Biología transicional

Comúnmente se piensa que lo vivo y lo inerte son dos categorías absolutamente separadas por un salto claro y decisivo. En realidad, entre ellas hay un continuo que impide a la propia biología tener una definición precisa de lo que es vida. Paulina Pérez Santaella nos explica cómo la ciencia se enfrenta a este problema para estudiar, por ejemplo, bacterias sintéticas, seres extraterrestres, formas de inteligencia artificial y demás formas transicionales de… ¿vida?

Paulina Pérez Santaella

Saber discernir entre lo que está vivo y lo que no lo está es, probablemente, una capacidad que nunca has puesto en duda. Si te pidieran representar tres seres vivos y tres seres inertes dibujarías un perro, una persona y una mariposa. Tal vez una piedra, un cuaderno y un automóvil. Fácil, ¿no? Desde pequeños aprendemos a discriminar objetos animados de inanimados, principalmente basándonos en las propiedades de sus movimientos. A muy temprana edad sabemos que las personas están vivas porque se mueven de una forma peculiar y claramente diferente a lo que hace una pelota que rebota o una puerta que la cierran. Y tardamos un poco más en entender por qué un árbol o un hongo son más vitales que un robot vestido de Rey Mago.

Si bien es fácil explicar por qué un perro está vivo y una piedra no, la cosa se vuelve más complicada cuando descubrimos seres cuyas características disuelven los límites que nuestra experiencia ha establecido entre lo vivo y lo no vivo. El maestro de preescolar que quiera explicar esta diferencia se vería en aprietos si un niño dibujara un virus o un androide. O una interpretación del caldo primigenio de Oparin.

Una definición universal ciertamente ayudaría, un grupo de criterios que nos permitieran establecer con precisión qué está vivo y qué no. Sin embargo, conforme ahondamos en la empresa de construir dicha definición, nos encontramos con problemas cada vez más complejos, los cuales tienen especial relevancia en las áreas de la ciencia que en conjunto llamaremos biología transicional.

Muchas de las definiciones actuales son más bien listas de propiedades. La dificultad con esto es que algunos sistemas vivos no necesariamente poseen todas las características de la lista, y algunos sistemas no vivos poseen muchas particularidades de la misma. Los programas de computadora son capaces de replicarse. La economía presenta maneras de alcanzar homeostasis. Las artes tienen una historia evolutiva. Un organismo vivo puede no crecer, no reproducirse, no evolucionar. Si se toman propiedades de la lista, se encuentra que hay seres que cumplen una, dos, tres, y así sucesivamente, de las propiedades descritas. La lista nos llevaría desde un ser indudablemente no vivo a uno vivo, con un montón de estados transicionales.

Sabemos que la vida se originó por procesos de evolución química no biológica. Si bien no conocemos con exactitud la ruta que lleva de los sistemas químicos biológicamente inertes a las primeras formas de vida en la Tierra es claro que estos procesos son un continuo. Ocurrieron primero sistemas prebióticos con algunas pero no todas las propiedades que asociamos con la vida, y se dieron luego una serie de procesos de transición hacia los primeros organismos bióticos. Nos encontramos con que no podemos establecer un límite determinante entre los sistemas vivos y los inertes.

Imaginemos que acomodamos las características que demarcan a la vida sobre una regla representando una por una las propiedades inherentes a los sistemas vivos. Si graduamos esta regla, el cero convenientemente puesto donde no hay característica alguna y el diez donde el sistema las tiene todas, ¿cuál es el punto mínimo donde podemos tomar a un sistema como vivo? ¿Dos? ¿Cinco? ¿Cuál es el conjunto mínimo de características para considerar vivo a un sistema? Difícil resulta el diferenciar al blanco del negro en una escala que tiene en medio todas las formas de gris.

¿Qué hay de los seres que se encuentran en la transición? La biología (y otras ciencias como la física y la informática) hace tiempo que dejó de tratar solamente con los extremos fácilmente identificables de negro o blanco, y han entrado al juego bacterias ingenierizadas, programas computacionales auto-organizativos y posibles seres extraterrestres. La vida artificial y la biología sintética son buenos ejemplos de áreas de investigación que se ven con frecuencia cara a cara con organismos y sistemas que forman parte de una amplia gama de grises entre el blanco y el negro que son la materia inerte y los sistemas vivos.

La vida artificial amplía la metodología usada por la biología teórica recurre a materiales y entornos alternativos para plantear experimentos, como las simulaciones computacionales y la robótica. Su fundador, C. Langton, explica que la biología se ocupa de la vida tal como es, con lo que se limita a las formas conocidas originadas por la evolución como se ha dado en la Tierra; la vida artificial, en contraste, es un área dedicada a la vida como podría ser. En el área de la vida artificial podemos encontrar temas que versan no sólo sobre la creación de vida, sino con el desarrollo de teorías sobre ésta y los seres vivos, lo que ha originado trabajos tales como la introducción de estrategias naturales en sistemas computacionales, el desarrollo de máquinas con comportamientos adaptativos o la construcción de modelos adecuados para explicar sistemas complejos.

Los organismos vivos se rigen por las mismas leyes físicas y químicas que la materia inerte. No obstante, pueden desarrollar propiedades novedosas por emergencia. Para ampliar un poco la explicación sobre el campo de estudio de la vida artificial, recordemos las olas de los estadios. Una persona sentada en las gradas observa cómo la gente del otro lado del estadio se para y alza los brazos de forma consecutiva. Cuando la ola llega al vecino contiguo, él hace lo mismo. El comportamiento de cada persona (pararse y sentarse) se suma y un nuevo patrón de comportamiento emerge (la ola). Este patrón no puede ser reducido ni explicado tomando aisladamente los elementos constituyentes. Una sola persona que se para y alza los brazos repetidamente en un estadio no nos dice nada -que está un poco loca, tal vez-, pero eso no interesa al fenómeno del que hablamos. Es decir, el estado individual de cada persona no importa tanto como el efecto que cada uno de esos estados tiene en la colectividad. Estos sistemas se reciben el nombre de complejos. Los complejos poseen una estructura interconectada formada por elementos individuales que interactúan para intercambiar la información y modificar sus estados internos. La emergencia de fenómenos globales es posible sin que los detalles materiales del sistema sean del todo relevantes. No nos atañen las características de las personas involucradas, si están locas o no, si son altas, gordas, etcétera, excepto si están paradas o sentadas en un momento dado. Al aplicar este ejemplo a un punto de vista biológico podemos decir que una molécula no hace nada por sí misma, no usa energía del ambiente para producir sus constituyentes, no se desarrolla y no muere (sólo se degrada). Una bacteria, en cambio, es un ser vivo. Posee una membrana con una estructura compleja dentro de la cual ocurren procesos de auto-regulación, consecuencia de la interacción de múltiples componentes moleculares.

La principal tarea de la vida artificial consiste en generar comportamientos a nivel macroscópico que sean interpretables como parecidos a la vida, a partir de componentes microscópicos sencillos que interactúan entre sí. Se basa en el supuesto de que la forma más sencilla de acercarse al estudio de los sistemas complejos: la síntesis. La vida artificial se enfoca en formas de alcanzar emergencia para generar comportamientos cada vez más complejos. Esta es una manera diferente de acercarse al estudio de las propiedades que definen a la vida, pues parece ser más difícil empezar de manifestaciones de vida y tratar de encontrar sus principios fundamentales (análisis), que empezar con simulaciones computacionales y físicas y tratar de construir estos comportamientos (síntesis). La metodología de la vida artificial es reduccionista, porque está dirigido a explicar comportamientos de alto nivel desde causas de bajo nivel.

Una parte interesante de la vida artificial es la robótica adaptativa. Trata de la construcción de robots autónomos que son capaces de adaptarse a cualquier ambiente. Aun sin estar pre-programados pueden reaccionar a una gama de estímulos. Otra es la de mundos artificiales, de la cual la informática se encarga principalmente. Se encuentran programas donde agentes nacen, crecen, se comen unos a otros, se reproducen y mueren. También tratan de reproducir características de los sistemas vivos, como son los modelos ecológicos de depredador-presa.

Aun cuando los modelos para la vida artificial son los seres vivos y su comportamiento, la síntesis permite crear un espectro más amplio y variado de comportamientos. Se basa en la vida como la conocemos y permite ilustrar cómo podría ser. En general, se busca encontrar rasgos universales de la organización viviente, elucidando así cuáles de entre las propiedades de la vida son generales y necesarias y cuáles contingentes, esto es, cuáles de estas características se volverían a dar si rebobináramos la historia del origen de la vida.

La biología sintética, como su nombre lo indica, también basa su metodología en la síntesis. Explicada en una sola frase, se refiere a la aplicación de la ingeniería usando la maquinaria de la célula. Esta ingenierización puede ir desde modificaciones a organismos existentes hasta el diseño de vida de novo. Tres grandes clases de productos se derivan de la biología sintética: las células sintéticas mínimas, capaces de mantenerse y reproducirse por sí mismas y, potencialmente, evolucionar; organismos chasis, que son básicamente genomas con sólo los genes absolutamente necesarios para su supervivencia y que pueden expandirse con genes adicionales para funciones específicas; y máquinas genéticamente ingenierizadas.

Células sintéticas mínimas: A partir de un sistema celular artificial estable, se busca construir un ensamble químico similar a los que ocurren en los organismos vivos. Estos sistemas son llamados células mínimas y consisten de una cantidad mínima de genes, sólo los necesarios para producir únicamente las proteínas indispensables que los capaciten para mantenerse, reproducirse y, potencialmente, evolucionar. Deben tener tres características principales: contención, metabolismo e información. Para la contención, es decir, mantener todos los procesos contenidos dentro de membranas, se usan vesículas similares a la membrana celular. El metabolismo debe ser algún tipo de conversión de energía que dirija procesos catalíticos dentro de la protocélula. La información podría estar proporcionada por un genoma sintético. Se han construido vesículas replicantes, dentro de las cuales diversos tipos de reacciones biológicas tienen lugar. Sin embargo, diversos problemas -como la división celular- deben primero solucionarse para poder afirmar que se ha producido sin duda un organismo sintético.

Organismos chasis y bioingeniería: Se trata de trasplantar genomas mínimos hechos de ADN (Ácido desoxirribonucleico) sintético, dentro de células cuyos genomas han sido removidos. Las células obtenidas serán entonces usadas como chasis dentro de las cuales todo tipo de genes económicamente útiles pueden ser insertados. Recientemente Craig Venter y su equipo han conseguido insertar un genoma sintético, copiado de la bacteria Mycoplasma, dentro de otra bacteria. El objetivo primordial es producir células programables, ir de leer el código genético a escribirlo. Para facilitar el trabajo de «programación» se están armando librerías con diferentes tipos de elementos genéticos estandarizados y otros fragmentos de ADN que controlan la expresión de genes, con lo cual se mejorará la implementación de rutas prediseñadas. Los BioBricks son piezas de ADN cuya función se conoce, y que fungen como dichas partes estandarizadas intercambiables. Al ensamblar juntas estas partes es posible diseñar circuitos genéticos capaces de regular los pasos en rutas metabólicas para la producción de sustancias valiosas dentro de la célula.

Al tratar los temas de la biología sintética, debe tenerse cuidado con no confundir la creación con la manipulación. El trabajo de Venter y compañía ha suscitado comentarios mediáticos apresurados y para muestra, baste leer en Wikipedia la frase con la que se explica dicho trabajo: «(Venter) ha patentado la primera forma de vida creada por el ser humano». Mucho se ha hablado del ADN como el programa de la vida, pues se piensa que todos los atributos biológicos de un organismo están configurados en sus genes y que lo único que se requiere es «correr el programa». Trasplantar un genoma de un organismo a otro es una empresa nada fácil y de gran relevancia, mas no es crear vida. Hacer aseveraciones respecto de los organismos producto de la biología sintética puede llevar a conjeturas erróneas como pensar que la vida es sencillamente reducible a cadenas de ADN y códigos genéticos cuando es consecuencia de una multiplicidad de factores -no sólo genéticos- que interactúan de manera compleja entre sí. La idea de que el código genético es el único principio causal de la vida carece de evidencia científica pues se ha probado que es sólo uno de muchos factores que determinan el fenotipo (la expresión física tangible del genotipo).

 A primera vista resulta sorprendente que la vida, un fenómeno tan relevante, tangible y cotidiano, sea tan escurridiza al intentar definirla. Tras el descubrimiento del ADN y su funcionamiento, se pensó que todos los secretos de la vida nos serían revelados. Ahora sabemos qué lejos estamos de descifrarlos. ¿Es tan sólo cuestión de interpretación sobre el conocimiento ya adquirido o es nuestro conocimiento demasiado corto? Mucho trabajo de investigación en el campo de teórico de la biología hace falta para contestar esta pregunta. No obstante, un gran avance se ha hecho, y es darnos cuenta de que los problemas que nos encontramos al definir la vida son principalmente de origen epistemológico. De gran utilidad sería determinar la jerarquía de las características de la vida, y buscar ampliar el criterio para incluir cualquier forma de vida, incluso aquellas formadas por materiales con los que no estamos familiarizados. Y, ¿si la vida no es un fenómeno discreto, sino más bien algo distribuido de forma homogénea, como un océano viviente? Esta y otras posibilidades muchas veces no se consideran. Los límites de nuestras actuales definiciones de vida sugieren que podríamos no ser capaces de reconocer un organismo extraterrestre.

Pero, ¿es que existe algún criterio que nos permita, de forma inmediata, discriminar entre lo vivo y lo no vivo? La respuesta es no. Al menos no uno que haya alcanzado consenso entre la comunidad científica. Mucho menos existe una definición «universal» de vida que satisfaga tanto a biólogos, como a químicos y filósofos. ¿Es de utilidad trabajar en una definición de vida? Parece no tener aplicación alguna, pues, si bien se carece de ella, la disciplina que se encarga de estudiar a la vida no se ha visto afectada por esta situación. Al parecer, somos capaces de identificar aquellos organismos que están vivos, pero resulta extremadamente difícil poner en palabras qué es lo que tienen en común todos ellos. Al ser la transición de lo no vivo a lo vivo un proceso continuo, una delimitación radical parecería una tarea impráctica e infructuosa. Para muchos biólogos, definir la vida es una cuestión fascinante, aunque principalmente académica. Sin embargo, para las disciplinas de la biología transicional, esta cuestión resulta crucial.

Referencias:

Serhiy A. Tsokolov, «Why is the definition of life so elusive? Epistemological considerations», Astrobiology, volumen 9, número 4, 2009, pp. 401-412.

Aranza Etxeberria, «Vida artificial: bases teóricas y metodología», en Miguel A. Fernández, Vida artificial. Universidad de Castilla La Mancha, 1995, pp. 15-24.

Henk van den Belt, «Playing god in Frankenstein’s footsteps: synthetic biology and the meaning of life», Nanoethics, número 3, 2009, pp. 257-268.

Anna Deplazes y Markus Huppenbauer, «Synthetic organisms and living machines. Positioning the products of synthetic biology at the borderline between living and non-living matter», Systems and Synthetic Biology, número 3, 2009, pp. 55-63.

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Paulina Pérez Santaella (Ciudad de México, 1988) estudia biología en la UNAM, es parte del taller de Biología Sintética en la Facultad de Ciencias y le apasiona la divulgación de la ciencia. Es miembro del consejo editorial de Cuadrivio.