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Vínculo descubierto entre la fotosíntesis y el «quinto estado de la materia»

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Vínculo descubierto entre la fotosíntesis y el «quinto estado de la materia»

Un estudio de la Universidad de Chicago ha encontrado conexiones a nivel atómico entre la fotosíntesis y los condensados ​​de excitones, un extraño estado físico que permite que la energía fluya sin fricción a través de un material. El hallazgo es científicamente intrigante y puede sugerir nuevas formas de pensar sobre el diseño electrónico, dijeron los autores.

photosynthesis and exciton condensates, a state of physics that allows energy to flow without friction. This surprising finding, typically associated with materials well below room temperature, may inform future electronic design and help unravel complex atomic interactions.

Inside a lab, scientists marvel at a strange state that forms when they cool down atoms to nearly absolute zero. Outside their window, trees gather sunlight and turn them into new leaves. The two seem unrelated—but a new study from the University of Chicago suggests that these processes aren’t so different as they might appear on the surface.

The study, published in PRX Energy on April 28, found links at the atomic level between photosynthesis and exciton condensates—a strange state of physics that allows energy to flow frictionlessly through a material. The finding is scientifically intriguing and may suggest new ways to think about designing electronics, the authors said.

“As far as we know, these areas have never been connected before, so we found this very compelling and exciting,” said study co-author Prof. David Mazziotti.

Mazziotti’s lab specializes in modelling the complicated interactions of atoms and molecules as they display interesting properties. There’s no way to see these interactions with the naked eye, so computer modeling can give scientists a window into why the behavior happens—and can also provide a foundation for designing future technology.

In particular, Mazziotti and study co-authors Anna Schouten and LeeAnn Sager-Smith have been modelling what happens at the molecular level when photosynthesis occurs.

When a photon from the sun strikes a leaf, it sparks a change in a specially designed molecule. The energy knocks loose an electron. The electron, and the “hole” where it once was, can now travel around the leaf, carrying the energy of the sun to another area where it triggers a chemical reaction to make sugars for the plant.

Together, that traveling electron-and-hole-pair is referred to as an “exciton.” When the team took a birds-eye view and modeled how multiple excitons move around, they noticed something odd. They saw patterns in the paths of the excitons that looked remarkably familiar.

In fact, it looked very much like the behavior in a material that is known as a Bose-Einstein condensate, sometimes known as ‘the fifth state of matter.’ In this material, excitons can link up into the same quantum state—kind of like a set of bells all ringing perfectly in tune. This allows energy to move around the material with zero friction. (These sorts of strange behaviors intrigue scientists because they can be the seeds for remarkable technology—for example, a similar state called superconductivity is the basis for MRI machines).

They saw patterns in the paths of the excitons that looked remarkably familiar.

According to the models created by Schouten, Sager-Smith and Mazziotti, the excitons in a leaf can sometimes link up in ways similar to exciton condensate behavior.

This was a huge surprise. Exciton condensates have only been seen when the material is cooled down significantly below room temperature. It’d be kind of like seeing ice cubes forming in a cup of hot coffee.

“Photosynthetic light harvesting is taking place in a system that is at room temperature and what’s more, its structure is disordered—very unlike the pristine crystallized materials and cold temperatures that you use to make exciton condensates,” explained Schouten.

This effect isn’t total—it’s more akin to “islands” of condensates forming, the scientists said. “But that’s still enough to enhance energy transfer in the system,” said Sager-Smith. In fact, their models suggest it can as much as double the efficiency. 

This opens up some new possibilities for generating synthetic materials for future technology, Mazziotti said. “A perfect ideal exciton condensate is sensitive and requires a lot of special conditions, but for realistic applications, it’s exciting to see something that boosts efficiency but can happen in ambient conditions.”

Mazziotti said the finding also plays into a broader approach his team has been exploring for a decade.

The interactions between atoms and molecules in processes like photosynthesis are incredibly complex—difficult even for a supercomputer to handle—so scientists have traditionally had to simplify their models in order to get a handle on them. But Mazziotti thinks some parts need to be left in: “We think local correlation of electrons are essential to capturing how nature actually works.”

The study was partially supported by the National Science Foundation’s QuBBE Quantum Leap Challenge Institute.

Reference: “Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting” by Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith and David A. Mazziotti, 28 April 2023, PRX Energy.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002

Funding: U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy.

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

El observatorio solar espacial STEREO-A de la NASA está monitoreando de cerca el «cometa del diablo» 12P/Pons-Brooks mientras se prepara para realizar su máxima aproximación al sol, conocida como perihelio, el 21 de abril.

En esta secuencia, el cometa pasa cerca de Júpiter desde la perspectiva del observatorio, justo cuando se lanza al espacio una eyección de masa coronal (CME), una gran expulsión de plasma y campo magnético del Sol.

Las CME se forman de la misma manera que las erupciones solares: son el resultado de la torsión y realineación del campo magnético del sol, conocido como reconexión magnética. Cuando estas líneas de campo magnético se “enredan”, producen fuertes campos magnéticos localizados que pueden atravesar la superficie del Sol y liberar CME.

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Una animación que muestra el cometa 12P/Pons-Brooks brillando intensamente cerca de Júpiter cuando una gran CME es liberada del Sol el 12 de abril de 2024. (Crédito de la imagen: NASA STEREO/Edición de Steve Spaleta)
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Hallazgos notables: una nueva investigación revela que la médula espinal puede aprender y recordar

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Hallazgos notables: una nueva investigación revela que la médula espinal puede aprender y recordar

Una nueva investigación demuestra que la médula espinal puede aprender y recordar movimientos de forma independiente, desafiando las opiniones tradicionales sobre su función y mejorando potencialmente las estrategias de rehabilitación para pacientes con lesiones de la médula espinal.

Una nueva investigación revela que las neuronas de la médula espinal poseen la capacidad de aprender y retener información independientemente del cerebro.

La médula espinal se describe a menudo como un canal simple para transmitir señales entre el cerebro y el cuerpo. Sin embargo, la médula espinal puede aprender y memorizar movimientos por sí sola.

Un equipo de investigadores de Neuro-Electronics Research Flanders (NERF), con sede en Lovaina, detalla cómo dos poblaciones neuronales diferentes permiten que la médula espinal se adapte y recuerde conductas aprendidas de una manera completamente independiente del cerebro. Estos notables descubrimientos, publicados en la revista Ciencia, arrojan nueva luz sobre cómo los circuitos espinales podrían contribuir al control y la automatización del movimiento. Este conocimiento podría resultar relevante para la rehabilitación de personas con lesiones de columna.

La asombrosa plasticidad de la médula espinal

La médula espinal modula y refina nuestras acciones y movimientos integrando diferentes fuentes de información sensorial, sin intervención del cerebro. Además, las células nerviosas de la médula espinal pueden aprender a ajustar diversas tareas de forma autónoma, con suficiente práctica repetitiva. Sin embargo, la forma en que la médula espinal logra esta notable plasticidad ha intrigado a los neurocientíficos durante décadas.

Uno de estos neurocientíficos es la profesora Aya Takeoka. Su equipo en Neuro-Electronics Research Flanders (NERF, un instituto de investigación apoyado por IMEC, KU Leuven y VIB) estudia cómo la médula espinal se recupera de las lesiones explorando cómo se conectan las conexiones nerviosas, cómo funcionan y cambian cuando aprendemos. nuevos movimientos.

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«Aunque tenemos evidencia de 'aprendizaje' dentro de la médula espinal a partir de experimentos que se remontan a principios del siglo XX, la pregunta de qué neuronas están involucradas y cómo codifican esta experiencia de aprendizaje sigue sin respuesta», explica el profesor Takeoka. .

Parte del problema es la dificultad de medir directamente la actividad de neuronas individuales en la médula espinal en animales que no están sedados pero que están despiertos y en movimiento. El equipo de Takeoka aprovechó un modelo en el que los animales entrenan movimientos específicos en cuestión de minutos. Al hacerlo, el equipo descubrió un mecanismo específico del tipo de célula para el aprendizaje de la médula espinal.

Dos tipos de células neuronales específicas

Para comprobar cómo aprende la médula espinal, el estudiante de doctorado Simon Lavaud y sus colegas del laboratorio Takeoka construyeron un dispositivo experimental para medir los cambios de movimiento en ratones, inspirado en métodos utilizados en estudios con insectos. «Evaluamos la contribución de seis poblaciones neuronales diferentes e identificamos dos grupos de neuronas, una dorsal y otra ventral, que median el aprendizaje motor».

«Estos dos conjuntos de neuronas se turnan», explica Lavaud. «Las neuronas dorsales ayudan a la médula espinal a aprender un nuevo movimiento, mientras que las neuronas ventrales la ayudan a recordar y realizar el movimiento más tarde».

“Podemos compararlo con una carrera de relevos dentro de la médula espinal. Las neuronas dorsales actúan como las primeras corredoras, transmitiendo información sensorial esencial para el aprendizaje. Luego, las células ventrales toman el control, asegurando que el movimiento aprendido se recuerde y se ejecute sin problemas.

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Aprendizaje y memoria fuera del cerebro

Los resultados detallados, publicados en Ciencia, ilustran que la actividad neuronal en la médula espinal se asemeja a varios tipos clásicos de aprendizaje y memoria. Será crucial comprender mejor estos mecanismos de aprendizaje, ya que probablemente contribuyan a diferentes formas de aprender y automatizar el movimiento, y también podrían ser relevantes en el contexto de la rehabilitación, explica la profesora Aya Takeoka: «Los circuitos que hemos descrito podrían proporcionar la significa que la médula espinal contribuya al aprendizaje del movimiento y a la memoria motora a largo plazo, los cuales nos ayudan a movernos, no solo con buena salud, sino especialmente durante la recuperación de una lesión en el cerebro o la médula espinal.

Referencia: “Dos clases neuronales inhibidoras gobiernan la adquisición y recuperación de la adaptación sensoriomotora espinal” por Simon Lavaud, Charlotte Bichara, Mattia D'Andola, Shu-Hao Yeh y Aya Takeoka, 11 de abril de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adf6801

La investigación (equipo) fue apoyada por la Fundación de Investigación de Flandes (FWO), Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA), una beca de doctorado Taiwan-KU Leuven (P1040) y la Fundación de Investigación de la Médula Espinal Wings for Life.

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En medio de la incertidumbre sobre el cronograma, Boeing despedirá personal en el programa de cohetes SLS

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En medio de la incertidumbre sobre el cronograma, Boeing despedirá personal en el programa de cohetes SLS
Agrandar / El cohete SLS se ve en su plataforma de lanzamiento en el Centro Espacial Kennedy en agosto de 2022.

Trevor Mahlmann

El jueves, altos funcionarios de Boeing que lideran el programa del Sistema de Lanzamiento Espacial, incluidos David Dutcher y Steve Snell, convocaron una reunión general para los más de 1.000 empleados que trabajan en el cohete.

Los funcionarios anunciaron que habría un número significativo de despidos y reasignaciones de personas que trabajan en el programa, según dos personas familiarizadas con la reunión. Ofrecieron varias razones para las reducciones, incluido el hecho de que los plazos para las misiones lunares Artemis de la NASA que utilizarán el cohete SLS se están desplazando hacia la derecha.

Más tarde el jueves, en un comunicado proporcionado a Ars, un portavoz de Boeing confirmó los recortes de Ars: «Debido a factores externos no relacionados con el desempeño de nuestro programa, Boeing está revisando y ajustando los niveles actuales de dotación del programa del Sistema de Lanzamiento Espacial».

¿Más vale tarde que nunca?

Durante casi una década y media, Boeing ha liderado el desarrollo de la etapa central del enorme cohete SLS que la NASA pretende utilizar para lanzar la nave espacial Orion para sus misiones tripuladas a la Luna.

El contrato ha sido lucrativo para Boeing y ha enfrentado críticas generalizadas a lo largo de los años por su generosidad, ya que la NASA gastó decenas de miles de millones de dólares en el desarrollo de un cohete que reutiliza los motores principales y otros componentes del transbordador espacial. Además, originalmente se suponía que el cohete debutaría a fines de 2016 o 2017, pero en realidad no voló por primera vez hasta noviembre de 2022. Y el inspector general de la NASA a veces ha calificado el manejo del programa por parte de Boeing como un cohete SLS “malo”. «.

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Sin embargo, cuando el cohete SLS debutó hace un año y medio, funcionó excepcionalmente bien al impulsar una nave espacial Orion sin tripulación a la Luna. Tras esta misión, la NASA declaró «operativo» el cohete y Boeing inició la producción del vehículo para futuras misiones que llevarán astronautas a la Luna.

Entonces, en cierto sentido, estas reducciones eran inevitables. Boeing necesitaba muchos recursos para diseñar, desarrollar, probar y escribir software para el cohete. Ahora que la fase de desarrollo ha terminado, es natural que la empresa reduzca sus actividades de desarrollo para la fase principal.

La declaración de Boeing no lo dice, pero las fuentes le dijeron a Ars que los recortes de empleo podrían eventualmente llegar a cientos de empleados. Se distribuirán principalmente en las instalaciones de cohetes de la compañía en Alabama, Luisiana y Florida. Las reducciones afectarán tanto al programa de la etapa central como al programa de exploración Upper Stage, una nueva etapa superior del cohete que también está comenzando a pasar del desarrollo a la producción.

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Cuando Boeing cita «factores externos», se refiere a los diferentes cronogramas del programa Artemis de la NASA. En enero, funcionarios de la agencia espacial anunciaron retrasos de aproximadamente un año para la misión Artemis II, un sobrevuelo lunar tripulado, hasta septiembre de 2025; y Artemis III, un alunizaje, hasta septiembre de 2026. Ninguno de estos cronogramas tampoco está escrito en piedra. Es posible que se produzcan retrasos adicionales para Artemis II, y probablemente para Artemis III, si la NASA se apega a los planes de misión actuales.

Aunque el cohete SLS estará listo según el calendario actual, salvo que se produzca una catástrofe, otros elementos son inciertos. Para Artemis II, la NASA aún no ha resuelto un problema con el escudo térmico de la nave espacial Orion. Este problema debe resolverse antes de que la misión obtenga luz verde para continuar el próximo año.

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Los desafíos son aún mayores para Artemis III. Para esta misión, la NASA necesita un módulo de aterrizaje lunar, proporcionado por SpaceX con su vehículo Starship, además de trajes espaciales para la superficie lunar proporcionados por Axiom Space. Ambos permanecen firmemente en la fase de desarrollo.

Además, la NASA está luchando con desafíos presupuestarios. Por primera vez en más de una década, la agencia enfrenta recortes presupuestarios. Esta semana, el administrador de la agencia espacial, Bill Nelson, dijo al Congreso: «Con menos dinero, tenemos que tomar decisiones muy difíciles». Entre ellos, se podría intentar utilizar la financiación futura de SLS para consolidar otros elementos de Artemis.

Una de las personas cercanas a la reunión interna de Boeing del jueves dijo que la agencia espacial visitó a la compañía a principios de este año y dijo que, de hecho, Boeing recibiría menos financiación a medida que finalizara el desarrollo del SLS. A la empresa se le dio la opción de “ampliar” la financiación que recibiría o hacer una pausa de un año debido a retrasos en la misión Artemisa. Boeing optó por aumentar sus fondos, lo que fue la causa de las reducciones de esta semana.

Sería fácil, pero injusto, culpar a SpaceX y Axiom por los retrasos en futuras misiones Artemis. El Congreso creó el cohete SLS con un proyecto de ley de autorización en 2010, pero Boeing en realidad había recibido financiación para trabajos relacionados. que data de 2007. Por el contrario, la NASA no comenzó a financiar el trabajo en el módulo de aterrizaje lunar Starship hasta finales de 2021, y los trajes espaciales Axiom antes de 2022. En cierto sentido, estos desarrollos son tan exigentes técnicamente como el trabajo en el cohete SLS, si no, más.

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