Bitácora de Física y Química

El jueves, 10 de diciembre, se entregan en Estocolmo (Suecia) los Premios Nobel del año 2009.

El Premio Nobel de Química ha sido concedido en esta edición a Ada E. Yonath, Thomas A. Steitz y Venkatraman Ramakrishnan (de izquierda a derecha en la foto) “por la detallada descripción de los ribosomas, los orgánulos en los que se sintetizan las proteínas”. Los ribosomas leen la información del ARN mensajero y, en función de esa información, fabrican proteínas. Los científicos se refieren a este proceso como la traducción. Es durante este proceso de traducción cuando la información ADN/ARN se convierte en proteínas, cuando la vida alcanza toda su complejidad.

Ada Yonath, al final de la década de 1970, intentó generar estructuras cristalográficas de rayos X de los ribosomas. En este momento la mayoría de las personas consideraban que esto era imposible. En la cristalografía de rayos X, los científicos hacen incidir rayos X en un cristal de, por ejemplo, una proteína. Cuando los rayos golpean los átomos del cristal son dispersados registrándose el resultado de esa dispersión. Anteriormente esto se lograba mediante una película fotográfica que era impresionada por los rayos X. Hoy en día se utilizan detectores CCD, los mismos que pueden encontrarse en las cámaras digitales (y que han sido objeto del Nobel de Física 2009). Analizando el patrón de dispersión obtenido los científicos pueden determinar cómo están colocados los átomos en una proteína.

Para que esto funcione el cristal tiene que ser casi perfecto, las moléculas deben de formar un patrón preciso que se repita una y otra vez. Obtener cristales de alta calidad de una proteína puede ser una tarea complicada, y cuanto más compleja sea la proteína, más difícil es la tarea.

A principios de la década de 1990 los cristales producidos por Ada Yonath tenían ya la calidad suficiente. El patrón de puntos negros tenía el detalle suficiente para poder determinar la ubicación de los átomos en el cristal. Sin embargo, aún había que salvar un obstáculo considerable. El “problema de la fase”, común en la cristalografía de rayos X.

Fue Thomas Steitz, quien finalmente resolvió el problema.

Las estructuras cristalinas de la subunidad pequeña de los ribosomas obtenidas por Venkatraman Ramakrishnan han sido cruciales para la comprensión de cómo los ribosomas logran realizar la traduccion sin apenas errorres. Venkatraman identificó algo que podría ser descrito como un “comprobador molecular”. Usando el comprobador dos veces, el ribosoma realiza un doble chequeo de que todo es correcto. De este modo se garantiza que los errores se producen sólo una vez por cada 100 000 aminoácidos.

Los laureados con el Premio Nobel de Química 2009 han hecho posible la comprensión de cómo a nivel atómico la naturaleza puede transformar algo tan simple como un código de cuatro letras en algo tan complicado como la vida misma, justamente lo que James Watson predijo en 1964. Y la investigación, impulsada por la curiosidad, puede también, como tantas veces se ha demostrado, tener aplicaciones prácticas. Esta vez resulta útil en la búsqueda de nuevos antibióticos.

Más información:

Fundación Nobel

FisQuiWeb

El Premio Nobel de Física 2009 ha sido concedido a Charles Kuen Kao (1933. China) por un lado y a Willard Sterling Boyle (1924. Canadá) y George Elwood Smith (1930. USA) por otro (de izquierda a derecha en la foto).

Kao está considerado como el padre de la fibra óptica ya que fue él quien resolvió los principales problemas planteados para que un rayo de luz, introducido en el interior de una fibra de vidrio, pudiera ser utilizado para la transmisión de datos a largas distancias.

En la segunda mitad de los años sesenta se sabía que, debido al fenómeno de la reflexión total, un rayo de luz podía quedar “atrapado” en el interior de un cable de vidrio, pero después de sólo veinte metros de recorrido sólo un 1% de la luz permanecía en el interior de la fibra. Las pérdidas eran enormes.

Kao estudió el fenómeno y llegó a la conclusión de que las imperfecciones del vidrio eran la causa principal. Era necesario obtener vidrio de una pureza y transperencia desconocida hasta entonces para lograr que la transmisión mediante rayos de luz fuera posible. Se utilizó sílice como materia prima (en lugar de cuarzo) y se rediseñaron los procedimientos químicos. El resultado fue la obtención de un nuevo vidrio: fuerte, ligero y flexible en el cual la luz se propaga con pocas pérdidas. Hoy en día innumerables datos fluyen a través de una red de fibra de vidrio cuya longitud se estima en más de mil millones de kilómetros, longitud suficiente para rodear nuestro planeta más de 25 000 veces, aunque esto es sólo el principio.

 Willard Boyle y George Smith son los inventores del sensor digital de imágenes conocido con las siglas CCD (Charge Coupled Device) que ha permitido el desarrollo de la fotografía digital arrinconando las películas fotográficas como medio para almacener las imágenes.

El CCD es, a grandes rasgos, una simple placa de silicio que contiene millones de fotocélulas sensibles a la luz. Cuando sobre estas fotocélulas incide la luz se produce la emisión de electrones (efecto fotoeléctrico) que se acumulan en las propias fotocélulas. A mayor cantidad de luz, más electrones son liberados.  A continuación los electrones contenidos en la matriz formada por las fotocélulas pueden ser extraídos y leídos ordenadamente para ser convertidos en una sucesión de ceros y unos que reconvertidos en píxeles recomponen nuevamente la imagen

La sensibilidad del CCD ha hecho posible la obtención de las espectaculares imágenes que el Hubble envía a la Tierra. También en el mundo de lo muy pequeño es útil: la obtención de las imágenes de los ribosomas (las “fábricas” de proteínas de los organismos vivos) obtenidas mediante dispersión de rayos X (que han sido galardonadas con el Premio Nobel de Química de este año) se han podido obtener mediante el empleo de sensores CCD.

Mas información:

Fundación Nobel

Fisquiweb

(Foto: La Nueva España)

Amador Menéndez Velázquez (Amador para nosotros) está de plena actualidad. La semana pasada supimos que había ganado el Premio Europeo de Divulgación Científica por su obra Una revolución en miniatura. Nanotecnología y disciplinas convergentes, que habrá  que leer con atención, porque si hay alguien con capacidad sobrada para explicar las cosas más complicadas de manera sencilla y atractiva es él. De eso sabemos bastante en el Suanzes, ya que pudimos disfrutar de un par de conferencias suyas, precisamente sobre este mismo tema. Hoy mismo Amador vuelve a los periódicos, y es que en el suplemento Siglo XXI de La Nueva España le dedican un par de páginas completas (ver referencia al final del post) en las que pasa revista a los últimos avances en nanotecnología. Además nos cuenta de qué van sus investigaciones (¡nada menos que en el MIT!): está tras una pintura fotovoltaica capaz de captar la radiación infrarroja de la luz solar. Dicha pintura aplicada a los cristales de las ventanas convertiría a éstas en paneles solares integrados en la estructura del edificio, baratos y no dependientes de que el día sea soleado o no, de que sea de noche o de día. La radiación infrarroja (que no es captada por el ojo humano) llega a la Tierra también en los día nublados o por la noche. ¡Fantástico!

Como estamos seguros del éxito, desde esta bitácora le mandamos un afectuoso saludo y los mejores ánimos para seguir adelante.

Artículo de La Nueva España

No es que sean unos objetivos muy ortodoxos (ningún inspector los daría de paso) pero, en mi opinión, es algo que hay que intentar en nuestras clases:

• No aburrir, como premisa. Si aburrimos a nuestros alumnos/as no lograremos que nos presten atención, condición indispensable para que nosotros podamos enseñar y ellos/as aprender, aunque con esto sólo no basta.
• Despertar interés. Si logramos que lo que hacemos despierte el interés tendremos una gran parte del camino andado. Si te interesa algo, procuras saber más de ello. De eso se trata.
• Sorprender. Aunque no siempre sea posible el aderezar de vez en cuando nuestras clases con alguna cosa sorprendente no viene mal. Tampoco se trata de hacer grandes cosas.

Conseguiremos ésto siguiendo rígidamente un libro (”para mañana los ejercicios 4,5,6 y 7″) o enseñando Física o Química en un encerado. Seguro que no. ¿Por qué no ensayar otros métodos?

Los más entusiastas afirman que, al final, todo en la vida es química. Nosotros mismos estamos formados por infinidad de átomos combinados de mil formas distintas; gracias a reacciones químicas de oxidación obtenemos la energía indispensable para realizar nuestras funciones básicas, la secuencia de bases de nuestro ADN transmite las intrucciones para que las proteínas sean sintetizadas y nuestras neuronas se interconectan mediante mensajes químicos permitiéndonos pensar.

Sin llegar tan lejos lo que sí es cierto es que la química está presente en muchos de los procesos que podemos observar a diario.

Fijémonos en el pardeamiento (”browning” en inglés) que sufren algunas frutas (por ejemplo las manzanas), cuando sufren un golpe o las dejamos un tiempo expuestas al aire tras pelarlas. El color pardo que aparece es debido a la formación de polímeros de ese color (melaninas) que son sintetizados a partir de las quinonas. Las quinonas, a su vez, pueden obtenerse por oxidación de los polifenoles:

Los polifenoles se encuentran almacenados en las vacuolas de las células vegetales y en  los cloroplastos se encuentran unas enzimas, las polifenol oxidasas (PPO), que son capaces de catalizar la oxidación de los polifenoles a quinonas.

En circunstancias normales los polifenoles no tienen contacto con las PPO y la reacción no se produce a velocidad apreciable, pero si por un impacto u otro procedimiento similar (al pelar con un cuchillo) se produce la ruptura de los compartimentos en que ambos productos se alojan, éstos se ponen en contacto y la producción de quinonas comienza.

Las PPO tienen una estructura bastante compleja, constan de átomos de cobre (esferas verdes) enlazados con moléculas de la proteína histidina (cadenas azules):

 Sin tener conocimientos de química muchas amas de casa saben que el pardeamiento de la fruta se puede evitar rociándola con limón. Para comprobar este extremo se ha llevado a cabo la siguiente experiencia: en la composición fotográfica se pueden ver dos trozos de manzana uno de los cuales (el que está situado al lado del trozo de limón) se ha rociado con zumo de limón. Tras varias horas es evidente la diferencia de aspectos entre ambos trozos: el que ha sido rociado con limón conserva su color original, mientras que en el otro  es patente el pardeamiento a medida que pasa el tiempo. Efectivamente el invento funciona.

¿Por qué sucede esto? …

La explicación está en el ácido cítrico del zumo de limón que bloquea la acción de las PPO por dos caminos distintos:

• Forma un complejo con los átomos de cobre de las enzimas (quelato) impidiendo que la enzima pueda actuar.

• Hace que el pH disminuya drásticamente (por debajo de 2) lo cual también produce la desactivación de las polifenol oxidasas.

Como puede suponerse evitar este efecto (el pardeamiento) tiene gran interés comercial y los procedimientos usados se basan, bien en inhibir la acción de las PPO (mediante calor, disminución del pH o adicción de sustancias quelantes) o bien en evitar el contacto con el oxígeno.

Por cierto, la reacción mencionada es muy rápida y evidente en los champiñones. Sin embargo, los champiñones laminados en bandejas (que están en contacto con el oxígeno) se muestran exultantemente blancos durante periodos de tiempo muy largos a pesar de haber sido cortados. Sus PPO deberían trabajar a pleno rendimiento ¿porqué no lo hacen?

Los tres señores situados en la fila superior de esta composición fotográfica han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2009. Sus nombres son (de izquierda a derecha) Kao Kuen, Willard Boyle y George Smith . Les han concedido el premio por haber logrado los sensores de imagen que permiten captar imágenes sin recurrir a la película y gracias a los cuales se han desarrollado las cámaras digitales (Boyle y Smith), o por haber desarrollado la fibra óptica (Kao) que permite, entre otras cosas, la transmisión de la información de forma prácticamente instantánea a través de Internet. Se calcula que en el mundo  hay tendidos cables de fibra óptica con los cuales podriamos rodear nuestro planeta 25 000 veces.

En la fila inferior se muestran las fotos de Venkatramann Ramakrishnan, Ada E. Yonath y Thomas A. Steiz, galardonados con el Premio Nobel de Química 2009. Entre los tres han logrado averiguar cómo se fabrican las proteínas a partir de la información genética. Algo que está en la raiz de la vida. Además, su descubrimiento ha permitido aclarar la forma en la que actúan los antibióticos sobre las bacterias, lo que da nuevas armas para luchar contra una situación altamente preocupante: el desarrollo de bacterias resistentes a cualquier tipo de antibiótico.

Los cuatro personajes que están en el centro no necesitan presentación: se ganan la vida jugando al futbol.

La dotación económica del Premio Nobel es de 975 000 euros (a repartir entre tres).

Según información recogida en Internet en marzo de 2009 (seguro que ahora la situación es distinta, pero tampoco es relevante):

Beckham  gana al año 32 400 000 euros

Messi gana al año 28 600 000 euros

Ronaldinho gana al año 19 600 000 euros

Cristiano Ronaldo gana al año 18 300 000 euros

Nuestros más sesudos investigadores en didáctica y pedagogía siguen preguntándose porqué los estudiantes están cada vez menos motivados y porqué el interés por las asignaturas de ciencias decae año a año.

Empezamos el curso con una pequeña investigación. Hay que medir,  tomar datos, ordenarlos en tablas, analizarlos y llegar a alguna conclusión. Siempre me encuentro con lo mismo: los decimales los escriben, la mayoría,  con la coma situada en la parte superior del número… ¿por qué? ¿Es correcto escribir un número decimal con la coma “arriba”?

 A lo que parece el primero que utilizó el punto (abajo) para separar las unidades de las décimas fue el italiano Magino en 1592.

El uso de la coma (¡mira tú por dónde!) se debe a Willebrord Snell (1580-1667) que se hizo popular, no por este detalle, sino porque descubrió la expresión matemática que relaciona el seno del ángulo de incidencia y el de refracción, la popular Ley de Snell de la refracción.

En el s. XVII El escocés John Napier inclinó la balanza hacia el punto (al menos en las Islas Británicas), ya que aunque en su obra Rhabdologia (1617) usaba tanto el punto como la coma, las tablas de logaritmos que lo hicieron famoso (logaritmos neperianos) estaban escritas separando la parte decimal del número mediante un punto.

Con todo esto llegamos al s. XVIII en el que ya se aprecia la división que se mantiene hasta hoy día: mientras Europa utilizaba de forma generalizada la coma como separador decimal, los países de habla inglesa preferían utilizar el punto.

La CGPM (Conferencia Greneral de Pesos y Medidas) dice algo al respecto. En su 22 reunión (2003), establece (resolución 10):

“declares that the symbol for the decimal marker shall be either the point on the line or the comma on the line, reaffirms that “Numbers may be divided in groups of three in order to facilitate reading; neither dots nor commas are ever inserted in the spaces between groups”, as stated in Resolution 7 of the 9th CGPM, 1948.

La cosa, por tanto, parece que está bastante clara: puede utilizarse el punto o la coma, pero en ambos casos deben estar “on the line”. De la “coma arriba”, ni rastro (¿existe una “coma arriba”?). Además, olvidémonos de colocar el punto para indicar los miles, los millones o similares. Sólo se admiten los espacios para separar las cifras en grupos de tres con el fin de facilitar su lectura.

Más información:

Wikipedia

Oficina Internacional de Pesos y Medidas

Hoy es, astronómicamente hablando, un día señalado, especial, es el equinocio de otoño. Hoy la duración del día y la noche son exactamente iguales, y eso se debe a que los rayos solares caen perpendicularmente el ecuador terrestre iluminando exactamente la mitad del planeta. El Sol, en su movimiento aparente alrededor de la Tierra, está, justamente, en el plano del ecuador terrestre.  Aunque identifiquemos el equinocio de otoño con un día particular (este año el 22 de septiembre), realmente el paso por ese punto se realiza en un instante dado. Este año a las 21 h 18 min (hora UT), las 23 h 18 min de tu reloj , si estás en España (vamos dos horas adelantados respecto del llamado tiempo universal).

Yuri Gagarin fue el primer ser humano en orbitar alrededor de la Tierra, lo hizo durante 48 min el 12 de abril de 1961. Preguntado sobre el aspecto que nuestro planeta tiene visto desde el espacio Gagarin respondió: “La Tierra es azul” .

Tal vez podríamos seguir hablando sobre el equinocio de otoño, pero es preferible contemplar nuestro planeta girando lento y azul sobre el fondo de estrellas.

 El vídeo fue grabado usando el programa Celestia. La Tierra es observada desde una altura de 8.500 km y desde un punto situado a la altura del ecuador terrestre. Gira a una velocidad 1000 veces superior a la real, completando una vuelta en 1min y 30 s aproximadamente.

Italia está llena de alusiones a Galileo Galilei, y más en este año que la conmemoración del Año Internacional de la Astronomía ha puesto al pisano de rabiosa actualidad. Empezamos con una estatua que se puede ver en el exterior del Museo de los Medici en Florencia.

Santa María sopra Minerva es una iglesia romana situada a espaldas del Panteón. Las guías turísticas la recomiendan por “la impresionante colección de arte italiano”, las tumbas del s. XII o las obras toscanas y venecianas del s. XV, pero en ningún sitio se comenta que en su sacristía, situada a la izquierda del altar mayor, tuvo lugar un hecho de capital importancia: aquí fue juzgado, y condenado, Galileo en 1633.

No lejos de Santa María, en el Campo di Fiori, fue quemado vivo en 1600 Giordano Bruno, monje dominico (también juzgado en Santa María sopra Minerva), defensor del heliocentrismo. La sombría silueta del monje preside hoy una bulliciosa plaza atestada de puestos de venta.

Galileo asistía frecuentemente a misa en la catedral de Pisa. Durante los largos oficios observaba el balanceo de la lámpara. Pensando sobre ello descubrió que el periodo de oscilación de un péndulo depende únicamente de su longitud. Dicen que la lámpara de la historia es la que aparece en la fotografía (convenientemente adaptada a la iluminación eléctrica).

Según sus propias palabras los dieciocho años (1592-1610) que pasó en Padua fueron los mejores años de su vida. No es extraño que la ciudad de San Antonio (que no era de Padua) le dedique una calle.

En la vía Galileo Galilei está su casa. Seguramente algunas páginas de Sidereus Nuncius fueron redactadas entre estas paredes (es la casa que aparece en el centro de la fotografía con un balcón central)

Galileo fue enterrado en una capilla lateral en la iglesia de la Santa Croce en Florencia. En 1736 sus restos fueron trasladados a la nave principal. Esta es su tumba. En el cartel que puede verse en las banderas se hace alusión a la conmemoración del Año Internacional de la Astronomia 2009 (IAA2009)

 Y para no terminar con una sepultura, algo curioso. El reloj de la fotografía se puede admirar en la Plaza de S. Marcos, en Venecia. La Tierra en el centro del universo contempla al Sol girar en torno suyo, recorriendo las constelaciones del Zodiaco. Todo un (bello) monumento al geocentrismo.

Sucedió en Berlín el 23 de julio. A las 20:00 h se disputó la final de los 100 m lisos (hombres) de los XII Campeonatos de Atletismo de la IAAF. Millones de personas pudieron ver como Usain Bolt pulverizaba el anterior record del mundo de la distancia (que él mismo ostentaba) rebajándolo en 0,11 s y dejándolo en unos asombrosos 9,58 s.  A pesar de la marca conseguida muchos tuvimos la impresión de que el jamaicano no estaba al límite de sus posibilidades. La foto que encabeza este post lo atestigua. Bolt, casi un metro antes de llegar a meta, se relaja y vuelve la cabeza hacia el marcador. Detrás todos los atletas (excepto Darvis Patton que corría por la calle ocho) corrían la distancia en 10:00 s o menos.

Pero… ¿dónde está el límite? Las matemáticas, una vez más, tienen algo que decir al respecto. John Einmahl y Sanders Smeets de la universidad holandesa de Tilburg realizaron un estudio estadístico con más de mil atletas. Esta vez el estudio no pretendía establecer los clásicos valores promedio de la muestra, sino determinar los valores extremos de la misma, los límites. En lenguaje más técnico se pretendía estudiar “la cola” de la distribución. La teoría de los valores extremos es una teoría matemática dedicada, precisamente, a establecer dichos valores y que es muy utilizada en meteorología, hidrología, finanzas y muchos otros campos en los que el conocimiento de los valores extremos de las precipitaciones, el caudal de los ríos o las cotizaciones de determinados valores es una información valiosa.

Pues bien, el análisis realizado arroja, como límite para el record de los 100 m lisos masculinos, 9,51 s. La marca de Usain, por tanto, está muy cerca de dicho límite.

Además de esta aproximación al límite de la velocidad humana la carrera de Berlín nos aporta bastantes más cosas. En ella se utilizó un procedimiento de medida de tiempos, distancias y velocidades conocido como LAVEG (Laser Velocity Guard) que utiliza pulsos de láser emitidos cada 0,01 s.

Los valores obtenidos pueden verse en la web oficial de los campeonatos y se resumen en la tabla que se muestra. Las gráficas se han obtenido procesando los datos con una hoja de cálculo.

 A lo mejor no sería mala idea usar todo ello en nuestras clases para explicar qué es velocidad, aceleración, movimiento uniforme y uniformemente acelerado, cómo se hace una gráfica, qué información se puede extraer de ella, cuáles son los valores que conviene representar, etc. La ventaja es que (todos) tendríamos como profesor al propio Bolt y seguro que su lenguaje se aleja bastante del de los libros de texto ¿Por qué no intentarlo? Estamos a punto de empezar un nuevo curso. Pues eso, a ver si es “nuevo” de verdad. Bolt ya ha hecho su parte.

Más información:

Análisis biomecánico de la final de 100 m lisos (IAAF)

LAVEG

Artículo de El País sobre el límite del record

Teoría de valores extremos