viernes, 16 de octubre de 2015

Autómatas celulares - El juego de la vida


En la actualidad los autómatas celulares tienen múltiples aplicaciones en investigación, estos pueden ser usados para simular sistemas en donde el comportamiento de los mismos este determinado por la interacción de sus propios componentes. De modo, que los autómatas celulares han podido ser usados para la modelar, la reproducción de células cancerosas, la propagación de incendios, el crecimiento de cristales o el comportamiento de colonias de microorganismos entre otros.

Supongo que ahora te estarás preguntando ¿Qué es un autómata celular? pues bien, un autómata celular es un sistema constituido por un conjunto de celdas, dispuestas en una malla d-dimensional. Estas celdas poseen un estado que viene determinado o bien por un número finito de valores {v1,…,vn} o bien por un valor continuo cualquiera”1. Además, estos sistemas tienen una vecindad definida para cada celda y una función de evolución, que determina el estado de cada celda en un instante (t+1), en función del estado de las celdas vecinas en el instante anterior (t). Esta descripción, algo abstracta, puede hacerte pensar que los autómatas celulares son algo muy complejo, pero en realidad no lo son tanto. Continuemos con un ejemplo.

El tipo de autómata que vamos a utilizar es el que se desarrolla sobre una malla 2-dimensional, en este tipo de autómatas, las celdas o células están dispuestas sobre un plano cartesiano. Existen dos tipos de vecindades estándar, que pueden implementarse en los autómatas 2-dimensionales,  la vecindad de Von Neumann, que implica que sobre una celda (Xti,j), solo pueden influir las celdas que estén encima, debajo o en alguno de sus dos lados ( Xti-1,j, Xti+1,j, Xti,j+1, Xti,j-1).
Imagen 1.- Relación de celdas que intervienen en la vecindad de Neumann.

Y la vecindad de Moore en la que además se incluyen las 4 celdas vecinas diagonales, es decir, sobre una celda (Xti,j), puede influir el estado de sus 8 celdas vecinas  (Xti-1,j, Xti+1,j, Xti,j+1, Xti,j-1, Xti-1,j-1, Xti+1,j-1, Xti+1,j+1, Xti-1,j+1).

Imagen 2.- Relación de celdas que intervienen en la vecindad de Moore.

Como habrás podido apreciar, las celdas que estoy utilizando para esta explicación tienen forma cuadrada, no obstante, también podrían ser, por ejemplo, triangulares o hexagonales, lo que obligaría a definir de otra forma las vecindades.

Un autómata de 2 dimensiones muy conocido, es el Juego de la Vida, de J.H.Conway. La divulgación de este autómata en la revista “Scientific American” por parte de Martin Gardner fue lo que despertó el interés sobre este tipo de autómatas. ¡Un momento!, ¿el juego de la vida?, suena interesante ¿no?, veamos como funciona.

El Juego de la Vida, utiliza la vecindad de Moore, y las celdas pueden encontrarse en dos estados, vivo o muerto, que en este caso estarán representados por los números 1 y 0 respectivamente. La regla de evolución consta de las siguiente normas.
  • Si una celda está vacía (muerta) en el instante t y en ese mismo instante tiene 3 celdas vecinas ocupadas (vivas), entonces dicha celda estará ocupada en el instante t+1.
  • Si una celda está viva en el instante t y 2 o 3 de sus celdas vecinas están vivas (ocupadas) dicha celda continuará viva en el instante t+1. Si el número de celdas vecinas vivas es menor la celda en cuestión morirá por aislamiento o soledad, y si el número “vecinas” vivas es mayor la celda morirá por superpoblación. 
La regla se puede representar de la siguiente forma:

Imagen 3.- Representación matemática de la regla (2,3,3,3).

A esta regla se la conoce como la regla (2,3,3,3). El significado de los cuatros dígitos que se mencionan es el siguiente: el primer número, hace referencia al número mínimo de células vecinas que ha de tener una célula para viva para que no se muera. El segundo número es el número máximo de células vecinas vivas que puede tener una célula viva para no morir. El tercero es el número mínimo de células vecinas vivas que son necesarias para recobrar la vida. El cuarto, representa el número máximo de células vecinas vivas que puede tener una célula para recobrar la vida.

Para finalizar con el ejemplo, os dejo con esta aplicación del juego de la vida que he preparado para que podáis ver como funciona este autómata.

Un saludo y hasta la próxima.

NOTA: Si tu navegador es Firefox o Explorer puede que la simulación no funcione del todo bien, con Chrome y Opera el simulador se ejecuta correctamente.

INSTRUCCIONES

Usa el ratón para elegir una celda y colocar una célula viva (color verde) sobre la misma pulsando el botón izquierdo, también puedes mantener pulsado el botón izquierdo mientras arrastras el puntero del ratón sobre la retícula para colocar células vivas más rápido. Para borrar células puedes hacerlo utilizando el botón derecho.

También puede usar los botones del apartado “Rellenar cuadrícula”, para utilizar alguna de las configuraciones de relleno predefinidas, o bien utilizar el rellenado aleatorio.

Las funciones de los botones del apartado “Controles” son las siguientes:
  • Siguiente: sirve para que el algoritmo que controla la simulación, realice una única iteración por la matriz de datos, es decir, hace que la simulación transcurra desde el instante t, al instante t+1, que en este caso equivale a una generación.
  • Iniciar: inicia la simulación, también la reinicia cuando está parada. 
  • Parar: pone en pausa la simulación. 
  • Limpiar: Elimina todas las células vivas de la retícula y reinicia los contadores.
Juego de la Vida


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FUENTES CONSULTADAS


LOPEZ HERRERA, Melany Shirley. "Autómatas celulares bidimensionales". RITS, La Paz, n. 4, mayo 2010. Disponible en Internet: http://www.revistasbolivianas.org.bo/scielo.php?pid=S1997-40442010000100002&script=sci_arttext

SERRANO MAESTRO, Mar; GARCÍA SANZ, Javier. "Apuntes de Modelización y Simulación de Sistemas Ambientales". Material didáctico ofrecido en el curso virtual de la asignatura "Modelización y Simulación de Sistemas Ambientales" de 4º Grado en Ciencias Ambientales de la UNED. Curso 2013/2014

1GRACIÁN, Enrique. "El juego de la vida". Disponible en Internet: http://www.enriquegracian.com/articulos/el-juego-de-la-vida

sábado, 4 de octubre de 2014

¡Que paren el mundo que me quiero bajar!

Nunca fui el tipo de persona que se preocupaba por los asuntos de política (craso error por mi parte dicho sea de paso) era un tema que me aburría hasta la saciedad, bueno, tampoco es que ahora me divierta precisamente, pero de un tiempo a esta parte, tal vez sea porque la edad me ha otorgado un poco más de sentido común (pero sólo un poco), o tal vez porque hoy en día gracias a las redes sociales es relativamente fácil mantenerse mínimamente informado o simplemente porque tengo más tiempo... libre… no, eso último no, estudio en la UNED, algunos ya sabéis a lo que me refiero ;-) intento estar un poco más al día de lo que acontece a mi alrededor a ese respecto,  aunque cada vez que leo algunas noticias desearía no haberlo hecho, ya que me hacen sentir impotente ante la situación e incluso insultado, la verdad es que no encuentro palabras para describir lo que pienso en algunas ocasiones, o al menos palabras que se puedan utilizar aquí y ahora. Hoy solo quiero compartir con vosotros una de esas noticias, ya que me resulta especialmente chocante y enervante; pasen y lean señoras y señores “Castor recibe una indemnización de 1.350 millones que pagarán los consumidores”.

miércoles, 1 de octubre de 2014

El pájaro y las bacterias

Hola amigos, hoy toca hablar del, siempre maravilloso y no menos sorprendente, reino animal, más en concreto de la abubilla (Upupa epops, Linnaeus) porque según un experimento, publicado en la revista Journal of Animal Ecology, realizado por científicos de la Universidad de Granada y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), se ha descubierto que estas aves recubren sus huevos con una grasa que ellas mismas segregan, cargada de bacterias mutualistas, y que es retenida por una estructura especializada de la cáscara, aumentando así el éxito de eclosión.

Autor de la imagen Joaquim Coelho

La asociación mutualista con bacterias es ya conocida en otras especies como las hormigas cultivadoras de hongos, los camarones, las langostas, los calamares, las avispas, o las salamandras. Sin embargo, hasta la fecha, la abubilla es la única especie de ave conocida que presenta este comportamiento para proteger sus huevos de infecciones por patógenos.

Para realizar este experimento, se impidió que un grupo de hembras de abubilla secretara sobre sus huevos esta sustancia, la cual es cultivada por ellas mismas en el interior de una glándula denominada uropigial. Así los investigadores pudieron observar.

  • Que en los nidos donde se impidió a las hembras secretar esta sustancia sobre los huevos, existía un número mayor de bacterias patógenas en los huevos no eclosionados, que en los no eclosionados en los nidos donde sí se permitió el uso de esta secreción. De lo que se puede deducir que la sustancia dificulta la entrada de patógenos al interior del huevo.
  • Que no sólo la secreción en sí misma, sino más en concreto las bacterias que se comprobó que producen bacteriocinas, los enterococos, son beneficiosas para los embriones en desarrollo, y que la cantidad de enterococos presente en las cascaras de los huevos y en las secreciones de las hembras, está directamente relacionada con el éxito de eclosión.

video
Hembra de abubilla usando la secreción uropigial para acicalarse las plumas.

Gracias a este trabajo, también se ha descubierto que los huevos de las abubillas poseen múltiples cavidades diminutas, que no llegan a atravesar la cascara totalmente, lo cual es un rasgo único (ya que hasta el momento no se ha encontrado en otra especie de ave), y aparentemente tienen la finalidad de retener la secreción bacteriana recubriendo el huevo.

Actualmente, los científicos granadinos siguen trabajando para determinar en su totalidad la composición de la comunidad bacteriana que habita dentro de la glándula uropigial de las abubilllas, el modo de adquisición de estos simbiontes y el tipo de compuestos antimicrobianos capacitados para proteger a los embriones en desarrollo que son sintetizados por estas bacterias.

Los avances en esta línea permitirán una mayor comprensión del modo en el que funcionan las interacciones mutualistas entre animales y bacterias, y también podrían tener utilidad en medicina o en la conservación de alimentos, ya que se podrían detectar nuevas sustancias antimicrobianas.


Fuentes consultadas


domingo, 14 de septiembre de 2014

La capa de ozono muestra indicios de recuperación

Hola a todos, hoy traigo lo que en principio parecen ser buenas noticias, la capa de ozono que protege la vida de los cancerígenos rayos ultravioletas (UV) procedentes del sol está mostrando su primer signo de engrosamiento después de años de agotamiento. Esto es lo que concluye la ‘Evaluación científica del agotamiento del ozono de 2014’, un estudio realizado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y la Organización Meteorológica Mundial (OMM).

No obstante, aunque las emisiones de las sustancias que producen el agujero de ozono antártico han cesado, este se seguirá produciendo cada primavera, ya que estas sustancias aún persisten en la atmósfera y se espera que el fenómeno continúe ocurriendo durante la mayor parte de este siglo.
"Creemos que en el año 2025 más o menos vamos a ser capaces de decir con certeza que el agujero de ozono se está reduciendo", Geir Braathen, científico principal de la OMM.



El informe indica que sin el Protocolo de Montreal y otros acuerdos asociados, las concentraciones de sustancias presentes en la atmósfera que merman la capa de ozono se multiplicarían por diez en 2050.
“El acuerdo también ayudaría a evitar daños a la vida silvestre, la agricultura, los ojos humanos y el sistema inmunológico”.
Y para concluir me quedo con estas palabras del Secretario General de la OMM, Michael Jarraud: 
"La acción internacional en la capa de ozono es el mayor éxito medioambiental de la historia... Esto debería animarnos a mostrar el mismo nivel de urgencia y unidad para hacer frente a un reto aún mayor el de la lucha contra el cambio climático".


Fuentes consultadas


domingo, 16 de febrero de 2014

Pesticidas en el Júcar Amenazan su Biodiversidad

Breve introducción sobre la situación del Júcar


El río Júcar posee una longitud de casi 500 km y contribuye a la Albufera, una importante área de humedales protegidos en la Comunitat de València. Los recursos hídricos superficiales están regulados por 27 presas con un potencial de almacenamiento de 2.600 hm3 y distribuido a través una amplia red de canales. En la gestión del sistema intervienen muchos usuarios y existe una considerable variabilidad hidrológica, por lo que es muy compleja. La excesiva extracción de aguas subterráneas ha provocado un desequilibrio en el sistema hidrológico. En el curso medio y bajo de la cuenca aparecen problemas de calidad de agua. Existe un intenso uso tanto de los recursos hídricos superficiales como de las aguas subterráneas, principalmente debido a las actividades agrícolas, que junto con la industria elevan los niveles de contaminación afectando a la calidad del agua. Durante los últimos 10 años la cantidad media anual de agua ha disminuido a 2.700 hm3, causando como consecuencia, escasez de agua y la salinización de la desembocadura del río. Actualmente el caudal se ha minimizado tanto que con cierta frecuencia el río no fluye al mar durante largos períodos del año, generando una cuña salina de más de 3 km de largo.

El estudio


Un estudio conjunto de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y la Universidad de Valencia (UV) ha detectado la presencia de pesticidas que junto a otros factores de estrés, en un escenario futuro de cambio climático y escasez de agua, pueden amenazar la biodiversidad del Júcar.

Para la realización de este estudio se han analizado cinco puntos concretos del curso fluvial, el Huelamo (cabecera), Cuenca ciudad, el Paraje de Cuasiermas, Jalance y un último lugar bajo la Azud de Antella. En cada uno de estos puntos se tomaron muestras de agua y se capturaron distintas especies mediante pesca científica.

Azud de Antella - Fuente: Wikimedia Commons

La concentración de pesticidas tanto en el agua como en los peces, fue evaluada en los laboratorios del Grupo de Investigación en Seguridad Alimentaria y Medioambiental de la Facultad de Farmacia (UV), y se advirtió la presencia de componentes prohibidos por la Unión Europea.

Los contaminantes de mayor concentración media detectados son el piriproxifen y el procloraz,-asociados con distintos tratamientos en los cultivos agrícolas-, imazalil y clorfenvinfós, entre otros. Según explica Francisco Martinez Capepel, científico del IGIC (UPV) y del CIREF, la presencia de pesticidas con concentraciones aproximadamente estables en ciertas zonas de la cuenca, apuntan a la existencia de una aportación continuada a lo largo del río.

Anguila Europea - Fuente: Wikimedia Commons
En el caso de los peces, las concentraciones medidas varían según la especie , los compuestos detectados en varios lugares fueron azinfosetil, clorpirifós, etión, diazinon y dimetoato. Las especies donde más encontraron fue en la trucha común y en la anguila europea. Especialmente importante esta última ya que se trata de una especie en amenaza crítica a nivel internacional, por lo que “merece investigaciones con mayor profundidad”.


Martinez Capel también incidió que "las concentraciones detectadas no representan un peligro inmediato para los peces, pero no se puede descartar que estén afectando a su metabolismo y comportamiento, y por lo tanto a su crecimiento y reproducción".

A partir de las conclusiones de este estudio los científicos advierten de la necesidad de más investigaciones para proteger a los ecosistemas acuáticos y a las personas; y que además debería priorizarse el control de ciertos pesticidas ampliamente presentes por parte de las administraciones competentes.

También resaltan la importancia de hacer un seguimiento continuado de la calidad y composición de las aguas, y de los caudales ecológicos. Estos últimos, deberían ser mayores y adecuarse a la hidrología natural (más caudales a medida que desciende el río), porque si no, no son capaces de diluir los contaminantes vertidos y acumulados a lo largo de la cuenca.

Para el investigador de la UPV, otra de las medidas urgentes que hay que tomar es la conservación y expansión de los bosques de ribera, ya que estos reducen la cantidad de pesticidas que llegan al agua tanto por el aire como por las aguas subterráneas.

Este trabajo, publicado en la revista Journal of Hazardous Materials, forma parte del proyecto SCARCE, dedicado a describir y predecir los efectos del cambio global en los recursos hídricos, la calidad del agua y los servicios ecosistémicos en las cuencas del Mediterráneo de la Península Ibérica, así como sus impactos en la sociedad humana y la economía, y está financiado por el programa CONSOLIDER-INGENIO 2010.


Fuentes consultadas