UN CONCEPTO BIOFÍSICO DE VIDA

VIDA Y COSMOS Un enfoque interdisciplinario. J.A. Fernndez (Editor). FHC - UdelaR, Montevideo, 1988

UN CONCEPTO BIOFSICO DE VIDAEduardo Mizraji

En el curso de nuestro siglo, los cientficos construyeron una biologa admirablemente slida, hoy en plena expansin y con lmites no visibles. Esta consolidacin de la ciencia biolgica es, en buena medida, la consecuencia de un postulado, establecido vagamente en la segunda mitad del siglo XIX, y enunciado precisamente por Jacques Loeb en la primera dcada del siglo XX. Este postulado inaugur un concepto biofsico de "vida". Las secuelas de este postulado y las preguntas que hoy en da nos sugiere, sern el tema de esta conferencia.

Vida celularQuien observe la expansin de las formas de vida sobre nuestro planeta quiz advierta en s dos sucesivos sentimientos. Primero, cierta sorpresa admirada ante la variedad de manifestaciones del fenmeno biolgico. Luego, cierto desasosiego al descubrir que tal vez lo ms difcilmente comprensible sea que uno de esos seres vivientes tenga la extraordinaria capacidad de conocer y saber que conoce. Una generalizacin emprica, hasta ahora no refutada, es que cualquier manifestacin biolgica est en ltima instancia basada en la actividad celular. Aun las ms complejas performances psquicas de los seres humanos reposan en complicadas redes de clulas nerviosas. La clula es la unidad funcional que sostiene a los fenmenos biolgicos en todos los niveles de organizacin. Asumiremos, entonces, que buscar las bases del fenmeno biolgico implica comprender el significado de la organizacin celular. Las clulas ocupan un rango de tamao bastante preciso, con un lmite inferior del orden de 0.1 micras y un lmite superior del orden de las 500 micras (si bien hay especializaciones estructurales que extienden este lmite, v.g.: prolongaciones de clulas nerviosas). La clula, alguna vez concebida como una pequea gota de protoplasma informe, se nos ha mostrado como una compleja organizacin. El mundo intracelular y el extracelular estn separados por una membrana con una especial capacidad de seleccin. El ambiente intracelular es un sistema de recintos, anatmicos o funcionales. Estos ambientes de arquitectura elaborada son el escenario de una continua serie de eventos moleculares. Durante la primera mitad de este siglo, la Bioqumica esclareci en buena parte el plan general de estos eventos moleculares. Una precisa administracin de destrucciones moleculares consigue transferir la energa desde los nutrientes (v.g.: azcares), hacia otras molculas que guardan esta energa en sus enlaces qumicos (v.g.: adenosn-trifosfato, ATP). La energa almacenada en molculas como el ATP es variadamente utilizada (v.g.: construccin de macromolculas, mantenimiento de potenciales elctricos a travs de las membranas, generacin de fuerzas mecnicas y movimientos por transductores moleculares, etc.) Todos estos procesos involucrados en la obtencin y la utilizacin de energa ocurren debido a que existen catalizadores macromoleculares relativamente especficos. Estos catalizadores, llamados enzimas, son


responsables de prcticamente todos los eventos moleculares que tienen lugar en la clula viviente. Sin ellos, las reacciones bioqumicas no se realizaran a las temperaturas a las que viven las clulas. Es el sistema de enzimas presente en una regin del medio celular, quien define la organizacin espaciotemporal de las transformaciones moleculares. El orden de los acontecimientos bioqumicos es impuesto por el espectro de actividades enzimticas, que seleccionan trayectorias precisas en la vasta red de las transformaciones moleculares potencialmente realizables. Las enzimas son protenas de peso molecular elevado (rango aproximado: 10.000 -1.000.000), y su especificidad es debida en buena parte a las propiedades geomtricas de los sitios de reconocimiento para sus sustratos. La capacidad cataltica de estas protenas reside en una estructura globular, y a la formacin del sitio activo concurren regiones distantes en la cadena lineal del polmero, pero adyacentes en la cadena plegada. En la segunda mitad de este siglo se consolid la Biologa Molecular, y se avanz considerablemente en el esclarecimiento de los principios que gobiernan el almacenamiento y la transmisin de la informacin gentica. Se demostr el principio de complementariedad de bases nitrogenadas y la estructura doble helicoidal de la molcula de cido desoxirribonucleico (ADN), principal constituyente del material gentico. Se demostr la correspondencia entre regiones de la molcula de ADN y cadenas polipeptdicas (polmeros de aminocidos que una vez plegados constituyen las subunidades proteicas), y se descifr el cdigo gentico, esto es, el conjunto de reglas de correspondencia entre tripletes de bases del ADN y aminocidos. Se encontr que estas reglas de correspondencia son las mismas para todas las especies celulares estudiadas. Se comenz a hablar, entonces, de la universalidad del cdigo, concepto emprico que conserva hoy casi indemne su validez. Los sistemas enzimticos y el sistema gentico tienen una dependencia mutua: las secuencias de aminocidos de las protenas enzimticas estn registradas en la molcula de ADN, y todas las acciones que permiten transcribir y traducir el mensaje grabado en el ADN requieren la preexistencia de enzimas apropiadas. Asimismo, el propio cdigo gentico est "inscripto" en la geometra de los sitios de reconocimiento de las enzimas aminoacil-sintetasas, que establecen la conexin entre los cidos ribonucleicos (ARN) de transferencia y el aminocido correspondiente. El descubrimiento de las protenas alostricas mostr las bases fisicoqumicas de la implementacin de sistemas moleculares de regulacin. En estas protenas alostricas. aparte de los eventuales sitios de unin para sus sustratos, existen otros sitios a los que pueden unirse diversas molculas (los efectores alostricos) que modulan el estado de la protena. Estas protenas alostricas son utilizadas en las clulas en forma extremadamente verstil (por ejemplo, regulando la expresin de los genes, los flujos a travs de vas metablicas, etc.). Hoy sabemos que en las membranas celulares existen complejos dispositivos moleculares como los receptores, las enzimas transportadoras y los canales inicos, en cuya estructura intervienen fundamentalmente protenas. Estos dispositivos de las membranas estn por lo tanto codificados por el sistema gentico de la clula. Casi todas las clulas exhiben un potencial elctrico a travs de sus membranas; las clulas excitables estn diferenciadas de modo de poder generar en sus membranas seales electroqumicas con la capacidad de propagarse hacia clulas vecinas. La existencia de estas seales electroqumicas depende de modo fundamental de ciertas protenas que constituyen los canales inicos. En el sistema nervioso, la informacin se codifica usando abundantemente estas seales electroqumicas. Actualmente, nuestro conocimiento de la biologa celular muestra una acelerada evolucin, y mltiples nuevos tpicos estn desarrollndose en estos ltimos aos. En todo caso, la nocin que seguramente permanecer incambiada es que las clulas de los organismos evolucionados que hoy habitan la Tierra exponen una extremadamente compleja organizacin. "Extremadamente compleja organizacin" quiere decir que estas clulas son muy distintas de los objetos que, en ausencia de sistemas biolgicos, la sola actuacin del azar de los eventos fisicoqumicos parece poder construir.


Un organismo autnomo puede estar constituido por una sola clula (por ejemplo, bacterias o protozoarios), mientras que en otros organismos las clulas se asocian y se especializan. En los seres multicelulares, la individualidad celular se pone al servicio de una individualidad que la excede. Los virus, objetos casi cristalinos dotados de un sistema gentico constituido por ADN o ARN y de un envoltorio estructurado por un conjunto de protenas, son parsitos intracelulares carentes de autonoma; slo pueden reproducirse utilizando la maquinaria bioqumica de las clulas en las que se introducen. Es interesante notar que para que una clula sea invadida por un virus, suele ser necesario que la clula disponga en su membrana de ciertas protenas capaces de "recibir" a ese virus. Quiz la discusin sobre si los virus son seres vivos repose sobre una cuestin de definicin. En todo caso, el sistema constituido por un virus ms la clula a la que invade, es un nuevo objeto biolgico con propiedades particulares. Pueden los sistemas biolgicos ser incorporados con naturalidad a una visin unitaria del universo fsico? Trataremos de ver, en lo que sigue, que el "s" desafiante con que se contest por los fines del siglo XIX a este tipo de pregunta. sigue estable (y desafindonos?) un siglo despus.

Mecnica biolgica y eslabones perdidosEn la introduccin de un libro hoy casi olvidado, "La dinmica de los fenmenos de la vida", publicado en 1906 por el bilogo alemn Jacques Loeb, leemos: "En las lecciones que siguen, consideraremos a los seres vivos como mquinas qumicas, compuestas esencialmente de materias coloidales, y que poseen la propiedad de desarrollarse, mantenerse y reproducirse automticamente''. Y luego Loeb aade: ''Nada impide suponer que las ciencias experimentales puedan lograr un da producir artificialmente mquinas vivientes." El trnsito entre el siglo XIX y el siglo XX fue el escenario de una intensa confrontacin ideolgica entre los bilogos. Segn el dualismo predominante, los objetos del mundo fsico slo podan devenir objetos del mundo de lo viviente al ser embebidos por una suerte de fluido particular que los "animara". Desde esta postura, todo esfuerzo para entender el fenmeno biolgico slo utilizando leyes de la fsica y de la qumica era estril pues evitaba la bsqueda de lo esencial. Los fluidos y los campos vitales por un lado, ms los objetos de la fsica y de la qumica por el otro, eran las dos realidades naturales de cuya interaccin surgiran las explicaciones cientficas valederas. Y, surgiran tambin con base cientfica indiscutible algunos corolarios, como la independencia del espritu de la materia (no lo recproco), y la inmortalidad del alma. Lo que para los dualistas eran los caminos hacia el fracaso, eran para los monistas las nicas vas hacia el triunfo. Los monistas exigan explicaciones unitarias. A partir del esfuerzo y el entusiasmo a veces desaforado de hombres como Ernst Haeckel, Thomas Henry Huxley, Wilhelm Roux y Jacques Loeb, se consolid en el campo biolgico una ideologa monista pragmtica. Estos monistas, al revs que los dualistas, crean que cualquier esfuerzo para buscar entender el fenmeno biolgico slo deba utilizar las leyes de la qumica y de la fsica. El concepto biofsico de vida enunciado por Loeb y transcripto previamente, el libro que lo enuncia, el propio Loeb, estn hoy oscurecidos en la memoria de los cientficos por un tipo de olvido singular: el olvido por el hbito. Tantas son las veces en que este concepto se ha mostrado consistente y frtil, que estos postulados quedaron fuera del campo de la conciencia para buena parte de la comunidad de bilogos, as como con el hbito quedan fuera de la conciencia muchos de los actos mecnicos de un conductor de automvil, actos a veces aprendidos con dificultad y aprehensin.


Fig. 1 Portada de la edicin espaola de la Historia de la Creacin de Haeckel.


Es la evolucin (y la expansin) de la ideologa postulada por estos monistas, y talentosamente canalizada por Loeb, la responsable del vasto panorama que hoy tenemos de la vida celular. La Bioqumica de los aos 30, la Biologa Molecular de los aos 50, la Biologa Celular de los aos 80, son secuelas del dogma mecanicista del que Loeb se hizo eco en su enunciado de 1906. En 1918 Loeb fund el Journal of General Physiology, revista militante que public algunos de los ms importantes trabajos sobre fisicoqumica biolgica durante los aos 20, y que en nuestros das vuelve a florecer con la eclosin de las investigaciones sobre canales inicos. En Buenos Aires, Jos Ingenieros public un libro extraordinario, "Principios de Psicologa", cuya primera edicin es de 1911. Hombre de la misma estirpe apasionada de los Haeckel y los Loeb, y fuertemente influenciado por el enfoque termodinmico de W. Ostwald, Ingenieros establece las bases para un potencial desarrollo de una psicologa biolgica, donde las funciones mentales surgieran como un corolario natural de la evolucin de la materia ante condiciones fisicoqumicas cambiantes. Ledo en los aos 80, la profundidad y la actualidad conceptual del libro de Ingenieros no puede no sorprender. El concepto biofsico de vida, que dio cuenta de buena parte de los acontecimientos de la biologa celular, no se haba mostrado an eficaz ante el enigma de los fenmenos mentales. En la hora actual se estn realizado avances notables en nuestra comprensin de la dinmica de las redes neurales biolgicas. Las ideas representadas por Ingenieros, secuela inmediata de las ideas representadas por Loeb, tras varias dcadas de vida suspendida, comienzan a moverse y a mostrarse irrefrenables. El concepto mecanicista ha sido interminablemente ridiculizado por sus muchos desbordes y sus muchos errores. La apasionante historia del Bathybius haeckelii es la crnica de un gran error basado en una gran idea. Ernst Haeckel fue un hombre con una poderosa inteligencia y un anhelo apasionado de visiones unitarias. Zologo experto en organismos microscpicos, fue uno de los ms eficaces difusores, junto con su amigo Thomas Huxley, de las ideas evolucionistas de Charles Darwin. Su enunciado de la "ley biogentica fundamental" o ley de la recapitulacin ("la ontogenia es una repeticin, una recapitulacin breve y rpida de la filogenia, en conformidad a las leyes de la herencia y la adaptacin"), enunciado imperfecto, corregible y en parte corregido, ha enfatizado un enigma que todava espera ser resuelto. Basta para describir la pasin y el estilo de Haeckel, el titulo de un libro que public en 1868: "Historia de la creacin de los seres organizados segn las leyes naturales" (vase la Fig.1). Una necesidad terica en el marco materialista y mecanicista de Haeckel, era la existencia de formas celulares primigenias, que seran la exacta frontera entre lo inanimado y lo viviente. Estas clulas hipotticas fueron llamadas por Haeckel "mneras". Las mneras seran volmenes mnimos de protoplasma con capacidad de reproducirse, pero tambin capaces de organizarse por generacin espontnea a partir de la materia inerte. Encontrar estas clulas primitivas se volvi un desafo para muchos naturalistas de la poca. Por el ao 1857, durante los sondeos preparatorios del tendido de un cable submarino, los tripulantes de la nave "Cyclops" extrajeron del fondo del ocano Atlntico una sustancia viscosa de aspecto no familiar. Muestras de esta sustancia fueron llevadas a Inglaterra. Aos ms tarde. Huxley reexamina las muestras y poco despus publica, en una prestigiosa revista cientfica de la poca, la descripcin de la primera mnera. Propone para esta mnera el nombre Bathybius haeckelii, en homenaje a su amigo e inspirador. Haeckel comparti con Huxley el entusiasmo por el hallazgo de este eslabn perdido, y con cientfica naturalidad lo describe en las pginas de su "Historia de la creacin" (Fig.2). Algn tiempo despus, en el laboratorio de qumica del buque "Challenger", Buchanan reexamin la composicin qumica del Bathybius y no consigui encontrar compuestos orgnicos. El Bathybius, gel de sales minerales, se desplom. Huxley acept su error con su elegancia habitual, y su prestigio cientfico permaneci intocado. Las mneras de Haeckel esperan todava hoy ser encontradas.


Fig. 2 - Imagen del Bathybius. En la leyenda correspondiente en la Historia de la Creacin se lee:Bathybius Haeckeli, u organismo protoplasmtico que vive en el mar a grandes profundidades. La figura representa, con un gran aumento, la red protoplsmica desnuda sin los disclitos y los cyatlitos encontrados en otras moneras y que son probablemente producto de excrecin. Otra situacin famosa nos fue dada por el bilogo francs Stphane Leduc, quien sinti que los fenmenos osmticos eran el fundamento explicativo de los procesos de crecimiento, morfognesis y reproduccin de los organismos vivientes. Muchos aos de experimentacin lo llevaron a producir con sistemas artificiales que combinaban semipermeabilidad, difusin y precipitacin, formas muy similares a las de diversos sistemas y procesos biolgicos: crecimiento de hongos, patrones de segmentacin de artrpodos, movimientos cromosmicos, etc. A tal nivel de fama llegaron los experimentos de Leduc, que un libro serio y riguroso como la "Fisiologa General" de Eric Ponder, escrito por los aos 20, reproduce sus hermosas imgenes de "divisin mittica artificial". El futuro mostr que los procesos de crecimiento y divisin celular operaban segn mecanismos diferentes de los asumidos por Leduc. (Relatos detallados y documentados sobre el episodio del Bathybius y sobre la historia de las imgenes osmticas de Leduc se encuentran en el libro "Le petit savant illustr" de Pierre Thuillier, Seuil, 1980). La evolucin de nuestro sistema cultural nos muestra que los grandes errores de los cientficos monistas coexistieron con sus harto ms grandes aciertos, y que en buena parte nuestra poca es obra de ellos. Pero el desafo de entender con precisin operacional qu cosa es un sistema biolgico an subsiste. Puede existir alguna condicin fsica que permita una demarcacin exacta entre lo inerte y lo viviente?

Los umbrales de complejidadHoy creemos entender que un sistema biolgico es un objeto sometido a dos necesarias "obligaciones": la obligacin termodinmica y la obligacin ciberntica. La obligacin termodinmica consiste en ser un sistema abierto generador de estructuras macromoleculares ordenadas. El resultado de todo el dispositivo gentico-bioqumico de una clula es la creacin de condiciones aptas para el cumplimiento de esta obligacin. La evolucin de nuestra comprensin de la termodinmica durante este siglo, no ha hecho otra cosa que confirmar la consistencia termodinmica de los objetos vivientes. Nada encontramos en un ser vivo que no resulte de un sometimiento estricto a los postulados termodinmicos. Toda la sutileza de la bioqumica celular representa una sofisticada estrategia de administracin de las tendencias a la desorganizacin que el segundo principio de la termodinmica prev. Las fluctuaciones trmicas determinan que los sistemas macromoleculares ordenados de la clula estn condenados a la desorganizacin y ulterior destruccin. El estado ms o menos estacionario que en una


escala de tiempo corta exhibe un ser vivo, es el resultado de una sustitucin continua de las prdidas. En este contexto, esta sustitucin es la razn de ser de la bioqumica celular. La obligacin ciberntica consiste en tener sistemas de regulacin capaces de mantener a las variables esenciales del organismo dentro del dominio de estabilidad. En los organismos actuales, el cumplimiento de la obligacin ciberntica impone diferentes niveles de regulacin. Por ejemplo, las diversas partes de un mamfero complejo como el ser humano tienen distintos grados de tolerancia a la falta de oxgeno: en el sistema nervioso central, la corteza cerebral es sumamente sensible a la falta de oxgeno y muere a los pocos minutos de anoxia; en cambio tegumentos como la piel, toleran una anoxia ms prolongada. Esto determina que el flujo de sangre en el cerebro sea para el organismo una variable ms relevante que el flujo de sangre en la piel. La Fisiologa, ciencia de los grandes sistemas de regulacin, muestra que estos sistemas de regulacin se focalizan sobre ciertas variables esenciales. El conjunto de variables esenciales define una especie de espacio multidimensional en el cual hay un volumen crtico, el dominio de estabilidad. Si el punto multidimensional que define el estado del conjunto de variables esenciales sale de este volumen, entonces el sistema ingresa en un proceso de inestabilidad. Este proceso librado a s mismo conduce a la muerte. Los sistemas de regulacin de la fisiologa propenden a mantener a las variables esenciales dentro de su regin de estabilidad. Las ideas bsicas sobre estabilidad de los sistemas biolgicos estn trazadas por el pensamiento de Claude Bernard, Walter Cannon y William Ross Ashby. Por 1950, Ashby desarroll la nocin de sistema ultraestable, y estableci condiciones que presumiblemente deben ser satisfechas por los sistemas complejos capaces de regular variables esenciales. Ahora bien, cules son las condiciones mnimas de existencia de un sistema capaz de cumplir con las dos obligaciones mencionadas? No lo sabemos. El ms pequeo de los organismos actualmente conocidos es el micoplasma PPLO (pleuro-pneumonia-like-organism). Se trata de un organismo unicelular y su tamao es de unas 0.1 micras. Esta clula carece de ncleo, pero dispone de sistemas enzimticos y de un genoma construido sobre cidos nucleicos, anlogos a los de las clulas ms complejas. Una cuestin importante es la de si esa especie de simbiosis que muestran las clulas contemporneas entre el sistema gentico y los sistemas enzimticos, es parte de las condiciones mnimas para la existencia de un sistema biolgico. En este campo de reflexin, estimulante y ambiguo, surgi en los ltimos aos un elemento inesperado al descubrirse las capacidades catalticas de los cidos ribonucleicos. Estas capacidades catalticas del ARN fueron detectadas por el grupo de Cech al descubrir la autoexcisin de intrones, y hasta ahora permanece circunscrita a un mbito limitado. Sin embargo concentr la atencin sobre el ARN como candidato a molcula biolgica primigenia, a la vez potencialmente dotada de poder cataltico y portadora de informacin. Una idea recurrente es que podra existir un sistema con capacidades metablicas y sin genoma. Este sistema sera un recinto permeable a pequeas molculas y contendra polmeros capaces de catalizar la sntesis de otros polmeros a partir de molculas ms pequeas que difunden desde el entorno. En un estudio sobre la mecnica estadstica del plegamiento de polmeros lineales. P.G. de Gennes investig por 1969 la probabilidad de obtener conformaciones en las que regiones distantes en la cadena lineal, queden adyacentes en la cadena plegada. Encontr que la probabilidad de existencia de estas conformaciones "exitosas" (la adyacencia de regiones es un requisito para las capacidades catalticas verstiles de los catalizadores biolgicos) dependa de forma muy singular de la longitud de la cadena entre las regiones consideradas. De Gennes encontr que exista una longitud crtica en la que esta probabilidad pasaba bruscamente desde casi cero hasta casi uno. Es esperable, entonces, que sea a partir de una longitud crtica para el polmero total, que aparezcan propiedades catalticas interesantes. Esto requiere la preexistencia de un mecanismo de sntesis de polmeros suficientemente complejo como para superar la longitud crtica. Imaginemos un polmero relativamente largo y que haya sido construido por una sucesin de eventos catalticos operando, por un lado, sobre los polmeros incompletos, y por otro lado, sobre los monmeros presentes en el ambiente. Supongamos que los catalizadores son, a su vez, polmeros. Entonces, por cada


polmero existente, hay un conjunto de polmeros responsables de su sntesis. Recientemente, autores como Freeman Dyson y Stuart Kauffman han desarrollado modelos matemticos para la dinmica de conjuntos de polmeros con autonoma de sntesis. Estos conjuntos de polmeros definen una red metablica mnima. Podemos imaginar un cierto umbral de complejidad del sistema, a partir del cual el conjunto de polmeros responsable de la sntesis de un polmero dado, es un subconjunto del total. Es decir, cada polmero tiene entre sus vecinos a los responsables de su propia sntesis. Los modelos de redes metablicas publicados por Dyson y Kauffman entre 1982 y 1986, presentan casi idnticas propiedades dinmicas que los modelos estudiados por von Neumann en los 50 sobre computacin fiable con componentes no fiables, y los modelos estudiados por Ashby, von Foerster y Walker en los 60 sobre redes neurales. En este tipo de modelo, se investiga la dependencia de una variable h(T+1) evaluada en un instante (T+1), del valor de esa misma variable h(T) evaluada en el instante previo T. El tiempo se asume como una variable discreta; la funcin h(x) es una frecuencia relativa (o densidad) y su valor est entre 0 y 1. En nuestro caso, h(T) representa la densidad de polmeros catalticos en el interior de una clula elemental y en el instante T. En casos en que la dependencia funcional h(T+1) = F[h(T)] es sigmoidea, se demuestra que los estados h=0 y h=1 son estacionarios y estables, y que existe un estado estacionario intermedio h=u inestable (Fig. 3). Este valor u representa un "umbral de activacin" tal que un sistema de polmeros cuya densidad de polmeros catalticos supere a u, evolucionar construyendo los polmeros que faltan y alcanzar el estado h=1, de completa autosuficiencia cataltica.

Fig. 3 - Grfico superior: Comportamiento dinmico de dos redes metablicas con curvas en S (osigmoideas); la curva b corresponde a una red ms evolucionada que la a. Grfico inferior: Evolucin temporal de una red metablica para distintas condiciones iniciales.


En cambio, si la densidad es inferior a u, los polmeros catalticos, sujetos a las perturbaciones termoqumicas que estropean polmeros individuales, no podrn reponer las prdidas y su densidad disminuir hasta h=0. El valor del umbral u depende del numero promedio de actos de catlisis necesarios para sintetizar un polmero cataltico. En este marco interpretativo, de modo anlogo a lo que sugieren Dyson y Kauffman en sus modelos, "vida" y "muerte" pueden ser asimilables a los estados h=1 y h=0 respectivamente. Para estas clulas elementales e hipotticas, la condicin de demarcacin entre estado viviente y estado muerto existe. Todo depende de que la densidad h est por encima o por debajo del umbral de complejidad u. En una clula contempornea. los sistemas catalticos utilizan una codificacin estricta de su estructura va ADN, ARN, y enzimas accesorias. En estas clulas modernas, el umbral de complejidad u debe ser muy cercano a 1, lo que implica una clara irreversibilidad estadstica de la muerte celular (una discusin profunda sobre esto puede encontrarse en el libro de Freeman Dyson "Origins of Life", Cambridge Universty Press, 1985). El genoma representa una especie de memoria que, entre otras cosas, retiene y codifica conformaciones exitosas de polmeros catalticos. A su turno, estos polmeros catalticos definen una precisa modalidad de acontecimientos espacio-temporales. En la visin de algunos investigadores, el genoma podra ser una adquisicin evolutiva tarda, quiz resultado de una simbiosis feliz. Casi nada sabemos an sobre cmo esta especie de memoria se instal, y por ah subsisten algunos de los ms importantes y profundos enigmas de nuestro tiempo. Querra permitirme aqu una conjetura que, hasta donde alcanza mi conocimiento, no ha sido an explorada. Supongamos que existen polmeros catalticos no muy eficaces ni muy especficos. Imaginemos ahora que en presencia de ciertos efectores moleculares pequeos, estos catalizadores aumentan su eficacia cataltica y se vuelven muy especficos. Estos efectores podran complementar directamente la capacidad cataltica del sitio activo, o podran actuar como efectores alostricos. En este ultimo caso, el polmero podra estar asociado a otra subunidad polimrica, y poseer varios estados conformacionales estables. En estas condiciones, la sucesin de etapas catalticas C1, C2,..., C n, que conduce a la construccin de un nuevo polmero cataltico, podra ser promovida por una sucesin de efectores F1, F2 ,..., Fn actuando sobre un sistema de catalizadores poco especficos (o sobre un catalizador nico). La consolidacin fsica (v.g.: por uniones covalentes) de una sucesin de efectores puede conducir a una estructura polimrica F1'- F 2'- (...) - Fn' que retiene (memoriza) la configuracin temporal de los actos catalticos que conducen a un polmero dado. Estos efectores consolidados, podran ser el germen de un genoma. Existen complejidades mximas? Quiz la respuesta sea afirmativa. Los experimentos numricos de Ashby sobre estabilidad de sistemas ricamente conectados, muestran que en los casos estudiados hay un nivel de conectividad a partir del cual la probabilidad de logro de sistemas estables cae bruscamente desde valores cercanos a uno a casi cero. Estos resultados han conducido a pensar que el enriquecimiento en complejidad quiz necesite la particin del sistema en subsistemas estables (el biometrista francs Eugene Schreider lleg a conclusiones similares estudiando experimentalmente correlaciones estadsticas entre variables fisiolgicas en el individuo humano). Posiblemente el tamao mximo alcanzable por una clula sea impuesto, de una manera que an no conseguimos entender, por la relacin conectividad-estabilidad.


ConclusinQu abismos de inteligencia y de emocin la Vida ser capaz de encontrar en el laberinto de sus azarosos avatares? Ts'ui Pen

Los sistemas biolgicos son grandes generadores de variedad y poco podemos decir sobre su futuro no inmediato. La evolucin es el resultado de un dilatado juego en que se responde con estrategias adaptativas a la variedad de perturbaciones que opone el ambiente. Como dice Monod, la evolucin no es una ley, es un fenmeno. Su resultado puede ser una maravilla pero tambin una catstrofe. Teorizando sobre los orgenes de la vida. Cairns-Smith postul la idea de la sustitucin gentica ("genetic takeover"), segn la cual los genomas actuales, construidos sobre cidos nucleicos, provendran de otra clase de genoma constituido por estructuras minerales. La singular evolucin de nuestra cultura y nuestra tecnologa ha conducido a varios autores a imaginar que estamos ante las puertas de una nueva sustitucin: la sustitucin cognitiva. Posiblemente est ya estructurndose un futuro organismo, por la simbiosis funcional del hombre con sus artefactos. Quiz nuestros computadores de hoy terminen conformando maana una especie de genoma informtico que gue y controle la construccin de individuos humanos. O quiz los humanos prefieran excluirse de detalles tediosos de los procesos industriales y cientficos, y por consiguiente decidan extremar la autonoma de sus mquinas. Entonces tal vez consigan fabricar objetos que sean, en casi todos los campos de la accin, ms rpidos, ms fiables, y capaces de decisiones ms eficaces que los operadores humanos. En este marco de propsitos casi seguramente se logre que estas mquinas exhiban cierta autonoma reproductiva. Podrn estos objetos elaborar un sistema cognitivo ms performante que el nuestro? Podrn, en algn momento, descartarnos? Pero tambin puede ocurrir que en algn rincn imprevisto, un desapercibido ser viviente est aguardando, sin poder sospecharlo, que llegue la hora de su despliegue evolutivo. Y bien sabemos que no es imposible que a este ser marginal le sea dado heredar un mundo devastado por hombres y mquinas demasiado inteligentes.


Discusin

P: Cmo se explica el hecho de que si en el Universo la entropa aumenta, en los seres biolgicos ella disminuye? R: Quiz se debera comenzar recomendando cierta cautela respecto a estas cuestiones. Creo que no sabemos medir la entropa de un ser viviente, no sabemos cmo definir la entropa de una cosa tan complicada. Creemos que todo lo que ocurre en un ser viviente es exergnico, esto es, ocurre en el sentido de la reduccin de la energa libre. Sabemos que la entropa de un subsistema inmerso en un sistema ms extenso, puede reducirse a expensas de un aumento de la entropa del entorno. Se suele aceptar que un objeto biolgico puede reducir su entropa pero que al hacerlo, provoca un aumento de la entropa en su alrededor tal que en el balance hay un aumento total. Sin embargo, en la aplicacin cuantitativa de la termodinmica a situaciones muy alejadas del equilibrio, como es el caso de los sistemas biolgicos, hay cuestiones muy bsicas que no estn del todo resueltas. Por ejemplo, no nos es claro si las funciones termodinmicas clsicas, entropa, energas libres de Gibbs y de Helmholtz, etc., son las funciones apropiadas para nuestra situaciones. Todas estas funciones fueron definidas para el equilibrio, y su extensin fuera de este dominio de definicin involucra algunos riesgos. Quiero enfatizar que no se discuten los postulados de la termodinmica. Lo que no es claro es si ciertas funciones matemticas definidas para situaciones de equilibrio y heredadas de una poca en que el problema era entender a las mquinas de vapor, son las apropiadas para atacar problemas planteados por los sistemas bioqumicos. P: Hay trabajos experimentales sobre construccin de clulas elementales? R: S. en particular el grupo de Sidney Fox, de la Universidad de Miami, ha trabajado extensamente en la construccin en el laboratorio de microesferas limitadas por membranas lipdicas y conteniendo polipptidos artificiales con poder cataltico. P: Cul es la excepcin a la universalidad del cdigo gentico? R: La primera encontrada fue en el cdigo del ADN mitocondrial. donde algunos tripletes no correspondan al cdigo "universal". P: Seria factible provocar perturbaciones en catalizadores inactivos, de modo de llevarlos a activos, y provocar la resurreccin de una clula elemental? R: En el marco de los modelos elementales discutidos, s. Pero probablemente esa capacidad de resurreccin dejara de ser prcticamente factible en cuanto el sistema pasara a ser suficientemente complejo como para ser interesante. P: A la luz de la concepcin de la arquitectura celular segn los actuales conocimientos, cmo se concibe la estructura y la funcin de la clula cancerosa? R: En este asunto seguimos lejos de entender las cosas como desearamos. Y yo s muy poco sobre este tema tan importante. Quiz las novedades estn en el dominio de los oncogenes. Se descubri que genes que existan en virus responsables de la transformacin cancerosa de ciertas clulas, existan tambin en clulas normales. Segn parece, en las clulas normales, estos oncogenes son responsables de la fabricacin de ciertas protenas que la clula utiliza en sus procesos fisiolgicos. Se piensa que el mecanismo de la transformacin maligna podra estar vinculado con perturbaciones en la regulacin de este tipo de gene. En todas estas cosas estn trabajando laboratorios de primera lnea, y esperemos que pronto surjan novedades.

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