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domingo, 6 de agosto de 2017

Lo Posible Adyacente, de Stuart A. Kauffman

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Un agente autónomo es algo que puede reproducirse y, al menos, ser capaz de completar un ciclo de trabajo termodinámico. Resulta que esto es cierto para todas las células de vida libre, a excepción de casos raros y especiales. Dichas células completan sus ciclos de trabajo igual que cualquier bacteria meneando su flagelo como nadando en un gradiente de glucosa. Así están ocupadas las células de tu cuerpo completando sus ciclos de trabajo durante todo su tiempo.


Una charla con Stuart A. Kauffman

Introducción

Stuart Kauffman es un biólogo teórico que estudia el origen de la vida y los orígenes de la organización molecular. Hace treinta y cinco años, desarrolló los modelos Kauffman, que son redes aleatorias que exhiben un tipo de auto-organización que él denominó "orden espontáneo". Kauffman no es fácil de entender. Sus modelos son rigurosos, matemáticos y, para muchos de sus colegas, algo difícil de entender. Una clave de su visión del mundo es la noción de lo convergente, en lugar de flujo divergente, lo que desempeña el papel decisivo en la evolución de la vida. Él cree que los sistemas complejos más capaces de adaptarse son aquellos cuyo punto de equilibrio se sitúa en la frontera entre el caos y el desorden.

Kauffman hace una pregunta que va más allá de las planteadas por otros teóricos de la evolución: si la selección está funcionando todo el tiempo, ¿cómo construimos una teoría que combine la auto-organización (orden espontáneo) y la selección natural? La respuesta está en una "nueva" biología, algo similar a la propuesta por Brian Goodwin, en el que la selección natural está casada con el estructuralismo.

Últimamente, Kauffman dice que se encuentra «paralizado por el hecho de que no veo cómo se puede ver de antemano cuáles serán las variables. Empieza la ciencia indicando el espacio de configuración. Uno conoce las variables, conoce las leyes, conoce las fuerzas, y toda la cuestión se reduce a ¿cómo lo trabajo en ese espacio? Si no se puede ver de antemano cuáles son las variables, las variables microscópicas, por ejemplo, para la biosfera, ¿cómo puedo empezar a trabajar en una teoría integrada? No sé cómo hacer eso. Entiendo lo que hacen los paleontólogos, pero ellos trabajan con el pasado. ¿Cómo trabajar con algo que podríamos tratar como el futuro de una biosfera?»
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Stuart A. Kauffman, es biólogo teórico, profesor emérito de bioquímica en la Universidad de Pennsylvania, MacArthur Fellow y profesor visitante en el Instituto de Santa Fe. El Dr. Kauffman fue el socio fundador y director científico de Bios Group, una empresa (adquirida en 2003 por NuTech Solutions) que aplica la ciencia de la complejidad a los problemas de gestión empresarial. Autor de “The Origins of Order”, “Investigations”, and “At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization”.


Lo Posible Adyacente

(Stuart A. Kauffman): Erwin Schrödinger, en su famoso libro, ¿Qué es la vida?, pregunta: "¿Cuál es el origen del orden de lo vivo en biología?" Él llega a una idea que depende de la mecánica cuántica y de un microcódigo transmitido en una especie de cristal sin periodicidad, el ADN y ARN. Pero si se le pregunta si llegó a la esencia de lo que está vivo, está claro que no, no llegó. Aunque hoy en día conocemos partes y piezas de la maquinaria de las células, aún no sabemos lo que hace a los seres vivos. Sin embargo, es posible que haya topado con una definición de lo que significa que algo esté vivo.

 Durante un año y medio, he estado guardando un cuaderno sobre lo que denomino agentes autónomos. Un agente autónomo es algo que puede actuar en su propio nombre dentro de un entorno medioambiental. De hecho, todos los organismos que viven en libertad son agentes autónomos. Normalmente, cuando pensamos en una bacteria nadando corriente arriba en un gradiente de glucosa decimos que la bacteria va a conseguir comida. Es decir, hablamos teleológicamente de la bacteria, como si actuara por su propia cuenta en un entorno dado. Es sorprendente que el universo haya generado cosas que pueden actuar de esta manera. ¿Cómo ha podido suceder algo así en el mundo?

 Mientras pensaba en eso, he observado que la bacteria es sólo un sistema físico; solamente un racimo de moléculas que cuelgan juntas y hacen cosas la una por la otra. Por lo tanto, me preguntaba, ¿qué características son las necesarias para que un sistema físico pueda ser considerado un agente autónomo? Después de pensar en esto durante meses se me ocurrió una definición tentativa.

Mi definición es que un agente autónomo es algo que puede reproducirse y completar al menos un ciclo de trabajo termodinámico. Resulta que esto es cierto para todas las células de vida libre, a excepción de casos extraños y especiales. Dichas células completan sus ciclos de trabajo igual que cualquier bacteria meneando sus flagelo como nadando en un gradiente de glucosa. Así están ocupadas las células de tu cuerpo completando sus ciclos de trabajo durante todo su tiempo.

 Las definiciones no son ni verdaderas ni falsas; son útiles o inútiles. Sólo podemos saber si una definición es útil al tratar de aplicarla a los organismos, las cuestiones conceptuales y a las cuestiones experimentales. Con suerte, resultará ser interesante.

Una vez que tuve esta definición, mi siguiente paso fue crear y escribir acerca de un hipotético agente autónomo químico. Resultó ser un sistema químico termodinámico abierto capaz de reproducirse a sí mismo y, al hacerlo, llevar a cabo un ciclo de trabajo termodinámico. Tenía que aprender acerca de los ciclos de trabajo, pero es sólo una nueva clase de redes de reacciones químicas que nadie ha visto antes. Se habían hecho sistemas moleculares autorreproductores y motores moleculares, pero nadie había puesto a los dos juntos, en un único sistema, capaz de hacer tanto la reproducción como el ciclo de trabajo.

 Imagine que dentro de la célula hay dos clases de moléculas, A y B, que pueden sufrir tres reacciones diferentes. A y B pueden hacer C y D, pueden hacer E, o pueden hacer F y G. Hay tres vías distintas de reacción, cada una de ellas tiene barreras potenciales a lo largo de la coordenada de reacción. Una vez que las células producen la membrana, A y B pueden particionar en la membrana, cambiar su movimiento de traslación, su rotación y vibración. Eso, a su vez, cambia la forma de la barrera potencial y de las paredes. Cambiar las alturas de la barrera potencial es precisamente una manipulación de restricciones. De este modo, las células hacen el trabajo termodinámico para construir una estructura llamada membrana, que a su vez manipula restricciones sobre las reacciones, lo que significa que las células funcionan construyendo restricciones que manipulan restricciones.

 Además, la célula hace un trabajo termodinámico para construir una enzima mediante la vinculación de aminoácidos. Une al estado de transición que lleva A y B a C y D —no a E ó F y G—, así puede catalizar esta reacción específica, causando que la energía llegue por un camino específico dentro de un pequeño número de grados de libertad. Si uno hace C y D, pero no haces E o F y G. D puede ir adjunta a un canal transmembrana y renunciar a parte de su energía vibratoria que hizo aparecer la membrana abierta y permitir la entrada de un ion, que estaba más allá de la célula. Así que las células funcionan para construir restricciones, las cuales provocan la liberación de energía de una manera específica para que el trabajo esté hecho. Y ese trabajo entonces se propaga, es fascinante.

Tal como procedo aquí hay varios puntos a tener en cuenta. Uno de ellos es que no se puede hacer un ciclo de trabajo en equilibrio, lo que significa que el concepto de agente autónomo es de forma inherente un concepto no equilibrado.

Un segundo punto es que una vez que se ha desarrollado este concepto será una cuestión de quizá 10, 15, ó hasta 20 años, en algún lugar de esta unión entre biología y nanotecnología, produciremos agentes autónomos que crearán sistemas químicos capaces de reproducirse y completar ciclos de trabajo. Esto significa que tenemos una revolución tecnológica en nuestras manos, porque los agentes autónomos no sólo se asientan, hablan y pasan la información alrededor, de hecho, pueden construir cosas.

 La tercera cosa es que esto puede ser una definición adecuada de la vida. En los próximos 30 a 50 años seremos capaces de crear una nueva forma de vida o de encontrarla en Marte, Titán o en cualquier otro lugar. Espero que lo que encontramos sea radicalmente diferente de la vida en la Tierra, ya que abrirá dos cuestiones principales. Primero, ¿daría lugar a una biología libre de las restricciones de la biología terrestre? Y segundo, ¿hay leyes que rigen biosferas en cualquier parte del universo? Me gustaría pensar que existen tales leyes. Por supuesto, no sabemos que las haya, ni siquiera sabemos que existen esas leyes para la biosfera de la Tierra, pero tengo tres o cuatro leyes candidatas que luchan por serlo.

 Todo esto apunta a la necesidad de una teoría de la organización, y podemos empezar a pensar en una teoría así al criticar el concepto de trabajo. Si le preguntas a un físico qué es el trabajo te va a decir que es una fuerza que actúa a través de una distancia. Cuando golpeas un disco de hockey, por ejemplo, es tanto mayor su aceleración cuanto más pequeños incrementos de fuerza le vayas aplicando. La integral de esa cifra, dividida por la distancia que el disco ha recorrido, es el trabajo que has hecho. El resultado es sólo un número.

 En cualquier caso específico de trabajo, sin embargo, hay una organización para dicho proceso. La descripción de la organización del proceso de trabajo que permite que suceda no se encuentra en su representación numérica. En su libro sobre la segunda ley, Peter Atkins da una definición de trabajo que me resulta interesante. Dice que el trabajo en sí es la liberación de la restricción energética. Piense en un cilindro y un pistón en un viejo motor de vapor. El vapor empuja hacia abajo el pistón, y convierte la aleatoriedad del vapor dentro de la cabeza del cilindro en el movimiento rectilíneo del pistón hacia abajo del cilindro. En este proceso, muchos grados de libertad se convierten en unos pocos.

 El rompecabezas se hace evidente cuando nos planteamos algunas nuevas preguntas. ¿Cuáles son esas restricciones? Obviamente, las restricciones son el cilindro y el pistón, el hecho de que el pistón se encuentra en el interior del cilindro, el hecho de que hay un poco de grasa entre el pistón y el cilindro para que el vapor no puede escapar y algunas varillas unidas al pistón. Pero, ¿de dónde vienen las restricciones? Prácticamente, en casi todos los casos hay que trabajar haciendo restricciones. Alguien tuvo que hacer el cilindro, alguien tuvo que hacer el pistón, y alguien tuvo que ensamblarlos.

Lo que hay que hacer para crear restricciones y coger las que se necesita para hacer un determinado trabajo es un ciclo muy interesante. Esta idea no estaba en ninguna parte de nuestra definición de trabajo, pero es físicamente correcta en la mayoría de los casos, y desde luego en los organismos. Esto significa que nos falta la teoría y apunta hacia la importancia de la organización del proceso.

El ciclo de vida de una célula es simplemente increíble. Trabaja construyendo restricciones para la liberación de energía, y vuelve sucesivamente a trabajar construyendo restricciones para la liberación de energía, todo se basa en la estructura. Las células no sólo portan información, en realidad construyen cosas hasta que sucede algo sorprendente: una célula completa un nexo cerrado de tareas de trabajo, y construye una copia de sí misma. A pesar de que no sabía nada de las células, Kant habló de esto hace 230 años cuando dijo que un ser organizado posee la auto-organización capaz de crearse a sí mismo. Sin embargo, aunque las células puedan hacer esto, este hecho no aparece en ninguna parte de nuestra física. No existe en nuestra noción de la materia, no está en nuestra noción de la energía, no está en nuestra noción de la información, y tampoco está en nuestra noción de entropía. Es otra cosa. Tiene que ver con la organización, la propagación de la organización, el trabajo y la construcción de restricciones. Todo esto debe ser incorporado a una nueva teoría de la organización.

 Puedo llevar esto un poco más lejos mediante la noción del demonio de Maxwell. Todo el mundo conoce el demonio de Maxwell; supone una criatura que separe las moléculas rápidas (calientes) de las moléculas lentas (frías) en una parte de una caja particionada, enviando las moléculas lentas a través de una válvula a otra parte de una caja particionada. Una vez establecido el demonio entonces podría ir acumulando un gradiente de temperatura, lo que permitiría extraerlo. Ha habido una gran cantidad de buen trabajo científico al respecto, que demuestra que en estado de equilibrio el demonio nunca podría ganar. Así que vamos a ir directamente a un entorno de no-equilibrio y hacernos algunas preguntas nuevas.

El demonio de Maxwell separa las moléculas de los gases A y B. WikiMedia.
Ahora piensa en una caja con una partición y una válvula tapadera. En el lado izquierdo de la caja hay N moléculas y en el lado derecho de la caja hay N moléculas, pero las que están en el lado izquierdo se mueven más rápido que las de la derecha. El lado izquierdo de la caja es más caliente, por lo que no es una fuente de energía libre. Si se pusiera un molinillo de viento al abrir la válvula tapadera, no habría un viento transitoria de la izquierda a la derecha de la caja, haciendo que el molino de viento se orientase hacia la válvula tapadera y el espín. El sistema detecta una fuente de energía libre, la veleta posterior del molino de viento orienta al molinillo de viento a causa del viento transitorio, y luego extrae el trabajo. Los físicos dirían que el demonio realiza una medición para detectar la fuente de energía libre. Mi nueva pregunta es, ¿cómo es que el demonio sabe hacer la medición?

 Ahora el demonio se hace en un experimento bastante fantástico. Se utiliza una cámara mágica que toma una foto instantánea y mide la posición de todas las moléculas del cuadro de la izquierda y el de la derecha. Eso está bien, pero partiendo de ese experimento no se puede deducir que las moléculas sean más rápidas en el cuadro de la izquierda que en el de la derecha. Si tomara dos imágenes a un segundo de diferencia, o si se ha mediera la transferencia de impulso a las paredes se podría averiguar, pero con una sola imagen es imposible. Entonces, ¿cómo sabe el demonio qué experimento hacer? La respuesta es que el demonio no lo sabe.

 Volvamos a la biosfera. Si ocurre una mutación aleatoria por el cual algún organismo puede detectar y utilizar una nueva fuente de energía libre, y es ventajoso para el organismo, la selección natural es seleccionarlo. Toda la biosfera es una vasta y entrelazada red de trabajo ocupada construyendo cosas para que, sorprendentemente, la luz del sol caiga y las secuoyas se construyan y se conviertan en los hogares de seres que viven en su corteza. La compleja red de la biosfera es un conjunto relacionado de tareas de trabajo, la construcción de restricciones, y así sucesivamente. Operando de acuerdo a la selección natural, la biosfera es capaz de hacer lo que el demonio de Maxwell no puede hacer por sí mismo. La biosfera es una de las cosas más complejas que conocemos del universo, lo que exige una teoría de la organización capaz de describir lo que la biosfera está ocupada haciendo, cómo se organiza, cómo propaga su trabajo, cómo se construyen las restricciones, y cómo son detectadas las nuevas fuentes de energía libre. Actualmente no tenemos ninguna teoría al respecto.

 En este momento estoy ocupado pensando en este importante problema. La frustración que estoy enfrentando es que no está claro cómo construir la teoría matemática para esto, así que tengo que hablar de lo que Darwin llamó adaptaciones y que luego llamó pre-adaptaciones.

Uno podría preguntar, ¿cuál es la función del corazón? Darwin respondería que su función es la de bombear sangre, y eso es cierto, esa la causa por la que se seleccionó el corazón. Sin embargo, tu corazón también emite sonidos, que no es la función de tu corazón. Esto nos lleva a una conclusión fácil, pero desconcertante, que la función de una parte de un organismo es el subconjunto de sus consecuencias causales, lo cual significa que, para analizar la función de una parte de un organismo necesitamos saber de todo el organismo y de su entorno. Esta es la parte fácil; hay un holismo irrenunciable sobre los organismos.

Pero aquí está la parte extraña: Darwin habló de pre-adaptaciones, queriendo significar la consecuencia causal de una parte de un organismo que podría volverse útil en algún curioso ambiente y, por lo tanto, ser seleccionado. La historia de Gertrudis, la ardilla voladora, ilustra esto: hace cerca de 63 millones de años había una ardilla muy fea que tenía colgajos de piel que conectaban las muñecas a los tobillos. Era tan fea que ninguna de sus colegas ardilla jugaría o aparearía con ella, así que un día que estaba comiendo su almuerzo sola en un árbol de magnolia. Había un búho llamado Bertha en un pino vecino. Bertha echó un vistazo a Gertrude y pensó, "el almuerzo!" y voló fuera de la luz del sol con sus garras extendidas. Gertrude estaba muy asustada y saltó del árbol de magnolia y, sorprendida, descubrió que volaba (planeaba). Se escapó de la aturdida Bertha, y aterrizó, convirtiéndose en una heroína para su clan. Se casó un mes más tarde en una ceremonia civil con un macho ardilla muy guapo, y debido a que el gen de los colgajos de piel era mendeliano dominante, la totalidad de sus hijos tuvieron las mismas aletas. Así es, más o menos, por qué ahora tenemos ardillas voladoras.

 La pregunta es, ¿podría haber un dicho de antemano que las aletas de Gertrude podrían funcionar como alas? Bueno, quizás. ¿Podríamos decir que alguna mutación molecular de alguna bacteria le permitiera recoger corrientes de calcio con las que podría detectar un paramecio en sus proximidades y, para escapar de él, podría funcionar como un detector de paramecios? No. Sabiendo lo que es una adaptación previa darwiniana, ¿cree que podríamos decir antes de tiempo, lo que son todas las posibles adaptaciones pre darwinianas? No, no podemos. Eso significa que no sabemos lo que es el espacio de configuración de la biosfera.

 Es importante tener en cuenta lo extraño que es esto. En la mecánica estadística empezamos con el famoso volumen de un litro de gas, y las moléculas están rebotando atrás y adelante, y se necesitan seis números para especificar la posición y el momento de cada partícula. Es esencial comenzar por describir el conjunto de todas las configuraciones y los momentos del gas posibles, que le da una fase espacial de 6N dimensional. A continuación, dividirlo en pequeñas cajas 6N dimensionales y hacer la mecánica estadística. Sin embargo, se comienza por ser capaz de decir lo que es el espacio de configuración. ¿Podemos hacer eso con la biosfera?

 Voy a tratar dos respuestas. La respuesta primera es No. No sabemos qué pre adaptaciones darwinianas van a realizarse, que sustituye una flecha del tiempo. Lo mismo es cierto en economía; no podemos decir de antemano qué innovaciones tecnológicas van a suceder. Nadie pensaba en la Web hace 300 años. Los romanos usaban cosas para lanzar piedras pesadas, pero ciertamente no tenían ni idea de los misiles crucero. Así que no creo que podamos hacerlo para la biosfera ni para la ecosfera.

Se podría decir que es sólo una fase clásica de espacio —dejando aparte la mecánica cuántica— y supongo que me puede empujar. Se podría decir que podemos indicar el espacio de configuración, ya que es simplemente una fase clásica de espacio 6N-dimensional. Pero no podemos decir cuáles son las variables macroscópicas, como las alas, los detectores de paramecios, los cerebros grandes, las orejas, la audición y el vuelo, y todas las cosas que han llegado a existir en la biosfera.

 Todo esto me dice que mi tentativa de definición de un agente autónomo es fructífera, porque me condujo a todas estas cuestiones. Creo que estoy abriendo nuevas puertas científicas. La cuestión de cómo el universo llegó a ser tan complejo está sumergido en esa pregunta sobre el demonio de Maxwell, por ejemplo, y cómo la biosfera consigue su complejidad está sumergida en todo lo que he dicho. No tenemos ninguna respuesta a estas preguntas. No estoy seguro de cómo obtener las respuestas. Esto me deja horrorizado por mis esfuerzos, pero el hecho de que lo estoy pidiendo ya lo convierte en cuestiones fructíferas, por lo que estoy satisfecho con lo que estoy haciendo.

Me puedo imaginar haciendo modelos de cómo el universo se vuelve más complejo, pero al mismo tiempo estoy paralizado por el hecho de que no veo cómo se puede ver de antemano cuáles serán las variables. Se empieza la ciencia indicando el espacio de configuración. Usted sabe las variables, conoce las leyes, sabes las fuerzas y toda la cuestión es, ¿cómo funcionan las cosas en ese espacio? Si no puedes ver de antemano cuáles son las variables, las variables microscópicas, por ejemplo, para la biosfera, ¿cómo empezar a trabajar en la tarea de una teoría integrada? No sé cómo hacer eso. Entiendo lo que los paleontólogos hacen, pero ellos están tratando con el pasado. ¿Cómo podemos empezar a trabajar en algo donde pudiéramos hablar sobre el futuro de una biosfera?

Existe la posibilidad de que existan leyes generales, y he pensado acerca de cuatro de ellas. Uno apunta a que los agentes autónomos tienen que vivir el juego de mayor complejidad que puedan. El segundo tiene que ver con la construcción de los ecosistemas. El tercero tiene que ver con la criticalidad auto-organizada de Per Bak en los ecosistemas. Y el cuarto se refiere a la idea de “lo posible adyacente”. Sólo en el caso que las biosferas mantengan la expansión del posible adyacente. y al hacerlo, aumente la diversidad de lo que puede ocurrir consiguientemente. Puede que las biosferas, como una tendencia secular, maximicen la velocidad de exploración de lo posible adyacente. Si lo hicieron demasiado rápido, podría destruir su propia organización interna, ya haya mecanismos de compuerta interna. Por eso llamo a eso la tendencia secular media, ya que explora el posible adyacente que más rápido puede realizarse. Hay muy buena ciencia por hacer para descomprimir eso, y yo me estoy dedicando a ello.

 Otro de los problemas se refiere a lo que llamo las condiciones de ensamblaje co-evolutivo. ¿Por qué funciona la co-evolución? ¿Por qué no terminan, simplemente, matándose todos, dadas las relaciones totales que alteran las formas de sobrevivir que tienen unos organismos por la adaptabilidad de otros? La misma pregunta se aplica a la economía. ¿Cómo pueden los humanos montar esta creciente diversidad y complejidad en las formas de ganarse la vida? ¿Por qué funciona, de hecho? ¿Por qué ese de hecho permanece como regla o ley? Debe haber algunas condiciones muy generales sobre este montaje co-evolutivo. Tengamos en cuenta que nadie está a cargo de la evolución en sí misma, de la evolución de la biosfera o de la evolución de la ecosfera. De alguna manera, los sistemas se involucran en una posición donde puedan llevar a cabo el montaje coevolutivo. Esa cuestión no está ni siquiera en los libros, pero es una cuestón profunda; no es tan obvio que debiera funcionar, en absoluto. Así que estoy atascado.

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Traducido/Editado por Pedro Donaire
Ref. Edge.org, "The Adjacent Possible"
Autor: Stuart A._Kauffman .

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