Francis en Luciérnagas: Mi selección de artículos científicos de 2019

Por Francisco R. Villatoro, el 5 febrero, 2020. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Colaboración externa • Física • Informática • Nature • Noticias • Physics • Recomendación • Redes de Neuronas • Science ✎ 2

He participado en el episodio “Los ocho logros científicos más importantes del año 2019”, 04 feb 2020 [iVoox], del programa de radio Luciérnagas, presentado por Dante Cáceres. Me ha pedido que seleccionara los artículos más relevantes de 2019, una tarea imposible donde las haya. Así que he seleccionado los que me han parecido más llamativos (incluso alguno que no ha aparecido aún en este blog). Te recuerdo que este podcast de divulgación científica se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid) en el canal de Radio Santa María de Toledo, de la Radiotelevisión Diocesana. Se repite la emisión los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

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(1) Google anuncia la supremacía cuántica: John Martinis y sus colegas en el Goolge AI Quantum (Mountain View, CA, USA) publicaron en Nature el pasado 23 de octubre lo que se considera todo un hito en la computación cuántica. El ordenador cuántico Sycamore de 53 cúbits funcionales ha ejecutado un algoritmo que genera ruido cuánticamente certificado demostrando la supremacía cuántica (el algoritmo genera ruido, secuencias de números aleatorios, y no tiene aplicaciones prácticas relevantes). El artículo de Google estimó que el supercomputador Summit (el número uno del TOP500) necesitaría 10 000 años para ejecutar lo que Sycamore logra en menos de 3 minutos; desde IBM han criticado el anuncio, primero afirmando que a Summit le bastan al menos de 3 días y luego afirmando que se trata de un hito irrelevante porque no tiene aplicaciones prácticas. El artículo es  Frank Arute, Kunal Arya, …, John M. Martinis, “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor,” Nature 574: 505-510 (23 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5.

(2) La imagen del agujero negro supermasivo M87*: la gran noticia científica de 2019 para muchos medios, Breakthrough of the Year 2019 para la revista Science es la primera imagen de la sombra y el anillo asimétrico de un agujero negro, el agujero negro supermasivo Pōwehi’ (M87*) gracias al Event Horizon Telescope (EHT). La sombra del horizonte de sucesos se encuentra dentro del anillo lentificado de radiación sincrotrón que la rodea; el anillo tiene un radio de 42 ± 3 μas y la sombra un radio máximo de unos 38 μas; no se observa el horizonte de sucesos ~ 7 μas cuyo tamaño es inferior a la resolución espacial de EHT (el anillo es muchas veces más grande que el horizonte). Se ha estimado su masa en 6500 miles de millones de masas solares (asumiendo que M87 está a 16 Mpc (53 millones de años luz) de distancia. No se ha podido determinar el espín, ni la inclinación de su disco de acreción (que a partir del famoso chorro relativista de M87) se estima en unos 17 grados, ni se ha observado el inicio de este chorro (cuyo brillo es demasiado débil en comparación con el anillo para poder ser observado).

La imagen se ha obtenido con 8 radiotelescopios situados en 6 lugares diferentes que han tomado datos durante cuatro días (5, 6, 10 y 11 de abril de 2017). Se ha observado mediante VLBI a una longitud de onda de 1.3 mm (230 GHz). La imagen está en buen acuerdo con las predicciones teóricas de las simulaciones magnetohidrodinámicas relativistas (GRMHD), una vez se aplica el filtro que simula lo que observaría EHT (vía trazado de rayos relativista, GRRT). Uno de los instrumentos está en España, el telescopio de 30 metros IRAM en el Pico Veleta. Se publicaron cinco artículos [160 páginas], así que destacaré el primero The Event Horizon Telescope Collaboration, “First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole,” The Astrophysical Journal Letters 875: L1 (10 Apr 2019) [17 pp.], doi: 10.3847/2041-8213/ab0ec7.

(3) El día que se inició la extinción de los dinosaurios: la era geológica actual se llama Cenozoico, que se inició hace unos 66 millones de años y se extiende hasta la actualidad (antes se llamaba Período Terciario, salvo sus últimos 2,5 millones de años, que se llaman Período Cuaternario). ​El análisis de muestras de rocas tomadas en el cráter Chicxulub, situado en la península de Yucatán (México), confirman las teorías sobre las consecuencias del impacto hace 65 millones de años de un meteorito en esta región. El impacto del asteroide provocó incendios forestales, desencadenó un tsunami y expulsó tanto azufre a la atmósfera que bloqueó la luz del Sol, lo que causó un enfriamiento global; se cree que estos efectos combinados acabaron con el 75% de la vida presente entonces en el planeta, incluyendo la extinción de los grandes dinosaurios (sobrevivieron los que dieron lugar a las aves actuales y los pequeños mamíferos).

El estudio ha sido liderado por el Instituto de Geofísica de la Universidad de Texas (Estados Unidos), con la participación del Centro de Astrobiología, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Las rocas extraídas de la zona central del cráter muestran evidencias firmes de que decenas de metros de rocas rellenaron el cráter en las primeras 24 horas después del impacto. Se observan fragmentos de carbón vegetal, pruebas de rocas arrastradas por el contraflujo del tsunami y una ausencia notable de azufre. Se cree que el impacto del asteroide vaporizó los minerales ricos en azufre presentes en el lugar del impacto y lo liberó a la atmósfera, que se volvió opaca a la luz solar. Esto causó profundos cambios en el clima de la Tierra, que sufrió un enfriamiento global (de unos 2.2 grados en la temperatura global durante cinco años). Este cambio climático global es el que causó la extinción masiva de especies en la Tierra, no solo de los dinosaurios. También afectó a las seres vivos marinos porque provocó una gran acidificación de los océanos. El artículo es Sean P. S. Gulick, Timothy J. Bralower, …, Axel Wittmann, “The first day of the Cenozoic,” PNAS 116: 19342-19351 (24 Sep 2019), doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1909479116.

(4) New Horizons sobrevoló Arrokoth (Ultima Thule) y observó su extraña forma: la misión New Horizons de la NASA tras sobrevolar el planeta enano doble Plutón–Caronte, se dirigió hacia un objeto del cinturón de Kuiper, llamado 2014 MU69, bautizado Ultima Thule, y rebautizado de forma oficial como Arrokoth. Este cuerpo primigenio parecía tener la forma de un muñeco de nieve (dos objetos pegados por un estrecho «cuello»), pero con un color rojizo, rotando con periodo de 16 horas e inclinado 98º respecto a su órbita (apunta hacia el Sol). Pero el análisis detallado de las imágenes mostró que era un cuerpo del cinturón de Kuiper realmente extraño… y plano. Este objeto binario de contacto de 35 kilómetros de longitud está formado por dos objetos aplanados. La parte más pequeña, parece más redonda, mientras que la más grande es mucho más plana, casi como si fuera una especie de galleta cósmica. Los únicos objetos parecidos en el sistema solar son algunas lunas pastoras de los anillos de Saturno, como Atlas, Dafne y Pan; estos pequeños satélites tienen forma de «platillo volante» o «ravioli» debido a la acumulación de material sobre el ecuador procedente de los anillos

El sobrevuelo ocurrió el 1 de enero de 2019, pero los resultados científicos se han ido publicando en varios artículos durante todo el año. New Horizons pasó a una distancia mínima de 3500 kilómetros de Arrokoth, a una velocidad de 14,4 km/s, a 6620 millones de kilómetros de la Tierra. No se descubrió ningún tipo de atmósfera, anillos o satélites; se cree que es un cuerpo primordial que ha permanecido más o menos intacto desde la formación del Sistema Solar hace 4600 millones de años. Este planetesimal primordial sería uno de los bloques de construcción del sistema solar intacto. Se desconoce por qué tiene esa forma tan plana. La superficie de ambos lóbulos presenta otras manchas blancas y regiones oscuras de naturaleza desconocida. Sus dos cuerpos son primigenios y orbitaron uno alrededor del otro antes de colisionar muy suavemente para fusionarse. Su color rojizo es debido a la presencia de tolinas (sustancias químicas complejas ricas en nitrógeno), aunque se han detectado la presencia de agua y metanol en su superficie (como era de esperar).

Se publicaron varios artículos en Science, siendo que resume las observaciones S. A. Stern, H. A. Weaver, …, T. H. Zurbuchen, “Initial results from the New Horizons exploration of 2014 MU69, a small Kuiper Belt object,” Science 364: eaaw9771 (17 May 2019), doi: https://science.sciencemag.org/content/364/6441/eaaw9771.

(5) La inteligencia artificial Pluribus, que juega al póker, venció a jugadores humanos: Pluribus tiene un nivel de juego sobrehumano en la versión más popular del póker online, Texas hold´em sin límites para seis jugadores. Desarrollado por la Universidad Carnegie Mellon (EE.UU.), en colaboración con Facebook AI, ha derrotado a seis jugadores profesionales de póker de primer nivel. Sus creadores, Noam Brown y Tuomas Sandholm usaron un sistema de aprendizaje en el que la IA jugó contra cinco copias de sí misma. Su rendimiento se considera sobrehumano en este juego multijugador tan complicado, algo que parecía casi imposible hace unos años. Pluribus venció a 13 jugadores profesionales de póker, entre los que están algunos de los mejores del mundo, en 15.000 manos. Según los jugadores, su mayor fortaleza reside en su habilidad para usar estrategias variadas. Muchos jugadores humanos tratan de hacerlo, pero la mayoría sencillamente no puede.

A diferencia de otros juegos, como el ajedrez o el go, el póker es un juego con información incompleta en el que los oponentes no saben qué cartas tiene el contrario. En el juego de Pluribus se observa una tendencia hacia los «equilibrios de Nash», estrategias cooperativas en las que ningún jugador tinee por objetivo tener el máximo beneficio, sino que el beneficio se reparta entre todos.  por cambiar su estrategia siempre y cuando la táctica del rival tampoco cambie. Esto implica que una máquina gana cuando el rival no puede mantener el equilibrio. En un juego con más de dos jugadores apostar por el equilibrio de Nash puede llevar a la derrota, por ello no resulta práctico entre humanos. La estrategia de autoaprendizaje de Pluribus le permite adquirir la habilidad de detectar cuándo es práctico usar este tipo de enfoque. El artículo es Noam Brown, Tuomas Sandholm, “Superhuman AI for multiplayer poker,” Science 365: 885-890 (30 Aug 2019), doi: https://science.sciencemag.org/content/365/6456/885; ver también Alan Blair, Abdallah Saffidine, “AI surpasses humans at six-player poker,” Science 365: 864-865 (30 Aug 2019), doi: https://doi.org/10.1126/science.aay7774.

(6) Se observa actividad biológica en cerebros de cerdo tras varias horas de su muerte: una noticia que impactó en muchos medios porque implica cuestiones éticas y jurídicas sobre la determinación del fallecimiento de humanos. Solo se ha desarrollado un nuevo sistema que mantiene activas las células del cerebro de cerdos muertos (así se consiguió mantener vivo el tejido neuronal del cerebro de 32 cerdos varias horas después de su muerte). No podemos decir que se “ha resucitado un cerebro muerto”. El equipo de investigadores de la Universidad de Yale, liderado por Nenad Sestan, publicó en la prestigiosa revista Nature su sistema bautizado como BrainEx. Se inyecta un fluido que riega el cerebro a través de los vasos sanguíneos a temperatura corporal (37º C) cuatro horas después de la muerte de los animales. Durante las siguientes seis horas, los cerebros siguen perfundidos y se registra una reducción en la muerte celular y la restauración de algunas funciones celulares, como la actividad sináptica. Sin embargo, en ningún momento hubo pruebas de ningún tipo de actividad eléctrica global durante los experimentos ni nada remotamente parecido a una actividad cerebral consciente.

Se pensaba que era imposible que el cerebro recupere su actividad celular tras el deterioro sufrido después del cese del riego sanguíneo. Se pensaba que el cerebro de los mamíferos experimentaba daños irreversibles tras un descenso rápido de los niveles de oxígeno y energía. Pero el nuevo sistema genera dudas sobre dichas opiniones, aunque aún se está muy lejos de la posibilidad de restaurar el cerebro y recuperar su funcionamiento normal. En términos clínicos, esto no se tiene un cerebro vivo, sino un cerebro con células activas. No se ha detectado actividad eléctrica organizada que se asocie con la percepción, la alerta y la conciencia. El objetivo de estos neurobiólogos es realizar experimentos sobre la fisiología del cerebro en muestras de tejido neuronal que se hayan cortado en microláminas y se mantengan activas post-mortem durante varias horas. Con el nuevo avance se podrán realizar estos experimentos ex vivo con el cerebro completo, en lugar de con láminas de apenas unas micras de grosor. Así se podrán estudiar interacciones celulares complejas y la conectividad.

La restauración de la consciencia no es el objetivo de esta investigación. Si estos experimentos pretenden reactivar la actividad eléctrica global tendrán que cumplir protocolos éticos claros y mecanismos de vigilancia institucional. El artículo es Zvonimir Vrselja, Stefano G. Daniele, …, Nenad Sestan, “Restoration of brain circulation and cellular functions hours post-mortem,” Nature 568: 336-343 (17 Apr 2019), doi: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1099-1.

(7) Una inteligencia artificial de Google (Deepmind) vence a jugadores del videojuego StarCraft II: La inteligencia artificial AlphaStar juega a StarCraft II (en este videojuego los seres humanos luchan contra alienígenas) es capaz de derrotar a jugadores profesionales y alcanzar el máximo nivel en la clasificación. Se incluye la visión del mundo “a través de una cámara” y “límites muy estrictos” en la frecuencia de las acciones, para que el juego online sea con las mismas condiciones que los jugadores humanos. AlphaStar ha alcanzado el máximo nivel posible en la clasificación, Grandmaster. Este videojuego es uno de los más complejos en el género de la estrategia en tiempo real, con gran relevancia para el mundo de los e-sports.

Más allá del mundo de los videojuegos, el algoritmo se podría adaptar para solucionar otro tipo de problemas complejos. Se basa en redes neuronales que analizan una situación de juego mediante aprendizaje automático, en lugar de con reglas específicas, y ver qué acción es mejor. En StarCraft II, existen 1026 opciones por cada ‘movimiento’ y miles de movimientos por juego. El programa todavía no está por encima de ‘todos’ los profesionales. El artículo se publicó en Nature como Oriol Vinyals, Igor Babuschkin, …, David Silver, “Grandmaster level in StarCraft II using multi-agent reinforcement learning,” Nature 575: 350-354 (30 Oct 2019), doi: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1724-z.

(8) Se trasplantan núcleos de células de mamut de hace 28.000 años en ovocitos de ratón: Se han trasplantado núcleos celulares de restos de un mamut de hace veintiocho mil años en ovocitos de ratón. El objetivo futuro será devolver la vida a este animal extinto. Las células resultantes mostraban actividad biológica, aunque en ningún caso llegaron a dividirse por completo, posiblemente debido al daño en el ADN acumulado a lo largo de los años. Se usaron células de Yuka, una cría de mamut lanudo (Mammuthus primigenius) que falleció hace unos veintiocho mil años; en 2010 se encontraron sus restos bastante bien conservados en el permafrost siberiano. Científicos de la Universidad Kindai, en Japón, trasplantaron núcleos de células musculares de los restos de Yuka en ovocitos de ratón; los resultados se publicaron en Scientific Reports confirmando que de las veinticuatro células resultantes, en veintiuno de ellas las proteínas que forman los cromosomas se reunían en torno al núcleo. Y, por si fuera poco, en cinco de estas células se presentaban indicios del comienzo de una típica división celular, aunque el proceso no se completó en ninguna.

El daño significativo del ADN del mamut impide ir más lejos. Si se hallasen células de mamut mejor conservadas, el proceso de división celular podría tener lugar. La idea es avanzar por este camino para que, en un futuro, en vez de ovocitos de ratón se empleen ovocitos de elefante y, con el núcleo celular de mamut trasplantado, inyectarlos en una elefanta para que pueda dar a luz a un mamut. Por ahora solo una quimera. El artículo es Kazuo Yamagata, Kouhei Nagai, …, Akira Iritani, “Signs of biological activities of 28,000-year-old mammoth nuclei in mouse oocytes visualized by live-cell imaging,” Scientific Reports 9: 4050 (11 Mar 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-40546-1.

(9) … hay muchos más artículos relevantes en el año 2019, pero el tiempo limitado del podcast impide ir más allá.



2 Comentarios

  1. Me ha sorprendido mucho ver el artículo de Pluribus en esta lista. En parte porque no esperaba ver un artículo que conociese de otra fuente que no fuera este blog o Coffee Break, y en parte porque no pensaba que esta investigación fuera de gran relevancia. Personalmente, el desarrollo de IA en póker es un tema que me gusta mucho y del que he leído gran parte de las publicaciones de Carnegie Mellon y University of Alberta.

    Muchos tenían dudas de que se fuera a conseguir nivel sobrehumano en póker de 6 jugadores con las técnicas con las que ya se demostró en el juego 1 contra 1, pero creo que era evidente que solo era una cuestión de plantear el problema adecuadamente. No tengo claro que este paper suponga un gran avance desde Libratus o incluso Claudico. Puede ser que mi opinión esté sesgada porque me gustan más las soluciones que buscan IA con redes neuronales.

    Por otra parte, tengo entendido que el equilibrio de Nash es un concepto que solo aplica a juegos no-cooperativos. Los jugadores no cooperan para “repartirse el beneficio” sino que se ciñen a una estrategia que garantiza la menor perdida posible de valor independientemente de la estrategia del rival.

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