Corrección. 4 de Junio de 1999. La velocidad de la computadora Leibniz fue originalmente estimada en 12 Gflops. De hecho, la velocidad es más cercana a 1.2 Gflops. Lamentamos el error.

Mariposa azul de Karner. Imagen: US US Fish & Wildlife Service/John & Karen Hollingsworth.

28 de Mayo, 1999. Durante la conferencia de prensa del 18 de Mayo, anunciando al Premio Nobel, Dr. Baruch Blumberg, como el nuevo jefe del Instituto de Astrobiología de la NASA, Blumberg plantó un desafío a la comunidad científica.

'La misión es buscar vida sin ninguna especificación. Nada en la misión podría excluír buscar extrañas e inusuales formas de vida que no podemos siquiera imaginar”, dijo Blumberg.

El director de la Nasa, Dan Goldin, coincidió, manifestando que “Estamos buscando cualquier forma de vida biológica. Los unicelulares (organismos) podrían ser un gran impacto“.

Para una búsqueda efectiva de vida en otros planetas, primero tenemos que llegar a un entendimiento acerca de qué ES la vida. Un modo de hacer eso es estudiando las formas que la vida puede adoptar.

En su trabajo de 1917 'Sobre el crecimiento y la forma”, D´Arcy Thompson alteró funciones matemáticas con el fin de visualizar cómo las especies cambian de forma con el correr del tiempo.

Científicos de la NASA están utilizando los estudios biomatemáticos de Thompson de formas de vida en la Tierra para postular acerca de las formas de vida alrededor del Universo. Hay determinadas condiciones universales que siempre afectarán la conformación de una forma de vida, donde quiera que la vida pueda estar.

“En todas partes, la Naturaleza trabaja exactamente a escala, y todo tiene un tamaño adecuado”, escribió Thompson. “Células y tejidos, caparazones y huesos, hojas y flores, son muchas porciones de materia, y es en obediencia a las leyes de la física que sus partículas han sido movilizadas, modeladas y conformadas”.

La gravedad, por ejemplo, actúa sobre todas las partículas y afecta la cohesión de la materia, afinidad química y volumen corporal. Otras influencias que son consistentes en todo el universo son la temperatura, la presión, carga eléctrica y química.

Profesor D´Arcy Thompson (1860 – 1948), de la Universidad de San Andrés, en Escocia.

Pero antes de que podamos conducir una búsqueda compresiva de desconocidas formas de vida extraterrestres, se necesita una clasificación extensiva de las formas de vida conocidas en la Tierra. La historia de la vida en la Tierra nos provee un buen modelo de cómo la vida puede desarrollarse en el universo. Los fósiles, incluso fósiles microbianos, pueden decirnos mucho acerca de las diferentes formas que la vida tiene en un momento u otro mostrando sus caras sobre nuestro planeta.

“Algunos fósiles en el antiguo esquisto de Burguess son tan extraños que no podemos determinar cuáles extremos de las criaturas están arriba, y aún así estos monstruos evolucionaron correctamente en la Tierra desde los mismos orígenes que tuvimos nosotros”, escribió Johan Forsberg, un psicólogo sueco.

Convirtiéndose en científicos forenses, los investigadores del Laboratorio de Ciencias del Espacio en el Centro de Vuelo Espacial Marshall pueden desarrollar una enciclopedia de formas de vida microbianas que se han desarrollado en la Tierra. Debido a que tantas formas de vida necesitan ser catalogadas, los científicos están trabajando para desarrollar una “Máquina D´Arcy” para ayudarles a crear un comprehensivo “Libro de la Vida”.

Tres formas de vida microbiana. Imagen: Universidad de Miami, Departamento de Biología.

Este proyecto Libro de la Vida tiene tres fases. La fase 1, que compila una base de datos inicial de formas de vida microbianas, ya ha sido completada. La base de datos de imágenes está compuesta por 10000 ejemplos, y distingue las formas básicas microbianas, tales como bastones, esferas, filamentos, racimos que parecen uvas (cocci), y espiroquetas (espirales).
Una red neural de computación ha sido entrenada para reconocer y clasificar estas formas de vida microbianas con un 90 por ciento de precisión.

La fase 2 del proyecto expandirá la base de datos básica utilizando una red neural más poderosa.
Fondos de la Oficina de Conceptos Avanzados, de la NASA, proveerán a los científicos del Marshall de una computadora paralela clase Beowulf. La NASA desarrolló el Proyecto Beowulf para tratar los problemas científicos asociados con grandes series de datos.

El logotipo para el Proyecto Beowulf muestra al héroe anglosajón Beowulf rodeado por pingüinos en LINUX. Una computadora clase Beowulf es un grupo de computadoras personales operando en LINUX, conectado por su propio LAN privado (Local Area Network, Red de Area Local).

Científicos en Marshall han llamado a la nueva computadora paralela “Leibniz”, en honor al matemático alemán, cuya meta de toda la vida fue organizar todo el conocimiento humano.
Este sistema de computación expandirá la base de datos de imágenes adquiriendo y clasificando nuevas y ambiguas imágenes.
Para distinguir formas de vida orgánicas de formas inorgánicas, los microbiólogos frecuentemente usan el vago criterio, “¿Te parece vivo?”
Una computadora paralela que utilice un patrón de reconocimiento puede hacer esta tarea más fácil y más exacta, fraccionando la imagen inicial en partes identificables.

“El juicio humano es aún muy dependiente para identificar formas de vida microbiana”, dice el Dr. David Noever, del Centro de Vuelo Espacial Marshall, de la NASA. “Filtros automáticos serían más parecidos a los filtros usados comúnmente para separar los correos electrónicos útiles de los inútiles. El usuario de la red neural tendría un menú matutino de candidatos microbianos para un trabajo investigativo adicional”.

Si bien el entrenado ojo humano es mejor en el reconocimiento de formas de vida microbianas, utilizando un “filtro” de computadora para verificar patrones de vida podría ayudar a acortar la inmensa escala del proyecto Libro de la Vida a un tamaño más manejable.

Cómo la red neural de computadora ve las formas de vida microbiana. De izquierda a derecha: esferas, cocci, filamentos. Una imagen microbiana de 8x8 pixels representa un problema de clasificacion en 64 dimensiones, con un píxel dispuesto donde cada valor binario (0 ó 1) requiere una conección en la red neural. Aunque las imágenes microbianas deben ser simplificadas, del mismo modo en que los scanners de computadora reducen los caracteres alfabéticos a una representación esquemática, la plantilla básica para clasificar formas microbianas pueden aún distinguir bastante para dar identificaciones. Estas imágenes fueron incluídas en la ponencia presentada durante la conferencia por el 50 aniversario de D´Arcy Thompson, por el Dr. David Noever, de la Nasa/Marshall, “Morfometría microbiana: aproximacionas automatizadas AI”.

Para la fase 3 del proyecto, la red neural será tan avanzada en su aprendizaje, que podrá adquirir y clasificar nuevas imágenes con una mínima supervisión humana. Esta red sería equipada entonces para futuros escenarios de investigación, incluyendo el examen de meteoritos hallados en la Tierra y muestras recuperadas de misiones lunares o interplanetarias. Esta avanzada red neural será un veloz y eficiente clasificador de la gran cantidad de imágenes microbianas que necesitarán ser catalogadas.

Un gran problema.
Esta velocidad y eficiencia son extremadamente importantes debido al detalle con el cual las muestras deben ser analizadas. No solamente hay muchas muestras que estudiar, sino también hay múltiples dimensiones a considerar. D´Arcy Thompson utilizaba mayormente mapas lineales y cuadráticos para comparar diferentes formas de vida. Los mapas lineales entre dos formas requieren cuatro variables de coeficiente, mientras que los mapas cuadráticos usan diez variables.

Thompson escribió en “Sobre el crecimiento y la forma”, “Yo se que en el estudio de cosas materiales, número, orden, y posición son los tres indicios para un conocimiento exacto: y que estos tres, en manos de matemáticos, suministran los primeros contornos para un bosquejo del Universo”.

Bosquejos de Thompson, de un cráneo humano, uno de chimpancé y uno de babuino, recubiertos con una grilla matemática.

Mientras Thompson y otros biomatemáticos usaron casi exclusivamente distorsiones lineales y cuadráticas para estudiar cómo las formas de vida cambian a lo largo del tiempo, es improbable que formas de vida tan complejas por todo el Universo sean confinadas a estas relaciones estadísticas estrechas. En una ponencia presentada el último Septiembre, en la conferencia por el 50 aniversario de D´Arcy Thompson, en Dundee, Escocia, Noever preguntó: “¿Qué hubiera pasado si D´Arcy hubiera tenido una computadora?”

Cuando D´Arcy Thompson introdujo la idea de estudiar organismos por sus formas geométricas, sólo podía dibujar figuras a mano. Las computadoras de hoy pueden llevar la investigación de Thompson mucho más lejos. Mediante repetidas comparaciones y contrastes de imágenes aprehensibles una máquina D´Arcy podría ampliar los capítulos del proyecto Libro de la Vida y darnos una versión interplanetaria del clásico de D´Arcy Thompson “Sobre el crecimiento y la forma”

El especialista de misión Richard Linneham consigue combatir los efectos de la microgravedad a bordo del transbordador espacial Columbia.

Las computadoras con inteligencia artificial que utlicen redes neurales proveen más oportunidades de responder las preguntas complejas de la astrobiología. La evolución no lineal de la inteligencia artificial está capacitada para manejar el aprendizaje de múltiples patrones o imágenes. Las computadoras con inteligencia artificial podrían dar cabida a diferentes variables influyentes (tales como la gravedad) que cambian a escalas mucho mayores de lo que una variancia lineal puede incluir. Los cambios en los efectos de la gravedad sobre un cuerpo pueden ocurrir, por ejemplo, cuando los humanos van al espacio exterior. Los astronautas a menudo experimentan retención de fluidos, excesiva descalcificación ósea y debilitamiento muscular, debido a los efectos de la microgravedad.

La red neural en Marshall será capaz de procesar rápidamente los complejos computacionales necesarios para analizar matemáticamente las formas de la vida (morfometría). Si alguien usara continuamente una calculadora de mano para tabular exactas conexiones lineales, a un promedio de un cálculo por segundo le tomaría cuarenta años finalizar mil millones de cálculos. La computadora basada en Linux en Marshall acelera este proceso dramáticamente, procesando más de mil millones de conexiones por segundo.

Escribiendo el Libro de la Vida interplanetario.
Las poderosas capacidades de la máquina de clasificación de D´Arcy, podrían también ser usadas para estudiar y catalogar imágenes de 14 meteoritos marcianos conocidos. La masa total a ser escaneada excede los 20 kg. (44 libras), así que si se incluyen imágenes a escala microscópica en proyectos futuros (1 micrón es una millonésima de metro, o 1/25 000 de una pulgada) las capacidades combinadas de manipulación de imágenes para clasificación biogénica excederá varios millones de fotogramas.

“Buscar formas de vida en rocas de Marte significa analizar microfósiles –de un posible tamaño microscópico- tan pequeños que 50 000 de ellos podrían caber en el ancho de una sola hebra de cabello humano”, dijo Noever.

El meteorito de AllanHills (ALH 84001) descubierto por AMNSET, es considerado originario de Marte. Un posible microfósil hallado en una muestra del meteorito mide menos de 1/100 del ancho de un cabello humano.

Basados en su desempeño anterior, los equipos de campo del meteorito antártico (ANSMET) están seguros de recuperar al menos 1,000 meteoritos durante los próximos tres años. Aunque es probable que solo una pequeña fracción de estos meteoritos serán de interés científico, AMNSET ya ha descubierto 28 meteoritos que a menudo se emplean para estudio. Desde 1976, trescientos uno investigadores representando 24 países han recibido más de 10,800 muestras de meteoritos.

Para poner esta escala de adquisición y búsqueda por computadora en contexto, compare con el desafío de la creación en 1996 de la película animada “Toy Story”. Le tomó cerca de 3 horas a una supercomputadora procesar cada uno de los 140,000 fotogramas de aquel film. El reto de clasificar imágenes de formas de vida constituye una tarea que excede la creación demás de 10,000 films de animación computarizada de alta calidad.

La vida no es algo fácil de definir. Ahora mismo estamos encontrando formas de vida en la Tierra que nunca antes pensamos posible. Extremófilos (bacterias que viven en medioambientes extremos) han sido recientemente hallados viviendo en respiraderos hidrotermales y en ambientes altamente salinos –áreas que se pensaba eran totalmente inhóspitas para la vida. En 1997, Stephen Zinder de la Universidad de Cornell descubrió la existencia de bacterias que proliferan en solventes ásperos percloroetileno y triclorido de etileno, que se usan para limpiar componentes de máquinas. Una bacteria amante del ácido, la Sulfolobus acidocaldarius, puede vivir bajo condiciones que disolverían la piel humana en segundos.

Mediante el empleo de la máquina de D´Arcy para empezar un estudio morfométrico de vida microbiana en la Tierra, algún día remotos y automatizados instrumentos podrán ser capaces de identificar vida en otras partes del Universo, cualquiera sea la forma que la vida pueda adoptar.

El Libro de la Vida tiene muchas Asignaturas Hay muchos detalles que aportan la respuesta a la pregunta ¿Qué es la vida? La siguiente es una lista abreviada de algunas de las propiedades básicas de la vida en la Tierra. Simetrías: bilateral, asimetría, posterior / anterior, radial (medusa, estrella de mar), interna / externa (los humanos tienen simetría externa, pero los órganos internos no son simétricos)... Apéndices: amébicos extensibles, ciliados (con movimientos de barrido similares a un cepillo), patas adjuntas, cola flagelada (para retro- propulsión)…. Comportamientos: locomoción o propulsión (dependiendo de la gravedad, medio ambiento fluido o gaseoso, presión), metabolismo (alimentación y respiración), medios de comunicación, huída de la muerte... Sistema nervioso: difuso (invertebrados), anillo nervioso central (estrella de mar), cordón espinal dorsal (vertebrados)… Sensibilidad a la luz (visión): infrarroja (serpientes), ultravioleta (polillas, abejas), luz polarizada (pulpo)… La percepción sensorial de movimiento, temperatura, posición, gases (tales como oxígeno o dióxido de carbono), determinadas sustancias químicas, vibraciones y electricidad, varían ampliamente entre los organismos. Algunas percepciones de los sentidos parecen operar de manera colectiva o cooperativa, como en el caso de las hormigas guerreras, termitas o abejas, donde la inteligencia grupal es mayor que el conocimiento del organismo individual.