La noción de progreso (biológico) hasta la modernidad

Desde siempre ha habido una idea en el imaginario colectivo en referencia a que las especies vivas de la naturaleza podían ordenarse según una gradación natural creciente, una cadena del ser. Idea que, si bien en la antigüedad ―así en Aristóteles― poseía una impronta ontológica, en la modernidad la adquirió más empírica, justo la época en que los estudios biológicos de la evolución estaban empezando a extenderse. La incipiente biología como disciplina científica, a pesar de su carácter empírico, no dejaba de estar impregnada por esta noción jerárquica de las especies, aunando la ontología clásica con el paradigma teológico judeo-cristiano. Así, naturalistas tan importantes como Buffon, Lamarck o el mismo Darwin, no dudaban de que la evolución tendía hacia un perfeccionamiento progresivo de las especies. Esto que también está presente en el imaginario actual en no pocos casos, lo cierto es que hoy en día está en cuestión, pues no se tiene tan claro a qué nos referimos cuando hablamos de progreso biológico o de perfeccionamiento de las especies.

A la consolidación de esta idea de progreso se debió el hecho de su contacto con otros ámbitos diferentes al biológico, como hizo Spencer al considerarla no como una ley particular del mundo de la vida, sino como una ley universal, aplicable también a las realidades sociales o culturales específicamente humanas. Según esta ley universal, todo lo simple se dirigía hacia lo complejo per se, y ello suponía un perfeccionamiento, una mejoría. Este giro de Spencer no fue original suyo del todo, sino que se sumó a una corriente nacida durante el siglo XVII, cuando Bacon entendía ya el conocimiento como un aumento gradual del saber, en virtud de lo cual el ser humano podía disponer de él en orden a su bienestar, a su propio beneficio: el conocimiento era una herramienta para que la raza humana pudiera aumentar su poder y su dominio sobre el universo. Con esto tenía que ver el progreso.

Condorcet también entendió el progreso en términos de mejoramiento continuo, identificando progreso con la capacidad de ir almacenando cada vez más información, a modo de memoria colectiva de habilidades y conocimiento. Aunque, sin ánimos tan pragmáticos, lo cierto es que la idea de progreso como algo propio de la humanidad en general estaba muy presente en la Ilustración, así en Leibniz, o en Kant.

Especial interés tiene para nosotros Leibniz, por la aplicación de su pensamiento a la disciplina biológica. Leibniz entendía a la naturaleza como un todo, cuya comprensión no cabía alcanzarla desde la ‘suma de sus partes’, sino que era algo más que esta suma: era una totalidad. Leibniz «fue uno de los primeros pensadores que vieron la importancia de las cualidades que definen al conjunto, en lugar de simplemente la suma de las cantidades o partes de que se compone», explican Barahona y Ayala. Se puede decir que fue uno de los precursores de la que más tarde se denominaría ‘Teoría general de los sistemas’. Pues bien, a causa de ello, su preocupación pasaba por leer toda la diversidad de la naturaleza a la luz de la totalidad, a la luz de ese paraguas de plenitud hacia el cual apuntaba, y en el seno del cual a la especie humana todavía le quedaba mucho margen por crecer, por mejorar. Porque hacia ello tendía la naturaleza humana: en el seno de ese progreso creciente y continuo, hacia la mejor posibilidad de sí misma, algo vehiculado por una razón más elevada, más noble. Además del de direccionalidad, del de progreso, Leibniz acuñó dos rasgos muy importantes a su idea de naturaleza, y que pronto los asumirían los biólogos evolutivos: el de continuidad y el de gradualidad. Hay una naturaleza, y hay una ley que la impulsa al crecimiento, a la mejora, al progreso; una ley que es continua y que se expresa gradualmente, y no por saltos (recordemos el agrado que le suponía a Leibniz la idea de continuidad, no en vano fue uno de los padres del cálculo infinitesimal).

Los sistemas azarosos no son tan azarosos

Hoy quisiera detenerme en lo que denominábamos fenómenos azarosos, es decir, procesos naturales de los cuales tenemos experiencia en nuestra vida cotidiana, que se rigen según procesos causales pero de los que sólo podemos conocer su resultado (o algunos de sus resultados) estadísticamente. Poníamos el ejemplo del lanzamiento de una moneda o de un dado, el rodar de una ruleta o incluso el comportamiento de un gas: son procesos que tratamos de describir (reducidamente, recordemos el ejemplo de la moneda) mediante regularidades estadísticas, que se ajustan estrictamente a las leyes de la física aunque, por su naturaleza, nos es imposible saber qué va a ocurrir. Estrictamente hablando no son azarosos, como ya dijera Monod, sino que su azar le es imputado por nosotros por nuestra incapacidad para poder determinarlo y describirlo como tal. Es en este sentido en el que Laplace, el padre moderno del determinismo, enmarcó la teoría de la probabilidad, en tanto que «se ocupa de sucesos de los que tenemos un conocimiento subjetivo insuficiente, y no de sucesos aleatorios objetivamente indeterminados, que no existen», tal y como explica Popper.

Y en esto me quería detener, en la relación que guardan estos fenómenos con su definición matemática (para lo cual me he apoyado en este post). Como ahí muy bien se explica, estos procesos se comportan en el fondo según unas leyes definidas (gravedad, rozamiento, acción-reacción, inercia, etc.), y podríamos tratar de prever su comportamiento en orden a dichas leyes; pero el caso es que es algo que resulta muy difícil por el efecto que poseen pequeños cambios en cualquiera de sus variables, tanto que nos obliga a asumir que no podemos llegar a conocer del todo dicho comportamiento. Como dice Heisenberg, la necesidad de acudir a regularidades estadísticas no es sino un modo de expresar que conocemos imperfectamente un sistema físico. Si lo pensamos bien, la formulación matemática estadística presupone que nuestro conocimiento del sistema es imperfecto, ya que, si no lo fuera, si lo conociéramos con certeza, ya no tendría sentido describir su comportamiento estadísticamente. Esto es algo que quedó claro tras los trabajos de Gibbs y Boltzmann: desde ellos, «la insuficiencia del conocimiento de un sistema ha quedado incluida en la formulación de las leyes matemáticas».

Pero que no podamos prever su comportamiento por esta sensibilidad a las variables no implica que su comportamiento sea estrictamente hablando un comportamiento azaroso; como gráficamente dice Fernández Panadero, de alguna manera «la moneda ‘siente’ la gravedad, la reacción de la mesa, sabe muy bien quién la ha empujado en qué dirección y por qué cae como cae… eres tú el que no lo sabe y no podría saberlo».

La moneda ‘sabe’ lo que le está pasando, somos nosotros los que no podemos seguir qué es eso que le está pasando, por decirlo así. Y a donde iba: el caso es que, si lanzamos una moneda al aire muchas veces, se obtienen unos resultados análogos a los que un sistema de dos valores auténticamente azaroso arrojaría. Lo cual no deja de ser sorprendente, a poco que lo pensemos. ¿Por qué un sistema que no es auténticamente azaroso arroja un resultado análogo al que arrojaría un sistema que sí lo fuera?

Precisamente por esto argumentaba que podemos denominarlo así: sistema azaroso (frente a los sistemas caóticos, de los que no podemos saber cuál será su resultado). Lo mismo pasa con el valor de la presión de un gas: un valor obtenido por un modelo estadístico, lo que no quiere decir que el comportamiento de las moléculas del gas sea azaroso. Se da la paradoja de que el comportamiento de un sistema físico, que no es azaroso, se comporta como si lo fuera, tanto como para que un modelo matemático elaborado en términos azarosos prediga sus resultados con una fiabilidad más que sorprendente.

De todo esto hay una consecuencia importante para la comprensión de la mecánica cuántica. En los ejemplos mencionados, en el fondo nos es igual comprender físicamente a fondo cuál es el comportamiento de la moneda, qué es lo que le ocurre; ¿para qué? Si aplicando el modelo matemático ya sabemos lo que va a pasar con un grado de probabilidad que hace despreciable el error, no parece que el esfuerzo sea muy necesario. Pues bien, algo de esto pasa con las partículas subatómicas. No sabemos muy bien cómo se comportan, pero el caso es que con modelos matemáticos podemos prever su comportamiento, y se atina con una fiabilidad sorprendente. Aunque surge la siguiente duda: el comportamiento de la moneda se puede describir azarosamente, aunque sabemos que no lo es; ¿se puede decir lo mismo de las partículas subatómicas?, ¿su comportamiento está sujeto a leyes, aunque pueda ser modelizado azarosamente, o su comportamiento es estrictamente azaroso? Hasta donde yo sé, no hay una respuesta clara para esta cuestión: si al principio se inclinaba más la balanza hacia la primera opción, posteriormente parece que se inclina más hacia la segunda. En cualquier caso: ¿cómo saberlo?, ¿cómo saber cómo se comportan las partículas cuando no las estamos observando?

El ADN de cada individuo es seguramente único (o casi)

Hay un fenómeno que se observa en la naturaleza, especialmente en la materia viva, y que no deja de llamar la atención. Me refiero al hecho de que, para que se constituyan moléculas complejas, se parta de moléculas sencillas, y no de los componentes de estas últimas. Los componentes de una estructura de nivel superior son las estructuras del nivel inferior, y no los componentes de estas estructuras más sencillas. Esto implica que la estructura compleja no se forma a partir de los ladrillos simples de la materia, sino de estructuras intermedias. Entre esas grandes moléculas, de las que hay muchísimos tipos diferentes, hay algunas que se constituyen formando largas cadenas y que —como digo— serán los elementos de la futura integración. Los ácidos nucleicos son de este tipo.

Pensemos que queremos realizar un collar de cuentas, a partir de cuatro cuentas de diferentes colores. ¿Cuántos collares diferentes de una cuenta podríamos formar? Pues uno por cada tipo de cuenta, es decir, 4. ¿Y de dos cuentas? Pues si la primera cuenta es de un color, la segunda podrá ser de cualquiera de los cuatro colores que hay; esto, para cada uno de los cuatro colores, nos dará 4² posibilidades, es decir, 16. ¿Y de tres? Por el mismo razonamiento habrá 4³ posibilidades, es decir, 64. Conforme vamos aumentando las cuentas del collar, las posibles combinaciones aumentan exponencialmente. Si quisiéramos hacer un collar de cien cuentas, habría 4¹ºº posibles combinaciones, es decir, 1’6·10⁶⁰. Una cifra exorbitante. Como dice Bresch, si toda la humanidad se dedicara durante milenios a formar collares de cien cuentas escogidas al azar, habría mucha probabilidad de que no hicieran dos collares iguales. ¿Por qué digo todo esto? Porque algo de ello tiene que ver con los ácidos nucleicos, también con las proteínas.

Las ‘cuentas’ de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, que son cuatro: adenina, timina, guanina y citosina, cada uno de los cuales es ya una molécula bastante compleja. Se dividen en dos partes: una inferior, comunes a todos los nucleótidos, y que es la que se encarga de ir uniendo las cuentas unas con otras: está formada por un azúcar y un grupo fosfato; y otra superior, que permite también enlaces, pero de otro tipo, y que es la que especifica a cada uno de los cuatro nucleótidos. Son los enlaces de estas partes superiores las que dan lugar a la gran diversidad de cadenas nucleicas.

Como es sabido, el ADN es el portador de la información genética de todos los seres vivos. El orden que siguen los nucleótidos en él no es ni caótico ni fortuito, sino que es sencillamente el adecuado para que cada nuevo organismo pueda existir, algo que, cuando se descubrió, fue un paso  importante hacia la comprensión biológica de la vida. Se trata de una disposición articulada mediante dependencias externas e interrelaciones internas entre sus componentes. Las partes superiores de los nuecleótidos están configuradas de tal manera que se pueden enlazar dos a dos, formando parejas, a modo de peldaños de una escalera. Estos enlaces son débiles, pero como son muchos, dotan de estabilidad a la molécula siempre que sea lo suficientemente larga. Para que se pueda formar esta escalera (la famosa doble hélice) es necesario que las secuencias de los elementos básicos en cada uno de los dos bastidores se organicen adecuadamente. ¿Cuándo ocurre esto? Pues cuando enfrente de la adenina esté la timina, y de la guanina la citosina. La idea básica es que cada una de las cuatro bases (A, T, G y C) sólo se puede enlazar a una del resto, pero no a cualquiera, formando parejas: A-T, G-C.

Este ‘collar’ que es la doble hélice está formado por cuatro tipos de ‘cuentas’ o nucleótidos, pero tiene muchas más cuentas que las cien que habíamos previsto para nuestro collar. En concreto, tiene en torno a tres mil millones. Si elevamos cuatro a esa potencia, es inimaginable la cantidad de combinaciones a que pueden dar lugar. Una locura. Aunque en una misma especie los nucleótidos son los mismos y siguen un orden determinado, la probabilidad de que dos individuos posean exactamente el mismo código genético es prácticamente despreciable.

Linneo y el esfuerzo por la clasificación de las especies

Hemos visto las primeras teorías, infructuosas, para dar razón de la diversidad de especies sobre la Tierra. A pesar de su resultado, no se puede negar el mérito de estos autores dado que, gracias a su trabajo, la biología comenzó a caminar hacia un enfoque científico, en el seno del cual empezaron a ser objeto de observación las diferencias específicas en la naturaleza desde todos los puntos de vista posibles en la época. En el fondo, retomaron un testigo que les había dejado Aristóteles muchos siglos antes; que su propuesta no fuera exitosa es el menor de los problemas, el mínimo precio a pagar por su gran aportación, a saber: su contribución al nacimiento de la ciencia biológica contemporánea. Ellos supusieron el espaldarazo para que, desde la mitad del siglo XIX a las primeras décadas del XX, desde los trabajos de Darwin hasta la recuperación por parte de Correns, de Vries y Tschermak de los trabajos de Mendel, y de su aplicación a los animales por Bateson y Cuénot, empezara a estudiarse la evolución desde una perspectiva dirigida hacia los procesos genéticos en el ámbito celular, cuya consolidación puede situarse en los primeros mapas cromosómicos definidos por Metz y Sturtevant.

En mi opinión no es justo pensar que el origen de la biología como ciencia contemporánea fuera la teoría de la evolución darwiniana, sino, más bien ―como digo― todos aquellos autores que, previamente a Darwin, habían propiciado dicho giro en el estudio biológico de la naturaleza. De modo que sería interesante hacerse eco de ello.

  

Arcimboldo, G.; "El bibliotecario" (1564)

Por ejemplo, el concepto de especie, definido de modo científico por primera vez en 1700 por el zoólogo inglés John Ray, en los siguientes términos: «conjunto de individuos que se reproducen entre sí y tienen descendencia idéntica», y que se fue consolidando por esta época. Este concepto era fiel al conocido como principio de la unidad de tipo, en virtud del cual se trataba de agrupar a los animales según el criterio de anatomía comparada, identificando semejanzas y diferencias observables a simple vista. Este concepto fue fundamental en el trabajo de clasificación del famoso Linneo (1707-1778). Es fácil observar que un perro se parece a su padre y a su madre más que a cualquier gato; y que los gatos y los perros se parecen más entre sí que a un pez, o a un pájaro. De esta manera, los animales se podían agrupar según el grado de semejanza de aquellas propiedades compartidas y transmitidas hereditariamente. Partiendo de aquí escribió su famoso Systema naturae, un importante paso que dio salida a numerosos trabajos e investigaciones anatómicas dirigidos a perfeccionar las clasificaciones de esta índole. Démonos cuenta de que el criterio de clasificación era la afinidad o semejanza entre individuos o especies, no entrando todavía en escena la idea de parentesco evolutivo o genealógico.

La verdad es que esta época debió ser apasionante en este sentido. Los biólogos comenzaron a ser conscientes de los cientos y cientos de especies que había a su alrededor, tanto de animales como de plantas; a las que habría que añadir todas aquellas nuevas especies que se iban trayendo a Europa desde los lugares más recónditos del planeta. Los científicos se sorprendían cada vez más de la inmensa riqueza de la vida, y el gran reto plateado fue su clasificación, la cual se fundamentó en lo ya conocido. Los criterios iniciales para emparentar las especies eran un tanto arbitrarios, determinados por acuerdos generales comúnmente apreciables, aunque según principios poco científicos (como si eran salvajes o domésticos, terrestres o acuáticos, grandes o pequeños, etc.), hasta que Linneo comenzó a establecer la clasificación en torno a sus atributos físicos. No se puede negar el gran servicio que ha prestado Linneo a la clasificación y a la nomenclatura de los seres vivos. Ciertamente él no fue el primero en emplear dos términos para designar a las especies, pero sí que fue el primero en sentar científicamente dicha nomenclatura binomial en una publicación 'menor': Species plantarum, de 1753.

Linneo fue un estudiante poco aplicado, poniéndole su padre a trabajar como aprendiz en una zapatería; todavía joven se replanteó su vida, volviendo a los estudios con un éxito que le llevó a conseguir sucesivas distinciones académicas. Estudió medicina, aunque no tardó en dirigirse hacia el estudio de la naturaleza, su verdadera pasión. La idea germinal de su método clasificatorio la tuvo muy pronto, en torno a los 30, cuando comenzó a elaborar catálogos de las especies vegetales y animales que iba conociendo; su fama aumentó paulatinamente. La primera edición de su Systema naturae, que databa de 1735, contaba con tan sólo catorce páginas; en la decimosegunda, última de Linneo en vida, la de 1757, contaba con más de dos mil. No faltaron otros autores en proponer también clasificaciones, pero las de Linneo fueron las más coherentes, ordenadas y sencillas, por lo que acabaron imponiéndose. Lo cual no quiere decir que no hubiera errores, que sí que los había; aunque también había aciertos notables, como incluir a las ballenas en el grupo de los mamíferos (algo que nadie había hecho antes).

Este trabajo se circunscribía inicialmente al ámbito de los seres vivos (plantas y animales) de tamaño cotidiano, pero con la llegada de Redi, Spallanzani y sobre todo Pasteur a finales del siglo XIX y la aparición del nuevo mundo de los microorganismos, se trató de extenderlo al ámbito de estos. Ello supuso un gran paso, dado que, en esta época, se pensaba que su origen era muy distinto: estaba presente en el imaginario colectivo el principio de generación espontánea, de corte aristotélico, en virtud del cual los seres vivos podían surgir de modo natural de la materia inanimada; incluso estaba presente la idea de que las ratas provenían de la putrefacción (siguiendo la creencia aristotélica). Ciertamente, la sombra del pensamiento aristotélico fue muy alargada, extendiéndose durante muchos siglos, y era necesario que fuese iluminada para poder vislumbrar nuevos modos de enfrentarse a los fenómenos biológicos: el pensamiento de Linneo fue un gran paso en este sentido, aunque su teoría fijista no tuviera demasiada fortuna. Gracias a todo este giro, el principio de generación espontánea fue sustituido por el principio de la biogénesis, según el cual se reconoce que «animales y plantas surgen sólo, según nos dice la observación inmediata, de otros animales y plantas mediante el proceso de la reproducción», en palabras de Hogben.

A partir de este momento, pronto se observó que los criterios de clasificación que eran válidos para los animales de escala similar a la humana, no lo eran para los microorganismos, y se comenzaron a estudiar otros nuevos: ya no tanto por los parecidos anatómicos como por su origen, por los procesos mediante los cuales los animales se reproducían. Recordemos que un siglo antes, el holandés Leeuwenhoek fue el primero que logró ver gracias al microscopio los espermatozoides en el líquido espermático, sin saber muy bien cuál era su función; un siglo más tarde, el abad Spallanzani logró mostrar experimentalmente su papel fecundante; y no fue hasta 1879 que Hertwig y Fol descubrieron que la fecundación no se debía a todos los espermatozoides, sino a uno sólo de ellos (resultado que obtuvieron de su investigación en los erizos de mar, pero que enseguida se aplicó al resto de especies animales). El cambio de paradigma estaba en plena efervescencia.

Las posibilidades de un sistema

El hecho de que la realidad se articule sistémicamente no es en absoluto algo baladí, sino que le dota de un carácter que a la postre es fundamental para que su dinamicidad intrínseca pueda expresarse según una complejidad creciente. Para poder explicarlo, vamos a situarnos en los dos extremos en lo que a un conjunto de elementos se refiere: el caótico y el lineal o regular. Empecemos por el primero, por el caótico. Se caracteriza, como su nombre muy bien indica, en que sus componentes no están ordenados, no hay ninguna norma o regla que rija su disposición. Pensemos en cubos blancos y negros de juguete que un niño desparrama por su habitación. En esta situación, no se puede afirmar que un determinado cubo está o deja de estar en el sitio que le corresponda, básicamente porque no hay un sitio que le corresponde, le vale cualquiera. Como dice Bresch (en cuyo libro La vida, un estadio intermedio me he inspirado, y he tomado estas figuras), en un sistema así no caben errores, pues no hay ninguna limitación.

En el otro extremo podemos situar el lineal, en el que ocurre todo lo contrario: se ha establecido un orden o un principio en virtud del cual se disponen todos los elementos. Supongamos que nuestro niño ha recogido todos los cubos y los ha guardado en una caja a modo de un tablero de ajedrez. En esta disposición sí que se puede detectar si un elemento está bien ubicado o no; y, en el caso de que haya un hueco, podemos prever cuál es el elemento que falta. Ya no vale cualquier disposición, ni ninguna pieza se puede ubicar en cualquier lugar, todo lo contrario.

Podemos pensar en otras disposiciones de conjuntos de elementos. Pensemos que el niño quiere hacer una figura con sus cubos: por ejemplo un hombre a caballo (nos permitimos aquí incluir un tercer color en los cubos, para que quede mejor la figura; a la postre, es la misma idea). ¿Qué está ocurriendo aquí? Aquí los cubos no están dispuestos al azar ni están dispuestos siguiendo un patrón, aunque tampoco están dispuestos de cualquier manera, pues guardan una relación entre sí. Es lo que vamos a denominar ‘estructura’ o ‘sistema’ como tal. ¿En qué se caracterizan? «Lo típico de una estructura es que sus elementos básicos tienen que estar determinados y dependen de un espacio concreto. En comparación con una disposición caótica, las posibilidades son limitadas, aunque, en comparación con un orden determinado por un patrón, permiten ciertas libertades», idea que me parece muy sugerente.

En la estructura hay orden, pero no un orden ‘asfixiante’ o férreo, sino un orden flexible, que propicia cierto margen de libertad, en el que caben distintas posibilidades en su configuración sin alterar la naturaleza de la misma. Y no sólo eso, sino que la distribución establecida influye directamente sobre su futuro despliegue, ampliando o restringiendo otras posibilidades, o eliminando otras. Digamos que cada posibilidad establecida condiciona o endereza la futura evolución de dicho sistema hacia unas determinadas posibilidades cerrando el camino hacia otras, manteniendo su estabilidad como estructura. Según se vayan dando unas posibilidades u otras, así ira evolucionando la estructura. Y estas posibilidades no son arbitrarias, sino que dependen de la propia naturaleza de la estructura en cuestión. Así, podemos definir estructura como «una distribución de componentes que se desarrollan con una libertad autorrestringida».

En su proceso de despliegue o en su evolución natural, lo suyo es que —como digo— mantengan una autonomía como tal, sigan siendo una estructura aunque, seguramente, un poco diferente. Pero no siempre es así: hay ocasiones en que la estructura puede degenerar desde este punto de vista evolutivo. Una de ellas es la desaparición de la autorrestricción, es decir, caso en el que la estructura existente no ejerciese ningún tipo de influencia o condicionamiento sobre la estructura futura; lo nuevo no tendría nada que ver con lo antiguo. La otra tiene que ver con la desaparición de la libertad de acción, de modo que lo existente determina de modo absoluto lo futuro, que se daría de modo regular sin cabida para el azar. Si lo pensamos, en el primer caso llegamos a distribuciones caóticas, y en el segundo a distribuciones regulares. En el primero no hay orden que se vaya transmitiendo, en el segundo el orden de una estructura se mantiene de modo absoluto a la estructura futura.

«La estructura está por tanto entre los dos extremos: el caos y el orden. En el caos no existe ninguna limitación; en el orden ninguna libertad de acción. Las estructuras contienen relaciones internas, autorrestricciones y, al mismo tiempo, libertad para que el azar desempeñe un papel en el futuro desarrollo. En la naturaleza todo lo material se desarrolla dentro de esa mezcla de autorrestricción y libertad», dice Bresch.

La composición interna de las estructuras se caracteriza por guardar cierto orden, o mejor, cierta armonía, en el seno de la cual caben limitaciones pero también caben situaciones imprevistas. Situaciones imprevistas que no son arbitrarias, sino que están vinculadas de alguna manera a la situación de la estructura actual. Esto es lo que ocurre con la infinidad de las estructuras en la naturaleza, con la evolución, la cual se da tanto en la materia inorgánica como —algo que nos es más familiar— en la orgánica. Cada nueva estructura es una novedad en la naturaleza, a la vez que genera nuevas posibilidades para generar nuevas estructuras. Las componentes de estas nuevas estructuras, así como su disposición geométrica, o las posiciones de unos componentes respecto a otros, etc., determinará sus propiedades, unas propiedades que no se pueden determinar a partir de sus componentes: es lo que se llama, propiedades emergentes.

No deja de llamar la atención esta tendencia de la naturaleza a ir conformando estructuras cada vez más complejas. Parece que cada estructura está ‘ávida’ de combinarse con otras para generar estructuras más complejas. Aunque no es menos cierto que, por el otro lado, hay cierta tendencia a la disgregación o desintegración de estructuras. Lo que no deja de dar que pensar: me refiero al hecho de que, efectivamente, en la naturaleza hay procesos transformadores que se enderezan hacia el desorden, mientras que otros se enderezan en sentido opuesto, hacia el orden. Del mismo modo que en el primer caso prima el principio de la mínima acción (yendo a favor de la segunda ley de la termodinámica), en el segundo prima el de la mínima entropía, en el sentido de que, ante distintas posibilidades, el sistema adoptará aquella que propicie una máxima disminución de la entropía (en contra de dicha segunda ley), algo que ocurrirá de modo fundamental en los sistemas vivos.

El descubrimiento de la estructura del ADN

Que los ácidos nucleicos existían era algo que se sabía desde el año 1869, cuando el médico suizo Friedrich Miescher logró aislar de los núcleos de los leucocitos lo que vino a llamar nucleína, una sustancia formada por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Un poco más tarde se descubrió que la nucleína era un ácido, denominándose ácido nucleico. El nombre definitivo, ácido desoxirribonucleico, le fue dado en la década de los 30, cuando Kossel y Levene lo describieron como un polímero lineal a base de pentosas de desoxirribosa que, junto con las bases nitrogenadas (y el ión fosfato), combinaban dando lugar a los nucleótidos que lo componen, a saber: guanina, citosina, adenina y timina.

En una época en que se comenzaba a barruntar la relevancia de la molécula del ADN en la transmisión genética, lo cierto es que se conocía muy poco de ella. Por este motivo, los esfuerzos se centraron en ella, tratando de conocerla más en profundidad, de comprender su estructura, con la idea de que, cuanto más se avanzara en este sentido, se podría observar mejor cómo hacía lo que hacía. Al igual que sucede con las proteínas, se comprendió que se podían comprender los ácidos nucleicos según niveles de complejidad, que se vinieron a conocer como estructuras primaria, secundaria y terciaria. La primaria tiene que ver con la secuencia de los nucleótidos; la secundaria con su estructura espacial (la famosa doble hélice); y la terciaria, más compleja, que tiene que ver con su empaquetamiento de los cromosomas en la cromatina.

La estructura primaria, fue la primera en ser descubierta, compuesta por una secuencia de nucleótidos unidos por enlaces covalentes entre el ión fosfato de uno de ellos y un radical hidroxilo (-OH) del siguiente. Estas cadenas de nucleótidos se diferencian por su tamaño, composición y por la secuencia de sus bases (adenina, guanina, citosina y timina). Es fundamental esta secuencia, es decir, cómo estén ordenados los nucleótidos para dar lugar al ADN, porque ello va a ser determinante para la síntesis de proteínas. Pero a lo que iba: lo complicado fue encontrar la segunda estructura, la espacial. Un primer esbozo de descripción de su estructura le correspondió a Linus Pauling, de California, experto en cristalografía. Pero ¿qué tiene que ver aquí la cristalografía? Pues mucho, ya que el estudio de los cristales mediante la difracción de rayos X podía ser aplicado aquí.

  

Las leyes que describen la difracción de los rayos X por los cristales fueron definidas por Laurence Bragg durante los primeros años del siglo XX, en concreto en 1912, en el famoso laboratorio Cavendish de Cambridge, al cual dirigió sucediendo al famoso Rutherford, tras la jubilación de éste. En su investigación fue fundamental el trabajo de William, su padre, quien ya había estudiado previamente las radiaciones alfa, beta y gamma. Él ya se había dado cuenta de que, en algunos aspectos, los rayos gamma y los rayos X se comportaban como partículas; pero en el tema que nos ocupa, lo fundamental para desvelar los secretos de las estructuras cristalinas era su comportamiento ondulatorio, pues lo interesante era ver cómo estos rayos eran alterados por sus interferencias con los átomos de los cristales. Estas interferencias dependían de dos variables: por un lado, de la estructura cristalina y la distancia entre los átomos del cristal; por el otro, de la longitud de onda de los rayos X. Jugando con ello, se podía identificar con precisión la localización individual de los átomos del cristal.

Pues bien, fue por estas fechas que la nueva disciplina científica conocida como biofísica estaba naciendo y comenzando a progresar. J. D. Bernal realizó trabajos pioneros tratando de conocer la estructura de moléculas orgánicas mediante la difracción de rayos X. Conforme los años fueron pasando, se depuraba la técnica, y el interés se dirigía hacia biomoléculas cada vez más complicadas, como las proteínas. Por ejemplo, Perutz y Kendrew recibieron el Nobel de Química en 1962 por la determinación (varias décadas antes) de la estructura de la hemoglobina (molécula encargada de transportar el oxígeno en la sangre) y la mioglobina (una molécula muscular).

En este contexto hay que situar a nuestros protagonistas. Como decía, Pauling fue el primero que postuló una hipótesis para la molécula del ADN, pero apostó por una estructura de triple hélice, que a la postre resultó incorrecta. Démonos cuenta de que la tecnología en la época era todavía ‘grosera’, y en absoluto era tan fácil observar las biomoléculas como pueda serlo ahora. La estructura correcta le correspondió obtenerla a un grupo un tanto variopinto, formado por integrantes que realmente no formaban un grupo de trabajo como tal: Maurice Wilkins, Rosalind Franklin, Francis Crick y James Watson.

Los nombres de Watson y Crick han quedado inmortalizados por su premio Nobel de Medicina en 1962, pero el mérito no fue del todo suyo, como vamos a ver. Watson estudiaba cristalografía, y Crick la difracción de los rayos X en moléculas grandes. El primero, estadounidense, llegó a Europa para hacer una investigación posdoctoral, recalando en el Cavendish, el cual dirigía entonces Bragg, quien se interesó activamente por este asunto, enriqueciendo la investigación según su propia experiencia. Crick, por su parte, vio pausada su carrera científica por la Segunda Guerra Mundial, como tantos otros; iniciado en los caminos de la física, a su vuelta se comenzó a interesar por la biología, decisión inspirada, según parece, por el pequeño libro ¿Qué es la vida? de Schrödinger (1944). Lo que trataba de hacer Schrödinger era comprender la actividad de las biomoléculas en términos físicos: no se puede olvidar que las biomoléculas no dejan de ser moléculas, cuyo comportamiento pende de los átomos y de las partículas subatómicas que los componen, todo lo cual se rige por leyes de la mecánica cuántica. Para comprender cómo funcionan las moléculas de la vida, es preciso comprender también por qué los átomos pueden existir según disposiciones concretas, y pueden interactuar entre sí según ciertas leyes, todo lo cual da origen a la vida.

Pues bien, volviendo a nuestro tema, ambos (Watson y Crick) eran más jóvenes e inexpertos que los otros dos miembros del grupo, a saber: Wilkins, persona muy tímida y retraída, desconocida para el gran público, a pesar de haber compartido el Nobel con los dos primeros, y Franklin, que seguía la estela de Pauling, perfeccionando su metodología. Tanto es así que las imágenes que Franklin consiguió de la molécula de ADN eran espectaculares, pero, a causa de sus malas relaciones con el resto, no las compartió. Parece que, a escondidas, en enero de 1953 Wilkins mostró las imágenes de Franklin a Watson, lo que fue el hecho clave para el gran descubrimiento que estaba por venir. Watson lo comentó con Crick quienes, conocedores de las piezas del puzzle (los cuatro componentes del ADN que se combinaban de un modo muy determinado) fueron probando distintas configuraciones mediante maquetas con piezas de cartón, trabajo que se desarrolló en el Cavendish. Al poco, dieron con la solución, tal y como fue publicado en un artículo de la revista Nature el 25 de abril de 1953, titulado “Una estructura para el ácido desoxirribonucleico”. Franklin falleció en 1958, cuatro años antes de que concediesen el Nobel al resto del grupo, permaneciendo en el ostracismo.

La confirmación de la teoría de la doble hélice se dio en los años ochenta. En esta época se decía que la investigación genética ya había llegado a su fin, que poco más había que descubrir. No eran conscientes de que no se había hecho más que empezar pues, cuanto más se avanza, más interrogantes surgen. Por ejemplo, el hecho de que buena parte del ADN, en torno al 97%, parece que no haga nada; los trozos activos parecen ser unos pocos trozos dispersos por aquí y por allá, que son los responsables de controlar y organizar determinadas funciones vitales. A estos trozos activos son a los que se les denomina genes.

El fenómeno vida a los ojos de un físico

¿Cómo comprender la vida desde la física? Vemos que los acontecimientos que se suceden en un organismo vivo lo hacen con una regularidad y un orden admirables, llevados a un nivel desconocido por la materia inanimada: su comportamiento vegetativo, las relaciones metabólicas de carácter molecular que se dan en su seno, la operatividad de los órganos… todo se da en una especie de organización plástica, perfectamente engranada, con la capacidad de adaptarse mágicamente a diversas situaciones. Todo este despliegue «lo encontramos controlado por un grupo de átomos maravillosamente bien ordenados que sólo representan una pequeña fracción de la suma total en cada célula», dice Schrödinger. Esta peculiaridad consiste en ser capaz de ‘atraer orden’ sobre sí mismo, sorteando la progresión hacia el caos atómico propio de todo devenir natural de la materia inanimada, absorbiendo orden apropiadamente de su entorno; todo lo cual está relacionado con esas moléculas ‘mágicas’ semejantes a las de los sólidos aperiódicos que denominamos cromosomas, «las cuales representan, sin duda, el grado más elevado de asociación atómica que conocemos ―mucho más elevado que el cristal periódico común― en virtud del papel individual que cada átomo y cada radical desempeña aquí». Lo que hace la materia viva es, partiendo de un orden existente, mantenerlo.

Esto visto para un físico no puede menos que ser considerado sorprendente, en tanto que rompe con el comportamiento habitual de sus objetos de estudio, en los cuales el comportamiento ordenado de los átomos es infrecuente, tanto como para afirmar que responde a una irregularidad completa, de la cual sólo se puede hablar de regularidad en términos estadísticos, como valor medio de un número elevado de casos. En la materia viva, un solo grupo de átomos es capaz de provocar acontecimientos debidamente ordenados, armonizados entre ellos y el entorno, de acuerdo con leyes todavía por conocer, difícilmente imputables a mecanismos probabilísticos. Este pequeño grupo de átomos ‘directores’ aparece en cada una de las células que componen el organismo, como si fueran diminutas estaciones de gobierno local, que participan todas de un mismo código común. Todo ello es totalmente desconocido en otra materia que no sea la viva: «el físico y el químico, al examinar las materias inanimadas, nunca han presenciado fenómenos que hubieran tenido que interpretar en esta forma».

Ello nos lleva a la identificación de dos procesos distintos mediante los cuales se pueden obtener sucesos ordenados: el estadístico que produce orden del desorden, y el biológico que produce orden del orden. Paradójicamente, el segundo parece el más lógico para el sentido común, y seguramente lo sea, pero es en el fondo el más misterioso de los dos. Es razonable pensar que el ‘mismo objetivo’ sea alcanzable según dos procesos distintos, por las mismas leyes. Cuáles sean en el caso biológico, no pueden ser explicadas desde las leyes de la física. Es preciso estar abiertos a algún nuevo tipo de ley física, so pena de tener que calificarla como una ley no-física. No es ésta última la opinión de Schrödinger, para lo cual habría que matizar una afirmación anterior, a saber: que todas las leyes físicas están basadas en la estadística.

Ello no nos debe llevar a confundirnos con las apariencias. En muchos casos, la regularidad observada (la de los planetas girando en el sistema solar, la de las manecillas del reloj marcando la hora) es efectivamente dependiente de la irregularidad atómica. Pero ya Planck realizó una observación en este sentido, diferenciando en un estudio lo que en su título ya indica: “Leyes de carácter dinámico y leyes de carácter estadístico”, que es la distinción que acabamos de establecer entre leyes que rigen el ‘orden del orden’ y leyes que rigen el ‘orden del desorden’, respectivamente. Lo que Planck trataba de establecer, ajeno al problema que nos ocupa pero que apunta hacia él, era la demostración de cómo las leyes que rigen el comportamiento a gran escala se establecen sobre la base de las leyes dinámicas que son las que se suponen que gobiernan los sucesos a pequeña escala, es decir, las interacciones entre átomos y moléculas. Desde esta lectura, esta nueva ley de ‘orden del orden’ no sería tan ajena al mundo de la física como en un principio se pudiera haber pensado: de hecho, y según Planck, este principio debe poder aplicarse también a los fenómenos de la física moderna. La conclusión a la que llega Schrödinger es, pues, que la ley ‘orden del orden’ debe regirse también por leyes físicas, de carácter físico, o mecánico, pero entendido desde el planteamiento cuántico, y aplicado a sistemas orgánicos.

¿Por qué se para un reloj? Pues porque, una vez le hemos dado cuerda, va perdiendo energía por rozamiento y por calor, según procesos físicos ciertamente complejos, hasta que se para. Pero el físico cuántico sabe que el proceso inverso es posible, aunque sea altamente improbable (tal y como estableció Boltzmann), de modo que un reloj sin cuerda podría ponerse a andar de repente, a expensas de la energía térmica de sus componentes y de la del entorno. ¿No es eso lo que hace la materia viva? No debemos perder de vista que, frente a la estabilidad de su funcionamiento, un reloj debe su actividad a la naturaleza estadística del proceso, y en cualquier momento podría invertir su movimiento, por ejemplo. Lo que diferencia este segundo suceso de su funcionamiento normal, no es su imposibilidad, sino su improbabilidad. Aunque se trate de una probabilidad mínima, infinitesimal, siempre existe en potencia. Desde esta perspectiva, la diferencia entre ‘orden del orden’ y ‘orden del desorden’ se difumina, prevaleciendo la que dicte la actitud del observador.

Ahora bien, lo que sigue pendiente de respuesta es cómo las leyes tipo ‘orden del orden’ están tan presentes en el ámbito biológico, y no tanto en los físico-químicos como tales. Una posible aproximación es la que establece Schrödinger en estos términos y que, sinceramente, a un servidor se le escapa, aunque trataré de exponerla de un modo fiel: «¿Cuándo un sistema físico ―cualquier clase de asociación de átomos― desarrolla la ‘ley dinámica’ (en el sentido de Planck), o caracteres del ‘mecanismo del reloj’? La teoría cuántica ofrece una contestación muy breve para esta pregunta: en el cero absoluto de temperatura. Al aproximarse a dicho grado de temperatura, el desorden molecular deja de tener influencia alguna sobre los acontecimientos físicos». Una temperatura, el cero absoluto, que nunca puede ser alcanzada, sino sólo aproximativamente: es la conocida como ‘tercera ley de la termodinámica’ de Walther Nernst. La mecánica cuántica permite fundamentar racionalmente esta ley de carácter empírico; y, lo que es más importante: nos permite comprender cuánto debe acercarse un sistema al cero absoluto para poder desplegar un comportamiento aproximadamente ‘dinámico’. Entiendo que, a esa temperatura, desde un lado el sistema presentará leyes del tipo ‘orden del desorden’, y desde el otro del tipo ‘orden del orden’. No necesariamente esa temperatura ha de ser siempre muy baja; de hecho, Nernst la dedujo en temperaturas ambientales investigando cómo la entropía afectaba a reacciones químicas. Para nuestro reloj, el ‘cero absoluto’ se corresponde con la temperatura ambiental, razón por la que funciona en nuestras casas de forma dinámica.

La entropía de la vida

Veíamos cómo un ‘trozo de materia viva’ tiene un comportamiento muy diferente a un ‘trozo de materia inerte’, no tanto en sentido existencial, sino que, siguiendo el hilo del pensamiento de Schrödinger, en términos termodinámicos. Efectivamente, mientras la materia inerte tiende a aumentar la entropía, la viva hace lo contrario, la disminuye. ¿Cómo es eso? Sabido es que, todo organismo, realiza distintas funciones para mantenerse en vida: se alimenta, respira, etc. Lo que no nos lleva sino a retrotraer la pregunta: ¿cómo puede, en base a qué, un organismo es capaz de realizar dichas funciones?, ¿qué posee un organismo que es capaz de metabolizar todos esos recursos, con la consecuencia de disminuir su entropía?

Como vemos, desde un punto de vista físico, ocurre en los organismos algo que contradice la dinámica generalizada de la naturaleza. Todo lo que ocurre en ésta supone un incremento de la entropía en esa parte del mundo en que acontece; en principio esto es algo de lo que debería participar también todo sistema orgánico, aproximándose paulatinamente a ese estado de entropía máxima que sería su muerte, como parece que el universo tiende hacia ese estado de muerte entrópica. ¿Cómo lo evita? Pues invirtiendo el proceso entrópico, haciendo decrecer en sí mismo este aumento de la entropía, para lo cual se abastece de la entropía negativa que encuentra a su alrededor: por decirlo así, un organismo se alimenta de entropía negativa. De esta manera puede aplazar la consecución del estado inerte de entropía máxima. Schrödinger explica un ejemplo intuitivo: ocurre aquí lo mismo que a un montón de papeles encima de una mesa, que tienden a desordenarse, y hace falta una persona que continuamente los vaya ordenando para que sigan siendo útiles y ofreciendo posibilidades de trabajo. Algo así hace el organismo con los ‘papeles’ que encuentra a su alrededor.

Pues bien, en la medida en que un organismo tenga más posibilidades para atrapar la entropía negativa de su entorno, tendrá más posibilidades de mantenerse vivo. Si la entropía es la medida del desorden, su inversa será la medida del orden; «en esta forma, la treta mediante la cual un organismo se mantiene en estado estacionario, a un nivel admirablemente elevado de orden (un nivel admirablemente bajo de entropía) consiste, en realidad, en absorber continuamente el orden del ambiente que lo rodea», dice Schrödinger.

Después de emplear este orden que roba del entorno, lo devuelve al entorno mucho más degradado, aunque no del todo, ya que sus excrementos y restos pueden ser utilizados por otros organismos vivos. Podemos decir en este sentido, que la luz solar es el gran suministro de ‘entropía negativa’ para las plantas. Para realizar esta tarea, no es posible pensar la materia viva tal y como pensamos habitualmente la inerte: es necesario comprenderla sin sujetarse a las leyes ordinarias de la física y de la química. Con esto no quiere decir Schrödinger que haya que buscar una causa extraordinaria, una ‘fuerza oculta’ o algo similar, que se encargaría de dirigir el comportamiento de cada uno de los átomos que la componen según unos cauces determinados en el seno del organismo viviente, sino porque su estructura es diversa en tanto que materia viva a la de la materia inerte, y hay que comprenderla en su diversidad. Sería algo así como si un ingeniero térmico quisiera conocer cómo funciona un motor eléctrico: no podrá comprender los principios en virtud de los cuales funciona, pues precisa cambiar la clave. En el caso de los sistemas orgánicos entran en juego leyes biológicas difícilmente reducibles ―a mi modo de ver, y creo que es por donde iba Schrödinger― a las físico-químicas.

Los sistemas no lineales: azarosos o caóticos

Los sistemas más sencillos de la naturaleza suelen ser de carácter lineal: en ellos todo suele estar ―digamos― en orden, de modo que las modificaciones suelen tener efectos proporcionales a sus factores desencadenantes (bien inhibiendo, bien activando el sistema). Pero no todos los sistemas son así: más bien al contrario, seguramente son los menos frecuentes ya que, conforme los sistemas crecen y se complican, el posible carácter inicialmente lineal difícilmente se mantiene. Y la diferencia en las respectivas dinámicas es más que relevante, pues unos y otros nos llevan a situaciones muy distintas, tan distintas como pueden ser los fenómenos de una sinapsis neuronal o de una tormenta.

  

En estos sistemas más complicados no necesariamente se pierde el carácter lineal, sino que, por su propio modo de ser y de comportarse, es difícil de seguir dicha linealidad, dificultando, por no decir imposibilitando, predecir su comportamiento. Su complicación tiene que ver con el hecho de que cuentan con distintas variables que se integran entre sí, y que se influyen recíprocamente; en ellos la materia aparece estratificada por niveles, estableciéndose relaciones y causalidades tanto en el seno de cada nivel como en la relación entre los distintos niveles. Así, no es que su comportamiento sea impredecible per se, sino que, si esto es así, es porque la causalidad se complica tanto que no es posible ‘seguirla’ en su proceso causal. Por este mismo motivo, cualquier modificación en sus condiciones de contorno tendrá consecuencias imprevisibles en el comportamiento del sistema. No obstante, no hay que perder de vista que la distinción entre sistemas lineales y complejos no se debe tanto a la complicación del sistema como a su comportamiento; de hecho, un sistema complejo famoso es el formado por tres barras moviéndose articuladas entre sí, bastante sencillo en cuanto tal.

Dentro de lo que son los sistemas complejos, creo que sería oportuno hacer una distinción, que es la que se da entre los sistemas que Lorenz tenía en mente cuando hablaba del efecto mariposa, y otros fenómenos que también forman parte de nuestras vidas cotidianas, y que solemos etiquetar bajo el concepto de ‘azarosos’. Me refiero, por ejemplo, a lanzar al aire una moneda, o un dado. En ellos, algo hay del comportamiento complejo, pero parece que no del todo. ¿En qué sentido cabe interpretar ese ‘no del todo'? En mi opinión, ello es debido al número de casos posibles, que en estos casos azarosos es muy concreto: cara o cruz, o del uno al seis.

Pero esto no debe despistarnos sobre su carácter complejo, porque esto que acabo de afirmar hay que cogerlo con prudencia. Pensemos en el lanzamiento de una moneda. En una primera aproximación, parece que en este sistema haya pocas variables, pero el caso es que no es así exactamente: podemos pensar, en su peso y tamaño, la rigidez de su material, la fuerza con que se lance, o su punto de aplicación, la rugosidad de sus caras, la distribución de su masa, las irregularidades en su contorno que la alejan de un círculo perfecto, la dureza de la superficie sobre la que cae, etc. Y algo similar pasa cuando pensamos en el número de casos posibles: pensamos que sólo son dos (cara o cruz, si no contamos que caiga de canto), pero esto no es exacto, porque muy bien se podría considerar el lugar en el que va a caer, el tiempo que va a tardar, cómo vayan a ser sus rebotes con el suelo, cuántas vueltas da en el aire, etc. Si queremos prever el resultado, sí, saldrá cara o cruz, pero otra cosa es, por ejemplo, predecir dónde va a caer la moneda: no hay manera de prever con seguridad el lugar exacto en el que la moneda detendrá su movimiento. Lo mismo cabe decir con un dado, o con la ruleta, etc. Ciertamente, estos sistemas tienen mucho de complejos, pero, desde una perspectiva cotidiana, entendemos que los casos posibles son pocos; pero esto es así porque hemos reducido artificiosamente las variables que a nosotros nos interesan (que salga cara o cruz, que es lo que podemos calcular estadísticamente con facilidad), dejando al margen otras posibilidades (el lugar donde va a caer, las vueltas que da la moneda en el aire, etc.).

A diferencia de ellos, los sistemas caóticos se caracterizan, independientemente del número de variables que tengan, porque sus resultados sí que son indefinidos (o, cuanto menos, los resultados de las variables que estamos atendiendo). De hecho, se ha demostrado que con sólo tres variables ya se puede dar un comportamiento impredecible; famoso es el problema de los tres cuerpos. Es aquí donde cabe situar la diferencia. Porque en el primer caso, llamémosles sistemas azarosos, a pesar de nunca saber cómo va a terminar la cosa sí que sabemos que ha de terminar con uno de los casos posibles fácilmente identificable (vistos así, reduccionistamente); comportamiento que es fácilmente predecible estadísticamente con una fiabilidad sorprendente. Independientemente de que, en los otros, en los caóticos, también hay un soporte matemático extraordinario, sin duda se trata de cálculos más complicados y no tan fiables como los azarosos, y no tenemos para nada tanta seguridad en la predicción de sus resultados.

Creo que es razonable denominarlos así: a los primeros azarosos y a los segundos caóticos; de los primeros podemos prever de alguna manera (estadísticamente) su resultado, de los segundos es más difícil (aunque se está avanzando mucho en su definición matemática, motivo por el cual la predicción meteorológica es cada vez más fiable). Pero no se puede dejar de advertir que es una distinción ―digamos― arbitraria, pues lo cierto es que en los azarosos hay un momento de caos, y en los caóticos un momento de azar. Pero bueno, sirva la distinción.

La extraña relación entre lo biológico y lo entrópico

Hay un asunto muy interesante en biología, que tiene que ver con cómo se despliega ontogenéticamente un individuo en virtud de su código genético. Se trata de estudiar, no cómo o de qué están compuestos los genes, sino de cómo, a efectos prácticos, esos genes propician que un organismo se vaya constituyendo como tal. Algo debe tener el código genético para que esté en perfecta correspondencia con un plan de desarrollo altamente complejo y definido, conteniendo los medios para el despliegue orgánico del individuo, en su carácter progresivo. ¿Cómo lo hace?, se pregunta acertadamente Schrödinger; ¿cómo trabaja, en definitiva, la sustancia hereditaria? Resolver esta cuestión es el auténtico leitmotiv de estas reflexiones del austríaco. Recordemos que él trataba de discernir hasta qué punto las leyes de la física (él fue uno de los padres de la mecánica cuántica) se hacían presentes en los fenómenos biológicos, y de qué modo lo hacían, cuál era su alcance.

Su punto de partida se puede resumir en lo siguiente: «la materia vital, si bien no elude las ‘leyes de la física’, tal como están establecidas hasta la fecha, probablemente abarque ‘otras leyes físicas’ desconocidas hasta ahora, las cuales, una vez descubiertas, formarán, sin embargo, una parte tan integral de esta ciencia como las anteriores».

De alguna manera, su postura se endereza hacia la idea de que lo biológico puede ser explicado por lo físico-químico, aunque para ello haya que ensanchar un poco la esfera de lo físico-químico, tal y como está considerada en la actualidad. Es decir, se puede decir que Schrödinger se endereza hacia un reduccionismo fisicalista. Lo cierto es que hoy en día ―hasta donde yo sé― esas otras leyes de la física y química aún siguen buscándose.

Una de estas líneas de investigación (Kauffman) es la que tiene que ver con la posibilidad de ampliar la aplicación de las leyes de la termodinámica para poder aplicárselas a sistemas abiertos autoconstructivos, es decir, a organismos. Ya se vio cómo las leyes de la física son de carácter estadístico, aunque a la escala macroscópica se vean fenómenos perfectamente determinados; en cuanto se aumenta la escala, se observa cómo esta percepción determinista no se ajusta a la realidad de las cosas. Lo cierto es que, paradójicamente, la estabilidad macroscópica de las leyes de la física hay que agradecérsela al carácter estocástico de las partículas que componen las cosas. En opinión de Schrödinger, algo de esto parece que hay en las ‘cosas vivas’, pero no del todo; dice: «la vida parece ser el comportamiento, ordenado y regido por leyes, de la materia, sin estar basada exclusivamente en su tendencia de pasar del orden al desorden, sino basado en parte en un orden existente, constantemente mantenido». O, dicho de otro modo: el organismo vivo parece ser un sistema macroscópico cuyo comportamiento, en parte, se aproxima al comportamiento puramente mecánico (en contraste con el termodinámico) al que tienden todos los sistemas cuando se acercan al cero absoluto, suprimiendo paulatinamente el desorden molecular (estado de Bose-Einstein). O sea, si lo he entendido bien, que el comportamiento macroscópico de lo vivo se adecúa, en parte, al comportamiento de la materia cuando ésta se aproxima al cero absoluto, momento en el que su desorden molecular se ordena.

Lo que se plantea Schrödinger hasta qué punto tiene esto sentido. ¿Qué relación hay entre la vida y el desorden? ¿Cuándo se puede predicar de un ‘trozo de materia’ que está vivo? Un criterio que se podría barajar es: cuando sigue comportándose de una manera determinada más tiempo que el que suponemos que duraría un trozo de materia inerte bajo las mismas circunstancias. Me explico. En un sistema inerte, en un trozo de materia inerte, todo movimiento que pueda llevar se paralizará prontamente debido a diversas fuerzas que se le oponen, hasta que alcanza una nueva situación de estabilidad. Si tiramos una piedra, al poco la piedra se detendrá plácidamente allá donde caiga. Aunque en algunos casos esta nueva situación de estabilidad puede ser alcanzada con no demasiada rapidez (pensemos en los planetas girando alrededor del Sol), podemos considerar correcta esta afirmación, por la idea que le subyace. El comportamiento de la materia viva es radicalmente diverso: lo enigmático de su comportamiento es que no cede con esa prontitud a ese estado de equilibrio, sino que se resiste a él: lo vivo tiende a todo menos a quedarse parado, está en continuo movimiento, resistiéndose a todo aquello que lo quiera frenar. Tanto es así que antiguamente se suponía que los entes animados albergaban en su interior una energía especial, un ánima, idea que, en la época contemporánea se ha mantenido bajo distintas formulaciones (el élan vital de Bergson, la entelequia de Driesch), formulaciones que hay que comprender bien para no reducirlas a meros tópicos. Pero algo de eso hay.

O sea: mientras que la materia inerte a lo que tiende es a incrementar su entropía, de modo que cada vez tiene menos capacidad de trabajo, los organismos vivos hacen totalmente lo contrario: con su comportamiento disminuyen la entropía, por lo menos en el seno del sistema que conforman. Y el asunto es: ¿y cómo hace el organismo viviente para resistirse a esa pronta situación de estabilidad?

La causalidad no causal

El estado que se percibe del cosmos, a cualquier nivel, puede ser comprendido partiendo de un estado previo a él. Pero no siempre es fácil comprender este tránsito, no sólo a escala microfísica, en el que el comportamiento probabilístico de la materia nos es más familiar, sino también a escala macrofísica, en la que muchos procesos no se pueden explicar atendiendo a la causalidad típica de la física clásica. La constatación de este segundo fenómeno hizo aumentar decididamente el interés por la teoría de la complejidad. De hecho, algunos autores han equiparado la importancia de esta teoría a la que pueda tener la relatividad, la mecánica cuántica o la biología molecular. Como apunta Bru, el estado complejo no es difícil de identificar; dicho muy brevemente, «su mayor característica es la imposibilidad de predecir acerca de su comportamiento». Pero vaya, aproximémonos un poco en su comprensión.

En el universo se pueden establecer tres grandes modos de determinar lo consecuente por lo antecedente, según Laín: la determinación determinista, la determinación indeterminista y el indeterminismo caótico. La determinación determinista, de carácter ideal y sólo aparente, es el paradigma de la ciencia clásica, y válida para los sistemas y movimientos de carácter macrofísico, ya que en ellos el error de la medida es despreciable en referencia a las magnitudes observables. La determinación indeterminista, de carácter probabilista, propia de la física de partículas, en virtud de la cual los sucesos son de carácter indeterminado a nivel individual, pero en conjunto las probabilidades ofrecen unas predicciones válidas, y de la cual se puede prescindir a nivel macrofísico, aunque también rige en él. Por último, el indeterminismo caótico propio de las partículas elementales en tanto que tales. Dice este autor: «Más allá del determinismo ideal y sólo aparente de la mecánica de Newton-Laplace, más acá del inexorable indeterminismo cuántico de la mecánica de Heisenberg y Bohr, la realidad atómico-molecular sería ocasional y transitoriamente caótica, porque caótico es el estado de la materia antes de constituir un orden estructural más o menos duradero».

Heisenberg se hizo eco de que, con el giro de la física al paradigma cuántico, se podía dar por abolida la ley de la causa y el efecto; ello parece indicar que sea apropiado dejar de hablar de que los procesos naturales estén regidos por leyes, idea que es sumamente imprecisa, aunque no es menos cierto que nos obliga a replantarnos el concepto de causalidad. ¿De qué estamos hablando cuando hablamos de causalidad? El concepto de causalidad al que solemos estar acostumbrados —que es el propio de la ciencia moderna— se generalizó gracias al cambio de paradigma con que el hombre se comenzó a relacionar con la naturaleza, pasándose de una preocupación por lo que la naturaleza era (paradigma clásico) a una preocupación por cómo se comportaba. De este modo —explica Heisenberg— «el término de causa fue siendo referido [a partir de la modernidad] a la ocurrencia material que precediera a la ocurrencia que en determinado caso se tratara de explicar y que de algún modo la hubiera producido». Como dice gráficamente, cuando algo ocurre, presuponemos que algo otro lo ha precedido, de lo cual se sigue según una determinada regla. Con el auge de este tipo de conocimiento, se llegó a la convicción de que el acontecer de la naturaleza está unívocamente determinado, como un gran mecanismo cuyo conocimiento en un momento dado nos permitiría predecir su futuro, del mismo modo que nos podríamos remontar ad infinitum hacia los estados anteriores. Esta causalidad en sentido fuerte es lo que se conoce como determinismo, una de cuyas figuras paradigmáticas fue Laplace.

Ciertamente, la física atómica ha desarrollado concepciones que no se ajustan a este esquema, aunque tampoco lo excluyen de modo radical. Curiosamente, este nuevo paradigma contemporáneo tenía que ver con una idea que no era ajena a los atomistas griegos (Leucipo y Demócrito), quienes admitían que ciertos procesos regulares tenían lugar gracias a la concurrencia de muchos procesos irregulares de detalle. Básicamente, esta idea es la que se mantiene en la física atómica actual, y que puede ser perfectamente aplicada a procesos naturales, los cuales, en tanto que poseen átomos a su base, se apoyan en su comportamiento.

El punto clave cabe situarlo en la teoría de los cuantos de Planck. Recordemos que lo que descubrió no fue sino un elemento de discontinuidad en los fenómenos de radiación, es decir, que un átomo radiante no emite energía de modo continuo sino a ‘trocitos’, discontinuamente, en paquetes discretos. Una de sus consecuencias más importantes fue la necesidad de formular toda ley física estadísticamente, para lo cual fue necesario abandonar el puro determinismo: éste es el cañamazo de la física cuántica. Se dio así el hecho paradójico de que el conocimiento físico se montaba sobre un comportamiento indeterminista radical, pero cuyos resultados se mostraban muy fiables; la paradoja es que, tal y como estaba estructurado dicho conocimiento, para que esos resultados se mostraran válidos a la postre se debían obtener partiendo de un comportamiento indeterminista de sus objetos de estudio. Es decir: «el conocimiento incompleto de un sistema es parte esencial de toda formulación de la teoría cuántica», explica Heisenberg. Como decía, lo cierto es que procesos a escala mayor, a escala humana o mesocósmica— también se rigen por estos principios, aunque las leyes estadísticas aplicados a ellos arrojan probabilidades tan altas que en la práctica puede decirse que su comportamiento está determinado. Es un determinismo indeterminista. El determinismo y el indeterminismo no son conceptos tan alejados: éste es nuestro mundo en gran medida, si lo pensamos: a procesos que a nivel macroscópico podemos conocer y predecir con una gran fiabilidad, subyacen otros en los que la cosa es un poco más difícil.

La suerte del carácter isomérico de los genes

Estuvimos viendo en el anterior post la importancia de dos fenómenos: a) de la existencia de moléculas isoméricas que permitan cierta posibilidad de cambio, y b) de que algunos de estos isómeros fueran lo suficientemente estables como para garantizar la vida segura de la molécula. Veíamos cómo Schrödinger realizaba este estudio a la luz de las moléculas que forman parte de nuestros genes. Una característica fundamental que es más que razonable suponer en nuestros genes, que no dejan de ser unas moléculas, es que sean lo suficientemente estables como para permitir la vida de las especies, y no sucumbir con demasiada facilidad ante los embates que le sobrevengan del exterior. Se pregunta Schrödinger: «¿Estas estructuras [los genes], compuestas de relativamente pocos átomos, son capaces de resistir durante largos períodos la influencia perturbadora del movimiento térmico a la cual queda continuamente expuesta la substancia hereditaria?».

Es decir: los genes, ¿son lo suficientemente estables como para poder asumir las variaciones energéticas que el entorno les pueda propiciar, sin por ello verse alterados? Si no fuera así, cualquier alteración energética originada en el entorno podría afectarlos, alterándolos considerablemente o incluso destruyéndolos.

Las moléculas biológicas deben estar hechas de tal modo que los aportes externos de energía térmica que le puedan llegar usualmente desde la naturaleza no les suponga, por lo general, cambios relevantes. O, como dice él: «los umbrales de energía que separan la configuración de energía de cualquier configuración isomérica posible, deben ser bastante altos (en comparación con la energía térmica media de un átomo) para hacer que los cambios de nivel sean un acontecimiento raro». Como es fácil pensar, entre esos ‘acontecimientos raros’ no están sino las mutaciones. Observando la figura del anterior post, interesa que los puntos tipo 3 sean razonablemente elevados: ni muy poco, porque entonces los genes serían muy inestables, pero tampoco demasiado, pues entonces el tránsito de un isómero al otro sería prácticamente imposible, impidiendo las mutaciones, y las mutaciones es un fenómeno biológico muy útil en determinadas circunstancias.

Pues bien, queda por comprobar si esto que estamos comentando se cumple efectivamente según el comportamiento de la materia viva. Y ciertamente los resultados apuntan en esta dirección. Por ejemplo, esos ‘valores de umbral’ que habíamos establecido desde un punto de vista físico-químico, son ratificados por la investigación biológica. Según la naturaleza de las moléculas génicas se comprueba que, efectivamente, suelen ser muy estables, lo que no es óbice para que una fluctuación fortuita de la energía pueda llevarlas a un estado isomérico diferente, acontecimiento lo suficientemente raro (pero que se da) como para poder ser interpretado como una mutación espontánea. «De este modo, debido a los principios mismos de la mecánica cuántica, explicamos el más asombroso hecho relacionado con las mutaciones, gracias al cual ellos atrajeron por primera vez la atención a de Vries: que son variaciones ‘a saltos’, sin que se produzcan formas intermedias».

Es razonable pensar que la naturaleza haya propiciado que los códigos genéticos de los organismos posean una estabilidad relevante, so pena de verse modificados por circunstancias menores, lo que pondría en entredicho la continuidad de la especie. Frente a los niveles de la radiación natural, las moléculas genéticas no presentan riesgo de mutación salvo en circunstancias muy puntuales: «no debemos extrañarnos mucho de que la Naturaleza haya logrado crear una serie tan sutil de ‘valores de umbral’ como la necesaria para hacer que la mutación sea un fenómeno poco frecuente». Se comprueba en el laboratorio que en condiciones energéticas más intensas (exposición a rayos X de los genes de la mosca Drosophila, por ejemplo) las mutaciones son más frecuentes, según la fórmula que ya vimos para el tiempo de expectación: t=τe^(W⁄kT). Se comprobó cómo la baja mutabilidad de los genes naturales quedó visiblemente aumentada por la sobreexposición energética. La conclusión a la que llega Schrödinger es que el modelo cuántico-biológico responde muy bien a los hechos experimentales.

Entre isómeros y mutaciones

Hemos visto (en este post) cómo las moléculas orgánicas no dejan de ser eso, moléculas, y están sujetas a los desequilibrios que les puedan causar agentes externos como cualquier otra molécula del universo; desequilibrios que podían darse más fácil o difícilmente, en función de la estabilidad de la molécula. Ante cualquier agente externo, moléculas más estables mantendrían su composición con mayor éxito que moléculas inestables. Y Schrödinger se hacía eco de que las moléculas base de los organismos debían poseer cierta estabilidad pues, en caso contrario, difícilmente podrían contribuir a que dicho organismo se mantuviera vivo. Una estabilidad que, por otra parte, no podía ser tan férrea que no permitiera ciertas alteraciones importantes, y que darían lugar a las mutaciones.

 

Al respecto, Schrödinger realiza dos matizaciones. Una, que antes de que las moléculas cambien de un estado a otro de modo sustancial en la naturaleza, suelen darse con frecuencia transiciones a estados que no implican cambios apreciables en la configuración de la molécula vista en su conjunto, sino más bien a su comportamiento interno (relacionado con sus estados vibratorios, por ejemplo). Estas modificaciones vibratorias son relativamente fáciles de conseguir y, aunque físicamente puedan ser relevantes (no olvidemos de dónde provenía Schrödinger), poseen poca relevancia biológica, motivo por el cual no serán objeto de nuestra atención. Cuando hablemos de modificaciones moleculares, nos referiremos siempre a aquellas que suponen un cambio significativo en su configuración.

La segunda matización es un poco más compleja, y es más relevante a nuestros efectos. Tiene que ver con estos cambios significativos entre niveles diferentes. Por donde va Schrödinger es por el hecho de que, aunque los momentos origen y final de un cambio puedan estar relativamente próximos, y no presentar una dificultad demasiado grande para darse, sí que puede dificultarse por la existencia de algún estado intermedio por el que tenga que pasar la molécula en ese proceso de cambio, y que salvarlo sea más difícil.

Muy bien, a causa de un agente externo, se podría cubrir la diferencia de nivel entre los extremos, pero a causa de ese estadio intermedio ya no da. De modo que el tránsito puede quedar truncado por motivos ajenos al del mero suministro de energía. Sabido es que un mismo conjunto de átomos puede agruparse según diversas configuraciones moleculares: son los isómeros. La existencia de los isómeros es muy común; cuanto mayor sea la molécula, mayor es la probabilidad que se ofrece de isómeros. Es muy curioso cómo, en no pocos casos, con una pequeña variación en la configuración, aun contando con el mismo número de los distintos átomos, las propiedades físico-químicas de las sustancias son muy diferentes. Esto va a tener su relevancia en las mutaciones biológicas. De hecho, en su opinión será en estos casos difíciles en los que el cambio molecular es relevante.

Schrödinger explica —como se ve en la figura— que en no pocas ocasiones el paso de un estado a otro no es lineal, sino que hay obstáculos intermedios. Imaginémonos los isómeros correspondientes a los estados 1 y 2 de la siguiente figura; se observa cómo ambas moléculas son perfectamente estables, cada una en su nivel de energía; en cada caso, una leve modificación de su estado revierte sobre sí mismo, en beneficio de la estabilidad; como dice Schrödinger, ambas moléculas se comportan como si fueran ‘dos estados más bajos’. Se observa cómo no hay transiciones espontáneas de un estado al otro, sino que para que se dé dicha transición, es preciso pasar por el estado intermedio 3, un estado energético considerablemente más elevado. A juicio de Schrödinger serán este tipo de transiciones las únicas interesantes desde el punto de vista biológico: aquellas en que el salto de un isómero a otro está mediado por un estado que requiere una carga energética relevante, y que de alguna manera ‘protege’ a los estados 1 y 2 ya que, si bien es complicado pasar del 1 al 2, tampoco es sencillo volver del 2 al 1 (aunque el salto energético que tenga que salvar sea inferior, no deja de ser apreciable). Se aprecia como la energía que hay que suministrar para pasar del estado 1 al 2 no es la diferencia de nivel entre ellos dos, sino desde el estado 1 al 3. Y, en sentido opuesto, ese pico protege al nuevo estado 2 alcanzado, que ya no volvería inercialmente al nivel 1 por encontrarse a un nivel superior de energía, ya que, para hacerlo, debe salvar el punto 3. ¿Por qué son interesantes únicamente este tipo de transiciones? Pues porque, cuando no son así, su existencia es muy reducida, y los efectos de estos cambios no son duraderos, pasando inadvertidos, ya que, cuando se producen, suelen recaer en el estado primitivo puesto que no hay nada que lo impida, sin mayores consecuencias.

Del salto cuántico a las mutaciones

Veíamos aquí cómo, desde el punto de vista molecular, el hecho de que la energía se transmitiera a golpes tenía sus ventajas, ya que ello propiciaba la estabilidad de la molécula ante ciertas variaciones energéticas pequeñas, siendo necesaria que éstas superen un determinado umbral para provocar un cambio en su estructura; en el ámbito que nos ocupa, moléculas orgánicas, ese cambio estructural se traduciría en una mutación. El hecho de que las mutaciones, o cambios estructurales moleculares, se hagan a golpes, va a ser fundamental para la vida.

Este suministro de energía a las moléculas biológicas se realiza sobre todo mediante el calor: es necesario ‘calentar’ la molécula para sacarla de su estado estable y llevarle a otro. Los efectos de la energía calorífica son un poco irregulares; es decir, no es estrictamente cierto que, a una temperatura exacta, siempre la misma, se produzca el salto; sólo se puede estimar ese salto probabilísticamente. Con otras palabras: cuando se ‘baña térmicamente’ a moléculas similares, no todas saltan exactamente igual, sino que cada una lo hace cuando lo hace, siendo imposible prever cuándo ‘esta molécula en concreto’ va a saltar. Lo que sí se puede hacer, como se hace en casos similares a éste, es hablar de valores medios; en nuestro caso, la variable que se emplea es el tiempo de expectación, es decir, «el tiempo medio que hay que esperar hasta que se produzca la elevación».

Unos pocos datos técnicos. Polanyi y Wigner investigaron a fondo este tiempo de expectación (t), y averiguaron que dependía de dos variables energéticas, a saber: la primera relacionada con la cantidad de energía a suministrar para propiciar el salto (W), y la segunda con la intensidad del movimiento térmico propio, el cual depende de la temperatura en que se encuentre la molécula previamente (si la temperatura es T, este valor se define como kT, siendo k la constante de Boltzmann). Decíamos que el tiempo de expectación dependía de estas dos variables, de W y de kT. Es fácil pensar que, cuanto mayor sea W, cuanta más energía haya que suministrar, mayor será dicho tiempo; y que cuanto mayor sea kT, más ‘agitadas’ estarán las partículas, por lo que dicho tiempo será menor. Por lo tanto, el tiempo de expectación será proporcional a W/kT. Se ha comprobado que para W/kT = 30, el tiempo de expectación es de una décima de segundo; para un valor de 50 aumentaría hasta casi un año y medio; y para un valor de 60 hasta nada menos que treinta mil años.

Se observa claramente una escala logarítmica, según la cual se puede expresar así al tiempo de expectación: t=τe^(W⁄kT), siendo τ una constante muy pequeña, del orden de 10⁻¹³ – 10⁻¹⁴ segundos. Esta ecuación tiene una importancia fundamental, pues viene a indicarnos la probabilidad de que una determinada molécula cambie de estado ante una incidencia accidental de energía; probabilidad que ―como decía― depende del cociente W/kT, aumentando exponencialmente conforme crece linealmente este cociente, lo que tiene una relevancia en el mundo de la vida fundamental.

Pues aquí está el meollo. Cuanto menos agitada esté una molécula orgánica, y más energía haya que aplicarle para que dé el salto, más estable será, y menos facilidad tendrá para mutar; y viceversa: cuanto más agitada esté, y menos energía haya que suministrar, más inestable será y más fácil será que mute. Por lo general estas mutaciones no son sino modificaciones en el seno de la molécula; más que cambiar sus componentes, se suelen reconfigurar atendiendo a órdenes distintos, algunos más relevantes que otros. Es fácil pensar que las moléculas orgánicas tienen una estabilidad suficiente que les posibilite existir con cierta garantía, siendo preciso algún fenómeno anómalo para que la mutación se dé. En caso contrario, no existirían moléculas lo suficientemente estables para posibilitar la existencia de especies o de individuos, o de la misma vida.