sábado, 21 de octubre de 2017

La cuchara menguante. 5) Los elementos de la guerra

Cuando pedí resumir el capítulo 5 solo conocía su título y nada de su contenido, así que me imaginé que tal vez trataba, al menos en parte, del cloro y de Fritz Haber… y, a diferencia de lo que le ha pasado a Conxi, ha sido así :P Y fue grato, ya que he tenido la oportunidad de “coincidir” en varias ocasiones con este químico, cuya figura alberga las dos caras de la moneda. De hecho, en mi blog tengo dos entradas básicamente dedicadas a él (al final pongo los links).

El autor del libro sitúa las primeras guerras químicas, aunque sin éxito, en la antigua Grecia. Durante siglos no evolucionó ni logró mejorar el arrojo de aceite hirviendo desde las almenas. Y no fue hasta la Primera Guerra Mundial cuando empezaron a emplearse agentes químicos para hacer daño de forma consciente. Aquí es donde entra en escena el químico alemán.

Fritz Haber y el cloro

Cuando Haber se hizo cargo del Instituto de Química-Física Kaiser Guillermo ya era un científico reputado, pues  había descubierto, mediante una sencilla reacción, una forma de sostener la base alimenticia de la mitad de la población mundial. Su cometido durante la Primera Guerra Mundial, sin embargo, fue muy diferente al de acabar con la inanición del populacho, más bien contribuyó a exterminarlo.

Se fijó en lo que hoy conocemos como el grupo 17 de la tabla periódica, la de los halógenos. Estos elementos tienen en su capa más externa siete electrones, es decir, están a solo uno de conseguir un estado del bienestar químico. Para ello suelen arrasar con lo que encuentran en su camino, incluidas nuestras células, buscando el electrón que les permita alcanzar la estabilidad.

El primero en usarse fue el bromo, pero tras varios intentos en el campo de batalla, los germanos no obtuvieron los resultados que esperaban. Entonces Haber dirigió sus esfuerzos al vecino de arriba, al cloro, más agresivo. Y al ser más pequeño, tiene más facilidad para atacar a las células. Las analogías que se emplean en el libro son brutales: «Si el gas bromo es una falange de soldados de a pie que atacan las membranas mucosas, el cloro es como un tanque de una guerra relámpago que, inmune a las defensas del cuerpo, arrasa con los senos nasales y los pulmones». El resultado, la muerte por asfixia; más concretamente, la muerte por asfixia de 5000 soldados franceses atrincherados en las inmediaciones de la ciudad de Ypres en lo que se considera el primer uso de armas químicas a gran escala. Fritz Haber no dudaba en trasladarse al mismísimo frente de batalla.

Haber dando instrucciones en el frente de batalla.


Para el bando prusiano se convirtió en un héroe, pero no le faltaron detractores. Entre ellos se encontraban su propia mujer, quien se suicidó tras descubrir a lo que su marido realmente se dedicaba, y Albert Einstein, pacifista declarado. El Premio Nobel lo recibió «cuando aún no se había disipado el polvo (o el gas) de la Primera Guerra Mundial», aunque fue por el proceso de producción de amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico. Finalmente, Alemania perdió la guerra y Haber cayó en una desdicha tanto profesional como personal.

A partir de aquí empezó lo nuevo para mí. Dejamos a Haber y a los halógenos a un lado para centrarnos en otros elementos  como el molibdeno, el wolframio, el tantalio y el niobio. Las historias que rodean a estos metales giran en torno a cuestiones más políticas que científicas, pero igual de interesantes a pesar de los rodeos del autor.

Molibdeno y wolframio

El molibdeno fue también fuertemente demandado durante la Primera Guerra Mundial, en la que se requerían aceros más fuertes y resistentes para aplicaciones industriales y militares. Este elemento puede resistir altísimas temperaturas, ya que tiene una temperatura de fusión de 2600 ºC, miles de grados por encima del hierro, principal metal del acero. Por lo tanto, añadir un poco de molibdeno al acero proporcionó material militar más resistente y destructivo. Un ejemplo característico es el de los obuses de asedio Gran Berta, diseñados por las industrias alemanas Krupp.

El problema que encontraron los alemanes fue que no tenían minas de molibdeno suficientes para fabricar los Bertas. Su único suministro se encontraba en una mina de Colorado, es decir, en un país enemigo, Estados Unidos, aunque se hicieron con el control de la misma antes de que los americanos entraran en la contienda.

Cañones Gran Berta.


El wolframio (o tungsteno), por su parte, fue un material estratégico en el seno de la Segunda Guerra Mundial, siendo uno de los productos más codiciados. El 90% de las reservas de toda Europa se encontraban en Portugal, país neutral durante la contienda, pero cuyo dictador, Salazar, no dudó en aprovechar tal condición para negociar con ambos bandos. El wolframio es uno de los metales más duros conocidos y está situado justo debajo del molibdeno en la tabla periódica, por lo que, al tener más electrones, funde por encima de los 3400 ºC. Se utilizaba también como aditivo del acero en la fabricación de misiles.

Tantalio y niobio

El capítulo finaliza con el tantalio y el niobio y sus aplicaciones en la telefonía móvil al tratarse de elementos densos, resistentes al calor y a la corrosión y aguantan bien las cargas eléctricas. Ambos elementos se encuentran en el coltán, un mineral cuyas reservas se encuentran mayoritariamente en lo que conocemos hoy como la República Democrática del Congo (RDC), antes Zaire.

A mediados de la década de 1990 comenzó una guerra en dicho país para liberarse del yugo de un régimen dictatorial. Tuvieron ayuda de países vecinos como Ruanda o Burundi e incluso algunos países de la Unión Europea y Estados Unidos se implicaron, y finalmente lo que estalló fue una lucha de intereses por controlar los recursos. El negocio del coltán, lo que debería haber sido fuente de riqueza del país, se convirtió en algo beneficioso para los grupos armados que controlaban las minas y estalló una guerra que duró hasta 2003 con una balance de más de cinco millones de personas muertas, la mayor pérdida de vidas desde la segunda guerra mundial.

Reflexión final

Lamentablemente, la química está íntimamente ligada a los conflictos bélicos y a la pérdida de millones de vidas humanas de forma injustificada. También muchos avances científicos surgieron como consecuencia de guerras. Avances que todos aprovechamos en nuestro día a día, y es ahí donde podría surgir un conflicto desde el punto de vista moral. O no. Eso ya queda dentro de cada uno.

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Entradas sobre Fritz Haber y la guerra química en Radical Barbatilo:
- Entre el genio y el genocidio: https://goo.gl/xb3Ner
- Una revisión de Genius: Einstein (Capítulo 7): https://goo.gl/3P8BMp

sábado, 14 de octubre de 2017

La cuchara menguante. 4) De dónde vienen los átomos: “Somos polvo de estrellas”


Empiezo la PARTE II  con el capítulo cuatro que se titula, nada más y nada menos que: De donde vienen los átomos. “Somos polvo de estrellas”  Frase de Carl Sagan de fuerte significado, y que guardamos como un tesoro todos los que nos gusta la ciencia. En él, Kean nos hilvana historias  que nos hablan del Fe - Hierro, Ne - Neón, Pb - Plomo, Ir  - Iridio y Re - Renio


El Fe hierro y los metales estelares
El autor empieza con un pequeño repaso de cómo ha evolucionado nuestro pensamiento y creencias sobre de dónde vienen los átomos, que en realidad es como preguntarse de dónde viene todo. El sentido común, que durante siglos era lo que teníamos, nos encaminó a pensar que de ningún sitio, que eran innatos al propio universo. Luego ya en 1930 con la teoría el Big Bang, se propuso que todos ellos tenían que haber surgido a la vez en ese único instante. Pero al ir mejorando las técnicas de observación se vio que el sol, y otras estrellas, liberaban demasiada energía en comparación a los pequeñísimos átomos de hidrógeno fusionándose y generando helio. Además, si todos los elementos habían surgido en un mismo instante tendrían que estar repartidos uniformemente en todas las direcciones y no lo están.
En 1957 los astrónomos G. Burbidge, M. Burbidge, W.Fowler y F.Hoyle (B2FH) publicaron un artículo que sugiere que en un principio el universo era una masa de hidrógeno con una pizca helio y litio, y con el tiempo el hidrógeno se fue agrupando hasta formar las estrellas, siendo los primeros en mostrarnos que las estrellas eran nuestros verdaderos “dioses” creadores.
Pero ¿qué ocurre luego?. Cuando la presión gravitatoria en el interior comienza a fusionar el hidrógeno formando helio hasta agotar el hidrógeno, desesperadas, las estrellas,  queman el helio y no tardan en acumular en su interior elementos como el litio, boro, berilio y especialmente el carbono. Quemar helio libera menos energía que quemar hidrógeno y se agotan en unos pocos cientos de miles de años;. entonces algunas estrellas pequeñas mueren creando masas de carbono fundido llamadas enanas blancas. Otras de mayor masa  (ocho o más veces els sol) siguen luchando apretando sus átomos de carbono creando seis elementos más hasta el magnesio, terminando algunas aquí su recorrido; pero otras , las más calientes , queman también esos elementos en su interior a los largo de unos pocos millones de años más. El artículo de B2FH, le sigue las pista a todas estas reacciones de fusión de los elementos hasta llegar al hierro. Gracias a ello, los astrónomos actuales pueden reunir  a todos los elementos entre el litio y el hierro en el grupo de los metales estelares y cuando encuentran hierro en una estrella ya no se molestan en buscar nada más pequeño, saben que esta.
¿Y luego? El sentido común nos dice que podrían seguir fusionándose los átomos de hierro hasta completar toda la tabla periódica con los elementos más pesados.  Pero no, una vez más el sentido común falla, ya que cuando se calcula, es tal  la energía que se necesita para fusionar los veintiséis protones de hierro que no beneficia en nada a una estrella, por muy masiva que sea.
¿Entonces de dónde vienen los elementos más pesados, del veintisiete al noventa y dos, del cobalto al uranio? Las estrellas más masivas (doce veces el tamaño del  sol), se consumen hasta quedar en un núcleo de hierro muy rápidamente. Al quedarse de repente sin energía para poder mantener su gran volumen, su propia gravedad hace que se comprima (implosione)  tanto, que en su núcleo los protones y los electrones se comprimen en neutrones hasta que apenas quedan solo neutrones (pregunta: ¿es eso una estrella de neutrones?)  Pero entonces ese colapso produce una reacción que la hace explotar convirtiéndose en una supernova. Durante un mes aproximadamente la supernova se extiende a lo largo de millones de kilómetros y brilla con más intensidad que mil millones de estrellas juntas; todas las partículas colisionan con tal fuerza y tantas veces por segundo, que se saltan las barreras normales de energía fusionándose al hierro creando así nuevos elementos. Todas las combinaciones naturales de los elementos e isótopos salen expulsadas de esta tempestad de partículas.
En nuestra galaxia han explosionado cientos de millones supernovas, y una de ellas fue la responsable de nuestro sistema solar hace 4.600 millones de años al atravesar una nube plana de polvo espacial de restos de, al menos, dos estrellas. Las partículas se entremezclaron creando en el centro, más denso, a nuestro sol; los cuerpos planetarios comenzaron a agregarse y a juntarse; formando a los gigantes gaseosos, como Júpiter, cuando una corriente catapultada por el sol, expulsó los elementos más ligeros hacia los márgenes.


Júpiter el planeta que quiso ser estrella y la lluvia de Ne Neón.
En nuestro imaginario han estado siempre presentes los planetas creando todo tipo de leyendas. Algunas totalmente infundadas como la de los marcianos y otras con cierta justificación. Júpiter ha sido uno de los más prolíficos en este sentido. En 1994 el cometa Shoemaker-Levy 9, nos dió a los terrícolas, un fantástico espectáculo al chocar contra el gigante gaseoso, excitando a científicos con sus veintiún fragmentos que saltaron, al chocar, a más de 3000 km de altura. Pero también estimuló la imaginación del público en general. Pocos años después cuando la gravedad de Júpiter desvió hacia la tierra el cometa Hale-Bopp, treinta y nueve miembros de la secta Nike de San Diego se suicidaron en la creencia de que había sido un medio divino que lo había desviado para recogerlos y trasladarlos  un plano espiritual superior.
Pero el pensar que puede llevar en su interior una gran piedra preciosa, tal vez,  no es tan descabellado. Algunos científicos creen que su errático campo magnético sólo puede deberse a por la presencia de océanos de un negro y líquido hidrógeno metálico. Realmente, los elementos llevan vidas extrañas en Júpiter, y la razón es que quiso ser estrella y se quedó a medio camino (si lo hubiera conseguido nuestro sistema solar habría sido binario, con dos estrellas). Se enfrió por debajo del umbral de fusión, pero conservó bastante calor, masa y presión para apretujar los átomos hasta el punto que dejan de comportarse  como lo hacen aquí en la tierra.
Le meteorología de la superficie y del interior de Júpiter también juega con los elementos de manera espectacular.
Como ya sabemos, Júpiter,se formó  cuando una corriente catapultada por el sol, expulsó los elementos más ligeros hacia los márgenes por lo que debería tener la misma composición elemental básica que las estrellas: 90% de hidrógeno, 10% de Helio y algunas cantidades de otros elementos como el Neón.
En una estrella real, las miniexplosiones nucleares compensan la gravedad, pero en Júpiter, nada impide que el helio y el neón más pesados “caigan” de las capas exteriores a la capa de hidrógeno metálico líquido. El helio y el neón cuando se queman producen colores brillantes en tubos de cristal (las luces de neón). Pues ahora imaginémonos situados en las orillas del mar de hidrógeno metálico liquido, la fricción que produciría la caída del neón desde el cielo de Júpiter nos permitirá admirar un cielo cremoso y anaranjado y ver un extraordinario espectáculo de luces, como fuegos artificiales; los científicos lo llaman lluvia de neón.


Los cuatro planetas rocosos, Mercurio, Venus, Tierra y Marte.
Los gigantes gaseosos se formaron en un millón de años, mientras los elementos pesados daban vueltas en un cinturón celeste permaneciendo así durante varios millones de años más,  hasta que se formaron la Tierra y sus vecinos como bolas fundidas. Los elementos pesados se fueron arrimando a sus parientes químicos formándose depósitos considerables de cada elemento. El hierro, el más denso, se hundió hasta el núcleo y allí permanece todavía hoy. Si la Tierra no se hubiera enfriado y solidificado lo suficiente como para dejar de mezclar los elementos, sería ahora un enorme témpano de uranio y magnesio.
Cada sistema solar posee su señal química ya que, la mayoría, al formarse a partir de supernovas, dependió de la energía que tuviera cada una  para fusionar unos u otros elementos, y de la mezcla con lo que hubiera alrededor (polvo estelar). Así que es muy difícil que dos sistemas acaben teniendo las mismas cantidades de elementos radiactivos y no radiactivos si no es porque han nacido juntas.
Con todo este galimatías de elementos en los sistemas solares, ¿como saben los científicos cuando se formó la Tierra?


El Pb Plomo, el uranio y como sabemos cuando se formó la Tierra
En la década de 1950 se sabía, que los elementos más pesados son radiactivos y casi todos acaban desintegrándose en plomo, que es estable. Un estudiante de doctorado de Chicago, llamado Clair Patterson, y gracias al proyecto Manhattan donde se formó, conocía la tasa precisa de desintegración del uranio. También sabía que, aquí en la Tierra, hay tres isótopos de plomo con número atómico 204, 206, y 207 y que debía haber habido algo de ellos siempre, desde el dia que nacimos de una supernova. Pero otra parte tenía que ser de la desintegración del uranio. El uranio produce más isótopos 206 y 207,  y pensó tenía que haber un aumento predecible de la relación entre  estos y el 204. Pero averiguarlo no fue fácil ya que se topó con dos problemas. El primero que no había nadie en el momento de la creación de nuestra Tierra para que nos diera las relaciones primigenias entre los tres isótopos de plomo y la otra la contaminación industrial.
Encontró la solución a  la primera, ya que  parte del polvo estelar que rodeaba la tierra primigenia fue absorbida por esta, pero el resto formó meteoritos, asteroides y cometas por lo que son como trozos de Tierra primordiales que se han conservado. Además, como ya sabemos, el hierro se sitúa en la cúspide de los metales estelares,por lo que los meteoritos son hierro sólido. El hierro y el uranio no se mezclan , pero el hierro y el plomo si, de manera que los meteoritos contienen plomo con las mismas abundancias relativas originales que tuvo la Tierra, ya que en ellos no había uranio que pudiera aportar plomo  al desintegrarse.
El otro problema era que los trozos de meteorito que se agenció de Cañón Diablo en Arizona estaban contaminados por la industrialización. De todos es sabido que el plomo se ha usado desde tiempos inmemoriales, en pinturas, en los tubos de fontanería  (Pb viene de plumbum, en inglés fontanero) , más tarde la gasolina...etc. Así que Patterson tuvo que convertirse en muy escrupuloso y obsesivo descontaminando su laboratorio; lo que le  permitió obtener la mejor estimación que tenemos de la edad de la Tierra, 4.550 millones de años. Además, tenemos que agradecerle a su obsesión por la limpieza que se convirtiera en un activista contra la contaminación por plomo. Gracias a él hoy no tenemos pinturas con plomo en los juegues de los niños o la gasolina no nos vaporiza plomo en nuestros cabello.


El Ir Iridio y los dinosaurios
En 1977 los físicos Luis y Walter Álvarez estaban estudiando , en Italia, depósitos calcáreos de la época de la extinción los dinosaurios, unos 65 millones de años. Entre las capas calizas uniformes estaba mezclada una fina capa de arcilla roja que contenía iridio. Al  iridio le gusta el hierro (es siderófilo) por lo que casi todo se encuentra en el núcleo de hierro fundido de la Tierra, como también en meteoritos. asteroides y cometas.
Los Álvarez, padre e hijo, pensaron que si la Luna había sufrido bombardeos, como lo demuestran los cráteres de su superficie, por qué no los habría de sufrir la Tierra; si algo enorme hubiera impactado contra la tierra hace 65 millones de años, habría expulsado a la atmósfera y a toda la Tierra una nube de polvo lleno de iridio. Esa capa de polvo podría haber ocultado el sol y asfixiado a las plantas lo que podría haber ocasionado la extinción el 75 por ciento de todas las especies y que murieran el 99 por ciento de los seres vivos. Los geólogos, pronto comprobaron que la capa de iridio se extendía alrededor del mundo, y poco después descubrieron un cráter de más de ciento sesenta kilómetros de diámetro, 20 kilómetros de profundidad y sesenta y cinco millones de años de antigüedad en la península del Yucatán, todo ello pareció demostrar la teoría del asteroide, el iridio y la extinción. Pero de acuerdo con registro fósil los dinosaurios se extinguieron a lo largo de varios cientos de miles de años, no de golpe. Hoy se cree que también influyeron las erupciones de la India de varios volcanes.
Pero no es la única extinción que ha sufrido la Tierra, y algunos paleontólogos comenzaron a ver clara una pauta: cada veintiséis millones de años se había producido una extinción similar.


El Re Renio - las extinciones y Némesis
Se descubrieron otras finas capas de iridio que parecían coincidir con sendas extinciones en masa. A Luis álvarez, por lo visto un hombre temperamental, no le agradaba la idea de “pauta”  de extinción; como buen científico se decía que mientras no se supiera lo que  provocaba tal pauta, las extinciones podrían haber sido hechos fortuitos.
Un día discutió acaloradamente sobre el tema con uno de sus colaboradores, Richard Muller, y este, en un subidon a drenalina, improvisó una explicación:  tal vez el sol tenía una compañera de viaje, una estrella alrededor de la cual la Tierra describía un círculo con tal lentitud que ni lo notábamos, y cuya gravedad enviaba asteroides contra la Tierra cuando se acercaba. Más tarde Muller llamo Némesis a esa supuesta compañera del sol. (diosa griega de la venganza)
Pero para Álvarez fue toda una revelación cuando comprendió que los asteroides periódicos eran una posibilidad que resolvía las pautas y un detalle sobre el renio hallado junto al iridio en las capas de arcilla. Como se recordará, todos los sistemas solares tienen una señal característica, una relación única entre isótopo, pues bién el coeficiente de los dos tipos de renio encontrados, un radiactivo y el otro estable, eran los mismos que los  encontrados en la Tierra por lo que el asteroide que impactó hace 65 millones de años tenía que haberse originado en nuestro sistema solar.
Nunca se ha hallado a Némesis, claro está, pero ante los tres hechos comprobados (la aparente regularidad de las extinciones; el iridio, que implica impactos; y el renio, que implica proyectiles originados en nuestro sistema solar) los científicos creyeron que le estaban siguiendo la pista a algo importante, aunque Némesis no fuese el mecanismo. Así que se pusieron a buscar otros ciclos que pudieran provocar los cataclismos, y enseguida encontraron un candidato en el movimiento del sol. Nuestra estrella es arrastrada por las mareas de nuestra galaxia espiral, y sube y baja como en tiovivo mientras se mueve. Algunos creen que este balanceo lo acerca lo bastante para ejercer atracción sobre una enorme nube de cometas y otros objetos de la nube de Oort que se originaron en la misma supernova que dio origen a nuestro sistema solar y que cada vez que el sol asciende hasta el pico o desciende hasta el valle, cada veintiséis millones de años, podría atraer cuerpos y enviarlos contra la Tierra. ¡Habrá que aprender a ponerse a cubierto!



Preguntas:
-Esto ha encendido mi imaginación: “El más gaseoso es Júpiter, que por varias razones es una fantástica residencia para los elementos, que allí viven de formas nunca imaginadas en la Tierra” ¿Que formas?, me cuesta imaginarlas.
-Si Júpiter hubiera llegado a ser la compañera de nuestro sol, ¿las características de la tierra hubieran sido la mismas?
-Siempre me sorprende esa estructura de pensamiento que puede hacer que te suicides en masa por culpa de creencias basadas en pura fantasía. Se que es complicado contestar pero aquí lo dejo por si alguien se atreve ;)
-Me ha sorprendido que Fred Hoyle, astrónomo del B2FH, no creía en la evolución ni en el Big Bang. ¿Se puede ser científico y creyente a la vez?
-A medida que voy aprendiendo lo que se sabe de momento de cómo funciona el universo, más efímera veo nuestra existencia. ¿Vosotros no? ¿Llegaremos a tiempo de ponernos a cubierto?
-¿Una estrella de neutrones es el estado anterior a una supernova?



NOTA IMPORTANTE: No es necesario responder todas las preguntas… se que me he pasado... XD XD

sábado, 7 de octubre de 2017

La cuchara menguante. 3) Las Galápagos de la tabla periódica

Cuando pedí resumir el capítulo 3  (hace unos meses) solo conocía su título y nada de su contenido, así que me imaginé que tal vez trataba de alguna percepción importante que dio pie a la creación de la tabla periódica (como fue las Galápagos para Darwin)... pero no ha sido así XD.

Durante esos días también me preguntaba a qué se referiría el autor con el título del libro, “La cuchara menguante”, y no es hasta este capítulo que he descubierto a qué podría aludir.

Otra mención importante (va por ti Juan Carlos ;)) es la aparición ampliada de Mendeléev.

Pero antes del ruso nos habla de otro personaje muy importante en la historia de la tabla periódica: el químico alemán de mediados del siglo XIX Robert Bunsen (cuyo nombre heredó el mechero Bunsen, aunque nuestro protagonista no lo inventó, sólo mejoró su diseño y lo popularizó) .

En la década de 1850 Bunsen ocupó la cátedra de química en la Universidad de Heidelberg, donde se ganó la inmortalidad científica al inventar el espectroscopio.

El funcionamiento de este es el siguiente: al calentar un determinado elemento de la tabla periódica se produce unas bandas estrechas y bien definidas de luz de colores específicos que son únicos para cada elemento. El hidrógeno, por ejemplo, emite siempre una banda roja, una verde amarillento, una pequeña azul y una añil. Esto permitió investigar el interior de compuestos sin necesidad de fundirlos con calor o desintegrarlos con ácidos.

Espectro del hidrógeno
El primer espectroscopio de Bunsen consistía en un prisma en el interior de una caja de cigarros con dos oculares de telescopio incrustados. Y para excitar los elementos para que produjeran luz, Bunsen añadió una válvula a un primitivo mechero de gas para que las llamas fueran lo bastante caloríficas, mejorando así el mechero que llevaría su nombre.

Aunque Bunsen se oponía a clasificar los elementos de acuerdo con su espectro, al permitir una identificación fiable, otros científicos sí que lo utilizaron para desarrollar la tabla periódica.

Dimitri Mendeléev
Otra contribución de Bunsen fue la de formar, en Heidelberg, a varias de las personas que hicieron las primeras investigaciones sobre la tabla periódica. Y una de ellas fue el hombre que además de ser el aclamado como creador de la primera tabla periódica, hay quien le ha echado de menos en capítulos anteriores: el ruso Dmitri Mendeléev

Aunque se le atribuye a Mendeléev la invención de la tabla periódica, realmente otras seis personas también la idearon de forma independiente. Pero como la ciencia necesita de héroes, Mendeléev se convirtió en el protagonista de esta historia.

De estos seis rivales el más serio fue el químico alemán Julius Lothar Meyer (que también trabajó con Bunsen en Heidelberg). Meyer publicó su tabla prácticamente al mismo tiempo que Mendeléev, y ambos compartieron un prestigioso premio en 1882 denominado Medalla Davy por el codescubrimiento de la «ley periódica».

Pero si Mendeléev acabó siendo el héroe fue (además de por tener una biografía infernal) por:
  1. Comprendió que ciertas características de los elementos persisten (aunque otras no lo hagan), como es el peso atómico de cada uno de los elementos que se mantiene constante aunque estén dentro de un compuesto (cosa que se acerca mucho a la perspectiva moderna).
  2. Pudo colocar los sesenta y dos elementos conocidos en sus filas y columnas. En concreto los metales que son los elementos más ambiguos y enredosos a la hora de situarlos en la tabla periódica.
  3. Y si bien tanto Mendeléev como Meyer dejaron espacios en blanco en su tabla en los que no encajaba ningún elemento conocido, Mendeléev tuvo el valor de predecir que se descubrirían nuevos elementos fijándose en las características de los elementos conocidos a lo largo de cada columna, incluyendo sus densidades y los pesos atómicos de los elementos ocultos.
  4. Y algo que dice mucho del carácter de Mendeléev es que confeccionó su primera tabla periódica de forma apresurada, para cumplir con la fecha límite que le había impuesto el editor de un libro de texto.
Mendeléev tuvo una disputa científica muy relevante con el mejor espectroscopista del mundo en esa época: el francés Paul Émile François Lecoq de Boisbaudran. Lecoq fue el experimentador que descubrió físicamente el galio (que fue el primero de los nuevos elementos descubiertos desde la tabla de 1869), pero fue Mendeléev quien anteriormente lo había predicho (y que lo había llamado eka-aluminio). Cuando Mendeléev leyó el trabajo de Lecoq de Boisbaudran, intentó interponerse y reclamar el crédito por el galio. Pero Lecoq no estuvo de acuerdo y el francés y el ruso comenzaron a debatir la cuestión en las revistas científicas.

En uno de esos debates Mendeléev le comunicó a Lecoq que debía haber medido algo mal, porque la densidad y el peso del galio diferían de sus propias predicciones. Y tenía razón: el mundo científico quedó pasmado al constatar que Mendeléev, un teórico, había visto las propiedades de un nuevo elemento con mayor claridad que el químico que lo había descubierto.

Pero tampoco acertó en todas sus predicciones, como, por ejemplo, la de que había muchos elementos antes del hidrógeno. Por lo que si en vez de haberse corroborado en primer lugar la existencia del eka-aluminio, se hubiera demostrado como falsas otras de sus predicciones, sería probable que el ruso hubiera muerto en el olvido; pues este no tuvo mucho más mérito que Meyer (que tuvo también muy buen currículum científico) o los demás.

Entre la tabla periódica actual y la tabla de Mendeléev existe una diferencia que implica muchísimo trabajo, especialmente en lo que atañe a los lantánidos, que hoy se han relegado a la base de la tabla. Pues estos mantuvo a los químicos confusos hasta el siglo XX. Aunque los científicos detectaran docenas de bandas de color nuevas en el espectroscopio, no tenían ni idea de a cuántos nuevos elementos correspondían.

Cerca del lugar donde se descubrió el cerio, en Suecia, existe una mina de porcelana (y aquí el autor también aprovecha para narrarnos la historia de cómo se empezó a producir esta cerámica en Europa a principios del siglo XVIII, con un joven llamado Johann Friedrich Böttger como protagonista), en una aldea llamada Ytterby, que es extrañamente rica en lantánidos (además de serlo en feldespato, ingrediente esencial para fabricar porcelana). La razón de esta peculiaridad es que es necesario aflorarlos desde las profundidades de la Tierra, y Escandinavia (y en concreto Ytterby) tuvieron esta característica geológica (una línea de falla, fuentes hidrotermales y glaciales erosionadores).

El químico finlandés Johan Gadolin, a finales del siglo XVIII, tuvo noticias de esas rocas extrañas procedentes de Ytterby, y aunque carecía de las herramientas químicas (y la teoría) que le permitieran descubrir los catorce lantánidos, Gadolin realizó progresos significativos en el aislamiento de grupos de estos elementos. Y cuando, siendo Mendeléev ya viejo, otros químicos con mejores equipos se pusieron a revisar los trabajos de Gadolin sobre las rocas de Ytterby comenzaron a aparecer elementos nuevos (seis resultaron ser los lantánidos que le faltaban a Mendeléev).  Así que en homenaje al origen común de todos los elementos, los químicos comenzaron a inmortalizar el nombre de Ytterby en la tabla periódica. Sirvió de inspiración para iterbio, itrio, terbio y erbio. Adoptaron holmio, en honor a Estocolmo; tulio, por el nombre mítico de Escandinavia; y, por insistencia de Lecoq, el homónimo de Gadolin, gadolinio. Es aquí cuando el autor nombra a Ytterby la verdadera Galápagos de la tabla periódica.

Por cierto, el título del libro intuyo que está inspirado en la siguiente curiosidad explicada en este capítulo: “El galio se funde a 30 °C y, por esta razón, el galio ha sido desde entonces un habitual de las bromas entre los aficionados a la química. Como el galio se moldea fácilmente y su aspecto es parecido al del aluminio, un truco bastante popular consiste en darle forma de cucharillas, servirlas con el té y mirar divertidos cómo los invitados se quedan pasmados al ver que su Earl Grey se «come» sus cubiertos”.

Y para empezar el debate, si os apetece, os propongo comentar lo siguiente:
  • Después de lo que nos cuenta el autor, ¿pensáis que Mendeléev fue un genio?
  • Y qué pensáis de lo que comenta el autor en este párrafo: “El descubrimiento del eka-aluminio (nombre que le asignó Mendeléev), hoy conocido como galio, suscita la pregunta de qué es lo que realmente impulsa a la ciencia, si las teorías, que enmarcan la perspectiva que tenemos del mundo, o los experimentos, que aun siendo simples pueden echar por tierra toda una elegante teoría”.
¡Que tengáis una feliz semana!

sábado, 30 de septiembre de 2017

La cuchara menguante. 2) Casi gemelos y ovejas negras: La genealogía de los elementos

En este segundo capítulo vamos a aprender cosas maravillosas sobre una tríada de elementos: el carbono, el silicio y el germanio.

Comenzamos nuestro viaje con una introducción algo rebuscada para descubrir que el carbono es el elemento que forma el esqueleto de los aminoácidos. Es sabido que las proteínas son una larga cadena de aminoácidos que se configuran con una forma tridimensional específica, pero ¿por qué se unen los aminoácidos entre sí? O, quizás mejor, la pregunta sería ¿cómo se unen de forma tan eficiente?

La respuesta hay que buscarla en el lugar que ocupa el carbono en la tabla periódica y en su necesidad de completar su nivel de energía más externo con ocho electrones (la regla del octeto). Dado que cada aminoácido tiene átomos de oxígeno en uno de sus extremos, un átomo de nitrógeno en el otro, y, en medio, un tronco formado por dos átomos de carbono, éstos últimos comparten un electrón con un átomo de nitrógeno de otro aminoácido uniéndose de forma estable.

El siguiente elemento que vamos a estudiar es el silicio, que tiene una relación especial con el carbono y que se encuentra debajo de él en la tabla periódica (el carbono es el elemento seis y el silicio es el elemento catorce). Esta posición no es arbitraria y significa que en el silicio, el primer nivel energético lo ocupan dos electrones, y ocho el segundo, dejando cuatro electrones más como le sucede al carbono.

El silicio ha sido considerado desde hace décadas como el sustituto ideal del carbono para constituir el elemento básico de una posible vida extraterrestre. Sin embargo, pese a las similitudes entre ambos, el silicio plantea dificultades en principio difíciles de solventar:

·     Las formas de vida basadas en el silicio necesitarían transportar este elemento hacia o desde su cuerpo para reparar tejidos o participar en el metabolismo, del mismo modo que los organismos de la Tierra mueven carbono por sus cuerpos.
El principal problema para ello es que el silicio es sólido y no un gas como, por ejemplo, el dióxido de carbono. Sin una manera de intercambiar gases con el medio, las «plantas» de una hipotética vida basada en el silicio se morirían de inanición, y el equivalente de los «animales» se ahogaría con los productos de desecho que no podrían eliminar.
·        ¿Estas hipotéticas formas de vida podrían captar el silicio de otra forma?
Algo así sería posible aunque bastante complicado porque el silicio tampoco se disuelve en agua, de ahí que algún remedo a la circulación sanguínea para transportar nutrientes también estaría descartado.
·        El silicio podría ser un sustituto adecuado del carbono en el equivalente marciano de las grasas o las proteínas.
Sin embargo, el silicio no es lo bastante flexible como para doblarse hasta el punto de formar anillos y tampoco puede formar enlaces dobles, que aparecen prácticamente en todas las moléculas bioquímicas complejas. En definitiva, cualquier hipotética vida extraterrestre basada en el silicio no contaría con demasiadas opciones para almacenar energía química.

Esto nos abre la vía del siguiente elemento que vamos a estudiar en este capítulo: el germanio.

«Podemos utilizar silicio en ordenadores, microchips, coches y calculadoras. Los semiconductores de silicio han enviado hombres a la Luna e impulsan internet. Pero si las cosas hubieran ido de otro modo hace unos sesenta años, tal vez hoy estaríamos hablando de Germanium Valley en el norte de California.»

Al hablar del germanio vamos a conocer a bastantes personajes interesantes. Empezamos por William Shockley, que quiso fabricar un amplificador de silicio que reemplazara los tubos de vacío de las computadoras: estos tubos amplificaban las señales electrónicas de manera que las débiles no murieran, al tiempo que actuaban como puertas de un solo sentido para la electricidad, de manera que los electrones no pudieran fluir hacia atrás en los circuitos.

Aunque lo intentó, su amplificador de silicio nunca llegó a funcionar, pero no cejó en su empeño delegando la tarea en dos científicos subordinados, John Bardeen y Walter Brattain.

Éstos vieron enseguida que el silicio no era el mejor material para trabajar así que eligieron el germanio. Con él construyeron en diciembre de 1947 el primer amplificador de estado sólido del mundo. Lo llamaron transistor.

Shockley en un principio se dedicó a restarle crédito al trabajo de Bardeen y Brattain, hasta el punto de «desterrar» a su principal rival intelectual, Bardeen, a otro laboratorio, sin relación con el suyo, para que se dedicara a desarrollar una segunda generación de los transistores de germanio, más dirigida a la comercialización (el enfado de Bardeen le llevó a abandonar la investigación sobre los semiconductores). Finalmente, Bardeen, Brattain y Shockley recibirían el premio Nobel de Física en 1956 por este descubrimiento.


Sin embargo, no todo era tan bueno como podría pensarse: el germanio generaba mucho calor, un problema importante porque hacía que los transistores dejaran de funcionar a altas temperaturas. Todo esto hacía que los científicos no dejaran de pensar en el silicio como el mejor sustituto. Además, el silicio era casi tan barato como el polvo.

Y en este punto llegamos a Gordon Teal, que presentó el primer transistor de silicio en una feria profesional de semiconductores de Texas con una demostración impactante: introdujo un reproductor de discos en aceite hirviendo y, gracias al transistor de silicio que había fabricado, éste siguió funcionando sin problemas.

Nuestro último protagonista es Jack Kilby. Kilby encontró un trabajo en Texas Instruments en 1958 y recibió el encargo de resolver la llamada «tiranía de los números»: en esencia, aunque los transistores de silicio eran baratos y funcionaban bien, los circuitos de computación avanzados necesitaban un gran número de ellos. El problema es que el proceso de fabricación era poco eficiente por lo que en todos los circuitos era casi inevitable que se rompiera o aflojara alguno de sus elementos y el circuito entero dejara de funcionar. Dado que los ingenieros no podían evitar utilizar tantos transistores, el problema era evidente.

La ausencia de supervisores durante las vacaciones de un tórrido verano le dio el tiempo libre que necesitaba para perseguir una nueva idea que él llamaba circuito integrado: Kilby desechó el sistema anterior formado por elementos separados (que había que unir laboriosamente), y en su lugar grabó todo (las resistencias, los transistores y los condensadores) en un bloque firme de semiconductor.

Este circuito integrado acabaría por liberar a los ingenieros de la tiranía de la conexión a mano. Como todas las piezas se hacían en el mismo bloque no había necesidad de soldarlas. De hecho, este nuevo sistema permitió a los ingenieros automatizar el proceso de grabación y fabricar conjuntos microscópicos de transistores, los primeros microchips de verdad. Kilby fue galardonado tardíamente (en el año 2000) con el premio Nobel por su circuito integrado.

El capítulo termina con una breve mención del hombre aclamado por todos como el principal creador de la tabla periódica: Dmitri Mendeléev, de quien aprenderemos más en los siguientes capítulos.


¿Qué os ha parecido el capítulo?

sábado, 23 de septiembre de 2017

La cuchara menguante. 1) La geografía es destino.


Hola a todos, bienvenidos a la 6º edición de #TertuliasCiencia.

A los que ya habéis participado... ¡gracias por hacer posible que se disfrute con este proyecto!

A los que estáis pensado en participar... ¡hacedlo! Aquí todos somos indispensables, hablamos de lo que hemos sentido al leer un capítulo, aportamos información si la tenemos, preguntamos lo que no sabemos y nos interesa... Aquí todos somos importantes, porque todos nos enriquecemos con la lectura compartida.

Lo dicho, bienvenidos a la edición #CucharaMenguante. No me enrollo más. Empiezo con el resumen.

 

Introducción

En la introducción Sam Kean nos explica cómo se gestó este libro.

Cuando era niño se emoción al observar el mercurio (sorpresa, belleza, misterio...). ¡La mirada curiosa de un niño puede desembocar en grandes pasiones, siempre y cuando se mantenga hasta la vida adulta! Y eso fue lo que pasó, en su etapa adolescente se emocionó al escuchar historias sobre el poder destructor del mercurio, sobre sus múltiples utilidades... historias que no procedían solo de las clases de Ciencias, también venían de sus profesores de Historia y de otras muchas fuentes.

Y ya en la Universidad, cuando estudiaba Física, escuchó multitud de nuevas historias, esta vez historias asociadas a otros muchos elementos.

Todas estas vivencias se unieron y dieron lugar a este libro.

 

Capítulo 1. La geografía es destino.

En este capítulo el autor explica cómo funciona la tabla periódica, nos muestra su maravillosa estructura "lógica", una estructura que derivada de la composición de los átomos (protones y neutrones en el núcleo, y electrones situados en distintos niveles de energía).

Pero antes de explicarla, en los primeros párrafos, el autor ha escrito algo que me ha gustado mucho leer:

"La tabla periódica se presentaba a la clase a primeros de septiembre, y a finales de mayo todavía se usaba; era, además, la única información de ciencias que, a diferencia de los apuntes de clase o los libros de texto, los profesores nos animaban a consultar durante los exámenes. También es cierto que, al menos en parte, la frustración que, como algunos recordarán, producía la tabla periódica tal vez naciera del hecho de que, por mucho que pudiera consultarse como si fuera una enorme chuleta autorizada, maldita la ayuda que nos daba.

La tabla periódica parecía estar organizada casi con la eficacia de la ingeniería alemana para ofrecer la máxima utilidad. Pero era tal el revoltijo de largas cifras, de abreviaturas y de unas expresiones que a todas luces parecían mensajes de error de un programa informático ([Xe]6s24f15d1), que era difícil no sentir angustia. Y aunque era obvio que la tabla periódica tenía algo que ver con otras ciencias, como la biología o la física, no estaba muy claro de qué modo era así. Para muchos estudiantes, la mayor frustración probablemente se debiera a que quienes le pillaban el truco, podían extraer de la tabla todo tipo de información como si nada".

 

Después el autor desglosa el comportamiento de algunas familias de elementos (gases nobles, halógenos, alcalinos...). Para ello explica que "en la medida que pueden, los átomos llenan (de electrones) sus niveles más interiores, de menor energía, con sus propios electrones, y luego ceden, comparten o roban electrones para conseguir el número ideal en el nivel más exterior" (es decir, explica lo que otros conocen como regla del octeto).

También en este capítulo nos habla de Gilbert Lewis (de lo genio que fue, de las  contribuciones que hizo en el campo de los enlaces y del comportamiento ácido/base... pero también nos habla de las pocas facultades que tuvo para una interacción social adecuada) y de María Goeppert (de lo genio que fue, de los "desprecios" que sufrió como mujer durante su vida, de sus contribuciones en el campo del modelo para el núcleo basado en capas de nucleones, de los científicos que hicieron justicia con ella, y de que finalmente alcanzó el Nobel por esas contribuciones).

 

 

No me quiero extender más en el resumen (quien quiera más... qué se lea el libro). Pero sí que voy a hacer algunas consideraciones y voy a poner algunas preguntillas por si os apetece debatirlas.

En la introducción se hablaba de "la curiosidad innata de los niños", ¿creéis qué, como dicen muchos, es el sistema educativo el que la mata? Yo tengo mi opinión, pero me la reservo para los comentarios.

Ya en el capítulo uno, ¿os ha gustado tanto como a mí el texto que he cortado y pegado y que habla sobre como "Muchas personas recuerdan la tabla periódica con una mezcla de fascinación, cariño, incapacidad y odio"? Y sin cambiar de tema. Me ha parecido que en EE.UU., cuando se explica química, la tabla está en la pared y nadie te "obliga" a empollártela ¿qué opináis de "obligar" a los alumnos de la E.S.O. a empollarse la tabla periódica? Yo tengo mi opinión, pero... también me la reservo para los comentarios, jajaja...

Y ahora algunas críticas.

Me ha gustado, aunque me ha parecido un poco pesada, la explicación de porque se llaman gases nobles los gases nobles.

Me ha sorprendido que no hablara de cómo surgió la tabla periódica (aunque lo mismo lo hace más adelante). Es obvio que no nombre todas las pequeñas contribuciones de los "Gigantes" que precedieron a Mendeléyev, pero he echado de menos anécdotas que yo siempre explico; ejemplos:
- El "creador" de esta herramienta (tabla) predijo la existencia de elementos (dejó huecos en la tabla diseñada por él) y explicó algunas de las propiedades físicas y químicas que tendrían.
- Cuando se descubrió y caracterizó el helio se añadió una nueva columna (grupo) que "encajó" perfectamente en la tabla establecida.
- Cuando se descubrieron los electrones, protones y neutrones (y sus "posiciones" en el átomo) encajaron a la perfección en la estructura diseñada por Mendeléyev (él desconocía la existencia de esas partículas)

Por último, creo que hace pirueteas, no suficientemente justificadas, cuando salta de los electrones a Lewis o de la composición del núcleo a Goeppert. Veamos como explico esto. No es que me sobren las historias (me han gustado y las desconocía) es que sinceramente creo que al leer el capítulo alguien podría acabar pensando que ambos tuvieron algo que ver en el descubrimiento de los protones, neutrones y electrones, y no fue así. Lewis destacó en explicar el comportamiento de los electrones cuando interactuaban y Goeppert en explicar la estabilidad/inestabilidad de los nucleones (protones y neutrones) en el núcleo. Son historias asociadas a electrones y nucleones, pero tal y como las introduce, creo que podría inducir a error.

¿Qué opináis de mis últimas quejas?

 

Pero estas últimas quejas no significan que no me haya gustado el capítulo. La verdad es que estoy deseando continuar leyendo el libro (y debatirlo con vosotros). Estoy aprendiendo mucho y creo que usar la tabla periódica como hilo conductor para contar historias es una genialidad.

 

Y poco más. Daros las gracias por estar ahí y recordaros que estas preguntas son las que yo me hago, pero que podéis (y debéis) introducir las vuestras. Nunca olvidéis que esto lo hacemos para disfrutar. Un saludo.

sábado, 28 de enero de 2017

Orígenes. Los humanos. Capítulo 8. Prestissimo

La historia evolutiva de Homo sapiens es todavía muy breve pero hemos de reconocer que en pocos milenos hemos alcanzado cotas increíbles de desarrollo. La pregunta que se ha venido planteando en este sentido es si este éxito evolutivo no habrá tenido que ver con la complejidad del lenguaje. Se han llevado a cabo muchos análisis de los fósiles de nuestros antepasados para descifrar si poseían una capacidad de habla como la nuestra, pero no podemos ofrecer ninguna respuesta definitiva porque ni las sutiles diferencias de forma, ni tampoco el tamaño de nuestro cerebro parecen ser la solución. A grandes rasgos, podemos descartar diferencias sustanciales entre el cerebro de los primeros miembros de Homo sapiens y nosotros mismos.

En cualquier caso, hace 150.000 años éramos cazadores y recolectores y ahora estamos planeando viajar a Marte. Este salto cualitativo en nuestro desarrollo cultural encaja con un progreso exponencial de la tecnología, y suscita de nuevo la misma pregunta: ¿Dónde reside la diferencia entre nuestros antepasados africanos de hace 200.000 años y los actuales habitantes del planeta?


Para varios investigadores, la diferencia radica en las mutaciones de unos pocos genes reguladores, que habrían tenido una selección positiva y se habrían extendido muy rápidamente en las poblaciones humanas.

Es decir, una única mutación génica permite alcanzar resultados espectaculares y llegar a fenotipos completamente distintos. El ejemplo de esto es claro: las diferencias genéticas entre los chimpancés y los humanos apenas superan el 1,5% del genoma. Sin embargo, la función de cada uno de los genes que nos separan de ellos puede tener –y de hecho las tiene– consecuencias cualitativas de gran envergadura.

Es posible que la selección natural haya actuado sobre ciertas variantes de éstos y otros genes que nos han procurado un cerebro más eficaz en sus funciones cognitivas, como la memoria operativa y la autoconciencia. Así, la selección natural ha potenciado las variantes que nos han ayudado a mejorar nuestra relación con un medio siempre hostil.

Ahora bien, podemos preguntarnos si lo que denominamos de manera genérica inteligencia está relacionada únicamente con mutaciones específicas en nuestro genoma. Tengamos en cuenta que si cualquiera de nosotros quedara aislado en un medio rural o un bosque durante el otoño o el invierno  (por ejemplo) no sólo seríamos incapaces de conseguir alimento, sino que moriríamos de frío en muy poco tiempo. Es cierto que quizás sobrevivirían algunos individuos entrenados en técnicas de supervivencia, pero es evidente que no sucedería lo mismo con la inmensa mayoría de nosotros.

Y esto es porque nuestra evolución ha seguido su propio camino hacia una socialización muy desarrollada. Siempre hemos sido primates sociales, pero ahora lo somos en grado extremo. Nuestra especie ha dado un salto gigantesco hacia la complejidad social: en ello reside nuestro éxito, pero también el mayor peligro que nos acecha.

Autores como Bruce Lahn sostienen que la presión selectiva y la fijación de ciertos haplotipos en momentos relativamente recientes de la evolución de Homo sapiens estarían sin duda relacionadas con el surgimiento de avances culturales de gran calado, como la domesticación de los animales y la agricultura.

Es lo que conocemos como la «revolución neolítica». El Neolítico surgió hace entre 10.000 y 5.000 años en varios puntos de planeta y supuso el desarrollo de nuevas formas de obtener recursos para nuestra subsistencia, mediante la domesticación de animales salvajes y el cultivo sistemático de plantas comestibles.

Esta «revolución neolítica» trajo consigo un crecimiento demográfico muy significativo, sin duda influido más por el incremento de la natalidad que por el descenso de la mortalidad –a mayor y mejor alimentación, mayor aumento de la natalidad–. Como consecuencia de lo anterior, vivimos grandes desplazamientos de poblaciones para conquistar territorios, asistimos a la construcción de viviendas, la producción de cerámica y la mejora de las técnicas de fabricación de herramientas. En definitiva, el Neolítico ha sido clave en la distribución actual de las diferentes lenguas y sus variantes, así como en la fijación de determinadas mutaciones genéticas en las poblaciones humanas.

A pesar de que la revolución neolítica se expandió por el globo con las poblaciones humanas que iban buscando nuevos territorios, hoy en día existen poblaciones que no han alcanzado este nivel de desarrollo (como sucede con los pigmeos de la región del Congo, los Hazda de Tanzania, o los Ache de Paraguay). Dado que el genoma de los componentes de todos estos pueblos es como el de los demás humanos del planeta –aunque no hayan alcanzado el grado de complejidad cultural que nos caracteriza– parece evidente que debe haber algo más, parece que no bastan algunas mutaciones genéticas para que nuestra especie haya llegado a cotas tecnológicas impensables hace tan solo un par de cientos de años.


Es posible que la respuesta a este misterio esté en el llamado «cerebro colectivo». Los seres humanos somos totalmente interdependientes, cada uno de nosotros desarrolla un rol complementario con el de los demás miembros de la sociedad. Aunque es muy posible que en las sociedades primitivas hubiera individuos con una alta capacidad creativa, sus innovaciones desaparecían en muy poco tiempo sin llegar más allá de, como mucho, unos cuantos cientos de kilómetros. Si a esto le sumamos la poca esperanza de vida, el enorme potencial de la «sabiduría de los mayores» se perdería irremediablemente.

En resumen, para ofrecer una respuesta a porqué hemos llegado a ser lo que somos, podemos acudir a la idea del «cerebro colectivo». A las posibles mutaciones que han terminado fijándose por selección positiva en el genoma de las actuales poblaciones del planeta, hemos de añadir la conexión virtual entre los centenares o miles de individuos que formamos cada población, y la que globalmente forman todas las poblaciones del planeta. Para que se de esa conexión no es necesario que nuestras neuronas entren en contacto directo. Aunque hace relativamente poco tiempo que hemos prescindido de la conectividad física para transmitir información, estamos dando un paso trascendental hacia el futuro, quizá de una nueva especie.

La lectura de este capítulo me ha traído a la memoria una vieja reflexión: ¿Es posible que asistamos a un cataclismo planetario (ya sea medioambiental, causado por alguna guerra o de cualquier otro tipo) que provoque, quizás no nuestra extinción, pero sí una masiva reducción de la población?

No sé qué pensáis vosotros, pero creo que vivimos tiempos complicados y, como nos recuerda José María Bermúdez de Castro en este capítulo, si sucediera una catástrofe que provocase simplemente que dejáramos de disponer de electricidad y perdiéramos el acceso fácil al agua potable, volveríamos a la época del "sálvese quien pueda" y no sé cómo nos afectaría. ¿Qué opináis?

sábado, 21 de enero de 2017

Orígenes. Los humanos. Capítulo 7. Presto

¡Hola a todos!

Este capítulo me ha encantado. Pues lo que nos distingue de las demás especies siempre me ha atraído. Especialmente el hecho de que seamos los únicos seres inteligentes con una capacidad cultural tan explosiva, única y superior a las demás especies actuales. Pero además en este capítulo el autor se pregunta si nuestros antepasados tuvieron las mismas capacidades o al menos muy parecidas. Por ello se centra en el cerebro, con sus problemáticas y sus capacidades.

Así que, respetando los apartados del autor, empiezo el resumen.

La claves del cerebro

Parece clara la importancia del cerebro en nuestra evolución de los últimos 150.000 años. Pero esto no nos ha salido gratis, hemos tenido problemas y uno de ellos es el proceso fisiológico del parto.

https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Pelvis_diagram_es.png

La postura erguida y el bipedismo implicó no sólo una disminución del tamaño del isquion y el pubis, sino un cambio muy notable en la geometría de la pelvis y en el recorrido que ha de seguir el feto durante su viaje desde el útero materno hacia el exterior. A esto se añade la dificultad de que en nuestra especie (por ejemplo si lo comparamos con el caso del chimpancé), la cabeza del recién nacido es muy grande con respecto al canal del parto.

En los cuadrúpedos el feto sigue una trayectoria rectilínea en su camino hacia el exterior, mientras que en nuestro caso el feto debe realizar una compleja operación de rotación y giro para salir, primero la cabeza y luego el resto del cuerpo. De hecho el feto humano no termina mirando hacia la madre (por lo que esta no puede intervenir en el último escollo para el bebé, que es el paso del resto del cuerpo) como en el caso del chimpancé, por lo que nuestro parto es un acto social (debido a la dificultad y el riesgo que conlleva), frente a la soledad del parto en otros primates.

Hay una frase en este capítulo que me gusta especialmente: “Todas las complicaciones señaladas, sin duda responsables de un gran número de muertes de bebés durante el parto a lo largo de nuestro linaje, ponen en evidencia el resultado de un proceso evolutivo sin optimizar, y no la existencia de algún tipo de diseño, que de existir sería muy poco eficiente (o incluso perverso, como han señalado Richard Dawkins y otros científicos).”

No existe un consenso sobre si las especies anteriores a la nuestra también han tenido un parto con rotación, y eso es debido, sobre todo, a la precariedad del registro fósil. Aunque, si se tiene en cuenta que las pelvis de todos nuestros ancestros fueron relativamente más anchas con respecto a la cabeza de los recién nacidos, existe la hipótesis de que tal vez tanto los neandertales como las demás especies de homininos no tuvieran necesidad de un parto con rotación de la cabeza del feto.

Es posible que nuestras caderas más estrechas tuvieran una consecuencia negativa en el momento del parto, pero este problema pudo compensarse con una mayor eficacia en la locomoción. Pues cuanto más alejados están los acetábulos (que es donde se articulan las cabezas de los fémures) del centro de gravedad del cuerpo, mayor es el coste energético que conlleva mantenernos erguidos al desplazarnos.

El segundo problema que tenemos por tener un cerebro grande es el coste tan exagerado que conlleva el crecimiento, desarrollo y funcionamiento de este. Nada menos que entre el 20 y el 25% del metabolismo basal está dedicado a mantener el funcionamiento del cerebro.

En 1995 se propuso la llamada «hipótesis del tejido caro», que sigue siendo aceptada por la mayoría de los especialistas. Como consecuencia de los cambios en la dieta (que era casi vegetariana a por otra más carnívora), ocurridos a partir de hace 2,5 Ma, la selección natural fue más «permisiva» con la reducción y la simplificación de nuestro aparato digestivo. Por lo que poco a poco, nuestros antepasados redujeron la cantidad de energía necesaria para el desarrollo y mantenimiento de un aparato digestivo complejo, que ya no necesitábamos. La energía sobrante pudo aprovecharse para desarrollar y mantener un cerebro cuyo tamaño y complejidad eran cada vez más necesarios en muchos aspectos de nuestra vida. 

Cambios en la forma del cerebro

Nuestro cerebro es tres veces mayor que el de los simios antropoideos. Pero algunos especialistas han encontrado otra diferencia importante. Estudiando los cerebros de los chimpancés, los neandertales y los humanos modernos; y eliminando el factor tamaño y considerando sólo las variaciones de la forma que suceden durante el desarrollo de estos desde el nacimiento hasta que este órgano alcanza su tamaño definitivo; han  observado que sus desarrollos son muy similares, a excepción del transcurso del primer año de vida extrateurina.  En esa época, en nuestro caso, se produce una fase en la que el cráneo se vuelve más esférico (o globular). La globularización se produce mediante una expansión relativa del lóbulo frontal, de los lóbulos temporales y de la fosa craneal posterior, un aplanamiento del área occipital y una flexión de la base del cráneo.


Los cráneos de los Homo erectus y Homo neanderthalensis son alargados y más o menos bajos en comparación al cráneo más corto y alto del Homo sapiens.


En nuestra especie el aumento relativo de la fosa craneal posterior tiene una estrecha relación con el aumento del cerebelo (cuyo significado funcional tiene que ver con nuestras capacidades cognitivas). Por lo que el cerebelo de Homo sapiens es más grande de lo esperado para un primate de nuestro tamaño corporal.


No se sabe (pero nos preguntamos) si esta globularización (al ser única en nuestra especie) tiene consecuencias a nivel cognitivo, y si es por ello que (tal vez) tenemos capacidades intelectuales superiores gracias a este cambio en el desarrollo de la forma del cerebro.

El gran salto de la humanidad

Homo sapiens es la única especie de la genealogía humana que queda en el planeta. Pero tampoco sabemos si es por una supuesta superioridad cognitiva respecto a las demás. Se han comparado las herramientas y el comportamiento (inferido del registro arqueológico) de los neandertales y de los sapiens arcaicos de cronologías similares. Y la conclusión es que no existen diferencias apreciables en el utillaje de las dos especies que justifiquen la superioridad tecnológica de Homo sapiens frente a Homo neanderthalensis.

Aunque es cierto que los niveles culturales a los que hemos llegado en la actualidad superan con creces a cualquier especie, esto ocurrió después de que desaparecieran la mayoría de nuestros competidores.

Por mucho que exista esa globularización del cerebro única en nuestra especie, no hay razones objetivas para pensar que la forma (que no el tamaño) del cerebro pueda influir en las capacidades cognitivas de las demás especies de homininos.

Crecimiento y desarrollo cerebral en Homo sapiens

Aunque el desarrollo inicial del cerebro en todos los vertebrados es el mismo, existe una regulación genética propia en cada especie que determina el tamaño, la forma de cada una de las regiones cerebrales y de todo el cerebro, así como la complejidad de la trama de conexiones neuronales.

En este proceso, la velocidad, el tiempo y el momento relativo del inicio y final de cada evento desempeñan un papel fundamental en el desarrollo cerebral. Pequeños cambios en estos factores (heterocronías del desarrollo) pueden tener consecuencias de gran calado.

Una cuestión fundamental de nuestro desarrollo cerebral es la llamada altricialidad secundaria, que indica el enorme retraso neuromotriz y cognitivo con respecto a otros mamíferos.

Cuando nacemos, apenas nos movemos. Aún tardaremos como mínimo un año para dar nuestros primeros pasos como primates bípedos. Por el contrario, los chimpancés corretean en pocos meses por la selva.

Existen dos hipótesis (no excluyentes) para explicar esta peculiaridad humana:
  • «Dilema obstétrico»: Debido a las reducidas dimensiones del canal de parto, tenemos que nacer antes de que la cabeza las supere. Para nacer con las mismas condiciones neuromotoras que los simios antropoideos nuestra gestación tendría que durar unos 18-21 meses.
  • «Hipótesis metabólica»: Los seres humanos tenemos una tasa metabólica basal, condicionada precisamente por la cantidad de energía que necesita el cerebro. Una madre gestante llega a valores de hasta 2,5 veces su tasa metabólica basal. Llegado un momento, la madre es incapaz de gastar más energía y es entonces cuando se produce la señal para el parto.

Por otro lado se sabe que cuanto mayor sea la densidad de las fibras mielinizadas en el cerebro, mayor será la madurez de esas regiones y menor su capacidad de responder a nuevos estímulos del medio ambiente (pues una vez mielinizados los axones estos ven reducida su capacidad de ramificación, y por tanto disminuye la plasticidad cerebral). Haciendo un estudio comparado de la densidad de mielina en varias regiones del cerebro en chimpancés y humanos, se vio que mientras el 20% de esas áreas en los chimpancés está mielinizada al final del proceso de gestación, los recién nacidos humanos carecen de mielina.

En los chimpancés la mielinización termina aproximadamente hacia los 11 años, excepto en la área frontopolar (donde residen funciones como la planificación, la toma de decisiones o la anticipación de los acontecimientos) que termina hacia los 17 años. Mientras que en los humanos el proceso de mielinización en todas las áreas del neocórtex cerebral finaliza cerca de los 30 años.

Pero el precio a pagar (en comparación al de otros primates) por nuestra plasticidad cerebral es: un gasto energético muy superior, mayor riesgo de aparición de enfermedades (como la esquizofrenia) debido al retraso en la madurez cerebral, y un mayor peligro físico debido a la inmadurez de los adolescentes durante un largo período de tiempo.

No sabemos si los neandertales u otras especies próximas a la nuestra tuvieron un desarrollo similar o si somos especiales en ese aspecto, pero cuando identifiquemos los genes responsables del desarrollo cerebral y se secuencie el genoma de los neandertales se podrá dar una respuesta.

Otra posible pista sobre lo que nos diferencia de las demás especies es que nuestro cerebelo (que está relacionado con el proceso de globularización) y neocórtex tiene, como ocurre con nuestro cerebro, un tamaño superior al esperado para un primate de nuestro tamaño corporal en relación a otras especies, como los macacos, los monos capuchinos, los babuinos o los chimpancés. Y aunque el cerebelo esté implicado en funciones motoras, también tiene un papel en la cognición. La conexión entre el cerebelo y el neocórtex (que tiene mucho que ver con el gran desarrollo de ciertas capacidades cognitivas) permitiría una mayor velocidad y posibilidades tanto en las funciones motoras como en las capacidades cognitivas.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ab/Prefrontal_cortex.png

En el caso concreto del neocórtex tiene tres elementos fundamentales:
  • El córtex prefrontal dorsolateral es básico en algo tan fundamental como la anticipación, la planificación y la toma de decisiones, que podría ser una forma de definir la inteligencia. También se ha relacionado con la capacidad de representación de los estados mentales propios y los de los demás, lo que nos lleva a atrevernos a pensar lo que otros creen, desean o piensan.
  • El córtex orbital prefrontal tiene un papel determinante como mediador entre las emociones y los pensamientos.
  • El córtex prefrontal medial, donde se encuentra el cíngulo anterior que, entre otras funciones como el control de la presión arterial o el funcionamiento de la digestión, también participa activamente en la regulación de procesos cognitivos de cierta complejidad, relacionados con la evaluación entre los problemas que nos impone el medio ambiente y la solución que adoptamos en cada caso. Es posible que sea por esto que los problemas emocionales puedan afectar a la presión arterial o a la digestión.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Gray727_anterior_cingulate_cortex.png

¿Somos diferentes gracias al lenguaje?

Una habilidad cognitiva que no puede faltar para decidir qué nos hace diferentes como especie es el lenguaje. Aunque ciertamente no sabemos con exactitud si nuestros antepasados tenían esta capacidad, tenemos algunos datos.

Se ha abordado el problema desde dos perspectivas:
  • La paleoantropológica, desde el punto de vista de los órganos que permiten emitir sonidos complejos. Existe cierta controversia entre investigadores sobre si nuestros antepasados podían hablar. Hay quien opina que ni los Homo habilis (ni los homininos anteriores) tendrían capacidad física para el habla. Este grupo de investigadores también opina que los neandertales tampoco tendrían las mismas capacidades que nosotros para emitir un lenguaje razonablemente articulado. Por otra parte hay quien piensa (a partir de reconstrucciones de sus cráneos) que los Homo habilis, los Homo ergaster y los neandertales sí que tendrían la posibilidad para desarrollar una cierta capacidad para el lenguaje.
  • La genética, pues sabemos que el gen FoxP2 está implicado en el lenguaje humano, y que se expresa en el córtex y en otras zonas del cerebro. Aunque no es un gen específico de nuestro linaje (por ejemplo se ha encontrado en aves), se ha secuenciado en los neandertales la misma variante de este gen que los sapiens actuales. Por lo que cabe pensar que los neandertales probablemente tenían la capacidad para desarrollar un lenguaje, lo que no implica que la utilizaran.
Aunque el papel de las áreas de Broca y Wernicke está muy relacionado con el lenguaje, se sabe que en realidad esta capacidad reside en todo el cerebro.

Los chimpancés (que también poseen sus correspondientes áreas de Broca y Wernicke) pueden aprender el lenguaje de los sordomudos, y entender no sólo unas 150 palabras, sino comprender frases más o menos complicadas.

Por todo ello, aun sin tener posibilidad alguna de contrastarlo empíricamente, casi ningún paleoantropólogo niega la posibilidad de que las especies del género Homo hayan tenido lenguajes rudimentarios. El debate está en atribuir a nuestra especie un salto cualitativo, en esta capacidad, de enorme importancia.


Propuesta de temas para comentar:
  • ¿Qué pensáis sobre las diferencias con las demás especies del género homo? Podéis también especular sobre si la razón de que seamos la única especie homo que queda fue por mala suerte de las demás o por nuestra supuesta inteligencia superior…
  • ¿Qué razón (apostáis) nos ha hecho tan diferentes de las especies actuales?