Seres vivos

Ensayo sobre biología.

Albert Cardona, 7 de agosto de 2003.

Cualquier ser vivo contemplado como un conjunto de componentes en interacción armoniosa nos deslumbra con su complejidad. Ante el mero pensamiento que su formación se deba al azar la razón se para en seco, asustada; un rápido cálculo intuitivo nos lleva a cifras de improbabilidad demasiado altas. Hay un modo de escapar a tal deslumbramiento: es posible identificar en los sistemas complejos unos elementos que los componen y unas reglas que rigen su interacción. De este modo, la complejidad del todo puede ser diseccionada y sus partes estudiadas individualmente. Sin embargo, la observación atenta de uno de tales elementos muestra que en sí es un sistema complejo, un subsistema también compuesto por unos elementos cuya interacción se rige por unas reglas. Haciendo el ejercicio de recorrer esta jerarquía de sistemas complejos hacia el interior, el conocimiento humano ha podido llegar hasta encontrar unos elementos simples, los cuales no son compuestos de otros elementos más pequeños. En la antigua Grecia se hipotetizó sobre la existencia de tales elementos simples y se los llamó átomos, que significa que no se puede cortar o subdividir. 23 siglos después este grafo fue tomado prestado por un conjunto heterogéneo de investigadores de las entonces llamadas ciencias físicas, que estudiaban los fenónenos observables en el mundo físico y que hoy en día se reparten principalmente la física, la química, la biología y la geología. Tales investigadores describieron, a lo largo de 200 años, las propiedades físico-químicas de cerca de un centenar de átomos. Cuando el cuadro estaba casi completo, la ordenación de los átomos según sus propiedades en una tabla por parte de Mendeleyev abrió la puerta hacia la duda: no sólo se pudieron predecir átomos no descubiertos, los cuales encajarían en los huecos de la tabla periódica, sino que la existencia de relaciones cuantitativas entre los átomos llevaba implícito el compartir propiedades o subeelementos. Todo ello condujo a la descripción del protón, el electrón y el neutrón como componentes de los átomos. Subsiguientes estudios, no finalizados hoy en día, han descrito una colección de partículas subatómicas llamadas quarks de las cuales se componen los protones y neutrones, además de otras como el fotón, la partícula que contiene la fuerza electromagnética. A pesar de la contradicción del término "subatómico", se mantiene el nombre de átomo para denominar elementos compuestos de protones, electrones y neutrones por razones históricas.

Dado que las características de un elemento se deben a las características de sus componentes y las interacciones de éstos, podemos concluir que las propiedades de los seres vivos se fundamentan todas ellas en última instancia en las propiedades de las partículas subatómicas. Sin embargo, un elemento compuesto de subelementos adquiere propiedades que no se deben a ninguno de sus componentes en particular, sino al hecho de la integración de sus componentes, según las reglas que rigen la interacción de los mismos, en una estructura tridimensional o forma. Tal estructura presentará subdominios especializados en funciones determinadas. En general los condicionantes de la arquitectura de los sistemas complejos residen en las posibilidades de combinación de los elementos que lo componen, y determinan sus posibilidades. Si bien ello es evidente en la conformación tridimensional de una proteína, también es cierto en la de un ser humano o en la de la molécula de agua, y se da en cada nivel de integración. Nótese que tal estructura es informativa porque determina las funciones de tal elemento al regir las interacciones del elemento con los demás. Pero vayamos por partes.

Los quarks son elementos simples que se integran en las estructuras que llamamos elementos protón y neutrón. El electrón es en sí un quark. Los quarks son los portadores de las 4 fuerzas fundamentales conocidas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, la fuerza electromagnética y supuestamente la fuerza gravitacional -aunque no se han podido todavía detectar los gravitrones, los quarks predichos de llevar esta última.

Los protones, electrones y neutrones se integran en átomos. Cada átomo se diferencia de los demás por su número de protones, electrones y neutrones. Los protones y neutrones forman un núcleo que representa menos del 0,01 \% del espacio total del átomo. Los electrones se encuentran ordenados en capas a su alrededor. Aunque el número de neutrones puede variar en cada átomo que pertence a un elemento de la tabla periódica, son los protones y electrones quienes determinan en mayor grado las propiedades físico-químicas del átomo, y por ello átomos de igual número de protones y electrones pero de variable número de neutrones -isótopos- se agrupan en un mismo elemento de la tabla periódica.

Los átomos se integran en moléculas. La interacción puede ser covalente y fuerte, compartiendo electrones de sus capas exteriores, o electrostática y débil, por atracción-repulsión de cargas eléctricas. A este nivel ya se puede percibir claramente como la estructura tridimensional de los elementos determina las propiedades del supraelemento. Por ejemplo, la disposición de los electrones y protones en la molécula de agua determina que ésta sea de naturaleza bipolar y por ello pueda establecer enlaces por puentes de hidrógeno (electrostáticas) con otras moléculas, los cuales son instrumentales en la condición líquida del agua y no gaseosa a la temperatura y presión existentes sobre la superficie de la Tierra.

Las moléculas se integran en polímeros. Una molécula se encadena a la siguiente de modo covalente, generando cadenas de distintas longitudes y heterogeneidad. El ácido desoxiribonucleico (ADN) es un polímero formado por 4 elementos, los nucleótidos adenosina, timina, glutamina y citosina. Las proteínas son polímeros formados de 20 elementos distintos, los aminoácidos, los cuales se unen también por enlace covalente. Muy interesantemente, la composición lineal de tanto el ADN como de las proteínas determina su plegado, es decir, su estructura tridimensional. Ello supone la generación de distintos dominios espaciales, cada uno con una función distinta, sea de catálisis de un metabolito en una proteína o de unión a un factor de transcripción en el ADN, por poner dos ejemplos. Dos polímeros más, interesantes para la vida, son los azúcares y los ácidos grasos. Los primeros resultan del encadenado de diferentes azúcares sencillos como la glucosa o la fructosa. Los ácidos grasos son cadenas de carbonos con distintas proporciones de hidrógeno y oxígeno, y componen la grasa y las membranas celulares.

Los polímeros se integran en prebiontes o orgánulos. Un prebionte consiste en aquél conjunto de macromoléculas capaz de replicarse aparte de llevar a cabo alguna función; orgánulo se refiere a lo mismo, sin capacidad de autoreplicación, ocupando un lugar en la célula. Si bien aquí viene a colación de la estructuración de distintos polímeros, en el origen de la vida los prebiontes supusieron el estadio de complejidad previo a la formación de las primeras células. Su invento principal fue el retener en una estructura determinada del ADN -o del ARN- la información necesaria para producir los ARN y/o proteínas requeridas para llevar acabo las funciones de reproducción y demás asociadas. Es decir, aquellos prebiontes que inventaron al azar modos de autoreplicación proliferaron en gran número y coparon todos los recursos, de modo que otros no se pudieron originar al azar como ellos en inicio. De tal modo persistieron en el tiempo. Un ejemplo de combinación de polímeros son los ribosomas, un conjunto de ácidos ribonucleicos (ARN) y proteínas que lleva a cabo la traducción de ARN a proteínas.

Los prebiontes se integran en células. La encapsidación de un grupo de prebiontes capaz de replicarse y de generar los metabolitos necesarios para su subsistencia y funcionamiento dio lugar a la primera célula, o visto de otro modo, una célula se compone de muchos pequeños trozos de maquinaria metabólica cuyo origen pudo ser independiente en la sopa prebiótica. El invento principal de las células fue el compartimentar el funcionamiento de los orgánulos, además de retener sus productos en un espacio limitado.

Las células se integran en organismos pluricelulares. La limitación que supone el concentrar todas las funciones vitales -reproducción, alimentación, eliminación de residuos- en una sola célula se supera con la división del trabajo que se da en los organismos pluricelulares. Cada célula renuncia a su individualidad -ya no es esencial que sobreviva- y se la adjudica al conjunto, al organismo pluricelular, que es ahora quien adopta como un todo las funciones vitales. De este modo encontramos invenciones como la muerte celular programada -apoptosis- como la que se da o se induce en células que no superen ciertos mecanismos internos de autocontrol -el cáncer es una desregulación de ello-, o bien siguiendo un plan en el desarrollo embrionario: las células interdigitales mueren para que los dedos se desarrollen independientes unos de otros. La división del trabajo da lugar a sistemas multicelulares como el digestivo -alimentación-, músculo-esquelético -locomotor-, renal -eliminador de residuos- y reproductor -genitales. Aparte, se inventa el sistema nervioso muy tempranamente en la evolución de los organismos pluricelulares. Éste se ocupa de procesar la información procedente del medio externo y de ordenar actuaciones en consecuencia, ejecutadas por otras partes del organismo.

Hemos llegado al nivel de integración correspondiente a un ser vivo. Tal y como hemos visto, las propiedades de éste resultan no sólo de las propiedades de sus componentes, sino del modo como se relacionan entre sí, es decir, de la estructura que adoptan, la cual permite y prohíbe una serie de funciones que le son características. Una vez llegado al nivel de los prebiontes se inventa la reproducción, la cual es la función principal de los mismos y de los seres vivos, sin la cual no es posible ulteriores desarrollos porque desaparecería el fango sobre el cual la evolución puede explorar nuevas estructuras. La reproducción es el equilibrio entre dos objetivos: uno, el copiar fielmente la estructura presente, y dos, el introducir variaciones de modo que cuando se den cambios en el ambiente existan variantes que puedan sobrevivir. La reproducción sexual es un mecanismo excelente de fusionar ambos objetivos, y consiste en mezclar al azar trozos de ADN que contienen información de eficacia provada provenientes de dos progenitores para formar un número enorme de combinaciones. De este modo, la progenie puede reunir en un sólo organismo propiedades y funciones que se hallaban y se inventaron en dos líneas genéticas parentales diferentes. El mecanismo de mutación permite la modificación al azar de la información genética que se combinará en la reproducción sexual; siempre que se limite a variaciones nada drásticas, porque de lo contrario el organismo no sobrevive. Sin embargo, el mecanismo de mutación es fundamental en generar diversidad -y por tanto en explorar nuevas estructuras que pueden derivar en cualquier cosa entre una innovación clave y una aberración no viable, pasando por estructuras apenas afectadas. La supervivencia de las combinaciones más aptas para el medio ambiente en curso, y/o con la propiedad de encontrarse en el lugar adecuado en el momento adecuado, sobreviven y se reproducen. La selección natural sólo tiene sentido cuando se generan más elementos que los sostenibles por el medio, y por ello consiste en aplicar un filtro de supervivencia a unas combinaciones genéticas en detrimiento de otras. Sólo éstas aportarán su información genética a la generación siguiente.

Sin embargo, la integración de elementos no se para en los seres vivos. Existen todavía más niveles de integración, dando a los seres vivos la categoría de sistemas complejos intermedios.

La integración de los seres vivos que comparten la información hereditaria da lugar a la especie. Con la reproducción sexual, sea de organismos unicelulares o pluricelulares, se genera un grupo de seres vivos que comparten información genética y que deben de reunirse en parejas sexuales -diferenciadas o no- para reproducirse y dar lugar a la siguiente generación. Todos estos organismos se necesitan mutuamente por lo menos para reproducirse, y en muchos casos para sobrevivir. En particular los organismos en los que ha evolucionado un sistema de comunicación (hormigas, abejas, y muchas especies de vertebrados incluyendo los humanos) se ha inventado también la vida en comunidad, permitida por la selección porque les ha reportado ventajas en la supervivencia. Centrándonos en los humanos, éstos han formado sociedades organizadas de individuos que funcionan como un todo, e incluso se reproducen: una parte del grupo emigra a otro lugar y empieza una nueva sociedad local. Con la mejora de las comunicaciones entre las distintas sociedades locales se está llegando en estos momentos -durante los últimos 200 años- a una sociedad global. La sociedad dispone de una serie de leyes que rigen la interacción de sus miembros, las cuales favorecen la existencia del todo versus la de los individuos en particular, dándose una transición equivalente a la de la adquisición de la pluricelularidad. A parte de todo ello, una especie puede originar nuevas especies, tema que no trataré aquí.

La integración de las distintas especies origina los ecosistemas. Cada especie -sus miembros integrantes- se dedica a la explotación de determinados recursos energéticos del medio ambiente que les rodea para sobrevivir. La especialización de una especie en determinados recursos del medio hace que automáticamente deje de competir con otras especies que se especializan en otros recursos del mismo medio, favoreciendo su supervivencia. En un ecosistema encontramos un determinado número de especies, las cuales explota cada una una parte diferente del mismo. Es decir, ocupa un nicho ecológico distinto. Sin embargo todas están interrelacionadas; en los ecosistemas se dan flujos de energía y materia en unas determinadas direcciones -que son aprovechadas y/o provocadas por las especies- y su interrupción puede dañar severamente al ecosistema. Las distintas especies integrantes están interrelacionadas por una cadena trófica -una cadena de alimentación, donde unas especies se alimentan de un recurso y son ellas mismas alimento de otras especies. Un ejemplo puede ser: plantas -> herbívoros -> carnívoros -> carnívoros secundarios -> descomponedores -> plantas. Aunque se llame cadena, es de facto una red donde cada especie es un nódulo. El ecosistema, como un todo, dispone también de mecanismos de regulación para su supervivencia. Por ejemplo, una especie que prolifere más de la cuenta se verá atacada por otra que se alimenta de ella con más facilidad, de modo que se reducirá su número de miembros. Es sin embargo difícil de decir si el ecosistema puede reproducirse; en mi opinión sí, y el elemento encargado de ello son las sociedades humanas. Expongo mi hipótesis.

No existe ningún ecosistema cerrado. Es decir, todos los ecosistemas de la Tierra dependen en cierta medida unos de otros para su existencia, y todos juntos conforman la biosfera. Grosso modo algunos elementos son más productores, más consumidores o más recicladores que otros. Entre todos ellos los humanos, como parte integrante de este ecosistema global que es la biosfera, pueden tener la función de reproducción: por el motivo que sea, hemos decidido viajar al espacio y crear colonias en otros planetas. El hombre no puede vivir en otras condiciones ambientales que no sean las presentes en la Tierra, las cuales son consecuencia directa de la interacción de todos los ecosistemas terrestres. En cuanto el hombre forme una colonia se llevará consigo tales restricciones vitales, puesto que necesitará de agua, de aire, de alimentos y de sistemas de eliminación de residuos. Los sistemas más eficientes a mano -y refinados durante millones de años- son precisamente los demás elementos del ecosistema: las plantas -productores primarios, generadores de alimentos a partir de la luz- y los animales -reguladores del número de plantas y recicladores de sus componentes.

En conclusión, las características de los seres vivos se deben a 1) las características de los elementos indivisibles, los quarks; 2) a la capacidad de integración de éstas en elementos de orden superior, y de éstos en otros, y así sucesivamente; 3) a las estructuras en que se integran los elementos a cada nivel, limitadas por las reglas que rigen la interacción de tales elementos, y que a su vez determinan cómo se relacionará tal estructura con otras del mismo nivel, y 4) a las propiedades emergentes de tales estructuras.

La biosfera, como nivel último de la integración de la materia en la Tierra, tiene propiedades de ser vivo en cuanto que se autoregula y puede reproducirse. Soy de la opinión que los humanos conformamos el capullo de la flor, cuyas semillas se llevará el viento solar hacia el espacio.

Nota: no he sido el primero en tener tales ideas, ni el último. He de hacer notar las influencias de dos libros en particular: