El ADN y la difracción

Hace tiempo, cuando ya me interesaba por la ciencia, leí que Watson y Crick descubrieron la estructura de doble hélice del ADN utilizando "difracción de rayos X". Así. Sin más. Como si por la calle fuera lo más normal que la gente supiera qué es un experimento de difracción, y encima de rayos X. Lo que no sabía entonces es que unos años más tarde acabaría dando una charla en el lugar donde se realizaron los experimentos que llevaron a estos científicos a descubrir la estructura de doble hélice del ADN: el King's College. No pude evitar hacer fotos, cual turista, de la vitrina donde aparecía el resultado de uno de aquellos experimentos. Pero volvamos al principio y expliquemos qué es un experimento de difracción y para qué sirve.

placa conmemorativa a la entrada del king´s college

El ombligo

Para que la explicación sea más placentera, imaginemos que estamos en una playa sumergidos en el agua del mar hasta la altura de la cintura. El nombre de la playa no es importante para lo que sigue de explicación. Si nos llega una sucesión de olas nuestro cuerpo se verá sumergido en el agua periódicamente por encima y por debajo de la cintura. Imaginemos ahora que donde estamos nos llegan dos frentes de olas que suben y bajan a la vez en el punto donde nos encontramos. No es difícil deducir, que lo que pasará es que la altura a la que nos llegará el agua será el doble, tanto por encima como por debajo de la cintura. Es decir, las olas se suman duplicando su amplitud en vertical. Diremos entonces que en el punto donde estamos las olas están interfiriendo constructivamente. Supongamos por el contrario que donde estamos llegan dos frentes de olas de modo que cuando una baja, supongamos 10 centímetros, la otra aumenta el nivel del mar 10 centímetros: 10 cm - 10 cm = 0 cm. Es decir en el punto donde estamos, a pesar de recibir dos olas, no percibiremos que la altura del mar varíe. Las olas se anulan. Diremos entonces que la interferencia entre las dos olas es destructiva.

Calculando distancias con ondas

Las ondas circulares que se generan por los dos agujeros de la pared vertical interfieren destructiva y constructivamente dependiendo de donde pongamos el detector. Cambiemos el paisaje ahora por un lago. De nuevo su nombre es irrelevante. Imaginemos ahora que las olas que nos llegan están generadas por dos piedras que se lanzan contra la superficie del agua y que chocan en dos puntos diferentes a la vez. Que choquen a la vez sí que es importante para que no intervenga el retardo de una ola respecto a la otra en nuestro experimento mental. En este caso, es posible saber la distancia entre las piedras sabiendo la altura a la que nos estamos mojando. Si la diferencia de la distancia entre nosotros y cada una de las piedras que generan las ondas es de la mitad de la longitud de onda (es decir, de la distancia entre cresta y cresta) no notaremos las olas, puesto que cuando una sube la otra baja. Si la distancia a ambas es la misma, o si difiere en una longitud de onda entera, notaremos que nos mojamos a una altura el doble que con una sola onda. Es decir: podemos inferir (de una forma más o menos compleja) la distancia entre las dos piedras a partir de la intensidad de la suma de las dos ondas que nos llegan.

El segundo ingrediente que necesitamos para entender en qué se basa la difracción de rayos X es que al iluminar átomos con ondas electromagnéticas, estos átomos (sus electrones para ser más precisos) se convierten a su vez en emisores de ondas electromagnéticas. Por tanto si iluminamos un material con rayos X, cada uno de sus átomos actuará como una piedra que cae en un lago emitiendo una onda... ¡pero en tres dimensiones! Si ahora disponemos de un detector a una cierta distancia del material (este papel lo jugaba nuestro sensor umbilical en el ejemplo anterior) podemos llegar inferir la distancia a la que estaban los emisores... si tenemos una combinación genial de imaginación e inteligencia como la tuvieron Watson y Crick al analizar los difractogramas obtenidos en el King's College por, entre otros científicos, Rossalind Franklin.

Un galimatías de ondas

En un experimento de difracción tenemos, por tanto, tantos emisores como átomos en la muestra, y lo que obtenemos a partir de la interferencia del galimatías de ondas es la probabilidad de que dos átomos estén a una cierta distancia. De hecho, si todos los átomos estuvieran distribuidos homogéneamente, la distribución de probabilidad sería plana, y así lo sería la señal obtenida en el experimento de difracción. Siguiendo con el ejemplo del lago: si tiramos muchas piedras al azar simultáneamente nos mojaríamos con igual probabilidad cualquier parte del cuerpo por encima y debajo del ombligo. Por tanto en un sistema "desordenado" como un líquido deberíamos obtener una señal aburridamente constante, pero no es así... pero esto es otra historia y debe ser contada en la próxima entrada del blog.

Difractograma obtenido en el King´s College de una muestra de ADN

Agradecimientos para la segunda figura de esta entrada:

"Doubleslit3Dspectrum" by Lookang many thanks to Fu-Kwun Hwang and author of Easy Java Simulation = Francisco Esquembre - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Doubleslit3Dspectrum.gif#/media/File:Doubleslit3Dspectrum.gif
Luis Carlos Pardo
Luis Carlos Pardo

Investigador del Grupo de Caracterización de Materiales y profesor del grado en Ingeniería Física del ETSETB y de la escuela de ingeniería EEBE. Escritor de divulgación científica y participante en varios certámenes dedicados a acercar la ciencia al gran público. También es tutor de numerosos proyectos de investigación con estudiantes: la siguiente generación de científicos.

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Sobre este blog

La vida escogió el desorden de los líquidos para empezar. En este blog hablaremos de sistemas desordenados y de cómo los científicos intentan poner orden a sus ideas.

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