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Bacterial apocalypse and the Cold War: the phage connection

15/05/2013 in Night science

The arms race turned against us in 2008. That year, an Indian citizen living in Stockholm was suffering from urinary tract pain, and even though he was treated with antibiotics bacteria seemed not to have any difficulties in resuming their growing. Later analysis determined that the bacterium, a Klebsiella pneumoniae strain, had acquired antibiotic resistance to b-lactamases thanks to a new enzyme activity, the so-called NMD-1 (New Delhi metallo-b-lactamase-1). This enzyme, present in gram-negative bacteria and transferable via plasmid, can disable carbapenems, a potent group of antibiotics that is normally used as the last defense line against highly resistant pathogens. Eventually this red line has gone down.

A high use of antibiotics leads to an increase of drug-resistan bacteria. It is interesting to highlight Spain position.

A high use of antibiotics leads to an increase in drug-resistant bacteria. It is interesting to highlight Spain's position.

Antibiotic resistance is not a new issue, but the main problem is that it skyrockets day by day, as can be extracted from Mac Sprenger’s words, the ECDC (European Center for Disease Control) Director, during the European Antibiotic Awareness Day event in the European Parliament: “Antibiotic resistance remains a serious threat to patient safety, reducing options for treatment and increasing lengths of hospital stay, as well as patient morbidity and mortality”, and from which it seems there is no light at the end of the tunnel: “Notwithstanding, we are seeing increasing multi-drug resistance and the emergence of resistance to last-line antibiotics in European hospitals which we must take urgent action to address.”. For example, only in the European Union 400.000 of patients suffering this kind of infections are reported every year.

How have we ended up in this situation? How have these resistances appeared? This is an evolution phenomenon, but instead of being produced by natural selection they have been supported by an artificial selection since patients and (especially) doctors have been the ones to blame for forwarding this outcome. As anyone with even the most rudimentary understanding of Darwinian processes knows, the use of antibiotics results in a selection process whereby hardy and drug-resistant microbes survive and breed; they’re simply adapting. When we take antibiotics we attack bacteria, either by not letting them to synthesize their protector wall (b-lactamases), inhibiting their protein synthesis capability or aiming other aspects of their physiology. But they can counterattack. For example, some mutations in their genomes as well as the up taking of genes from outside can help them to face powerful antibiotics. Every time we follow this therapy we eliminate the major part of the bacteria, however some survive to this event due to resistance acquisition. Think of a bacterium that has survived several times to these events: now it is almost invincible. This is a hallmark for the common nosocomial diseases (diseases that have contracted inside a hospital).

There are a huge number of difficult-to-eradicate pathogens like multi-drug resistant tuberculosis (MDR-TB), Clostridium difficile, methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and more. Such is the problem that a new classification for these pathogens has recently (2011) been published. In the next table you can see it.

Table with non-susceptibility classification and comments for MDR (multidrug-resistant), XDR (extensively drug-resistant) and PDR (pandrug-resistant) bacteria.

Classification

Non-susceptibility to

Comments

MDR

At least 1 agent in 3 or more microbial categories

Dangerous

XDR

At least 1 agent in all microbial categories except 2 categories

Extremely dangerous

PDR

All agents in all antimicrobial categories

Apocalypse (good as a film plot)

 

Bacteria viruses can be appreciate easily in agar plates with previously grown bacteria.

Bacteria viruses can be appreciate easily as cell lysates in agar plates where bacteria have grown.

Increasing levels of antibiotic-resistant bacterial infections are now driving demand for novel therapeutic approaches. In cases where antibiotic options are limited because of a deficit in their development or nonexistent, the pressure for new agents is greatest. Among all the possible solution (new antibiotics, mixed therapies and so on) we will focus in this article on the administration of killing-bacteria viruses, also known as bacteriophages. Get ready for a curious story in the old-fashion “the enemies of my enemy are my friends”.

At the beginning (1920s) bacteriophages were sold at the pharmacies. Picture's copyright belongs to Dr James Soothill.

In the beginning (1920s) bacteriophages were sold at pharmacies. Picture's copyright belongs to Dr James Soothill.

Nowadays gene therapy is something we usually hear about and it involves a highly-specific treatment through unharmful viruses, so it also seems very rational to try to use bacteria viruses to eradicate pathogens, then why is this field not so popular? Let me tell you this fascinating story. Bacteriophages were discovered at the beginning of the 20th century by Frederick Twort and Felix d'Hérelle and since that moment a lot of research was focused on its application to treat microbial infection. Despite the apparent early successes and widespread application, these users did not understand the nature of these agents and their efficacy remained quite controversial. However, after the discovery of the antibiotics in 1941 the most advanced Western countries changed their mind: they will exploit this new source and put aside phage therapy, which was henceforth confined to Eastern countries that belonged to the former Soviet Union. World War II and the later Cold War did not do anything else but increasing this gap, this isolation between an antibiotic-based Western and phage-based Eastern (for sure they also used antibiotics, but phage use was very common) world. Eventually the possible use of bacteriophages to treat patients with bacterial infection was forgotten in the Western. And now, more than 60 years later we have seen how our antibiotic-based medicine has almost collapsed and the Western world will need the knowledge and help of countries like Russia or Georgia for the application of this very useful treatment.

Phage therapy can be very effective in certain conditions and has several advantages over antibiotics. For example, they do not develop secondary resistance, which is very common in antibiotics, or that they search for the specific bacteria and once they have destroyed them they do not reproduce anymore. Similarly to antibiotics, bacteria can also develop resistance to phages but it is a lot easier to generate new phages than new antibiotics. As bacteria evolve resistance, the relevant phages naturally evolve alongside so we can take advantage of their own arms race. When a "super bacterium" appears, then there is a "super phage" that can already attack it. Of course there are some disadvantages, like the necessity of finding a specific phage for the pathogen strain or the releasing of endotoxins by bacteria when there are being attacked.

 

Bacteriophages in action: thousands leaving host cell. Source: BBC news.

Bacteriophages in action: thousands leaving host cell. Source: BBC news.

Will phage uptake be a common therapy in the Western in a few years? This is difficult to foresee. Anyway, what is clear is that we have discovered (again!) a new way to eradicate the most lethal pathogens. We are likely to see its insertion in medicine as time goes by. Several results have demonstrated so far its effectiveness, but always combined with antibiotics.

So please, remember the take-home message about Darwinian evolution and (1) do not auto-medicate and (2) if you are about to use phage therapy ask for antibiotics too! :)

 

Further readings

[Phage therapy general info] http://en.wikipedia.org/wiki/Phage_therapy

[Issue tackled by BBC] http://www.bbc.co.uk/news/health-21799534

[Resistance classification] Magiorakos et al. (2012) Clin Microbiol Infect 18: 268–281

[More info about NDM-1] Lancet Infect Dis 2010; 10: 597

[Comments on phage therapy use] J Bone Joint Surg Am. 2013;95:e11(1-2)

[WHO antibiotic resistance webpage] http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs194/en/

[Straightforward article about bacteriophage therapy for treating wounds] Seth A.K. et al. (2013) Plastic and Reconstructive Surgery, 131:225-234

Rinocerontes extintos y cacerías reales

08/05/2013 in Night science

Desde hace unos días seguro que muchos de vosotros habéis visto mensajes por Facebook, Twitter y demás que hacen referencia a la extinción del rinoceronte negro. De hecho, mucha gente ha descubierto su existencia al hacerse eco de la triste noticia y no ha dejado pasar el momento para plasmar su rabia e impotencia ante este hecho tan fatídico. Tal es la repercusión que se hicieron las redes sociales que algunos medios de comunicación no tardaron en hacer noticia.

Un ejemplo de las imágenes que han circulado por la red en los últimos días.

Pero tras contrastar la información difundida la noticia es más triste de lo que realmente parece: si consultamos la lista roja de La Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (IUCN Red List) el rinoceronte negro se sitúa en la categoría Critically Endangered (CR), que es la máxima categoría de riesgo por debajo de la propia extinción. Sin embargo, de entre las cuatro subespecies reconocidas por la IUCN hay una, Diceros bicornis longipes, se declaró oficialmente extinta en 2011. Es decir, durante dos años dicha extinción ha pasado completamente desapercibida, tanto entre la gente que comentaba cabreada el acontecimiento como en los medios de comunicación que recogieron su testigo.

Pero para rizar el rizo aún más, a rebufo de los rumores sobre la supuesta extinción del rinoceronte negro ha aparecido esta foto en las redes sociales:

¿Reconocéis al segundo por la izquierda y su firma? Efectivamente, es Mr. Campechano.

Si bien la foto no sorprende dadas las aficiones manifestadas por Juan Carlos de Borbón en los últimos tiempos (aunque ésta y muchas otras veces no haya salido a pedir perdón), lo cierto es que el ejemplar de rinoceronte asesinado no es un Diceros bicornis (rinoceronte negro) como se afirma, sino un Ceratotherium simum, esto es, un rinoceronte blanco. Éste es reconocible por su cuerpo compacto, abultamiento tras la nuca, cráneo grande y alargado, pero sobre todo por la forma de la boca, con labios anchos y rectos que le permiten alimentarse de pastos y matojos, supliendo la falta de incisivos. El negro, en cambio, es más pequeño, de cráneo más reducido y con la boca acabada en punta, alimentándose de arbustos y hojas bajas de árboles. Esto permite la coexistencia de ambas especies en un mismo hábitat sin competir por los mismos recursos.

El caso es que tanto los rinocerontes blancos como los negros son codiciados por los cazadores furtivos y, si bien las poblaciones de Ceratotherium simum se han recuperado en los últimos años superando los 20.000 ejemplares en 2011 y tiene la categoría de casi amenazado (Near Threatened), la subespecie norteña –recientes investigaciones la consideran otra especie–, Ceratotherium simum cottoni, tiene la categoría de CR.

Es más, de las nueve subespecies de rinocerótidos que había en los albores del siglo XXI siete están amenazadas, de las cuales cinco se consideran en peligro crítico de extinción, y una ya está extinta. Es triste saber que esta última que tanta repercusión ha tenido en los últimos días desapareciese de forma tan desapercibida, pero más penoso es saber que es cuestión de años o décadas a otras cinco les llegue el mismo destino. Tal vez si los países invirtiesen los recursos necesarios para su conservación en lugar de enviar a sus máximos representantes a cazarlos tendrían una oportunidad.

Madre e hijo de rinoceronte de Sumatra (Dicerorhinus sumatrensis). La cría es la cuarta en nacer en cautividad en más de un siglo de registro. Se cree que quedan menos de 250 individuos en la naturaleza. Si la caza furtiva persiste puede que en menos de una década se hayan extinguido todas las poblaciones salvajes. Este pequeño puede que llegar a ser el último representante de un género que se remonta a más de 25 millones de años de edad y que está estrechamente emparentado con los rinocerontes que nuestros antepasados dibujaban en las paredes de las cuevas.

Origen, evolución y función de la música. El papel de la disonancia cognitiva

05/05/2013 in Night science

A poet’s duty is to try to mend
The edges Split between the soul and body
The talent’s needle. And only voice is thread.

Joseph Brodsky

La música es un misterio. Cualquier humano es consciente, en uno u otro sentido, de su existencia y de su importancia, pero nadie sabe por qué y ni mucho menos cuándo surgió, o cuál es su objetivo. Darwin escribió en uno de sus libros [1] la siguiente frase “(music) must be ranked amongst the most mysterious (abilities) with which (man) is endowed”.  Y a pesar de que hay autores que defienden que la música es un subproducto de la psique humana y que no tiene valor adaptativo, otros concluyen que ésta sí ha tenido (y tiene) gran relevancia en la evolución humana, basándose principalmente en argumentos como la universalidad de la misma en toda las culturas conocidas.

Beethoven dijo: "La música constituye una revelación más alta que ninguna filosofía"

Así pues, ¿cuándo ha podido surgir la música?  Es una pregunta cuya respuesta es de muy difícil solución puesto que estamos hablando de un ente más abstracto que otras disciplinas artísticas como pueden ser la pintura o las esculturas. De estas últimas tenemos evidencias físicas que nos pueden indicar su antigüedad, pero con la música es totalmente diferente ya que no contamos con casi registros escritos antes del Códice Calixtino (situado en la Catedral de Santiago de Compostela) en lo que es la música europea, y siguiendo las hipótesis más aceptadas actualmente, la música tendría un origen cotemporal con el lenguaje humano, tema que vamos a afrontar en un momento.

¿Y qué podemos decir sobre su utilidad?  Dentro de los instintos básicos del hombre la música, o mejor dicho, la armonía parece tener repercusiones desde muy temprana edad. Se ha confirmado que a bebés de unos 4 meses de edad les gustan más los sonidos consonantes que los disonantes induciéndonos a pensar que esta capacidad de distinción es un carácter innato. De hecho, se tiene la hipótesis de que esto ha evolucionado de esta forma puesto que en ocasiones de estrés, miedo o angustia, la voz humana suena de forma mucho más discordante y nosotros la percibimos como algo desagradable, algo que pudo estar ya presente en los albores de nuestra especie. Gradualmente, parece ser que la evolución fue puliendo la “musicalidad” de nuestra voz para hacernos capaces de crear y percibir una variedad mucho mayor de tonos.

Sin embargo, esta característica por sí sola no es capaz de explicar la tremenda importancia (de sobra contrastada) que tiene la música en nuestras vidas diarias, y es aquí donde entramos en terrenos más teóricos y “etéreos”. La hipótesis sobre la que me centraré en el resto del texto es una entre una gran cantidad, y desde luego no voy a afirmar que sea totalmente cierta aunque lo cierto sí que es bastante atractiva. Además, cuenta con cierto apoyo experimental que comentaré al final por lo que, al menos en parte, podemos darle algo de veracidad. Podéis encontrar una magnífica revisión de estas ideas y de parte de lo comentado arriba en [2] y [3]

Antes de entrar en materia y entender de qué manera ha participado la música en la evolución humana, es necesario hacer un pequeño repaso de algunos conceptos que se manejan en este marco teórico y conceptual de la mente. Ésta está dividida en cuatro mecanismos fundamentales: los conceptos, que operan como modelos internos sobre objetos y situaciones; los instintos, mecanismos de supervivencia ancestrales a los mecanismos de los conceptos, y que miden parámetros vitales importantes para el correcto funcionamiento y la supervivencia; las emociones, definido aquí como las señales neurales que conectan las regiones instintivas y conceptuales del cerebro; y el comportamiento, que son las acciones que se trasladan al mundo exterior o interior de la mente tras un periodo de comprensión. Estos cuatro mecanismos básicos o fundamentales son los que posibilitan otros más complejos como la intuición, la imaginación, la conciencia o las emociones estéticas, de gran importancia en el tema que estamos tratando.

Para que haya una comprensión del entorno, la mente debe percibir objetos y asociarles modelos conceptuales creados por nuestra mente. Sin embargo, cuando nos enfrentamos a situaciones ligeramente diferentes existe el problema de asociar esos modelos de concepto a los nuevos objetos que estamos observando, lo cual presenta graves dificultades en el campo de la inteligencia artificial, por ejemplo. Lo que hace nuestra mente es modificar los conceptos internos para que puedan encajar los objetos de situaciones determinadas, mecanismo fundamental denominado instinto de conocimiento, o knowledge instinct (KI) en inglés. Se podría decir que el conocimiento es la medida de correspondencia entre nuestros conceptos y el mundo. Las emociones que evalúan la satisfacción o no de este instinto se sitúan dentro de lo que se podría llamar emociones de nivel alto, como las estéticas.

Todos estos mecanismos interactúan entre sí para producir diferentes  niveles de conceptos, lo que determina una jerarquía en la mente. Podríamos decir que los objetos-conceptos de bajo nivel son aquellos más básicos, y que los de más alto nivel son aquellos que integran una mayor cantidad de información y abstracción. Un ejemplo de este paso de nivel bajo a alto es el siguiente: un concepto de bajo nivel sería por ejemplo “libro”, un concepto de más nivel sería “biblioteca”, después “universidad”, “sistema educativo” etc. Lo interesante de esta organización es que todos los conceptos de más alto nivel tienen un propósito, dotándoles de más sentido y que es algo que los diferencia de los objetos de nivel bajo.  Pero también, al ser objetos de nivel muy alto, no somos capaces de “verlos claramente”, lo que condiciona también que estén mezclados con emociones (si vas a hablar de tu partido político favorito es complicado separar entendimiento de emociones, por ejemplo). Y lo más importante de todo, el instinto de conocimiento (KI) es el que permite llegar a los términos de alto nivel.

Bien, ya casi hemos llegado al centro de la cuestión. El KI tiene dos mecanismos diferentes para operar en la jerarquía de la mente: diferenciación y síntesis. El de síntesis es precisamente el mecanismo que acabo de describir por el cual se pueden comprender conceptos de alto nivel altamente relacionados con emociones, y es el que se ocupa de otorgar sentido o propósito esos mismos. El de diferenciación consiste en generar conocimiento mediante la creación de conceptos más específicos, diversos y detallados, y donde el lenguaje es la principal “herramienta” de la diferenciación. Por lo tanto son dos mecanismos opuestos, ya que mediante la síntesis podemos llegar a conceptos de alto nivel altamente emocionales y mediante la diferenciación podemos llegar a conocimiento objetivo, típico del avance científico y tecnológico.

Y aquí es donde nos diferenciamos del resto de los animales ya que ellos son mucho menos capaces de separar ambos mecanismos y en cada apreciación del mundo no pueden separar el conocimiento objetivo de las emociones. Un ejemplo es el de las llamadas de los cercopitecos vervet (Chlorocebus pygerythrus) ya que el grito avisa de la cercanía de los enemigos. Sin embargo, el comprendimiento de la situación (concepto de peligro), la evaluación (emoción de miedo) y el comportamiento (grito y salto a un árbol) no están diferenciados y cada llamada funciona como un solo concepto. En humanos somos capaces de separar los conceptos de una forma mucho más eficiente por lo que podemos conseguir conocimiento no atado a emociones o instintos. Sin embargo, pagamos un alto precio por esta capacidad, nuestra psique no es “completa” al estilo de los animales.

Aquí tenemos a nuestros amigos, los cercopitecos vervet

¿Qué queremos decir cuando digo que no tenemos una psique completa? Que el conocimiento objetivo que tomamos del exterior entra en un conflicto continuo con el instinto, y este es el punto clave de todo esto. Hay que tener claro que ambos mecanismos (síntesis y diferenciación) son útiles para nosotros, por lo que normalmente existe un equilibrio entre uno y otro. La diferenciación es la esencia de la evolución cultural, pero puede conducir a una desconexión entre el conocimiento conceptual y las necesidades instintivas, la pérdida del sentimiento de propósito y sentido incluido el propósito de cualquier conocimiento cultural.

Llegamos al quid de la cuestión, el conflicto entre el conocimiento “objetivo” y nuestra parte más instintiva. Este conflicto es llamado, en el campo de la psicología, disonancia cognitiva. Prácticamente, cada pieza de conocimiento objetivo va a entrar en conflicto con nuestra parte más instintiva, y es aquí donde ya entra en juego la música. El equilibrio entre síntesis y diferenciación es fundamental para la evolución de la cultura, y los autores proponen que la música ayuda a mantener ese equilibrio. Con el origen del lenguaje, la acumulación de conocimiento diferenciado sobrepasó en gran medida nuestra capacidad para mantener la síntesis, y según argumentan muchos autores, a la vez que el lenguaje también evolucionó la capacidad de musicalidad. La base de esta capacidad de reconciliación entre ambas partes que tiene la música puede derivar de su propia naturaleza. Se ha argumentado que en un principio habría una especie de estado donde el lenguaje estaba “fusionado” con la música (al estilo de los gritos de los animales), y que este proto-lenguaje no interferiría con la síntesis. Sin embargo, y esto ya es a modo de pensamiento propio, resulta un tanto paradójico que casualmente este proto-lenguaje se pudiera diferenciar en dos partes totalmente complementarias como el lenguaje verbal (cargado de información pero poca emoción) y el lenguaje musical (justamente lo contrario). Es complicado demostrar la teoría del proto-lenguaje a mi modo de ver.

Entonces, ya tenemos una función crucial y adaptativa adjudicada a la música: establecer un equilibrio entre esos dos mundos complementarios, vitales, pero opuestos en cierto sentido. ¿Se puede comprobar de alguna forma esta hipótesis? El mismo autor de las revisiones que he mencionado antes ha llevado a cabo varios experimentos que parecen demostrar toda esta parafernalia teórica (al menos en parte) y que ahora vamos a comentar brevemente si os quedan neuronas sanas.

Ejemplos de grandes músicos. De izquierda a derecha: John Williams, Sergei Rachmaninov y el grupo Pink Floyd.

En el primero de ellos [4] testan la función de la presencia de música de Mozart (siendo fieles al “efecto Mozart” testado científicamente, no al bulo) en la mitigación de esa disonancia cognitiva, en niños de unos 4 años de edad. El experimento se realizó de la siguiente manera: el experimentador les daba a cada niño unos cuantos juguetes y primero jugaban a un “juego de evaluación”, donde el sujeto ordenaba los juguetes según un ranking personal; más tarde, el investigador se marchaba del lugar comentándole al niño que iba a estar fuera durante un tiempo, y que le permitía jugar con todos los juguetes salvo con el segundo de la lista que había elaborado el niño. Está comprobado que este suceso causa un periodo de disonancia cognitiva al niño, y se han extendido tanto a jóvenes como a adultos. Más tarde, el experimentador volvía y jugaba de nuevo al juego de evaluación. Lo esperado en el caso de ausencia de música, tras causar la disonancia cognitiva al chaval, es que éste devaluara la posición del juguete prohibido con tal de evadir el amargo momento. De hecho, la devaluación de una de las opciones que nos causan disonancia cognitiva está bastante demostrada y tiene base estadística. Y al contrario, el resultado esperado con presencia de música es que no se sufriera tanta devaluación o que incluso se aumentase el rango del juguete prohibido. Los resultados finales concuerda con la hipótesis del autor de forma significativa y en cada una de las dos repeticiones que se efectuaron con el fin de afianzar más las conclusiones.

El otro estudio [5] tiene como base a jóvenes de entre 14 y 15 años, y en este se mide la capacidad de la música (otra vez con el efecto Mozart) para ver si interfería en el desarrollo de un pequeño test de 16 cuestiones sobre el temario que estaban dando en ese momento en la clase de ciencias. Pero aquí van un paso más allá y forman un grupo extra, por lo que a los primeros les ponen música placentera y al segundo grupo les ponen música desagradable, ambas piezas elegidas al margen del grupo. Aparte también hay un grupo control. Esta distinción sirve para ver si el efecto del hedonismo en la música es capaz de mitigar el susodicho efecto de la disonancia cognitiva. Aquí miden varios factores, entre los que se encuentran la nota media de cada grupo, el estrés o la duración del examen, y al final llegan a conclusiones parecidas a las del anterior estudio: la música placentera ayuda a los estudiantes a aguantar mejor el estrés de la situación, a asimilar mejor la dificultad de la tarea, e incluso puede verse que las notas son algo mejores (yo tengo mis reservas en cuanto a este punto).Y aunque el grupo control no se diferencia mucho del grupo con música desagradable, los autores comentan que harían falta más estudios con el fin de ver qué efectos tiene esta música realmente.

Concluyendo esta larga y densa entrada, una cosa está clara, hoy en día hay muy poca gente que no escuche música de forma casi diaria. De forma más o menos consciente sabemos que ésta es útil aunque sea en sentidos más primarios como “hacernos felices” o simplemente por disfrutar un rato. Pero su utilidad adaptativa sigue siendo hoy en día bastante desconocida a pesar de todo lo que os he contado aquí. Falta mucho por saber sobre cómo pudo originarse, si realmente se originó conjuntamente con el lenguaje, o incluso qué genes podrían participar en ello. Hay tantas y tantas preguntas interesantes por responder que esta no va a ser mi última entrada sobre ello. ¡Pero, oh, amigo, no huyas despavorido aún! Prometo que la siguiente será mucho más amena, más ligera, y que hasta puede que incluya más imágenes. Ahora solo me queda felicitarte y agradecerte si has tenido el valor de leer hasta este punto final.

Referencias

1. Darwin. The descent of man, and selection in relation to sex.

2. Perlovsky, L. 2010. Musical emotions: Functions, origins, evolution. Physics of Life Reviews. 7:2-27

3. Perlovsky, L. 2012. Cognitive function, origin and evolution of musical emotions. Musicae Scientiae. 16:185-199.

4. Masataka, N y Perlovsky, L. 2012. The efficacy of musical emotions provoked by Mozart's music for the reconciliation of cognitive dissonance. Scientific Reports. 2:694

5. Perlovsky, L; Cabanac, A.;Bonniot-Cabanac, M-C y Cabanac, M. 2013. Mozart effect, cognitive dissonance, and the pleasure of music. Behavioural Brain Research. 244:9-14

Un pez llamado Gollum: la influencia de Tolkien en la nomenclatura taxonómica

22/04/2013 in Night science

Desde que hace poco más de dos siglos y medio Linneo estableciese la nomenclatura binomial para definir géneros y especies, nuestro conocimiento sobre la diversidad de los seres vivos ha aumentado exponencialmente (tanto en espacio como en el tiempo). En consecuencia, también se ha visto incrementado el número de nombres científicos que porta cada uno de los nuevos organismos descubiertos y, con ello, la imaginación de los científicos a la hora de denominar los nuevos hallazgos.

A veces reivindican a su descubridor o el lugar donde fueron hallados. Otras resultarán ser “la paradoja más paradójica” como el caso del trilobites Paradoxides paradoxissimus… ¿y qué pensaría Bram Stoker de que el nombre del protagonista de su novela más conocida pasase a ser también el de un género de orquídea? De la misma manera, encontramos un género de crustáceo remípedo (Godzillius) que hace referencia a un monstruo japonés que ha protagonizado numerosas películas o un trilobites que remite en género y especie a uno de los personajes principales de la primera trilogía de Star Wars (Han solo), mientras que el nombre de su inseparable felpudo con patas acabó siendo llevado por una especie de avispa del género Polemistus, entre los que también se encuentra P.vaderi y P.yoda.

Parece evidente que una gran cantidad de géneros y especies han recibido nombres basados en las películas y libros favoritos de los científicos que los definieron. Pero si cabe destacar algún caso concreto por encima de cualquier otro es el impacto causado por la literatura de J.R.R. Tolkien y su más reciente adaptación fílmica. En total, a día de hoy, hay 63 taxones (entre géneros y especies; ver tabla adjunta del final) que hacen referencia al legendarium de Tolkien, si bien varios de ellos son considerados sinónimos. El listado va desde trilobites de más de 500 millones de años hasta polillas actuales, pasando por sapos, peces, dinosaurios, mamíferos extintos, avispas o coleópteros.

Leigh Van Valen (izquierda) describió múltiples géneros y especies de mamíferos condilartros (en el centro, reconstrucción del condilartro Arctocyon sp.) a los que "bautizó" con nombres del universo de Tolkien. Uno de ellos fue Bomburia priscus, dedicado al enano Bombur (derecha, tal y como aparece en las películas de Peter Jackson).

Claro está que la afición taxonómica por Tolkien ha sido potenciada sobre todo por algunos científicos. De hecho, el entomólogo finés Lauri Kaila descubrió 12 nuevas especies de polillas del género Elachista a las que les puso nombres de elfos ya que, según explicó, son similares a ellos por ser poco visibles. El experto en himenópteros sueco Karl-Johan Hedqvist definió otros tantos géneros de avispas, de entre ellos muchos referentes a personajes de la trilogía de El Señor de los Anillos como Legolasia, Gimlia, Smeagolia, Nazgulia, Entia, Balrogia, Gollumiella y unos cuantos más referentes a los enanos de la Compañía de Thorin de El Hobbit: Balinia, Bofuria, Dvalinia y Oinia.

Pero el autor que ha publicado más nombres (tanto de géneros como especies) que hacen referencia al legendarium de Tolkien es Leigh Van Valen. Más conocido por formular la Hipótesis de la Reina Roja, Van Valen describió multitud de nuevos géneros y especies de mamíferos del Paleoceno1, la mayoría pertenecientes al orden Condylarthra, que experimentaron una gran radiación adaptativa tras la extinción de finales del Cretácico. Algunos de ejemplos de éstos son Anisonchus eowynae, por la princesa Éowyn de Rohan; Oxyprimus galadrielae, por Galadriel; el género Bomburia, por el enano Bombur de El Hobbit; Bubogonia bombadili, por el enigmático Tom Bombadil; o Arctocyon mumak, recibiendo esta especie el nombre que le daban los Haradrim a los olifantes.

Si bien en las faunas de mamíferos del Paleoceno norteamericano descrita por Van Valen el mayor número de nuevos taxones son condilartros, destaca sobre ellos un mesoniquio (orden Mesonychia) basal de grandes dimensiones, el superdepredador Ankalagon saurognathus. El género hace referencia a Ancalagon el Negro, uno de los grandes dragones de fuego de la Primera Edad que aparece en El Silmarillion. De hecho, Van Valen puso ese nombre debido a las grandes fauces del mesoniquio, ya que en Sindarin (una de las lenguas élficas que se inventó J.R.R. Tolkien) Anc significa ‘mandíbula’ y alag ‘impetuosa’. Ahora bien, el hecho que Van Valen le pusiese Ankalagon en lugar de Ancalagon se debe a que, meses antes, el paleontólogo Simon Conway Morris describió con ese nombre un género de priapúlido de Burgess Shale, Ancalagon minor2, en referencia a la fuerte hilera de ganchos presentes en su probóscide3.

También del Cámbrico (entre 542 y 485 millones de años) data Durinia4, un género de trilobites que hace referencia al nombre de varios reyes de los enanos de Tierra Media.

El dragón Ancalagon el Negro (centro), que aparece en El Silmarillion, da nombre a dos géneros diferentes: el priapúlido de Burgess Shale Ancalagon minor (izquierda) y el mesoníquido Ankalagon saurognathus (derecha, ilustración de Charles R. Knight de Mesonyx)

Por otro lado, el personaje al que más le han dedicado nombres es Gollum, también conocido como Sméagol cuando vivía como un hobbit. Además de los dos géneros de avispas mencionados previamente (Gollumiella y Smeagolia) hay un género de tiburón (familia Pseudotriakidae) que lleva por nombre Gollum; una especie de pez dulceacuícola neozelandés llamada Galaxias gollumoides; una especie de sapo, Ingerophrynus gollum; y un género de gasterópodo pulmonado de la zona intermareal de la isla de Tasmania al que le pusieron el nombre de Smeagol. Tal vez el caso más sonado (por reciente y próximo) sea el de Gollumjapyx smeagol5, un hexápodo dipluro que habita en cuevas subterráneas de las comarcas septentrionales del País Valenciano y al que los autores denominaron así porque tanto el hobbit como el dipluro tienen un origen epigeo y se han adaptado (en el caso del hexápodo más bien ha evolucionado) a la depredación en la vida subterránea.

Hasta siete taxones diferentes hacen referencia al personaje Gollum/Sméagol (derecha). Entre ellos, el representante valenciano Gollumjapyx smeagol (izquierda, foto de Sergio Montagud), un dipluro.

Los últimos en pasar a pertenecer a este selecto grupo de animales son dos diápsidos, uno actual y otro extinto. El actual es un nuevo género de lagarto de cola ganchuda (familia Cordylidae) que fue descubierto mediante análisis moleculares6 y al que denominaron Smaug, como el dragón que aparece en El Hobbit. El otro data de hace apenas unos meses y se trata de un gran dinosaurio terópodo encontrado en Marruecos y perteneciente a la familia Carcharodontosauridae. Publicado por un equipo de paleontólogos italianos7 que lo nombraron Sauroniops pachytholus (el género quiere decir ‘Ojo de Sauron’ en griego) debido a que sólo es conocido por un único hueso sobre la cuenca ocular, haciendo un guiño a Sauron porque durante El Señor de los Anillos su presencia corpórea está limitada a un gran ojo.

El carcarodontosáurido Sauroniops pachytholus (derecha, ilustración de Emiliano Troco) y el Ojo de Sauron (izquierda), al que debe su nombre, sobre la torre de Barad-dûr tal y como aparece en la trilogía fílmica de El Señor de los Anillos.

Como hemos visto, el listado de taxones con nombres dedicados a personajes y lugares del universo de Tolkien se va extendiendo cada día. Así que, ¿quién sabe si en los próximos años se añadirán a esta extensa lista nuevos géneros y especies que hagan referencia a otros personajes como Aragorn, Elrond o Saruman?

Habrá a quien le parezca polémico el utilizar nombres de una mitología creada por un escritor del siglo XX, pero como dijeron8 los autores de Gollumjapyx, el caso es que el interés suscitado por esta referencialidad permite que estas especies sean más conocidas entre el gran público por delante de muchas otras y, tal vez así, llamar la atención de las administraciones públicas para que se responsabilicen en financiar la investigación zoológica y paleontológica para, finalmente, rendir cuentas en una comprometida y responsable política de conservación del medio natural.

 

1 Van Valen, L.M. (1978). The beginning of the Age of Mammals. Evolutionary Theory 4:45-80

2 Conway Morris, S. (1977). "Fossil priapulid worms". Special papers in Palaeontology 20.

3 Conway Morris, S. (1979). "The Burgess Shale (Middle Cambrian) Fauna". Annual Review of Ecology and Systematics 10: 327–349.

4 Sepkoski, J. (2002). "A compendium of fossil marine animal genera (Trilobita entry)". Bulletins of American Paleontology 364: p.560. Retrieved 2008-01-12.

5 Sendra, A., Ortuño, V.M.,  Moreno, A., Montagud, S. & Teruel, S. (2006). "Gollumjapyx smeagol gen. n., an enigmatic hypogean japygid (Diplura: Japygidae) from the eastern Iberian Peninsula". Zootaxa 1372: 35–52.

6 Stanley, E.L., Bauer, A.M., Jackman, T.R., Branch, W.R. & Le Fras N. Mouton, P. (2011).  Between a rock and a hard polytomy: Rapid radiation in the rupicolous girdled lizards (Squamata: Cordylidae). Molecular Phylogenetics and Evolution, vol. 58, n. 1, p. 53–70.

7 Cau, A., Dalla Vecchia, F.M., Fabbri, M. (2012). "Evidence of a new carcharodontosaurid from the Upper Cretaceous of Morocco", Acta Palaeontologica Polonica 57(3): 661-665.

8 Sendra, A., Ortuño, V.M. (2007). «“La importancia de llamarse Ernesto” o la elección de un nombre científico acertado: Gollumjapyx smeagol Sendra & Ortuño, 2006 (Diplura: Arthropoda)». Boletín Sociedad Entomológica Aragonesa (41):  pp. 4 y 5.

 

TAXA

AUTHOR(s)

AGE & CLASS.

MEANING

Aletodon mellon

(Van Valen, 1978)

Paleocene macroscelid mammal

"mellon," Quenya word for "friend," was the password into Moria.

Ancalagon

Conway Morris, 1977

Cambrian priapulid

Ancalagon the Black was one of the most powerful dragons of the First Age. According to Tolkien, "Ancalagon" translates from Sindarin as being anc 'jaw', alag 'impetuous'

Ankalagon

Van Valen, 1980

Paleocene mesonychid mammal

Best evidence of sexual dimorphism in mesonychids.

Same case. With k because the genus was already occupied.

Anisonchus eowynae

Synonym of:

Anisonchus athelas

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Eowyn, princess of Rohan, and Athelas, a healing herb

Arctocyon mumak

(Van Valen, 1978)

Paleocene condylarth mammal

from Mûmak, oliphaunts in Haradrim

Balinia

Hedqvist, 1978

Extant eulophid wasp

from Balin, dwarf of The Hobbit

Balrogia

Hedqvist, 1977

Extant pteromalid wasp

from Balrog, demonic being

Beornia

Hedqvist, 1975

Extant eulophid wasp

from Beorn, a shape-shifter of The Hobbit

Bofuria

Hedqvist, 1978

Extant pteromalid wasp

from Bofur, dwarf of The Hobbit

Bomburia

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Bombur, dwarf of The Hobbit

Borophagus  orc

Webb, 1969

Miocene-Pliocene canid mammal

From the Orcs

Bubogonia bombadili

(Van Valen, 1978)

Paleocene condylarth mammal

from Tom Bombadil, a misterious character of The Lord of the Rings

Durinia

Robinson, 1988

Cambrian trilobite

Several notable Dwarves were named Durin

Dvalinia

Hedqvist, 1977

Extant pteromalid wasp from Brazil

from Dwalin, dwarf of The Hobbit

Earendil undomiel

Synonym of:

Mimatuta minuial

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Eärendil, father of Elrond, and Undómiel, second name of Arwen

Elachista amrodella

Kaila, 1999

Extant moth

from Amrod, a Noldor prince of The Silmarillion

Elachista aredhella

Kaila, 1999

Extant moth

from Aredhel, also called the White Lady of the Noldor, an Elven princess

Elachista caranthirella

Kaila, 1999

Extant moth

from Caranthir, a Noldor prince of The Silmarillion

Elachista curufinella

Kaila, 1999

Extant moth

from Curufin, a Noldor prince of The Silmarillion

Elachista daeronella

Kaila, 1999

Extant moth

 from Daeron, an Elven bard of The Silmarillion

Elachista diorella

Kaila, 1999

Extant moth

from Dior, a Half-elven of The Silmarillion

Elachista finarfinella

Kaila, 1999

Extant moth

from Finarfin, High King of the Noldor

Elachista gildorella

Kaila, 1999

Extant moth

from Gildor, an Elven of The Lord of the Rings

Elachista indisella

Kaila, 1999

Extant moth

from Indis, Queen of the Noldor

Elachista maglorella

Kaila, 1999

Extant moth

from Maglor, a Noldor prince of The Silmarillion

Elachista miriella

Kaila, 1999

Extant moth

from Míriel, Queen of the Noldor

Elachista turgonella

Kaila, 1999

Extant moth

from Turgon, a Noldor king of The Silmarillion

Entia

Hedqvist, 1974

Extant eulophid wasp

from the Ents, the Shepherds of the Trees

Fimbrethil ambaronae

Synonym of:

Oxyacodon agapetillus

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Fimbrethil, Treebeard’s Entwife, and Ambaróna, a name for the Ents’ forest

Frodospira

Wagner, 1999

Silurian gastropod

from Frodo Baggins

Galaxias gollumoides

McDowall & Chadderton, 1999

Extant galaxiid fish from New Zealand

from Gollum

Gildoria

Hedqvist, 1974

Extant braconid wasp

from Gildor, an Elf from Rivendell

Gimlia

Hedqvist, 1978

Extant eulophid wasp

from Gimli, Dwarf of The Lord of the Rings

Gollum

Compagno, 1973

Extant pseudotriakid catshark from Pacific

from Gollum

Gollumiella

Hedqvist, 1978

Extant eucharitid wasp from Australia

from Gollum

Gollumjapix smeagol

Sendra et  al., 2006

Extant dipluran hexapod from Valencian Country

from Gollum and Sméagol (Gollum’s Hobbit name)

Gwaihiria

Naumann, 1982

Extant diapriid wasp from Australia

Gwaihir, Windlord of the Eagles

Ingerophrynus gollum

Grismer, 2007

Extant toad from Malaysia

from Gollum

Khamul gothmogi

Gates, 2008

Extant eurytomid wasp

from Khamûl, the second Nazgûl, and Gothmog, the Lord of the Balrogs

Legolasia

Hedqvist, 1974

Extant pteromalid wasp

from Legolas, Elf of The Lord of the Rings

Litaletes ondolinde

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Ondolindë, and Elven city

Macropsis sauroni

Hamilton, 1972

Extant leafhopper

from Sauron

Macrostyphlus frodo

Morrone, 1994

Extant weevil from the Andes

from Frodo Baggins

Macrostyphlus gandalf

Morrone, 1994

Extant weevil from the Andes

from Gandalf

Mimotricentes mirieliae

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Míriel, queen of the Noldor Elven

Mimatuta minuial

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Sindarin ‘minuial’ means dawn’s twilight

Mimatuta morgoth

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Morgoth, the Dark Enemy in The Silmarillion

Mithrandir

Cifelli, 1983

Paleocene condylarth mammal

from Mithrandir, other name of Gandalf

Nazgulia

Hedqvist, 1973

Extant pteromalid wasp

from Nazgûl, the Ringwraiths

Oinia

Hedqvist, 1978

Extant eulophid wasp

from Oin, dwarf of The Hobbit

Oxyprimus galadrielae

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Galadriel, Elf queen of Lothlórien

Paleotomus radagasti

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Radagast, one of the Istari (wizards)

Pericompsus bilbo

Erwin, 1974

Extant carabid beetle

from Bilbo Baggins

Platymastus palantir

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Palantir, the seeing Stones

Prolimnocyon durini

(Van Valen, 1978)

Paleocene creodont mammal

Several notable Dwarves were named Durin

Protungulatum gorgun

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from ‘gorgûn’ Druedáin word for the Orcs

Sauroniops pachytholus

Cau et al., 2012

Cretaceous theropod dinosaure

from Eye of Sauron

Smaug

Stanley et al., 2011

Extant cordylid lizards

from Smaug, dragon of The Hobbit

Smeagol

Climo, 1980

Extant gastropod, type genus of the family Smeagolidae

from Sméagol (Gollum’s Hobbit name)

Smeagolia

Hedqvist, 1973

Extant pteromalid wasp

from Sméagol (Gollum’s Hobbit name)

Syconycteris hobbit

Ziegler, 1982

Extant moss-forest blossom bat

from Hobbit

Thangorondrim thalion

Synonym of:

Oxyclaenus pugnax

Van Valen, 1978

Paleocene mesonychid mammal

from Thangorodrim, volcànic mountains of the Iron Mountains; and Thalion, character from Silmarillion

Tinuviel

Van Valen, 1978

Paleocene condylarth mammal

from Lúthien Tínuviel, the most beautiful Elf

 

Los niños que ya no querían ser astronautas

13/04/2013 in Night science

El contexto en el que uno crece le marca de por vida. Mis padres crecieron con el alunizaje del Apolo 11, fruto de la competitiva carrera espacial entre USA y la URSS. Más adelante, tanto mi hermano como yo crecimos con las enseñanzas del gran Carl Sagan en su magnífica serie Cosmos, gracias  a que mi padre nos la ponía. Tanto ellos, como nosotros, y como muchos de los otros niños de estas dos generaciones (y las del medio) crecimos con la emoción de estos grandes avances que generaba una respuesta típica cuando te preguntaban que qué querías ser de mayor: astronauta. Era un sentimiento generalizado dado por el afán de ampliar no solamente nuestro conocimiento sobre el universo sino por expandir los límites de la humanidad un poco más allá de este planeta, que nos había visto nacer.

Sin embargo, y aunque puede que solo sea una noción de alguien demasiado acostumbrado últimamente a oír malas noticias, noto que este entusiasmo por la exploración espacial se ha quedado en un punto muerto, un estado estacionario donde la gente parece no sentir ya la necesidad, y la utilidad, de seguir realizando esta gran labor. Pero, ¿a qué puede deberse ésto? Por una parte pienso que el sector está falto de ideas y de ganas, como si éste se hubiera llenado de gente conformista y desganada que ya no tuvieran más ideas geniales que llevar a cabo, aunque me niego a creer tal cosa, por lo menos en su totalidad. La gente que está en este sector (sea la NASA, la ESA o de cualquier otro lugar) suelen ser científicos, muchos de ellos de la vertiente básica, y que tienen un afán natural por intentar expandir, pasito a pasito, la barrera del conocimiento humano. Incluso hay gente que se atreve a ir más allá y exploran otros terrenos como la ciencia ficción, como Alastair Reynolds, que estuvo trabajando en la ESA durante un tiempo. Por eso me niego a creer que no haya gente con la ambición y las ganas de explorar nuevos horizontes.

Entonces, ¿cuál puede ser una posible causa? Si hay gente que quiere pero no puede, normalmente es debido a las restricciones tecnológicas y las restricciones económicas. Las primeras se solventan con investigación, que depende en gran parte de la economía, por lo tanto nos queda que las restricciones de tipo económico son uno de los problemas que está minando la exploración espacial, tanto directa como indirectamente. Y para corroborarlo, hay datos que lo demuestran. Para ello me he centrado en la NASA, más que nada porque lleva ya muchos años funcionando y se pueden sacar bastantes datos interesantes de la misma.

En la siguiente gráfica podemos comprobar varios aspectos interesantes. No debemos hacer excesivo caso al total, en miles de millones de dólares, que le dan a la NASA cada año aunque veamos que tiene una tendencia positiva (qué menos...) porque la inflación hace que, para comprar lo mismo cada año, te tengas que gastar más. Lo interesante de la gráfica, a mi parecer, es la línea que nos dice el porcentaje de presupuesto federal que se destina a este sector. Se ve una tendencia a la baja desde los años 90, que contrasta mucho con el gran pico que hay a finales de los 60 con el tema de la mencionada carrera espacial. Creo que este valor sí que es un estimador bastante certero del interés político por la NASA.

Presupuesto histórico de la NASA. Están representados los valores de dinero total (en miles de millones) con las barras del histograma, y el porcentaje del presupuesto federal está representado con la línea azul en tanto por ciento.

Quizá estos datos no hayan sido del todo impactantes aún, pero porque falta compararlos con algo, ¿y qué mejor que hacerlo con el gasto en el presupuesto militar? Creo que esta gráfica que os muestro a continuación ya va a empezar a saltar las alarmas de más de uno. En ella podemos ver que el gasto de un solo año en defensa es superior al TOTAL de los presupuestos que ha recibido la NASA en toda su historia. Aquí es casi automático que nos hagamos la siguiente pregunta: si con este dinero se ha conseguido llevar un hombre a la luna, lanzar multitud de satélites de tremenda utilidad, enviar diversos robots a Marte... ¿qué podríamos haber hecho con un presupuesto como el de defensa?

Comparativa de los presupuestos de 2011 en ciencia y en defensa con el total de presupuesto de toda la historia de la NASA hasta 2011

Sin embargo, y para acabar de reflejar esta idea, os enlazo un cómic para que veáis la distribución monetaria de diversos sectores. No pongo aquí la imagen porque es tan gigantesca como desoladora. Comparad lo que se ha gastado en algunas de las últimas (y a mi modo de ver opcionales) guerras, por ejemplo, con otros gastos que hubieran sido mucho más útiles.

http://xkcd.com/980/

Sin embargo, y aunque se presenten estos datos, la pregunta sigue sin quedar respondida: ¿por qué no se invierte más? Una de las respuestas inmediatas es la acuciante crisis económica que invade a todo el planeta ahora mismo. Pero no nos debemos quedar en esta respuesta superficial. Yo pienso que la gente desganada de la que hacía mención antes no está en la NASA o la ESA sino en los gobiernos que deciden y que permiten qué proyectos se aprueban y cuáles no. Ellos son el cuello de botella de todo este parón. En la carrera espacial, "gracias" a Kennedy, la gente se puso las pilas enormemente y en poco tiempo estábamos enviando los primeros humanos a la Luna, ¿quién lo hubiera imaginado 10 años atrás? Ahora, sin embargo, las misiones importantes próximas, que no dejan de ser muchas veces ideas difusas o borradores, es enviar humanos a Marte dentro de más de 10 años. Impresionante...

Podría hablar y hablar sobre el tema, pero ya hay mucho escrito y de muy buena calidad, como lo hace nuestro amigo Yuri en su post sobre el 50 aniversario de la llegada de Yuri Gagarin al espacio. De hecho, la idea del astillero espacial que comenta en ese post es tremendamente atractiva y no tan compleja de hacer si se dispusiera de los fondos necesarios, lo cual no va a suceder a medio ni a largo plazo lamentablemente.

No quería terminar con este aire de abatimiento con el que he estado escribiendo todo el post, pues a pesar de que la oscuridad reine a los pies del faro como reza un proverbio japonés, siempre habrá una luz que nos guíe hasta un puerto mejor.

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Global sections over Alice and Bob: the sheaf-theoretic expression of non-locality and contextuality

03/04/2013 in Garabatos tricolores, Night science

The story is well known. It is a sunny Sunday and Alice and Bob decide that going out for a walk might be too mainstream so, instead, they decide to do some physics. They convince their friend Carlos, the third wheel, to prepare a pair of entangled photons, each to be sent to Alice or Bob. The couple can perform two different measurements on the photons sent by Carlos and the values that can be obtained for both measurements are either 0 or 1. In order to better enjoy the Sunday, they decide to perform the experiment separated from each other and Carlos. They take their longboards in opposite directions and decide to start taking measurements. Being separated, they will take randomly one of the two possible measurements and annotate it together with one of the two possible outcomes. After being the whole morning repeating the experience, they make a table with the obtained distributions of joint outcomes for each pair of measurements.

The two different measurements that Alice and Bob can make are distinguished by an apostrophe.

Empirical distribution of a Bell scenario experiment. The two different measurements that Alice and Bob can make are distinguished by an apostrophe.

After seeing the results, Alice finds herself surprised by the correlations obtained, as if some spooky action at a distance (spukhafte Fernwirkung) was relating both measurements. Bob, immediately accuses Carlos of being that spooky action. Alice points out that there is no way by which Carlos could have spied them while performing the measurements (getting to know the measurements they were going to make) and demands Bob for a detailed explanation of how Carlos could have produced the results. After thinking for a while, Bob points out that Carlos could, in principle, generate, in a deterministic way, all the possible assignments of their measurements to the outcomes. Hence, Carlos might be able to send the pair of photons with a previously uniquely specified assignment of outcomes for each of the two measurements Alice and Bob can make (for instance \lambda_{1} : a \mapsto 0, a' \mapsto 1, b \mapsto 0, b' \mapsto 0 ). To generate a stochastic behaviour, Carlos just has to specify a probability distribution on all the possible assignments to their measurements in such a way that, applied to the different contexts, it produces the observed probabilities on the joint measurements of the outcomes. Alice still holds that Carlos is innocent and what they have observed cannot be explained using Bob's reasoning. Bob refuses to believe that their result is a manifestation of a sort non-local and contextual behaviour. After being silent for most part of the discussion, Carlos decides to start a deeper conceptual investigation to prove his innocence.

In order to answer the question whether the explanation of data obtained requires a theory that violates the principle of locality , we would like to define a general abstract framework in which we can place our problem in a precise way. For the sake of generality, let us think of a system (like the entangled photons of Alice and Bob) as composed of several parts (spatially separated or not) upon which several individuals (Alice, Bob, Carlos, ..., Zed) can perform a set of measurements. In quantum mechanics, it usually happens that not all measurements are compatible (they cannot be made simultaneously). We will consider that the different parts of the systems are always compatible, and that incompatibilities, if they exist, arise within each part. These measurements have associated a set of possible outcomes that are the values we obtain (0 or 1, in our example). Given the different possible measurement contexts, a set of distributions on the joint outcomes obtained determines an empirical model, such as the one obtained by Alice and Bob.

Diagram showing the different elements composing a general measuring scenario (Abramsky et Bradenburguer, 2011).

Diagram showing the different elements composing a general measuring scenario (Abramsky et Bradenburguer, 2011).

For that empirical model, it might be possible to construct a hidden-variable model (such as the one proposed by Bob) that explains the results. In this model, a set \Lambda of independent unobserved variables $latex \lambda$ determine the outcomes of the different measurements. If an empirical model can be generated with a distribution of deterministic hidden-variables marginalized over the measurement contexts, it can serve as an explanation to the observed data.

The scenario described by Alice and Bob is that of the Bell inequalities, it will be henceforth referenced as a Bell scenario. To recapitulate, in the Bell scenario, we have two parts (Alice and Bob), two different measurements that are incompatible on the same part (a,a' for Alice or b,b' for Bob) and two different outcomes (0 or 1). The set of all maximal measurement contexts ( {a,b},{a',b},{a,b'},{a,b} ) can be seen as a topological space X and an assignment of outcomes can be thought as a section over its open sets U . Thus, a section over an open set U \subseteq X is map s such that  s : U \rightarrow O . The set of sections over a particular U can be noted as O^{U} . A presheaf F associates to each open set U' a set O^{U'} of sections on U' and to each open set U \subseteq U' a map F(U') \rightarrow F(U) that specifies the restrictions of the sections over U' to U :  F : U \rightarrow O^{U} .

In the Bell scenario, the set of possible assignments from the different possible measurement pairs is given by the following table. Each row constitutes a set of sections O^{U} over the particular measurement context.

Sections over de different maximal measurement contexts (Abramsky et Brandenburguer, 2011).

Sections over de different maximal measurement contexts (Abramsky et Brandenburguer, 2011).

Given a family of sets U_{i} that form a cover of X , their sections are locally determined whenever two sections s_1 and s_2 over X coincide when they are restricted to each U_{i} . A locally determined presheaf is called separated. A sheaf is a separated presheaf that can be glued together when there is a unique section s of X such that s|U_{i} = s_{i} . For the previously described presheaf of the outcomes sections, both the compatibility and gluing conditions hold so that we obtain a sheaf.

The category theory generalization of the previously described mathematical structure is the presheaf functor. For a category \mathcal{C} the S-valued presheaf F is a functor such that: F : \mathcal{C}^{opp} \rightarrow \textit{S} . Here, S can be any category like the category of sets ( Set ), commutative rings ( CRing ) or the category of Abelian groups ( Ab ). In order to recover the notion of presheaf in topological spaces, we have to take the Set valued presheaf of the category \mathcal{C} constituted by the posets of open sets of a topological space.

Functor operating on the category constituted by the posets of open sets of a topological space.

Functor operating on the category constituted by the posets of open sets of a topological space.

Then, the presheaf functor takes the open subsets of \mathcal{C} and maps them to set of sections on the open subset O^{U} . The morphisms of the \mathcal{C}^{opp} category are indeed retractions and are mapped by the presheaf functor into restrictions of sections: res_{U,U'}: F(U') \rightarrow F(U) . Such that the composition rules and identities are satisfied in order to constitute a category.

In order to recover the statistical behaviour of the system, we would like to assign a probability distribution to each set of sections O^{U} . Given a set X and a commutative semiring R (like the non-negative reals), we can define an R-distribution as a function d : X \rightarrow R if the function has a finite support such that  \sum_{x \in X}d(x)=1 . The set of R-distributions on X can be written as D_{R} (X) and for the non-negative reals corresponds to the set of probability distributions. It can be seen that D_{R} is a functor D_{R}: Set \rightarrow Set and can be composed with the previous event sheaf F : \mathcal{C}^{opp} \rightarrow \textit{Set} to form a presheaf D_{R}F: \mathcal{C}^{opp} \rightarrow \textit{Set} .

Our aim is to find if the sheaf condition holds for this new presheaf D_{R}F . So , we want to find the global section d \in D_{R}F(X) exists for the entire set of measurements X = {a,a',b,b'} defining a distribution on the set F(X)=O^{X} of possible assignments \lambda_{i} of outcomes to X . Each of this global sections of $F$ can be considered a deterministic hidden variable (for instance \lambda_{1} : a \mapsto 0, a' \mapsto 1, b \mapsto 0, b' \mapsto 0 ) assigning a particular outcome to a particular measurement independent of the context. The global section d of D_{R}F would define a distribution on the set of deterministic hidden variables that marginalizes on the different measurement contexts to yield the observed probabilities (modelling the role of Carlos suggested by Bob in our initial story).

If we can find the sheaf, Bob will be right , however if there is an obstruction to the formation of it, we will have to accept the non-local and contextual behaviour. Given the empirical results, this can be done by solving the following linear system \textbf{Md}=\textbf{e} where \textbf{d} stands for the global section, \textbf{e} for the empirical model and \textbf{M} for the incidence matrix. The latter is defined by the relation between the global assignments \lambda_{j} and the sections s_{i} relating the contexts with the outcomes. The elements m_{i,j} are 1 if the \lambda_{j} , when restricted to that measurement context, is equal to the section and 0 otherwise. For the Bell scenario the incidence matrix is:

Incidence matrix for the Bell scenario  (Abramsky et Brandenburguer, 2011).

Incidence matrix for the Bell scenario (Abramsky et Brandenburguer, 2011).

It can be shown that there is no \textbf{d} that solves the equation such that all terms are non-negative and add up to one. So, for this empirical distribution obtained in the sunny Sunday there is not a mischievous Carlos or a hidden variable model that explains it

Abramsky S. and Brandenburger A. 2011. The Sheaf-Theoretic Structure of Non-Locality and Contextuality. 13: 113036.

Ciencia diurna y ciencia nocturna

27/03/2013 in Night science, Sobre nosotros

Dos sombras en el sótano de un gran edificio. Movimientos bruscos y torpes. Resultados negativos y repeticiones continuas. Expectativas elevadas; miedo al fracaso. Un laboratorio ajeno y materiales prestados. Desaliento por no haber terminado a tiempo un experimento que no podía demorarse más de tres semanas. Rivales y amigos asoman su cabeza por el marco de una puerta, con muecas de desconfianza. Frustración, desesperanza. Enfado, tristeza y necesidad de aire fresco en una playa cercana. De repente, una idea luminosa y retorna la fuerza. Último intento; última modificación del experimento. Los nervios causan que un codo golpee accidentalmente un recipiente con material radiactivo que se esparce en una cubeta. Caos, prisas y soluciones al vuelo. El momento de la verdad: la lectura final de los resultados. En unos pocos segundos, un incremento súbito en la medida de radiación puede cambiarlo todo. Las cifras son mínimas, casi nulas; el tiempo se detiene.  En el momento justo, los valores muestran un pico y vuelven a bajar. Justo lo necesario. El perfecto desenlace. La incredulidad y la alegría se mezclan en una nube de delirio que embriaga la habitación. Gritos, abrazos, bailes. La grandeza de un hito de la ciencia.

El ambiente de aquel sótano de Cal Tech debió ser extraordinario. Un experimento nacido en el momento y lugar adecuados acababa de mostrar nada más y nada menos que la primera evidencia experimental de la existencia del RNA mensajero. Un éxito sin parangón conducido a la luz gracias a la ciencia nocturna.

Años después, uno de los dos protagonistas de la anterior historia explicaba que “la ciencia en periodo de gestación presenta dos aspectos. Lo que se podría llamar la ciencia diurna y la ciencia nocturna”. Y las describía así:

La ciencia diurna pone en juego unos razonamientos articulados como engranajes, unos resultados que poseen la fuerza de la certidumbre. […] La ciencia nocturna, en cambio, vaga a ciegas. Duda, tropieza, retrocede, suda, se despierta sobresaltada. Cuestionándolo todo, se busca, se interroga, se corrige sin parar. Es una especie de taller de lo posible donde se elabora lo que se convertirá en materia de la ciencia. Donde las hipótesis no pasan de ser vagos presentimientos, sensaciones brumosas. […] Nada hay todavía que permita afirmar que la hipótesis que acaba de surgir superará su forma primitiva de esbozo burdo para irse afinando, perfeccionando. Si resistirá la prueba de la lógica. Si podrá acceder a ciencia diurna.

François Jacob. La estatua interior (1988).

La ciencia nocturna está principalmente espoleada por el entusiasmo, por la necesidad de descubrir la verdad. Este entusiasmo nos lleva a hacernos preguntas sobre nuestro entorno y buscar respuestas que susciten preguntas nuevas. Y este entusiasmo es el que nos empujó a hacer ciencia. También fue este entusiasmo el que nos llevó a construir el presente blog años atrás. Con una cara nueva y con fuerzas revividas, ahora nos empuja a relanzar una segunda versión. La base seguirá siendo el trabajo colectivo de estudiantes que una vez compartieron una misma aula. Y, aunque la mayoría de entradas que publicaremos tratarán sobre hallazgos producidos por ciencia diurna, principal beneficiaria del sistema administrativo de la ciencia actual, nos declaramos admiradores de la pasión efervescente que es motor de la ciencia nocturna. Del ímpetu arrollador que valora ante todo la pureza del misterio y la iluminación del descubrimiento. La búsqueda de la fascinación y la fascinación de la búsqueda. Sea mediante razonamientos articulados como engranajes o vagando a ciegas, el avance del conocimiento no solo es esplendoroso, sino también demoledor e inevitable, y de él depende nuestro futuro.

Por nuestra parte, intentamos canalizar nuestro entusiasmo en aportar un nuevo grano de arena a la exploración de la realidad, lanzándonos a un camino que es a menudo desolador e incluso doloroso. Pero también queremos compartir el asombro de averiguar cómo funciona el universo. Y, asumámoslo, lo haremos generalmente de noche.