Diseño de Carlos Miranda (RSEQ)
Si has entrado porque piensas que voy a fomentar el miedo a la química, te has equivocado. Yo soy puramente químico, como tú, como todo.
De lo que voy a tratar aquí es de un campo no muy conocido de la investigación en química. Un campo teórico llamado, química artificial.
Este es un tema de investigación que se originó en el seno de los estudios de relativos a la vida artificial cuyo campo de aplicación abarca temas tales como:
- Origen de la vida
- Estructura y evolución de rutas metabólicas.
- Aparición de estructuras autoorganizadas.
- Computación química.
Esta rama de la química se nutre de ideas que provienen de la matemática y no es más que el intento de entender desde un punto de vista abstracto el funcionamiento de un sistema químico dado un conjunto de moléculas y unas reacciones químicas permitidas. Es una idealización y una simplificación de la química real que nos permite capturar las características más básicas de la química.
El objetivo de esta entrada es la de dar a conocer este campo de investigación y la de presentar brevemente su fundamento y sus aplicaciones. Espero que os interese el tema tanto como a mí.
¿Qué es una química artificial?
La química artificial es justamente eso, una química que nos inventamos. La química artificial es un hermoso juego donde el objetivo es estudiar, dado un conjunto de moléculas y reacciones permitidas, la dinámica del sistema diseñado. En este universo de juguete definido en el juego podemos estudiar la aparición de estructuras estables, la transición de una química prebiótica a una química biológica, la aparición de moléculas autorreplicantes, la emergencia y optimización de rutas complejas de reacciones que podemos llamar metabolismo.
La definición de la química artificial, como vamos a ver en breve, es muy simple pero su aplicación es múltiple y variada. Con la química artificial nos podemos enfrentar a una plétora de problemas de mucho interés teórico y práctico como por ejemplo:
- Modelización de sistemas complejos con alto grado de interactividad.
- Estudio de procesos de flujos y almacenamiento de información.
- Problemas de optimización, es decir, problemas que buscan la mejor solución de un problema bajo unas condiciones dadas.
En este campo de investigación se hace uso masivo de bonitas técnicas matemáticas como el estudio de los sistemas estocásticos (aleatorios), combinatoria, topología, teoría de grafos, etc.
Definiendo una química artificial
Para definir una química artificial necesitamos tres ingredientes:
- Un conjunto
de elementos que llamaremos moléculas. Es decir, en
- Un conjunto
de elementos que llamaremos reacciones. Estas reacciones nos indicarán la forma en la que podemos transformar los elementos de
- Un conjunto
de elementos que llamaremos algoritmos. Estos algoritmos nos indican cómo y bajo qué circunstancias podemos emplear un elemento de
Así pues, definir una química artificial no es más que dar la información 
Como esto está quedando muy abstracto para mi gusto, vamos a ir con un ejemplo para ver como funciona todo esto. Luego dejaré referencias por si queréis profundizar en el tema.
La química de Hutton
Esta química, que ha sido definida en los trabajos del Dr. Tim J. Hutton, es muy simple. Vamos a describirla brevemente y luego veremos como funciona en todo su esplendor:
- Tenemos un conjunto de moléculas
. Eso es todo lo que hay. En esta química estas moléculas son las unidades más básicas que no pueden ser expresadas como combinación de otras, por lo tanto se le da el nombre de átomos.
- Además de especificar el átomo con el que estamos trabajando tenemos que especificar su estado. Los estados vienen dados por números naturales,
.
Así pues distinguiremos entre situaciones como 
- Nuestro universo será una malla bidimensional y rectangular. Los átomos se sitúan en los vértices de la malla y se pueden mover por ella de vértice en vértice. El tiempo en este universo pasa en saltos discretos.
- Ahora solo tenemos que especificar las reacciones permitidas en este sistema. Dichas reacciones vienen dadas en la siguiente tabla:
¿Qué significa esto? Jugemos un poco con la primera reacción:
Lo que nos indica esta reacción es que tenemos dos átomo de tipo
Los átomos reaccionarán cuando estén adjacentes en la red, dos vértices consecutivos, y lo harán de tal forma que se quedarán como átomos de tipo
¿A que está chulo?
Hay que aclarar que en esta química la cosa está simplificada al máximo. En realidad no se forman moléculas unidas por enlaces. Los átomos interactúan cambiando de clase y de estado, pero no forman paquetes ligados, el análogo a las moléculas químicas reales. Eso quiere decir que un átomo de tipo 
Por otro lado las reacciones del tipo:
nos indican que dados dos átomos adyacentes de cualquier tipo pero en los estados 4 y 1 la reacción hará que cambien sus estados del 4 al 2 y del 1 al 5.
Así pues, las reacciones que tienen las letras 
¿Y todo esto qué nos enseña?
A primera vista esto puede parecer un juego muy básico, entretenido pero poco instructivo. Si ese es tu sentimiento mira el siguiente vídeo y luego hablamos. El vídeo es una simulación por ordenador de reacciones siguiendo la química de Hutton partiendo de una configuración inicial de este tipo:
¡Sííííííííí! En esta química tan simple se dan procesos de confinamiento de estructuras y de replicación de las mismas. El problema es que los requerimientos computacionales son muy altos para intentar simular químicas cada vez más complejas. Pero hasta la fecha este es el único ejemplo conocido de una química artificial mínima que permite autorreplicación. El interés para los teóricos del origen de la vida es más que evidente.
Sin duda este es un campo del que vamos a poder aprender muchísimas cosas. Espero haber picado vuestra curiosidad al respecto. Creo que este desconocido campo es una buena elección para la investigación, es un campo joven y con muchas aplicaciones. Para más información os remito a las referencias.
Referencias para empezar a andar
RBN-World. Sub-symbolic Artificial Chemistry for Artificial Life — Tesis Doctoral de Adam S. Faulconbridge (2011).
Artificial Chemistries – A Review de Peter Dittrich, Jens Ziegler, and Wolfgang Banzhaf (2011)
Evolvable Self-Replicating Molecules in an Artificial Chemistry – Tim J. Hutton. El trabajo en el que he basado la entrada.
Para que juguéis a diseñar vuestra química. Diseñad vuestro propio universo químico:
http://organicbuilder.sourceforge.net/
Nos seguimos leyendo…
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Fuente
Cuentos Cuánticos / facebook.com
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