En este blog hemos hablado en alguna ocasión de la importancia de las simetrías. Las simetrías de las leyes físicas son fundamentales por muchos motivos, por ejemplo:
- Nos ayudan a encontrar cantidades conservadas como la energía, el momento, la carga eléctrica, etc.
- Definen las interacciones, es decir, la forma en la que los sistemas interactúan entre si viene determinada por razones de simetría frente a algunas transformaciones admitidas de los objetos matemáticos con los que representamos las magnitudes físicas de interés.
Pero aún más interesante, si cabe, es que las simetría no solo es útil y fructífera cuando están presentes, hay muchas ocasiones en las que cuando una determinada simetría se rompe crea nuevos fenómenos físicos. Hay muchos ejemplos, desde la obtención de masas por parte de algunas partículas según el mecanismo Higgs hasta el fenómeno de superconductividad, hay toda una plétora de fenómenos físicos que se pueden asociar a roturas de simetrías (y a las transiciones de fases asociadas).
Sin embargo, si miramos a nuestro alrededor no solo en física es importante hablar de simetría o de rotura de simetrías. Estos conceptos posiblemente sean de los más profusamente empleados en ciencia y muchas de las preguntas abiertas en la actualidad están asociadas a simetrías y sus roturas. En esta entrada discutiremos brevemente acerca de este hecho y de los campos, no propiamente de la física, en los que las cuestiones relativas a la simetría o su rotura son fundamentales. No será una entrada exhaustiva, solo comentaré las cosas que me resultan curiosas y sorprendentes. El único objetivo es que, por si alguien no había caído, la simetría es importante más allá de la física y que tenerla presente siempre ayuda a la hora de encontrar, definir y solucionar problemas.
Simetría y Química
En química la cuestión de la simetría es ubicua, por razones de simetría se estudian conformaciones electrónicas de las moléculas, los patrones que obtenemos en resonancias magnéticas, la energía y geometría de los enlaces químicos, etc. Pero para concretar, hablaremos de quiralidad (de la que ya hablamos para las partículas en esta –> entrada).
La quiralidad se refleja en el hecho de que una molécula no se puede superponer con su imagen especular:
La presencia de moléculas con quiralidad definida no es simplemente una curiosidad, resulta que muchas de las moléculas de interés biológico y/o farmacológico solo son útiles si tienen una quiralidad definida, bien a derechas, bien a izquierdas.
Por ejemplo, el ADN se presenta con una conformación en la que la doble hélice gira a derechas:
La biología ha optado por codificar la información genética en la forma D-(erecha) del ADN.
Los aminoácidos se presentan en forma izquierda y no derecha:
Pero aún hay más, si uno tiene dolor de cabeza y se va a tomar un ibuprofeno más le vale tener uno que sea zurdo (S, de sinister) que es el que tiene actividad farmacológica:
Hay muchos fármacos que solo presentan actividad si se toman en una conformación determinada, lo cual no deja de ser asombroso (al menos a mí me lo parece).
Nuestro organismo, y todos los seres vivos, han aprendido a vivir con una química que es selectiva frente a diferente quiralidad de las moléculas involucradas en los procesos.
Esto representa un interesante problema. ¿Cómo y por qué la química de los seres vivos se ha construido sobre una base quiral? ¿Cómo se produjo una rotura de simetría que es una característica principal de los seres vivos a nivel molecular? Estas preguntas, sin duda, son fundamentales para entender el origen y evolución de la vida en la tierra, tal y como la conocemos.
Simetría y Biología
¿Cómo a partir de un óvulo fecundado sale un ser humano? ¿Cómo saben las células, que no son más que subdivisiones del óvulo, cómo se tienen que diferenciar para dar lugar a diferentes tejidos en diferentes posiciones? Este tema siempre me ha vuelto loco, me parece que es uno de los problemas más fascinantes de la ciencia.
La información posicional y la diferenciación o polarización celular es un proceso de rotura de simetría. Partiendo de una única célula se obtiene todo un organismo complejo. Las sucesivas divisiones se especializan, se diferencian, y se situan en sitios estratégicos para formar un ser viable y completo.
Este proceso, que a todas luces es una de las maravillas del universo, es fascinante desde muchos puntos de vista. No existen modelos fisico/matemáticos totalmente adecuados para describir el proceso, la señalización química que produce la rotura de simetría bajo la cual una determinada célula en una determinada posición se diferencia de las células que la rodean no es bien conocida, etc.
Este es un maravilloso problema que tenemos bien descrito pero que desde el punto de vista teórico/fundamental no alcanzamos a entender, tal vez ni hacernos las preguntas adecuadas. Lo que no cabe duda es que es un genial problema de rotura de simetría, partimos de una única célula y de ahí sale todo un ser vivo, no hay mayor rotura y, sin duda, mejor rota.
Podríamos hablar del movimiento celular, del transporte de señales en las neuronas, etc, pero es mejor que cada uno busque y disfrute encontrando.
Referencias para profundizar
Symmetry in Chemistry Hargittai (2005). Un buen resumen con buenas referencias.
Symmetry breaking in Biology Artículos de un monográfico editado en Cold Spring Harbor sobre la simetría y su rotura en biología.
Un libro que me parece espectacular y muy necesario para los interesados en la biología teórica y en el que se tratan estos temas es:
Biofísica: Procesos de autoorganización en biología
De Francisco Montero y Federico Morán (1992), profesores de la Universidad Complutense y expertos en estos temas. El libro está disponible por capítulos en la página web de Federico Morán.
Espero que, al menos, haya despertado vuestra curiosidad sobre este interesante tema.
Nos seguimos leyendo…
Cuentos Cuánticos 
Curioso artículo que sirve, como bien apuntabas, para que todo aquel que tenga auténtica curiosidad y ganas de saber sobre la/las posibles causas de la homoquiralidad en los seres vivos. Y por cierto, gracias por los enlaces que pusiste tras el artículo.
Es un tema que me viene intrigando desde hace un tiempo.
¿Por qué la gente siempre piensa que sus hijos serán mejor que ellos, sin sus defectos?. Si es usted una buena persona, que rebosa salud a raudales, alegría y feicidad, es inteligente, atractiva, de cualquier raza, etnia, religión, orientación sexual, política o filosófica, no porta ninguna posible enfermedad hereditaria, y califica su trayectoria vital en una escala del 1 al 10, con más de un 7.5, sería aconsejable que tuviera muchísimos hijos, todos los que su economía le permita, hará una gran obra por sí mismo, por sus futuros hijos, y por la humanidad; porque en esta vida todo se hereda, genéticamente hablando, y los buenos genes son escasos.
«No desées para los demás lo que no quieras para tí».
¿No es usted feliz?, ¿puntuaría su trayectoria vital en una escala del 1 al 10, por debajo de 5?, ¿Por qué piensa que sus hijos van a ser más felices que usted?, ¿está dispuesto a jugar a la lotería con la vida de un tercero, inocente, su futuro hijo?. Adelante, es su derecho, tener hijos, aunque no es nada aconsejable.
El que una pareja de infelices tengan un hijo feliz, pasa una de cada millones de veces, por la azarosa recombinación genética que se produce en el proceso de mellosis, por el cual los gametos, óvulos y espermatozoides, se créan, con 23 cromosomas recombinados con parte de los genes de los abuelos, no los mejores, necesariamente; si llegara a pasar, tomaremos buena nota de que la excepción confirma la regla. Pero, adelante, tenga hijos, es su derecho, aunque nada aconsejable.
Es un consejo de alguién que desea la felicidad para todos los niños del mundo.
«No desées para los demás lo que no quieras para tí»
Este concepto de rotura de simetría no deja de ‘mosquearme’.
La simetría en física, por ejemplo, es una expresión de la no discriminación del universo frente a direcciones (Leyes de Gauss del campo eléctrico) o tiempo (Ley de conservación de energía en un sistema aislado).
Pero no acabo de ver ese concepto, por ejemplo, un átomo de hidrógeno excitado, puede o no emitir un foton en un momento dado. Pero eso es simplemente proceso túnel, es decir, pura mecánica cuántica. NO hay nada mas. Y en la emisión de partículas desde el núcleo, el fenómeno es igual, barrera de energía, y probabilidad túnel de atravesarla, punto. ¿Porque se dice que eso precisa la existencia de una ‘fuerza electrodebil para explicarlo?. Es puro fenómeno túnel, punto.
¿Podrías poner ejemplos de este concepto, pero por favor, no el tonto del lápiz, ese obvia el ruido térmico de moléculas chocando contra el lápiz?.
Gracias.
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Si se para uno a pensarlo, resulta que la molécula de desoxirribosa presenta rotura de simetría: donde debería haber dos OH simétricos hay un OH y un H, es decir, donde debería haber un OH hay un H. Y ese O de menos cambia completamente la base de la vida, pasando del ARN al ADN. El ARN tiene limitaciones que le impiden ser el portador de la información genética, salvo para secuencias muy cortas como en los virus ARN. La incógnita es si podría haberse seleccionado otra forma de almacenar la información biológica distinta al ADN, y si existe vida en otros planetas con otra forma de almacenamiento de información biológica.
Interesante lo que planteas. Pero, si por ejemplo, el origen de las moléculas orgánicas que se usan para formar la vida tienen origen en la química «extraterrestre», ¿por qué no pensar que se use el mismo soporte de información genética en varios planetas independientes unos de otros?
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