«El enorme abismo que separa la física y la biología es insalvable sin conceptos fundamentalmente nuevos»

La cita que inicia este artículo es una de las tesis principales que expone Paul Davies en su libro publicado en 2019 «The Demon in the Machine» (literalmente: «El Demonio en la Máquina», aunque aún no hay edición traducida). 

A Paul Davies no hace falta presentarlo ya que es muy conocido por su labor de investigación y divulgación en áreas como la mecánica cuántica, la cosmología o la astrobiología. Como él mismo afirma le gusta abordar los grandes interrogantes y tratar de hallar respuestas a las cuestiones fundamentales del origen del Universo y la Vida.

Este interés de Davies en cruzar las barreras entre campos científicos y adoptar una visión más holística de conjunto es lo que le lleva a escribir este libro interdisciplinar. En el se entrecruzan física, química, biología, computación o teorías de información y redes.

Si tuviera que sintetizar el contenido y objetivo del libro, lo haría en estas dos ideas básicas:

  • Nos argumenta por qué no cree en el enfoque reduccionista (extremo) para explicar la aparición de la vida y el funcionamiento de los seres vivos.
  • Nos plantea el papel fundamental que puede jugar la Información en resolver ese interrogante.

Sobre el primer punto, Davies plantea que la física conocida no puede dar cuenta por sí sola de la biología. Aunque los componentes de la vida cumplan las leyes que los átomos y moléculas siguen ciegamente, esos principios son insuficientes para explicar la emergencia de causalidad que observamos en el mundo de los seres vivos.

Tampoco la síntesis moderna de la teoría de la evolución darwiniana, la genética y la biología molecular explican del todo cómo surgen esos objetivos o propósitos que muestran los elementos constituyentes de la vida. Entiende que se requieren otros principios adicionales que aún no conocemos.

Por supuesto estas cuestiones sobre qué es la vida, cómo surge, qué controla el funcionamiento de los seres vivos y sus elementos constituyentes ha sido planteadas en muchas ocasiones a lo largo de la Historia en los ámbitos de la Religión, la Filosofía y la Ciencia. De hecho el cita como referente al físico  Erwin Schrödinger y sus influyentes conferencias y libro ¿Qué es la vida?  que inspiró el descubrimiento posterior del mecanismo de información genética del ADN por Watson y Crick.

Se han dado respuestas de diversa índole: causa u origen divino (religiones), fuerza o impulso vital (vitalismo), conciencia universal (pansiquismo),  visión de conjunto – el todo mayor que las partes (holismo, organicismo) o  físico-mecaniscista (reduccionismo), por citar las más relevantes.

Davis plantea respuestas dentro de la Ciencia -aunque esos principios o leyes naturales estén aún por descubrir- dejando a un lado ideas de caracter sobrenatural, espiritual o proto/pseudo científicas.

Indaga en una linea que ve prometedora: el papel que puede jugar la información como principio causal de alto nivel, contextual, que toma el control  del desarrollo y ‘funcionamiento’ del ser vivo.

¿Qué significa esto? Pues que la información, un concepto lógico-abstracto  instanciado en los organismos vivos a partir de componentes y fenómenos materiales físicos-químicos (bases nitrogenadas del ADN, gradientes eléctricos…), es un ‘agente’ capaz de dirigir y manipular ese sustrato material en el que se sustenta, pudiendo introducir reglas según el estado o contexto en que está operando.

¿Sigue sonando enrevesado? Pues utilizaremos  una analogía familiar: la vida es el software que controla el hardware de los seres vivos, dando instrucciones a la máquina sobre la que se ejecuta. Al igual que un programa se comporta según los inputs que recibe (de un usuario, de otro programa, de un sensor…) igual lo hace el sistema vital según la amplia gama de señales físico-químicas que pueda recibir a distintos niveles.

En este sentido, me ha recordado la afirmación del físico Seth Lloyd que me parece muy ilustrativa:

«La información y la energía juegan papeles complementarios en el Universo: la energía posibilita que los sistemas físicos hagan cosas. La información les dice lo que hay que hacer.»

¿Cómo explica Davies este papel de la información? Vaya por delante que no lo detalla exactamente, sino que plantea argumentos, ejemplos, reflexiones que van dando forma o idea a su hipótesis, aún en estado especulativo. 

Por un lado destaca como la vida se basa en un funcionamiento parecido al «demonio de Maxwell«. Este es un experimento mental que planteó en 1867 el gran físico J.C Maxwell donde un ser ficticio podría ir en contra de la 2ª ley de la Termodinámica separando móleculas según su velocidad en dos compartimentos de una caja. Esto generaría una diferencia de temperatura  y se podría producir trabajo ‘gratis’.

Este pequeño ‘demonio’ podía por tanto disminuir la entropía del sistema sin consumo de energía, pasando de un estado más probable y desordenado a otro más improbable y ordenado jugando con la información del sistema (qué moléculas son más rápidas que otras).

Nota: las explicaciones del libro son claras, pero si no acabas de entender lo de la entropía y su relación con la información, puedes probar con el libro «La entropia desvelada» de Arieh Ben-Naim.

¡Ah!, y como curiosidad,  fue Lord Kelvin quien se refirió posteriormente a un «demon» donde Maxwell hablaba solo de «being» («ser»). Kelvin utilizó ese término por la intencionalidad que mostraba, provocando un cambio en el comportamiento normal del sistema.

Esta paradoja se resolvió en el siglo XX con aportaciones sucesivas de Szilard, Landauer y Bennet, y finalmente se llegó a la conclusión de que sí había un gasto de energía y generación de entropía. Es un argumento muy sutil y contraintuitivo que tiene que ver con el acto de borrar/resetear la información en la memoria de ese ser ficticio y viene marcado por el límite de Landauer de tan solo 3×10-21 Julios (a temperatura ambiente) para borrar 1 bit de información. Es el límite teórico de consumo de un ordenador ideal.

Nota: para los interesados que no conozcan este tema, aparte de los artículos originales de Bennet que se pueden encontrar en Internet, me gustó como lo explicaba Julian Brown en «Minds, Machine and the Multiverse» (2002) donde se incluye el ejemplo que usó Bennet de la transcripción del ADN por el ARN polimerasa.

A continuación nos presenta los motores informacionales que están basados en la ‘paradoja’ de Maxwell. Con ellos se puede convertir información en trabajo aprovechando las pequeñas fluctuaciones térmicas de un reservorio de calor -los denominan motores brownianos-. 

Para forzar a que el resultado de la interacción de la agitación térmica con el sistema sea en un solo sentido se incluye un bloqueo a modo de rectificador (pensemos en un didodo que solo deja pasar la corriente en un sentido) y de esta forma se pueda hacer un trabajo a cambio del aumento de entropia por la transformación de la información de la que partíamos.

En el libro incluye un ejemplo conceptual de C. Jarzynski donde un conjunto de paletas confinadas en un espacio por unas barras (equivalente a nivel de información a tener una serie de 0’s)  tras golpear una pestaña por efecto de la agitación térmica pasan a poder estar en cualquier ubicación (el equivalente a registrar como resultado una serie de 0’s y 1’s). Tal como está montado el sistema, se fuerza a que el movimiento de la pestaña y el aro donde está montado se de en promedio en el sentido contrario a las agujas del reloj (video de este modelo de motor browniano)

Motor browniano

Pues bien, los organismos vivos están repletos de nanomáquinas moleculares que funcionan como motores informacionales, siempre algo por encima a ese límite de Landauer, pero con muchísimo menor consumo de energía que nuestros ordenadores más eficientes.

Davies nos presenta varios ejemplos de estas nanomáquinas biológicas, así como también de experimentos en nanotecnología que han ido en esta linea para comprender mejor cómo funcionan. Todos los ejemplos creo que se entienden mucho mejor si se visualizan además los videos que referencia el libro (hay ejemplos adicionales buscando en Internet).

Ahora bien, Davies nos dice que los organismos vivos no solo almacenan información (ADN) o crean estos motores informacionales sino que también procesan la información como si fueran ordenadores.

Nos habla de patrones de información que se comportan como si fueran entidades de por sí coherentes, independientes, no condicionadas por la topología de las redes donde se expresan, que aparentemente están gobernadas por sus propias leyes naturales y que presentan unas características especiales en cuanto al control de flujo de información que determinan el funcionamiento de ese sistema.

Por volver a la analogía del ordenador: vemos los componentes biomoleculares (el hardware) y la ‘danza’ de señales e intrincadas interacciones que se producen entre ellos (la ejecución del programa), pero no podemos ver el software en sí , la organización informacional, la lógica de la vida que debe tener principios que aún no hemos descubierto.

Nota: en teoría el ADN sería al menos una parte de ese conjunto de instrucciones que buscamos, aunque nos recuerda que la síntesis de proteinas con todo un entramado de elementos y factores de inhibición/activación de genes es un sistema de información bastante más complejo.

Presenta un ejemplo con la modelización del ciclo de vida de la levadura schizosaccharomyces pombe (también llamada «levadura de fisión» por su mecanismo de división celular que  produce dos células del mismo tamaño).

Diseñaron una red muy simplificada donde los nodos representan a genes (o estrictamente, las proteinas que codifican los genes) y las líneas de conexión de la red son los caminos químicos que enlazan los genes. La activación de un gen (o expresión de una proteina) provoca la activación o desactivación de otros.

Descompusieron en pasos el ciclo, asignado a cada gen del modelo el valor «1» (on) cuando se activaba y «0» (off) cuando estaba inactivo.

Analizando los datos, vieron que había un núcleo de control de varios genes que parecían orquestar el funcionamiento del resto de la red y que se podía inferir el valor que tomaría un gen a partir de otro con mayor probabilidad que si la red fuera aleatoria, es decir, se transfería más información de lo esperado teóricamente. Lo curioso es que la transferencia de información no se daba siempre entre células ‘conectadas’, sino que un 40% estaban correlacionadas sin tener conexión física, y un 35% de las que sí tienen conexión física no estaban correlacionadas: no había una relación obvia entre los patrones de información y la topología del circuito.

También apunta a los efectos emergentes que surgen en topologías de redes con un alto grado de integración e interacción (por ejemplo como posible explicación de la aparición de la conciencia en las redes neuronales). Estas redes generan una información distribuida que va más allá de la información generada por sus subelementos, es decir, el todo es mayor que la suma de las partes.

¿Hay más en el libro? Sí, mucho más.

Por lo pronto muchas preguntas que nos van encaminando a esa necesidad de buscar explicaciones adicionales:

  • ¿Qué es la vida o la conciencia y cómo pueden surgir de elementos inorgánicos que no están dotados de ninguna intencionalidad? ¿Sólo por la ley de la evolución Darwiniana?
  • ¿Cómo se puede crear un sistema tan sofisticado como el genético, tanto como almacenaje codificado y mecanismo de herencia como por la regulación de su expresión?
  • ¿Cómo explicar en detalle la morfogénesis? A partir de una secuencia genómica no podemos predecir cómo será el organismo, que forma y aspecto tendrá? (dicho de un modo ‘directo’: el ADN es un conjunto de instrucciones, no un plano)

También se pregunta si la naturaleza/vida usa fenómenos puramente cuánticos como el tunneling o el entrelazamiento que abren muchas más posibilidades para el procesameinto de información. Nos presenta tres ejemplos que me parecen extraordinarios si se confirman sus hipótesis de funcionamiento y que están relacionados con el sitema olfativo, la orientación de las aves y la fotosíntesis de una bacteria,  si bien deja la cuestión sin desarrollar.

Ya digo, hay mucho más contenido: reflexiones acerca de ‘modelos’ de replicación como el Juego de la Vida (Conway) o el Constructor Universal (Von Neumann) o estupendos detalles como el funcionamiento de las neuronas y la transmisión de la señal a través del axón no como pequeña corriente eléctrica, como creía, sino como una onda de potencial donde un cambio de polaridad se va propagando de un hueco al otro del axón.

También dedica un apartado a una de sus investigaciones actuales: el posible origen del cáncer como fenotipo atávico. En esta hipótesis las células disparan un programa primitivo de subsistencia que les hace reproducirse descontroladamente ante la amenaza o situación anormal del ambiente.

En fin, no se trata de comentar todo el contenido. Valgan estos apuntes para hacerse una idea del conjunto.

Otras referencias del autor

Ampliando el foco sobre este tema, no es la primera obra donde Davies  aborda estas cuestiones sobre Información, Materia, y Vida. Aparte de ser autor de diversos artículos y papers, solo o junto a otros autores (por ejemplo, «The Algorithmic Origins of Life» con Sarah Walker), que sepa, ha sido uno de los editores en dos obras que recopilan ensayos que abordan esta cuestión desde diversas perspectivas (científica, filosófica e incluso teológica) como son «Information and the Nature of Reality» (2010)  (Davies y Gregersen) y «From Matter to Life» (2017) (Walker, Davies, Ellis).

En la primera, en el capítulo con el que contribuye como autor, «Universe from bit» (haciendo referencia al famoso ensayo de John A. Wheeler de 1989 donde acuño la expresión «It from Bit«, que teorizaba, basándose en la una interpetación de la mecánica cuántica, sobre la posibilidad de que la información instanciara a la materia) ya nos hablaba de un cambio de paradigma, donde el esquema de explicación:

Matemáticas –> Física –> Información

pasaría a ser:

Información –> Leyes físicas –> Materia

Siendo la Información la entidad primera y fundamental a partir de la cuál se construye la realidad física

Notas:
Hojeando en una librería me fijé ‘por causalidad’ en el «El dinamismo de la Información en la Naturaleza» (2015) de Angel Guerra y lo compré para ver de qué iba este tema. En él encontré la referencia a esa primera compilación de Davies que analizaba de forma muy interesante y me animé a seguir indagando en esta línea.
En esa obra, A.Guerra habla del concepto «Información Natural» que desarrolla en las dos primeras secciones del libro dentro del ámbito científico (y muy bien, dado el curriculum y conocimientos que muestra del autor) y en la tercera sección nos ofrece su explicación, enlazándola con la doctrina cristiana y dándole un carácter y origen divino.

Por poner un ejemplo desde la filosofía, otro libro que veo con puntos de contacto con la posición de Davies respecto a las carencias del modelo neo-darwinista reduccionista es «La Mente y el Cosmos» (2015) del filósofo Thomas Nagel. Aunque se enfoca más en la aparición de los fenómenos mentales y la conciencia, son cuestiones entrelazadas con el origen y funcionamiento de la vida.
Aunque Davies no hace aserciones categóricas, diría que tanto Nagel como él son muy escépticos sobre una causa divina (claramente el primero), pero también sobre un origen que sea producto puramente del azar físico y la selección natural. Davies habla de la posibilidad de unas leyes del Universo «bio-friendly» y Nagel de una teleología natural.
Hay quienes ven esta crítica al reduccionismo cargada de razón, y otros que no están de acuerdo con ella, algo lógico en una cuestión tan compleja.   

¿Qué me ha parecido el libro?

Como conclusión, me ha gustado mucho el libro aunque por su carácter especulativo donde apunta a principios básicos por descubrir que sugiere, esboza, pero no define completamente aunque sea a nivel de hipótesis tentativa, quedan cuestiones algo inconcretas, como si no estuvieran los argumentos y explicaciones suficientemente hilados.

Parece a veces más un recorrido presentando -de forma muy atractiva- las ideas e investigaciones más novedosas que hay en este enfoque donde la información juega un papel primordial, lo que te causa esa sensación al cerrar el libro de «vaya, aquí han dado con algo, suena muy interesante esta línea de pensamiento/investigación» pero sin que puedas definir más detalladamente de qué se trata como decía anteriormente.

En cualquier caso, todo la información que expone, el original enfoque que da a determinadas cuestiones, el cómo nos hace pensar sobre cuestiones que se hallan sin explicación con nuestro grado actual de conocimientos o los estupendos ejemplos que presenta hacen que sea un libro muy interesante.

Sin ciertos conocimientos previos del lector puede que algunas partes les resulte más difíciles de entender, pero creo que aunque es una lectura exigente para un libro de divulgación, es muy entretenida porque Davies trata de explicar las cosas para un público aficionado a la ciencia lo más general posible.

Última modificación: 09/07/2020

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