La importancia de la simetría en la existencia de la vida humana.

La simetría es un hecho muy intuitivo que siempre ha llamado la atención en el mundo artístico, y que hemos tenido delante de nuestras narices, en todo nuestro entorno, prestándole menos atención de la debida, y resulta que tiene unas consecuencias importantísimas en la comprensión del mundo físico y la vida. La simetría además de equilibrio, armonía y otras consideraciones que apreciamos a simple vista, tiene muchas forma de entenderse; desde la correspondencia exacta en forma, tamaño o posición, hasta una correspondencia en la disposición de las partes o puntos en relación con un centro, un eje o un plano; según la disciplina que la estudie. Hasta el punto de que las interacciones fundamentales tienen mucha importancia en la naturaleza y las pequeñas diferencias en esa simetrías dan lugar a la vida. Según Einstein las leyes físicas pueden ser deducidas de los requisitos de simetría.

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La formulación matemática de la simetría fue tardía (1830) con la Teoría de Grupos; y no llegó desde la geometría, sino del estudio de las ecuaciones algebraicas, que aparentemente no tiene nada que ver. Intentaré que esta parte sea lo menos árida posible para “enamorad@s” de las matemáticas. Klein puso da manifiesto en el programa Erlangen la íntima relación entre la teoría de grupos y la geometría, porque conectaba las diferentes geometrías posibles con los grupos de simetría que forman las transformaciones que dejan invariantes los espacios correspondientes. Esto es tan así que Poincaré afirmó que la Teoría de Grupos es la totalidad de las matemáticas desprovista de su materia y reducida a su forma más pura. En el siglo XX se culminó la clasificación de los grupos finitos simples.

fuerzas

La teoría de grupos es el lenguaje de la simetría, y es clave en la descripción del universo: de la física; con aplicaciones inmediatas a la cristalografía o las simetrías moleculares. La teoría de grupos tuvo un enorme impulso con la mecánica cuántica. Entre 2015 y 1950 ya existían 250.000 trabajos ciéntificos publicados con el tópico simetría. Weinberg afirmó que las simetrías son la parte más importante de la física. Diría que la simetría es un espejo donde se mira el mundo físico. Más allá de las simetrías geométricas, las geometrías dinámicas de las cuatro fuerzas que interaccionan en el universo (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) de sus simetrías al hallar las transformaciones que dejan invariantes sus ecuaciones, proporcionan descripciones unificadas de las interacciones nucleares fuertes y débiles, y de la interacción electromagnética. Todavía no se ha conseguido la de la gravitatoria con las anteriores. Y por otro lado la ruptura de la simetría, que implica comprender la simetría oculta y la situación cuando existe simetría, es fundamental para la comprensión del universo. Según Wigner pionero de la aplicación de la teoría de grupos a la mecánica cuántica, resulta sorprendente la efectividad de las matemáticas en las ciencias naturales. Ha resultado sorprendente como los cálculos teóricos se han ido correspondiendo posteriormente con los resultados experimentales. Si el acelerador de partículas CERN probara que existe supersimetría en el universo, se podrían unificar la gravedad con las otras tres fuerzas y construir una Teoría del Todo.

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Una de las simetrías más inmediatas es la de reflexión o bilateral, donde un objeto al reflejarse en un espejo no se distingue del original, e intuitivamente significa que la parte derecha e izquierda son equivalentes. Para advertir la simetría lo que le rodea debe tener cierta asimetría, para darnos cuenta de que al transformar el objeto simétrico todo sigue igual. Que exista asimetría no garantiza la simetría de un objeto cualquiera. Se dice que una ley física conserva la paridad, cuando es invariante frente a reflexiones: esto sucede con fenómenos electromagnéticos, gravitacionales y nucleares; aunque hay nucleares débiles que no lo son, y permiten distinguir la derecha de la izquierda. La simetría bilateral en la naturaleza no es perfecta, aunque muy similar (nuestra propia cara no es simétrica bilateral, y nuestros propios órganos internos sobre todo), partiendo de orígenes simétricos llega un momento donde se rompe y se decanta por una de las posibles configuraciones finales. Un objeto es quiral cuando no es igual que su imagen especular y pueden existir de dos formas, siendo una el reflejo de la otra (eso sucede con nuestras manos, hay una derecha y una izquierda), no puede transformarse uno en otro por rotaciones o traslaciones.

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Con los elementos de la tabla periódica existen (teóricamente) infinitas moléculas, por combinación de enlaces de ellos, mediante la ley del electromagnetismo (que conserva la paridad). Los cuatro elementos de la vida más corrientes son el carbono C, hidrógeno H, nitrógeno N y oxígeno O. El C es el más importante puesto que entorno a él se forman grandes cadenas, hasta el punto de que la química se divide en orgánica e inorgánica en función del C. El C tiene cuatro enlaces posibles que forman un tetraedo. Por ejemplo el metano CH4 [gas de los pantanos responsable del efecto invernadero] tiene seis posibles simetrías; el metanol CH3OH [alcohol de madera o de quemar, muy tóxico] tiene un único plano de simetría; y el etanol [en las bebidas alcohólicas] tiene un plano de simetría. Metano, metanol y etanol no son quirales porque sus reflexiones se pueden transforma una en la otras mediante rotaciones y translaciones. Mientras el ácido láctico CH3CHOHCOOH si es quiral porque ella y su reflejo no se pueden obtener una de la otra con rotaciones y traslaciones. Ella y su reflejo se llaman formas enantiométricas o enatiómeros, incluso tendrían idénticas propiedades físicas y químicas.

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Biot comprobó que los gases de origen orgánico de ciertas especies moleculares giran el plano de la luz polarizada. Pasteur descubrió experimentando con el ácido tartárico y la luz, que parecía existir de dos formas distintas, con idéntica composición química. La luz es una onda electromagnética caracterizada por un campo eléctrico y un campo magnético oscilantes, pero en diferentes direcciones; ambas perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; por convención, el plano de se refiere a la polarización del campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico oscila en una única dirección la luz está linealmente polarizada. Los cristales polarizados usan moléculas muy grandes colocadas de tal forma que absorben el campo eléctrico de todas las direcciones salvo de una. Pasteur estudiaba la relación entre el ácido tartárico que aparece en la fermentación del vino, se deposita en forma de cristales y el ácido racémico, que es un subproducto de procesos industriales con la misma fórmula C4O6H6, aunque con distinta disposición molecular y diferente temperatura de fusión. Mientras el acido tartárico hace girar la luz polarizada a la derecha, el ácido racémico no la altera. El ácido racémico tiene cristales de distinta quiralidad que la desvían a la derecha (dextrógira, es ácido tartárico) y otros a la izquierda (levógira), la mezcla en igual porcentaje de ambos (mezcla racémica) no la altera, por ser mezcla perfecta de ambos enantiómeros. Lo curioso de lo anterior es que a pesar de tener fórmulas similares, los seres vivos los distinguen, y cuando los producen lo suelen hacer en una de las dos formas; y cuando se producen de forma no natural o industrial suelen aparecer ambos mezclados en forma racémica.

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Estos hechos que parecen a simple vista curiosidades tienen un impacto enorme en la naturaleza. Hay determinados alimentos que cuando los injerimos sólo metabolizamos un sólo tipo de enantiómero (por ejemplo cuando comemos ácido láctico sólo asimilamos el dextrógiro y eliminamos el levógiro); incluso nuestras células olfativas si distingen la quiralidad molecular (la molécula lemonelo le da el olor a la naranja con su forma dextrógira y al limón con su forma levógira). Lo mismo que la simetría es importante para la vida, puede tener efectos perversos: la talidomida cuando se sintetizó si era segura, pero era inestable porque las moleculas con el tiempo cambiaron su quiralidad volviéndose racémica, y su enantiómero es tóxico. Sólo el R-enantiómero es activo; mientras que el S-enántiomero (he aquí el enantiómero malo) produce serias malformaciones en bebes recién nacidos. En estudios posteriores se ha demostrado que el propio cuerpo humano es capaz de transformar el enantiómero activo en el enantiómero malo.

aminoacido

Las moléculas básicas humanas y de los seres vivos son las proteinas que nos dan la estructura. Las proteinas están formadas por aminoácidos. Los aminoácidos están formados por carbono C, grupo amino NH2 , un grupo carbóxilo COOH; y aunque existan millones de combinaciones, sólo existen 21 aminoácidos que forman nuestras proteinas (el carbono alfa que es quiral: lleva enlazado un NH2, un COOH, un hidrógeno H, y 21 tipos de radicales R).  Cuando R=H tenemos glicina (el único aminoácido no quiral), los otros 20 aminoácidos son todos quirales (si R=CH3 tenemos alanina). Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación entre el grupo amino de uno y el carboxilo del otro, liberándose una molécula de agua y formando un enlace amida. Y la única forma que compone los aminoácidos de los seres vivos es la forma levógira (nunca la dextrógira).

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El manual básico para sintetizar las proteinas (usando los aminoácidos) lo contienen los ácidos nucléicos como el ADN (Schrödinger ya predijo la existencia de una especie de cristal aperiódico que codificara la información, antes que Watson y Crick). El ADN está formado por nucleótidos: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C), y en el ARN: adenina (A), uracilo (U), guanina (G) y citosina (C). Nuestro código genético mapeado hace poco, asocia a los 20 posibles aminoácidos, esenciales para la vida, a conjuntos de 64 nucleótidos llamados codones. La doble hélice es una forma quiral (se pueden definir hélices dextrógiras y levógiras, imágenes especulares una de la otra). En la naturaleza hay formas estructurales de ADN, como A-ADN, B-ADN (el más común presente en los cromosomas) o Z-ADN, la A y B son dextrógiras, y la Z es levógira con poco significado. Todavía no se ha explicado el por qué de una preferencia antes que otra, cuando tenemos en cuenta que la interacción electromagnética no distingue una molécula de su imagen especular. Explicar esto es tanto como explicar el origen de la vida.

REFERENCIAS.
Simetría y supersimetría. RBA. 2015
https://es.wikipedia.org/wiki/Simetr%C3%ADa_en_f%C3%ADsica
https://es.wikipedia.org/wiki/Paridad_(f%C3%ADsica)
http://francis.naukas.com/2008/10/27/por-que-se-utiliza-la-teoria-de-grupos-en-fisica-de-particulas-elementales/
https://es.wikipedia.org/wiki/Enanti%C3%B3mero
https://es.wikipedia.org/wiki/Estereoisomer%C3%ADa
http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/30/informacion%20web/73frame1.htm
http://www.monografias.com/trabajos93/isomeria-quimica/isomeria-quimica.shtml
https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3digo_gen%C3%A9tico
http://proteinas.org.es/aminoacidos
https://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica
http://dciencia.es/el-enantiomero-bueno-el-feo-y-el-malo/
https://es.wikipedia.org/wiki/Compuesto_org%C3%A1nico

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Una respuesta

  1. Hola José Antonio, gracias por este material tan re-lindo. La simetría lo busco en la naturaleza, en el follaje las plantas de la diversa forma de las hojas, es algo fascinante a los sentidos, también me permite entender algo más de la vida. Es como dices, la simetría es el asombro de la vida.

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