Investigación y ciencia 301 - Octubre 2001

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OCTUBRE 2001800 PTA. 4,81 EURO

ORIGENES DEL CANIBALISMO AZNALCOLLAR, TRES AOS DESPUES

Autorreplicacinde las mquinas

25 aos de matemtica

Al-Biruni

Clulas cibernticas

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Octubre de 2001 Nmero 301

SECCIONES3

HACE...50, 100 y 150 aos.

36CIENCIA Y SOCIEDAD

Recursos pesqueros, Caribe...Neurodegeneracin,modelos animales...

Parasitofauna de la gaviotade Audouin...

Secretos lunares, deteccinde destellos colisionales.

42DE CERCA

Marea alta, marea baja.

Prehistoria del canibalismoTim D. White

Hasta hace poco eran escasas las pruebasde canibalismo en fsiles humanos, pero parece ahorafuera de toda duda que se trata de una prcticaarraigada en nuestro pasado.

El superordenador BeowulfWilliam W. Hargrove,Forrest M. Hoffman y Thomas SterlingSe ha encontrado un procedimientoeconmico para resolver problemascomputacionales de extrema dificultad:la interconexin de ordenadorespersonales para que trabajencoordinados.

La autorreplicacinde las mquinasMoshe Sipper y James A. Reggia

Engendran los pjaros, las abejas...podrn hacerlo algn da las mquinas?

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Edicin espaola de

SECCIONES84

JUEGOS MATEMTICOSLas matemticas

de la opinin pblica,por Juan M. R. Parrondo

87AVENTURAS PROBLEMTICAS

La moneda dlfica,por Dennis E. Shasha

88IDEAS APLICADAS

Electrnica de carga muscular,por Mark Fischetti

90NEXOS

Cavilaciones matinales,por James Burke

92LIBROS

Matemtica griega...Ciencia y gnero.

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TURNOS

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El accidente de las minas de AznalcllarEnrique Macpherson, Miguel Ferrer y Joan Grimalt

El mayor desastre ambiental ocurrido en Espaase produjo en las inmediaciones de una de lasreas protegidas ms emblemticas de Europa.Sus efectos negativos en el ecosistema ponende manifiesto la necesidad de un mayor rigoren el control ambiental de las actividadesmineras e industriales.

44 Clulas cibernticasW. Wayt Gibbs

Aunque los modelospor superordenador de las clulasdistan de ser perfectos,estn sacudiendo los cimientosde la biologa.

58 Siembra mortfera en LaosDaniel Lovering

Unos antiguos registros informticosde la guerra de Vietnam salvan vidashumanas en un pas asoladopor los bombardeos.

76 Al-Biruni, el sabioque Occidente ignorGotthard Strohmaier

Durante el florecimiento de la cienciaen el Oriente medieval, al-Biruni alcanzunos conocimientos que precedieronen siglos a los desarrolladosen Occidente.

64 El progreso de la matemticaen los ltimos 25 aosJ. M. Aroca Hernndez-Ros

En el postrer cuarto de siglo, la matemticaha vivido una poca de esplendor. Se hanregistrado avances espectaculares y se haproducido tambin un cambio de orientacin,lo mismo en su seno que en sus relacionescon otras ramas de la ciencia.

INVESTIGACION Y CIENCIADIRECTOR GENERAL Francisco Gracia GuillnEDICIONES Jos Mara Valderas, directorADMINISTRACIN Pilar Bronchal, directoraPRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn

Bernat Peso InfanteSECRETARA Purificacin Mayoral MartnezEDITA Prensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)

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SCIENTIFIC AMERICANEDITOR IN CHIEF John RennieMANAGING EDITOR Michelle PressASSISTANT MANAGING EDITOR Ricki L. RustingNEWS EDITOR Philip M. YamSPECIAL PROJECTS EDITOR Gary StixSENIOR WRITER W. Wayt GibbsEDITORIAL DIRECTOR, ON-LINE Kristin LeutwylerEDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, Graham P. Collins, Carol Ezzell,

Steve Mirsky, George Musser y Sarah SimpsonPRODUCTION EDITOR Richard HuntVICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNATIONAL Charles McCullaghPRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. TeichgraeberCHAIRMAN Rolf Grisebach

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Slim Films

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Fuente

Kay ChernushSamuel VelascoKay ChernushSamuel Velasco; cortesa delLaboratorio Nacional de OakRidgeDenis Finnin, Museo Americanode Historia NaturalDavid EmmiteGeorge Retseck1999 Delphine Aures EureliosDavid EmmiteEnrique Macpherson, MiguelFerrer y Joan GrimaltMinisterio de Medio Ambiente,Direccin General deConservacin de la NaturalezaLaboratorio RSGIS, Universidadde Granada, CSICEnrique Macpherson, MiguelFerrer y Joan GrimaltLaboratorio RSGIS, Universidadde Granada, CSICSlim FilmsJames AronovskySlim FilmsDavid BrillTim D. WhiteHulton-Deutsch Collection Corbis(arriba); Leonard de Selva Corbis(abajo)Mark LeongTom WolffMark LeongMark Leong (fotografa); cortesade Michael Sheinkman (mapa)Mark LeongJ. M. Aroca Hernndez-RosUwe ReichertMathematisch-PhysikalischerSalon, StaatlicheKunstsammlungen DresdenBiblioteca Universitaria deEdimburgo (arriba); BildarchivPreussischer Kulturbesitz, Berlin(abajo)Gotthard StrohmaierAtelier Khn/SdWBildarchiv PreussischerKulturbesitz; Benaki Museum,Athen (inserto)Gotthard Strohmaier (izquierda);Bildarchiv PreussischerKulturbesitz (derecha)Juan M. R. ParrondoJohn McFaulGeorge Retseck

COLABORADORES DE ESTE NUMEROAsesoramiento y traduccin:

Francisco Gracia Garca-Miguel: El superordenador Beowulf; Luis Bou: La autorreplicacinde las mquinas y Aventuras problemticas; Juan Pedro Campos: Clulas cibernticas;Carlos Lorenzo: Prehistoria del canibalismo; Francesc Castell: Al-Biruni, el sabioque Occidente ignor; J. Vilardell: Hace... e Ideas aplicadas; Jos M. Valderas Martnez: Nexos

Copyright 2001 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 2001 Prensa Cientfica S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)Reservados todos los derechos. Prohibida la reproduccin en todo o en parte por ningn mediomecnico, fotogrfico o electrnico, as como cualquier clase de copia, reproduccin, registro otransmisin para uso pblico o privado, sin la previa autorizacin escrita del editor de la revista.El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, as como el logotipo correspondiente,son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aqu.ISSN 0210136X Dep. legal: B. 38.999 76Filmacin y fotocromos reproducidos por Dos Digital, Zamora, 46-48, 6 planta, 3 puerta - 08005 BarcelonaImprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perptua de Mogoda (Barcelona)Printed in Spain - Impreso en Espaa

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Difusincontrolada

INVESTIGACIN Y CIENCIA, octubre, 2001 3

...cincuenta aos

ECONOMA DE PRODUCCIN YCONSUMO. Este artculo trata deun nuevo esfuerzo para combinarlos hechos con la teora econmica,llamado anlisis interindustrial ode produccin-consumo (input-output). Esencialmente es un m-todo de anlisis que se aprovechadel patrn, bastante estable, delflujo de bienes y servicios entrelos elementos de nuestra economapara presentar una imagen estads-tica mucho ms detallada. Este m-todo retrata no slo el estado deuna economa completa, sino tam-bin su estructura fina, represen-tando grficamente la produccinde cada industria en funcin de suconsumo en las dems. El mtodoha tenido que esperar hasta las mo-dernas computadoras de alta velo-cidad y tambin a la disposicindel gobierno y entidades privadaspara acumular montaas de datos.Wassily W. Leontief [Nota de laredaccin: Por su sistema, Leontiefgan el premio Nobel de econo-ma de 1973.]

...cien aos

VIVIENDAS MODELOS. Uno delos grandes problemas cuya solu-cin se requiere de las grandes ciu-dades es el alojamiento de los po-bres. Particularmente en Londres yNueva York, se est ahora dispen-sando atencin al problema, de-bido no slo del esp-ritu general de altruismo,sino tambin por el re-conocimiento de que losviejos mtodos para alo-jar a los pobres con-tribuan directamente ala expansin de la de-lincuencia y las enfer-medades. Al Departa-mento de Edificacin deNueva York se le hanpresentado los planosde una nueva viviendamodelo que se levan-tar en la avenida A y

las calles 78 y 79, por la Compaade Casas Suburbanas, una asocia-cin de industriales y filntroposcon sentido prctico. El edificio,de hermosa arquitectura, no tendrnada que ver con los repulsivoshabitculos tan corrientes en losdistritos congestionados.

SAURIOS AMERICANOS. La reginde las Llanuras del Oeste, vast-sima, es el paraso de los paleon-tlogos, pues all vivieron y mu-rieron innmeras generaciones dereptiles que antao poblaron laTierra. El profesor Edward DrinkerCope, famoso paleontlogo, ha pro-porcionado una descripcin muygrfica del elasmosaurio. En el an-tiguo mar, pudo haberse divisadouna enorme figura reptiliforme quese alzaba sobre la superficie y per-maneca erguida mostrando una gar-ganta cnica y una cabeza afle-chada. Al sumergirse por entero,percibiramos la espuma generadapor su masa poderosa. Un cuelloextraordinario se proyectaba desdeun cuerpo de proporciones elefan-tinas. Presentaba por extremidadesdos pares de aletas como las delos pleisosaurios, de los que estebuceador difera principalmente enla disposicin de los huesos deltrax.

DAISY, DAISY. El doctor Marageha construido un aparato que es unpaso hacia la produccin de unamquina parlante que funcione, aun-

que se limita a generar vocales (v-ase ilustracin). En la produccindel sonido desempean un papelimportante, con la laringe, las me-jillas, que contribuyen con las ar-monas que dan a la voz su ca-rcter. El doctor Marage ha construidoun aparato, empleando la sustanciaplstica que usan los dentistas, parareproducir el interior de la boca deuna persona cuando sta pronuncialas diferentes vocales.

...ciento cincuenta aos

KAYAK. La expedicin nortea-mericana al Artico ha retornadocon muchas curiosidades de las re-giones septentrionales de la Bahade Melville y Groenlandia. Las em-barcaciones de los esquimales sonunas curiosas piezas de construc-cin naval. Las fabrican tensandopieles de foca sobre un armaznligero de madera. Su longitud esde algo ms de tres metros y me-dio por unos 35 cm de ancho. Conun diestro movimiento del remo,los expertos remeros vuelcan porcompleto su barca, para emergerpor el otro costado. Con tan fr-giles embarcaciones se divierten ar-poneando focas con el tiempo msborrascoso.

PRODUCCIN EN MASA. Nues-tros ancestros hacan los objetospara que durasen ms de un in-vierno. Si ahora queremos artcu-los slidos y duraderos hay que

pagar buenas cantida-des de dinero, como an-tao. Las medias y lospaos de esa clase sedespachan con una des-treza sorprendente, y semanufacturan en tiem-pos brevsimos, pero lostrabajos de punto denuestras abuelas, losidolatrados calcetinesque tejan en los tela-res con sus dedos tem-blorosos, valen por unadocena de las prendasmodernas.

HACE...

La mquina parlante, 1901

El superordenador William W. Hargrove,Forrest M. Hoffmany Thomas Sterling

1. AGRUPACION de ordenadores per-sonales en el Laboratorio Nacional deOak Ridge en Tennessee. Por su ca-rcter artesanal se le ha dado el nom-bre de superordenador de piedra.

Beowulf Se ha encontradoun procedimiento econmicopara resolver problemascomputacionales de extremadificultad: la interconexinde ordenadores personalespara que trabajen coordinados

6 INVESTIGACIN Y CIENCIA, octubre, 2001

n el famoso cuento de lasopa de piedras, un sol-dado perdido se detiene enun villorrio, donde alardeade su capacidad para ha-cer una sopa con slo agua

y un canto pulido. Los habitantesdel pueblo, inicialmente escpticos,acaban, compasivos, trayendo pe-queas aportaciones: el corazn deun repollo, un manojo de zanaho-rias, un trozo de carne, etctera.Al final, el caldero contiene sopasuficiente para saciar a todos. Lamoraleja a extraer es inmediata:con la cooperacin se alcanzan re-sultados notables, aun cuando separta de contribuciones pequeas,a simple vista insignificantes.

Los investigadores recurren a unaestrategia similar de cooperacinpara construir superordenadores, laspotentes mquinas que realizan mi-les de millones de clculos por se-gundo. En su mayora hacen usodel procesamiento en paralelo; cons-tan de numerosos microprocesado-res de alta velocidad que trabajanen tndem para resolver problemasde la complejidad de la previsindel tiempo o la simulacin de ex-plosiones nucleares. Fabricados porIBM, Cray y otras empresas, cues-tan decenas de miles de dlares,un precio prohibitivo para los gru-pos de investigacin con modestopresupuesto. No les ha quedadootro remedio a las universidades ylaboratorios estatales que aprendera construir sus propios superorde-nadores. Cmo? Mediante la in-terconexin de ordenadores perso-nales y la elaboracin de programasque permiten que estos computa-dores de mesa resuelvan proble-mas enrevesados.

En 1996 dos de los autores (Har-grove y Hoffman) nos hallbamosen un apuro as. Trabajbamos enel Laboratorio Nacional de OakRidge (ORNL) en Tennessee. Nosproponamos levantar un mapa na-cional de ecosistemas regionales,definidos por condiciones ambien-tales: todas las zonas con el mismoclima, estructura geolgica y ca-ractersticas del suelo se englobanen la misma ecorregin. Para levan-tar un mapa de alta resolucin delos estados contiguos de la Unin,dividimos el pas en 7,8 millonesde celdas cuadradas, cada una con

una superficie de un kilmetro cua-drado. Para cada celdilla haba quetomar en cuenta 25 variables, queiban desde la precipitacin men-sual media hasta la concentracinde nitrgeno en el suelo. Una ta-rea imposible de realizar por unsolo ordenador personal o estacinde trabajo. Se requera un super-ordenador de procesado en para-lelo, que, adems, estuviera a nues-tro alcance.

Optamos por formar una agru-pacin o batera de ordenadoresanticuados, de los que el ORNLse hubiera desprendido en cual-quier caso. Lo apodamos supe-rordenador de piedra, pues lo cons-truimos sin apenas gastar un centavo.Ello no obstaba para que nuestraagrupacin de ordenadores perso-nales (en adelante PC) encerrarapotencia suficiente para cartogra-fiar las ecorregiones con una pre-cisin sin precedentes. Otros gru-pos de investigadores han generadoluego agrupaciones ms potentesque rivalizan con el comportamientode los mejores superordenadores aslo una fraccin del coste de s-tos. Tan ventajosa relacin presta-ciones-precio ha llamado la aten-cin de algunas compaas, quepiensan ya servirse de agrupacio-nes para tareas de cierto nivel decomplejidad, por ejemplo la deco-

dificacin del genoma humano. Nonos cabe la menor duda de que laimplantacin de agrupaciones deordenadores provocar una revolu-cin en el campo de los ordena-dores, al proporcionar un enormepoder de procesamiento a cualquierequipo de investigacin, universi-dad o negocio que lo desee.

Beowulf y Grendel

La idea de la interconexin deordenadores no constitua, ens misma, ninguna novedad. En losaos cincuenta y sesenta, el ejr-cito norteamericano del aire ten-di la SAGE, una red de ordena-dores de vlvulas de vaco paraprotegerse de un inesperado ata-que nuclear sovitico. A mediadosde los ochenta, Digital EquipmentCorporation acu el trmino clus-ter (agrupacin) al integrar susminicomputadoras de gama mediaVAX para formar un sistema ma-yor. Las redes de estaciones detrabajo por lo general menos po-tentes que las minicomputadoras,aunque ms rpidas que los PCse convirtieron en algo comn enlos centros de investigacin. A prin-cipios de los noventa, los cient-ficos empezaron a plantearse lacreacin de agrupaciones de PC,inducidos en parte por el bajo coste

NODOPUNTA DE LANZA

REDES ETHERNET

E

El superordenador de piedra del Laboratorio Nacional de Oak Ridgeconsta de ms de 130 PC enlazados entre s para formar una agrupacin.Una de las mquinas desempea la labor de punta de lanza para la agrupa-cin; cuenta con dos tarjetas Ethernet, una para comunicarse con los usua-rios y redes externas y otra para la comunicacin con el resto de los nodosde la agrupacin. El sistema resuelve los problemasmediante el procesado en paralelo: divide lacarga operacional en multitud detareas, asignadas a los nodos.Los PC coordinan sustareas y compar-ten resultadosintermedios atravs del in-tercambio demensajes.

UNA AGRUPACION DE ORDENADORES

asociado a la produccin en masade sus microprocesadores. Pero loque reforz el atractivo de esa ideafue la cada del precio de Ether-net, la tcnica dominante en la in-terconexin de ordenadores en re-des de rea local.

Los avances en la programacinfacilitaron tambin el advenimientode las agrupaciones de varios PC.En los aos ochenta, Unix se eri-gi en el sistema operativo domi-nante para la computacin cient-fica y tcnica. Por desgracia, lossistemas operativos instalados enlos PC carecan de la potencia y

de la flexibilidad de Unix. Pero en1991 un universitario finlands, Li-nus Torvalds, cre el Linux, unsistema operativo similar a Unix yque funcionaba en los PC. Tor-valds permiti que su sistema ope-rativo fuera accesible de maneragratuita en Internet; en muy pocotiempo, cientos de programadorescomenzaron a aportar mejoras. Elsistema operativo Linux, que gozahoy de gran difusin entre los or-denadores independientes, resultamuy adecuado para agrupacionesde PC.

La primera agrupacin de PC na-ci en 1994 en el Centro Goddardde Vuelos Espaciales. La NASA, ala que pertenece dicha entidad, an-daba buscando una solucin paralos complicados problemas com-putacionales asociados a las cien-cias de la Tierra y del espacio.Necesitaba una mquina capaz dealcanzar un gigaflop, es decir, rea-lizar mil millones de operacionesde coma flotante por segundo. (Unaoperacin de coma flotante es equi-valente a un clculo simple comola suma o la multiplicacin.) Enaquel entonces, un superordenador

comercial capaz de alcanzar estavelocidad vena a costar un millnde dlares, y dedicarlo a un sologrupo de investigadores resultabaderrochador.

El tercero de los autores (Ster-ling) decidi adentrarse en el sis-tema de agrupaciones de PC, unplanteamiento reputado radical enaquel entonces. Con Donald J. Bec-ker, compaero suyo en el God-dard, Sterling conect 16 PC, cadauno de los cuales contena un mi-croprocesador Intel 486; emplearonel sistema Linux y una red Ether-net estndar. Para aplicaciones cien-tficas, esta agrupacin de PC al-canzaba los 70 megaflop, o sea,70 millones de operaciones de comaflotante por segundo. Aunque nosparezca poco de acuerdo con losestndares actuales, esa velocidadno era mucho menor que la de al-gunos superordenadores comercia-les de aquel momento. La agru-pacin se construy, adems, con40.000 dlares, la dcima parte delprecio de una mquina comercialcon caractersticas similares en 1994.

Los investigadores de la NASAlo denominaron Beowulf, en re-


WILLIAM W. HARGROVE, FO-RREST M. HOFFMAN y THOMASSTERLING han participado en el de-sarrollo del sistema Beowulf. Har-grove trabaja en el departamento defsica e ingeniera de la computacindel Laboratorio Nacional Oak Ridge(ORNL) en Tennessee, en cuyo de-partamento de ciencias ambientalesHoffman, especialista en ordenadores,presta sus servicios. Sterling cre laprimera agrupacin Beowulf mientrasinvestigaba en el Centro Goddard deVuelos Espaciales de la NASA. Hoyse halla adscrito al Instituto de Tec-nologa de California.

Los autores

2. SISTEMA formado por monitor y teclado para resolver los problemas quepuedan surgir en el funcionamiento correcto del superordenador de piedra.


A

B

C

D

Posicin fisiogrfica

LLUVIA MATERIAORGANICA

Nutrientes vegetales

Temperatura

Para levantar el mapa de las ecorregiones de losestados contiguos de la Unin, nuestro superor-denador de piedra compar 25 variables ambientalesde 7,8 millones celdas de un kilmetro cuadrado.A modo de ejemplo, considrese la clasificacin de nue-ve celdas basada en slo tres variables (temperatura,precipitacin y materia orgnica contenida en elsuelo). La figura A muestra la forma en quela agrupacin de ordenadores perso-

nales representara las celdas en un espacio de da-tos tridimensional y las agrupara en cuatro ecorre-giones. El mapa de cuatro regiones divide la nacinen zonas reconocibles (figura B); el mapa que divideel pas en 1000 ecorregiones proporciona ms deta-lle (C ). Otra aproximacin es la representacin de las

tres caractersticas con una gradacin de rojo,verde y azul (D).

CARTOGRAFIA CON EL SUPERORDENADOR DE PIEDRA

TEMPERATURA

ferencia al joven hroe de la le-yenda altomedieval que derrot algigante Grendel arrancndole unode sus brazos. Con ese nombre sedesigna ahora toda agrupacin eco-nmica e integrada por PC co-merciales. En 1996 aparecieron dosdescendientes de la primera agru-pacin Beowulf: Hyglac (cons-truido por investigadores del Ins-tituto de Tecnologa de Californiay del Laboratorio de Propulsin aChorro) y Loki (montado en elLaboratorio Nacional de Los Ala-mos). Cada agrupacin constabade 16 microprocesadores Intel Pen-tium Pro. Con un coste inferior a50.000 dlares, alcanzaron un ren-dimiento sostenido de ms de ungigaflop; cubrise as el objetivode la NASA.

El sistema Beowulf se nos ofre-ca como la solucin perfecta parael problema que nos ocupaba, elmapa ecolgico regional de losEE.UU. Con una sola estacin detrabajo apenas podramos manejarlos datos de unos pocos estados;adems, no caba el recurso deasignar diferentes regiones a esta-ciones de trabajo distintas, todavez que deban compararse y pro-cesarse simultneamente los datosambientales de cada seccin delpas. En otras palabras, necesit-bamos un sistema de procesamientoen paralelo. En 1996 formalizamosuna solicitud de 64 nuevos PC conmicroprocesadores Intel Pentium IIpara construir un superordenadorBeowulf. Pero al tribunal evaluadorde nuestra propuesta en el ORNLle pareci implausible y la rechaz.

No nos rendimos. Presentamosun proyecto alternativo. Sabamosque los PC arrinconados que elDepartamento de Energa tena enOak Ridge se sustituan con mo-delos modernos. En una pgina webinterna se anunciaban los PC an-tiguos y se subastaban como ma-terial sobrante. Tras un rpido es-carceo descubrimos la existenciade centenares de ordenadores an-ticuados, esperando la salida men-cionada. Quiz podramos construiras nuestra agrupacin Beowulf conmquinas que, concedidas sin costealguno, reciclaramos. Habilitamosuna sala del ORNL donde antaohaba instalado un ordenador, y nosdedicamos a recoger los PC so-

brantes para montar nuestro su-perordenador de piedra.

La tiendade la ganga digital

La computacin en paralelo segua por el principio del di-vide y vencers. Un sistema deprocesado en paralelo secciona unproblema complejo en mltiples ta-reas de componentes menores. Es-tas tareas se asignan a los dife-rentes nodos del sistema porejemplo, los PC que componen unaagrupacin Beowulf, que reali-zan su cometido de manera si-multnea. De la naturaleza del pro-blema depender el rendimiento delprocesamiento en paralelo. Un fac-tor a tener en cuenta es con qufrecuencia deben los nodos comu-nicarse entre s para coordinar sutrabajo y compartir resultados par-ciales. Hay problemas que requie-ren dividirse en un nmero ingentede tareas minsculas; puesto quetales problemas desmenuzados ne-cesitan un intercambio frecuente deinformacin, no son adecuados paraprocesado paralelo. Pero los pro-blemas menos sutiles s pueden re-partirse en porciones mayores. Ade-ms, al no demandar tantainterconexin entre nodos, admitenpresta solucin con sistemas deprocesamiento en paralelo.

A la hora de formar una agru-pacin Beowulf se han de decidirvarios aspectos de diseo del sis-tema. Para conectar los PC pode-mos emplear redes Ethernet estndaru optar por soluciones especializa-das, Myrinet por ejemplo. Por mo-tivos presupuestarios escogimos lasolucin Ethernet, que es gratuita.Seleccionamos un PC que valierade punto de acceso del agrupa-miento; instalamos en l dos tarje-tas Ethernet, una para la comuni-cacin con usuarios externos y laotra para la comunicacin con elresto de los nodos, que quedaranconectados en su propia red pri-vada. A travs del intercambio demensajes entre los distintos PC secoordinan las tareas. Las dos biblio-tecas ms utilizadas para el inter-cambio de paquetes son la interfazde mensajera (MPI, de message-passing interface) y la mquinavirtual paralela (PVM, de parallel

virtual machine), ambas disponi-bles de manera gratuita en Inter-net. En nuestro superordenador depiedra operan ambos sistemas.

Muchas agrupaciones Beowulfson homogneas: todos los PC tie-nen los mismos componentes y mi-croprocesadores. Esta uniformidadsimplifica la gestin y el manejode la agrupacin, pero no se tratade un requisito imprescindible. Nues-tro superordenador de piedra con-tara con una mezcolanza de tiposy velocidades de procesador, puesqueramos aprovechar cualquierequipo que se nos concediera. Em-pezamos con modelos PC que con-tenan procesadores Intel 486, aun-que luego slo se incorporaronequipos basados en Pentium conal menos 32 megabytes de RAMy 200 megabytes de capacidad dealmacenamiento en disco duro.

De entrada, no abundaban losejemplares que estuvieran a la al-tura de nuestros objetivos. Huboque combinar los mejores compo-nentes de diferentes PC y conver-tir a stos en nodos de nuestro sis-tema. Cada vez que abramos unamquina sentamos la curiosidaddel que desenvuelve un regalo decumpleaos. Tendra un buen discoduro, gran cantidad de memoria ouna placa madre ampliada (el me-jor de los casos), y se nos habadonado por equivocacin? En nu-merosas ocasiones slo encontr-bamos un trasto exhausto con elventilador cubierto de polvo.

Una vez desatornillado el esp-cimen, anotbamos sus componen-tes en una etiqueta para facilitarluego la extraccin de las piezasde inters. Establecimos una se-leccin de marcas, modelos y cu-biertas preferidas y nos converti-mos en expertos descerrajeros delas claves configuradas por sus an-tiguos dueos. En promedio habaque desventrar cinco PC para cons-truir un buen nodo.

A medida que cada nuevo nodose incorporaba a la agrupacin, lecargbamos el sistema operativo Li-nux. Dimos pronto con la formade montar el ordenador sin nece-sidad de incorporarle monitor y te-clado. Construimos un ingenio ca-paz de determinar el problema deun nodo deficiente. Nuestro supe-rordenador de piedra ejecut su pri-


mer cdigo en 1997. En mayo de2001 constaba ya de 133 nodos:75 PC con microprocesadores Intel,53 mquinas ms rpidas, basadasen Intel-Pentium, y cinco estacio-nes de trabajo Alpha de Compaq,ms cleres an que las anteriores.

No entraa especial dificultad elir actualizando nuestro superorde-nador. Se empieza por reemplazarlos nodos ms lentos. Dentro delas tareas de gestin de la agru-pacin, cada nodo se somete a unaprueba sencilla de velocidad cadahora. La jerarquizacin de los no-dos en razn de su velocidad nosayuda a tener un control estrictode la agrupacin. A diferencia delas mquinas comerciales, el fun-cionamiento del superordenador depiedra siempre va a mejor, graciasa la aportacin incesante de ac-tualizaciones gratuitas.

Resolucin de problemasen paralelo

La programacin en paralelo re-quiere habilidad e ingenio.Puede constituir un reto mayor quela propia conjuncin de ordenado-res para crear el sistema Beowulf.Por modelo de programacin acos-tumbra recurrirse a aplicaciones deltipo cliente-servidor. En l, un nodo,que acta como cliente, dirige elprocesado desarrollado por otro ovarios ms nodos servidores. No-sotros ejecutamos el mismo soft-ware en todos los nodos que in-tegran el superordenador de piedra;asignamos secciones diferentes decdigo a los nodos cliente y ser-

vidor. Cada microprocesador de laagrupacin ejecuta slo la seccinapropiada para su tarea. Los erro-res de programacin pueden tenerconsecuencias importantes y pro-vocar un descarrilamiento generalen cadena cuando del fallo de unnodo se sigue el de los dems. Labsqueda del error entre los res-tos del desastre puede resultar muycomplicada.

Otro aspecto espinoso es el dela distribucin del trabajo para suprocesamiento en paralelo por losPC del sistema. Dado que el super-ordenador de piedra alberga micro-procesadores dispares, con veloci-dades muy distintas, no podemosrepartir de una forma homogneala carga de trabajo entre los no-dos: si acturamos as, las mqui-nas ms rpidas estaran ociosasdurante largos perodos de tiempoa la espera de que las ms lentasacabaran su procesamiento. Por esodesarrollamos un programa en cuyavirtud el nodo cliente enva msinformacin a los nodos servido-res cleres conforme van termi-nando su tarea. En esta organiza-cin de distribucin de carga, losPC ms rpidos realizan la mayorparte del trabajo, aunque las m-quinas lentas contribuyen al fun-cionamiento del sistema.

En la resolucin del problemade identificacin de las ecorregio-

nes comenzamos por abordar laorganizacin de la ingente canti-dad de informacin a manejar: los25 datos ambientales de cada unade las 7,8 millones de celdas delos estados contiguos de la Unin.Generamos un espacio de datosde 25 dimensiones, donde cada di-mensin representaba una varia-ble distinta (temperatura media,ndice de precipitacin, caracters-tica del suelo, etctera). Asocia-mos a continuacin cada celda conel punto correspondiente del espa-cio de datos. Por definicin, dospuntos prximos entre s en el es-pacio de datos presentan caracte-rsticas similares y, por tanto, seadscriben a la misma ecorregin.La proximidad geogrfica no cons-tituye ningn factor en esa clasi-ficacin; por ejemplo, si dos pi-cos de montaa muestran entornosparecidos, sus puntos del espaciode datos se hallarn muy juntosentre s, con independencia de queles separen fsicamente miles dekilmetros.

Con la informacin organizada,haba que especificar el nmero deecorregiones que se mostraran enel mapa. La agrupacin de PCasigna, a cada ecorregin, una po-sicin seminal dentro del espaciode datos. Para cada uno de los 7,8millones de puntos informativos, elsistema determina la posicin se-


3. AGRUPACION DE ORDENADORES del Museo Americano de Historia Naturalde Nueva York. Contiene 560 microprocesadores Pentium III. Los investiga-dores hacen uso del sistema para el estudio de la formacin de estrellas ysu evolucin.

minal ms prxima y adscribe elpunto en cuestin a la ecorreginpertinente. Luego, la agrupacinidentifica el baricentro o ncleo decada ecorregin, es decir, la posi-cin media de todos los puntosadscritos a la regin. Ese ncleosustituye a la posicin seminal ensu calidad de punto definidor dela ecorregin. La agrupacin iteraentonces el proceso, reasignandolos puntos informativos a ecorre-giones en funcin de su distanciade los ncleos. Al final de cadaiteracin se calculan nuevos n-cleos para cada ecorregin. El pro-ceso se repite hasta que se alcanzala situacin en que el nmero depuntos informativos que cambiansu adscripcin ecorregional es in-ferior a una cifra preestablecida.En ese momento se da por termi-nado el proceso de clasificacin.

El levantamiento de mapas cons-tituye una tarea propicia para elprocesamiento en paralelo. Por unarazn potsima: los distintos nodosde la agrupacin analizan de unmodo independiente subconjuntosde los 7,8 millones de puntos in-formativos. Tras cada iteracin, losnodos servidores envan el resul-tado de sus clculos al nodo cliente,quien promedia los nmeros reca-bados de todos los subconjuntospara determinar las nuevas posi-ciones nucleares de cada ecorre-gin. El cliente remite entoncesesta informacin a los nodos ser-vidores para la siguiente tanda declculos. El procesado paralelo per-mite tambin seleccionar, para cadaecorregin, las mejores posicionesseminales al principio del estudio.Elaboramos un algoritmo que po-sibilitara que los nodos de nues-tro superordenador de piedra de-terminasen de manera colectiva lospuntos informativos con mayorgrado de dispersin; se tomaranluego stos por posiciones semi-nales. Si la agrupacin arranca conunas posiciones seminales bien dis-persas, se requerirn un nmeromenor de iteraciones para carto-grafiar las ecorregiones.

El trabajo empeado cristaliz enuna serie de mapas de los EE.UU.que mostraban cada ecorregin enun color diferente. Los haba desdelos que representaban al pas di-vidido en cuatro ecorregiones hasta

los que lo partan en 5000. En losmapas con un nmero menor deecorregiones aparecan zonas f-cilmente reconocibles; los estadosde las Montaas Rocosas, por ejem-plo, y el desrtico sudoeste. Losmapas con miles de ecorregiones,por el contrario, ofrecen una com-plejidad mucho mayor que cual-quier clasificacin ambiental delpas realizada con anterioridad.Puesto que bastantes especies ve-getales y animales viven en una odos ecorregiones exclusivamente,resulta palmario el inters de nues-tros mapas para el estudio de laflora y la fauna en peligro.

En un comienzo, escogamos alazar los colores de las ecorregio-nes. Ms tarde buscbamos ciertoparecido con el entorno que re-presentaban. La combinacin esto-cstica de nueve de las variablesambientales en tres identificadorescompuestos nos permiti represen-tarlas en el mapa con gradacionesde rojo, verde y azul. Cuando secolorea as el mapa, las tonalida-des sustituyen a las lneas de con-torno: el sudeste hmedo verdea,el fro noreste aparece azulado y,rojo, el oeste rido.

El superordenador de piedra lo-gr incluso representar el despla-zamiento de las ecorregiones enlos EE.UU. en la hiptesis de pro-ducirse variaciones en las condi-ciones ambientales por culpa delcalentamiento del planeta. Recu-rrimos a dos situaciones o cuadrosclimticos que haban pergeadootros grupos de investigacin; com-paramos el mapa de ecorregionesactual con los previstos para el ao2099. A tenor de tales proyeccio-nes, a finales del siglo XXI el en-torno ambiental de Pittsburgh separecer al observado ahora enAtlanta; la situacin de Minnea-polis, por su parte, se habr acer-cado a la de la actual St. Louis.

El futurode las agrupaciones

Para medir el rendimiento de unsuperordenador se le somete auna serie de pruebas comparativas,en particular la velocidad de ejecu-cin de un programa estndar. Esoes lo acostumbrado. Con mayor ri-gor cientfico preferimos centrar-


nos en su idoneidad para llevar acabo aplicaciones estndar. Cmoevaluar nuestro superordenador depiedra? Con el fin de averiguarlo,ejecutamos la misma clasificacinde ecorregiones con el superorde-nador Paragon de Intel, propiedaddel ORNL, poco antes de su ju-bilacin. En su momento fue lamquina ms rpida del laborato-rio, con una velocidad punta de150 gigaflop. Sobre la base del co-tejo de procesadores, el tiempo deprocesado del Paragon fue ms omenos el mismo que el del supe-rordenador de piedra. Nuestra agru-pacin tiene una velocidad mximade aproximadamente 1,2 gigaflop.En esta tcnica incipiente, ms quela velocidad y capacidad importadar con un buen algoritmo de pro-cesado en paralelo.

El sistema Beowulf ha experi-mentado, desde la construccin delsuperordenador de piedra, un de-sarrollo sorprendente. Se han crea-do nuevas agrupaciones con nom-bres exticos Grendel, Naegling,Megalon, Brahma, Avalon, Medusay theHive, por slo mencionar al-gunos, que han multiplicado lasprestaciones al alcanzar mayor ve-locidad a menor coste. En no-viembre, 28 de los 500 ordenado-res ms rpidos del mundo eranagrupaciones de PC, estaciones detrabajo o servidores. Con sus 512procesadores Intel Pentium III, laagrupacin de LosLobos, de la Uni-versidad de Nuevo Mxico, es eloctogsimo ordenador en veloci-dad; opera a 237 gigaflop. La agru-pacin Cplant, de los LaboratoriosNacionales Sandia, cuenta con 580procesadores Alpha de Compaq yocupa el octogesimocuarto lugar enel ranking. La Fundacin Nacionalpara la Ciencia y el Departamentode Energa proyectan construir agru-paciones avanzadas que operen enel rango de los teraflop (un billnde operaciones de coma flotante alsegundo), compitiendo con la ve-locidad de los superordenadoresms rpidos del planeta.

Los sistemas Beowulf tambinse estn abriendo camino en el m-bito empresarial. Las compaas deproductos informticos comienzana vender agrupaciones a empresascon un alto nivel de informatiza-cin. IBM, por ejemplo, est cons-

truyendo una agrupacin de 1250servidores para NuTec Sciences,empresa de biotecnologa que pro-yecta dedicar el sistema a la iden-tificacin de genes responsables deenfermedades. De parejo inters esla tendencia hacia el desarrollo deredes de PC que contribuyen consu potencia de procesamiento atareas colectivas. Pensamos enSETI@home, lanzado por investi-gadores de la Universidad de Ca-lifornia en Berkeley que analizanseales de radio del espacio pro-fundo en su bsqueda de sealesde vida inteligente. SETI@homeenva chorros de datos va Inter-net a ms de tres millones de PC,que procesan los datos de radio-seales en su tiempo libre. Algu-nos expertos de la industria de losordenadores predicen que los in-vestigadores terminarn por crearun tendido computacional similara la red energtica: los usuariospodrn obtener capacidad de pro-cesado con la misma facilidad conque ahora contratan suministro elc-trico.

El sistema Beowulf es, por en-cima de todo, una fuerza multi-plicadora. Acerca la computacinde alto nivel, exclusiva de unospocos privilegiados, a los sistemasde bajo coste de procesado en pa-ralelo, accesibles para la mayoracon recursos modestos. Grupos deinvestigacin, universidades o pe-queas empresas pueden construirsus propias agrupaciones Beowulf,su propio superordenador.


CLUSTER COMPUTING: LINUX TAKENTO THE EXTREME. F. M. Hoffmany W. W. Hargrove en Linux Ma-gazine, vol. 1, n.o 1, pginas 56-59; primavera 1999.

USING MULTIVARIATE CLUSTERINGTO CHARACTERIZE ECOREGION BOR-DERS. W. W. Hargrove y F. M.Hoffman en Computers in Scienceand Engineering, vol. 1, n.o 4, p-ginas 18-25; julio/agosto 1999.

HOW TO BUILD A BEOWULF: A GUI-DE TO THE IMPLEMENTATION ANDAPPLICATION OF PC CLUSTERS. Di-rigido por T. Sterling, J. Salmon,D. J. Becker y D. F. Savarese.MIT Press, 1999.

Bibliografa complementaria

1. REPRESENTACION SIMBOLICA de la autorreplicacion sobre lamesa de un prestidigitador. Von Neumann resolvi la apora dela regresin infinita en que suele caerse a la hora de conside-rar la autorreplicacin de seres inertes. En efecto, en un sis-tema tal se trata de construir un clon a partir de unos planosde s mismo, o si se quiere, una autodescripcin. Pero tal auto-descripcin formara parte de la mquina. Y en tal caso, qucosa describe a la descripcin? Y a la descripcin de la des-cripcin? Von Neumann se percat de que la autodescripcin po-da utilizarse como un conjunto de instrucciones necesitadas deinterpretacin para reproducir una mquina y como un conjuntode datos susceptibles de ser copiados, sin interpretacin, y aa-didos a la mquina. En esa concepcin, no se requiere que laautodescripcin contenga una descripcin de s misma.

Los manzanos engendran manzanos. Podrhaber mquinas que engendren mquinas?En nuestros das, la construccin de unamquina, por sencilla que sea, requiereun elaborado aparato de manufactura. Se-ra posible dotar a un dispositivo artificial de la ca-pacidad de multiplicarse por s solo? Desde antiguo,la autorreplicacin ha sido tenida por una de las pro-piedades fundamentales que distinguen a lo vivo delo inerte. A lo largo de la historia, tambin, la re-produccin biolgica ha estado envuelta en un halode misterio, debido a nuestra limitada comprensinde su funcionamiento; un misterio que ha tornado in-verosmil su factibilidad por un artefacto humano. Sedice que cuando Ren Descartes manifest a Cris-tina de Suecia que los animales no eran sino otraforma ms de autmatas mecnicos, la reina le se-al un reloj y le dijo: Vea que esto engendre des-cendencia.

El problema de la autorreplicacin mecnica setraslad desde la filosofa a los dominios de la cien-cia y la tcnica a finales de los aos cuarenta delsiglo pasado, merced al trabajo del eminente mate-mtico y fsico John von Neumann. Algunos inves-tigadores han llegado a construir replicadores mate-riales. Hace 40 aos, por ejemplo, el genetista LionelPenrose y su hijo Roger (hoy famoso fsico) cons-truyeron pequeos montajes en madera contrachapea-da que exhiban una forma sencilla de autorreplica-cin. Pero la autorreplicacin ha demostrado tenerdificultad tal, que la mayora de los investigadoresse valen para estudiarla del instrumento conceptualque von Neumann desarroll, a saber, los autmatascelulares bidimensionales.

Ejecutados en un ordenador, los autmatas celula-res permiten la simulacin de una enorme variedadde autorreplicadores en lo que vendran a ser uni-versos elementales, cuyas leyes fsicas difieren de lasnuestras. Tales modelos consienten dejar de lado pro-blemas logsticos, como los de construccin material

y los energticos, para centrarse en las cuestionesfundamentales del flujo de informacin. Por qu esun ser vivo capaz de reproducirse, y por qu, en cam-bio, han de ser construidos por humanos los objetosmecnicos? De qu modo emerge la autorreplica-cin de un organismo a partir de numerosas inte-racciones en los tejidos, las clulas o las molculas?Cmo pudo la evolucin darwinista dar origen a or-ganismos autorreplicantes?

Las primeras respuestas que han ido surgiendo haninspirado el desarrollo de circuitos de silicio capa-ces de repararse por s mismos, as como el de mo-lculas autocatalticas [vase Molculas sintticasautorreplicantes, por Julius Rebek, Jr., en INVESTIGA-CIN Y CIENCIA, septiembre de 1994]. Y puede queesto sea slo el principio. En el campo de la nano-tcnica se considera que la autorreplicacin ser cru-cial para la manufactura de mquinas de tamao mo-lecular; en la exploracin espacial, por otra parte, secontempla que una variante macroscpica del proce-so podra permitir la colonizacin de planetas utili-zando materiales in situ. Progresos recientes han con-ferido alguna credibilidad a estas ideas de resonanciasfuturistas. Como sucede en gentica, ingeniera nu-clear o en qumica, quienes estudiamos la autorre-plicacin hemos de afrontar el doble reto de crearmquinas capaces de reproducirse por s mismas yde evitar que se cumplan predicciones distpicas enel sentido de que los artilugios escapen a nuestrocontrol. El conocimiento que adquirimos contribuira discriminar las tcnicas benficas de las malignas.

Vida en juego

En la literatura de ficcin cientfica es frecuenteplantear la autorreplicacin como una conse-cuencia natural de la tcnica actual; pero al hacerlo,pasa por alto el profundo problema que entraa, asaber, cmo evitar una regresin infinita. Un sistemapodra tratar de construir un clon a partir de unos


La autorreplicacinde las mquinas

Engendran los pjaros, las abejas...podrn hacerlo algn da las mquinas?

Moshe Sipper y James A. Reggia


planos de s mismo, o si se quiere,una autodescripcin. Ahora, talautodescripcin formara parte dela mquina. Y en tal caso, qucosa describe a la descripcin? Ya la descripcin de la descripcin?La autorreplicacin equivaldra,pues, a pedirle a un arquitecto quepreparase un plano absolutamenteperfecto de su propio estudio. Eseplano habra de contener una ver-sin a escala del propio plano, lacual contendra a su vez una ver-sin del plano a escala todava me-nor, y as una y otra vez. A faltade esta informacin, un construc-tor que pretendiera recrear el es-tudio no podra lograrlo por com-pleto: tendra que dejar un espaciovaco en el lugar que ocupaba elplano.

Debemos a von Neumann la ge-nial idea que permite romper laregresin infinita. Von Neumannse percat de que la autodescrip-cin poda utilizarse de dos mo-dos: primero, como un conjunto deinstrucciones cuya interpretacindesemboca en la construccin deuna reproduccin del dispositivo;segundo, como un conjunto de da-tos susceptibles de copiarse lite-ralmente, sin interpretacin, y ane-xados al nio recin creado, demanera que tambin ste posea lafacultad de autorreplicacin. Mer-ced a tal proceso bifsico, ya noes necesario que la autodescripcincontenga una descripcin de smisma. En el smil de estudio dearquitectura, el plano contendralos planos de fabricacin de una

mquina fotocopiadora. Una vezconstruidos el estudio y la foto-copiadora, la cuadrilla de cons-truccin se limitara a sacar unacopia del plano y colocarla en elestudio.

Las clulas vivas se valen de suautodescripcin, de su genotipo,exactamente de estas dos formas:transcripcin (el ADN del genomase copia sin apenas interpretacinpara formar el ARNm) y traduc-cin (se interpreta el ARNm parasintetizar protenas). Von Neumannconcibi esta dicotoma transcrip-cin-traduccin varios aos antesque los bilogos, y su trabajo re-sult crucial para comprender laautorreplicacin en la naturaleza.

Pensando en demostrar estas ideas,von Neumann y el matemtico Sta-nislaw M. Ulam acertaron con lanocin de autmata celular. Parala simulacin de un autmata ce-lular se utiliza una plantilla, simi-lar a un damero, de casillas cua-dradas (las clulas); cada una puedehallarse vaca u ocupada por unode varios componentes potenciales.A intervalos temporales discretos,cada clula examina su estado yel de sus vecinas; decide si ha demetamorfosearse en un componentedistinto. Para tomar la decisin, laclula se atiene a reglas bastantesencillas, idnticas para todas lascasillas. Estas reglas constituyen lafsica bsica del mundo del aut-mata celular. Todas las acciones ydecisiones se efectan localmente:las clulas no tienen conocimientodirecto de lo que acontece ms allde su vecindad inmediata.

La aparente simplicidad de losautmatas es engaosa; no entraani facilidad en su diseo ni po-breza en su comportamiento. El au-tmata celular ms conocido, unjuego llamado Vida, creado porJohn Horton Conway, engendra mo-tivos y configuraciones asombro-samente intrincados. Muchas cues-tiones atinentes al comportamientodinmico de los autmatas celula-res son formalmente irresolubles.Para ver qu desarrollo va a teneruna configuracin determinada he-mos de efectuar una simulacincompleta [vase Lo ltimo en par-tculas frmicas, por Ian Stewart,en INVESTIGACIN Y CIENCIA, sep-tiembre de 1994]. A su manera,

un modelo de autmata celularpuede ser tan complejo como elmundo real.

Mquinas copiadoras

En el seno de un autmata ce-lular se produce una autorre-plicacin cuando un grupo decomponentes una mquinaconstruye, tras una serie finita depasos, un duplicado de s mismono lejos del lugar que ocupaba. Lamquina de von Neumann se fun-daba en un constructor universal,una mquina que, dotada de lasinstrucciones apropiadas, poda crearcualquier configuracin. El cons-tructor constaba de multitud de ti-pos de componentes, que se ex-tendan sobre decenas de millaresde casillas; para especificarlo ha-ba que llenar las pginas de unlibro, tal era la extensin del ma-nuscrito. Dada su complejidad, nose ha logrado simularlo por entero,ni mucho menos materializarlo. Enel juego de Vida, un constructorsera todava ms complejo, por-que las funciones realizadas porlas distintas clulas del modelo devon Neumann transmisin de se-ales y generacin de nuevos com-ponentes han de ser, en el juegode Vida, llevadas a cabo por es-tructuras compuestas.

Yendo al otro extremo, resultasencillo hallar ejemplos triviales deautorreplicacin. Imaginemos unautmata celular con un solo tipode componente, denotado +, y quecada casilla se atiene a una nicaregla, a saber: si exactamente unade las cuatro casillas vecinas de lospuntos cardinales contiene una +,la casilla se convierte en +; en cual-quier otro caso quedar vaca. Conesta regla, una sola + se convierteen otras cuatro +, cada una de lascuales crece de igual manera, y assucesivamente.

Esta exuberante proliferacin noarroja mucha luz sobre los princi-pios de la autorreplicacin, porqueno hay una mquina interesante.Queda abierta, claro est, la cues-tin de cmo distinguir una m-quina interesante de un autmatatrivialmente prolfico. No se haconseguido todava una respuestasatisfactoria. Resulta palmario quela estructura replicante tiene que

MOSHE SIPPER y JAMES A. REG-GIA se vienen ocupando desde hacemucho tiempo en la autoorganizacinde los sistemas complejos. Sipper eslector numerario en la UniversidadBen Gurion, en Israel, e investigadorinvitado en el laboratorio de sistemaslgicos del Instituto Politcnico Sui-zo en Lausana. Se interesa por lacomputacin evolutiva, los sistemasautorreplicantes y la computacin ce-lular. Reggia ensea informtica apli-cada a la neurologa en el Institutode Estudios Informticos Avanzadosde la Universidad de Maryland. Di-rige investigaciones sobre modeloscomputacionales del cerebro y sustrastornos.

Los autores

ser compleja en cierto sentido.Ha de contener, por ejemplo, ml-tiples y diversos componentes, cu-yas interacciones susciten, toma-das en conjunto, la replicacin. (Setrata de una versin del proverbialel todo ha de ser mayor que lasuma de sus partes.) La existen-cia de mltiples componentes dis-tintos permite alojar una autodes-cripcin en el seno de una estructurareplicante.

Muchos han sido los investiga-dores que a lo largo de los aostranscurridos desde el trabajo se-minal de von Neumann han venidosondeando el dominio que mediaentre lo complejo y lo trivial, de-sarrollando replicadores que re-quieren menos componentes, me-nor espacio, o reglas ms sencillas.Se dio un gran paso adelante en1984, cuando Christopher G. Lang-ton, a la sazn en la Universidadde Michigan, observ que ciertosdispositivos de almacenamiento porcirculacin en bucle que habanconstituido mdulos de mquinasautorreplicantes anteriores podanser programados para que se re-plicaran por cuenta propia. Estosdispositivos constan normalmentede dos piezas: el propio bucle, quees un tren de componentes que cir-culan en torno a un rectngulo, yun brazo de construccin, que so-bresale desde un vrtice del rec-tngulo y se adentra en el espaciocircundante. Los componentes encirculacin constituyen una recetapara el bucle; por ejemplo: avanzatres casillas al frente, despus, giraa la izquierda. Cuando esta re-ceta llega al brazo de montaje, lasreglas del autmata efectan unacopia de ella. Uno de los ejem-plares contina circulando dentrodel bucle; el otro sigue brazo abajo,donde se le interpreta como ins-trucciones.

Langton, tras renunciar al re-quisito de construccin universal,esencial en la metodologa de vonNeumann, demostr la posibilidadde construir un replicador a partirde slo siete componentes, que ocu-paban nada ms que 86 casillas.Han sido ideados por uno de losautores (Reggia) y sus colegas bu-cles ms sencillos todava. No sonbucles triviales, pues constan demltiples componentes que inte-

ractan, e incluyen una autodes-cripcin. Curiosamente, la asime-tra desempea aqu un papel ines-perado: las reglas que gobiernanla replicacin suelen ser ms sen-cillas cuando los componentes notienen simetra de rotacin quecuando s la poseen.

La replicacin aflora

Se lograron las estructuras auto-replicantes anteriores con unabuena dosis de ingenio y tenaz per-severancia en los tanteos: un pro-cedimiento arduo y con frecuenciaexasperante, pues una pequea mo-dificacin en alguna de las reglassuele provocar un comportamientoglobal muy diferente, cuando no la

desintegracin de la estructura encuestin. Trabajos recientes han idoms all del mtodo de diseo di-recto. En lugar de elaborar las re-glas a la medida, buscando que seadapten a un determinado tipo deestructura, se ha experimentado condiversos conjuntos de reglas, se hallenado la cuadrcula del autmatacon una sopa primigenia de com-ponentes tomados al azar y se haestudiado la aparicin espontneade autorreplicadores.

En 1997, Reggia y Hui-HsienChou, ste hoy en la Universidadestatal de Iowa, observaron que entanto la densidad inicial de loscomponentes en libre flotacin su-perase cierto valor umbral, se po-da confiar en la aparicin de pe-


2. DESDE EL TRABAJO SEMINAL de von Neumann sehan venido desarrollando replicadores de creciente sim-plificacin. En 1984, Christopher G. Langton observque ciertos dispositivos de almacenamiento por cir-culacin en bucle que haban constituido mdulosde mquinas autorreplicantes anteriores podan pro-gramarse. El artista ha colocado sobre la mesa delprestidigitador lo que a l le evoca esa expresin.

queos bucles autorreplicantes. Losbucles que hacan colisin se ani-quilaban mutuamente, aflorando asun proceso continuo, no slo denacimiento, sino tambin de muerte.Con el tiempo, los bucles prolife-raron, fueron aumentando de ta-mao y evolucionaron debido amutaciones desencadenadas por re-siduos de colisiones anteriores.Aunque las reglas del autmataeran deterministas, las mutacioneseran aleatorias, porque se tratabade un sistema complejo y se ha-

ban elegido al azar las ubicacio-nes iniciales de los componentes.

Aunque los bucles mencionadosno pretenden ser simulacros de en-tes vivos sino mquinas abstrac-tas, vale la pena compararlos conestructuras biomoleculares. Los bu-cles recuerdan vagamente al ADNcircular de las bacterias; el brazode montaje acta como la enzimaque cataliza la replicacin de ADN.Y lo que reviste mayor importan-cia: los bucles replicantes ilustranuna va de emersin de comporta-

mientos globales complejos a par-tir de interacciones locales sim-ples. Por ejemplo, componentes quevan desplazndose en torno a unbucle, aunque las reglas nada es-pecifican sobre movimiento. Lo querealmente ocurre es que las clu-las individuales estn cobrando vida,estn muriendo o se estn meta-morfoseando de modo tal, que unaconfiguracin se elimina de unaposicin para reconstruirse en otrolugar, un proceso que percibimoscomo movimiento. En breve, los


INICIALMENTE,la autodescripcin, ogenoma (un caballoseguido por un alfil), sesita en el arranque delbrazo de construccin.

1 El caballo y el alfilse desplazan en senti-do antihorario en tornoal bucle. Un clon delcaballo se dirige haciala salida del brazo.

2 El par caballo-alfilprimitivo contina cir-culando. El alfil es clo-nado y sigue al nuevocaballo hacia la salidadel brazo.

3 El caballo provocala formacin de dosvrtices del bucle hijo.El alfil sigue a su cola,completando la transfe-rencia de genes.

4 El caballo forja el vr-tice restante del buclehijo. Los bucles estnconectados por el brazode construccin y por uncaballo andante.

FASES DE LA REPLICACION

CONSTRUCCION DE UN REPLICADORLA SIMULACION de un pequeo bucle autorrepli-cante con piezas de ajedrez permite hacerse una ideaintuitiva del funcionamiento de estos sistemas. El mo-delo de autmata celular aqu ilustrado posee cuatrotipos de componentes: peones, caballos, alfiles ytorres. La mquina consta inicialmente de cuatro peo-nes, un caballo y un alfil. Tiene dos partes: el propiobucle, que ocupa un cuadrado de 2 2 casillas, y unbrazo de construccin, prominente hacia la derecha.

El caballo y el alfil representan la autodescripcin.El caballo, cuya orientacin importa, determina en qudireccin se va a crecer, mientras que el alfil va a sucola y determina la longitud que habr de tener ellado del bucle. Los peones son relleno, que definen elresto de la forma del bucle, y la torre es una sealtransitoria, destinada a guiar el crecimiento de unnuevo brazo de construccin.

Con el paso del tiempo, el caballo y el alfil van cir-culando en torno al bucle en sentido antihorario. Cadavez que encuentran el brazo de construccin, una co-pia sale por el brazo, mientras que el original conti-na recorriendo el bucle.

PARA JUGAR hacen falta dos tableros: uno pararepresentar la configuracin actual y otro donde pre-parar la siguiente. En cada ronda se examinan unapor una las casillas de la configuracin actual, seconsultan las reglas y se coloca la pieza adecuadaen la casilla homloga del otro tablero. Cada piezase metamorfosea de acuerdo con su identidad y lasidentidades de las cuatro casillas situadas inmediata-mente a su izquierda, a su derecha, encima odebajo. La ronda termina una vez examinada cadacasilla y establecida la nueva configuracin. Se des-monta entonces la posicin del primer tablero, y serepite todo el proceso.

La direccin en que mira el caballo tienesignificado. En los dibujos hemos utilizado los conve-nios habituales en ajedrez para indicar la orientacindel caballo: el hocico apunta hacia adelante. De nohaber ninguna regla explcitamente aplicable, el conte-nido de la casilla permanece intacto. Las casillas delborde deben tratarse como si tuvieran casillas adya-centes vacas en el exterior del tablero.

M.S y J.A.R

autmatas celulares actan local-mente, pero dan la impresin deque piensan globalmente. Lo mismopuede predicarse, en buena medida,de la biologa molecular.

En un experimento computacio-nal reciente, Jason Lohn, del Cen-tro Ames de Investigacin de laNASA, y Reggia no experimenta-ron con diferentes estructuras, sinocon distintos conjuntos de reglas.Partiendo de un bloque arbitrariode cuatro componentes, descubrie-ron que podan determinar un con-

junto de reglas capaz de instar laautorreplicacin del bloque. El ha-llazgo de estas reglas se logr mer-ced a un algoritmo gentico, unproceso automatizado que remedala evolucin darwinista.

El aspecto ms difcil de estetrabajo consisti en la definicinde la funcin de adaptacin, esdecir, de los criterios para enjui-ciar los sistemas de reglas, con elfin de seleccionar las solucionesidneas y conducir el proceso evo-lutivo hacia sistemas de reglas que

faciliten la replicacin. No bastacon asignar un alto grado de adap-tacin a los sistemas que determi-nan la replicacin de una estruc-tura, porque no es verosmil queninguno de los conjuntos inicialesde reglas suscite la replicacin. Lasolucin consisti en idear una fun-cin de adaptacin compuesta porla suma ponderada de tres medi-das: una de crecimiento (grado enque cada tipo de componente en-gendra un creciente acopio de talcomponente), una medida de la po-


REEMPLAZAR por un pen.

SI HAY un caballo vecino, se reemplaza el pen porun caballo orientado como se explica:

SI EL CABALLO vecino est orien-tado de espaldas al pen, el nuevocaballo habr de mirar en sentidoopuesto al del primero.SI NO, de haber exactamente unpen vecino, el nuevo caballo habrde mirar hacia este pen.

EN LOS DEMAS CASOS, el nuevocaballo mira en la misma direccinque el caballo vecino.

SI HAY un alfil justo debajo o a laizquierda del caballo, se reemplazael caballo por otro alfil.

SI NO, de estar ocupada al menosuna de las casillas vecinas,se retira el caballo y se dejavaca la casilla.

5 El caballero andantese desplaza hacia arribapara dotar de un brazonuevo al progenitor. Unproceso similar, demo-rado un paso, comienzapara el bucle hijo.

6 El caballeroandante, junto con elpar caballo-alfil original,conjura una torre. En-tretanto, el brazo conti-guo queda eliminado.

7 La torre mata al ca-ballo y genera un brazonuevo, ascendente.Otra torre se dispone ahacer lo mismo para elhijo.

8 Los dos bucles quedanfinalmente separados yenteros. Las autodescrip-ciones continancirculando, pero en lo de-ms todo est en calma.

ALFIL O TORRE

CASILLA VACIA

CABALLO

9 El padre se disponea engendrar de nuevo.En el paso siguiente,tambin el hijo comen-zar su replicacin.

PEON

SI HAY dos caballos vecinos, y algunode ellos mira hacia la casilla vaca, seocupa esa casilla con una torre.

SI HAY solamente un caballo vecino,y ste mira hacia la casilla, se ocupala casilla con un caballo girado 90oen sentido antihorario.

SI HAY un caballo vecino y su ladoizquierdo mira hacia la casilla, estandovacas las dems casillas, se ocupala casilla con un pen.

SI HAY una torre contigua,y las dems vecinas estn vacas,se ocupa la casilla con un pen.

SI HAY tres peones contiguos,se ocupa la casilla con un caballoque mire hacia la cuarta casillavecina vaca.


LAUSANA (SUIZA). No abundan los investigadores queanimen a la destruccin caprichosa del equipo de suslaboratorios. Sin embargo, Daniel Mange ve con buenosojos que sus visitas se acerquen a alguno de sus inven-tos y pulsen el botn KILL (matar). Se apagan las lucesdel panel: se ha quemado una cajita llena de circuitos.A primeros de mayo, su equipo desvel su ltimo artilu-gio, un reloj de tamao pared cuyos componentes se pue-den manipular a capricho.

La meta de Mange y su equipo es imbuir en los circui-tos electrnicos la capacidad de sufrir duros golpes y se-guir funcionando, como los seres vivos. Las criaturas decarne y hueso pueden no ser muy diestras en el clculode un milln de cifras de ; en cambio, llegan al final delda sin que nadie se vea obligado a pulsar Ctrl-Alt-Del.Uno de los grandes retos de la electrnica modernaestriba en combinar la precisin de los equipos digitalescon la versatilidad de los sistemas biolgicos.

Los ingenieros electrnicos han estado trabajando encircuitos capaces de soportar fallos desde el nacimientomismo de su disciplina. Los mdems usados en los orde-nadores seguiran transmitiendo datos gota a gota, a 1200baudios, de no ser por la deteccin y correccin de erro-res. Para muchas aplicaciones son suficientes sencilloscontroles de calidad, por ejemplo, bits de datos supernu-merarios. En sistemas ms complejos se instalan ordena-dores enteros destinados a funciones de respaldo. As, enla lanzadera espacial se utilizan cinco procesadores. Cua-tro de ellos efectan, por separado, el mismo cmputo; elquinto comprueba si todos coinciden. Lo malo de talessistemas reside, empero, en que se fundan en un controlcentralizado. Y si la unidad de control se avera?

La naturaleza ha resuelto este problema mediante unadescentralizacin radical. Las clulas de un organismoson, en lo esencial, idnticas; cada una se encarga deuna funcin determinada, la ejecuta de manera autnoma,y en caso de infeccin o de fallo, se autodestruye, paraque sus tareas puedan ser desempeadas por nuevas c-lulas. Estos son dos atributos que Mange, profesor en elInstituto Politcnico de Tecnologa de Suiza, y otros vie-nen desde 1993 buscando emular en la circuitera, dentrodel proyecto Embrinica (Embrin + electrnica).

Uno de sus primeros inventos, la clula artificial MIC-TREE (MICroinstruction TREE, rbol demicroinstrucciones), consista en un solo procesador y cua-tro bits de almacenamiento de datos. La clula est con-tenida en una caja de plstico de unos 8 cm de lado.Sus costados estn provistos de muescas con contactoselctricos, que permiten acoplar unas clulas a otras. Lasclulas del MICTREE, al igual que los autmatas celula-res, que son los modelos estudiados para investigar lateora de autorreplicacin, estn conectadas slo con lasvecinas inmediatas. La carga de comunicacin que recaesobre cada clula es as independiente del nmero totalde clulas. Con otras palabras, a diferencia de muchasarquitecturas de computacin en paralelo, el sistema esfcil de realizar a mayor escala.

Las clulas obedecen a las instrucciones de sugenoma, que es un programa escrito en un subconjuntode Pascal (un lenguaje de programacin). Lo mismo quelas biolgicas, estas clulas contienen todas el mismo ge-noma, y ejecutan una parte del mismo basndose en suposicin dentro de la formacin, que cada clula computaen relacin con sus vecinas. Aunque el sistema parezca

UN ORDENADOR a prueba de fallos. Consiste en una matriz bidi-mensional de clulas artificiales; cada una es un procesador sen-cillo. En esta aplicacin, cuatro clulas en sinergia constituyenun cronmetro digital. Cada clula se encarga de un dgito, ycuenta hasta 5 o hasta 10, segn su posicin en la matriz. Lasdems clulas de la matriz son repuestos, que entran en funcio-namiento si alguna de las clulas falla o se anula. Las clulasdel Biodule 601 aqu mostrado se basan en la arquitectura MIC-TREE, descrita en el texto.

AUTORREPARACION DEL ROBOTLa autorreplicacin artificial permite ordenadores capaces de reparar sus propias averas


prdigo, tal redundancia permite a la matriz soportar laprdida de cualquiera de sus clulas. Cuando se pulsael botn KILL (matar) de alguna de ellas, esa clula seapaga, y sus vecinas de la izquierda y de la derechaquedan conectadas directamente. La vecina de la derecharecalcula su posicin y comienza a ejecutar el programade la extinta. Sus tareas son, a su vez, encomendadasa su clula vecina por la derecha, y as sucesivamente,hasta que se requiere que una de las clulas de reservaentre en servicio.

Si la confeccin de programas para cualquier procesa-dor en paralelo es siempre delicada, la matriz MACTREEexige una metodologa peculiar. En lugar de dar instruc-ciones explcitas, el programador debe idear reglas senci-llas de las cuales resulte la funcin deseada. Siendosuizo, Mange no poda menos de construir un cronmetrodigital superseguro. Para presentar los minutos y los se-gundos se requieren cuatro clulas en lnea, una por d-gito. El genoma consiente clulas de dos tipos: un conta-dor de 0 a 9 y un contador de 0 a 5. Un osciladorinyecta un impulso por segundo en la clula de la dere-cha. Al cabo de 10 impulsos, esta clula repone su con-tador a 0 y enva un impulso a la situada a su izquierda;y as sucesivamente a lo largo de la lnea. El reloj ocupaparte de una matriz de 12 clulas; cuando algunafallece, el reloj se transplanta a s mismo una clulams all, y sigue funcionando. Obviamente, esta versatili-dad no es ilimitada: el dispositivo acabar fallando tras unmximo de ocho decesos.

Las clulas del prototipo MICTREE estn cableadas;su capacidad de procesamiento no puede, pues, confeccio-narse a la medida de una aplicacin especfica. En un pro-ducto acabado, se implantaran las clulas sobre una matrizprogramable de puertas de efecto de campo, una plantillade componentes electrnicos que puede reconfigurarse so-bre la marcha [vese Computacin configurable, por John

Villasenor y William H. Mangione-Smith, en INVESTIGACIN Y

CIENCIA, agosto de 1997]. El equipo de Mange est dise-ando ahora una matriz de puertas a la medida, denomi-nada MUXTREE (rbol multiplexador), que est optimizadapara clulas artificiales. En la metfora biolgica, los com-ponentes de esta formacin son las molculas que consti-tuyen una clula. Cada una consta de una puerta lgica,un bit de datos y una cadena de bits de configuracin quedetermina la funcin de esta puerta.

La construccin de clulas a partir de tales molculasofrece no slo flexibilidad, sino tambin una mayor resis-tencia y robustez. Cada molcula contiene dos copias dela puerta, y tres del bit de almacenamiento. Si las dospuertas ofrecieran resultados diferentes, la molcula se in-molara en beneficio de la clula. En su ltimo servicio, lamolcula enva su bit de datos (que se ha preservadomerced al almacenamiento por triplicado) y su configura-cin a su vecina por la derecha, la cual hace lo mismo;el proceso contina hasta que la molcula en posicin de-recha extrema transfiere sus datos a una de reserva. Estesegundo nivel de tolerancia a los fallos impide que unsolo error borre una clula entera.

Un total de 2000 molculas, agrupadas en cuatro clu-las de 20 por 25, componen el BioWall, un gigantescoreloj digital que ha exhibido el equipo de Mange. Cadamolcula est encerrada en una cajita; dispone de un bo-tn KILL y una pantalla de diodos luminiscentes (LED).Ciertas molculas estn configuradas para efectuar cmpu-tos; otras sirven de pxeles de la pantalla del reloj. Utilica discrecin los botones KILL para averiar el sistema.Pero el reloj, tenaz, no ceda. La pantalla del relojempez a mostrar un aspecto curioso, con las cifras ses-gadas al ir desplazndose sus pxeles hacia la derecha,pero al menos era legible, a diferencia de la mayorade los rtulos electrnicos.

Dicho esto, el sistema s ofreca errores depresentacin, que Mange atribuy, sobre todo, a problemasde sincronismo. Aunque la capacidad de procesamientoest descentralizada, las clulas siguen dependiendo deun oscilador central para coordinar sus comunicaciones; enocasiones pierden el sincronismo. Otro equipo de embri-nica, dirigido por Andy Tyrrell, de la Universidad de York,trata de hacer que las clulas sean asncronas, como sushomlogas biolgicas. Las clulas habran de generar se-ales de mutuo reconocimiento para orquestar las transfe-rencias de datos. El sistema actual se muestra tambin in-capaz de atrapar errores de ciertos tipos, entre ellos,cadenas de configuracin deterioradas. El equipo de Tyrrellha propuesto aadir molculas de vigilancia un sistemainmunitario que estaran encargadas de supervisar lasconfiguraciones (y unas a las otras) buscando defectos.

Aunque todos estos sistemas exigen una enorme canti-dad de recursos, lo mismo ocurre con otras tcnicas re-sistentes a los fallos. Si bien la embrinica parecedepender mucho de la redundancia, la cosa no es tangrave si se la compara con otros sistemas, aduce Tyrell.Adems, el sistema MUXTREE debera resultar ms senci-llo de miniaturizar a nanoescala: sus molculas son lobastante sencillas para poder ser verdaderas molculas.Dice Mange: Nos estamos preparando para cuando laelectrnica opere a la misma escala que la biologa.

En su concepcin, la embrinica se aproxima de cercaal sueo de construccin de una mquina autorreplicante.Quiz no resulte tan impresionante como un robot capazde ir a un almacn de componentes electrnicos, seleccio-nar all los elementos necesarios y llevrselos a casapara restablecer una conexin o para construirse un com-paero. Pero el efecto es muy similar.

George Musser

INSTRUCCIONACTUAL

DEL GENOMA

REGISTRODE DATOS

LUZ PILOTO

BOTON MATAR

COORDENADAS (X, Y)DE LA CELULA

SUMINISTRO DE ELECTRICIDAD CELULADE RESERVACIRCUITOS DE CONTROL

PANEL FRONTALDE LA CELULA

MONTAJE DE LAS CELULAS

UNIDADESDE SEGUNDOS

DECENASDE SEGUNDOS

UNIDADESDE MINUTO

DECENASDE MINUTOS

sicin relativa (grado en que per-manecen juntos componentes queson vecinos) y una medida repli-cante (funcin del nmero de re-plicadores reales presentes). Conuna funcin de adaptacin idnea,la evolucin puede tornar fecun-dos a sistemas de reglas que sonestriles; el proceso suele requerirunas 150 generaciones.

Las estructuras autorreplicantesdescubiertas por este procedimientooperan de modo esencialmente dis-tinto al de los bucles autorrepli-

cantes. Por ejemplo, trasladan ydepositan copias a lo largo del ca-mino, a diferencia de los buclesreplicantes, que son bsicamenteestticos. Y aunque estos replica-dores de nuevo cuo constan decomponentes mltiples y localmenteinteractuantes, carecen de una auto-descripcin identificable: no hayen ellos un genoma obvio. La ca-pacidad de replicacin sin auto-descripcin puede revestir intersen cuestiones relativas a la formaen que se originaron los replicado-

res biolgicos primitivos. Los in-vestigadores estn, en cierto sen-tido, viendo un continuo entre lasestructuras dotadas de vida y las es-tructuras carentes de ella.

Adems de los autmatas celu-lares tradicionales, se han ensa-yado modelos de otros tipos. Enlos autmatas celulares asncronos,las clulas no se actualizan en con-cierto; en los autmatas celularesno uniformes, las reglas puedenvariar de unas casillas a otras. Te-nemos otro planteamiento entera-


3. SI ALGUN DIA las mquinas autorreplicantes seconvirtieran en una realidad prctica, plantearn cues-tiones muy delicadas. Contra augurios negativos, losautores prefieren creer que la autorreplicacin se pon-dr al servicio de la humanidad. As lo ha visto elartista en la recreacin de una manzana.

mente distinto en la Guerra Nu-clear [vase Juegos de ordena-dor, por A. K. Dewdney, en IN-VESTIGACIN Y CIENCIA, julio de1984] y su prole, como el sistemaTierra del eclogo Thomas S. Ray.En estas simulaciones, los orga-nismos son programas de orde-nador que compiten para hacersecon memoria y tiempo de proce-sado. Ray ha observado la apari-cin de parsitos que se apro-pian del cdigo de autorreplicacinde otros organismos.

Hacia la realidad

As pues, de qu sirven estasmquinas? El constructor uni-versal de von Neumann no sloest capacitado para replicarse, sinotambin para calcular, pero es unabestia poco dcil. De ah que eldesarrollo de replicadores sencillosy tiles haya significado un granavance. En 1995, Gianluca Tempes-ti, del Instituto Politcnico de Lau-sana, simplific la autodescripcindel bucle y consigui entrelazarlocon un pequeo programa. (Dele-treaba ste el acrnimo LSL dellaboratorio.) Su idea consisti encrear para el autmata unas reglasque permiten a los bucles repli-carse en dos etapas. En la primera,el bucle, lo mismo que el bucle deLangton, efecta una copia de smismo. Una vez concluida, el bu-cle hijo devuelve una seal a suprogenitor, quien, a partir de esemomento, enva las instruccionespara representar las letras.

El trazado de las letras era so-lamente una demostracin. Al aosiguiente Jean-Yves Perrier, Jac-ques Zahnd y uno de los autores(Sipper) disearon un bucle auto-replicante con capacidad de com-putacin universal, es decir, conla potencia computacional de unamquina de Turing universal, unordenador sumamente simplificadosi bien capaz de computar todocuanto sea computable. Este bucleconsta de dos cintas dos lar-gas ristras de componentes, unapara el programa y otra para losdatos. Adems de autorreplicarse,los bucles pueden ejecutar un pro-grama arbitrariamente dado. Encierto sentido, pues, presentan unacomplejidad equiparable a la del

ordenador que los simula. Su prin-cipal limitacin es que el programasea copiado sin modificacin desdeel bucle progenitor al filial, a causade lo cual todos los bucles llevana cabo el mismo conjunto de ins-trucciones.

Tal limitacin fue eliminada porChou y Reggia en 1998. Idearoncmo utilizar bucles autorreplicantesportadores de distinta informacin,en lugar de un programa clonado,para resolver el problema de sa-tisfactibilidad. Se pueden emplearlos bucles para determinar si esposible asignar, a las variables deuna expresin lgica, valores in-dividuales tales que el valor re-sultante para la expresin completasea verdadera. Este problema esNP-completo; pertenece a una fa-milia de espinosos problemas, en-tre ellos el clebre del viajante,para los que no se conoce una so-lucin eficiente. En el universo delautmata celular de Chou y Reg-gia, cada replicador recibi una so-lucin parcial diferente. Durante lareplicacin, las soluciones muta-ron, y se permiti la proliferacinde los replicadores con solucionesprometedoras, mientras que los queofrecieron soluciones fallidas se ex-tinguieron.

Aunque son varios los equiposque han creado autmatas celula-res materializados en circuitos elec-trnicos, es probable que tales sis-temas resulten demasiado onerosospara las aplicaciones prcticas; nuncase tuvo verdadera intencin de cons-truir materialmente autmatas ce-lulares. Su finalidad es la de arro-jar luz sobre los principiossubyacentes a la replicacin y, poresta va, servir de inspiracin paraesfuerzos ms concretos. Los bu-cles proporcionan un nuevo para-digma para disear un ordenadorde funcionamiento en paralelo, seamediante transistores o sirvindosede compuestos qumicos [vaseComputacin con ADN, por Le-onard M. Adleman, en INVESTI-GACIN Y CIENCIA, octubre de1998].

En 1980, un equipo de la NASA,dirigido por Robert Freitas Jr., pro-puso la implantacin en la Lunade una factora que se replicara pors misma, utilizando materiales lu-nares locales, con el fin de poblar

exponencialmente una gran exten-sin. De hecho, una sonda similarpodra llegar a colonizar la gala-xia entera, ha defendido el fsicoFrank J. Tipler, de la Universidadde Tulane. Cientficos e ingenierosinformticos han empezado ya aexperimentar en el diseo automa-tizado de robots. Aunque tales sis-temas no sean verdaderamente auto-replicantes, pues su progenie esmucho ms sencilla que los pro-genitores, s suponen un primerpaso para atender la demanda dela reina de Suecia.

Si las mquinas autorreplicantesse convirtieran en una realidad prc-tica, ellas y las tcnicas afines plan-tearn difciles cuestiones. Contraaugurios negativos, los autores pre-fieren creer que la autorreplicacinse pondr al servicio de la huma-nidad [vase Sern los robotsquienes hereden la Tierra?, porMarvin Minsky, en INVESTIGACINY CIENCIA, diciembre de 1994]. Laclave consistir en seguir el con-sejo que ya diera en el siglo XIVel filsofo ingls Guillermo de Ock-ham: entia non sunt multiplicandapraeter necessitatem (los seres nose han de multiplicar ms de lonecesario).


SIMPLE SYSTEMS THAT EXHIBIT SELF-DIRECTED REPLICATION. J. Reggia,S. Armentrout, H. Chou e Y. Peng,en Science, vol. 259, n.o 5099, p-ginas 1282-1287; 26 de febrero de1993.

EMERGENCE OF SELF-REPLICATINGSTRUCTURES IN A CELLULAR AUTO-MATA SPACE. H. Chou y J. Reg-gia en Physica D, vol. 110, n.o 3-4,pginas 252-272; 15 de diciembre,1997.

SPECIAL ISSUE: VON NEUMANNS LE-GACY: ON SELF-REPLICATION. Com-pilacin de M. Sipper, G. Tem-pesti, D. Mange y E. Snchez enArtificial Life, vol. 4, n.o 3; vera-no de 1998.

TOWARDS ROBUST INTEGRATED CIR-CUITS: THE EMBRYONIC APPROACH.D. Mange, M. Sipper, A. Stauffery G. Tempesti en Proceedings ofthe IEEE, vol. 88, n.o 4, pginas516-541; abril de 2000.

Bibliografa complementaria

La catstrofe ocurrida en la mina de Aznalc-llar en la madrugada del 25 de abril de 1998es, sin lugar a dudas, el mayor desastre am-biental ocurrido en Espaa y uno de los ms gravesde Europa occidental, no slo por su magnitud, sinotambin por haberse producido en las proximidadesde uno de los parajes naturales ms importantes deEuropa: el Parque de Doana. Despus de tres aosdel accidente conviene hacer balance y analizar suscausas, sus efectos y las lecciones que debemos ex-traer para el futuro.

La comarca de Doana est situada en el rea pr-xima a la desembocadura del ro Guadalquivir, enlas provincias de Huelva, Sevilla y Cdiz. Comprendeuna extensa zona de marismas, con lucios, lagunasy caos, as como zonas de dunas, pinares, matorra-les y pastos y una agricultura rica y variada. Desde

1978, unas 50.000 Ha estn protegidas bajo la figurade Parque Nacional, declarado Reserva de la Bios-fera en 1981 y, en 1994, Patrimonio de la Humani-dad. En sus lmites norte, este y sur se encuentra elParque Natural, con una extensin de 54.000 Ha adi-cionales.

En Doana estn representadas 803 especies deplantas fanergamas, con algunos endemismos. Lafauna de vertebrados cuenta con 37 especies de pe-ces, 12 de anfibios, 19 de reptiles y 29 de mamferos.Mencin aparte merece la avifauna que, con 361 es-pecies, supone un 70 % del total de las especies pre-sentes en Europa.

Se refugian all varias especies amenazadas, ni-cas en Europa, como el lince ibrico (Lynx pardina)y el guila imperial (Aquila adalberti), que son en-dmicas del cuadrante suroccidental de la pennsulaIbrica, y de la focha cornuda (Fulica cristata), lacerceta pardilla (Marmaronetta angustirostris) y lamalvasa (Oxyura leucocephala).

De los ecosistemas de Doana, la marisma es unode los principales. Su elevada productividad le per-mite mantener importantes poblaciones de aves acu-ticas, invernantes o nidificantes. En aos favorables,la poblacin de aves acuticas invernantes puede su-perar los 700.000 ejemplares.

El sistema acutico de Doana se alimenta de apor-tes pluviales y de aguas superficiales desde el norte(arroyos de la Rocina y del Partido), el este (roGuadiamar) y el sur y oeste (ocano Atlntico). An-tao la cuenca del Guadiamar aportaba la mitad delagua que entraba en la marisma, pero este sistemanatural ha sufrido drsticas modificaciones en fechasrecientes.

El accidente de las minasde Aznalcllar

El mayor desastre ambiental ocurrido en Espaa se produjoen las inmediaciones de una de las reas protegidas

ms emblemticas de Europa. Sus efectos negativos en el ecosistemaponen de manifiesto la necesidad de un mayor rigor

en el control ambiental de las actividades mineras e industriales

Enrique Macpherson, Miguel Ferrer y Joan Grimalt


ENRIQUE MACPHERSON, MIGUEL FERRER y JOANGRIMALT han participado, desde puestos de responsabili-dad, en la gestin del desastre de Aznalcllar. Macpher-son, profesor de investigacin del Centro de Estudios Avan-zados de Blanes, del Consejo Superior de InvestigacionesCientficas (CSIC), trabaja en ecologa marina. Ferrer, cien-tfico titular de la Estacin Biolgica de Doana, del CSIC,diriga la Estacin cuando ocurri el vertido txico y hatenido un papel destacado en el control y estudio del ver-tido y sus consecuencias sobre las especies del Parque deDoana. Grimalt, profesor de investigacin del Instituto deInvestigaciones Qumicas y Ambientales, del CSIC, inves-tiga en los efectos de los agentes contaminantes orgnicosen los ecosistemas y en el hombre.

Los autores

En el pasado, las aguas del ro Guadiamar, ltimode los grandes afluentes que recibe el Guadalquivirpor su margen derecha, entraban en la marisma atravs de varios caos, y la inundaban durante lascrecidas. En los aos setenta del siglo pasado se en-cauz el ltimo tramo del ro, la zona de Entremu-ros, y la mayora del agua se desvi directamentehasta el Guadalquivir, cerca ya de su desembocadura.Ahora sus aguas slo penetran en el Parque Nacio-nal durante las crecidas.

En su tramo medio, el Guadiamar cruza una franjapirtica donde se sita una tradicin minera anteriora la dominacin romana. Dentro de su cuenca, se ha-llan las minas de Aznalcllar, a cielo abierto y de-dicadas a la extraccin de zinc (Zn), cobre (Cu) yotros metales; los residuos desechados se acumulanen balsas que ocupan una superficie de unas 12 Ha.Las minas de Aznalcllar son propiedad, desde 1987,de la empresa sueco-canadiense Boliden-Apirsa. Larotura de la balsa de residuos de una de las cortasmineras, los Frailes, con un potencial estimado de50 millones de toneladas de mineral, fue la causantedel desastre.

Para extraer los metales de inters debe pulveri-zarse y lavarse el mineral, lo que origina un enormevolumen de aguas cidas. Estas, junto con los fan-gos residuales, finamente pulverizados en el proceso,se almacenan en balsas. Por la propia naturaleza dela pirita, el polvillo desmenuzado tiene un alto con-tenido en metales y metaloides. Las aguas de la balsa,

depuradas, suelen verterse a un cauce fluvial, que enel caso de Aznalcllar es al ro Agrio, tributario delGuadiamar.

La balsa de residuos fue construida en 1974 porDragados y Construcciones, S.A., e impermeabilizadahasta 5 metros sobre su base. Desde 1985, las em-presas que gestionaron la mina fueron agrandandosus dimensiones, al aumentar el ritmo de explota-cin. As, en el momento de la rotura, la balsa sealzaba unos 25 metros sobre su base.

El accidente y primeras consecuencias

La rotura de unos 50 metros del muro de conten-cin de la balsa de almacenamiento de residuosprovoc el vertido de unos seis millones de metroscbicos de lodos y aguas cidas sobre el ro Agrio.La riada txica baj por el este y el Guadiamar,inundando todas las tierras de su alrededor en unafranja de hasta 500 m de anchura. En las zonas pr-ximas a la mina la riada alcanz una altura de hasta

1. BALSA DE RESIDUOS en la explotacin minera de Az-nalcllar (Sevilla). La rotura del muro de contencin de labalsa (parte superior izquierda) meda ms de 50 metrosde longitud, con un desplazamiento horizontal del muroque llegaba a los 60 metros. El contenido de la balsa es-taba constituido por residuos de los procesos de flotacinde pirita y agua con numerosos metales en disolucin.


3 m, decreciendo a medida que avanzaba la avenida.En la balsa minera quedaron unos 25 millones demetros cbicos de fangos y aguas.

El muro cedi ante la alta densidad del lodo al-macenado, que provocaba una fuerte presin sobrelas margas situadas bajo la balsa. Esta elevada pre-sin se transmiti hacia las discontinuidades de lasmargas (interestratos), provocando una reduccin delpeso efectivo de la pared de la balsa (como si flo-tara). Ante esta prdida de peso efectivo, el empujehorizontal de los lodos super la resistencia de lapared y provoc la rotura.

Dos millones de metros cbicos de lodo recorrie-ron unos 40 km, decantndose progresivamente porel lecho y riberas del ro Guadiamar, hasta el iniciode Entremuros, donde el espesor depositado fue mni-mo. Pero cuatro millones de metros cbicos de aguascidas (pH cercano a 3) avanzaron otros 30 km ms,hasta que las detuvieron varios diques construidos ur-gentemente, el ltimo a las puertas mismas del Par-

que Nacional. Una parte del agua, que no pudo con-tenerse, lleg al estuario del Guadalquivir.

La superficie afectada por la riada txica fue dealgo ms de 4000 Ha, de las cuales unas 2500 erantierras de cultivo. Un total de 2656 Ha del ParqueNatural y 98 Ha del Parque Nacional (4,2 % y 0,19 %de su superficie total, respectivamente) se vieron cu-biertas por aguas y lodos txicos.

Los lodos vertidos se caracterizaban por una gra-nulometra muy fina (el 50 % de las partculas slotenan de cuatro a 12 micras), resultante del trata-miento que sufre la pirita. Presentaban, adems, unelevado contenido en metales pesados [zinc (8 gr/kg),plomo (8 gr/kg), arsnico (5 gr/kg), cobre (2 gr/kg),antimonio (0,5 gr/kg) talio (55 gr/tm) y cadmio (28gr/tm)]. A los que haba que aadir pequeas canti-dades (4-10 gr/tm) de aminas aromticas e hidrocar-buros aromticos policclicos.

La fina granulometra facilitaba la rpida meteori-zacin de los lodos pirticos, una vez secos. Se formuna costra de sulfatos complejos hidratados, deriva-dos de la oxidacin de las sulfosales, acoplada a unmecanismo de transporte capilar. Las costras acu-mulaban zinc, cadmio, manganeso, nquel y cobaltoen concentraciones enriquecidas con respecto a loslodos pirticos.

La entrada masiva de agua txica produjo una ele-vada mortalidad en el ecosistema acutico debido albajo pH, elevadsima concentracin de slidos en sus-pensin y escasez de oxgeno disuelto. Las especiesms afectadas fueron las carpas, albures, barbos, an-guilas, black-bass y cangrejos. Para evitar males adi-cionales, se prohibi la pesca en ms de 20 km decanales cercanos al ro Guadalquivir.

El consumo inmediato de los cadveres por pre-dadores hizo temer casos de intoxicacin letal y quese tornase inevitable la entrada de metales pesadosen la cadena trfica, a travs, sobre todo, de avespiscvoras y especies filtradoras que habitan en losros y el estuario. Adems del efecto a medio-largoplazo en el ecosistema por esa va, se arruinaronunos 1000 huevos de aves acuticas por la subidadel nivel del agua y la prdida de hbitat. Bajo elagua txica quedaron unas 1200 hectreas de unazona de cra fundamental para las aves.

El vertido txico cruz en su recorrido de norte asur una franja de suelos arenosos que es zona de re-carga del acufero 27, el principal del contorno. Losanlisis iniciales detectaron la contaminacin de po-zos en los que el vertido entr por desbordamientoo filtracin superficial. Se contamin tambin el acu-fero aluvial.

De los anlisis de los suelos afectados, pocos dasdespus del vertido, se desprenda que, en los arci-llosos (que forman la mayor parte de la zona atra-vesada por el vertido), la contaminacin alcanz ni-veles importantes en los 5 primeros centmetros,aunque su presencia poda en ocasiones detectarsehasta 10 cm de profundidad. En suelos arenosos, do-minantes en la zona cercana a la mina, la contami-nacin penetr con fuerza hasta 30 cm, pero sus se-cuelas alcanzaban el medio metro.

2. CAMPOS DE CULTIVO de la cuenca del Guadiamar. Sevieron afectados nueve municipios: Aznalcllar, Olivares,Sanlcar la Mayor, Benacazn, Huvar, Aznalczar, Vi-llamanrique de la Condesa, Villafranco del Guadalquiviry Puebla del Ro. En total se inundaron ms de 4000 hec-treas, de las cuales ms de 3000 Ha eran de uso agr-cola. Los daos por prdida de cosechas se valoraron en1675 millones de pesetas.

Actuac

Investigación y ciencia 301 - Octubre 2001

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