Ni tu ni yo

Debido a inspiraciones recientes he decidido incluir una entrada sobre un concepto muy importante en la física y que es fundamental para entender la naturaleza, incluyendo a la biología; el equilibrio térmico. Como su nombre lo indica, el equilibrio térmico es una situación física de equilibrio de temperatura, pero veamos unos ejemplos para entenderlo mejor.

El Sol y la Tierra, ejemplo de sistema de donde cuerpos donde el primero emite energía y eleva la temperatura del segundo, de manera que el planeta emite a su vez calor al espacio, manteniéndose a una temperatura promedio estable.

Cuando hablemos de transferencia de calor, estaremos hablando de un sistema físico de dos cuerpos (pueden ser mas pero se suelen simplificar en pares) que de alguna manera entran en contacto o tienen la capacidad de transferir energía calorífica entre ellos (fricción, transferencia de fluidos, radiación, etc).

Como primer ejemplo, pensemos en dos cuerpos que entran en contacto, uno de ellos caliente y el otro frío (o mas bien, menos caliente). En este caso se dará un flujo de energía del caliente al frío, de tal manera el el caliente pierda energía (calor) y en consecuencia su temperatura baje al mismo tiempo que aumenta la del cuerpo antes frío. Cuando se detenga el flujo de calor es cuando ninguno de los dos sea mas caliente que el otro, es decir al llegar a la misma temperatura. Este caso podría ser el de agua caliente en un vaso y un hielo que cae dentro. El hielo se funde (calentándose) al mismo que enfría el agua.

Ejemplo de uso técnico del equilibrio térmico. En el disco de un freno automotriz, la fricción con la zapata calienta el disco gastando energía cinética (movimiento), y dicho disco emite el calor al aire que lo rodea por lo que puede absorber mas energía, en sí los carros frenen calentando el aire.

Ahora pensemos en un segundo ejemplo que es mucho mas interesante y educativo; imaginemos dos cuerpos pero ahora de diferente tamaño y a diferente temperatura. El cuerpo grande lo imaginaremos muy caliente, esto podría ser algo de la masa de un hombre adulto y el cuerpo pequeño que sea algo que quepa en la mano y a temperatura mas baja. Si estos dos cuerpos entran en contacto, la transferencia de energía en forma de calor será muy rápida, de manera tal que el cuerpo pequeño rápidamente llegue a la temperatura del grande. Pero si luego, ese cuerpo chico se calienta de mas (podría ser por algún otro proceso físico además del contacto, fricción por ejemplo) este transferirá calor al cuerpo grande hasta que se llegue de nuevo al equilibrio de temperaturas.

Uso del equilibrio térmico en astronomía. La imagen a la derecha es de la constelación de Orión, a la izquierda esta la misma zona del cielo pero vista en infrarojo. Casi toda esta radiación infraroja viene del gas y polvo que absorbe la luz de las estrellas y la reemite al llegar a su temperatura de equilibrio.

Lo que me gusta de este segundo ejemplo es que se ve como una situación muy compleja, pero en realidad es el mismo proceso del primer ejemplo repitiéndose. La clave para entender el equilibrio térmico siempre es el paso de calor del cuerpo mas caliente al mas frío, toda la "complejidad" es saber identificar dónde y de que manera se da, así como entender algunas cosas que alteran tal transmisión. En el segundo ejemplo la diferencia en masas solo afecta el ritmo de la transferencia.

Ya que hemos visto estos dos ejemplos podemos entender algunos fenómenos interesantes. Por ejemplo, el famoso caso del chocolate que se mantiene solido a temperatura ambiente y se torna líquido (o al menos muy fluido) al tenerlo en la boca ya que su temperatura sube por el calor que le cedemos.

Como tercer ejemplo, ya muy aplicado a la astronomía, está el caso de una estrella y un planeta, usemos al Sol y la Tierra. Pero trabajemos el caso paso a paso.

Chocolate, una de las muchas substancias que cambian de estado de sólido a líquido al elevar su temperatura.

En este caso, como es evidente el Sol es el mas caliente. Ahora imaginemos un pequeño cuerpo, que podría ser una mota de polvo cualquiera. Este cuerpo se coloca a una distancia dada del Sol, por ejemplo, cien millones de kilómetros, y le llegará la radiación del Sol y lo calentará. Pero este calor luego se disipará al espacio al mismo ritmo con el que llega (todo cuerpo que tiene una temperatura dada emite radiación de algún tipo), de esta manera la mota de polvo llegará a una temperatura y se mantendrá en ella. Pero si la distancia aumenta, digamos a doscientos millones de kilómetros, la radiación que llegue a la misma motita de polvo sería menor (es decir, el sol se ve mas tenue de lejos) y por lo tanto la temperatura que se alcance sería también menor. De esta manera vemos que se ha de esperar que la mota de polvo que esta mas lejos del sol emitirá también menos radiación que la mas cercana y caliente.

La relación entre la motita de polvo y un planeta es que podemos considerar al segundo como formado por una gran cantidad las primeras, todas a casi la misma distancia del Sol. Es decir, el Sol calienta alguna partícula de polvo en la Tierra, pero hará lo mismo con todas las demás en casi la misma proporción. De esta manera, el planeta entero se portará como una pequeña mota de polvo ante el tamaño descomunal del Sol.

Ejemplo de sustancia con la viscosidad adecuada para reducir la fricción, la mermelada como las grasas, harían inútiles los frenos de disco ya que reducen la fricción entre superficies.

En este caso, ni la mota de polvo ni el planeta están en contacto con el Sol por lo que no pueden transferir calor de la forma habitual. Como se mencionó la transferencia de energía es por medio de radiación (electromagnética) la cuál incide sobre el planeta calentándolo y es emitida por el mismo enfriándolo. De esta manera se mantiene el equilibrio térmico en el sistema Estrella - Planeta.

Las aplicaciones de este conocimiento son muchas y muy variables, por ejemplo en astronomía se utiliza el hecho de que los cuerpos emiten radiación electromagnética para enfriarse (suele ser en infrarojo y/o radio) para usar detectores especiales para encontrarlos, así se buscan asteroides muy oscuros o planetas en otras estrellas. Mientras tanto en la Tierra usamos el hecho de que es la fricción entre los cuerpos una de las principales formas de disipación de energía calorífica, esto explica por que algo con la consistencia de la mermelada (viscoso pero fluido) colocada entre dos cuerpos sólidos reduce la fricción y permite un mejor movimiento entre ellos.

En los sistemas biológicos el equilibrio térmico es también relevante ya que es el "motor" que impulsa muchos de los procesos en las células y en general de un organismo. En estos casos la fuente de energía en la oxidación de azucares en las mitocondrias lo que lleva a la una liberación de energía y un subsecuente incremento en la temperatura que permite funcionar a la célula.

Como vemos el concepto del equilibrio térmico es muy básico, pero es la forma de entender partes muy importantes de la naturaleza y al interacción entre cuerpos. En especial se trata de que ninguno de los dos cuerpos, si están en contacto tenga una temperatura mas elevada que el otro.

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Mecánica evolutiva 2

Muy bien ya quedó establecido y comprendido, en la entrada "Dinámica Evolutiva 1" lo que es una mutación y que esta es la unidad básica de cambio en el código genético. También vimos que es un sucedo que ocurre de manera aleatoria. Así que ahora hablemos sobre el efecto acumulativo de estos cambios.

Como dijimos, las mutaciones suceden de manera aleatoria, pero si las vemos en un periodo suficientemente largo, podremos obtener un estimado de cada cuando ocurren en promedio, o mejor aún, cuanto tiempo se requiere para modificar una cierta cantidad de ADN. Este tiempo es práctico medirlo en "generaciones" en lugar de años ya que cada generación representa una cierta combinación de genes y las mutaciones que acumulen se pasarán a la siguiente. Puesto que cada especie tiene diferente estructura, para cada grupo de seres se tendrán ritmos de mutación diferentes. Por ejemplo para alguna especie de bacterias se suelen requerir 100,000,000 generaciones para cambiar un par de bases (un "eslabón" en la cadena de ADN) , mientras que en los humanos se toman 250,000,000 generaciones.

Una adaptación que fue muy importante, cuando las condiciones en el agua no fueron favorables algunos seres descendientes de peces y dotados con mutaciones que les deformaban las aletas aprovecharon y comenzaron a explorar tierra firme (luego de aprovechar mas mutaciones que modificaron el sistema respiratorio).

Así, cada especie va acumulando modificaciones en su genoma con el paso del tiempo lo que tiende a cambiar la especie. Estos cambios pueden ser tanto en forma ( morfología ) como en la conducta ( ser carnívoros, herbívoros, cazadores, carroñeros, etc ). Pero algo que debemos recordar y que es fundamental para entender la evolución es que el adaptarse a un ambiente no necesariamente implica cambio. Por esto, es posible que los procesos que típicamente se

La noción que se tiene sobre la evolución ha cambiado mucho desde los tiempos de Darwin. Hoy se usa un modelo evolutivo llamado "equilibrio puntual" ideado por S. J. Gould bajo el cual las especies de distinguen no solo por su estructura física sino por la combinación de morfología-conducta que muestran. Pero tanto los procesos de involucrados como los detalles del equilibro puntual serán vistos en otras entradas. Ahorita lo relevante es entender que las organismos pueden ir acumulando cambios poco a poco a lo largo de los milenios y que esta tendencia del ADN a sufrir mutaciones es constante se den o no cambios en las especies.

Otra curiosa adaptación curiosa, ante la presencia de grandes depredadores, algunos dinosaurios con mutaciones que deformaban la columna obtuvieron una mejor protección.

Y algo muy importante, las mutaciones son las que permiten los cambios que afectan la forma en la que interactúan las especies con el ambiente, y no al revés. El ambiente no "muta" a la especies para que cambie. Así que un cambio dado en el ambiente puede o no ser favorecido en el sentido de que si ayuda a sobrevivir es mas probable que en la siguiente generación nazcan seres con esa misma mutación, pero no por el hecho de que se presente un cambio en el ambiente NO implica que mágicamente aparezca una mutación oportuna.

Por ejemplo, imaginemos una especie de animalitos muy parecido a nosotros, solo que se alimentan de los frutos de los arboles. Durante mucho tiempo los frutos se encontraban a su alcance pues los arboles eran bajitos, así que no se requerían cambios para poder alimentarse. Por lo tanto el que alguien nazca con brazos mas largos no implicaba una ventaja, al contrario, un brazo mas largo implica tener que comer mas para alimentar huesos y músculos mas grandes. Pero en eso, los arboles comenzaron a crecer (por mayor abundancia de agua, mutaciones, fertilizante, o el factor que gusten) y después de unos miles de años, los frutos ya se alcanzaban tan fácilmente.

Ancestros del caballo, del tamaño de un gato y con dedos. En su caso el trotar grandes distancias favoreció a los individuos con patas mas largas (obtenidas al crecer el animal entero) y pezuñas en un solo dedo de gran tamaño.

Ahora es cuando se pueden aprovechar las mutaciones. Si sucede, por ejemplo que de nuevo aparecen mutaciones que dan como resultado el tener brazos largos, ahora ya podrían ser de utilidad y el costo adicional que representan se vería justificado por la mayor facilidad a la hora de conseguir frutas de los arboles. Esto daría lugar a un proceso de selección, aquellos seres con brazos mas largos tendrán mayor probabilidad de sobrevivir suficiente tiempo como para pasar sus genes a una nueva generación que al ser parecidos a sus papás tendrán brazos largos. En caso de que la longitud de los brazos no sea suficiente o que los arboles sigan creciendo, se puede continuar con ente proceso, aquellos de los hijos que tengan brazos mas largos que sus hermanos tendrán cierta ventaja. Con el paso de muchas generaciones los brazos largos serán tan comunes que los ancestros de extremidades normales se verían extraños. Así se van generando nuevas especies. Alterando características paulatinamente. Dejando que se de la competencia y pasando algunos genes.

Pero podemos aprovechar nuestro ejemplo de la evolución de las criaturitas de brazos largos. Como mencioné antes, el tener este tipo de brazos es UNA de las posibilidades, y en el juego de la supervivencia casi cualquier cosa se vale. ¿Que tal si otra población de estas criaturas se vio beneficiada por piernas largas, en lugar de brazos? ¿O por un crecimiento de todo el cuerpo? Estas son también soluciones al problema de encontrar comida en arboles mas grandes, he inclusive se pueden ir por soluciones mas radicales, cambiar de fuente de alimento, desarrollar formas de robarle la comida a otros, etc etc. Siempre que a una especie se le presenta un problema se suelen tener diferentes soluciones, y las soluciones de dos poblaciones separadas por lo general son diferentes.

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