Popular Posts

martes, 1 de agosto de 2017

¿A qué llamamos "Vida" en Física?

* * * *
Una nueva teoría arroja luz sobre el surgimiento de la complejidad de la vida.

Jeremy England se preocupa por las palabras, por lo que ellas significan, por los universos que contienen. Evita algunas, como "conciencia" o "información"; demasiado cargadas, dice, demasiado traicioneras. Cuando se pone a buscar lo que es correcto decir, su voz se rompe un poco, dispersandose una o dos octavas antes de reanudar en una sonoridad fluida. Su cautela es comprensible. Como profesor asistente de física, de 34 años, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, es el arquitecto de una nueva teoría llamada "adaptación disipativa", que ha ayudado a explicar cuán compleja es la vida como función, que puede auto-organizarse y surgir desde las cosas más simples, incluida la materia inanimada. Esta proposición le ha ganado a England un apodo algo incómodo: el siguiente Charles Darwin. Pero su historia es tanto sobre el lenguaje como sobre la biología.

Hay unos 6.800 idiomas únicos en uso hoy en día. No todas las palabras se traducen perfectamente, y el significado a veces pasa inadvertido. Por ejemplo, no hay una traducción al inglés para el japonés wabi-sabi (la noción de encontrar belleza en la imperfección) o para el término alemán waldeinsamkeit, el sentimiento de estar solo en el bosque.

Los diferentes campos de la ciencia también son lenguajes en sí mismos, y las explicaciones científicas a veces son sólo traducciones. "Red", por ejemplo, es una traducción de la frase "longitud de onda de 620-750 nanómetros". "Temperatura" es la traducción de "la velocidad media de un grupo de partículas". Cuanto más compleja es una traducción tantos más significados tiene. "Gravedad" significa "la geometría del espacio-tiempo".

¿Y la vida? Pensamos que conocemos la vida cuando la vemos. La teoría de Darwin incluso explica cómo una forma de vida evoluciona hacia otra. Pero ¿cuál es la diferencia entre un petirrojo y una roca, si ambos obedecen a las mismas leyes físicas? En otras palabras, ¿a qué se dice "vida" en física? Algunos argumentan que la palabra es intraducible. Pero tal vez simplemente necesitaba el traductor adecuado.

Mientras otros niños de 12 años leían cómics de Marvel, England estaba leyendo ‘The Cartoon Guide to Genetics’. En la cubierta aparecía un buceador hallando una hebra de tamaño natural de ADN submarino. En el interior había un recorrido por los fundamentos de la biología, desde los ribosomas al sexo de las plantas. England se sintió intrigado de inmediato. "Pensé que era realmente maravilloso ver cómo las moléculas van logrando hacer las funciones," me contaba. England hablaba con entusiasmo, gesticulando, y llevaba una kipá sobre su cabeza.

Dibujo esquemático de una célula animal típica. 1. Nucléolo, 2. Núcleo celular, 3. Ribosomas (pequeños puntos) 4. Vesículas, 5. Retículo endoplásmico rugoso, 6. Aparato de Golgi, 7. Microtúbulo (citoesqueleto), 8. Retículo endoplásmico liso, 9. Mitocondriass, 11. Citosol, 12. Lisosoma, 13. Centríolos, 14. Membrana celular. (Wikimedia, por Kelvin13.)
Se coge el ADN polimerasa. En términos biológicos, su trabajo es crear nuevas moléculas de ADN mediante el ensamblaje de nucleótidos, los cuales constan de una base química, un azúcar y un ácido fosfórico. "Cuando ves esa historia ordenada ante ti, todo tiene sentido, nos da la apariencia se está ejecutando para conseguir un objetivo", subraya England. Sin embargo, estas cosas apenas se distinguen de la materia inanimada. Los rompes en pedazos un poco más pequeños, y todo lo que pueden hacer es girar y vibrar. "

England vio más de lo mismo como estudiante en la Universidad de Harvard, donde estudió el plegamiento de las proteínas con el biofísico Eugene Shakhnovich. Los bancos de datos de proteínas conservan el detalle de "cintas y hojas bellamente delineadas", de colores codificados según la propiedad. Desentrañada, cada proteína se compone de los mismos 20 aminoácidos; sin embargo, de alguna manera, una vez que están doblados en forma, cada una lleva a cabo un proceso específico y vital necesario para la vida. "Los aminoácidos no te escribirán un soneto", ironiza England. "Pero cuando encadenas cientos de ellos, de repente obtienes esa máquina que parece que está hecha para un propósito particular."

De alguna forma, desde la remoción de unos engranajes ciegos, surge algo como un propósito. Las piezas individuales no obedecen a nada más que las leyes básicas de la física, y colectivamente acumulan una función. La función parece estar ausente del mundo de la física: el tiempo y el espacio no existen por ninguna razón expresa, simplemente son. En biología, los sistemas están bien afinados para actuar, moverse, catalizar y construir. La palabra "función" oscila entre la vida y no la vida. Es un término que atribuimos a las cosas que, simplemente, se parecen a la vida ¿o es algo más inherente? Como contaba England en una conferencia en el Instituto Karolinska de Suecia en 2014, la física no hace distinción entre la vida y la no vida. Pero la biología sí.

Después de su doctorado, cuando era investigador en Princeton, England visitaba a veces en Nueva York a su amigo más antiguo de la infancia, especialista en filosofía. Su amigo le llevó a algunos de sus lugares favoritos de Lower East Side y logró engancharle en largas conversaciones sobre el filósofo austríaco-británico Ludwig Wittgenstein.

Wittgenstein vivió en soledad durante parte de su vida en los bosques de Noruega —waldeinsamkeit— y escribió los así llamados "juegos de lenguaje", o conjuntos compartidos de convenciones sobre comunicación. Algunos filósofos han sostenido que el significado de una palabra es inherente al objeto físico que existe en el mundo. Wittgenstein, sin embargo, argumentaba que el significado de una palabra depende de su contexto, un contexto determinado por las personas que lo usan. Jugar a un juego de lenguaje es algo así como hablar en código: si dos personas están participando en una actividad bien entendida por ambas partes, pueden usar menos palabras y más simples para hacerse entender. Diferentes grupos de personas, músicos, políticos, científicos, etc., emplean juegos de lenguaje que satisfacen sus necesidades separadas. Hay nuevos juegos de lenguaje que surgen constantemente. El significado cambia la forma. Las palabras se adaptan.


Dos máquinas solares: Tanto un árbol como un panel solar absorben y transforman la energía solar y descargan el calor en su entorno. ¿Cómo podría un físico explicar por qué únicamente el árbol está vivo.
Para el físico embebido en la mecánica estadística, la vida puede en este sentido, parecer milagrosa. La segunda ley de la termodinámica exige que para un sistema cerrado (como un gas en una caja o el universo en su conjunto) el desorden debe aumentar con el tiempo. La nieve se derrite en un charco, pero un charco no toma (por sí mismo) espontáneamente la forma de un copo de nieve. Si vieras un charco hacer esto, asumirías que estarías viendo una película al revés, como si el tiempo estuviera retrocediendo. La segunda ley impone una irreversibilidad en el comportamiento de los grandes grupos de partículas, permitiéndonos jugar con palabras como "pasado", "presente" y "futuro".

La flecha del tiempo apunta en la dirección del desorden. La flecha de la vida, sin embargo, señala en el camino opuesto. De una semilla simple y aburrida crece una flor intrincadamente estructurada, y de la Tierra sin vida, bosques y selvas. ¿Cómo es que las reglas que gobiernan esos átomos que llamamos "vida" pueden ser tan drásticamente diferentes de las que gobiernan el resto de los átomos en el universo?

En 1944, el físico Erwin Schrödinger abordó esta cuestión en un pequeño libro llamado What is Life?. Reconoció que los organismos vivos, a diferencia de un gas en una caja, son sistemas abiertos. Es decir, admiten la transferencia de energía entre ellos mismos y un entorno más amplio. Aunque la vida mantiene el orden interno, su pérdida de calor al medio ambiente permite al universo experimentar un aumento total de la entropía (o desorden) de acuerdo con la segunda ley.

Al mismo tiempo, Schrödinger señaló un segundo misterio. El mecanismo que da lugar a la flecha del tiempo, dijo, no puede ser el mismo mecanismo que da origen a la flecha de la vida. La flecha del tiempo surge de las estadísticas de los grandes números, cuando hay suficientes átomos deambulando alrededor hay, simplemente, más configuraciones desordenadas que ordenadas, cuya probabilidad de que recompongan en un estado más ordenado es nula. Pero cuando se trata de la vida, el orden y la irreversibilidad deben reinar, incluso a escala microscópica, con muchos menos átomos en juego. A esta escala, los átomos no vienen en números suficientemente grandes para que sus estadísticas produzcan regularidades parecidas a la segunda ley. Un nucleótido (el bloque de construcción del ARN y el ADN, los componentes básicos de la vida) está, por ejemplo, hecho de sólo 30 átomos. Y sin embargo, observó Schrödinger, los códigos genéticos se mantienen increíblemente bien, a veces a lo largo de millones de generaciones, "con una durabilidad o permanencia que raya en lo milagroso".

Entonces, ¿cómo resiste un gen la descomposición? ¿Cómo no colapsa bajo el peso de su fragilidad? Algo más profundo que las estadísticas tenía que estar en juego, algo que podría permitir que los grupos pequeños de átomos empujaran su irreversibilidad mediante un impulso conviertiéndose en algo "vivo".

Un indicio se produjo medio siglo después, cuando un químico inglés llamado Gavin Crooks describió matemáticamente la irreversibilidad microscópica por primera vez. En una sola ecuación, publicada en 1999, Crooks demostró que un pequeño sistema abierto, impulsado por una fuente externa de energía, podría cambiar de manera irreversible, siempre y cuando disiparan su energía conforme cambiaba.

Imagina que estás parado frente a una valla. Quieres llegar al otro lado, pero la valla es demasiado alta para saltar. Entonces un amigo te da un saltador, que puedes usar para saltar al otro lado. Pero una vez que estés allí, puedes usar el mismo saltador para saltar de nuevo la valla y terminar donde empezaste. La fuente externa de energía (el saltador) te permite hacer un cambio, pero reversible.

Ahora imagina que en lugar de un saltador, tu amigo te entrega una mochila-cohete. Enciendes la mochila-cohete y te lanzas sobre la valla. Al limpiar la valla, la mochila-cohete disipa su combustible en el aire circundante, de modo que cuando aterrizas no queda suficiente energía en tu mochila-cohete para volver a la valla. Estás atrapado en el otro lado. Tu cambio es irreversible.

Crooks demostró que un grupo de átomos podrían igualmente aprovechar una ráfaga de energía externa y utilizarla para transformarse a sí mismos en una nueva configuración, saltar la valla, dicho claramente. Si los átomos disipan su energía mientras se transforman, el cambio podría ser irreversible. Siempre podrían usar la próxima explosión de energía que venga para una transición hacia atrás, y a menudo lo harán. Pero otras veces no lo harán. A veces usan esa siguiente explosión para una transición a otro nuevo estado, disipando su energía una vez más, transformándose paso a paso. De esta manera, la disipación no asegura la irreversibilidad, pero la irreversibilidad requiere disipación.

El resultado de Crooks fue muy general, aplicándose a cualquier transformación de un sistema no equilibrado, incluyendo, potencialmente, la vida. Pero, señala England, "quizás había cierta cautela sobre la pregunta de qué podría decirse acerca de un sistema desordenado de muchos cuerpos con grandes cantidades de disipación. Parecía que estos resultados eran verdaderos pero difíciles de operar para el cálculo. "En 2013, mientras que England estaba en California para una charla en Caltech, guardó el juego con las variables de la ecuación de Crooks en su habitación del hotel. De la ecuación de Crooks quedó claro que para lograr el tipo de irreversibilidad que conforma el sello distintivo de la vida, un sistema tendría que ser particularmente bueno para absorber y disipar el calor. Aunque sabía que aquello no era el cuadro completo.

"Es como vagar alrededor de la vecindad de un mismo punto básico", dice. “Entonces lo dejas y duermes, y piensas en cosas diferentes. Cuando vuelves, a veces hay una abertura en el muro. Cuando el tiempo pasa uno recibe las cosas de manera distinta."

Finalmente, algo encajó en su sitio. Dada una fuente de energía particular, algunas disposiciones de átomos serán mejores en absorber y gastar que otros. Lo más probable es que estas disposiciones experimenten una transformación irreversible. ¿Qué pasa si algunos sistemas hacer esto mejor que otros en el tiempo? Entonces la serie de transformaciones irreversibles se convierte en un efecto que aglutina y sale adelante. England se puso lápiz en papel y escribió una generalización de la segunda ley de la termodinámica que tiene en cuenta la historia disipativa de un sistema, y que, según él, arroja luz sobre el surgimiento de estructuras y funciones de la vida. En un estudio a finales del año pasado, lo expresó así:

Cualquier cambio de forma dado en un sistema es generalmente aleatorio, el más duradero e irreversible de estos cambios en la configuración ocurre cuando el sistema pasa momentáneamente por ser el que mejor trabaja en absorber y disipar. Con el transcurso del tiempo, la "memoria" de estos cambios menos borrables se acumula de manera preferente, y el sistema adopta cada vez más formas que se asemejan a las de su historia donde ocurrió la disipación. Mirando hacia atrás la historia probable de un producto de este proceso no equilibrado, la estructura nos aparecerá como si se hubiera autoorganizado en un estado "bien adaptado" a las condiciones ambientales. Este es el fenómeno de la adaptación disipativa.(1)

Por supuesto, un sistema de átomos no está tratando de hacer nada, simplemente es ciego, mezclándose aleatoriamente. Y sin embargo, a través de su viaje de una forma a otra, una constelación de historias químicas, se autoorganiza en algo que nos enseña como se ha adaptado. "El lenguaje es un laberinto de caminos", dijo Wittgenstein. Para England, la traducción parecía correcta de ¿A qué se llama "vida" en física? y él contestó, "adaptación disipativa".



Esto puede sonar como si la adaptación disipativa nos redujera a meras torres de enfriamiento bajo el sol. Pero la teoría significa mucho más que eso. La selección natural darwiniana podría ser refundida como un caso especial del fenómeno más generalizado de la adaptación disipativa, un dialecto de un lenguaje más fundamental. Mientras se produce la adaptación disipativa a microescala, la selección natural tiene lugar en el mundo de los auto-replicadores macroscópicos. Y la autorreplicación es una excelente manera de consumir y disipar la energía. En el lenguaje de la adaptación disipativa, las palabras como "aptitud" [fitness] toman un nuevo significado. "La aptitud no se define aquí en términos de un conjunto de funcionalidades óptimas, sino más bien como la relación de "dar y recibir" con la energía disponible en el medio ambiente", explica Meni Wanunu, profesor asistente de física en la Universidad de Northeastern. A medida que los sistemas disipan energía, se desplazan en una dirección irreversible y, al hacerlo, se vuelven "excepcionales", como dice England, no perfectos o ideales. "Un pájaro no es el óptimo global para volar", apunta, "pero es mucho mejor volando que rocas o gusanos".

La teoría nos reta a repensar las funciones notables que hacen de la vida algo especial: "Tenemos más flexibilidad en los lugares que buscamos la función", dice England. La aparición de funciones complejas a partir de una colección de partículas débilmente interactivas, sin ninguna coordinación fuerte, es ahora un proceso que puede descomponerse en muchas pequeñas transformaciones irreversibles impulsadas por un pulso externo. De tal manera que, podría ser más fácil el surgimiento de proteínas y enzimas de lo que habíamos pensado. "Puede que no sea una cuestión de seleccionar exquisitamente las secuencias de aminoácidos durante eones de auto-replicación", añade England. "Pueden haber escalas de tiempo más rápidas en el que las cosas se pueden auto-organizar. Si podemos convencernos de que el comienzo mismo de la vida se parece un poco más a una rampa o a una escalera con muchos pequeños cambios incrementales que apuntan en la dirección correcta, tal vez con ello podamos restablecer nuestra idea de qué tipo de escenarios debemos imaginar."

La teoría no sólo nos ayuda a mirar al pasado, sino que también sugiere nuevos enfoques de diseño e ingeniería. "Si quiero imitar algo que hacen los seres vivos, tal vez no tenga que imitar tanto las cosas vivas, como yo creía." Un ejemplo puede ser algo llamado "computación emergente", que ahora England y los miembros de su laboratorio están actualmente estudiando. El objetivo es conseguir que los sistemas de partículas desarrollen una capacidad de predecir los cambios de su entorno, sin recibir instrucciones de diseño sobre cómo hacerlo. Ser buenos en la absorción y la disipación de energía de un entorno fluctuante requiere algún grado de anticipación, después de todo. "Si tenemos éxito en hacer esto, el argumento será que de alguna manera las partículas del sistema están interactuando de tal forma que, efectivamente, implementan un cálculo sobre el futuro basado en las estadísticas del pasado", afirma England. Eso podría afectar a las tecnologías basadas en el poder predictivo, desde las redes neuronales hasta los bots que nos dicen cuándo comprar un billete de avión.

Este es el sorprendente poder de la traducción. Si funciona, podría ser la prueba que necesita la adaptación disipativa. Por ahora, Wanunu está reservando el juicio. "England propone un nuevo conjunto de ingredientes. Jeremy Gunawardena, profesor asociado de biología de sistemas en la Universidad de Harvard, tampoco es totalmente convencido del enfoque. "Jeremy espera que poder evitar pensar en la química y ver los fundamentos abstractos de la vida emergiendo como si de una necesidad física se tratase", dice. "No estoy convencido. Sin embargo, creo que es genial que esté trabajando en tal problema y estoy seguro de que aprenderemos algo interesante de él."

Lo cual es bastante justo. Después de todo, en palabras del difunto Umberto Eco, "la traducción es el arte del fracaso". Los fracasos y las concesiones de esta nueva traducción quedan por descubrir. Al fina y al cabo, no va a ser un solo lenguaje el que exprese las complejidades de la vida. Pero England quiere que probemos uno nuevo. Lo expresó así en la revista Commentary el año pasado: "Hay más de un lenguaje viable para describir el mundo, y Dios quiere que el hombre los exprese todos".


##########################
Traducido/Editado por Pedro Donaire
--Ref. Magazine Nautil.us, 20 de julio de 2017
--Autora Allison Eck, es escritora científica y productora asociada digital de NOVA Online. Vive en Boston. “How Do You Say “Life” in Physics?”
--Ilustración de Jon Han 
--Relacionado: "Nueva teoría Física de la Vida"
Referencias
1. England, J.L. Dissipative adaptation in driven self-assembly. Nature Nanotechnology 10, 919-923 (2015) doi:10.1038/nnano.2015.250.

--This article was originally published in our “Adaptation” issue in March, 2016.
++++++++++++++

No hay comentarios:

Publicar un comentario

Deshabilitado los comentarios. Contacto y comentarios en las redes sociales.

Nota: solo los miembros de este blog pueden publicar comentarios.