Monday, May 15, 2017

UNA BREVE HISTORIA DE CASI TODO


PARTE I Perdidos en el cosmos


1 Como construir un universo


Según el modelo inflacionario, el universo nació a partir de unos cuantos gramos de materia comprimidos en una cáscara de nuez de una longitud de Planck. En el caso del Big Bang, habría que comprimir toda la materia del universo en un punto de volumen nulo y densidad infinita: una singularidad.

En ambos casos el universo nacería de una explosión descomunal en la que además se creó el espacio y el tiempo.

En el primer segundo ATB (after the bang) se creó la gravedad y las otras fuerzas. En menos de un minuto el universo ya medía 1015 km de extensión y se expandía muy deprisa.

La temperatura es de 10000 grados y empiezan las reacciones nucleares que crean Helio (a partir del Hidrógeno) y un poco de Litio (un átomo por cada 100 millones). En los primeros tres minutos del universo se ha producido el 98% de la materia.

Según el modelo del Big Bang esta gran explosión sucedió hace unos 13.700 millones de años. Este modelo fue propuesto por Lemaitre en los años 20 a partir de las ecuaciones de Friedmann y de la Teoría de la Relatividad pero no fue una idea plenamente considerada hasta los años 60. En 1965 Penzias y Wilson de los laboratorios Bell en Nueva Jersey descubrieron el Fondo Cósmico de Microondas que el equipo de Robert Dicke ya buscaba en Princeton basándose en una idea de los años 40 propuesta por el físico ruso Gamow.




Fondo Cosmico de Microondas
Fondo Cósmico de Microondas




Este fondo de microondas son los primeros fotones del Universo, la luz más antigua justo de cuándo el universo se hizo transparente (electrones capturados por los núcleos creando átomos neutros).

El origen de la expansión enorme y repentina del Big Bang podría ser:


  • Un ciclo eterno de universos que se expanden y se contraen.
  • Un falso vacío, un campo escalar o una energía de vacío que introdujo una inestabilidad cuántica que provocara la expansión.
  • Nuestro universo es parte de un multiverso donde se producen big bangs continuamente.

La teoría del Big Bang no se ocupa de la explosión en sí sino de lo que ocurrió después. Debido a que no tenemos una teoría de Gravedad Cuántica y este modelo está basado en la Relatividad General, no podemos retroceder más allá del tiempo de Planck, 10-43



Tiempo de Planck

Tiempo de Planck en función de la constante de Planck, la constante de gravitación universal y la velocidad de la luz



Gran parte de lo que sabemos de los primeros momentos del universo viene de la teoría de la inflación formulada por Alan Guth en 1979. Esta teoría propone una expansión exponencial poco después del Big Bang en la que dobló su tamaño cada 10-34 durante 10-30. La teoría de la inflación explica la gran homogeneidad del Fondo Cósmico de Microondas.



Expansion del universo segun el modelo inflacionario
Expansión del universo segun el modelo inflacionario según el cual poco después del Big Ban el universo tuva una corta fase de expansión exponencial

Lo que resulta extremadamente sorprendente es que el universo resultante haya sido tan favorable para la vida. Una minúscula variación en alguna de sus constantes habría impedido la formación de galaxias y estrellas o que estas iniciaran reacciones de fusión. Una hipótesis es que existan multitud de universos y que nosotros habitemos uno de los pocos o el único que permita la vida.

Sin embargo el modelo del Big Bang solo explica el 98% de la materia conocida, el Hidrógeno, el Helio y el Litio. No nos dice nada de los elementos indispensables para la vida como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y todo el resto. Es curioso que no se crearan en el Big Bang a pesar de que en este se produjeron las condiciones de calor y energía necesarias.



2 El Sistema Solar



A pesar de la sensibilidad de los telescopios y los radiotelescopios, los astrónomos no descubrieron Plutón hasta 1930, y su luna Caronte hasta 1978. Esto es debido a su pequeñez, a su lejanía del Sol que hace que apenas refleje luz y a su órbita algo errática inclinada 17° respecto al plano de los otros planetas. A veces incluso está más cerca del Sol que Neptuno. Esto último ha hecho pensar en la existencia de un gran planeta o incluso un principio de estrella que altere su órbita.



Orbita de Pluton y cinturon de Kuiper

Órbitas de los cuatro planetas gigantes y la órbita inclinada y elíptica de Plutón. Los puntos representan el cinturón de Kuiper


El Sistema Solar lo forman ocho planetas: cuatro rocosos, cuatro gaseosos y Plutón. Plutón está muy lejos. La velocidad más alta de una nave espacial fue la de las Voyager 1 y 2, que a 56000km/h tardaron 12 años en llegar a Plutón.



Sonda Voyager
La Sonda Voyager 


Trayectorias de las sondas Voyager


Trayectorias por el Sistema Solar de las sondas Voyager 1 y Voyager 2



La nave New Horizons llegó en 10 años debido a una posición favorable de Júpiter y a los nuevos avances tecnológicos.



Sonda New Horizons


Imagen artística con la sonda New Horizons delante de Plutón y su satélite Caronte








Planetas del Sistema Solar
Los planetas del Sistema Solar



Plutón, a siete horas luz del Sol, marca el principio del borde de nuestro Sistema Solar que es básicamente una gran extensión de espacio vacío. En este borde se encuentra el cinturón de Kuiper de donde proceden muchos de los cometas que vemos orbitar alrededor del Sol, aquellos de periodo breve como el cometa Halley.

Otros cometas, los de periodo largo, como el Hale-Bopp y el Hyakutake, proceden de la nube de Oort cuyo centro está a 50000 UA del Sol (Plutón está a 40UA). En esta zona la atracción del Sol es tan débil que cualquier perturbación modifica la órbita de algunos de sus objetos hacia el Sistema Solar.

El Sistema Solar no acaba en Plutón, sino más allá de la nube de Oort a unos 10000 años de distancia a la velocidad de las Voyager y cuyo diámetro es de dos años luz. Ni tan solo con el telescopio Hubble podemos ver el interior de la nube de Oort, con lo que no sabemos que realmente exista.



Telescopio espacial Hubble

Telescopio espacial Hubble


La estrella más cercana a nuestro Sistema Solar es Próxima Centauri, del grupo Alpha Centauri, a 4,3 millones de años luz. Sirius, a 4,6 millones de años luz más, sería la siguiente estrella más próxima. Realmente las distancias espaciales son descomunales. Lo normal entre estrellas es una distancia de 30 años luz.

Entre los 100.000 millones de estrellas de la Vía Láctea, y los 100.000 millones de galaxias del universo, debe haber un gran número de Sistemas Solares con planetas habitables. Por eso existe alguna probabilidad de que haya más civilizaciones avanzadas además de la nuestra. Incluso millones. Pero de media estarían alejadas a 200 años luz de nosotros, con lo que si pudieran vernos lo harían estando nosotros en el siglo XVIII.



Formula de Drake

Fórmula de Drake del número de civilizaciones en nuestra galaxia: el número de estrellas x la fracción de estrellas con planetas x el número de planetas habitables x la fracción de estrellas con vida x la fracción de estrellas con vida inteligente x la fracción de estrellas con civilizaciones tecnológicas x la expectativa de vida de las civilizaciones. Va desde 1 (la de la Tierra) hasta millones



3 Las supernovas



Una supernova ocurre cuando una estrella gigante, mucho mayor que nuestro Sol, colapsa y justo después explota espectacularmente y libera en un instante la energía de 100.000 soles, brillando como toda una galaxia.


Supernova 1987A

Imagen de la supernova 1987A tomada por el telescopio Hubble


El término supernova lo creó en los años 30 un extravagante astrofísico llamado Fritz Zwicky. También fue el primero en imaginar la posible existencia de las estrellas de neutrones y de los rayos cósmicos como consecuencia de estas.

Además fue el primero en profetizar la existencia de la materia oscura pues no había masa visible suficiente para mantener unidas a las galaxias. Sin embargo no se dio cuenta de que si una estrella de neutrones se encogía lo suficiente ni siquiera la luz podría escapar y se originaria un agujero negro. Fue Robert Oppenheimer el primero en tratar las estrellas de neutrones de una manera seria.

Las supernovas son extraordinariamente escasas. Una estrella vive miles de millones de años y muere muy deprisa y no todas lo hacen con una supernova (solo aquellas cuya masa está entre 10 y 20 veces la del Sol). En una galaxia estándar como la nuestra con 100.000 millones de estrellas, ocurre una cada 200 o 300 años.

Hay varios tipos de supernovas. De estas la Ia es fundamental para la astronomía porque esta categoría de supernovas explotan siempre de la misma manera, com la misma masa crítica. Por eso se pueden usar para medir el brillo (y por tanto la distancia relativa) de otras estrellas, y así medir la velocidad de expansión del universo.

Para que una supernova pusiera en peligro nuestra existencia debería producirse a menos de 10 años luz, y su principal peligro sería la emisión de rayos gamma de alta energía que harían estallar la magnetosfera de la Tierra. Por suerte el candidato más serio es Betelgeuse a 50.000 años luz.

Las supernovas son importantes también porque en ellas se crean los elementos más pesados como Carbono y Hierro, a partir del Hidrógeno y del Helio, que son indispensables para la vida y que no se crearon en el Big Bang. 

Esta explicación la proporcionó el cosmólogo Fred Hoyle, quien también acuñó el término Big Bang de manera peyorativa. En 1957 demostró que los elementos pesados se produjeron en la nucleosíntesis en las explosiones de supernovas gracias a las temperaturas extremas que se alcanzan (100 millones de grados). Con las nuevas teorías de supernovas, fueron posibles ideas de como llegamos hasta aquí.

Hace unos 4.600 millones de años se acumuló un gran remolino de gas y polvo a unos 24.000 millones de kilómetros del espacio que ocupamos ahora y se comenzó a agregar. Casi todo, un 99% de la masa del Sistema Solar, formó el Sol.


Nebulosa protosolar

Nebulosa protosolar y nube de polvo y gas a partir de la cual se formaron los planetas



Del material restante, los granos microscópicos se fueron agregando por atracción electrostática. A partir de cierto tamaño chocaban y se formaban trozos planetasimales que a su vez chocaban con un ganador que dominaba la órbita a través de la que se desplazaban. En unos 200 millones de años se formó la Tierra, al principio en estado líquido y permanentemente bombardeada por otros objetos.

Hace 4400 millones de años un objeto de la medida de Marte chocó con la Tierra y arrancó suficiente material para que se formara la Luna.


Formacion de la Luna

Impacto de un objeto del tamaño de Marte con la Tierra en formación, hace más de 4.000 millones de años que pudo ser el origen de la Luna



Cuando la Tierra tenía un tercio del tamaño actual comenzó a tener atmósfera, sobretodo de dióxido de carbono, Nitrógeno, metano y azufre. El dióxido de carbono fue bien para mantener la temperatura porque el Sol era bastante más débil que ahora.

Durante 500 millones de años la joven Tierra siguió sufriendo el impacto de cometas, meteoritos y asteroides que llevaron el agua a los océanos y los componentes necesarios para la vida, que apareció a pesar del entorno singularmente hostil hace 4.000 millones de años.

Parte II: La medida de la Tierra


4 La medida de las cosas


Edmond Halley fue un personaje excepcional y gracias a él Newton publicó sus famosos Principia Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Debido a una apuesta con Christopher Wren y Robert Hooke fue hasta Newton para obtener una explicación de por qué los planetas del Sistema Solar siguen órbitas elípticas.

Agraciado con la mente del genio supremo , Newton inventó el cálculo, transformó nuestra comprensión de la luz y puso los fundamentos de la ciencia de la espectroscopia. Incluso su rival Leibniz consoderaba sus aportaciones a las matemáticas tan importantes como toda la obra acumulada antes de él.

Los Principia no solo explicaban las órbitas de los cuerpos celestes, sino que identificaba la fuerza de atracción que los había puesto en movimiento: la gravedad. La misma fuerza que actuaba en la superficie de la Tierra. Un ejemplo de unificación.

En el núcleo de los Principia estaban las conocidas tres leyes de Newton y su Ley de Gravitación Universal. Esta última era la primera ley universal de la naturaleza de verdad.

Entre todo lo que explicaban las leyes de Newton, una resultó polémica de inmediato: que la Tierra era achatada por los polos debido a su movimiento de rotación. Muchas expediciones de científicos intentaron confirmarlo hasta que un equipo francés determinó en Escandinavia que la Tierra era 43km más gorda cuando se media por el ecuador que no alrededor de los polos.

Otra conjetura de Newton es que una plomada suspendida cerca de una montaña se inclinaría muy ligeramente hacia la montaña. Midiendo el grado de inclinación y la masa de la montaña podría calcularse la constante de gravitación universal G. Hubo varios intentos no fructíferos debido a la dificultad de medir la masa de una montaña. Finalmente fue Cavendish quien lo conseguió en 1797 mediante una balanza de torsión de extremada precisión construida por John Michell. Al calcular G, Cavendish pesó la Tierra.



Balanza de Cavendish

Balanza de torsión de alta precisión con la que Cavendish pesó la Tierra al medir la constante de gravitación universal



Edmond Halley también propuso utilizar mediciones de los tránsitos de Venus delante del Sol desde varios puntos de la Tierra para calcular la distancia de esta respecto al Sol, y así determinar la distancia al resto de cuerpos del Sistema Solar.


Transito de Venus por delante del Sol

Tránsito de Venus por delante del Sol


Por desgracia, los tránsitos de Venus son irregulares. Se producen en parejas en intervalos de ocho años, pero al acabar no hay otro en un siglo o más. Los primeros tránsitos tras esta idea fueron en 1761, cuyas medidas fueron un fracaso, y en 1769, en las que unas medidas precisas de James Cook desde Tahití permitieron al astrónomo francés Joseph Lalande calcular que la distancia de la Tierra al Sol era de unos 150 millones de kilómetros. Dos tránsitos más en el siglo XIX situó la cifra en 149,59 millones de kilómetros, que es la aceptada actualmente. La Tierra tenía por fin una posición en el espacio.

A finales del siglo XVIII los científicos conocían con mucha precisión la forma y dimensiones de la Tierra y su distancia respecto al Sol. Conocer su edad fue mucho más costoso y no se consiguió hasta mediados del siglo XX cuando la geología evolucionó lo suficiente.



5 Los rompepiedras


Podría considerarse a James Hutton como el primer geólogo y su obra, el inicio de la geología. Se preguntó como habían llegado fósiles marinos a la cimas de las montañas. Sobre esta pregunta, los neptunianos respondían que mediante subidas y bajadas del nivel del mar. Sin embargo, los plutonistas afirmaban que la superficie terrestre era modelada por agentes de cambio como volcanes, terremotos o glaciares.

Hutton tuvo una intuición excepcional al observar que el suelo se creaba por la erosión de las rocas, cuyas partículas eran arrancadas y arrastradas por ríos y depositadas en otros lugares. A pesar de este efecto alisador, había montañas, con lo que hacía falta otro proceso adicional que las creara. Por tanto concluyó que los fósiles se alzaron junto con las montañas.

También dedujo que era el calor de la Tierra lo que creaba cordilleras y continentes. No se entendieron las implicaciones de estas ideas hasta que se adoptó el concepto de placas tectónicas 200 años más tarde. Las teorías de Hutton sugerían sobretodo que los procesos que habían modelado la Tierra requerían muchísimo tiempo.

La intuición de Hutton era tan excepcional como nefasta su escritura. Afortunadamente John Playfair reescribió su obra de manera más comprensible y agradable, lo que ayudó a difundir estas ideas.

Hoy en día el tiempo geológico se divide en cuatro grandes eras: Precambriano, Paleozoico, Mesozoico y Cenozoico. Estas eras se dividen a su vez en 12 a 20 subgrupos o períodos como el Cretácico, Jurásico, etc. Después vienen las épocas de Charles Lyell, otro gran geológo que creía que los cambios en la Tierra eran graduales, uniformes y constantes.

Lyell nació cuando murió Hutton e introdujo las épocas para cubrir la etapa de los dinosaurios (los últimos 65 millones de años): Pleistoceno, Plioceno, Mioceno y oligoceno.

Por otro lado las rocas se dividen en unidades de tiempo muy separadas llamadas sistemas, series y fases. Hoy en día se dispone de técnicas de datación complejas. Sin embargo, durante el siglo XIX, solo se pudieron hacer conjeturas. Si bien se podía ordenar las diferentes rocas y fósiles según su edad, no se conocía en absoluto la extensión de ninguna de estas épocas.

Todas las propuestas sobre la edad de la Tierra eran ridículamente cortas pues no se imaginaban que el Sol pudiera generar energía durante millones o miles de millones de años. Se desconocía la fusión nuclear.



6 Ciencia de dientes y garras rojas


En el siglo XIX aparecieron multitud de fósiles de especies diferentes de dinosaurios. Si la Tierra se había formado hace unos 20 millones de años como afirmaba Lord Kelvin, era inconcebible que tantas especial hubieran evolucionado y se hubieran extinguido en solo unos millones de años, que era la edad que se creía que podía tener la Tierra.

El nombre dinosaurio (dinosauria quiere decir lagarto terrible) fue acuñado por Richard Owen en 1841, pero no fue muy acertado porque no eran ni lagartos (eran reptilianos) ni todos eran terribles (algunos eran como conejos de grandes). Los dinosaurios constituyen dos órdenes de reptiles: los ornitiscos (pelvis similar a los pájaros) y los saurisquios (pelvis similar a los lagartos).

A principios del siglo XX, Ernest Rutherford aportó pruebas irrefutables de que la Tierra tenía como mínimo muchos centenares de millones de años. Sus pruebas se basaban en la alquimia natural y espontánea generada por la radiactividad.



7 Materias Elementales



Se dice que la química es una ciencia respetable desde 1661, cuando Robert Boyle publicó la primera obra que distinguía entre químicos y alquimistas.

Durante el siglo siguiente la química fue una disciplina sin orden, desorganizada y confusa. Fue Lavoisier en la segunda mitad del siglo XVIII quien dotó a la química de rigor, claridad y métodoLavoisier no descubrió ningún elemento químico pero fue el primero en proponer la idea de la conservación de la masa.

Después de avanzar mucho durante el siglo XVIII, la química se estancó durante las primeras décadas del siglo XIX de manera similar a la geología en los primeros años del siglo XX.

A finales del siglo XVIII Benjamin Thompson se convirtió en la primera autoridad en termodinámica y fue el primero en dilucidar los principios de la convección de fluidos y la circulación de las corrientes oceánicas.

Thompson creó la Royal Society en Londres para impulsar la química. Un profesor de esta institución, Humphry Davy descubrió multitud de elementos químicos gracias al procedimiento de la electrólisis ideado por él mismo como el Sodio, el Potasio, el Aluminio, el Magnesio, el Calcio y el Estroncio.

En 1808 John Dalton fue el primero en vislumbrar el átomo y el año 1811, Avogadro descubrió que dos volúmenes iguales de gases de cualquier tipo, si se mantienen a presión y temperatura iguales, contendrán el mismo número de moléculas (principio de Avogadro). Este principio permitía calcular con más exactitud el tamaño y el peso de los átomos.

En 1869 Mendeleiev inventó la tabla periódica agrupando los elementos en grupos de 7 y descubriendo que sus propiedades se repetían periódicamente. Las filas horizontales (orden ascendente de número atómico o de protones) eran los períodos y las columnas los grupos.(mismas propiedad).

En la época de Mendeleiev solo se conocían 63 elementos, y se dio cuenta de que la tabla periódica de entonces no formaba un cuadro completo y que faltaban muchas piezas. Así pues, la tabla periódica permitió predecir la existencia de muchos otros elementos químicos.



Tabla Periodica de los elementos

La tabla periódica de los elementos



A finales del siglo XIX, en 1896, Henri Becquerel descubrió la radioactividad de unas sales de uranio. Marie Curie y su marido Pierre descubrieron que ciertas rocas emitían unas cantidades constantes enormes de energía sin variar su masa de manera detectable. Además los Curie descubrieron dos nuevos elementos: el radio y el polonio.

Ernest Rutherford se interesó por los materiales radiactivos y pensó que su descomposición radiactiva podría explicar gran parte del calor de la Tierra. Descubrió también que los elementos radiactivos se descomponían en otros elementos: uranio en plomo. Era alquimia pura y simple.

También se dio cuenta de que en cualquier muestra de material radiactivo siempre hacia falta el mismo tiempo para que la mitad de la muestra se descompusiera (la famosa vida media). Calculando la cantidad de radiación en un momento determinado y la velocidad de desintegración se podía calcular la edad de la muestra. Así identificó muestras con más de 700 millones de años, mucho más que los cálculos de la edad de la Tierra. A pesar de la datación radiométrica aún se tardarían décadas en acercarse al valor aceptado actualmente de la edad de la Tierra.




Parte III El Alba de una nueva era


8 El universo de Einstein


A finales del siglo XIX se habían resuelto la mayoría de los misterios del mundo físico: electricidad, magnetismo, gases, óptica, acústica, cinética y mecánica estadística. Se habían descubierto los rayos X, los rayos catódicos, el electrón y la radiactividad, se había inventado el ohmio, el watio, el kelvin, el joule, el amperio y el erg.

Se había creado un conjunto de leyes universales majestuoso: las leyes de Maxwell, la ley de las proporciones recíprocas de Richter, la ley de gases de Charles, la ley de combinación de volúmenes, etc.



Las leyes de Maxwell
Las leyes de Maxwell




Planck inició sus trabajos en física en el ámbito de la entropía pero pronto descubrió que Gibbs se le había avanzado. En torno a 1875 Gibbs demostró que la termodinámica no se aplicaba solo al calor y la energía a la gran escala grande del motor de vapor, sino que también estaba presente al nivel atómico de las reacciones químicas.

Michelson y Morley minaron la creencia en el éter luminifero (concebido por Descartes y aceptado por Newton), un medio estable, invisible, sin peso, sin fricción e imaginario que se creia que impregnaba el universo. Mediante un interferometro construido por Michelson, demostraron que la velocidad de la luz era siempre la misma con respecto al éter. Fue el primer indicio exactamente en 200 años que quizás las leyes de Newton quizás no se aplicaban siempre a todo.



Interferometro de Michelson y Morley

Interferómetro diseñado por Michelson con el que demostraron que el éter no existía


Con el comienzo del siglo XX la ciencia pasaría de un mundo de macrofísica a otro de microfísica. En el año 1900 se entraba en la era cuántica con la cuantización de la energía de Max Planck.

Energia de un cuanto
La energía de un cuanto es proporcional a la frecuencia




El 1905 fue otro año histórico con una serie de cinco artículos que Einstein envió a la revista Annalen der Physik, de los cuales tres hubieran merecido un premio Nobel cada uno: la explicación del efecto fotoeléctrico mediante la cuantización de la energía de Planck, otro sobre el movimiento browniano y un tercero en la que daba a conocer la Teoría Especial de la Relatividad.

El primero explicaba la naturaleza de la luz, el segundo aportaba pruebas de que los átomos existen. El tercero, titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento", cambió el mundo.

La ecuación más famosa de la Relatividad Especial es:

Equivalencia entre masa y energia
Equivalencia entre masa y energía de la Relatividad Especial



que nos dice que masa y energía son equivalentes. La energía es materia liberada, la materia es energía que espera producirse. La energía atrapada en la masa es enorme pero no somos muy hábiles en dejarla salir. Una bomba de Uranio, lo más enérgico producido hasta ahora libera menos del 1% de la energía que se podría liberar si fuéramos más listos.

Entre muchas cosas, la teoría de Einstein explicaba el funcionamiento de la radiación:


  • Cómo un trozo de Uranio podría lanzar constantes corrientes de energía sin fundirse como un cubito de hielo.
  • Cómo las estrellas podían arder durante miles de millones de años sin acabar el combustible, lo que permitía edades de la Tierra de miles de millones de años.


También demostraba que la velocidad de la luz era constante y un límite cósmico insuperable. Y resolvía el problema del éter luminífero aclarando que no existía.

Einstein incorporó la gravedad con la Teoría General de la Relatividad. En esta teoría el tiempo forma parte del espacio en lugar de ser un tiempo eterno, absoluto, inmutable. Basándose en el principio de equivalencia, la Teoría General de la Relatividad afirma que la gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.



Ecuaciones de la Relatividad General
Ecuaciones de la Relatividad General



Según la Teoría General de la Relatividad el universo no puede ser estático, sino que debe expandirse o contraerse. Einstein pensaba que el universo era fijo y eterno y por eso introdujo la constante cosmológica para contrarrestar los efectos de la gravedad.


Más o menos al mismo tiempo, Vesto Slipher descubrió un corrimiento espectral al rojo de estrellas remotas. Sin embargo la gloria se la llevó Edwin Hubble. Entre 1919 y 1929 Hubble abordó dos de las cuestiones fundamentales del universo: su edad y su tamaño. Para ello es necesario saber a que distancia están determinadas galaxias y a que velocidad se alejan de nosotros (su velocidad de recesión).

Para ello se necesitan las "velas estándar": estrellas de las que se puede calcular fácilmente su brillo y que pueden utilizarse como puntos de referencia para medir el brillo (y por tanto su distancia relativa) de otras estrellas. Fueron descubiertas por Henrietta Swan Leavitt. Observó que un tipo de estrella llamada variable cefeidea (su nombre viene de constelación de cefeu donde se encontró la primera) palpitaba a un ritmo regular: como un latido estelar. Son escasas, pero hay una muy conocida: Polaris, la estrella polar.







Laten así porque son estrellas viejas que han superado su fase de secuencia principal y se han convertido en gigantes rojas.







Mediante el corrimiento al rojo de Sjipher y el método de Leavitt, Hubble demostró que Andrómeda era una galaxia en lugar de una nebulosa.

Con el nuevo telescopio de 100 pulgadas del Monte Wilson, Hubble descubrió a principios de los años 30 que todas las galaxias, salvo las de nuestro grupo local, se alejan de nosotros, y tanto más rápido cuanto más lejanas. Es decir, el universo se expandía rápidamente y regularmente en todas las direcciones. Por tanto, mirando hacia atrás, todo debería haber comenzado en un punto central. Ciertamente un universo estático hubiera colapsado por la gravedad y se hubiera calentado mucho debido a que las estrellas hubieran ardido indefinidamente.

No fue Hubble sino Georges Lemaître quien se dio cuenta de las implicaciones de las observaciones de Hubble y sugirió que el universo comenzó en un punto geométrico, un átomo primigenio que estalló gloriosamente y que se había estado expandiendo desde entonces. Era una idea que anticipaba el modelo del Big Bang que no fue considerada en serio hasta el descubrimiento del Fondo Cósmico de Microondas por Penzias y Wilson.



Antena de los laboratorios Bell

Antena en forma de cuerno o bocina con la que Penzias y Wilson descubrieron la radiación del Fondo Cósmico de Microondas





9 El átomo poderoso



Mientras Hubble y Einstein aclaraban la estructura del cosmos a gran escala, otros científicos estudiaban el diminuto y misterioso átomo.

Todo está hecho de átomos, que a su vez se unen formando moléculas. Son muy abundantes y estables (pueden durar hasta 1035 años) y extremadamente diminutos (una diezmillonésima de milímetro). 

Que los átomos son pequeños, abundantes y casi indestructibles se le ocurrió a John Dalton a principios del siglo XIX. Sin embargo no fue hasta un siglo más tarde que Einstein proporcionó la primera prueba objetiva de su existencia con en su artículo del movimiento browniano. Pero pocos hicieron caso, así que el primer héroe de la era atómica fue Ernest Rutherford.

A finales del siglo XIX se estaban produciendo muchos descubrimientos a nivel atómico. En 1895 Roentgen descubrió los rayos X, en 1896 Henry Bequerel descubría la radioactividad. En 1897 J.J. Thomson descubrió el electrón.

La tarea más importante realizada por Rutherford fue determinar la estructura y la naturaleza del átomo. En 1910 realizó junto a su alumno Hans Geiger el experimento de disparar partículas alfa contra una lámina de oro observando que casi todas la atravesavan sin inmutarse pero algunas pocas salían rebotadas. La explicación era que golpeaban algo pequeño y denso en el núcleo del átomo. Rutherford comprendió que el átomo era principalmente espacio vacío con un núcleo muy denso en su centro.



Experimento de Rutherford

Experimento de Rutherford en que se lanzaban partículas alfa contra una fina lámina de oro y se observaba su trayectoria


Así pues el átomo está formado por un núcleo compuesto de protones y neutrones rodeado de espacio vacío donde orbitan los electrones. El número de protones da al átomo su identidad. El número de neutrones (propuestos por Rutherford para evitar la explosión del núcleo y descubiertos por James Chadwick en 1932) no influye en su identidad pero aporta masa y estabilidad en núcleos con muchos protones. El número de neutrones suele ser similar al de protones, pero puede variar ligeramente dando lugar a isótopos diferentes de un mismo elemento. Un ejemplo es el carbono-14, que tiene 8 neutrones, usado en datación arqueológica.

El descubrimiento del neutrón fue esencial para desarrollar la bomba atómica porque, al no tener carga, no son repelidos por los protones y pueden dispararse contra ellos desencadenando el proceso de fisión.

Sin embargo los átomos no podían existir así porque la teoría electromagnética decía que los electrones debían perder energía hasta chocar con el núcleo. De hecho la visión mecanocuántica del átomo cambia el concepto de órbita por el de orbital, el lugar donde hay una probabilidad del 90% de encontrar el electrón, que realmente está en todas partes.

Resulta sorprendente que los átomos sean prácticamente espacio vacío, y que la solidez que experimentamos a nuestro alrededor sea una ilusión. Los objetos no se golpean realmente, sino que los campos de carga negativa de ambos objetos se repelen. Cuando nos sentamos en una silla, levitamos realmente a una altura de un angstrom debido al principio de exclusión de Pauli.

En 1913 Niels Bohr propuso un modelo para explicar el espectro de emisión del Hidrógeno, que solo se producía a unas frecuencias concretas. En el se decía que los electrones solo podían ocupar unas órbitas concretas estables y bien definidas justificando que no cayeran en espiral hacia el núcleo. Los saltos cuánticos entre órbitas explicaban el espectro de emisión.

Se vio que el electrón se comportaba a veces como una onda y a veces como una partícula. Para explicarlo Louis de Broglie formuló la dualidad onda-partícula a partir de la que Erwin Schrödinger creo, con su famosa ecuación, la mecánica ondulatoria.








Ecuacion de Schrodinger
Ecuación de Schrödinger



Casi simultáneamente Werner Heisenberg creó la mecánica matricial que resolvía ciertos problemas que no explicaba la mecánica ondulatoria. Parecían dos teorías diferentes pero finalmente se demostró que eran equivalentes.

En 1926 Heisenberg creo la mecánica cuántica sobre el Principio de Incertidumbre. Una de las propiedades más inversemblantes de la mecánica cuántica es el entrelazamiento surgido del Principio de Exclusión de Pauli en 1925. Por muy lejos que esten dos partículas, tan pronto como se determina el espín de una de ellas, la otra comenzará a girar en sentido contrario y a la misma velocidad.



El Principio de Incertidumbre de Heisenberg
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg



Con la llegada de la física cuántica de repente se necesitaban dos conjuntos de leyes para explicar el comportamiento del universo: la teoría cuántica para lo muy pequeño y la Relatividad General para lo más grande.

La gravedad explica como los planetas orbitan las estrellas pero es demasiado débil para mantener unidas las partículas en los átomos. En los años 30 se descubrieron dos fuerzas que lo explicaban: la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones en el núcleo y la fuerza nuclear débil que gobierna las desintegraciones radiactivas. Ambas fuerzas, a diferencia de la gravedad o la fuerza electromagnética, tienen alcances diminutos. Por eso los núcleos son tan densos y aquellos con muchos protones, inestables.



La fuerza nuclear debil es la responsable de la radiación beta
La fuerza nuclear débil es la responsable de la radiación beta, en que un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino





10 La eliminación del plomo


En 1921 Thomas Midgley Junior de la General Motors investigó un compuesto, el tetraetilato de plomo, que disminuía las vibraciones de los motores. Su posterior uso en carburantes ha contaminado el aire de la atmósfera. El peligro del plomo para los seres vivos es que es una neurotoxina que no se elimina del organismo , acumulándose en los tejidos.

Además inventó los CFC o clorofluorocarbonos, un gas estable, no inflamable, no corrosivo y seguro de respirar para sustituir los gases peligrosos e inflamables de las neveras de la época. Pero estos gases son de efecto invernadero,  mucho más que el dióxido de carbono, destruyen el ozono y prácticamente no se eliminan de la atmósfera (permanecen un siglo). Su consumo aumentó con los esprays, aires acondicionados etc.

Sobre el año 1940 Willard Libby inventó la datación por radiocarbono, cosa que permitió a los científicos calcular la edad de los fósiles. Su método se basaba en la idea de que todo organismo vivo contiene en su interior el isótopo carbono-14, que comienza a desintegrarse a una velocidad medible en cuanto muere. El carbono-14 tiene una vida media de 5600 años, de manera que calculando la parte de una muestra de carbono que se ha desintegrado se puede calcular con bastante precisión la edad de un objeto, pero con ciertas limitaciones. Tras ocho vidas medias solo queda el 0,39% del carbono radiactivo original, con lo que la datación con este metodo solo es fiable hasta unos 40.000 años.

Fue Arthur Holmes quien resolvió el problema de datar rocas y poder así averiguar la edad de la Tierra. La teoría se basaba en las observaciones realizadas por Rutherford en 1904 según la cual algunos átomos se desintegran en otros a una velocidad suficientemente predecible para utilizarlos de reloj. Si se sabe cuánto tarda el potasio-40 en convertirse en argón-40 y se miden las cantidades de cada uno en una muestra, se puede determinar la antigüedad de un material. La aportación de Holmes consistió en medir la velocidad de desintegración del uranio en plomo para calcular la edad de las rocas y de la Tierra. Sin embargo no tenía el instrumental necesario para realizar medidas precisas.

Harrison Brown creo un método para contar isótopos de plomo en rocas ígneas y Clair Patterson midió con precisión las proporciones plomo/uranio de rocas antiguas, pero no lo suficiente. Rocas suficientemente antiguas son raras así que buscó muestras de meteoritos, también escasas, suponiendo acertadamente que la edad de los meteoritos sería similar a la de la Tierra pues son material sobrante de los primeros tiempos del Sistema Solar.

Tras años de búsqueda de las muestras adecuadas y medidas precisas anunció que la edad de la Tierra es de unos 4.550 millones de años, cifra aceptada actualmente.



11 Los Quarks de Muster Mark



A principios del siglo XX Ernest Lawrence, de Berkeley, diseñó el ciclotrón, el primer acelerador de partículas. Actualmente el acelerador de partículas más potente es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, gracias también a la cancelación de la construcción del Supercolisionador Superconductor en Texas por su elevado coste.



Solenoide Compacto de Muones

CMS, Solenoide Compacto de Muones, es uno de los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones



Estos aceleradores tan energéticos son necesarios para poder hacer chocar partículas de alta energía y que en esos choques se libere la, energía suficiente para crear partículas pesadas que no existen habitualmente, como el bosón de Higgs o los quarks top y bottom, por ejemplo.

Con la ayuda de los aceleradores de partículas se descubrieron multitud de estas a mitad del siglo XX: mesones, muones, piones etc.


Hadrones formados por quarks

Los hadrones se dividen en bariones, formados por tres quarks, y en mesones, formados por un quark y un antiquark


En los años 60 Murray Gell-Mann inventó una nueva clase de partículas, los Quarks, en un intento de aportar algo de simplicidad. Según esta teoría todos los hadrones estaban compuestos por quarks. Aún así, hay 6 tipos de quarks (6 sabores) y cada uno puede tener 3 colores, con lo que en total tenemos 18 tipos de quarks.



Particulas principales del Modelo Estandar
Partículas principales del Modelo Estándar



Finalmente surgió el modelo estándar. Una teoría a la que le falta elegancia y simplicidad con multitud de parámetros arbitrarios. Además es incompleta porque no incluye la gravedad.



Lagrangiana del Modelo Estandar
Densidad lagrangiana del Modelo Estándar que, a partir del principio de mínima acción, proporciona las ecuaciones de esta teoría



En un intento de unificar las cuatro fuerzas conocidas y, por tanto, incluir la gravedad, los físicos han concebido la teoría de supercuerdas que postula que todas las partículas son en realidad filamentos de energía vibrantes que oscilan en once dimensiones.



Las cuerdas son filamentos microscopicos vibrantes de energia

Las cuerdas son filamentos microscópicos vibrantes de energía

La teoría de cuerdas ha engendrado además la Teoría M que incorpora superficies llamadas branas.









Paralelamente a la búsqueda de una teoría unificadora, en cosmología se ha investigado la edad del universo, pues las primeras estimaciones de Hubble eran inferiores a la edad de la Tierra y de muchas estrellas. 

Finalmente, la sonda WMAP estableció en 1993 que la edad del universo era de unos 13.700 años. Otro de los misterios que los cosmólogos intentan resolver es el de la materia oscura, pues la materia visible no es suficiente para explicar el movimiento de las estrellas periféricas de las galaxias o la densidad de materia necesaria en el universo (cercana a la densidad critica) para explicar la velocidad de expansión  este.



Movimiento de las estrellas perifericas de las galaxias

 La materia visible se insuficiente para explicar el movimiento de las estrellas periféricas de las galaxias




Las partículas candidatas para constituir la materia oscura son las WIMP (Weakly Interacting massive particles) y las MACHO (Massive Compact Halo Objects) (agujeros negros, enanas marrones, etc).

Además recientemente (con el estudio de las supernovas IA en 1998) se ha descubierto que la expansión del Universo se esta acelerando como consecuencia de una energía oscura de la que, de momento, apenas se sabe nada.




12 La Tierra se mueve



A principios del siglo XX Alfred Wegener desarrollo la teoría que los continentes habían sido una única masa de tierra llamada Pangea donde la flora y fauna se había esparcido y mezclado antes de dividirse y alejarse flotando hasta las posiciones actuales. Esto explicaría la aparición de los mismos fósiles en costas alejadas como la de América del Sur y Australia o trilobites en Europa y Terranova. Sin embargo no fue capaz de aportar las pruebas necesarias.

Fue Arthur Holmes el que encontró una explicación: los movimientos de convección del interior dela Tierra gracias al calentamiento radiactivo. En teoría estos podían ser suficientemente fuertes para hacer deslizar continentes por la superficie. Estos son los fundamentos de la teoría de la deriva continental.

Otra de las incognitas sobre la Tierra era dónde iban a parar la gran cantidad de sedimentos que los ríos llevaban a los océanos pues habrían sido suficientes para sepultarlos. Durante la Segunda Guerra Mundial se descubrió que estos no estaban depositados sobre un fondo marino liso, sino que este estaba lleno de congostos, grietas y volcanes.

En los años 50 los oceanografos descubrieron que las cordilleras más imponentes se encuentran bajo el mar, como la que discurre de norte a sur desde Islandia bajo el océano Atlántico. Las Canarias, las Azores o Hawaii son cimas volcánicas que han emergido a la superficie.

En 1960 se descubrió que se estaba creando nueva corteza terrestre a ambos lados de la cordillera que atraviesa el Atlántico, siendo el fondo marino más alejado más antiguo. Esto se conoce como ampliación del lecho marino. Mediante un proceso llamado subducción la corteza que llegaba junto a los continentes se hundía bajo ellos. Los sedimentos de los ríos y las rocas más antiguas acaban bajo los continentes. Los lechos marinos son relativamente jóvenes. Esto fue confirmado en 1963 mediante estudios el magnetismo del lecho marino.

A esta teoría se le llamó tectónica de placas descartando la deriva continental porque era toda la corteza terrestre la que se mueve.

La tectónica de placas explica no solo la dinámica de la superficie de la Tierra (fósiles en puntos lejanos), sino también muchas de sus acciones internas como los terremotos, la formación de cadenas de islas, el ciclo del carbono, la situación de las montañas o la llegada de las eras glaciales.



IV Un planeta peligroso





13 Bang




Uno de los mayores cráteres de la Tierra se el Cráter de Manson en Iowa de 5km de profundidad y 30km de ancho creado por un meteorito de 2,5 km de ancho. Sin embargo no es visible porque está sepultado por muchas capas de hielo.

Otro gran cráter es el Barringer en Arizona visitado por Eugene Shoemaker en los años 50. Junto con David Levy descubrió gran cantidad de asteroides que eran meteoritos potenciales. Había mucho más riesgo ahí fuera de lo que nadie había imaginado.



Crater Barringer en Arizona

El Cráter Barringer es un agujero en el desierto de Arizona de 1,2km de díametro, creado hace 50.000 años por el impacto de un pequeño asteroide rico en hierro que cayó a más de 10km/s




El cinturón de asteroides (etimologicamente asteroide significa parecido a una estrella) son los restos de un planeta que no consiguió formarse debido a la influencia gravitatoria desestabilizadora de Júpiter. En principio se identificaron como planetas pero William Herschel se dio cuenta de que eran demasiado pequeños.

Aunque muchos de ellos estén identificados y sus órbitas estables y conocidas, cualquier perturbación puede desviarlos hacia la Tierra generando un peligro real. Uno del tamaño de una casa podría destruir una ciudad y de estos pasan una multitud relativamente cerca de la Tierra.

A principios de los 70 Walter Alvarez descubría en Italia un fina capa de arcilla que dividía dos antiguas capas de piedra calcaria: una del Cretacio y otra la del Terciario. Es un punto conocido en geología como frontera KT y señala el momento en que, hace 65 millones de años, los dinosaurios desaparecieron del registro fósil. Parecía que podían haberse extinguido repentinamente en lugar de a lo largo de millones de años como se creía desde la época de Charles Lyell.

Los análisis de estas muestras de arcilla mostraron que contenía 300 veces más iridio que lo habitual (más abundante en el espacio que en la corteza terrestre) igual que otras muestras obtenidas de otros lugares del planeta. La explicación más plausible era que la Tierra había recibido el impacto de un cometa o asteroide.



14 El fuego de abajo



No todo el peligro viene del espacio exterior. El interior de la Tierra también puede proporcionar peligros, como erupciones volcánicas descomunales. Quizás el punto caliente potencialmente más peligroso es la enorme caldera de magma bajo el Parque Nacional de Yellowstone.

El interior de la Tierra es bastante desconocido. No obstante mediante el estudio de propagación de ondas se descubrió en 1909 una frontera entre la corteza y el manto terrestre llamada discontinuidad de Mohorovicic. La corteza junto con el manto exterior se llama litosfera. En 1936 el científico danés Inge Lehmann descubrió, analizando un sismógrafo de Nueva Zelanda que había dos núcleos: un interno que se cree sólido y uno exterior (el que Oldham había detectado) que se cree líquido y el origen del magnetismo de la Tierra.

Las presiones en el interior de la Tierra son suficientes para solidificar cualquier roca y la temperatura del núcleo se estima entre 4000K y 7000K, aproximadamente como en la superficie del Sol. El núcleo líquido gira creando el campo magnético de la Tierra. Este cambia de potencia y se invierte periódicamente.

El campo magnético es fundamental para la vida porque la protege de los rayos cósmicos desviándolos hacia el cinturón de Van Allen. Gracias a él también podemos disfrutar de las Auroras boreales.



Aurora Boreal
Aurora Boreal


Los terremotos son uno de los grandes peligros bajo la tierra. Uno de los peores en destrucción fue el de Lisboa en 1755. Otros fueron en Alaska en 1964 o Santiago de Chile en 1960. Los tres de magnitud 9 o superior en la escala de Richter.

Los tipos de terremotos más comunes son aquellos en los que se encuentran 2 placas, como en California a lo largo de la falla de San Andrés. Cuando las placas se empujan una a la otra, las presiones aumentan hasta que una de ellas cede.

En general, cuanto mayor es el período entre terremotos, mayor es la energía contenida y mayor el potencial destructor del terremoto. Tokio es, por ejemplo, un punto de confluencia de 3 placas donde se espera un gran terremoto. Otro es Estambul. Además de los movimientos laterales de las placas tectónicas, también hay movimientos verticales debido al proceso giratorio llamado convección.

Volviendo a los volcanes, una de las mayores erupciones volcánicas recientes fue la del Monte Saint Helens en 1980 en el estado de Washington. Causó víctimas mortales y muchos daños más. Nada comparado a lo que pasaría si Yellowstone despertara.



15 Una belleza peligrosa



Yellowstone no es un volcan cónico típico, sino una inmensa caldera de unos 65 km de ancho, casi como todo el Parque Nacional de grande. Es un supervolcán. Si entrara en erupción no sería posible acercarse a menos de 1000km.

Bajo unos parajes de gran belleza con montañas, geisers, lagos de color azul intenso, bosques frondosos, osos, búfalos y lobos se esconde un potencial destructor inimaginable.

En 1965, junto a los geisers de agua sulfurosa caliente y al lago Maragda a unos 100° se encontraron microbios cuando se creía que la vida no era posible en aguas a más de 50°C. Por muy hostil que parezca el entorno, mientras haya agua líquida y alguna fuente de energía química, habrá vida.

La vida es más lista y adaptable de lo que nunca se había supuesto. Esto es muy positivo porque vivimos en un mundo que parece que no quiera que estemos.

V La Vida en sí


16 Planeta solitario



No es fácil ser un organismo. En todo el universo solo en la Tierra parece que pueda sustentarse la vida. Y en solo una franja pequeña de 20km desde la fosa oceánica más profunda hasta la montaña más alta. Para los humanos que respiramos oxígeno, el 99,5% de este espacio es inaccesible. En los océanos no solo por la falta de oxígeno, sino también por las elevadas presiones (1 bar adicional por cada 10m) que comprimen los gases de nuestro cuerpo (el agua no porque es incompresible).

El punto más profundo de los océanos es la Fosa de las Marianas en el Pacífico donde solo una vez, y de manera muy breve, han llegado los humanos. A pesar de las presiones, los anfipodos, un crustáceo parecido a una gambita transparente consigue vivir a esas profundidades.

El peligro de bajar a ciertas profundidades son los accidentes de descompresión. El aire que respiramos tiene un 80% de nitrógeno. Bajo presión, este nitrógeno se transforma en burbujas diminutas que migran a la sangre y los tejidos. Si la presión cambia muy deprisa, las burbujas atrapadas en el interior del cuerpo comienzan a borbotear obturando capilares y dejando las células sin oxígeno.

Para evitar estos accidentes, o bien no debe descenderse mas de 150 metros o bien subir por fases para permitir que las burbujas se disuelvan sin hacer daño.

De la parte emergida del planeta, gran parte es demasiado fría o demasiado caliente, en parte por nuestra incapacidad de adaptación. Solo el 12% del área de tierra o el 4% incluyendo los océanos. Pero ya es más que nada como en el resto de planetas del Sistema Solar.

En la Tierra se dan peculiaridades afortunadas que permiten la vida:

- Situación idónea: Nos encontramos increíblemente a la distancia adecuada (más cerca provocaría la evaporación del agua líquida y más lejos la congelaría) de la estrella apropiada, suficientemente grande para radiar gran cantidad de energía pero no la suficiente para consumirse demasiado deprisa. Si el Sol fuera 10 veces más grande, se habría consumido en 10 millones de años en lugar de en 10000 millones.

- El tipo adecuado de planeta: con una parte interna fundida que genera un campo magnético que protege la vida y que originó una emanación de gases que crearon la atmósfera de la Tierra.

- Somos un planeta gemelo: Nuestra luna es de diámetro un quarto el de la Tierra. Salvo Plutón, es el único planeta con una luna de medida considerable en proporción a él mismo. Esto es decisivo para nosotros porque sin su influencia estabilizadora la Tierra oscilaria como una peonza afectando al clima y la meteorología. Esto ya  no pasará en 2000 millones de años porque la Luna se aleja de nosotros a un ritmo de 4 centímetros al año.

- El momento oportuno: Como especie compleja somos la consecuencia de multitud de eventos ocurridos en el momento y secuencia oportunos.

De los 92 elementos químicos que se dan de manera natural en la Tierra (20 más se han creado en laboratorios), solo unos 30 de los que se dan de una manera habitual tienen una presencia extensa en la Tierra y apenas una docena tienen una importancia esencial para la vida.

Su abundancia tiene poco que ver con nuestro grado de conocimiento, su utilidad o importancia para nosotros. El Oxígeno sería el primero, el segundo el Silicio o el Titanio el décimo. El estaño es útil para nosotros pero apenas está entre los 50 más abundantes). 

El Carbono sería el número 50, ocupando el 0,048% de la corteza terrestre pero siendo vital para la vida. Su singularidad es que se enlaza fácilmente con muchos otros átomo de manera vigorosa, ideal para construir proteínas y la molécula de ADN. A pesar de su importancia para la vida, el carbono tampoco abunda en nuestro cuerpo (menos del 10%).

Otros elementos son esenciales, no para crear vida, sino para mantenerla. Necesitamos hierro para fabricar hemoglobina, cobalto para crear vitamina B12, los nervios necesitan potasio y sodio etc.

Por motivos de evolución y adaptación toleramos y necesitamos, aunque en pequeñas contidades, multitud de elementos (como el Selenio). El plomo, al no ser soluble en agua, no lo eliminamos bien y por eso nos envenena.

Por tanto el motivo por el que la Tierra parece tan milagrosamente acogedora es en parte porque hemos evolucionado para adaptarnos a sus condiciones. Más que para la vida en general, la Tierra es adecuada para nuestra vida.



17 En la troposfera



La atmósfera permite retener el calor del Sol y que la temperatura media no sea de -50°C. Además absorbe y desvía los rayos cósmicos, las partículas cargadas, los rayos ultravioleta y frena meteoritos e incluso las gotas de lluvia. Se extiende a 190km de altura (una capa fina comparada con los más de 6000km de radio terrestre). Se divide en 4 partes:


  • Troposfera
  • Estratosfera
  • Mesosfera
  • Ionosfera o Termosfera


La troposfera contiene suficiente calor y Oxígeno para permitir la vida pero es hostil en su capa superior. Hace 16km de grosor en el ecuador y unos 11km en los polos.

El 80% de la masa de la atmósfera, casi todo el agua y, por tanto, casi todo el clima están contenidos en la troposfera. Sobre esta, y separada por la tropopausa, está la estratosfera.

Aunque a 4500m de altura ya es complicado, parece que el límite para la vida continua está en 5500m.

A pesar de lo que pueda parecer, el aire tiene mucha masa. Un centímetro de barómetro adicional supone media tonelada. Si esta presion adicional no nos aplasta es porque el cuerpo humano está compuesto de fluidos incomprimibles.

En total nos envuelven 5.200 millones de toneladas de aire. Por eso los huracanes tienen tanto poder destructivo al mover tanta masa de aire.

Las tormentas contienen mucha energía. Las nubes de tormenta pueden alcanzar de  10 a 15km y contener corrientes ascendentes y de descendentes de más de 10 km/h. En estas turbulencias las partículas se cargan eléctricamente: las postivas se elevan y las negativas tienden a ir hacia el suelo en forma de rayo.

El proceso que mueve el aire en la atmósfera es el mismo que hace funcionar el motor interno del planeta: la convección. El aire húmedo y  cálido del ecuador asciende y  se expande al chocar con la tropopausa. Al alejarse del ecuador se enfría y se hunde. Cuando toca fondo busca una zona de bajas presiones que llenar y vuelve al ecuador cerrando el círculo.

En el ecuador el proceso de convección es en general estable, y el tiempo previsiblemente benigno, pero en zonas templadas los patrones son mucho más estacionales, localizados y aleatorios, que resulta en una batalla entre sistemas de aire de alta y de baja presión.

Los sistemas de baja presión se originan a partir de aire ascendente, que transporta moléculas de agua al cielo formando nubes y lluvia. El aire caliente puede contener más humedad y por eso las tormentas tropicales o de verano suelen ser más intensas. Por eso las zonas bajas se relacionan en general con lluvias y las altas con períodos de buen tiempo.

Como el calor del Sol está distribuido de manera irregular, en el planeta hay diferencias en la presión del aire, que este intenta igualarlas en todas partes generando el viento. El aire siempre fluye de zonas de altas presiones a zonas de bajas presiones. Mientras más diferencia de presiones, más rápido sopla el viento. La intensidad del viento aumenta, de manera exponencial (o cuadrática) de manera que un viento 10 veces más fuerte es 100 veces más destructivo.

La Tierra gira a 1675km/h en el ecuador y disminuye a medida que nos acercamos a los polos (900km/h en Paris o Londres). El efecto de Coriolis explica porque cualquier cosa que se mueve en el aire en línea recta, en lateral respecto al giro de la Tierra, si tiene suficiente distancia, parecerá que se curva a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el sur, cuando la Tierra gira debajo. Este efecto explica que los huracanes giren como peonzas. También debe considerarse en artilleria naval cuando se lanzan proyectiles a grandes distancias.

Las nubes pueden dividirse en tres grupos: 


  • Estratos para las nubes en capas.
  • Cúmulos para los esponjosos.
  • Cirros para las formaciones elevadas, delgadas y ligeras.
  • Nimbus para las nubes de lluvia.


Estos tipos pueden combinarse para describir cualquier forma y tamaño de nubes: estratocúmulos, cirrostratos, cumulonimbus, etc.



Planeta Tierra
La Tierra vista desde el espacio donde pueden apreciarse los océanos y las nubes

El verdadero motor del comportamiento superficial del planeta son los océanos. De hecho los meteorólogos consideran cada vez más los océanos y la atmósfera como un solo sistema. El agua tiene una gran capacidad para retener y transportar calor. Por eso los océanos y los mares son grandes reguladores del clima. No son masas de agua uniformes y las diferencias en temperatura, salinidad, profundidad, densidad, etc., tienen enormes efectos en como se desplaza el calor, cosa que a su vez afecta al clima.

Además los mares absorben grandes cantidades de carbono controlando el efecto invernadero. El planeta se mantiene estable y fresco gracias a la vida, a infinidad de organismos marinos diminutos que capturan el dióxido de carbono de la atmósfera para generar sus conchas impidiendo que vuelva a la atmósfera. Cuando mueren se depositan en el fondo del mar comprimiéndose en forma de roca calcaria aprisionando este dióxido de Carbono por mucho tiempo. Esta roca calcaria alimenta los volcanes, volviendo el Carbono a la atmosfera, que caerá a la Tierra en forma de lluvia. Este proceso se llama ciclo a largo plazo del Carbono.



18 El océano agitado



La dilatación anómala del agua hace que el hielo flote y evita que los océanos se hayan congelado. El agua salada de los océanos es venenosa para nosotros debido a la gran cantidad de sales que contiene. Si la bebiéramos deshidrataria las células y colapsaría los riñones al intentar diluirlas para expulsarlas.

El ciclo del agua es  cerrado. Hace 3.800 millones de años, los océanos ya alcanzaron aproximadamente sus volúmenes actuales de unos 1.300 millones de kilómetros cúbicos de agua.

El reino del agua se llama hidrosfera, y es oceánico en un 97%. El océano Pacífico es mayor que toda la superficie de tierra emergida. Constituye el 51,6% del agua oceánica, el Atlántico contiene el 23,6%, el Índico el 21,2% y el resto de mares un 3,6%.


Del 3% de agua dulce, la mayor parte se encuentra en capas de hielo. De este hielo, el 90% está en la Antártida, y gran parte del resto en Groenlandia. Solo una pequeña parte está en ríos, lagos y embalses y otra menor, del 0,001%, en las nubes o en forma de vapor.

A pesar de la importancia de los mares para nosotros, el mundo tardó mucho en interesarse por ellos. Hacia 1830 se  creía, por ignorancia, que no había vida por debajo de los 600 metros. Sin embargo, 30 años después se descubrió vida a 3km de profundidad al levantar un cable telegráfico para repararlo.

El record de descenso en 1930 era de 183m (en las Bahamas con una Batisfera diseñada por Barton y Beebe). El record aumentó hasta los 900m en 1934 y hasta 1370m en 1948.

Estos récords fueron eclipsados por los Piccard, un padre e hijo suizos que diseñaron un batiscafo con el que descendieron a la Fosa de las Marianas en 1960. Tardaron casi cuatro horas en bajar los 10.918m de profundidad. Estuvieron 20 minutos bajo una presión de 1200 kilos por cm². No se ha vuelto a bajar debido al inmenso coste y el poco beneficio aparente. En aquel entonces los fondos se destinaron a la carrera espacial. Se calcula que hoy costaría unos 100 millones de dólares.

Debido a la falta de presupuesto e interés por parte de las administraciones públicas, los fondos marinos son poco conocidos. Sin embargo en 1977 se descubrieron unas fumarolas frente a la costa de las islas Galapagos donde el agua salía a 400°C de temperatura y eran ricas en sulfuro de hidrógeno. Gracias a unas bacterias que extraían energía química de este compuesto, otras colonias de organismos macroscópicos podían vivir cerca a unas temperaturas mayores de 54°C, el límite que se creía para la vida.

Estas fumarolas también explican la estabilidad de la salinidad del mar. El agua penetra en la corteza terrestre donde las sales son filtradas y vuelve a salir como agua limpia por estas fumarolas.

Sabemos muy poco sobre la vida en las profundidades oceánicas. Incluso los seres vivos más grandes como la gran ballena zul o el calamar gigante son desconocidos para nosotros.

A pesar de la enormidad de los océanos, exhaurimos la vida que hay en ellos con facilidad debido a que no hay tanta vida como creemos (solo el 10% del océano es productivo). Además, la que hay la extinguimos debido a la pesca indiscriminada por alguna de las partes  del ser vivo (como las aletas de tiburón), por los métodos agresivos como redes de arrastre o capturas por encima de la capacidad de reproducción de las especies.

Igual que sabemos poco de la vida submarina, también sabemos poco de la vida en general y de como comenzó en particular.

19 La Aparición de la vida


En 1953 Stanley Miller hizo un experimento conectando dos matraces que contenían metano, amoníaco y sulfuro de hidrogeno y otro con agua simulando la atmósfera y el océano primigenio respectivamente. Introdujo chispas por rayos y al cabo de unos días se generó un caldo substancioso de aminoácidos, ácidos grasos, azúcares y otros compuestos orgánicos. Podía ser una de las maneras de cómo empezo la vida en la Tierra. Sin embargo experimentos con una atmósfera más realista y menos reactiva de nitrógeno y dióxido de carbono apenas produjo algunos aminoácidos primitivos.

En la Tierra hay 22 aminoácidos de producción natural y solo 20 son indispensables para la vida.

Pero no solo hacen falta aminoácidos para la vida. Los verdaderos ladrillos son las proteínas. Estas moléculas están formadas por largas cadenas de aminoácidos colocados en el orden correcto (1055 en el colágeno y 200 en general) y además plegadas de una manera concreta. El cuerpo humamo tiene más de un millón de proteínas y cada una es un milagro. La probabilidad que se genere una espontáneamente es prácticamente nula.

Pero una proteína no sabe reproducirse y sin ello no puede mantenerse la vida. Para ello necesita el ADN y el ARN. El ADN es muy hábil replicándose, pero no puede hacer mucho más. Así pues las proteínas no pueden existir sin el ADN y el ADN no tiene sentido sin las proteínas. ¿Aparecieron milagrosamente a la vez?

Por otro lado el ADN, las proteínas y otros compuestos para la vida necesitan una célula que los contenga que a su vez sin ellos no tiene sentido. Solo cuando todos estos elementos se juntan surge la vida.

Las reacciones químicas del tipo que se vinculan con la vida son en realidad habituales. En la naturaleza, grandes cantidades de moléculas se juntan para formar grandes cadenas llamadas polímeros (como para convertir azúcares en almidones). Además no hay nada exótico en las substancias que nos animan: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrogeno más unos pocos oligoelementos como azufre, fósforo, calcio y hierro. Por todo ello parece que la vida no sea tan inevitable como pueda parecer aunque haya misterios como el hecho de que reacciones de convertir monómeros en polímeros (reacción donde se libera agua) para originar proteínas sean espontáneas en los seres vivos. Otro hecho sorprendente es que la vida apareciera hace 3.850 millones de años, muy poco después de que la corteza terrestre se solidificara hace 3.900 millones de años.

Uno de los hechos más extraordinarios de la vida es que surgió una única vez. Todo ser vivo que haya vivido se remonta al primer ser vivo: una diminuta bolsa de sustancias que cobró vida. Absorbió nutrientes, tuvo una existencia breve y, sobretodo, se dividió y produjo un heredero. Un diminuto conjunto de material genético pasó de una entidad viva a otra y desde entonces no ha parado de moverse.

Durante  2.000 millones de años, en la época arqueana, solo los organismos bacterianos fueron capaces de vivir en un entorno hostil de poca luz, falta de oxígeno y vapores tóxicos.

En algun instante de los primeros 1.000 millones de años de vida, las cianobacterias, o algas azul-verdosas, comenzaron a aprovechar el hidrógeno del agua y liberaban el oxígeno. Estos organismos inventaron la fotosíntesis: la innovación metabólica más importante en la historia de la vida.

Las cianobacterias llenaron la atmósfera de oxígeno desplazando a los organismos anaeróbicos. Los nuevos organismos consumidores de oxígeno tenían la ventaja de que el oxígeno es una manera más eficiente de producir energía.

Hace 3.500 millones de años las cianobacterias se volvieron más viscosas, atrapando partículas de polvo y tierra, formando estructuras extrañas pero sólidas: los estromatolitos. Eran como una roca viva y representaron la primera empresa cooperativa del mundo y su primer ecosistema.

Durante 2.000 millones de años incrementaron el nivel de oxígeno en la atmósfera de la Tierra hasta el 20% preparando la llegada de nuevos seres vivos, que gracias a este oxígeno obtendrían la energía suficiente para funcionar.

En este escenario apareció una celula, la eucariota (que etimológicamente significa con nucleo de verdad) más evolucionada que la procariota y que contenía un núcleo y orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos. Estos organulos serían bacterias capturadas por otra bacteria cuya unión simbiótica fue beneficiosa para ambos, posibilitando el inicio de la vida compleja. Aún así, conservan su ADN, ARN y ribosomas propios y se reproducen en momentos diferentes que la célula que los contiene.

Usando el oxígeno, las mitocondrias liberan energía de los nutrientes que consumimos.

De las eucariotas unicelulares antes se llamaban protozoos. Ahora más bien protistas. En comparación con las primeras bacterias, los protistas eran maravillas del diseño y la sofisticación como la simple ameba y que no es más que una célula grande sin otra ambición que existir y que tiene 400 millones de bits de información genética en el ADN.

Unos 1.000 millones de años más tarde las células eucariotas aprendieron a combinarse para formar seres multicelulares más complejos.


20 Un mundo pequeño


Las bacterias están por todas partes en cantidades enormes. El cuerpo humano tiene unos 10 trillones de células y 100 trillones de células bacterianas. Las tenemos en la piel, en los conductos nasales o en el intestino.

La Tierra es su planeta. Están desde el principio y seguirán aquí cuando no estemos. No podríamos sobrevivir sin ellas: procesan nuestros residuos y los vuelven reutilizables, purifican el agua y mantienen los suelos productivos, sintetizan las vitaminas en el intestino además de azúcares útiles y polisacáridos, extraen el nitrógeno del aire y lo convierten en nucleótidos y aminoácidos útiles, las algas ciano mantienen la atmósfera con un nivel de oxígeno estable.

Son sorprendentemente prolíficas. Las más activas pueden engendrar una nueva generación en menos de 10 minutos cuando una célula humana puede tardar un día. Por cada millón de divisiones aproximadamente, producen un mutante.

La mutación puede ser beneficiosa. Considerando que las bacterias pueden compartir información genética, esta puede puede transmitirse entre ellas. La resistencia a los antibióticos es consecuencia de las mutaciones compartidas. Las farmacéuticas no han proporcionado un nuevo antibiótico efectivo desde los años 70. Son un consumo de 2 semanas al año contra un consumo diario de los antidepresivos.

Para vivir solo necesitan un poco de humedad porque se alimentan de casi cualquier substancia.

La diversidad de especies es enorme, sobretodo de seres unicelulares. Solo de bacterias conocemos 15.000 especies, más de 25.000 algas, 70.000 de hongos y más de 30.000 amebas. Pero hay muchas mas porque, por ejemplo, solo el 1% de bacterias crece en cultivos.

Los microbios constituyen el 80% de la biomasa del planeta. El mundo pertenece a lo muy pequeño.

En un primer intento de clasificación, en 1969 se propuso dividir la vida en cinco ramas principales: los reinos. Estos son plantas, animales, hongos, protistas y moneras.

Existe una gran variedad de microbios y virus que pueden infectarnos. Pero el sistema inmunológico tiene una gran variedad de glóbulos blancos (unos 10 millones) cada una diseñada para eliminar un invasor concreto. De cada tipo hay unos centinelas activos que avisan en caso de invasión de un agente infeccioso o antigen.
Los glóbulos blancos son implacables y persiguen y matan hasta el último patógeno. En lo que se refiere a los virus, estos tienen dos estrategias: facilidad de infección como la gripe o camuflarse en el núcleo de las células para que los glóbulos blancos no los localicen, como el VIH.

Los virus realmente no estan vivos y por eso son muy simples (10 genes contra varios miles de las bacterias más simples). Son apenas un trozo de ácido nucleico envuelto de una capa de proteínas. Son muy pequeños con lo que no se pudieron observar hasta 1943 con la invención  del microscopio electrónico. Aislados son inocuos e inofensivos y apenas duran unas horas. Pero cuando infectan una célula se apropian de su material genético reproduciendose vertiginosamente. La célula muere liberando gran cantidad de virus a la búsqueda de nuevas células que infectar.


21 La Vida continua


No es fácil que se generen fósiles. Para ello el animal debe quedar enterrado en el tipo adecuado de roca, que debe mantenerse cerca de la superficie sin haber sido deformada y después debe ser encontrado. Solo se dispone de restos fósiles de una de cada 10.000 especies, y el 95% son acuáticas, con lo que solo poseemos una diminuta muestra de toda la vida que se ha engendrado en la Tierra.

Uno de los fósiles más famosos son los de los trilobites, los únicos de los que se disponía en el siglo XIX. Aparecieron hace 540 millones de años, cerca del gran estallido de vida compleja conocido como explosión del Cambriano, desaparecieron hace 300 millones de años en la gran extinción del Permiano. Proliferaron prodigiosamente generándose multitud de especies y fueron exitosas porque estuvieron sobre la Tierra el doble de tiempo que los dinosaurios, los otros grandes supervivientes de la historia.

El Cambriano fue un tiempo de innovación en diseños corporales sin parangón. Durante casi 4.000 millones de años la vida avanzó poco a poco sin ambiciones hacia la complejidad, y de repente, en 5-10 millones de años, creó todos los diseños corporales básicos que todavía utilizamos hoy.

No se sabe bien como era la vida en el precambriano. Se desconoce si los pocos fósiles encontrados eran animales, plantas o hongos y, quizás salvo las medusas, ningún descendiente de aquellos seres vivos ha llegado a nuestra época.

En la explosión del Cambriano cambiaron de tamaño los mamíferos que esperaron pacientemente 100 millones de años a que se extinguieran los dinosaurios. Por eso no hay fósiles de antes y parece que todo apareció en esta explosión.


22 Adiós a todo esto


Desde la perspectiva humana la vida es extraña. Se apresuró en aparecer para luego estar mucho tiempo casi sin evolucionar. Si condensamos la historia de la Tierra de 4.500 millones de años en un día tendríamos que:

  • A las 4.00h aparece la vida en forma de organismos unicelulares.
  • A las 20.30h aparecen las primera plantas acuáticas.
  • A las 20.50h aparecen las medusas.
  • A las 21.04h aparecen los Trilobites.
  • A las 22.00h aparecen las primeras plantas terrestres.
  • A las 22.24h aparecen los primeros insectos alados.
  • A las. 23.00h aparecen los primeros dinosaurios.
  • A las 23.39h se produce la extinción de los dinosaurios y comienza la era de los mamíferos.
  • A las 23.58.43h aparecen los seres humanos.

Un ejemplo son los líquenes (unión simbiótica de hongos y algas) que crecen en lugares adversos muy poco a poco y que no han evolucionado mucho desde su origen. Es un ejemplo de que la vida no tiene otra finalidad que ser. La vida solo quiere ser y la gran parte de ella tampoco quiere ser mucho.

A pesar de sus esfuerzos constantes, la vida se extingue (el 99,99% de las especies que han habitado la Tierra se han extinguido) y parece que más rápido cuanto más compleja es. En el caso de las especies complejas, su vida media es de unos cuatro millones de años. Por eso la vida no aspira a ser mucho, para minimizar el riesgo de extinción.

Uno de los momentos más decisivos para la vida fue cuando salió del mar. Había aparecido un gran depredador: el tiburón. Además los continentes estaban uniéndose en pangea con lo que la costa se reducía y también lo hacía el hábitat costero.

Para ello los animales debieron cambiar sus anatomías (con un esqueleto más rígido) y desarrollar órganos diferentes para absorber oxígeno del aire en lugar de filtrarlo del agua.

Las plantas colonizaron la tierra hace 450 millones de años. Los animales un poco más tarde, hace 400 millones de años. En esta época (el devoniano y el carbonífero) los niveles de oxígeno eran del 35% en lugar del 20% actual gracias a grandes helechos arboráceos (estos grandes helechos son el origen del carbón y el petróleo). Esto permitió a los animañes crecer en tamaño con rapidez.

Ha habido cinco grandes extinciones: la del Ordoviciano hace 440 millones de años, la del Devoniano, hace 365 millones de años, (entre estas dos el 80-85% especies se extinguieron), el Permiano (hace 245 millones en que se extinguió el 95% de las especies) , el Triásico (hace 210 millones de años) y el Cretacio (hace 65 millones de años). Entre estas dos últimas se extinguieron el 70-75% de las especies. Las causas de estas extinciones son desconocidas, aunque en las tres  primeras podría haber influido el enfriamiento global.

La extinción del Permiano fue especialmente devastadora (desaparecieron la tercera parte de los insectos, la única gran extinción de estos, y preparó el terreno para el largo periodo de los dinosaurios.

Los mamíferos comenzaron su era de reinado en la frontera KT tras la extinción de los dinosaurios por el impacto de un meteorito. Entonces eran pequeños y sus cualidades fueron las oportunas para poder sobrevivir. Este es un ejemplo de que extinción es lo contrario de estancamiento. Es evolución porque permiten la aparición de seres vivos mas avanzados.

Al principio del capítulo decíamos que la vida quiere ser, la vida no siempre quiere ser mucho y la vida se extingue de tanto en tanto. Podemos añadir que la vida continúa. Y a menudo continúa de manera sorprendente.


23 La riqueza del ser


No sabemos el numero de especies que viven en nuestro planeta. Probablemente millones. Podría ser que solo se haya descubierto el 3% de especies. De los organismos conocidos, alrededor de 1,5 millones de especies, habría unos 70.000 hongos, unos 900.000 insectos y unas 250.000 plantas.

Los taxonomistas se encargan de identificar especies. Hay unos 10.000 en activo que identifican unas 15.000 especies al año. Identificar especies es caro, requiere tiempo. A veces una misma especie es identificada dos o más veces y luego hay que desahacer duplicidades.

Los motivos por los que sabemos tan poco de las especies que habitan la tierra son:


  • La mayoria de seres vivos son pequeños y difíciles de ver.
  • No miramos en los lugares adecuados como junglas, selvas tropicales o bosques nubosos.
  • No hay suficientes especialistas.
  • El mundo es un lugar muy grande.



24 Células


Todo comienza con una sola célula que se divide sucesivamente. Tras 42 divisiones tenemos 10.000 billones de células preparadas para convertirse en un ser humano. Cada una de ellas es una maravilla. Hasta las mas sencillas superan el ingenio humano.

Tenemos unos cuantos centenares de tipos diferentes de células que varían mucho en tamaño y forma. De media una célula hace 20 micras de ancho. La mayoria de las células vivas no dura más de un mes aunque hay excepciones. Las células del hígado pueden durar años y las del cerebro toda nuestra vida (vivimos con las 100.000 neuronas que tenemos al nacer y van muriendo). Sin embargo sus componentes internos se renuevan en menos de un mes.

Dentro de la célula no se desaprovecha ni el espacio de un átomo y hay una actividad incesante por todas partes. Los alimentos que ingerimos y el oxígeno que respiramos se combinan en las células para crear electricidad.

Casi todas las células están formadas por una membrana externa hecha de lípidos, un núcleo que contiene la información genética y una parte intermedia llamada citoplasma donde la actividad es frenética.

Cada hilo de ADN es dañado 10.000 veces al día y debe repararse inmediatamente para que la célula no muera. Las proteínas tienen una vitalidad especial: giran, palpitan y vuelan unas contra otras hasta 1.000 millones de veces por segundo. Los enzimas, que són un tipo de proteínas que ejecutan mil tareas por segundo. Construyen y reconstruyen moléculas, detectan y marcan para su destrucción proteínas defectuosas y permiten reacciones químicas no espontáneas a temperatura ambiente.

En cada célula hay hasta 2.000 tipos de proteínas con 50.000 moléculas de cada, con lo que hay hasta 100 millones de moléculas por célula.

Las mitocondrias son las centrales eléctricas de las células. Absorben el oxígeno y convierten casi todo el alimento que ingerimos en una molécula llamada trifosfato de adenosina o ATP. Esta molécula es como un paquete de energía a disposición de la célula para realizar su actividad. En cada instante existen en la célula 1.000 millones de moléculas de ATP que en dos minutos habrán sido absorbidas y sustituidas por otras tantas. Cada día producimos y gastamos un volumen de ATP equivalente a la mitad de nuestro peso (de ahí la temperatura de nuestra piel).

Las células están programadas para morir de manera ordenada desmontando sus estructuras internas. Se llama Apoptosis o muerte celular programada. De hecho si no se les ordena desde otra célula que vivan se suicidan automáticamente. En rarísimas ocasiones la célula no expira y comienza a reproducirse de manera descontrolada sin que el cuerpo consiga controlarlo. El resultado es un tumor.

Lo extraño de las células es que lo hagan tan bien durante décadas seguidas. Lo hacen a base de enviar y supervisar constantemente flujos de mensajes. La mayoría de  estas señales llega a través de las hormonas como la insulina o la adrenalina. Además las células se comunican entre sí para asegurar que sus acciones están coordinadas.

Lo más destacable de todo es que es una acción frenética aleatoria, una secuencia de interminables encuentros dirigida solo por normas elementales de atracción y repulsión. Todo sucede con fluidez y de manera repetitiva y tan fiable que pocas veces somos conscientes.

Todo esto gracias a una molécula extraña, que en si no esta viva y que no hace nada: el ADN. Para entender su importancia debemos conocer la teoría de la evolución de Charles Darwin.






25 La singular idea de Darwin



El Origen de las Especies mediante la selección natural o la conservación de las razas favorecidas en la lucha por la vida es el libro donde Charles Darwin publicó en 1859 su teoría.

Entre 1831 y 1836 Darwin se embarcó en el Beagle. El viaje del Beagle fue un éxito y Darwin acumuló una reserva de especímenes para hacerse famoso y  estar ocupado toda la vida.

Darwin comenzó a madurar la idea de que la vida es una lucha constante y que la selección natural es el medio por el que unas especies prosperan y otras fracasan tras leer el Ensayo sobre el Principio de la Población, de Thomas Malthus. En este ensayo se planteaba que los aumentos en la disponibilidad de comida no podían mantenerse nunca al ritmo del de la población por motivos matemáticos.

La teoría de Darwin presentaba dos dificultades:


  • Requería mucho más tiempo que el que lord Kelvin estaba dispuesto a conceder pues todos los cambios evolutivos se producen de manera gradual.
  • Apenas disponía del apoyo de pruebas fósiles.


Otra laguna era que Darwin no podía explicar como se habían originado las especies. La teoria de Darwin sugería un mecanismo que mejoraba la aptitud de las especies, pero no daba indicaciones de como podía surgir una nueva especie.

Darwin creía que cualquier rasgo beneficioso que apareciera en una generación se transmitía a las generaciones posteriores, con tal de reforzar la especie. Pero podría ser que cualquier rasgo favorable pudiera verse diluido en generaciones posteriores debido a la mezcla hasta que dejara de ser evidente.

Fue Gregor Mendel, un monje checo, quién proporcionó la solución gracias a sus experimentos con guisantes. Demostró que cada semilla contenía dos factores, uno dominante y otro regresivo. Estos factores combinados proporcionaban pautas de herencia predecibles. Mendel transformó los resultados en fórmulas matemáticas precisas.

Darwin y Mendel prepararon el terreno para todas las ciencias de la vida del siglo XX. Darwin comprendió que todos los seres vivos están conectados con un origen común. La obra de Mendel proporcionó el mecanismo para explicar como podía ser.

La teoría de Darwin no tuvo una aceptación generalizada hasta las décadas de 1930 y 1940, con la presentación de una teoría perfeccionada llamada la Síntesis Moderna, que combinaba las ideas de Darwin con las de Mendel y otros.


26 La substancia de la vida


Los genes entre dos seres humanos son en media iguales en un 99,9%. Es esto lo que hace de nosotros una especie. El 0,1% restante (un nucleótido base de cada 1.000) es lo que nos aporta nuestra individualidad.

Dentro del núcleo de la célula están los cromosomas: 46  pequeños haces de complejidad (23 del padre y 23 de la madre). El 99,999% de las células lleva el mismo complemento de cromosomas (salvo los glóbulos rojos, algunas células del sistema inmune y las células de los óvulos y del esperma.

Los cromosomas constituyen el conjunto de instrucciones completo y necesario para hacernos y mantenernos, y estan hechos de largos filamentos de ácido desoxiribonucleico o, ADN y son el núcleo de la herencia y dirigen la duplicación celular.

La única razón de ser del ADN es crear más ADN. Cada tira de ADN incluye 3.200 millones de letras de codificación. Estas letras son los nucleótidos y pueden ser de cuatro tipos: adenina, guanina, citosina y tiamina.  Formando parejas de manera peculiar (guanina con citosina y timina con adenina). Pero  el ADN no vive por sí mismo. Es una de las moléculas menos reactivas y más químicamente inertes del mundo vivo.

El ADN participa en la elaboración de las proteínas a traves del ARN, o ácido ribonucleico que hace de intérprete entre los dos. Es una rareza notable de la biología que el ADN y las proteínas no hablen el mismo lenguaje. El ARN, mediante el ribosoma, traduce información del ADN  de una célula a términos que las proteínas pueden entender.

La estructura de doble hélice del ADN fue descubierta  en 1953 por cuatro científicos ingleses (Wilkins, Franklin, Crick y Watson) mediante cristalografía de rayos X. Supusieron correctamente que si podían determinar la forma de una molécula de ADN se podría ver como hacía lo que hacía. Los montantes de la estructura de doble hélice es un tipo de azúcar llamado desoxiribosa, y el conjunto de la hélice es un ácido nucleico.

El 97% del ADN consiste en largas franjas sin codificación. Solo en puntos separados de cada filamento encontramos secciones que controlan y organizan funciones vitales. Son los genes, que son instrucciones para hacer proteínas. Cada gen, una proteína. El conjunto de genes es el genoma, que es como el manual de instrucciones para el cuerpo donde los cromosomas son los capítulos y los genes las instrucciones individuales para hacer proteínas.


Pero la brillantez específica del ADN radica en su manera de duplicarse. Cuando se tiene que producir una nueva molécula de ADN, los dos filamentos se separan por la mitad, como la cremallera de una chaqueta, y cada mitad se va a formar una nueva asociación. Cada filamento hace de plantilla para la creación de un nuevo filamento a juego en tan solo unos segundos.

El ADN se duplica con gran precisión pero una vez de cada millón una letra ocupa una posición equivocada. En general ocurren en fragmentos sin codificación y no tienen consecuencias. Alguna vez sí que tienen efectos produciéndose mutaciones que pueden ser beneficiosas o perjudiciales. Tiene que haber un equilibrio entre precisión y errores para que el organismo pueda funcionar sin sacrificar la adaptabilidad al medio. Debe haber un equilibrio entre estabilidad e innovación.


La selección natural darwiniana nos cuida de esta manera y ayuda a explicar porque somos tan parecidos. Sencillamente, la evolución no permite que nos diferenciamos más de la cuenta; en todo caso, no sin convertirnos en una nueva especie.

La cantidad de material genético y como se organiza no refleja necesariamente, ni siquiera en general, el nivel de complejidad del ser que lo contiene. Nosotros tenemos 46 cromosomas, pero algunos helechos tienen más de 600. Lo importante no es el número de genes que se tiene, sino lo que se hace con ellos.


Otro concepto además del genoma es el proteoma o biblioteca de información que crea las proteínas y que es mucho más complejo. El comportamiento y las funciones de las proteínas no se basan solo en su composición química, como pasa con los genes, sino también en sus formas. Para funcionar una proteína no solo tiene que tener los componentes químicos necesarios, combinados de la manera adecuada, sino que además tiene que estar plegada de una manera muy y muy concreta. Las proteínas serpentean, se enroscan y se arrugan en formas extravagantes y complejas.

Aunque el funcionamiento del ADN y las proteínas es complejo, hay al menos una simplicidad subyacente a causa de una unidad subyacente igual de elemental en su funcionamiento. Todos los procesos diminutos y hábiles que animan las células (los esfuerzos cooperativos de los nucleótidos o la transcripción de ADN en ARN) evolucionaron una única vez y desde entonces han permanecido casi fijos en toda la naturaleza.


Todos los seres vivos son desarrollos de un solo plan original. Como humanos somos pequeños incrementos, adaptaciones, modificaciones y retoques providenciales que se remontan a 3.800 millones de años atrás. Tenemos un parentesco estrecho con la fruta y las verduras. Compartimos muchos genes. La mitad de las funciones químicas que se producen en un plátano son básicamente las mismas que en un ser humano.

Toda la vida es una. Es la afirmación más profunda y cierta que existe.



VI El Camino hacia nosotros


27 Tiempo Helado


La posición de grandes rocas o filas de ellas en lo alto de las montañas de los alpes suizos hizo pensar a Louis Agassiz en que hubieran sido llevadas hasta allí por antiguos glaciares donde ahora no hay. Es decir, que en el pasado hubiera eras en que la Tierra estuviera dominada  por el hielo.

La teoría de Agassiz no proporcionaba sin embargo el origen de estos cambios climáticos. Se propuso que la causa podía ser variaciones en la órbita de la Tierra y en su grado de inclinación

En el movimiento por el espacio, la Tierra está sometida no tan solo a variaciones en la longitud y en la forma de su órbita, sino también a cambios rítmicos en el ángulo de orientación respecto al Sol (la inclinación, la posición y la oscilación), que afectan a la duración e intensidad de la incidencia de la luz solar. En concreto, está sujeta a tres cambios de posición: obliquidad, precesion y excentricidad, en largos periodos de tiempo.

La causa de las edades glaciales no estaba tanto en inviernos extremadamente duros sino en veranos fríos. En estos casos la nieve y el hielo del invierno no se funde reflejando más la luz solar. Esto aumenta el efecto de enfriamiento y hace que caiga más nieve. La edad glacial podría iniciarse a partir de un único verano anómalo. La actividad volcánica es una de las causas que podría interrumpir esta espiral y poner fin a una era glacial.


Lo más extraordinario es que no sabemos que es más probable: un futuro de frío letal o calor humeante. Solo sabemos que vivimos en el filo de la navaja.

A largo plazo las edades glaciales no son negativas para el planeta. Muelen rocas y dejan suelos de fecunda riqueza y modelan lagos de agua dulce que proporcionan abundantes posibilidades nutritivas para centenares de especies de seres. Estimulan las migraciones y mantienen el planeta dinámico. El ser humano tuvo en sus inicios una buena edad glacial.



28 El Bípedo misterioso



Hasta la 457 nada

El descendiemte humano mas antiguo data de hace 7 millones de años. El Australopithecus convivió con el Homo Erectus casi un millón de años extinguiéndose hace 1 millon de años aproximadamente.

El Homo Erectus vivió desde hace 1,8 millones de años hasta hace solo 20.000 años y conviviendo los primeros 500.000 años con el Homo Habilis. Durante este tiempo evolucionó al hombre de Java y el hombre de Pequín en Asia y al Homo Neanderthal en Europa.

El Homo Sapiens era más inteligente y habría aparecido en África hace unos 100.000 años donde los neanthertales ya estaban bien establecidos. En Europa uno de los primeros Homo Sapiens fue el hombre de Cro-magnon.


29 El Simio inquieto


Parece que todas las especies del género homo surgieron en el este del África ecuatorial y fueron desplazándose hacia otras zonas del planeta como Eurasia, Indonesia, Papúa Nueva Guinea e incluso Australia. Esta ya era una isla en la aparición de los primeros  Homo y no se sabe como llegaron hasta allí. Además el registro fósil de nuestros antepasados es tan escaso que cuesta unir las diferentes especies, por qué unas desaparecieron o cómo convivieron las distintas especies.


Debido a la escasez de fósiles se han llevado a cabo estudios genéticos de ADN mitocondrial que han concluido que todos los humanos actuales descienden de la misma especie y que este ADN es diferente a la del homo neanthertal. La diversidad genética del ser humano moderno es escasa seguramente porque procedemos de un reducido conjunto de individuos y porque no ha pasado el suficiente tiempo.



30 Adiós



La raza humana es a la vez inteligente y malvada. Capaz a la vez de descubrir las leyes que rigen la naturaleza y de extinguir especies de animales inofensivas.

Desde la presencia del hombre moderno el ritmo de extinción de especies se ha incrementado considerablemente. De los animales más majestuosos de más de una tonelada ya solo quedan cuatro: elefante, rinoceronte, hipopótamo y jirafa.

De gran parte de estas especies desgraciadamente apenas tenemos información ni restos fósiles.




Opinión Personal


Se trata de un libro extenso y ambicioso que abarca prácticamente todas las disciplinas científicas.

Es un libro de historia de la ciencia sobre cosmología, astronomía, geología, paleontología, química, física, metereología, ecología, biología, bioquímica, zoología, botánica, genética, antropología muy bien enlazada a través de la explicación de la historia de la vida, del ser humano y de su entorno: inicio del universo, origen y formación del Sistema Solar y de la Tierra, del descubrimiento de las leyes físicas y químicas que los gobiernan, de las características geológicas y atmosféricas de nuestro planeta y de la vida en  la Tierra.

Es muy ameno y de nivel asequible con batallitas entre científicos, algunas hilarantes y divertidas. Explica un poco de biografía de cada científico importante junto con sus aportaciones más importantes a la ciencia.

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