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La Tierra, el planeta infectado

Algunas (pocas) obras inmensas permiten contemplar desde el espacio la existencia de la Humanidad. Pero si unos extraterrestres mirasen por el microscopio en lugar del telescopio, bien podrían concluir que la Tierra es un planeta infectado, habitado exclusivamente por microbios. En número de individuos y en biomasa desde luego que constituyen la inmensa mayoría de lo viviente. Y sus dinámicas y ecosistemas en el fondo definen la habitabilidad de este planeta. De hecho en los océanos del mundo se libra una guerra constante y silenciosa que tiene más influencia sobre el destino de la Tierra que incluso nuestros más desaforados esfuerzos: una guerra entre bacterias y virus. En los mares de nuestro planeta hay un constante enfrentamiento por la supervivencia entre los seres vivos más abundantes del mundo y sus más despiadados predadores.

De un lado están las bacterias pertenecientes a un grupo llamado SAR11, de las cuales la más conocida se llama Pelagibacter ubique, aunque ninguno de estos nombres es oficial. Esto se debe a su reciente descubrimiento, ya que hasta hace apenas una decena de años desconocíamos su existencia. Lo cual no deja de tener su miga, subrayando lo mucho que nos queda por aprender: se calcula que en los mares del mundo puede haber hasta 10^28 ejemplares de esta diminuta bacteria, lo que la convierte en el ser vivo más exitoso, al menos de la Tierra. El retraso en su identificación se debe a que son muy difíciles de cultivar en laboratorio, proceso hasta hace poco vital para el modo habitual de trabajar de la microbiología. Apareció cuando comenzamos a analizar secuencias de ácidos nucleicos a lo bestia, que es cuando descubrimos una increíble diversidad de seres vivos que antes desconocíamos. Como por ejemplo las bacterias del grupo SAR11, que se sabe pueden ser parte clave de los ciclos geoquímicos del planeta simplemente debido a su inimaginable cantidad de ejemplares. Son tan abundantes que una hipótesis achacaba su desmedido número a su resistencia a parásitos y predadores.

Pero resultó que no; las bacterias SAR11 tienen microorganismos que se alimentan de ellas y las matan. La infección planetaria tiene sus propias infecciones, en este caso de virus bacteriófagos especializados. Se han identificado al menos dos familias diferentes de virus, bautizados como pelagifágos, que se alimentan de microorganismos SAR11. Y sus secuencias características han permitido identificarlos como presentes en enormes números y en gran variedad de ecosistemas. No sólo el ser vivo más abundante de la Tierra es una bacteria anormalmente pequeña, sino que ella misma tiene infecciones aún más reducidas en tamaño y complejidad. La rítmica paz del océano esconde una continua guerra de caza y destrucción entre bacterias y virus. Y nosotros, gigantes ciegos, en buena parte desconocemos la realidad de nuestro propio mundo.

Pelagibacter

Categorías: Ciencia

Pepe Cervera   23.oct.2013 08:30    

El gran colisionador de hadrones: la máquina de dios

Quizá el bosón de Higgs no sea la ‘partícula de dios’ (los físicos de verdad odian ese sobrenombre), pero a juzgar por su diseño y capacidades existe algo que podríamos llamar la máquina de dios. Diseñada y construida para analizar el Universo en sus aspectos más diminutos y fundamentales se trata de un triunfo de la ingeniería y del ingenio humano. Si alguna vez encontramos inteligencias alienígenas podremos presentarla como demostración de que hemos alcanzado un mínimo nivel de civilización. Es tan poderosa que es capaz literalmente de demoler las partículas más elementales que existen, y de estudiar sus ruinas. Está enterrada debajo de centenares de metros de roca en la frontera entre Francia y Suiza, y mide 27 kilómetros de circunferencia; su construcción tuvo un presupuesto de 7.500 millones de euros (siete mil quinientos millones de euros; no es una errata), convirtiéndola en el aparato científico no sólo más grande, sino más caro que jamás ha existido. Y para construirla hizo falta desarrollar tecnologías completamente nuevas, ya que funciona con imanes superconductores enfriados con Helio líquido a 1.9 K (−271,25 °C); el aparato más grande del mundo que opera a esta temperatura inimaginable. Su potencia es tal (14 TeV; el récord anterior era de poco más de 1 TeV) que acelera protones hasta 3 metros por segundo por debajo de la velocidad de la luz; hubo quien temió que fuese capaz de romper la estructura misma del espacio-tiempo y crear un miniagujero negro (u otras amenazas impensables). Es el Large Hadron Collider (gran colisionador de hadrones). Y si las noticias que llegan desde allí se confirman, ha conseguido en poco más de un par de años de operación a pleno rendimiento uno de sus objetivos fundamentales: detectar el Bosón de Higgs. Algo realmente importante para nuestro conocimiento del cosmos.

Es difícil imaginar los problemas de ingeniería que conlleva diseñar, construir y hacer funcionar algo como el LHC. El túnel, 27 kilómetros de circunferencia, 3,8 metros de diámetro, situado entre 50 y 175 metros por debajo del suelo, es lo de menos; de hecho la máquina reutiliza el túnel construido previamente para albergar el Large Electron-Positron Collider (gran colisionador electrón/positrón). El verdadero problema es crear y mantener operativos dos haces en su interior que no sólo están lo más vacíos de materia que el ingenio humano es capaz de conseguir, sino que además deben mantenerse a una temperatura muy cercana al cero absoluto. La cuestión es que para acelerar y mantener encaminado un haz de protones dentro de cada uno de los dos tubos que componen el LHC hay que utilizar campos magnéticos. Y no campos cualesquiera: hay que usar magnetismo a potencias difíciles de entender. Los imanes del LHC son de dos tipos (cuadripolos y bipolos); hay 1.600 de ellos (aunque el total de imanes supera los 9.300), y muchos pesan 27 toneladas. Están construidos con cables hechos de una aleación de titanio y niobio recubierta de cobre, y algunos de ellos crearán campos magnéticos de 8,3 teslas a pleno rendimiento. Eso es 276.000 veces el campo magnético terrestre; o casi el triple de la potencia de las mayores máquinas de Resonancia Magnética Nuclear que se emplean en medicina.

Para conseguir este resultado los imanes del LHC son superconductores. Y no de alta temperatura, precisamente: funcionan a menos de 2 grados Kelvin. Por eso toda la máquina tiene que estar enfriada a esta temperatura, lo cual se consigue utilizando Helio líquido como refrigerante. Un líquido que está a 1,7 grados por encima del cero absoluto: a más de 271 grados bajo cero. A esta temperatura muchos materiales corrientes se fracturan como el cristal; el aire se licúa y el agua se convierte en roca. El helio líquido es un material cuántico que se comporta de formas extremadamente extrañas por debajo de 2,17 K de temperatura, transformándose en un superfluído capaz, entre otras cosas, de trepar cuesta arriba por las paredes de un recipiente al carecer de viscosidad, y mostrando una conductividad térmica enorme. El LHC es la nevera más grande y potente del planeta. Y tiene que serlo, porque en 2008 hubo una demostración de lo que una pequeña subida de temperatura podía causar.

El 19 de septiembre de 2008 se estaba procediendo al activado y progresivo aumento de la potencia del recién terminado LHC, cuando una conexión eléctrica mal hecha se calentó. El aumento de temperatura provocó un ciclo de realimentación positiva en los imanes superconductores, lo que se conoce como magnet quench (ahogo de imán). El aumento de la temperatura provoca que suba la resistencia, lo que a su vez provoca un aumento de temperatura; y vuelta a empezar. En las condiciones de operación del LHC el proceso duró milisegundos y acabó en una explosión que rompió el tubo donde se albergan los haces con sus sistemas de aislamiento, desplazó y deformó 53 imanes y liberó 6 toneladas de helio líquido. El accidente retrasó casi un año la puesta en marcha a pleno rendimiento de la máquina, entre otras cosas porque hicieron falta semanas para hacer subir la temperatura del área afectada para repararla, y semanas de nuevo para volver a alcanzar la temperatura operativa sin causar nuevos daños. El 30 de noviembre de 2009 el LHC superó la potencia de su más potente antecesor y se convirtió en el acelerador más grande del mundo. 

La misión de toda esta tecnología es acelerar dos haces de protones hasta un 99,9999999% (9 más o menos) de la velocidad de la luz, para lo cual el interior de los haces está más vacío que el vacío interestelar. Luego estos dos haces se hacen chocar en cuatro puntos concretos, que es donde están instalados los gigantescos y complejísimos detectores que contemplan y analizan lo que ocurre en las colisiones. De hecho el LHC dispone de seis detectores, cuatro grandes y dos más pequeños, cada uno de los cuales está diseñado con un propósito concreto. Y cuando hablamos de ‘grandes’, quiere decir GRANDES. El detector ALICE mide 26 metros de largo por 16 de ancho y 16 de alto; pesa 10.000 toneladas, y es el resultado del trabajo de más de 1.000 científicos de más de 30 países. En su diseño, construcción y operación han colaborado 105 institutos científicos de física. El experimento ATLAS es aún mayor: con 46 metros de largo., 25 metros de ancho y 25 de alto y un peso de 7.000 toneladas es el detector de partículas de mayor tamaño jamás construido. En ATLAS trabajaron más de 2.900 científicos de 172 institutos de física situados en 37 países diferentes. El detector CMS, protagonista de la conferencia de hoy, pesa 12.500 toneladas, mide 21 metros de largo por 15 metros de ancho y de alto y es el producto de la colaboración de más de 2.000 científicos pertenecientes a 155 institutos repartidos por 37 países. El experimento LHCb mide 21 metros por 10 metros de alto y ancho, tiene un peso de 5.600 toneladas y 650 científicos han trabajado en su diseño. Los experimentos ‘pequeños’ son TOTEM y LHCf; extremadamente especializados, solo implican un puñado de científicos, y están situados cerca de los experimentos mayores (TOTEM junto a CMS, LHCf al, lado de ATLAS). La misión de todos estos detectores es capturar la información que necesitan los científicos para trabajar.

Y es una gran, enorme cantidad de información. Se calcula que los detectores del LHC generarán al menos 15 petabytes de información al año, incluyendo las simulaciones necesarias para calibrar los haces y preparar las colisiones. Como comparación, se estima que un cerebro humano es capaz de manejar 2,5 petabytes a lo largo de su vida; almacenar esta cantidad de datos necesitaría 100.000 DVDs de doble capa. Para recoger, gestionar y repartir estos enormes volúmenes de información el CERN ha tenido que diseñar y construir una red propia de gran capacidad, el LHC Computing Grid, que interconecta 140 centros de investigación en 35 países. El Grid es la infraestructura de supercomputación más grande y potente del mundo; tiene más de 200.000 procesadores y gestiona 150 petabytes de espacio en disco, y está basado en Scientific Linux. Conviene recordar que la World Wide Web nació en el CERN, cuando el informático Tim Berners-Lee intentó resolver los problemas de distribución de la información generada por experimentos anteriores. Quizá algún día veamos protocolos desarrollados para el LHC Grid en la Internet pública.

Toda esta gigantesca máquina, las tecnologías desarrolladas y perfeccionadas para hacerla funcionar, las ingentes cantidades de dinero empleadas en su construcción, el esfuerzo de literalmente miles y miles de científicos e ingenieros durante literalmente décadas, sirve únicamente para una cosa: para satisfacer nuestra curiosidad. El LHC nos ayuda a entender cómo es el Universo en sus más ínfimos detalles, en sus constituyentes más elementales. Por tanto nos ayuda a saber de qué estamos hechos nosotros, y de qué están hechas las más lejanas estrellas; cómo funcionamos nosotros, pero también cómo funcionan las galaxias más remotas, los agujeros negros más alejados. Con el LHC vemos la estructura más básica del Cosmos. Y por eso merece sin duda el apelativo de 'la máquina de dios'. 

Categorías: Ciencia , ciencia-las-noticias

Pepe Cervera    4.jul.2012 10:26    

Pepe Cervera

Bio Retiario

Pepe Cervera es periodista, biólogo y, entre muchas otras cosas, profesor de la Universidad Rey Juan Carlos. Colabora con diversos medios y es un apasionado de Internet.
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