Hydra
Miembro Maestro
Una definición universal de la vida se relaciona con la autonomía y la evolución abierta, es decir, con sistemas autónomos con capacidades de evolución/autoorganización abiertas.
Así pues, se dan una serie de características: algún aparato de transducción de energía (para garantizar la corriente/flujo de energía); un límite activo permeable (membrana); dos tipos de componentes macromoleculares funcionalmente interdependientes (catalizadores y registros), con el fin de articular un desacoplamiento "genotipo-fenotipo" que permita un aumento sin fin de la complejidad de los agentes individuales (evolución individual y "colectiva").
El sistema de transducción de energía es necesario para 'alimentar' la estructura; el límite, así como una propiedad llamada 'autopoiesis' (que es una complementariedad fundamental entre la estructura y la función son necesarias para sostener estados organizados de estructuras disipativas estables durante un largo periodo de tiempo.
Para mantener un estado orgánico vivo, también es necesario procesar los nutrientes en las herramientas y estructuras bioquímicas requeridas a través del metabolismo, que en términos matemáticos puede verse como un mappinfg f que transforma una configuración metabólica en otra (y es invertible) f (f) = f; i.e. que es una función que actúa sobre una instancia de sí misma para producir otra instancia de sí misma.
Por último, la memoria y la reproducción de la vida orgánica se basan en las propiedades del ADN, que son macromoléculas cargadas negativamente que presentan una importante propiedad de replicación. La autoorganización de cualquier estructura necesita fuentes y sumideros de energía para disminuir la entropía localmente. La disipación suele servir de sumidero, mientras que las fuentes externas (como la radiación del Sol para la vida orgánica) proporcionan la entrada de energía. Además, la memoria y la reproducción son necesarias para que una estructura disipativa autoorganizada forme una "materia viva".
El problema bien conocido para explicar el origen de la vida es que la complejidad de los seres vivos es tan elevada que el tiempo necesario para formar la estructura orgánica viva más simple es demasiado grande en comparación con la edad de la Tierra. Del mismo modo, la edad del Universo tampoco es suficiente para que la vida orgánica se creara en un entorno lejano (similar al de la Tierra) y luego se transfiriera a la Tierra. ¿Pueden lograrse tasas de evolución más rápidas para las estructuras no orgánicas, en particular, en el espacio formado principalmente por plasmas y granos de polvo, e s decir, por componentes naturales repartidos por casi todo el Universo? En caso afirmativo, la pregunta que hay que plantearse es: ¿se dan los requisitos necesarios para la autoorganización en una especie de "criatura viva" en los plasmas que contienen macropartículas como los granos de polvo?
Aquí discutimos nuevos aspectos de la física de la autoorganización del polvo que puede proceder muy rápidamente y presentamos una explicación de la condensación de granos en estructuras altamente organizadas observadas por primera vez como cristales de plasma. Subrayamos que, anteriormente, importantes características de estas estructuras no estaban claramente relacionadas con su física peculiar, como los flujos de plasma sobre las superficies de los granos, los límites estructurales afilados, y bifurcaciones en la disposición de las partículas que pueden servir como marcas de memoria y ayudar a la reproducción. Los flujos de plasma influyen fuertemente en las interacciones de las partículas de polvo, sostienen los límites y realizan la transducción de energía. Discutimos experimentos que indican la existencia natural de las marcas de memoria en estructuras de polvo helicoidales, similares al ADN, y mecanismos naturales de reproducción de la estructura de polvo helicoidal.
Así pues, se dan una serie de características: algún aparato de transducción de energía (para garantizar la corriente/flujo de energía); un límite activo permeable (membrana); dos tipos de componentes macromoleculares funcionalmente interdependientes (catalizadores y registros), con el fin de articular un desacoplamiento "genotipo-fenotipo" que permita un aumento sin fin de la complejidad de los agentes individuales (evolución individual y "colectiva").
El sistema de transducción de energía es necesario para 'alimentar' la estructura; el límite, así como una propiedad llamada 'autopoiesis' (que es una complementariedad fundamental entre la estructura y la función son necesarias para sostener estados organizados de estructuras disipativas estables durante un largo periodo de tiempo.
Para mantener un estado orgánico vivo, también es necesario procesar los nutrientes en las herramientas y estructuras bioquímicas requeridas a través del metabolismo, que en términos matemáticos puede verse como un mappinfg f que transforma una configuración metabólica en otra (y es invertible) f (f) = f; i.e. que es una función que actúa sobre una instancia de sí misma para producir otra instancia de sí misma.
Por último, la memoria y la reproducción de la vida orgánica se basan en las propiedades del ADN, que son macromoléculas cargadas negativamente que presentan una importante propiedad de replicación. La autoorganización de cualquier estructura necesita fuentes y sumideros de energía para disminuir la entropía localmente. La disipación suele servir de sumidero, mientras que las fuentes externas (como la radiación del Sol para la vida orgánica) proporcionan la entrada de energía. Además, la memoria y la reproducción son necesarias para que una estructura disipativa autoorganizada forme una "materia viva".
El problema bien conocido para explicar el origen de la vida es que la complejidad de los seres vivos es tan elevada que el tiempo necesario para formar la estructura orgánica viva más simple es demasiado grande en comparación con la edad de la Tierra. Del mismo modo, la edad del Universo tampoco es suficiente para que la vida orgánica se creara en un entorno lejano (similar al de la Tierra) y luego se transfiriera a la Tierra. ¿Pueden lograrse tasas de evolución más rápidas para las estructuras no orgánicas, en particular, en el espacio formado principalmente por plasmas y granos de polvo, e s decir, por componentes naturales repartidos por casi todo el Universo? En caso afirmativo, la pregunta que hay que plantearse es: ¿se dan los requisitos necesarios para la autoorganización en una especie de "criatura viva" en los plasmas que contienen macropartículas como los granos de polvo?
Aquí discutimos nuevos aspectos de la física de la autoorganización del polvo que puede proceder muy rápidamente y presentamos una explicación de la condensación de granos en estructuras altamente organizadas observadas por primera vez como cristales de plasma. Subrayamos que, anteriormente, importantes características de estas estructuras no estaban claramente relacionadas con su física peculiar, como los flujos de plasma sobre las superficies de los granos, los límites estructurales afilados, y bifurcaciones en la disposición de las partículas que pueden servir como marcas de memoria y ayudar a la reproducción. Los flujos de plasma influyen fuertemente en las interacciones de las partículas de polvo, sostienen los límites y realizan la transducción de energía. Discutimos experimentos que indican la existencia natural de las marcas de memoria en estructuras de polvo helicoidales, similares al ADN, y mecanismos naturales de reproducción de la estructura de polvo helicoidal.
Figura 1. Esquema del factor de apantallamiento ψ del potencial de interacción de grano. La energía de interacción de los granos [imath]\mathit{V}[/imath] puede describirse en unidades de interacciones de Coulomb puras (no apantalladas) de los granos [imath]\mathit{V}=\Psi (\mathit{Z}_{{d}^{}}^{2}\mathit{e}^{2}/r)[/imath] en función de la distancia entre los granos en unidades de la longitud de apantallamiento lineal de Debye. La distancia [imath]r_{d}[/imath] muestra la posición del mínimo del pozo de atracción y tiene un valor experimental típico de 200µm. Esto corresponde a las distancias entre granos observadas durante la transición de fase al cristal de plasma estado. El valor [imath]\left | \psi \right |_{min}[/imath] varía entre [imath]10^{-2}[/imath] y [imath]\left | \psi \right |_{min}[/imath] varía entre [imath]10^{-4}[/imath] para diferentes modelos y diferentes experimentos. Este valor está en consonancia con la relación entre la interacción en el mínimo del pozo de potencial y la máxima interacción correspondiente a ψ = 1, respectivamente. El valor de la constante de acoplamiento [imath]\Gamma = 1\setminus\left| \psi _{min} \right |[/imath] oscila entre [imath]10^{2}[/imath] hasta [imath]10^{4}[/imath] de acuerdo con las observaciones.
Bifurcaciones en la disposición de las partículas que pueden servir como marcas de memoria y ayudar a la reproducción. Los flujos de plasma influyen fuertemente en las interacciones de las partículas de polvo, sostienen los límites y realizan la transducción de energía. Discutimos experimentos que indican la existencia natural de las marcas de memoria en estructuras de polvo helicoidales, similares al ADN, y mecanismos naturales de reproducción de la estructura de polvo helicoidal.
1. Exceso de cribado y flujos de plasma
Una característica importante de las estructuras inorgánicas es la presencia de "marcas de memoria" que existen como "marcas rígidas" en los sistemas cristalinos comunes. Por el contrario, las observaciones de cristales formados por polvo en un plasma (cristales de plasma) demuestran la ausencia de marcas rígidas debido a las propiedades inusuales de los cristales de plasma, como la gran constante de acoplamiento, la baja temperatura de transición de fase y la gran separación de los granos. Estas propiedades desconcertantes pueden resolverse empleando el sobreapantallamiento de los campos de granos, efecto que se ha puesto claramente de manifiesto sólo recientemente.
El sobreapantallamiento aparece en presencia de flujos de plasma en las superficies de los granos. Como resultado, aparece
lo que se indica esquemáticamente en la figura 1. Este pozo de potencial suele ser poco profundo y situado a una distancia mucho mayor que la longitud de cribado de Debye [imath]\lambda _{D}[/imath] (un ejemplo mostrado en la figura 1 utiliza parámetros típicos de los experimentos con cristales de plasma. Un potencial poco profundo explica la gran constante de acoplamiento así como la baja temperatura de las transiciones de fase. Extrayendo el potencial de Coulomb puro de interacción e introduciendo el factor [imath]\psi[/imath] de apantallamiento, el potencial de interacción del grano es [imath]\mathit{V}= \mathit{Z}_{d}^{2}\mathbf{\boldsymbol{e}}^{2}\psi\setminus \boldsymbol{r}[/imath] ([imath]\boldsymbol{Z}_{d}[/imath] es la carga del grano en unidades de carga del electrón -e). Debido al exceso de cribado, el valor de [imath]\psi[/imath] cambia de signo a grandes distancias como se indica en la figura 1.
En el mínimo del pozo de potencial, el factor de apantallamiento [imath]\psi _{\mathbf{min}}[/imath] es negativo. El valor [imath]\left | \psi_{min} \right |[/imath] determina la temperatura de la transición de fase asociada [imath]T_{d}[/imath] y también caracteriza la distancia [imath]r_{d}= r_{d}\left ( \left | \psi _{min} \right | \right )[/imath] del mínimo del pozo (en el caso más simple, [imath]r_{d}\approx 1/\sqrt{\left | \psi _{min} \right |}[/imath]). Si se produce condensación de granos (o emparejamiento de granos), los granos se localizarán en el mínimo del pozo de atracción, [imath]r_{d}[/imath]. El criterio correspondiente puede expresarse mediante la constante de acoplamiento constante [imath]\Gamma[/imath] (que es la relación entre la energía potencial de la interacción de los granos y su energía cinética) como [imath]\Gamma > \Gamma _{cr}\equiv Z_{d}^{2}/r_{d}T_{d= 1}/\left |\psi_{min} \right |[/imath]. Por lo tanto, [imath]\left | \psi _{min} \right |[/imath] determina los valores de la distancia la temperatura de transición y la constante de acoplamiento. Para un pozo atractivo poco profundo, [imath]\left | \psi _{min} \right |\ll 1 y\Gamma \gg 1[/imath]. Esto explica cualitativamente el gran valor de [imath]\Gamma[/imath] observado en los experimentos.
El modelo predice que [imath]\Gamma _{cr}[/imath] es del orden de la diferencia entre la máxima interacción del grano y la temperatura de transición (unos 3-4 órdenes de magnitud). En consecuencia, el concepto de sobrepantalla de plasma concuerda bien con las principales observaciones experimentales. También se aplica para la descripción de las estructuras helicoidales del polvo y conduce a la posibilidad de inusuales "marcas de memoria" imposibles en los cristales comunes.
Hemos realizado simulaciones de dinámica molecular para demostrar que una distribución aleatoria de granos, interactuando a través del potencial mostrado en la figura 1 con un pozo de atracción poco profundo [imath]\left | \psi _{min} \right |\approx 10^{-3}[/imath] y experimentando fricción de fondo y patadas estocásticas, forma cristales de grano esféricos. En la figura 2 mostramos los resultados de estas simulaciones. La aplicación de este modelo es de doble importancia.
En primer lugar, resolvemos los problemas de las observaciones de laboratorio y, en segundo lugar, predecimos la posible existencia de grandes policristales de plasma en el espacio -un nuevo estado de la materia hasta ahora inexplorado. Aquí, un punto importante para las aplicaciones espaciales: es que el pozo de potencial de atracción es poco profundo y, por tanto, incluso una disipación débil puede causar la captura del grano en en el pozo.
Físicamente, la atracción aparece debido a la autoenergía electrostática de los granos, apoyada por los flujos de plasma absorbidos continuamente por los granos. Los flujos son necesarios para mantener las cargas de los granos y aparecen casi inmediatamente en cuanto una partícula se incrusta en el plasma.
La autoenergía de los granos es mucho mayor que sus energías cinética y potencial (porque incluso pequeña) puede influir fuertemente en las interacciones de los granos.
Se demostró por primera vez que para una fuente fija de flujos de plasma, la energía electrostática de dos granos disminuye cuando ellos se aproximan entre sí. Como la autoenergía es soportada por flujos de plasma continuos, el trabajo tiene que ser hecho para mantenerlos y esto puede casi compensar los cambios asociados de autoenergía.
Sin embargo, no se produce una compensación total si la distancia entre los granos es grande. Actualmente, se entiende que este fenómeno es una característica general de las interacciones de los granos en un plasma.
Los flujos en los granos dependen de las cargas electrostáticas de polarización de los granos y las cargas de polarización dependen de los flujos y crean una acumulación de exceso de cargas plasmáticas entre los granos. Estas cargas plasmáticas exhiben el signo opuesto a la de los granos probablemente cargados que interactúan, y por lo tanto causan la atracción. La aparición de atracción de granos es un fenómeno general que convierte la materia que contiene granos en un nuevo estado inusual.
El sobreapantallamiento aparece en presencia de flujos de plasma en las superficies de los granos. Como resultado, aparece
lo que se indica esquemáticamente en la figura 1. Este pozo de potencial suele ser poco profundo y situado a una distancia mucho mayor que la longitud de cribado de Debye [imath]\lambda _{D}[/imath] (un ejemplo mostrado en la figura 1 utiliza parámetros típicos de los experimentos con cristales de plasma. Un potencial poco profundo explica la gran constante de acoplamiento así como la baja temperatura de las transiciones de fase. Extrayendo el potencial de Coulomb puro de interacción e introduciendo el factor [imath]\psi[/imath] de apantallamiento, el potencial de interacción del grano es [imath]\mathit{V}= \mathit{Z}_{d}^{2}\mathbf{\boldsymbol{e}}^{2}\psi\setminus \boldsymbol{r}[/imath] ([imath]\boldsymbol{Z}_{d}[/imath] es la carga del grano en unidades de carga del electrón -e). Debido al exceso de cribado, el valor de [imath]\psi[/imath] cambia de signo a grandes distancias como se indica en la figura 1.
En el mínimo del pozo de potencial, el factor de apantallamiento [imath]\psi _{\mathbf{min}}[/imath] es negativo. El valor [imath]\left | \psi_{min} \right |[/imath] determina la temperatura de la transición de fase asociada [imath]T_{d}[/imath] y también caracteriza la distancia [imath]r_{d}= r_{d}\left ( \left | \psi _{min} \right | \right )[/imath] del mínimo del pozo (en el caso más simple, [imath]r_{d}\approx 1/\sqrt{\left | \psi _{min} \right |}[/imath]). Si se produce condensación de granos (o emparejamiento de granos), los granos se localizarán en el mínimo del pozo de atracción, [imath]r_{d}[/imath]. El criterio correspondiente puede expresarse mediante la constante de acoplamiento constante [imath]\Gamma[/imath] (que es la relación entre la energía potencial de la interacción de los granos y su energía cinética) como [imath]\Gamma > \Gamma _{cr}\equiv Z_{d}^{2}/r_{d}T_{d= 1}/\left |\psi_{min} \right |[/imath]. Por lo tanto, [imath]\left | \psi _{min} \right |[/imath] determina los valores de la distancia la temperatura de transición y la constante de acoplamiento. Para un pozo atractivo poco profundo, [imath]\left | \psi _{min} \right |\ll 1 y\Gamma \gg 1[/imath]. Esto explica cualitativamente el gran valor de [imath]\Gamma[/imath] observado en los experimentos.
El modelo predice que [imath]\Gamma _{cr}[/imath] es del orden de la diferencia entre la máxima interacción del grano y la temperatura de transición (unos 3-4 órdenes de magnitud). En consecuencia, el concepto de sobrepantalla de plasma concuerda bien con las principales observaciones experimentales. También se aplica para la descripción de las estructuras helicoidales del polvo y conduce a la posibilidad de inusuales "marcas de memoria" imposibles en los cristales comunes.
Hemos realizado simulaciones de dinámica molecular para demostrar que una distribución aleatoria de granos, interactuando a través del potencial mostrado en la figura 1 con un pozo de atracción poco profundo [imath]\left | \psi _{min} \right |\approx 10^{-3}[/imath] y experimentando fricción de fondo y patadas estocásticas, forma cristales de grano esféricos. En la figura 2 mostramos los resultados de estas simulaciones. La aplicación de este modelo es de doble importancia.
En primer lugar, resolvemos los problemas de las observaciones de laboratorio y, en segundo lugar, predecimos la posible existencia de grandes policristales de plasma en el espacio -un nuevo estado de la materia hasta ahora inexplorado. Aquí, un punto importante para las aplicaciones espaciales: es que el pozo de potencial de atracción es poco profundo y, por tanto, incluso una disipación débil puede causar la captura del grano en en el pozo.
Físicamente, la atracción aparece debido a la autoenergía electrostática de los granos, apoyada por los flujos de plasma absorbidos continuamente por los granos. Los flujos son necesarios para mantener las cargas de los granos y aparecen casi inmediatamente en cuanto una partícula se incrusta en el plasma.
La autoenergía de los granos es mucho mayor que sus energías cinética y potencial (porque incluso pequeña) puede influir fuertemente en las interacciones de los granos.
Se demostró por primera vez que para una fuente fija de flujos de plasma, la energía electrostática de dos granos disminuye cuando ellos se aproximan entre sí. Como la autoenergía es soportada por flujos de plasma continuos, el trabajo tiene que ser hecho para mantenerlos y esto puede casi compensar los cambios asociados de autoenergía.
Sin embargo, no se produce una compensación total si la distancia entre los granos es grande. Actualmente, se entiende que este fenómeno es una característica general de las interacciones de los granos en un plasma.
Los flujos en los granos dependen de las cargas electrostáticas de polarización de los granos y las cargas de polarización dependen de los flujos y crean una acumulación de exceso de cargas plasmáticas entre los granos. Estas cargas plasmáticas exhiben el signo opuesto a la de los granos probablemente cargados que interactúan, y por lo tanto causan la atracción. La aparición de atracción de granos es un fenómeno general que convierte la materia que contiene granos en un nuevo estado inusual.
Figura 2. Simulaciones de dinámica molecular de la evolución de nubes polvorientas. La figura muestra instantáneas del campo de velocidades y posiciones de los granos: (a) corresponde al estado inicial (t = 0) de la nube, (b) t = 0,3 s y (c) t = 3 s, respectivamente. estado inicial (t = 0) de la nube, (b) t = 0,3 s y (c) t = 3 s, respectivamente. La magnitud de la velocidad magnitud de la velocidad está codificada por colores. Aumenta de azul a rojo en un factor de cinco. Inicialmente, [imath]10 \mu m[/imath]- el tamaño de granos se distribuyeron aleatoriamente sobre la esfera de radio sobre [imath]r_{d}[/imath] (ver la figura 1) y las interacciones de pares entre los granos se describen por el potencial mostrado en la figura 1. Los movimientos de los granos están amortiguados por la fricción (para modelar la viscosidad del componente neutro del plasma) y acelerados estocásticamente por la fuerza de Langevin (para modelar las fluctuaciones del plasma).
Las simulaciones revelan la formación de una estructura esférica autoconfinada estable en el tiempo. El análisis del orden local muestra que algunos granos (unos pocos porcentajes de su número total) tienen el tipo de red hcp mientras que la mayoría de los granos se encuentran en estado líquido.
Los efectos de los flujos de plasma conducen a inestabilidades similares a la gravitación con una constante gravitatoria efectiva [imath]G_{eff}\approx Z_{2}^{d}e^{2}\left | \psi _{min} \right |m_{d}^{2}[/imath]. Para un tamaño de polvo [imath]a\approx 3\mu m[/imath], una densidad de masa del material de polvo de [imath]2 g cm^{-2}, Z_{d}^{2}\left | \psi _{min} \right |m_{d}^{2} y \left | \psi _{min} \right |\approx 10^{-4}[/imath] la constante de gravitación efectiva es de aproximadamente [imath]6 \times 10^{4}[/imath] sistema cegesimal de unidades (cgs) que es 1012 veces mayor que la constante gravitatoria habitual [imath]G= 6.7\times 10^{-8}[/imath] cgs.
La longitud efectiva de Jeans de esta inestabilidad tiene el tamaño del orden [imath]r_{d}[/imath]. La gravedad efectiva afecta sólo a los granos de polvo y, por tanto, los plasmas pueden verse influidos por esta atracción sólo a través de sus interacciones con los granos. La nueva inestabilidad efectiva de un plasma polvoriento conduce a
estructuración de nubes de polvo similares a los efectos causados por la inestabilidad gravitatoria habitual.
Las estructuras de polvo autoorganizadas en el entorno plasmático tienen límites nítidos tales que están aisladas entre sí por regiones sin granos (vacíos de polvo). Las estructuras y cristales deberían autogenerar fuerzas de confinamiento adicionales de confinamiento adicionales debido a los flujos de plasma dirigidos hacia las estructuras, es decir, estas estructuras sirven como sumideros de plasmas y la presión ram de los flujos de plasma actúa sobre las estructuras para hacerlas auto-organizadas, auto-confinadas y disipativas. Esta autocontracción debe añadirse al emparejamiento del grano emparejamiento; su efecto conjunto conduce a la formación de estructuras helicoidales de polvo.
Figura 3. (a) y (b) Esquema de estructuras de grano helicoidal de doble devanado similares al al ADN. (c) Bifurcaciones en el plano ([imath]\phi , D/\Delta[/imath]) de estructuras confinadas por el potencial externo externo [imath]K^{r}/2;\phi[/imath] es el ángulo de rotación en cada plano de la estructura helicoidal; D es el diámetro de la estructura helicoidal y [imath]\Delta[/imath] es la separación espacial de los planos de la estructura helicoidal; la línea K = 0 corresponde a estructuras autoorganizadas estructuras estables sin confinamiento externo K = 0, pero con presencia de atracción de polvo.
2. Estructuras de polvo helicoidales
Las estructuras de polvo helicoidales (se ofrece un ejemplo en la figura 3 (a), pueden considerarse como estructuras planas igualmente separadas con ángulo de rotación constante entre los planos. Sus propiedades son de especial interés para los problemas que aquí se tratan. La figura 3 (a) ilustra estructuras de polvo de doble hélice similares al ADN. Las simulaciones de dinámica molecular de granos que interactúan con una fricción de gas adicional muestran que cualquier distribución de granos cilíndricamente simétrica se convierte con el tiempo en una estructura helicoidal estable autoconfinada. Estas estructuras de polvo estables específicas se forman debido a la atracción por emparejamiento de los granos, así como debido al flujo de plasma externo creado por el conjunto de las estructuras (y la presión de ariete prevista). En experimentos en descargas de gas con un campo eléctrico externo longitudinal que forma estrías, se observaron cristales de granos cilíndricos modulados, estos cristales cilíndricos se convierten en estructuras helicoidales con menos granos por unidad de longitud. Según los experimentos numéricos, sólo pueden formarse estructuras de polvo esféricas altamente simétricas cuando la simetría esférica está soportada externamente (por ejemplo, cuando todas las condiciones iniciales son esféricamente simétricas). En los demás casos, incluso una pequeña asimetría conduce a la formación de estructuras cilíndricas simétricas y/o helicoidales.
Figura 4. (a) Trazas de estructuras helicoidales en las paredes de la cámara observadas en plasmas criogénicos de corriente continua a [imath]T_{i}= 2.7K[/imath]. Las trazas de estructura helicoidal cónica se muestran en negro sobre el fondo verde de la descarga a varias distancias de la parte superior de la misma; x = 0 mm-la "cabeza" de la estructura, x = 3 mm-el centro de la la estructura y 5 mm-el final de la estructura. Toda la estructura parece un "gusano", hueco por dentro (con un vacío de polvo en su interior) y que se desplaza sobre superficies cilíndricas cilíndricas alrededor del eje de descarga. (b) Esquema de la parte central de la estructura helicoidal helicoidal del "gusano" deducida de las huellas dejadas por la estructura en la pared de la cámara de descarga. de la cámara de descarga, los granos se sitúan en las superficies de unos cilindros unos dentro de otros
En la naturaleza siempre existe cierta asimetría, por lo que la formación de estructuras helicoidales es bastante probable. Primeras observaciones de estructuras helicoidales móviles autoconfinadas de polvo se realizaron en descargas de gas criogénico en corriente continua. Las trazas de las partículas, moviéndose de forma autoorganizada, se muestran en la figura 4. También se observaron estructuras helicoidales de iones similares en trampas de enfriamiento por láser.
Una característica importante de las estructuras helicoidales de polvo observadas en simulaciones e indicadas por la investigación analítica de la estabilidad de las estructuras helicoidales y las oscilaciones de modo en la existencia de numerosas bifurcaciones en la dependencia del ángulo de enrollamiento helicoidal con respecto al diámetro de la estructura. Un ejemplo de este comportamiento de las estructuras helicoidales se muestra esquemáticamente en la figura 3 (c).
Las bifurcaciones en estructuras helicoidales aparecen de forma natural y corresponden a las condiciones críticas cuando cualquier pequeño cambio en el diámetro D de la estructura helicoidal provoca un cambio brusco del enrollamiento helicoidal. Observamos que se pueden obtener varias estructuras helicoidales con diferentes bifurcaciones en experimentos con cristales de plasma de descarga cilíndrica, disminuyendo continuamente el número de granos inyectados en el sistema. Las investigaciones numéricas muestran un carácter universal de estas bifurcaciones. Las estructuras helicoidales tienen la propiedad única de bifurcaciones que pueden servir como marcas de memoria. Al aumentar el diámetro de la estructura el ángulo de rotación de la estructura cambia repentinamente. Esto se ilustra en la figura 3(c) que muestra que un aumento del diámetro de la estructura en cierto radio tiene carácter de ser posible.
Figura 5. (a) La convección de grano observada alrededor del grano cilíndrico cristal.
Diferentes colores corresponden a diferentes velocidades de grano: Las velocidades varían desde unos [imath]0,4cm s^{-1}[/imath] (azul) hasta [imath]1, cm s^{-1}[/imath] (rojo).
(b) La convección de polvo obtenida en las simulaciones numéricas.
(c) Esquema del modelo para duplicación de la estructura helicoidal (reproducción).
- Después de la bifurcación, la línea discontinua gruesa representa una rama inestable y la línea continua inferior representa una rama inestable, y la línea continua inferior representa una rama estable. Así pues, el ángulo de rotación en algún radio crítico cambia bruscamente.
Estas bifurcaciones pueden servir como posibles marcas de memoria de las estructuras. Los cristales helicoidales pueden almacenar esta información.
3. Replicación de estructuras de polvo helicoidales
La convección de polvo y la formación de vórtices de polvo fuera de la estructura es otro fenómeno natural observado en experimentos de laboratorio y a bordo de la ISS. La física de la formación de vórtices de polvo está relacionada con la falta de homogeneidad de la carga del grano y su dependencia de los parámetros del circundantes del plasma. Los gradientes de carga de los granos son soportados autoconsistentemente por la estructura, y son la razón del carácter no potencial de
la fuerza electrostática −e[imath]Z_{d}\mathbf{E}[/imath] actuando sobre los granos y provocando la formación del vórtice.
Es importante que los cristales helicoidales modulados en su radio estén siempre rodeados por células de convección de polvo autocreadas. Las estructuras helicoidales de polvo, una vez formadas, se asemejan a características similares a las del ADN. En particular, pueden transferir información de estructura helicoidal a otra, a través de las células de convección de polvo que rodean cualquier bifurcación de la estructura helicoidal.
En la figura 5(c) se muestra un esbozo de un posible modelo de reproducción de la estructura helicoidal de los granos.
Vamos a discutir algunos detalles sobre las posibles secuencias de eventos durante la reproducción. El cambio brusco del ángulo de rotación creará una inhomogeneidad en los granos de polvo del halo aleatorio que rodea la estructura helicoidal con gradiente de carga de grano no colineal al campo eléctrico y creará una fuerza que formará un par de vórtices toroidales alrededor de la estructura. En el caso de una estructura cargada negativamente, el vórtice toroidal superior gira en el sentido de las agujas del reloj, mientras que el inferior lo hace en sentido contrario. Si otra (segunda) estructura helicoidal no tiene bifurcación y se mueve cerca de aquella con bifurcación los vórtices comienzan a crearse en esta estructura. Finalmente estos vórtices crean la bifurcación en la segunda estructura y transfieren la información de la primera estructura a la otra.
La evolución de las estructuras de polvo en presencia de flujos de plasma está relacionada con la frecuencia característica de los movimientos del polvo. En primera instancia, ésta puede estimarse mediante la frecuencia del plasma de polvo [imath]\omega_{pd}\sim \left ( Z_{d}^{2}e^{2}/m_{d}r_{d}^{3} \right )^{1/2}[/imath], donde [imath]m_{d}[/imath] es la masa de una partícula de polvo.
Observamos que las características del pozo de potencial (situado en [imath]r_{d}[/imath]) y, por tanto, la física del plasma entra en esta expresión a través de [imath]r_{d}[/imath] y [imath]Z_{d}[/imath].
Esta consideración destruye uno de los mitos actuales en astrofísica, a saber, que la interacción de los granos se desvanece para distancias mayores que el lineal de Debye. Esto es obvio ya que dentro de la longitud de Jeans del polvo, hay muchos granos presentes en la mayoría de las nubes de polvo del espacio.
En la mayoría de las situaciones, la frecuencia del plasma de polvo de unos pocos (o incluso una fracción de) Hz conduce a tiempos extremadamente cortos en comparación con los tiempos astrofísicos típicos. Si existen estructuras de granos en el espacio, éstas tienen modos colectivos de oscilaciones que, en principio, pueden detectarse como modulaciones de la emisión infrarroja de diferentes fuentes cósmicas.
El tamaño efectivo de Jeans de la aglomeración de polvo está en el rango que puede detectar el telescopio Spitzer en la observación de formaciones de nubes de polvo (las más cercanas a la Tierra) formaciones de nubes de polvo alrededor de estrellas y estallidos estelares que preceden a la formación de nuevos sistemas planetarios. El programa para medir las modulaciones regulares de baja frecuencia de las nubes de polvo con los tamaños de estructura efectivos causados por la inestabilidad de atracción del polvo puede incluirse, por ejemplo, en el proyecto del telescopio Spitzer.
la fuerza electrostática −e[imath]Z_{d}\mathbf{E}[/imath] actuando sobre los granos y provocando la formación del vórtice.
Es importante que los cristales helicoidales modulados en su radio estén siempre rodeados por células de convección de polvo autocreadas. Las estructuras helicoidales de polvo, una vez formadas, se asemejan a características similares a las del ADN. En particular, pueden transferir información de estructura helicoidal a otra, a través de las células de convección de polvo que rodean cualquier bifurcación de la estructura helicoidal.
En la figura 5(c) se muestra un esbozo de un posible modelo de reproducción de la estructura helicoidal de los granos.
Vamos a discutir algunos detalles sobre las posibles secuencias de eventos durante la reproducción. El cambio brusco del ángulo de rotación creará una inhomogeneidad en los granos de polvo del halo aleatorio que rodea la estructura helicoidal con gradiente de carga de grano no colineal al campo eléctrico y creará una fuerza que formará un par de vórtices toroidales alrededor de la estructura. En el caso de una estructura cargada negativamente, el vórtice toroidal superior gira en el sentido de las agujas del reloj, mientras que el inferior lo hace en sentido contrario. Si otra (segunda) estructura helicoidal no tiene bifurcación y se mueve cerca de aquella con bifurcación los vórtices comienzan a crearse en esta estructura. Finalmente estos vórtices crean la bifurcación en la segunda estructura y transfieren la información de la primera estructura a la otra.
La evolución de las estructuras de polvo en presencia de flujos de plasma está relacionada con la frecuencia característica de los movimientos del polvo. En primera instancia, ésta puede estimarse mediante la frecuencia del plasma de polvo [imath]\omega_{pd}\sim \left ( Z_{d}^{2}e^{2}/m_{d}r_{d}^{3} \right )^{1/2}[/imath], donde [imath]m_{d}[/imath] es la masa de una partícula de polvo.
Observamos que las características del pozo de potencial (situado en [imath]r_{d}[/imath]) y, por tanto, la física del plasma entra en esta expresión a través de [imath]r_{d}[/imath] y [imath]Z_{d}[/imath].
Esta consideración destruye uno de los mitos actuales en astrofísica, a saber, que la interacción de los granos se desvanece para distancias mayores que el lineal de Debye. Esto es obvio ya que dentro de la longitud de Jeans del polvo, hay muchos granos presentes en la mayoría de las nubes de polvo del espacio.
En la mayoría de las situaciones, la frecuencia del plasma de polvo de unos pocos (o incluso una fracción de) Hz conduce a tiempos extremadamente cortos en comparación con los tiempos astrofísicos típicos. Si existen estructuras de granos en el espacio, éstas tienen modos colectivos de oscilaciones que, en principio, pueden detectarse como modulaciones de la emisión infrarroja de diferentes fuentes cósmicas.
El tamaño efectivo de Jeans de la aglomeración de polvo está en el rango que puede detectar el telescopio Spitzer en la observación de formaciones de nubes de polvo (las más cercanas a la Tierra) formaciones de nubes de polvo alrededor de estrellas y estallidos estelares que preceden a la formación de nuevos sistemas planetarios. El programa para medir las modulaciones regulares de baja frecuencia de las nubes de polvo con los tamaños de estructura efectivos causados por la inestabilidad de atracción del polvo puede incluirse, por ejemplo, en el proyecto del telescopio Spitzer.
Nuestro análisis muestra que si se forman estructuras de polvo helicoidales en el espacio, pueden tener bifurcaciones como marcas de memoria y duplicarse unas a otras, y revelarían un ritmo de evolución más rápido al competir por el 'alimento' (flujos de plasma circundantes). Estas estructuras pueden tener todas las características necesarias para formar "vida inorgánica". Esto debería tenerse en cuenta para la formulación de un nuevo programa similar a SETI, basado no sólo en observaciones astrofísicas, sino también en nuevos experimentos de laboratorio previstos, incluidos los de la ISS. En caso de éxito de un programa de este tipo, habría que plantearse la posibilidad de resolver la baja tasa de evolución de la vida orgánica investigando la posibilidad de que la vida inorgánica 'invente' la vida orgánica.
Este trabajo ha contado con el apoyo parcial del Consejo Australiano de Investigación.
Fuente: https://www.researchgate.net/public...al_structures_towards_inorganic_living_matter
