Una nueva metodología matemática, los investigadores del MIT han creado una analogía con rigor científico que muestra las similitudes entre la estructura física de la seda de araña y la estructura sonora de una melodía, lo que demuestra que la estructura de cada uno se relaciona a su función de forma equivalente.La comparación paso a paso comienza con los bloques de construcción principales de cada elemento – un aminoácido y una onda de sonido – y se mueve hasta el nivel de un nanocompuesto de láminas beta (la estructura secundaria de una proteína que consiste en repetir patrones jerárquicos de los conjuntos de proteínas) y un riff musical (un patrón de notas o acordes). El estudio explica que los patrones estructurales están directamente relacionados con las propiedades funcionales de peso ligero en la seda de araña y, en el riff, la tensión sonora que crea una respuesta emocional en el oyente.
Mientras que la comparación de la seda de araña y la composición musical puede parecer más novedad que la brecha, la metodología detrás de él representa un nuevo enfoque para la comparación de los resultados de la investigación en diferentes campos científicos. Estas analogías pueden ayudar a los ingenieros desarrollar materiales que hacen uso de los patrones de repetición de bloques de construcción simples que se encuentran en muchos materiales biológicos que, al igual que la seda de araña, son ligeros y muy resistentes al fracaso. El trabajo también sugiere que los ingenieros puedan obtener nuevos conocimientos sobre los sistemas biológicos a través del estudio de las relaciones estructura-función en la música y otras formas de arte.
Los investigadores del MIT – David Spivak, un asociado postdoctoral en el Departamento de Matemáticas, Profesor Markus Buehler, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) y el estudiante graduado de Europa central y oriental Tristan Giesa – publicaron sus hallazgos en la edición de diciembre de BioNanoScience.
Ellos crearon la analogía con los registros de la ontología, o “ologs”, un concepto introducido hace aproximadamente un año por Spivak, que se especializa en una rama de las matemáticas llamada teoría de la categoría. Ologs proporcionar un medio abstracto para la clasificación de las propiedades generales de un sistema – se trate de un material, concepto matemático o fenómeno – y que muestra las relaciones inherentes entre la función y estructura.
Para construir el ologs, los investigadores utilizaron información de estudios previos Buehler de la nanoestructura de la seda de araña y otros materiales biológicos.
“Hay creciente evidencia de que patrones similares de características materiales en la nanoescala, como los cúmulos de enlaces de hidrógeno o las estructuras jerárquicas, gobiernan el comportamiento de los materiales en el entorno natural, sin embargo, no pudo demostrar matemáticamente la analogía entre los diferentes materiales”, Buehler , dice. “El olog nos permite recopilar información acerca de cómo los materiales de funcionar de una manera matemáticamente rigurosa e identificar a los patrones que son comunes a una clase muy amplia de materiales de su potencial para la ingeniería del medio ambiente construido. – En el diseño de nuevos materiales, estructuras o infraestructura – es inmenso “.
“Este trabajo es muy emocionante porque da a luz un enfoque basado en la teoría de la categoría a la música del puente (y posiblemente otros aspectos de las bellas artes) a un nuevo campo de materiomics”, dice el Profesor Asociado de Ingeniería Biomédica Joyce Wong de la Universidad de Boston, un biomateriales científico e ingeniero, así como un músico. “Este enfoque es particularmente apropiado para el diseño jerárquico de las proteínas, ya que muestran en el ejemplo de la seda. Lo que es particularmente interesante es la oportunidad de revelar nuevas relaciones entre los campos aparentemente dispares, con el objetivo de mejorar la ingeniería de los materiales y diseño.”
A primera vista, un olog puede parecer simple, como un gráfico de organización empresarial que muestra las relaciones de información utilizando las flechas de dirección. Sin embargo, la demanda ologs rigor científico para romper un sistema de abajo en sus fundamentos más básicos estructurales, definir las propiedades funcionales de los bloques de construcción a sí mismos con respecto a la otra, muestra cómo la función surge a través de las interacciones de los bloques de construcción “, y hacerlo en un auto compatibles con la forma. Con esta estructura, dos o más sistemas pueden ser formalmente en comparación.
“El hecho de que un hilo de araña es lo suficientemente robusta como para evitar una falla catastrófica, aun cuando exista algún defecto puede ser explicado por la composición material de muy distintas de las fibras de seda de la araña”, dice Giesa. “Es emocionante ver que los teóricos de música observó el mismo fenómeno en su campo, probablemente sin el conocimiento del concepto de tolerancia al daño en los materiales. Eliminación de los acordes solo a partir de una secuencia armónica a menudo tiene un efecto mínimo en la calidad armónica de toda la secuencia . ”
“La brecha aparentemente increíble entre la seda de araña y la música no es más ancha que la brecha entre los dos diferentes campos matemáticos de la geometría – pensar en triángulos y esferas – y el álgebra, que utiliza variables y ecuaciones”, dice Spivak. “Sin embargo, el primer éxito de la teoría de categorías – en la década de 1940 – fue expresar una analogía matemática rigurosa entre estos dos ámbitos y que se utilizan para probar nuevos teoremas acerca de formas geométricas complejas mediante la importación de los teoremas de álgebra existentes Queda por ver si nuestra. olog dará resultados tan sorprendentes, sin embargo, la base de tal investigación ya está en marcha “.
El proyecto fue financiado por la Oficina de la Fuerza Aérea de los EE.UU. de Investigaciones Científicas, del Departamento de Defensa Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros, los EE.UU. Oficina de Investigación Naval y la Fundación Alemana para la Académica Nacional.
Fuente: euronews.es
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