Introducción. Complejidad y vida
Por: Edwin Francisco Herrera Paz
"La vida es muy simple, pero insistimos en hacerla complicada."
— Confucio
Al tratar de definir lo que es la vida, muchas veces nos encontramos con
el dilema de su complejidad. Definir a cabalidad el término “vida” es sin duda
una tarea ardua, que se complica aún más
cuando tratamos de diferenciar entre lo que está vivo y lo que no lo está. Sin
duda podemos estar de acuerdo, aun sin contar con amplios conocimientos científicos
acerca de los fenómenos biológicos, que una roca sedimentaria no está viva
mientras que un pájaro que vuela por el cielo sí lo está. Si bien nos resulta
obvio que la cama en la que reposa nuestro cuerpo no tiene vida, somos prontos
a reconocer que nuestra querida mascota, sea esta una tortuga, un canario, un
gato o un perro, si la tiene. La distinción entre estos elementos parece
bastante simple, pero de repente surgen complicaciones una vez que nos
acercamos a los límites que definen lo que llamamos vida.
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| Un virus está hecho de proteínas y un solo ácido nucleíco |
Los virus, como forma de vida, son quizá los organismos biológicos más
antiguos, reliquia de un mundo prebiótico. Cualquier virus sólo posee un tipo
de ácido nucleíco, ya sea ARN o ADN, a diferencia del resto de todas las
criaturas vivientes conocidas, que tienen ambos. Los virus son incapaces de
multiplicarse por sí mismos y para lograrlo deben secuestrar la maquinaria de
otro organismo vivo con el fin de hacerla producir sus clones. La estructura
vírica es bastante simple: son máquinas moleculares compuestas de un conjunto
de proteínas y un ácido nucleíco. Pero entonces surge la pregunta: ¿Son los
virus organismos vivos?
He aquí otro ejemplo: Las plaquetas se encuentran en el torrente
sanguíneo y son las estructuras encargadas de la coagulación de la sangre en
caso de hemorragia. Forman parte de la fracción sólida (celular) de la sangre
del ser humano y de otras especies. Dentro de esta fracción también encontramos
las células blancas o leucocitos, responsables de gran parte de la actividad
inmune, y las células rojas o eritrocitos, cuya función principal es
transportar el oxígeno desde los pulmones a los tejidos periféricos. Estas tres
estructuras (plaquetas, leucocitos y eritrocitos) se originan todas a partir de
una célula madre progenitora que se encuentra en la médula ósea. Para dar lugar
a las plaquetas una célula madre normal se modifica, transformándose en otra
célula llamada megacariocito. Esta última se fragmenta en múltiples trozos
convirtiéndose cada uno de ellos en una plaqueta. Por lo tanto las plaquetas no
son células sino fragmentos de células. Así que de nuevo surge la pregunta:
¿Son las plaquetas organismos vivos?
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| La proteína kinesina parece tener dos pequeños pies con los que "camina" a lo largo de los microtúbulos (en rojo) que forman el esqueleto celular, transportando substancias en un saco o vesícula (verde menta) |
Podríamos pensar que estos tipos de organismos se encuentran en el
límite de nuestra definición de la vida, pero no es así. Los virus,
evolutivamente, necesitaron un gran número de pasos intermedios a partir de la
materia inerte antes de convertirse en lo que son. No es difícil poner a las
plaquetas y los virus en el mismo saco de los seres vivientes. Sin embargo
podemos continuar bajando por la escalera evolutiva hasta acercarnos a las
primeras moléculas complejas auto-replicantes, y una vez allí preguntarnos:
¿Son las proteínas y otras moléculas biológicas organismos vivos? Por supuesto
que no, pensará usted, pero si pudiésemos reducir nuestro tamaño con el fin de
pasar un día en una célula promedio, en el pequeño mundo de las proteínas, tal
vez nuestro concepto de lo que está vivo se vería drásticamente modificado. La
actividad dentro de una célula es intensa, con una gran variabilidad de
proteínas realizando los más diversos tipos de labores, cooperando unas con
otras como los trabajadores de una fábrica. Si pudiésemos vivir en este mundo
por solo un instante tal vez nos preguntaríamos qué es lo que nos impide la
inclusión de estos "seres" en la categoría de los vivos. Tal vez
entonces nos sentiríamos proclives a cambiar los parámetros que consideramos
que un elemento debe tener para ser considerado vivo.
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| Todos los organismos vivos compartimos el mismo código genético, un diccionario que convierte el lenguaje de ácidos nucleícos a lenguaje de proteínas |
¿Entonces que es realmente lo malo con nuestra categorización de lo que
está vivo y lo que no lo está? Podemos achacar la culpa a las restricciones del
lenguaje. Utilizamos el término vida, al menos en nuestro ámbito terrestre,
para un gran número de organismos de alguna forma emparentados entre sí,
relacionados por la misma química del carbono y una forma común de codificar la
información (el código genético). Dentro del término “vida” se incluyen
organismos tan diversos como un roble, un gusano, una bacteria o un ser humano,
sin distinción alguna. Yo no diría que una de las células de la piel de la
punta de mi dedo gordo del pie (primer ortejo) está menos viva que YO,
tomándome a mí mismo como una unidad. Ambos somos seres vivos. Pero nuestra
psiquis hace distinciones importantes entre ambos, las cuales tienen
implicaciones conceptuales y morales trascendentales. Por ejemplo, no se
considera un crimen acabar con la vida de una célula del cuerpo, de las cuales
tenemos un estimado de entre 15 y 50 billones, pero una vida humana es muy
valiosa y para ello existen cuerpos de leyes que nos protegen de la mutua destrucción.
Se hace evidente que la dualidad “vivo / no vivo” es insuficiente para
cubrir el amplio espectro que va desde las partículas inanimadas hasta las
complejas comunidades humanas o de insectos sociales, pasando por los
organismos inteligentes. Entonces, ¿cómo llenar este vacío conceptual? ¿Cómo
podemos cubrir nuestra necesidad intuitiva de clasificar algunos organismos
como "más vivos" que otros a pesar de la restricción en el lenguaje?
El término vida es cualitativo y no cuantitativo, por lo que para salvar este
obstáculo utilizaremos en adelante el vocablo "complejidad".
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| Complejo y complicado no es lo mismo. Una red de relaciones (arriba) es compleja, en cambio su descripción matemática puede resultarnos en extremo complicada |
Complejidad no es la palabra trivial sugerida un su uso diario. Cuando
experimentamos dificultades para resolver problemas matemáticos decimos que
“son muy complejos”. La complejidad de los problemas matemáticos se deriva de
la cantidad de esfuerzo que se necesita para llegar a una solución, por lo que
un sinónimo adecuado del término en los asuntos de la vida cotidiana sería
"complicado". Sin embargo, en los campos de la ciencia, complejo y
complicado no es lo mismo. Complejidad es un término que se aplica a ciertos
tipos de sistemas llamados no lineales, formados por una variedad de elementos
interconectados. En estas conexiones se encuentra una gran cantidad de
información adicional, invisible cuando solo se observan los elementos por
separado. Como resultado de las interacciones, surgen nuevas propiedades que no
se pueden explicar por aquellas de los elementos individuales: las denominadas
propiedades emergentes. Aunque es posible analizar el grado de complejidad de
un sistema basándonos en una variedad de parámetros, para los fines de esta
introducción voy a mencionar cuatro, tal vez los más importantes. En orden
ascendente: 1) El número de elementos del sistema, 2) El número de diferentes
clases en las que se agrupan estos elementos, 3) El número medio de relaciones
entre los elementos, y 3) los niveles estructurales del sistema.
Tomemos como ejemplo el proceso de comunicación entre las personas. Dos
personas conversando forman un sistema, pero sólo tenemos dos elementos, y
ambos del mismo tipo, por lo que su grado de complejidad es bajo. En
comparación, una reunión de la junta directiva de una empresa es un sistema más
complejo que cuenta con un mayor número de elementos, algunos de los cuales se
especializan en labores específicas. Un cóctel diplomático donde hay pequeños
grupos de personas conversando tiene un mayor número de elementos, pero el
número de clases de elementos (diplomáticos) y el número de relaciones entre
cada uno de estos elementos es aún baja. Un foro sobre política en Internet,
sin embargo, se basa en la opinión de muchas personas de diferentes
ocupaciones, y en este caso todos los usuarios pueden leer e interactuar con
muchos otros usuarios. En el último caso el número de relaciones entre
participantes es mayor, aumentando el grado de complejidad. Con el fin de
determinar la complejidad de un sistema el número de relaciones entre los
elementos es aún más importante que el número de elementos.
Los sistemas de comunicación humanos antes mencionados son relativamente
simples ya que su estructura es plana, sin niveles. Una red plana parece muy
simple en comparación con una estructura de varios niveles. Dentro de las redes
simples planas, todos los elementos están ubicados en el mismo nivel y los
grupos de elementos no forman nuevos elementos, aunque de hecho, la red en sí
misma es de enorme complejidad (para comprender la complejidad de las redes de
relaciones revisar Gleiser y Spoormaker, 2010; Apicella y col, 2012; Fowler,
2012).
Un sistema jerárquico con varios niveles estructurales será más complejo
que uno horizontal. Como ejemplo, el flujo de información en una empresa será
jerárquico con múltiples niveles de mando, desde los trabajadores a los mandos
intermedios, hasta los altos directivos. Vamos a llamar a cada uno de estos,
"niveles de complejidad". Cuanto mayor es el número de niveles más
complejo es el sistema, y más aún cuando le sumamos los llamados “mecanismos de
control” entre y dentro de los niveles que ayudan a mantener la estabilidad y
el buen rendimiento. Un grupo de elementos de un nivel particular pueden
agruparse para formar, a su vez, una unidad funcional con nuevas propiedades
emergentes. Cada una de estas unidades se convierte entonces en un elemento de
un nivel superior. En nuestro ejemplo de la empresa, los empleados (elementos
del primer nivel de complejidad) pueden organizarse en departamentos, cada uno
con una función específica. Cada departamento es entonces un elemento de un
nivel más alto, que se llama corporación. En otro ejemplo, las células
(elementos del primer nivel) se organizan para formar órganos específicos que
son los nuevos elementos de un nivel superior: un cuerpo humano.
Es conveniente en este momento aclarar que los principios que rigen los
sistemas complejos no se limitan a los seres vivos, sino que se aplican a un
gran número de fenómenos en la naturaleza. El clima global, por ejemplo, es un
sistema complejo. Sin embargo en esta obra se analizan sobre todo esos sistemas
especiales, singulares y sorprendentemente complejos que merecen ser llamados
"vivos" así como sus derivados, tales como los sistemas sociales,
políticos, económicos, comerciales, culturales y lingüísticos, que comparten
con sus progenitores vivos muchas de sus características evolutivas. Este tipo
de sistemas complejos (llamados biológicos) y sus derivados difieren de lo
inanimado en una característica especial: su enorme capacidad de evolucionar
hacia niveles más altos de complejidad.
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| Niveles estructurales de una corporación |
Hagamos un ejercicio y contestemos la pregunta: ¿Cuántos niveles de
complejidad podemos identificar en una empresa transnacional? Varias moléculas
complejas llamadas proteínas cooperan para realizar una tarea, ya sea formando
un motor molecular o en una ruta metabólica. Vamos a establecer el nivel
molecular como el primero. Diferentes agrupaciones moleculares forman
estructuras con funciones específicas dentro de la célula. Por ejemplo: En la
formación de los orgánulos. Este será nuestro segundo nivel. Los orgánulos con
diferentes funciones interactúan y cooperan para formar una unidad funcional,
la célula, que también es nuestro tercer nivel. Varios tipos de células
interactúan para formar un tejido específico, nuestro cuarto nivel. Los tejidos
forman los órganos, el quinto nivel. Varios órganos cooperan para formar un
sistema, el sexto nivel. Los sistemas se ensamblan para formar un ser humano,
el séptimo nivel. Los seres humanos cooperan para formar un departamento, el
octavo nivel. Los departamentos se combinan para formar una sucursal, el noveno
nivel. Varias sucursales de un país forman una división, el décimo nivel, y
varias divisiones en diferentes países formar una corporación transnacional, el
undécimo nivel.
¡Nada menos que once niveles de complejidad en una empresa
transnacional! Y esta es una simplificación excesiva con fines ilustrativos,
por no hablar de que una empresa no está hecha sólo de seres humanos. En
realidad, los sistemas complejos vivos interactúan de maneras también
complejas. Un ser humano se compone no sólo de los propios tejidos. De hecho,
la cantidad de células propias en nuestro organismo es menor que el número de
bacterias contenidas en la flora bacteriana de nuestra piel e intestino
(Turnbaugh y col, 2007; Mitreva, 2012). Estas bacterias forman comunidades y
ecosistemas, con sus propios niveles de complejidad, pero se encuentran
integradas plenamente en nuestros cuerpos. Una ciudad se compone de los
ciudadanos, pero también por las diferentes especies que sirven de transporte,
compañía o alimento, así como de infraestructura, máquinas, vehículos etc. El
sistema no se compone únicamente de una serie de elementos básicos que
comparten una genética similar que se relacionan entre sí para formar
estructuras, en cambio, también tiene un gran número de elementos foráneos incorporados.
Una empresa no está formada sólo por seres humanos, sino también por
computadoras, robots, edificios, vehículos, papelería y mobiliario en general,
así como por recursos energéticos como cuentas de banco y efectivo de caja, y
un sistema de reglas que los aglomera a todos como unidad. Cada elemento
individual tiene su propia historia, su propia complejidad implícita, pero a la
vez puede ser parte de varios otros sistemas. Una persona puede formar parte de
una empresa transnacional y a la vez ser ciudadano(a) de un país, que es un
sistema complejo por derecho propio. Las bacterias que viven en nuestro
intestino grueso son parte de una colonia, que es a la vez parte de un micro
ecosistema, pero también son parte de nosotros.
A medida que la evolución moldea un sistema complejo vivo los elementos
que lo forman pasan de ser independientes y dispersos a interdependientes y
aglomerados. Las comunidades se convierten de manera gradual en organismos, con
identidad propia, hasta que en el largo plazo se transforman en una unidad
indisoluble. Los seres humanos somos organismos, pero a medida que las
comunidades humanas crezcan en complejidad, se convertirán poco a poco en
superorganismos: organismos de un nivel superior compuestos de organismos de un
nivel inferior.
Y para concluir esta introducción, lo reto a que sin mirar el texto a
continuación diga cuál es el nivel de complejidad del libro que tiene ahora en
sus manos. Un libro es un asunto muy complejo, estructurado a partir de la
reunión de cientos o miles de ideas concatenadas en un texto coherente. Este
libro está formado de cuatro partes, que al unirse, forman un todo que es mayor
que la suma de esas partes. Juntas, muestran el cuerpo total de una teoría.
Pero cada parte está formada de apartados, que contienen ideas más o menos
específicas. Los apartados están formados de párrafos, los que a su vez están
formados de oraciones. Cada oración es un elemento formado de otros pequeños
elementos que llamamos palabras. Si deshuesáramos una oración hasta obtener
palabras sueltas, y luego las uniéramos al azar para ver que sale, nos tomaría
un tiempo increíblemente largo hacer que se concatenaran de una forma lógica,
con significado, por lo tanto una oración es muchísimo más que una simple suma
de palabras. A su vez, cada palabra está formada por elementos llamados letras,
especializados en representar sonidos particulares. Entonces, al concepto de
sistema complejo se le une el de información. Lo que en realidad diferencia una
mezcla de doscientas mil letras revueltas al azar con el texto de un libro, es
la información, acumulada durante miles de años por la humanidad en varios
niveles estructurales, a la que finalmente le añado el humilde contenido
informativo aportado por mi imaginación y conocimiento. Iguales relaciones
naturales entre elementos de creciente complejidad se observan en una pieza
musical, o en un retrato. Pero a su vez, esta complejidad no sería posible sin
los niveles anteriores acumulados en los cerebros humanos.
¿Cuándo y dónde se inició esta travesía hacia la complejidad y los
superorganismos? Muy, muy lejos en el tiempo en un punto de densidad infinita.
Para ser más precisos, hace unos 13,700 millones de años.
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| Un código compuesto de elementos al los que denominamos letras se unen para formar palabras. Las palabras se unen en oraciones; las oraciones se unen en párrafos; los párrafos se unen en secciones y varias secciones forman un capítulo o parte. Finalmente varios capítulos forman un libro. Cada nivel de complejidad está regido por una serie de reglas. La información está contenida en la relación entre los elementos, más que en los elementos mismos. |
Literatura citada
Apicella CL, Marlowe FW, Fowler JH, Christakis
NA (2012). Social networks and cooperation in hunter-gatherers. Nature.
481:497–501.
Fowler JH (2012). Behaviour: Life interwoven.
Nature. 484(7395):448-449.
Gleiser PM, Spoormaker VI (2010). Modelling
hierarchical structure in functional brain networks. Philosophical Transactions
of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences.
368(1933):5633-5644.
Mitreva M. (2012). Structure, function and
diversity of the healthy human microbiome. Nature. 486:207-214.
Turnbaugh PJ, Ley RE, Hamady M, Fraser-Liggett
CM, Knight R y col. (2007). The human microbiome project. Nature. 449(7164):804-810.
Continúa: Parte 1: Trazando la ruta hacia la complejidad
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