualidad, con la posible existencia de procesos que siguen rejuveneciendo el aspecto de este satélite. Además de esa juventud que aparenta en términos geológicos, el Hubble descubrió hace una década la posible existencia de penachos de agua que surgen de su superficie, lo que sería otra prueba a favor de ser un mundo activo, aunque estos serían bastante elusivos.

Los penachos de vapor de agua en Europa tal y como los detectó el telescopio espacial Hubble, abajo a la izquierda, anotados por la palabra “Plumes”. Imagen cortesía de la NASA, ESA, W. Sparks (STScI) y USGS Astrogeology Science Center.

¿De dónde procede toda esta actividad geológica que observamos? Lo más probable es que el responsable directo sea un océano de agua líquida bastante salado -valga la redundancia- que a su vez está en contacto también con el núcleo rocoso del satélite, de donde procedería la energía para mantener líquido el océano. Este último serviría como una cinta transportadora de materia y energía desde el interior de Europa hacia el exterior, provocando esos cambios que observamos en su superficie.

Una manera indirecta de conocer con mayor grado de detalle la composición química del agua de ese posible océano sería si estuviese de algún modo conectado al exterior, ya que, de momento, carecemos de la tecnología para poder llegar hasta este, que requeriría una sonda capaz de atravesar varios kilómetros de hielo hasta llegar al agua.

Saber qué elementos y compuestos existen en el océano nos abre una puerta a saber si es un océano habitable -habitable para nuestros estándares- puesto que la existencia y abundancia de determinados elementos y compuestos puede ser crucial para el desarrollo de la vida. Por supuesto, esto no quiere decir que haya vida o se pueda haber desarrollado, pero si nos puede indicar si es un lugar hospitalario.

Los lugares más prometedores para “saborear” -me van a permitir que me tome una licencia literaria- este océano serían los penachos de vapor de agua (muestreándolos desde la órbita, por ejemplo- y por supuesto las zonas donde pueda existir actividad geológica reciente en Europa, ya que a través de las fisuras generadas como resultado de la dinámica del satélite podría haberse transportado material desde el océano hasta el exterior. Sería una manera indirecta, pero válida mientras no tengamos una tecnología capaz de llegar al océano.

Pero bueno, ¿qué se ha descubierto ahora que ha generado tanto revuelo? Lo cierto es que descubrir -gracias a Jesús Martínez-Frías por su corrección- no se ha descubierto nada en el sentido más estricto de la palabra, sino que se ha podido identificar mejor en que regiones de la superficie de Europa podemos encontrar dióxido de carbono, algo que ya contaba con detecciones previas como podemos leer en Hansen et al. (2008) y McCord et al. (1998).

El dióxido de carbono no es un compuesto que pueda ser estable a lo largo del tiempo geológico en las condiciones de presión y temperatura existentes en la superficie de Europa, por lo que cualquier cantidad de este que quede expuesta, debería de sublimarse y formar parte de la tenue atmósfera del satélite o escaparse al espacio, sin embargo, tanto las observaciones realizadas por la misión Galileo como con el telescopio espacial James Webb han sido capaces de detectar este compuesto en la superficie.

La diferencia entre el descubrimiento original del dióxido de carbono y los datos aportados en el reciente estudio publicado en Science por Trumbo et al. (2023) es principalmente una mejor localización espacial, así como aportar un contexto para su origen, ya que los datos de la Galileo tenían muy poca resolución en comparación con los del James Webb, que ha permitido adscribir la presencia de este compuesto en regiones muy concretas del satélite de Júpiter.

Lo cierto es que el dióxido de carbono no es un compuesto muy raro, y se había detectado previamente en otros lugares del sistema joviano así como en los satélites de Saturno, pero no con una asociación directa a zonas jóvenes de su superficie. Se sospecha que en algunos de estos casos la presencia de este dióxido de carbono podría deberse a factores externos como, por ejemplo, la aportación de compuestos orgánicos por parte de meteoritos o zonas ya ricas en compuestos orgánicos que sufren procesos de degradación a causa de la intensa radiación.

El caso de Europa es diferente, y las concentraciones de dióxido de carbono se encuentran fuertemente asociadas a regiones jóvenes con terreno de tipo chaos -los chaos, explicado de una manera sencilla, son zonas de la superficie de los planetas donde el terreno parece estar agrietado y desordenado- como son Tara Regio y Powys Regio. En el resto de satélites donde se ha detectado, el dióxido de carbono estaba asociado a zonas más oscuras ricas en compuestos orgánicos, cráteres de impacto o las zonas más afectadas por la radiación.

Un detalle de la zona de Tara Regio capturado por la sonda Galileo en septiembre de 1998 a una resolución de 220 metros por píxel. Se aprecia perfectamente la existencia de juegos de grietas, crestas y una forma como de puzle desordenado. Cortesía de NASA/JPL/USGS.

Esto nos lleva a la siguiente cuestión. Entonces, ¿de dónde sale el dióxido de carbono? Si en los párrafos anteriores hablábamos del posible origen exógeno -impactos de meteoritos y la degradación de los compuestos orgánicos-, ahora nos toca hablar del origen endógeno de este compuesto. Lo normal es que para que sea estable bajo las condiciones actuales, debe de encontrarse atrapado en el hielo.

Los científicos han estudiado otras posibilidades, como que el dióxido de carbono observado procediese de compuestos orgánicos o de minerales del grupo de los carbonatos, pero no se observan en los espectros señales que hagan pensar en estas dos últimas fuentes -sumada a la radiación- podrían ser una forma plausible de formar las concentraciones de dióxido de carbono encontrados tanto en la asociación a estas regiones jóvenes como en sus proporciones.

Así que solo nos queda una posibilidad, y es que el dióxido de carbono proceda directamente del interior de Europa como dióxido de carbono o como alguna otra molécula precursora de este compuesto desde el océano que hay bajo su superficie. Llegaría a la superficie durante la formación de estas zonas más jóvenes a través del ascenso de materiales del océano -ya sea en estado líquido o como masas de hielo con un comportamiento plástico-, por el colapso del hielo sobre zonas donde exista agua líquida bajo la superficie o por el ascenso de líquidos a través de grietas en la corteza.

Pero todavía hay más: y es que para que observemos las concentraciones de dióxido de carbono que vemos en la superficie, debe de haber un mecanismo continuo que vaya reponiendo este dióxido de carbono que se escapa a la atmósfera o bien la llegada de este compuesto a la superficie ha debido ocurrir en un lapso de tiempo muy reciente a escala geológica.

A la izquierda, una imagen de Europa tomada por el JWST. A la derecha, los mapas de concentración de CO2. Cortesía de NASA, ESA, CSA, G. Villanueva (NASA/GSFC), S. Trumbo (Cornell Univ.) y A. Pagan (STScI).

Las implicaciones de estos resultados de cara a la astrobiología son muy importantes: el primero, que el carbono, que es un elemento que es necesario para la vida tal y como la conocemos, se encuentra presente en el océano de Europa, y también que este océano tendría unas condiciones ligeramente oxidantes, lo que coincidiría con una entrada al océano de compuestos oxidantes que se producen en la superficie a causa de la intensa radiación, completando también la cinta transportadora de materia desde la superficie hacia el océano y no solo desde dentro hacia afuera.

Un océano reductor, desde nuestro punto de vista, podría ser menos hospitalario para la vida, porque aunque haya organismos como los anaeróbicos que, capaces de realizar la respiración anaeróbica usando moléculas diferentes al oxígeno, o los quimioautótrofos, capaces de extraer su energía de compuestos inorgánicos, en nuestro planeta sabemos que la falta de oxígeno reduce las posibilidades de formas de vida más complejas.

Todos estos estudios son muy interesantes, ya que podrán servir de base a las futuras investigaciones de la sonda europea JUICE, que ya se dirige al sistema joviano, y la Europa Clipper de la NASA que, si todo va bien, despegará en octubre de 2024, desde donde poder verificar estas observaciones eso sí, desde mucho más cerca y aportarnos nuevos detalles de este cuerpo tan interesante.

Bibliografía:

Hansen, G. B., & McCord, T. B. (2008). Widespread CO2 and other non-ice compounds on the anti-Jovian and trailing sides of Europa from Galileo/NIMS observations. Geophysical Research Letters, 35(1), L01202. doi: 10.1029/2007GL031748

McCord, T. B., Hansen, G. B., Clark, R. N., Martin, P. D., Hibbitts, C. A., Fanale, F. P., Granahan, J. C., Segura, M., Matson, D. L., Johnson, T. V., Carlson, R. W., Smythe, W. D., & Danielson, G. E. (1998). Non‐water‐ice constituents in the surface material of the icy Galilean satellites from the Galileo near‐infrared mapping spectrometer investigation. Journal of Geophysical Research: Planets, 103(E4), 8603-8626. doi: 10.1029/98JE00788

Trumbo, S. K., & Brown, M. E. (2023). The distribution of CO 2 on Europa indicates an internal source of carbon. Science, 381(6664), 1308-1311. doi: 10.1126/science.adg4155

Sobre el autor: Nahúm Méndez Chazarra es geólogo planetario y divulgador científico.

El artículo La importancia del dióxido de carbono en la dinámica geológica de Europa se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Datu errealak lortzea zaila izan daiteke; beraz, ikertzaileak datu sintetikoak erabiltzen ari dira adimen artifizialeko sistemak entrenatzeko.

Egun eguzkitsu batean, 1987. urtearen amaieran, Chevrolet kamioneta bat Pittsburgheko Carnegie Mellon Unibertsitateko campusean bihurgunez betetako baso bide batetik ibili zen. Navlab izeneko ibilgailu erraldoia ez zen nabarmentzen bere edertasunagatik edo abiaduragatik, garunagatik baizik: ibilgailu autonomo baten bertsio esperimentala zen, karga eremuan lau ordenagailu boteretsuk (garai hartarako) gidatua.

1. irudia: sare neuronalak entrenatzeko, ikertzaileek gero eta gehiago erabiltzen dituzte datu sintetikoak, datu naturalak osatu edo ordezteko. (Iluztrazioa: Kristina Armitage. Iturria: Quanta Magazine)

Hasieran, Navlabez arduratzen ziren ingeniariak ibilgailua kontrolatzen saiatu ziren nabigazio algoritmo batekin, baina, aurreko ikertzaile askori bezala, zaila egin zitzaien gidatzeko baldintza sorta zabala jarraibide multzo bakar batean biltzea. Beraz, berriro saiatu ziren, oraingoan ikaskuntza automatiko izeneko adimen artifizialeko ikuspegia erabiliz: kamionetak bere kabuz gidatzen ikasiko zuen. Dean Pomerleau graduondoko ikasleak sare neuronal artifizial bat eraiki zuen, prozesamendu logikoko unitate txikiz egina. Unitate horiek garuneko zelula gisa funtzionatuko zuten, eta errepideen argazkiekin entrenatzen hasi zen, hainbat egoeratan. Baina gidatze egoeren aukera zabala barne hartzeko behar adina argazki ateratzea zailegia izan zen talde txikiarentzat; horregatik, Pomerleauk errepideen 1.200 irudi sintetiko sortu zituen ordenagailu batean, eta horiek erabili zituen sistema entrenatzeko. Makina autodidaktak ikertzaileei bururatutako beste edozein gauzak bezain ondo gidatzen zuen.

Navlabek ez zuen aurrerapen handirik ekarri gidatze autonomoan, baina proiektuak erakutsi zuen datu sintetikoek ahalmen handia zutela AAko sistemak entrenatzeko. Ikaskuntza automatikoak, hurrengo hamarkadetan hobera egin ahala, entrenamendu datuekiko ezin asezko apetitua garatu zuen. Baina datuak lortzea zaila da: garestiak, pribatuak edo urriak izan daitezke. Ondorioz, sare neuronalak entrenatzeko, ikertzaileek gero eta gehiago erabiltzen dituzte datu sintetikoak, datu naturalak osatu edo ordezteko. “Ikaskuntza automatikoa denbora luzez aritu da borrokan datuen arazoarekin”, dio Sergey Nikolenko Synthesis AI enpresako AA zuzendariak. Enpresa horrek datu sintetikoak sortzen ditu, bezeroei AAko eredu hobeak sortzen laguntzeko. “Datu sintetikoak dira arazo hau konpontzeko modu itxaropentsuenetako bat”.

Zorionez, ikaskuntza automatikoa sofistikatuagoa bihurtu den heinean, gauza bera gertatu da datu sintetiko erabilgarriak sortzeko tresnekin.

Eremu horretan, datu sintetikoak erabilgarriak dira aurpegi ezagutzari buruzko kezkak aztertzeko. Aurpegi ezagutzako sistema asko benetako aurpegien irudi liburutegi handiekin entrenatuta daude, eta irudietako pertsonen pribatutasunari buruzko arazoak sortzen ditu horrek. Alborapena ere arazo bat da, gizatalde batzuk gainordezkatuta edo azpiordezkatuta baitaude liburutegi horietan. Microsofteko Mixed Reality & AI Lab taldeko ikertzaileek kezka horiei heldu diete, eta 100.000 aurpegi sintetikoko bilduma bat atera dute AAko sistemak entrenatzeko. Aurpegi horiek haien aurpegia eskaneatzeko baimena eman zieten 500 pertsonarengandik abiatuta sortzen dira.

Microsoften sistemak hasierako multzoko aurpegietako elementuak hartzen ditu konbinazio berriak eta bakarrak sortzeko, eta, ondoren, estilo bisuala gehitzen du, makillajea eta ilea bezalako xehetasunak adibidez. Ikertzaileek diote beren datu multzoak etnia, adin eta estilo ugari biltzen dituela. “Beti dago giza aniztasun handia. Uste eta espero dugu aniztasun hori islatzea”, azaldu du Tadas Baltrušaitisek, proiektuan lan egiten duen Microsofteko ikertzaile batek.

Aurpegi sintetikoen beste abantaila bat da ordenagailuak aurpegi bakoitzeko zati bakoitza etiketa dezakeela, eta horrek sare neuronalei azkarrago ikasten laguntzen diela. Aldiz, argazki errealak eskuz etiketatu behar dira, eta horrek askoz denbora gehiago darama, eta inoiz ez da hain sendoa edo zehatza izaten.

Emaitzak ez dira fotorrealistak, aurpegiek Pixarren film bateko pertsonaien antz apur bat dute, baina Microsoftek aurpegi ezagutzako sareak entrenatzeko erabili ditu, eta sare horien zehaztasuna milioika aurpegi errealekin entrenatutako sareenaren antzekoa da.

2. irudia: Microsofteko talde batek, datu errealen multzo bat erabiliz, aurpegi horiek eta beste milaka aurpegi gehiago sortu zituen. Aurpegi sintetikoek karikaturazkoak dirudite, baina sare neuronalak benetako argazkien zehaztasun berarekin entrenatzen lagun dezakete, pribatutasunari eta aniztasunari buruzko kezka gutxiagorekin. (Iturria: Microsoft)

Ordenagailuek datu sintetiko erabilgarriak sortzeko duten gaitasuna ere hobetu egin da berriki, neurri batean GPU hobeengatik (irudi errealistagoak sor ditzakeen prozesamendu grafikorako diseinatutako txip mota bat). Erroll Wood, gaur egun Googlen lan egiten duen eta aurpegi sintetikoak sortzen lagundu zuen ikertzaileetako bat da, GPUetan oinarritu zen jarraipen okularreko proiektu baterako. Jarraipen okularra egitea lan zaila da ordenagailuentzat; izan ere, eskatzen du itxura desberdineko begien mugimendurik txikienak ere jarraitzea, argiztapen baldintza askotarikoetan, baita begi globoa ia ikusten ez den muturreko angeluetan ere. Normalean giza begien milaka argazki beharko lirateke makina batek ikas dezan pertsona bat nora begira dagoen, eta argazki horiek lortzeko zailak eta izugarriki garestiak dira.

Wooden taldeak frogatu zuen ordenagailu batek, GPU batean oinarrituz eta Unity (bideojokoak ekoizteko software pakete bat) exekutatuz, beharrezko diren irudiak sor zitzakeela, irudi digitalen erreflexu zehatzak barne, giza begi kurbatu eta heze bat islatuz. GPU sistemak 23 milisegundo baino ez zituen behar izan argazki bakoitza sortzeko. (Izan ere, irudi bakoitzak 3,6 milisegundo soilik behar izan zituen sortzeko; gainerako denboran sistema irudia gordetzen aritu zen). Ikertzaileek milioi bat irudi okular sortu zituzten, eta sare neuronal bat entrenatzeko erabili zituzten. Sare horrek ondo funtzionatu zuen, sare hori bera giza begien argazki errealekin entrenatu zutenean bezain ondo, baina merkeago eta lasterrago. Microsoften aurpegi sintetikoekin bezala, jarraipen okularra egiteko sareak ordenagailuak entrenamendurako irudietako pixelei etiketa perfektuak aplikatzeko duen gaitasuna baliatu zuen.

Ikertzaileak ere AAko azken sistemak erabiltzen ari dira, AAko sistemak entrenatzeko beharrezko diren datuak sortzeko. Medikuntzan, adibidez, aspalditik dute helburutzat sare neuronal bat sortzea, irudi erradiologikoak giza erradiologoek bezain ondo interpreta ditzakeena. Baina zaila da sistema horiek entrenatzeko beharrezko diren datuak lortzea, erradiografiak eta paziente errealen tomografia konputarizatuak osasun informazio pribatua baitira. Oso neketsua da eredu zehatz bat entrenatzeko behar diren milaka edo milioika irudiak eskuratzea.

Urte honen hasieran, Hazrat Alik, Pakistango COMSATS Unibertsitateko zientzialari informatikoak, DALL·E 2 hedapen eredu ezagunarekin egindako lehen esperimentuak deskribatu zituen, X izpien irudi errealistak eta biriken tomografia konputarizatua sortzeko, biriketako gaixotasun espezifikoen irudikapenak barne. Irudi horiek erabil daitezke sare neuronal bat entrenatzeko, tumoreak eta beste anomalia batzuk detekta ditzan. Espero du urtebete barru hedapen ereduek erreferentzia puntu berri bat ezartzea AAko erradiologiako tresnetarako. “Behin erresonantzia magnetikoak, ordenagailu bidezko tomografiak eta, agian, ultrasoinu errealistagoak sintetizatu ahal ditugunean, horrek ikerketa bizkortuko du, eta, azken batean, transferentzia klinikoa ere bai, pazienteen pribatutasunari eta datu trukeari buruzko kezkarik sortu gabe”.

CMUko campusean Navlabek lotsati aurrera egiten zuen bitartean, ziurrenik ikusleek ez zuten pentsatuko teknologia garrantzitsu baten sorrera ikusten ari zirenik. Baina bidaia motel hori lagungarria izan zen munduari datu sintetikoak aurkezteko, adimen artifizialaren garapenean funtsezko zeregina hartu baitute. Eta eginkizun hori zinez funtsezkoa izan daiteke etorkizunean. “Datu sintetikoak geratzeko iritsi dira”, dio Marina Ivasic-Kos, Kroaziako Rijeka Unibertsitateko ikaskuntza automatikoko ikertzaileak. “Azken urratsa da datu sintetikoek benetako datuak erabat ordezkatzea”.

Jatorrizko artikulua:

Amos Zeeberg (2023). Neural Networks Need Data to Learn. Even If It’s Fake, Quanta Magazine, 2023ko ekainaren 16an. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.

Itzulpena:

UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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José Manuel González Gamarro

La música, ese hecho cultural transversal a lo largo del planeta, esa gran invención humana que casi empuja a caer irremediablemente en lo interdisciplinar, ha sido estudiada de forma poliédrica. La extensísima literatura que aborda la investigación sobre música tiene casi tantos enfoques como disciplinas del conocimiento existen. Uno de los puntos que más consenso encuentra la investigación es el beneficio que aporta escucharla, estudiarla y/o practicarla. Hay quien, interesadamente sesgado, no duda en atribuirle propiedades casi mágicas con discursos grandilocuentes y atractivos titulares de prensa: «Quítele la pantalla y dele un instrumento musical a su hija o hijo», «La música te hace más inteligente», «¿Quiere envejecer mejor? Practique música», etc. Incluso el refranero popular nos dice que quien canta su mal espanta, pero, como todo en la vida, cabe un gran «depende» en todas estas afirmaciones.

Foto: Manuel Nägeli / UnsplashEfectos negativos de la música

Todos los estudios en pos de los beneficios causados por la música o cómo ésta mejora la sociedad, tienen una consecuencia evidente: el número de estudios de los efectos negativos de la música es mucho menor y solo han suscitado interés en los últimos años. Uno de estos efectos “negativos” puede ser el aburrimiento. Este aburrimiento no siempre se puede considerar negativo ya que algunos autores1 lo consideran como una retroalimentación que provoca un cambio de tarea, por lo que cumple una función importante. Este estado emocional puede ocurrir cuando se interactúa con el arte. De hecho, ocurre con más frecuencia de la que se puede imaginar en un primer momento. Es por esto que un reciente estudio2 dirigido por la investigadora del Instituo Max Planck de Estética Empírica, Julia Merrill ha abordado esta cuestión, poniendo el foco de atención en investigar la prevalencia y las situaciones de aburrimiento al interactuar con la música. Aunque el estudio no es concluyente, aborda cuestiones poco exploradas, como qué características puede tener una música aburrida (por más que esto dependa del juicio del oyente), qué emociones se asocian a esta supuesta música aburrida, la importancia del contexto en la escucha musical, los rasgos de la personalidad del oyente o un constructo que se denomina “sofisticación musical” medida con una escala llamada Gold-MSI3 donde se autoevalúa el compromiso activo con la música, habilidades de percepción musical y la percepción de emociones al oír música.

Para arrojar luz sobre todas estas cuestiones, en el Instituto Max Planck se llevaron a cabo dos estudios diferentes y complementarios, atendiendo a métodos cualitativos y cuantitativos. Para el estudio cualitativo se formularon preguntas abiertas a 266 participantes sobre las situaciones en las que experimentaron aburrimiento al escuchar música atendiendo a la ubicación, el entorno, si estaban solos o acompañados, el tipo de música o la duración de ésta. También se formularon preguntas relativas a los sentimientos y emociones evocados al aburrirse y cómo reaccionaron ante esto. Otra de esas preguntas abiertas abordaba la cuestión de la definición de la música aburrida, es decir, qué características tiene la música con la que la gente se aburre. Para el estudio cuantitativo se usaron 719 participantes donde respondieron a una encuesta con tres preguntas: ¿Con qué frecuencia te aburres cuando escuchas música?, ¿con qué intensidad te aburres cuando escuchas música? y ¿Con qué frecuencia utilizas música para afrontar el aburrimiento? Usando en las respuestas una escala del 1 al 7, siendo el 1 nunca y el 7 siempre. Además, se realizó una lista con 14 estilos musicales que también fueron calificados desde el 1 (muy interesante) hasta el 7 (muy aburrido). A partir de estos datos se escogió el estilo más aburrido y uno ligeramente aburrido y se volvió a pedir a los participantes que valoraran estos dos estilos en la escala de 1 a 7, para a continuación presentar 16 razones por las que la música es aburrida con una escala de 5 puntos. A todos estos datos se le añaden los recopilados por la escala, anteriormente mencionada, Gold-MSI que mide la sofisticación musical de cada participante.

Aburrimiento musical

Los resultados del estudio cualitativo aportaron datos que revelan que, además de experimentar aburrimiento musical en situaciones con cierta monotonía como viajar en coche, en bus, etc. o no tener el control sobre qué música escuchar (bares, radio, etc.), también se experimenta aburrimiento cuando se está solo y la escucha es concentrada. El juicio estético influye de manera determinante cuando no se ajusta a las expectativas del oyente o bien la música no encaja con el estado de ánimo durante la escucha. Las estrategias para evitar el aburrimiento causado por la música dependen de las posibilidades del contexto de la escucha, dependiendo si se puede evitar la situación (salirse de un concierto o cambiar de música) o eso no es posible (ignorar la música o distraerse con otro estímulo). Uno de los resultados que arroja el estudio cuantitativo es el porcentaje de personas que experimentan aburrimiento al escuchar música. Aunque hay un porcentaje muy elevado (76,5 %) de personas que nunca o rara vez experimenta aburrimiento en la escucha, el porcentaje de personas que se aburren en diferentes grados de intensidad y frecuencia no es nada desdeñable.

En cuanto a las características musicales, el aburrimiento ocurre cuando existen ciertos aspectos generales de la música, como la repetición, la monotonía o las letras de las canciones, con una interesante relación entre aburrimiento y significado. Sin embargo, no solo la baja excitación y la subestimulación lo provocan, sino también la sobreestimualción y la alta excitación. La música con un mayor índice de complejidad, con mayor número de disonancias o caótica resulta aburrida por una sobreabundancia de características musicales muy intensa que provocan disgusto. Otra cuestión es que la música que no nos gusta la etiquetemos como aburrida y la identifiquemos como tal antes de su escucha. El gusto musical tiene mucho de vínculo y no tanto de observación y análisis, donde las cuestiones identitarias son un punto clave.

Experiencia estética fracasada

La finalidad de la escucha musical, en numerosas ocasiones, es, precisamente, la de acabar con el aburrimiento o provocar en nosotros mismos emociones satisfactorias. Por lo tanto, según los autores del estudio se puede afirmar que, si la música nos provoca aburrimiento, es una experiencia estética fracasada con respecto al éxito de esta experiencia, que se produciría cuando hay un equilibrio entre el agrado, el placer, la excitación, la complejidad y la familiaridad. Sin embargo, este “fracaso” también puede significar éxito, puesto que existe el arte (y por lo tanto la música) deliberadamente aburrido4, es decir, algo creado con la firme intención de aburrir y motivado por diferentes razones.

Por otro lado, juzgar cualquier música como aburrida es controvertido, puesto que puede ser contraproducente tanto para el autor de la música como para la persona que la juzga. Se puede entender que una música es aburrida porque la compositora o compositor no ha sido capaz de crear algo emocionalmente satisfactorio, pero también puede ser negativo para quien juzga, por entenderse que no tiene la suficiente formación o sofisticación para comprender cierta música o sentir emociones satisfactorias al escucharla.

Es de suponer que la música con menos índice de aburrimiento, por decirlo de alguna manera, tendrá un mayor éxito en la sociedad. Sin embargo, como ya se ha advertido, el aburrimiento puede ser una consecuencia de escuchar música con unas ciertas características como una predisposición guiada por nuestro prejuicio y preferencia. Es por ello que también existen investigaciones5 que van más allá, buscando la sincronía neuronal en diferentes individuos al someterse a la escucha, con resultados que indican que a mayor sincronía, mayor éxito musical. Sea como fuere el aburrimiento musical y el fracaso de la escucha para evitarlo dependen en gran medida del concepto (filosófico) de belleza, que se podría establecer en la música como una relación compleja entre uniformidad y variedad. La investigación deberá seguir avanzando para tener una mayor comprensión de todos los factores que componen esta relación adversa con la música. Veremos.

Referencias:

1 Fahlman S. A., Mercer-Lynn K. B., Flora D. B., Eastwood J. D. (2013). Development and validation of the multidimensional state boredom scale. Assessment, 20(1), 68–85. https://doi.org/10.1177/1073191111421303

2 Merrill, J., & Niedecken, T. (2023). Music and Boredom: A First Insight Into an Unexplored Relationship. Music & Science, 6. https://doi.org/10.1177/20592043231181215

3 Müllensiefen D., Gingras B., Musil J., Stewart L. (2014). The musicality of non-musicians: An index for assessing musical sophistication in the general population. PLoS ONE, 9(2), 1–23. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0089642

4 Elpidorou A., Gibson J. (2022). Really boring art. Ergo an Open Access Journal of Philosophy, 8(0). https://doi.org/10.3998/ergo.2231

5 Leeuwis, N., Pistone, D., Flick, N., & van Bommel, T. (2021). A sound prediction: EEG-based neural synchrony predicts online music streams. Frontiers in psychology, 12, 672980. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2021.672980

Sobre el autor: José Manuel González Gamarro es profesor de guitarra e investigador para la Asociación para el Estudio de la Guitarra del Real Conservatorio Superior de Música “Victoria Eugenia” de Granada.

El artículo Aburrimiento musical se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Irati Diez Virto

Asteon zientzia begi-bistan igandeetako gehigarria da. Astean zehar sarean zientzia euskaraz jorratu duten artikuluak biltzen ditugu. Begi-bistan duguna jaso eta laburbiltzea da gure helburua.

Biologia

Landare erreinuan albo-organoen (hostoen eta loreen) antolaketa-eredu gutxi daude, eta ohikoena Fibonacci espirala da. Ikerketa berri batek eredu horren jatorria hobeto ezagutu nahi izan du, eta Asteroxylon mackiei landare fosilaren filotaxia aztertu dute horretarako. Espezie hori landare hostodunetan lehenetako bat da, eta ikertzaileek ikusi zutenez, landare fosil horrek ez zuen Finonacci eredu-filotaktikoa jarraitzen. A. mackiei espezieak, besta batzuen artean, filotaxia-espirala zuen, eta adituen esanetan, eredu filotaktiko hori zaila da aurkitzen iraungi gabeko landare espezieetan. Informazio gehiago Zientzia Kaieran.

Meteorologia

Maialen Martija Euskalmeteko meteorologoak eta Tecnaliako ikertzaileak ‘El Niño’ fenomenoak Euskal Herrian dituen ondorioak ikertu ditu. 2023ko udan El Niño sasoian sartu gara, eta hori klima-krisiari gehituta, hurrengo urteak oso-oso beroak izango direla dio Martijak. Izan ere, El Niño sasoian munduko tenperatura ohikoa baino altuagoa izaten da oro har, Ozeano Barekoa ere hala delako. Horrek Europa mendebaldean trumoi hodeiak azkarrago garatzea eta euri gehiago egitea eragiten du. Gai honen inguruko datu gehiago Berriako ‘El Niño’, eta tenperaturak goia jo duen urtea eta «Klima krisiari ‘El Niño’ gehituta, hurrengo urteak oso-oso beroak izango dira» artikuluetan topatu daitezke.

Osasuna

EHUk Arabako Ospitale Psikiatrikoarekin eta Deustuko Unibertsitatearekin elkarlanean egindako ikerketa baten arabera, ariketa fisikoak eskizofreniaren sintomak arintzen laguntzen du. Ariketa fisikoaren programa bat ezarri zuten ospitalean, eta pazienteen alderdi fisikoa, bizi-kalitatea eta loa aztertu zituzten, besteak beste. Jaso zituzten emaitzen arabera, pazienteek onura fisikoak, psikologikoak, sozialak hauteman zituzten ariketa fisikoaren programan parte hartu ondoren. Datuak Berrian: «Ezinbestekoa litzateke gimnasio bat ospitale guztietan».

Medikuntza

UPV/EHUko talde batek bakterio baten zenbait ezaugarri aldatzea lortu du erresonantzia magnetikoetan erabili ahal izateko. Magnetospirillum gryphiswaldense bakterioa erabili dute, eta bere hazkuntza-inguruneari terbioa eta gadolinioa gehitu dizkiote. Lehenengo elementuarekin bakterioa fluoreszentea bihurtu dute, eta bigarrenarekin, berriz, kontraste bikoitzeko agente bihurtu dute erresonantzia magnetikoetarako. Bi ezaugarri hauek bakterioa oso interesgarria egiten dute esparru klinikorako. Azalpen guztiak Zientzia Kaieran.

Ikerketa berri baten arabera, emakumeentzat zailagoa da minbizia prebenitzea, garaiz detektatzea eta ongi artatuak izatea. Izan ere, genero desberdintasunak emakumeek minbizia izateko arrisku-faktoreak saihestea zailtzen du eta oztopatu egiten du diagnosi egokia eta kalitatezko arreta izatea. Bestalde, argitu dute fokua emakumeen minbizian jartzen bada ere, bestelako minbiziek ere arreta merezi dutela. Informazio gehiago Elhuyar aldizkarian.

Alzheimerra ikertzeko beste bide batzuk proposatu nahi ditu Amaia Arranzek, Achucarro neurozientzien ikerketa zentroko Ikerbasqueko ikertzaileak. Duela gutxi argitaratu den nazioarteko ikerketa batean parte hartu da Arranzek, eta lanari esker gaitza tratatzeko botika gehiago sortuko direla espero du. Izan ere, neuronen heriotzaren atzean dagoen mekanismo bat deskribatu dute. Alzheimerra modelatzen duten saguen garunetan zelula-heriotza nekroptosia bidez gertatzen dela ikusi dute, MEG3 proteina areagotzen denean gertatzen dena. Azalpeak Berrian.

Fisika

Antimateriari materiari bezalaxe eragiten dio grabitateak. Hala ondorioztatu dute antihidrogeno-atomoekin egindako esperimentu batean. Albert Einsteinek erlatibitate orokorraren teorian dagoeneko iragarri zuen emaitza hori, baina kontrako emaitzak hainbat problema kosmiko azaltzen lagun zezakeen. Orain arte ez zen inoiz behatu grabitatearen eta antimateriaren arteko elkarrekintza, baina hainbat neurketa eta simulazio egin ostean kalkulatu dute oso litekeena dela grabitateak materiari eragiten dion azelerazio bera eragitea antimateriari ere. Datuak Elhuyar aldizkarian.

Astronomia

Europa ilargian dagoen karbono dioxidoa barneko ozeanoan sortu zela ondorioztatu dute. Satelite horretan karbono dioxidoaren kartografia egin dute, eta ikusi dute, molekula hori ugaria del lekuan material gazteak direla nagusi. Horrek pentsarazi die karbonoa azpiko ozeanoa izan daitekeela. Bestalde, karbono dioxidozko izotzaren lau ezaugarri espektral eta isotopoak aztertu dituzte, eta emaitzek erakutsi dute karbonoa barnetik atera zela. Azalpenak Elhuyar aldizkarian.

InSight misioari eta beste batzuei esker, Marteren barnealdearen inguruko ezagutza asko lortzen ari gara. SEIS instrumentuaren bitartez eta hainbat neurketa eginda, ondorioztatu da burdina izateaz gain Marteren nukleoaren % 20 inguru elementu arinak direla. Bestalde, RISE instrumentuak bidalitako datuen arabera, planeta gorriaren nukleoak 1835±55 kilometro inguruko erradioa du, eta guztiz likidoa izan daiteke. Azkenik, badirudi Marteren egunak laburtzeko joera txiki bat dutela, baina ez da horren jatorria ezagutzen. Informazio gehiago Zientzia Kaieran.

Aurreko igandean OSIRIS-REx misioak jasotako laginak Lurrera iritsi ziren. Misio horrek Bennu asteroideko harriak eta hautsak jaso eta Lurrera ekartzea lortu du, eta 233 zientzialariren artean banatuko dituzte. Lagin horiekin Lurra nola osatu zen ulertzeko, eta planetan bizia nola agertu zen azaltzeko aurrerapausoak ematea espero da. Izan ere, teoria batzuen arabera, litekeena da Lurrera molekula organikoak meteoritoek ekarri izana. Kalkulatzen da jasotako material horrek 4.5 mila miloi urte izan ditzakela, eta material horren artean, molekula organikoak topatzea espero da. Datuak Berrian.

Teknologia

Pantailen argi urdinetik begiak babesteko betaurrekoek ez dute frogatu begietako nekearen aurkako propietaterik, ezta loaren kalitatearen aldeko propietaterik ere. Melbourneko Unibertsitateko ikerketa-talde batek literatura zientifikoaren azterketa egin du, eta betaurreko normalak dituztenak argi urdinetik babesten zituztenekin alderatu dituzte. 2009 eta 2021 bitartean egindako hamazazpi saiakuntza berrikusi dituzte, eta haietan ez dira aurkezten nahikoa ebidentzia zientifiko betaurreko horien saltzaileek baieztatzen dituzten onurak justifikatzeko. Informazio gehiago Berrian.

Argitalpenak

Zientziaren argi-itzalak liburua, Agustin Arrieta Urtizberea idatzi zuen 2017an. Bertan, Arrietak hausnarketa egiten du gizarteak zientziaz duen irudiaren inguruan. Bere iritziz, batzuetan zientzia balio sozial, politiko, ekonomiko edo etikoen eraginetatik kanpo dagoen esparru gisa irudikatzen da. Besteetan, aldiz, negoziazio politiko-ekonomikoaren emaitza modura. Hala, zientziak gizartean duen garrantzia azpimarratu nahi izan zuen Arrietak. Liburu honen inguruko informazio gehiago Zientzia Kaieran topatu daiteke, ZIO Bildumarekin elkarlanean egindako atalean.

Egileaz:

Irati Diez Virto Biologian graduatu zen UPV/EHUn eta Plentziako Itsas Estazioan (PiE-UPV/EHU) tesia egiten dabil, euskal kostaldeko zetazeoen inguruan.

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Aunque a día de hoy sabemos que la fiebre amarilla es una enfermedad vírica aguda y hemorrágica, ocasionada por arbovirus del género Flavivirus y transmitida por mosquitos infectados de los géneros Aedes y Haemogogus, no siempre ha sido así. Esta enfermedad acabó con el 10% de la población de Filadelfia en 1793. Tras aquello, el médico Stubbins Ffirth empezó a buscar la causa de la fiebre amarilla. Imprudentemente experimentó consigo mismo y después de restregarse los vómitos de enfermos e incluso bebérselos y no contagiarse, publicó en una tesis titulada ‘A Treatise on Malignant Fever’ en la que expuso que definitivamente la enfermedad no era contagiosa, un dato erróneo como sabemos actualmente.

Los vídeos de ¡UPS¡ presentan de forma breve y amena errores de la nuestra historia científica y tecnológica. Los vídeos, realizados para la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU, se han emitido en el programa de ciencia Órbita Laika (@orbitalaika_tve), en la 2 de RTVE.

Producción ejecutiva: Blanca Baena

Guion: José Antonio Pérez Ledo

Grafismo: Cristina Serrano

Música: Israel Santamaría

Producción: Olatz Vitorica

Doblaje: K 2000

Locución: José Antonio Pérez Ledo

Edición realizada por César Tomé López

El artículo ¡Ups! La fiebre amarilla se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Inoiz ez da berandu musika ikasteko, Rosa García-Verdugok Learning music in old age may prevent grey matter loss lanean azaltzen duen bezala.

Nonahi dauden arren, ez pentsa zehatz-mehatz dakigunik nola funtzionatzen duen ion litio bateria batek. Orain, adimen artifizialak elektrodoetan nanopartikulekin zer gertatzen den ikusteko aukera ematen du. How a lithium-ion battery electrode really works

Ikasteko eta baliabide naturalen erabilera jasangarriak txertatzea: Sustainable use of natural resources in Pantanal communities, Rafael Morais Chiaravalloti.

Ziur koloretako hidrogenoaren inguruan entzun duzula, batez ere hidrogeno berdea. Eskala handian modu ekonomikoan ekoizteko behar diren katalizatzaileak oraindik ez daudela prest da normalean kontatzen ez dena. Eskerrak DIPCko jendea horretan ari den: Highly efficient, durable, and economically competitive hydrogen evolution electrocatalyst.

Mapping Ignorance bloga lanean diharduten ikertzaileek eta hainbat arlotako profesionalek lantzen dute. Zientziaren edozein arlotako ikerketen azken emaitzen berri ematen duen gunea da. UPV/EHUko Kultura Zientifikoko Katedraren eta Nazioarteko Bikaintasun Campusaren ekimena da eta bertan parte hartu nahi izanez gero, idatzi iezaguzu.

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Una reciente colaboración entre el Instituto de Biomedicina de Sevilla con la Universidad del País Vasco, el Instituto Biofisika, el Donostia International Physics Center y otros prestigiosos centros nacionales e internacionales, han dado como resultado CartoCell, una herramienta de análisis de imágenes en 3D de alto contenido que revela patrones de morfología celular escondidos. Este software, de código abierto, tiene un gran potencial de aplicación tanto en ciencia básica, con la que ya ha sido probado, como para el desarrollo clínico y médico.

CartoCell es una red neuronal artificial que procesa de forma automática epitelios en 3D, esto es, permite la reconstrucción automática en 3D de imágenes obtenidas por microscopía.En busca de patrones ocultos

Los animales y plantas, además de otras estructuras de la naturaleza, presentan patrones que podemos detectar fácilmente: las rayas de las cebras, los polígonos de la jirafa o en las conchas de las tortugas, por ejemplo. Todos estos patrones tienen en común que son macroscópicos. Sin embargo, este mismo fenómeno se da a nivel microscópico, en los tejidos. “Estos patrones también aparecen durante el desarrollo embrionario”, explica Luis M. Escudero, uno de los autores e investigador del Instituto de Biomedicina de Sevilla (IBiS) y profesor de la Universidad de Sevilla. “Por ejemplo, hay genes que se expresan en patrones alternos de rayas y que son fundamentales para establecer los segmentos de los insectos”. Muchos de dichos patrones son ya conocidos y muy estudiados, sin embargo, queda mucho por descubrir.

“En nuestro trabajo hemos encontrado patrones que aún estaban escondidos…. Y que solo han podido ser desvelados al usar herramientas de inteligencia artificial para el análisis de imágenes microscópicas de tejidos. Vemos que, incluso en estructuras muy simples, ya hay asimetrías en la morfología de las células. Esta es la forma en que comienza la morfogénesis”. La morfogénesis se refiere al proceso biológico que causa que un organismo desarrolle su forma y estructura. Es una de las etapas fundamentales durante el desarrollo embrionario y se refiere a la organización y distribución espacial de las células diferenciadas para formar estructuras específicas y eventualmente órganos completos.

CartoCell, una herramienta para cartografiar los tejidos epiteliales

“CartoCell es una herramienta software que permite procesar de manera rápida y automática una gran cantidad de imágenes 3D obtenidas en el microscopio para la reconstrucción y el análisis de tejidos epiteliales a nivel celular”, prosigue el Dr. Escudero. En otras palabras, esta herramienta digital es capaz de trabajar de forma automática muchísima información, especializándose en buscar patrones, formas, distribuciones y estructuras en los tejidos a partir de imágenes.

Según aclara, CartoCell utiliza la potencia de las redes neuronales, específicamente una red neuronal artificial diseñada para optimizar la identificación de células tridimensionales en imágenes de microscopía. La principal ventaja de CartoCell es que puede identificar y estudiar la forma y distribución espacial de cada célula en el tejido epitelial, permitiendo descubrir patrones asociados a diferentes tipos de tejidos.

“Cada célula del tejido es reconstruida con una gran fidelidad, gracias a lo cual podemos estudiar tanto su forma como su distribución espacial. De este modo, CartoCell nos permite descubrir patrones asociados a los diferentes tipos de tejidos y células, así como estudiar sus reglas de empaquetamiento”. De momento, el software ha sido usado para estudios de ciencia básica, permitiendo cartografiar la morfología de las células con imágenes de diferentes tipos de tejidos. “De este modo, hemos podido encontrar patrones ocultos de una manera sencilla y muy visual”, continúa el investigador, “lo que es fundamental para estudiar la organización de tejidos epiteliales donde las células presentan un contacto estrecho”.

Pero, además de los patrones ocultos, y de la investigación biológica de tejidos, CartoCell también muestra un gran potencial de aplicación clínica. “En el ámbito biomédico, la posibilidad de analizar una gran cantidad de muestras de manera rápida y fiable, como hace CartoCell, es ideal para evaluar la reproducibilidad de cultivos de organoides [pequeños tejidos creados para simular un pequeño órgano] epiteliales y realizar comparativas detalladas entre condiciones normales y patológicas. Por poner un ejemplo sencillo”, continúa el investigador, “el testeo del efecto de fármacos en tejidos animales o humanos podría beneficiarse de nuestro método. Nuestro avanzado análisis de imágenes podría detectar cambios sutiles a nivel celular, que a la larga pueden ser importantes, del efecto de cada fármaco contra una determinada enfermedad”.

Redes neuronales y código abierto en su núcleo

El corazón de CartoCell es una red neuronal artificial. La arquitectura de la red fue diseñada partiendo de otros modelos desarrollados anteriormente por el grupo de investigación en visión artificial para bioimagen del Instituto Biofisika y el Donostia International Physics Center (DIPC), en el País Vasco, que participa en el proyecto. “Estos modelos ya habían demostrado gran versatilidad y robustez para problemas similares en imagen de microscopía de diferentes modalidades (microscopía electrónica y microscopía confocal, entre otras)”, explica el doctor Ignacio Arganda, líder de dicho grupo e investigador Ikerbasque afiliado también a la Facultad de Informática de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). “En concreto, la arquitectura y las imágenes de salida que genera fueron adaptadas para optimizar la identificación de células tridimensionales adquiridas mediante técnicas de microscopía”.

“Como toda red neuronal artificial”, continúa, “la nuestra necesita del conocido como conjunto de entrenamiento para aprender a realizar la tarea que le propongamos. En nuestro caso, dicha tarea se trata de la identificación (o “segmentación”) de células epiteliales en imágenes tridimensionales”. Normalmente, para que una red neuronal sea capaz de generalizar y realizar esta tarea con precisión, necesita un conjunto de datos muy grande y heterogéneo. Construir dicho conjunto requiere muchísimo trabajo manual, ya que habría que “pintar” una a una todas las células de las imágenes 3D de entrenamiento.

“Sin embargo”, aclara el experto, “CartoCell utiliza un conjunto de entrenamiento inicial de epitelios pintados muy pequeño. Con ese conjunto, entrenamos nuestra red neuronal una primera vez, e intentamos que prediga las identidades celulares en muchas otras imágenes de epitelios. Como es esperado, el resultado no es el ideal, pues muchas identidades no están completas, y quedan huecos entre las células. Para solucionarlo, empleamos un algoritmo de Voronoi que rellena los espacios vacíos entre las células identificadas, consiguiendo así que contacten entre ellas».

“Estas etiquetas celulares transformadas son las que llamamos weak labels [etiquetas débiles], y las utilizamos como nuestro nuevo conjunto de entrenamiento. Aunque estas etiquetas no son totalmente perfectas, capturan de una forma bastante realista la morfología celular (dado que las células epiteliales comparten algunas características de organización con los patrones de Voronoi). Además, al ser muchas y muy heterogéneas, ayudan a mejorar el proceso de re-entrenamiento de la red. Este paso es clave en CartoCell, ya que nos permite conseguir muy buenos resultados en segmentación sin tener que emplear un tiempo excesivo en etiquetar manualmente un conjunto de entrenamiento grande”, completa el investigador.

Una de las características de CartoCell es su versatilidad, según defiende el Dr. Pedro Gómez-Gálvez, autor también del trabajo y actualmente en el Departamento de Fisiología, Desarrollo y Neurociencia de la Universidad de Cambridge (Reino Unido). En concreto, su red neuronal se podría sustituir por cualquier modelo de segmentación del estado del arte (redes neuronales convolucionales 3D o cualquiera de sus variantes), siempre y cuando se utilice el concepto de etiquetado ligero o “weak labels” anteriormente descrito para mejorar el conjunto de entrenamiento. “De hecho, en nuestro artículo probamos con varias arquitecturas de red modernas y, con todas, los resultados fueron muy buenos tras el etiquetado ligero siguiendo el algoritmo de Voronoi”, confirma Gómez-Galvez.

Además, CartoCell es una herramienta de código abierto, lo que brinda la oportunidad a otros expertos de utilizar, mejorar o adaptar libremente su uso. “Todas las personas que hemos participado en la creación de CartoCell creemos firmemente en la idea de ciencia abierta. Consecuentemente, CartoCell ha sido implementado desde el primer día como código abierto, y siempre ha estado disponible para la comunidad. En ese sentido, nuestra intención ha sido crear una herramienta accesible, fácil de instalar y utilizar por personas no expertas, pero también adaptable y ampliable para quien quiera desarrollar nuevas soluciones sobre ella”, concluye.

Referencia:

Jesus A. Andres-San Roman, Carmen Gordillo-Vazquez, Daniel Franco-Barranco, Laura Morato, Cecilia H. Fernández-Espartero, Gabriel Baonza, Antonio Tagua, Pablo Vicente-Munuera, Ana M. Palacios, María P. Gavilán, Fernando Martín-Belmonte, Valentina Annese, Pedro Gómez-Gálvez, Ignacio Arganda-Carreras, Luis M. Escudero (2023) CartoCell, a high-content pipeline for 3D image analysis, unveils cell morphology patterns in epithelia Cell Reports Methods doi: 10.1016/j.crmeth.2023.100597

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

El artículo CartoCell o cómo detectar patrones ocultos en tejidos celulares se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Maddi Astigarraga

Naturan, hirietan, gure etxeetan eta gure plateretan daude. Landareak gure eguneroko bizimoduaren parte dira, eta, askotan, ez gara konturatzen. Oraingo honetan, Kiñuk, gure mundua partekatzen duten kide isil horietan erreparatu du.

Aniztasun harrigarritik gure planetan bizi diren landare kopurura, horietako batzuen bitxikeriak ere ikusiko ditugu, fotosintesia prozesua birpasatuz. Baina nonahi ageri diren arren eta bizitzeko beharrezkoan badira ere, gizarteak ez die askotan kasurik egiten landareei. ‘Landareekiko itsutasuna‘ deitzen zaio fenomeno horri. Landareak aztertu ditu gure kirikiñoak hamaika datu hauek ekarriz.

Hilero, azkenengo ostiralean, Kiñuk bisitatuko du Zientzia Kaiera bloga. Kiñuren begirada gure triku txikiaren tartea izango da eta haren eskutik gure egileek argitaratu duten gai zientifikoren bati buruzko daturik bitxienak ekarriko dizkigu fin.

Egileaz:

Maddi Astigarraga Bergara (IG: @xomorro_) Biomedikuntzan graduatua, UPV/EHUko Ilustrazio Zientifikoko masterra egin du eta ilustratzailea da.

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brillo
Los minerales, esas sustancias sólidas naturales formadas por elementos químicos ordenados en estructuras cristalinas, presentan una serie de propiedades físicas y químicas que les son únicas y características, lo que nos permite utilizarlas como criterios identificativos y clasificatorios.

Dicho de otro modo y un poco más sencillo. Debido a la composición química de los minerales y la estructura interna que presentan esos elementos químicos, cada mineral tiene unas características concretas que se pueden observar a simple vista y que son propias de cada uno de ellos, lo que nos permite identificarlos rápidamente diferenciándolos de los demás. Si lo asimilamos a los seres humanos, serían esos caracteres heredados que sirven para describir a una persona sin confundirla con otra, como el color del pelo y de los ojos, el tono de la piel, la altura, la presencia de pecas y lunares o el rango de nuestra voz.

Esto nos da mucho juego cuando organizamos actividades de divulgación geológicas, ya que podemos plantear talleres de identificación de minerales de manera muy sencilla y utilizando artilugios de andar por casa, como un trozo de loza, una navaja o un vidrio, que suelen llamar mucho la atención del público asistente. Y, aunque la mayoría de las propiedades físicas y químicas a las que hacemos alusión son muy fáciles tanto de explicar cómo de entender, hay una que se le suele atragantar a la gente. Me estoy refiriendo al brillo.

A) Ejemplar de galena, mineral con brillo metálico. B) Cristales de cuarzo, mineral con brillo no metálico.

En una definición rápida, el brillo es el aspecto que adquiere la superficie de un mineral cuando refleja la luz. Y de aquí viene la confusión. Cuando hablamos de reflejar la luz, nos imaginamos a las ondas luminosas rebotando con fuerza contra la cara del mineral y volviendo a la fuente de emisión como un nuevo haz de luz, casi como si ese mineral se convirtiese por sí mismo en emisor y produjese un destello luminoso. Esto es lo que vemos, por ejemplo, cuando el Sol incide en un objeto de metal en la calle, cuyo reflejo se convierte en un resplandor que nos marca exactamente su posición y nos molesta si lo miramos fijamente. Esto nos lleva a pensar que existen minerales que brillan, que serían aquellos que generan este efecto luminoso, y minerales que no brillan, entre los que incluiríamos todos aquellos que no provocan ese destello.

Pues este es el error que comentemos todas las personas la primera vez que nos enfrentamos a tener que describir esta propiedad óptica de los minerales, porque, en realidad, todos y cada uno de los minerales del planeta tienen brillo. Precisamente, esa apreciación visual que os he comentado en el párrafo anterior y que es totalmente intuitiva es la que nos permite clasificar el tipo de brillo de los minerales, diferenciando dos grandes grupos. Por un lado, aquellos minerales que tienen el aspecto brillante de un metal cuando les incide la luz decimos que tienen brillo metálico. Se trata de minerales de colores oscuros y opacos, es decir, que no dejan que les atraviese la luz, como la pirita (sulfuro de hierro, FeS2) o la galena (sulfuro de plomo, PbS). Y, por otro lado, tenemos los minerales de brillo no metálico, que son todos aquellos de colores claros y que se comportan como transparentes o translúcidos, por lo que transmiten la luz bien en parte o bien en su totalidad.

Tabla con la clasificación de los tipos (metálico y no metálico) y subtipos (adamantino, graso, mate, nacarado, perlado, resinoso, sedoso y vítreo) de brillo más comunes en los minerales, con algunos ejemplos característicos. Imagen modificada del original de Minerales de Visu / Universidad de Alicante

Podemos encontrar diferentes subdivisiones o agrupaciones dentro de los minerales con brillo no metálico, como los de brillo vítreo porque nos recuerdan al brillo que presenta el vidrio de una ventana, que es lo que le ocurre al cuarzo (dióxido de silicio, SiO2), o los de brillo nacarado, que en este caso se asemeja a las irisaciones que se producen en las perlas y es característico del talco (silicato de magnesio hidratado, Mg3Si4O10(OH)2). Pero, por lo general, no entramos en tanto detalle a la hora de clasificar los minerales de acuerdo a su brillo, decimos simplemente que tienen brillo metálico o brillo no metálico.

Sé que he repetido la palabra clave brillo en demasiadas ocasiones a lo largo del texto, pero ha sido totalmente a posta para dejar las ideas bien claras de que todos los minerales tienen esta propiedad y que es una de las características físicas básicas para clasificarlos. Así, cuando os enfrentéis a un apasionante taller divulgativo de identificación de minerales, sabréis la diferencia entre brillo metálico y brillo no metálico y podréis seguir jugando con sus propiedades hasta que acertéis el nombre correcto del ejemplar que tengáis en la mano.

Agradecimiento:

Quiero dar las gracias a Ana Rodrigo, Directora del Museo Geominero del Instituto Geológico y Minero de España (IGME-CSIC), por darme la idea de escribir este artículo tras una interesante conversación sobre cómo mejorar nuestras actividades de divulgación geológicas, resaltando la problemática del público en general a la hora de entender algunas de las propiedades características de los minerales.

Sobre la autora: Blanca María Martínez es doctora en geología, investigadora de la Sociedad de Ciencias Aranzadi y colaboradora externa del departamento de Geología de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

El artículo Minerales con brillo se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Zientziaren argi-itzalak (2017) liburuan, Agustin Arrieta Urtizberea zientzia-jardueraren argazki edo irudi egoki baten bila abiatzen da. Saiakera honetan zenbait oreka-ariketa egin beharko ditu. Izan ere, Arrieta ez dator bat zientziaren gainean egiten diren muturreko deskripzio hedatuenekin.

Irudia: Zientziaren argi-itzalak liburuaren azala. (Iturria: UEU argitaletxea)

Batzuetan, zientzia irudikatzen da balio sozial, politiko, ekonomiko edo etikoen eraginetatik kanpo garatzen den esparru garbi gisa. Besteetan, aldiz, zientzia negoziazio politiko-ekonomikoaren emaitza huts gisa irudikatzen da. Ez bata ez bestea. Zientziagintzak egungo gizartean izugarrizko garrantzia dauka, eta komeni da fenomeno hori ahalik eta ongien ulertzea. Hala, gure gizartea bera ere hobeto ulertuko dugu. Liburua, bada, bide horretan egindako ahalegina eta, halaber, eztabaidarako proposamena da.

Agustin Arrieta Urtizberea (Errenteria, 1962) euskal filosofo eta idazlea da. Filosofian eta informatikan lizentziatua eta filosofian doktorea da.

Argitalpenaren fitxa:

• Izenburua: Zientziaren argi-itzalak
• Egilea: Agustin Arrieta Urtizberea
• ISBN: 978-84-8438-621-6
• Hizkuntza: Euskara
• Urtea: 2017
• Orrialdeak: 138 or.

Iturria:

Udako Euskal Unibertsitatea argitaletxea: Zientziaren argi-itzalak

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Ella era tan brillante que yo sabía que yo no lo era tanto.

Svetlana Jitomirskaya en [4].

En la anterior cita, la matemática Svetlana Jitomirskaya se refiere a Valentina Borok, su madre, que fue una destacada matemática ucraniana. De ella ya hablamos en este Cuaderno de Cultura Científica.

A pesar de lo brillante que era su madre, Svetlana Jitomirskaya no se queda atrás. Especialista en sistemas dinámicos y física matemática, en 2005 obtuvo el Premio Ruth Lyttle Satter en matemáticas por su trabajo pionero en su especialidad. Y, junto a Artur Ávila, resolvió en 2009 el conocido como problema de los diez martinis en el área de los sistemas dinámicos.

Svetlana Jitomirskaya. Fuente: Springer.

 

Una familia matemática

Svetlana Yakovlevna Jitomirskaya es la hija pequeña de los matemáticos Valentina Mikhailovna Borok y Yakov Yitomirski, que realizaron conjuntamente una parte importante de su investigación.

Su hermano mayor, Michail Zhitomirski (1958) también ha dedicado su vida profesional a las matemáticas. En este momento trabaja en teoría de variedades diferenciables en el Instituto Tecnológico de Israel en Haifa.

Svetlana Yakovlevna Jitomirskaya nació el 4 de junio de 1966 en Járkov (Ucrania). Comentaba sobre sus primeros años (ver [3]):

Cuando yo nací, mis padres ya eran catedráticos (en una sociedad en la que este título inspiraba mucho respeto). Mi madre era sin duda la matemática más destacada del país. Después de haber criado a mi hermano mayor, que estaba claramente dotado para las matemáticas, mis padres pensaron que un matemático más en nuestra familia sería demasiado. Me animaron a interesarme por cosas variadas, y empecé a inclinarme seriamente por las humanidades. Escribí poesía (premiada) y gané algunos concursos nacionales de bachillerato en literatura rusa. Planeé un futuro estudiando (si no escribiendo) poesía rusa.

A pesar de que ni ella ni su familia pensaban que se iba a dedicar a las matemáticas, Svetlana, a sus 14 años, se enamoró durante unas vacaciones de un chico que vivía en Moscú. Sabía que era difícil mantener una relación a distancia y, ya con 16 años, vio que la única manera que tenía de estar cerca de su amado era ingresando en la Universidad Estatal de Moscú. En aquella época esta institución limitaba el número de estudiantes judíos que podían acceder a sus enseñanzas. Para mantener esas cuotas limitantes los aspirantes judíos eran sometidos a preguntas exageradamente difíciles durante los exámenes orales de ingreso. De esta manera intentaban asegurar que el alumnado judío no constituyera más del 0,5 % del estudiantado total. Svetlana sabía que tenía muy pocas posibilidades de aprobar en cualquier disciplina, pero las matemáticas aparecieron como una opción mejor que las humanidades al haber una competencia mucho menor y una mayor objetividad.

Las matemáticas llegan de manera inesperada

Con esta idea en la cabeza dedicó su último año de instituto a preparar el examen oral de matemáticas. En sus propias palabras (ver [3]):

Creo que durante ese año resolví todos los problemas elementales complicados que había, y algunos más. Me tomaba cada problema como algo personal y lo atacaba como si mi felicidad futura dependiera de si lo resolvía o no. Me aceptaron en la Universidad Estatal de Moscú; sin embargo, no puedo considerarlo una victoria personal como me hubiera gustado. No llegué a mostrar ni una fracción de mis habilidades en aquel examen oral, ya que no me sometieron a ese trato «judío» (quizá, debido a las conexiones de mis padres). Sin embargo, algo me ocurrió durante esa extensa preparación, ya que empecé a amar el proceso.

Y de este modo consiguió acercarse a Moscú para no separarse de Vladimir A. Mandelshtam, quien posteriormente se dedicó a la química, con quien se casó en cuanto alcanzó su mayoría de edad.

Jitomirskaya terminó sus estudios universitarios en 1987, graduándose con matrícula de honor. Continuó con su formación doctoral en la Universidad Estatal de Moscú, bajo la supervisión de Yákov Grigórevich Sinái (1935), que también la había asesorado durante sus estudios universitarios. Sinái es un reconocido especialista en teoría de sistemas dinámicos, física matemática y teoría de la probabilidad. Reconocido con el Premio Abel en 2014, fue el principal artífice de la mayoría de los puentes que conectan el mundo de sistemas deterministas (dinámicos) con el mundo de los sistemas probabilísticos (estocásticos).

Svetlana presentó su tesis doctoral en 1991: Spectral and Statistical Properties of Lattice Hamiltonians. Ese mismo año, Vladimir finalizó también su trabajo doctoral.

Antes de finalizar su tesis, en 1990, comenzó a trabajar como investigadora en el Instituto Internacional de Teoría de la Predicción de Terremotos y Geofísica Matemática de Moscú, centro en el que ya trabajaba su marido.

Un año más tarde ofrecieron a Svetlana un puesto postdoctoral en la Universidad de California en Irvine y a Vladimir otro en la Universidad del Sur de California. Aceptaron ambas ofertas de trabajo porque estarían cerca, aunque no fuera en el mismo centro. Lo que pensaron que iba a ser una estancia de un año se convirtió en su lugar de trabajo y residencia definitivos.

Una matemática reconocida

Jitomirskaya recibió el Premio Ruth Lyttle Satter 2005 de la American Mathematical Society. Este premio se concede cada dos años en reconocimiento a una contribución destacada a la investigación matemática realizada por una mujer en los cinco años anteriores. El comité de selección destacó (ver [1]):

El Premio Ruth Lyttle Satter de Matemáticas se concede a Svetlana Jitomirskaya por su trabajo pionero sobre la localización cuasiperiódica no perturbativa, en particular por los resultados de sus artículos (1) «Metal-insulator transition for the almost Mathieu operator«, Ann. of Math. (2) 150 (1999), no. 3, 1159-1175, y (2) con J. Bourgain, «Absolutely continuous spectrum for 1D quasiperiodic operators«, Invent. Math. 148 (2002), no. 3, 453-463. En su artículo de los Annals, desarrolló un enfoque no perturbativo de la localización cuasiperiódica y resolvió la vieja conjetura de Aubry-Andre sobre el operador casi Mathieu. Su artículo con Bourgain contiene el primer resultado general no perturbativo sobre el espectro absolutamente continuo.

Además, entre otros reconocimientos, Jitomirskaya ganó en 2020 del Premio Dannie Heineman de Física Matemática que se otorga cada año desde 1959 conjuntamente por la American Physical Society y el American Institute of Physics. Svetlana recibió este galardón:

Por su trabajo en la teoría espectral de operadores de Schrödinger casi periódicos y cuestiones relacionadas en sistemas dinámicos. En particular, por su papel en la solución del problema de los diez martinis, relativo a la naturaleza de conjunto de Cantor del espectro de todos los operadores casi Mathieu y en el desarrollo de los aspectos matemáticos fundamentales de los fenómenos de localización y transición metal-aislante.

El problema de los diez martinis lleva este nombre porque el especialista en teoría de la probabilidad Mark Kac (1914-1984) ofreció diez martinis a quien lo solucionara. Jitomirskaya lo resolvió junto al matemático Artur Avila (1979) en el artículo The Ten Martini Problem publicado en 2009.

A Svetlana Jitomirskaya aún le quedan muchos éxitos matemáticos por conseguir. Su madre fue un modelo extraordinario para ella. Al recibir el premio Ruth Lyttle Satter, comentó lo siguiente en su discurso de agradecimiento (ver [1]):

Debo decir que nunca me he sentido en desventaja por ser una mujer matemática; de hecho, hasta cierto punto ocurre lo contrario. Sin embargo, en comparación con la mayoría de las demás, tuve una ventaja única: un modelo fantástico desde muy pronto: mi madre, Valentina Borok, que habría sido mucho más merecedora de un premio así que yo ahora, si hubiera existido en su época. Para mí, recibir este premio es un homenaje especial a su memoria. Es un placer aprovechar esta oportunidad para darle las gracias.

Referencias

[1] AMS; 2005 Satter Prize, Notices of the AMS 52 (4) 447-448, 2005.

[2] Svetlana Jitomirskaya, Valentina Mikhailovna Borok, MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.

[3] John O’Connor and Edmund Robertson, Svetlana Yakovlevna Jitomirskaya, MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.

[4] Margarita Rodríguez, Svetlana Jitomirskaya, la matemática detrás de la solución a “el problema de los diez martinis” de la mecánica cuántica, BBC News, 10 de diciembre de 2022.

[5] Valentina Borok, Wikipedia.

[6] Svetlana Jitomirskaya, Wikipedia.

Sobre la autora: Marta Macho Stadler es profesora de Topología en el Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU, y colaboradora asidua en ZTFNews, el blog de la Facultad de Ciencia y Tecnología de esta universidad

El artículo Svetlana Jitomirskaya, la matemática que ganó la mitad de diez martinis se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Nahúm Méndez

Geologiaren ikuspegitik, funtsezkoa da eguzki sistemako gorputzen barnealdea osatzen duten geruzak nolakoak diren eta zein egoeratan dauden jakitea, haien eraketari, osaerari eta jarduera mailari buruzko informazioa eman baitezake. Oro har, eta orbitatik hartutako zeharkako neurriei eta zenbakizko eredu gero eta hobeei esker, planetak –eta beste gorputz batzuk– nolakoak diren jakiten hasten ari garen arren, xehetasun handiagoz ikusteko aukera emango diguten misioak behar ditugu. Martera 2018ko azaroan iritsi eta 2022ko abenduan misioa amaitu zuen InSight misioari eta beste batzuei esker, planeta gorriaren barnealdea askoz hobeto ezagutzen hasi gara. Ziurrenik, datozen urteetan, barnealdeari buruzko datu eta ereduen interpretazioak jasotzen dituzten artikulu berriak ikusiko ditugu; horiei esker ulertu ahal izango dugu zergatik izan zen Lurrarenaren hain bestelakoa planeta horren bilakaera.

1. irudia: Irudikapen artistiko horretan, InSight misioaren lurreratze modulua ikus dezakegu, Marteren lurzoruan sartutako “satorrarekin” batera (eskuinean), baita SEIS tresna ere (ezkerrean). Tresna horren sismometroa zuzenean ikusten ez dugun arren, tenperatura aldaketetatik eta haizearen eraginetik isolatuta egoteko balio dion kupula hauteman dezakegu. (Irudia: NASA/JPL.)

Haren instrumentuetako bi, SEIS (sismometroak eta misioaren tresna nagusia) eta RISE (planetaren errotazioa eta “kulunka” delakoa hobeto ezagutzeko zundaren komunikazio sistema baliatzen duen esperimentua), oso sentikorrak eta erabilgarriak dira planetaren “erradiografia” bat lortzen laguntzeko eta planetaren prozesu geologikoak aztertzeko, hala nola lurrikarak eta jarduera bolkaniko posiblea, baita planetaren gainazalaren eta atmosferaren arteko masa birbanatzea ere, urtaroen ondorioz gertatzen den karbono dioxidoaren transferentziaren ondorioz.

Bi tresna horiek planetaren gainean aldi berean izatea oso garrantzitsua da, izan ere, oso metodologia desberdinak erabili arren, egiazta dezakegu ea bi instrumentuen bidez sortutako barne ereduak antzekoak eta konparagarriak diren… Hain zuzen ere, hori da gertatu dena, eta saiatuko gara azaltzen zehazki zer ikusi den eta horrek zer ondorio dituen.

Has gaitezen SEIS tresnaren datuekin. Arestian esaten genuen bezala, SEIS oso sismometro sentikorra da. Lurrikarek edo meteoritoen talkak eragindako uhin sismikoak detektatzeko gai da, beste gertaera batzuen artean. Uhin sismikoek lurrikara gertatu den puntutik (hipozentroa deitzen diogu puntu horri) abiatu eta planetaren barrualdetik bidaiatzen dutenean, zeharkatzen dituzten materialen propietate aldaketak eta osaerak aldatu egiten dituzte abiadura eta ibilbidea, planeten barrualdea ez baita homogeneoa izaten.

Tresna horren bidez Marteren geruzarik barnekoena, kasu honetan planetaren nukleoa, detektatzeko, SEIS sistemak detektatu behar zituen lurrikarak iristen zitzaizkion uhin sismikoek nukleoa zeharkatu edo mantuaren eta nukleoaren arteko interfazean errebotatu behar izateko bezain urrun gertatu ziren.

Hori, a priori eta Marteren jarduera geologikoaren maila kontuan hartuta, zaila izan liteke misioak irauten duen denboran; izan ere, distantzia handi batean magnitude nahikoa duten lurrikarak gertatu beharko lirateke, eta InSight-ek hauteman egin beharko lituzke (ez dugu ahaztu behar Marten lurrikarak egon daitezkeen eremu potentzial handietako bat, InSight-ekiko, itzal sismikoko eremu deritzogunean dagoela). Baina, 976. eta 1.000. eguzkien artean guztia aldatu zen (2021ean izandako gertaera sismikoei buruz ari gara), izan ere, lurrikara batek eta gorputz batek planetaren gainazalaren kontra eragindako talkak sismometroari planeta gorriaren nukleoa zeharkatzen zuten uhinak detektatzeko aukera eman zioten.

2. irudia: Marteko mapa topografiko batean InSight misioaren kokapena eta detektatutako lurrikaren bi epizentroen kokapena erakusten duen irudia. Eskuinean, halaber, sismometrora iritsi ziren fase sismikoak ikus ditzakegu. Horiei esker, barne nukleoa ezagutu ahal izan zen, kasu honetan, SKS fasea. (Irudia: Irving et al. (2023)).

Distantziaren ideia bat izan dezagun, lurrikararen epizentroa 7.424 eta 8.468 kilometro arteko distantzia batera egongo litzateke, eta talka, berriz, 7.300 kilometro ingurura. Lurrikararen eta talkaren arteko kokapenen zehaztasunaren diferentzia faktore batek eragiten du: Mars Reconaissance Orbiter-ek zuzenean behatu du talkaren tokia eta, beraz, oso koordenatu zehatzak ezar daitezke. Baina lurrikara baten epizentroa kalkulatzeko, planetaren barrualdearen a priori eredu bat izan behar dugu, uhin sismikoen portaera ezartzeko aukera emango diguna, eta hori guztia oso ziurgabea da Marteren kasuan.

2021ean, Stähler-ek eta beste batzuek Marteren nukleoaren tamainaren lehen zenbatespenak argitaratu zituzten mantu-nukleo interfazean islatutako uhinetan oinarrituta, eta 1830±40 kilometro inguruko balioa lortu zuten. Baina datu horiek, garrantzitsuak izan arren, ez dira nahikoa… Izan ere, zerez dago osatuta eta zer egoeratan dago Marteren nukleoa? Artikulu honetan funtsezko gaietako batzuk lantzen diren arren, beharrezkoa zen uhinak nukleoa zeharkatuz behatzea, zientzialariek zituzten susmo batzuk, hala nola Irvingen eta beste batzuen (2023) artikuluak aditzera ematen dituenak, baieztatu ahal izateko.

Lehen xehetasun deigarria da burdina izateaz gain Marteren nukleoaren % 20 inguru elementu arinak direla (hala nola sufrea, oxigenoa, hidrogenoa eta karbonoa). Desberdintasun hori garrantzitsua da Lurrarekin alderatzen badugu, esaterako Lurraren kanpoko nukleoaren % 10 inguru baitira elementu arinak.

Bigarren xehetasun deigarria da oraingoz ez dela ikusi gure planetak duenaren antzeko barne nukleo solidorik, eta, halakorik bada, 750 kilometroko baino gutxiagoko erradioa izan beharko lukeela. Ziurrenik, gai hori behin betiko ixteko, gainazaleko misio berriak behar izango dira.

Hasieran esan dugun bezala, bada planetaren barrualdeari buruzko informazioa zeharka emateko gai den beste tresna bat: RISE. Izan ere, tresna hori gai da Marteren errotazioan zein ardatzaren orientazioan gertatzen diren aldaketa txikiek eragiten duten Doppler efektua neurtzeko (Marte planeta biratzen ari den zibatzat hartu behar dugu horretarako).

3. irudia: Marteren barrualdearen irudikapen artistikoa. Horretan, InSight-ek hautemandako lurrikaren epizentroak eta uhinen ibilbidea ikus ditzakegu, baita Marteren azalaren, mantuaren eta nukleoaren tamaina ere. (Irudia: NASA/JPL-Caltech/Marylandeko Unibertsitatea.)

Bada, esperimentu horrek ondorioztatu du Marteren nukleoak 1835±55 kilometro inguruko erradioa duela. Balio hori aurreko azterlanetako tartearen barruan dago eta horrek agerian uzten du azterlanen arteko kalkuluak koherenteak direla, baina diferentzia batekin: eredu honetan, adibidez, ez legoke lekurik nukleo solido baterako eta dena egoera likidoan legoke. Azken datu horren arabera, baliteke nukleo solidorik ez izatea Marteko eremu magnetiko globalaren amaieraren kausetako bat.

Eredu hori bat dator, halaber, Irvingen eta beste batzuen (2023) lanean ere aipatzen den nukleoko elementu arinak % 20 inguru izatearekin. Elementu arinen artean, ugariena sufrea da (% 15±2 gehiago pisutan); ondoren, oxigenoa (% 2,5 ± 0,5) eta karbonoa (% 1,5 ± 0,5); eta, azkenik, hidrogenoa (% 1 inguru).

Azkenik, RISEren datuei esker, egunak laburtzeko joera txiki bat aurkitu da, baina ez da horren jatorria ezagutzen. Joera hori klimaren dinamikaren eta kasko polarren eta atmosferaren arteko materia transferentziaren (eta alderantziz) edo barne faktoreen ondorio izan liteke.

Zalantzarik gabe, Insight eta antzeko misioek, nahiz eta lehen begiratuan ez diren konplexuagoak eta ikusgarriagoak diren beste misio batzuk bezain erakargarriak (hala nola Marte gaineko roverrek egiten dituztenak), agerian uzten dute oraindik askoz gehiago ikas dezakegula Marteren barrualdeari buruz, sismologiaren aurrerapenei esker, XX. mendearen hasieran geure planetan bertan egiten hasi ginen moduan.

Erreferentzia bibliografikoak:

• Irving, Jessica C. E.; Vedran Lekić, Cecilia Durán; Mélanie Drilleau, Doyeon Kim; Attilio Rivoldini, Amir Khan; et al. (2023). First Observations of Core-Transiting Seismic Phases on Mars. Proceedings of the National Academy of Sciences 120, 18. Doi: 10.1073/pnas.2217090120.
• Le Maistre, Sébastien; Rivoldini, Attilio; Caldiero, Alfonso; Yseboodt, Marie; Baland, Rose-Marie; Beuthe, Mikael; Van Hoolst, Tim; et al. (2023). Spin State and Deep Interior Structure of Mars from InSight Radio Tracking. Nature, 619. Doi: 10.1038/s41586-023-06150-0.
• Stähler, Simon C.; Khan, Amir; Banerdt, W. Bruce; Lognonné, Philippe; Giardini, Domenico; Ceylan, Savas; Drilleau, Mélanie; et al. (2021). Seismic Detection of the Martian Core. Science 373, 6553, 443-48. Doi: 10.1126/science.abi7730.

Egileaz:

Nahúm Méndez Chazarra geologo planetarioa eta zientzia-dibulgatzailea da.

Jatorrizko artikulua Cuaderno de Cultura Científica blogean argitaratu zen 2023ko uztailaren 10ean: El núcleo de Marte.

Itzulpena: UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.

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repulsión

Debido a que las plántulas de los árboles no crecen tan bien cuando están cerca de sus progenitores, se pueden concentrar más especies de árboles en los bosques tropicales.

Un artículo de Veronique Greenwood. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons

Vista aérea del bosque tropical en la Isla de Barro Colorado. Fuente: Christian Ziegler / Wikimedia Commons / Gewin V, PLoS Biology Vol. 4/8/2006, e278 doi: 10.1371/journal.pbio.0040278

Para los ecólogos, las selvas tropicales encierran muchos enigmas. Una sola hectárea puede contener cientos de especies de árboles, muchas más que en los bosques más cercanos a los polos. De alguna manera estas especies coexisten en una abundancia tan vertiginosa que, como han señalado a veces los naturalistas y ecólogos, los bosques tropicales pueden parecer jardines botánicos, donde cada planta es algo nuevo.

Para que tal multitud de especies esté tan densamente agrupada deben coexistir en un equilibrio muy particular. La evolución parece no favorecer situaciones en las que una sola especie prospera de manera demasiado agresiva, sino que favorece aquellas en las que los organismos están rodeados de especies distintas a la suya. Conciliar estos hechos con lo que se sabe sobre cómo las especies se distribuyen, compiten e influyen entre sí es un desafío.

Para estudiar esta extraordinaria diversidad hace años los científicos comenzaron a establecer parcelas de bosque donde podían registrar y rastrear la ubicación y el estado de cada árbol durante décadas. Una de las primeras parcelas de este tipo, en la isla de Barro Colorado (IBC) en Panamá, tiene 500 metros de ancho por 1.000 metros de largo (el área de unos 70 campos de fútbol) y contiene más de 300 especies. Desde 1980, investigadores de todo el mundo han estudiado minuciosamente los registros detallados de sus habitantes.

En un artículo publicado recientemente en Science, investigadores de la Universidad de Texas en Austin modelaron varios escenarios de distribución y los compararon con datos de IBC. Descubrieron que los patrones en la dispersión de semillas por el viento o por las aves y otros animales salvajes, así como procesos más aleatorios, no eran suficientes para explicar la distribución de los árboles adultos en el bosque. Sugieren que esto es evidencia de una “repulsión específica de la especie”, una teoría de larga data de que los árboles de la misma especie se espacian naturalmente porque el ambiente que rodea inmediatamente a un árbol padre es específicamente hostil a la propia descendencia del árbol.

Distanciamiento social en árboles

Esta idea de repulsión, formalmente conocida como dependencia negativa de la densidad conespecífica, o CNDD (por sus siglas en inglés), se remonta a la década de 1970, cuando los ecólogos Daniel Janzen y Joseph Connell sugirieron de forma independiente que los insectos, herbívoros y patógenos que se alimentan selectivamente de una especie podrían hacer que el área alrededor de un árbol adulto fuese peligrosa para sus semillas. No se impediría con la misma eficacia que otras especies creciesen en la zona, aunque seguirían estando limitadas por problemas no específicos, como la falta de luz solar bajo la copa de un árbol adulto. El resultado sería que los árboles adultos de una especie tenderían a mantener una especie de “distancia social” mínima entre sí.

Los ensayos realizados en las últimas décadas, principalmente con plántulas, apoyan la CNDD, afirma Michael Kalyuzhny, autor principal del nuevo artículo, cuyo trabajo como investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin le ha llevado a abrir un laboratorio en la Universidad Hebrea de Jerusalén. Las semillas a menudo no crecen tan bien en el suelo tomado de lugares cercanos a sus árboles progenitores como en el suelo de lugares cercanos a árboles no relacionados.

Sin embargo, incluso una mirada superficial a los datos del IBC muestra que los árboles adultos en ese bosque no parecen repelerse entre sí. En cambio, los árboles se agrupan, formando grupos sueltos de la misma especie en toda la parcela.

Kalyuzhny y Annette Ostling, la ecóloga comunitaria que dirige el laboratorio donde trabaja Kalyuzhny, se propusieron modelar diferentes escenarios que podrían explicar las distribuciones de árboles observadas, para saber si algo podría estar dificultando el papel de la CNDD en el bosque.

El azar por sí solo no es la respuesta: cuando ejecutaron un modelo nulo, en el que los árboles estaban espaciados aleatoriamente, los árboles adultos de una especie se dispersaban demasiado.

Entonces los investigadores introdujeron el efecto de la dispersión de semillas en sus modelos, que podría ser por el viento, las aves y otros animales. Helene Muller-Landau y sus colaboradores de IBC han hecho estimaciones de lo lejos que puede viajar una semilla desde su fuente dentro de una parcela de 50 hectáreas, utilizando redes que capturan las semillas a medida que van a la deriva hacia el suelo del bosque. Las semillas se recolectan periódicamente y se calcula la distancia a sus progenitores. Kalyuzhny y sus colegas se han basado en estos datos para modelar disposiciones de los árboles determinadas únicamente por la limitación de la dispersión.

Adult trees in tropical forests produce seeds and seed pods that have wildly diverse shapes, which allows them to be spread by wind or by animals in different ways. Foto: Christian Ziegler

Pero este modelo produjo árboles demasiado agrupados. Algo parecía estar actuando sobre la distribución producida por la limitación de la dispersión, dispersando los árboles. “Algo está creando esta repulsión. Y no podemos pensar en otra cosa que en la CNDD”, explica Kalyuzhny.

Cuando los investigadores calcularon lo específica que era la repulsión (cuánto peor era para un árbol estar cerca de su propia especie que de otra), descubrieron que habría tenido que ser bastante fuerte para producir el patrón observado. Esto confirmó un punto esencial de las ideas de Janzen y Connell: «Lo que sea que cree la CNDD tiene que ser específico de cada especie», añade Kalyuzhny.

La importancia de los eventos raros

Ryan Chisholm, ecólogo teórico y profesor de la Universidad Nacional de Singapur que estudia la distribución de los árboles tropicales, está de acuerdo en que los hallazgos de Kalyuzhny encajan con trabajos anteriores sobre la CNDD. Sugiere, sin embargo, que los modelos podrían estar subestimando hasta qué punto los mecanismos de dispersión pueden propagar las semillas. Si los eventos de gran dispersión son raros, por ejemplo, podrían ser difíciles de ver en los datos de las trampas de semillas. Y si las semillas son transportadas más lejos de lo que los investigadores creen, eso podría explicar los grupos de árboles más dispersos en los bosques sin necesidad de repulsión.

«Lo que están diciendo aquí es que según su modelo de limitación de dispersión, los patrones que observan son imposibles», dijo Chisholm. «Yo diría que todavía no sabemos lo suficiente para decir eso».

Los eventos raros han sido importantes en la dispersión de especies de todo tipo: se cree que los monos, por ejemplo, llegaron a América desde África en balsas de vegetación, un evento tremendamente improbable que, sin embargo, tuvo consecuencias significativas. «Ocasionalmente, encontrarás ese pájaro que lleva la semilla muy lejos, o que queda atrapado por el viento y se lanza a la aventura», comenta Chisholm.

Señala que todavía no conocemos suficientemente bien la forma de la curva de distribución de semillas; no es una simple curva de campana, como podrían pensar los no expertos, porque parece tener una “cola muy gruesa” al final.

Si los ecólogos tuvieran datos a una escala mucho mayor que 50 hectáreas, algo que prometen las nuevas técnicas de estudio mediante las cuales los científicos pueden contar árboles desde el aire, podría surgir una nueva visión. Podría ser posible ver patrones que no se ven actualmente, lo que podría cambiar la comprensión del papel que desempeñan la CNDD y la limitación de la dispersión de semillas en la disposición de los bosques. «Esta era de simplemente contemplar una parcela de 50 hectáreas parecerá extremadamente pintoresca, como un telescopio portátil en comparación con el Hubble», predice Chisholm.

Por ahora, Kalyuzhny y sus colegas planean realizar análisis similares en otras parcelas de estudio en todo el mundo para ver qué patrones emergen: ahora hay más de 70 sitios en todo el mundo con parcelas de hasta 50 hectáreas de tamaño, todas monitoreadas como la parcela en IBC. También han realizado simulaciones en las que ajustan el alcance de la CNDD y han descubierto que incluso la repulsión en distancias relativamente cortas puede provocar grandes efectos a escala del bosque.

“Yo repelo a mis vecinos, y ellos repelen a sus vecinos, y ellos repelen a sus vecinos”, explica Kalyuzhny, describiendo cómo pueden surgir patrones a gran escala a partir de acciones a pequeña escala. «El bosque es un cristal desordenado».

 

El artículo original,  ‘Species Repulsion’ Enables High Biodiversity in Tropical Trees, se publicó el 13 de septiembre de 2023 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López

El artículo La ‘repulsión de la especie’ permite una alta biodiversidad en los árboles tropicales se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.

Irati Diez

Landareen albo-organoak, hau da, hostoak eta ugalketa-aparatuak (loreak), antolaketa erregular bat jarraituz kokatzen dira zurtoinean. Antolaketa horri filotaxia deritzo. Teorikoki, eredu filotaktiko asko egon beharko lirakete naturan, aukerak amaigabeak baitira matematikoki. Alabaina, aniztasun hori ez da betetzen errealitatean. Landare erreinuan albo-organoen antolaketa-eredu gutxi daude, eta ohikoena Fibonacci espirala da. Ikerketa berri batek eredu filotaktiko horren jatorria aztertu nahi izan du, Fibonacci espirala antzina-antzinatik datorren eredu bat ote den ikusteko.

Naturan, ohikoa da bizidunek patroi edo eredu geometrikoak jarraitzea. Esan genezake animalia eta landare ia denak direla simetrikoak modu batean edo bestean. Animalia gehienek simetria bilaterala dute, baina badira simetria erradiala dutenak ere. Landareen kasuan, bestalde, simetria erradiala da ohikoena, eta landarearen atal bat baino gehiagotan ikus daiteke: hostoen edo adarren kokapenean, hostoen inerbazioetan, eta bereziki loreetan, non patroi horiek are ederragoak diren, loreen forma- eta kolore-aniztasuna dela eta.

Irudia: Landareen albo-organoak, hau da, hostoak eta ugalketa-aparatuak (loreak), antolaketa erregular bat jarraituz kokatzen dira zurtoinean. Antolaketa horri filotaxia deritzo. (Argazkia: ALTEREDSNAPS – erabilera libreko irudia. Pexels.com)

Landareen “arkitektura” askotarikoa bada ere, eredu batzuk landare espezie askotan agertzen dira, eta, esan bezala, Fibonacci espirala da eredu filotaktiko arrakastatsuena landare erreinuan. Fibonacci espirala jarraitzen duen landare batean albo-organoak goitik begiratzen badira, organo horiek erlojuaren noranzkoan edota kontrako noranzkoan ateratzen dira zentrotik, bata bestearen alboan. Aldamenetik begiratuta, bestalde, organoek helize bat osatzen dute. Fibonacci espiraletan, bata bestearen ondoan dauden eta erlojuaren noranzkoan edota kontrako noranzkoan biratzen den organo kopurua Fibonacci sekuentziaren zenbaki bati dagokio. Eta zer da sekuentzia hori? Bada, bat zenbakitik hasita, segidaren aurreko bi zenbakien gehiketarekin eraikitzen den zenbaki-segida da (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21…). Hortik dator, hain zuzen ere, espiral horren izena.

Zientzialariak mendez mende saiatu dira ulertzen Fibonacci espiralaren arrakasta landareetan. Zergatik izan ote da ebolutiboki hain abantailatsua egitura hori? Ikerketa asko egin da gai horren inguruan, eta hainbat ondoriotara iritsi dira orain arte. Alde batetik, badirudi Fibonacci espiralak landare bateko hosto guztien argi-xurgapen optimoa ahalbidetzen duela. Landareentzat, organismo fotosintetizatzaileak izanik, argiaren xurgapen eraginkorra izatea oso garrantzitsua da garapen egoki baterako. Hala, hostoak Fibonacci espirala jarraituz hazten diren landareetan, hostoen arteko angelua “perfektua” da hosto bakoitzaren gaitasun fotosintetiko maximoa ahalbidetzeko. Gainera, baliabideak ongi kudeatzeko estrategia bat ere izan liteke Fibonacci espirala. Izan ere, eredu hori jarraituz, landareak organo (hosto, lore edo hazi) kopuru maximoa sor dezake ehun kantitate jakin baterako.

Patroi horren arrakasta ikusirik, azterketa batek enpirikoki kuantifikatu nahi izan zuen filotaxia-eredu horren nagusitasuna, eta horretarako, 650 hazidun landare espezieren 12.000 behaketa egin zituzten. Emaitzek erakutsi zuten aztertutako landareen %91k Fibonacci espiralaren eredua jarraitzen zuela. Eredu geometriko horren hedapena ikusita, pentsatu izan da Fibonacci eredu filotaktikoa hazidun landare guztien antzinako ezaugarri bat dela, eta eboluzioan zehar espezie gehienetan iraun duela. Susmo horren egiazkotasuna aztertzeko, ikerketa berri batek Asteroxylon mackiei landare fosilaren filotaxia aztertu du. Espezie hori landare hostodunetan lehenetako bat da, Drepanophycales iraungitako taldeko kidea. Ikertzaileek pentsatu zuten lagungarria izan zitekeela antzinako espezie horren eredu filotaktikoa aztertzea Fibonacci espiralaren jatorria hobeto ulertzeko.

Fosilen prestakuntzarako teknika klasikoak eta 3D berreraikitze digitaleko metodoak konbinatuz, hainbat A. mackiei kimu fosilen filotaxia kuantifikatu zuten. Analisiaren emaitzek adierazi zuten A. mackiei espezieak eredu-filotaktiko askotarikoak zituela, baina Fibonacci espirala ez zen horietako bat. Hain zuzen ere, A. mackiei espezieko hostoen kokapenak espiral mota ugariren eredua jarraitzen zuen, eta horietako bat n:(n+1) ekuazioa jarraitzen duen filotaxia-espirala zen. Ekuazio horrek ratio bat adierazi nahi du; hain zuzen, bata bestearen ondoan dauden eta erlojuaren noranzkoan eta kontrako noranzkoan biratzen den organo kopuruen arteko ratioa. Eredu filotaktiko hori zaila da aurkitzen iraungi gabeko landare espezieetan.

Aurrez argitaratutako azterketek iradokitzen zuten Fibonacci espirala landare baskularren eboluzioan zehar iraun duen antzinako ezaugarri bat zela. Haatik, aipatutako azterketa berriak ez du hipotesi hori babesten. Kontrara, erakusten du n:(n+1) filotaxia-espirala existitzen zela landareen eboluzio goiztiarrean. Gainera, aintzat izanda Asteroxylon mackiei espeziea lehen hostodun landareen taldeko kidea dela, aurkikuntza horrek iradokitzen du n:(n+1) motako espiralak Fibonacci espiral arrakastatsuen aurrekariak izan zirela landareen eboluzioan. Gauzak honela, antzinako landareek espiral primitiboagoak jarraitzen bazituzten ere, argi dago eboluzioak garaiz hartu zuela geometria bidelagun.

Erreferentzia bibliografikoak:

• Jean, Roger V. (1994). The centric representation. Phyllotaxis: A Systemic Study in Plant Morphogenesis (pp. 11-30). Cambridge: Cambridge University Press. DOI: 10.1017/CBO9780511666933.003
• Reinhardt, Didier; Gola, Edyta M. (2022). Law and order in plants – the origin and functional relevance of Phyllotaxis. Trends in Plant Science, 27, 10, 1017–1032. DOI: 10.1016/j.tplants.2022.04.005
• Turner, Holly-Anne; Humpage, Matthew; Kerp, Hans; Hetherington, Alexander J. (2023). Leaves and sporangia developed in rare non-Fibonacci spirals in early leafy plants. Science, 380, 6650, 1188–1192. DOI: 10.1126/science.adg4014

Egileaz:

Irati Diez Virto Biologian graduatu zen UPV/EHUn eta unibertsitate berean Biodibertsitate, Funtzionamendu eta Ekosistemen Gestioa Masterra egin zuen.

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