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
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:
Espero que, al menos, haya despertado vuestra curiosidad sobre este interesante tema.
Nos seguimos leyendo…
