Podemos explicar los sólidos, líquidos y gases—, pero cómo la materia no viva se autoensambla en la vida sigue siendo uno de los grandes misterios de la ciencia.
Las ciencias naturales dividen la naturaleza en disciplinas de física, química y biología. Se trata de una división pragmática que permite un estudio científico más eficaz del carácter jerárquico y diverso de la naturaleza. Pero a medida que avanza el conocimiento, estas islas de estudio separadas deberían eventualmente fusionarse y, de hecho, en física y química, esa coalescencia se ha producido. Después de todo, la naturaleza era y sigue siendo un todo unificado.
Sin embargo, el estatus de la biología sigue siendo científicamente incómodo.
Aunque la cuestión a menudo queda marginada, un profundo abismo conceptual continúa separando las ciencias físicas y biológicas. Los científicos naturales invariablemente coinciden en que las entidades biológicas, por decirlo coloquialmente, están hechas únicamente de material físico y químico. El vitalismo, la visión de que los organismos vivos están gobernados por una “fuerza vital”, fue derrotado en gran medida a principios del siglo XX. Como lo expresó hace algunos años Ernst Mayr, el biólogo evolutivo de Harvard, “ningún biólogo vivo hoy querría ser clasificado como vitalista”
Y, sin embargo, la sorprendente desconexión entre lo vivo y lo no vivo es obvia incluso para un niño: los perros de juguete y los reales se comportan de manera muy diferente. ¿Cuál es la base física de la vida “vivacidad”, esa cualidad intangible que de alguna manera emana de la intrincada red de procesos físicos y químicos de la vida? ¿Y qué pasa cuando la muerte desplaza la vida — cuando la química especial que sustenta “la vitalidad” desaparece abruptamente y la química “regular” toma el control? ¿Cómo se pueden entender estas diferencias químicas?
La física y la química siguen luchando por superar esa brecha conceptual. Y los biólogos, al verse abandonados por sus colegas físicos, tomaron la única opción que aparentemente tenían a su disposición: seguir con un enfoque biológico. Se estableció un enfoque “autonomía de la biología” de la disciplina, desarrollado principalmente por Ernst Mayr, que tendía a dejar de lado las contradicciones inherentes a la visión fisicalista de la vida.
Pero tal situación es claramente insatisfactoria. Aquí tenemos dos grandes ciencias, la física y la biología, cada una anclada en la realidad material, irrevocablemente unidas por la cadera, pero intrínsecamente incompatibles. Uno recuerda a los dos compañeros de piso que no coinciden en la obra de Neil Simon “La extraña pareja”, que no pueden separarse pero tampoco pueden vivir juntos. Y las tensiones entre las disciplinas (junto con sus respectivos científicos) van más allá del famoso peyorativo de Lord Rutherford de que en ciencia “hay física y coleccionismo de sellos” la biología queda relegada altivamente a esta última categoría.
Por supuesto, hay muchos puntos de acuerdo entre ambas ciencias. Incluso las parejas que se pelean están de acuerdo en algunas cosas. Ambas ciencias reconocen que el mundo material, tanto vivo como no vivo, está formado por los mismos componentes atómicos fundamentales. Ambas ciencias reconocen que los átomos pueden unirse de multitud de maneras para formar una matriz casi infinita de moléculas posibles. Y ambas ciencias coinciden en que las moléculas pueden autoensamblarse para generar “cosas” Pero a partir de ese momento se hacen evidentes diferencias dramáticas.
Consideremos el autoensamblaje, un fenómeno común tanto en el mundo físico como en el biológico. Los materiales físicos se ensamblan rutinariamente en formas sin vida, como cristales o rocas amorfas. Pero en circunstancias únicas, también puede autoensamblarse en formas vivas, como bacterias, pájaros y abejas.
La diferencia entre esos dos tipos de autoensamblaje no es menos que asombrosa. En el mundo no vivo, cuando una solución de, digamos, sal de mesa normal (cloruro de sodio) se satura, en el momento en que se forma un microcristal, invisible a simple vista, ese microcristal atrae más iones de sodio y cloruro presentes en la solución, y el microcristal crece. Cada ion encaja en su lugar según leyes físicas, particularmente la Segunda Ley de la Termodinámica, lo que lleva a la formación de una red cristalina tridimensional altamente ordenada. La formación de cristales también es consistente con la Segunda Ley. El proceso libera energía térmica (que genera entropía), superando así la directiva competitiva de la Segunda Ley hacia un mayor desorden.
Un copo de nieve es otro ejemplo de ese tipo de autoensamblaje. Una imagen ampliada de un copo de nieve revela estructuras exquisitas con una simetría notable. Estas estructuras demuestran que la naturaleza puede dirigir procesos con extraordinaria precisión.
Pero luego está el autoensamblaje biológico, como se refleja, por ejemplo, en el proceso llamado ontogenia. Aquí, un óvulo fertilizado, similar en tamaño al microcristal del experimento de cristalización, crece con el tiempo. Atrae material del entorno, al igual que ese microcristal, pero en este caso crece hasta convertirse en un embrión y, finalmente, en un adulto, ya sea un humano, una rana o una mariposa. Esa transformación está claramente dirigida, tal como lo está la formación de copos de nieve. Pero aquí el autoensamblaje se produce de una manera deslumbrantemente inverosímil.
Ese minúsculo agregado unicelular, a través del ensamblaje continuo, eventualmente se convierte en miles de millones de células diferenciadas que forman los órganos del organismo particular que representa — corazones, riñones, ojos, oídos, huesos y extremidades. Y dependiendo de las estructuras moleculares detalladas de varias moléculas dentro de esa estructura celular primaria, el resultado morfológico final de ese proceso de ensamblaje está en gran medida predeterminado y puede diferir dramáticamente, dando como resultado la aparición de un humano, una rana o una mariposa.
Tenemos dos grandes ciencias, la física y la biología, irrevocablemente unidas por la cadera, pero intrínsecamente incompatibles.
En términos generales, entonces, vemos ante nosotros dos tipos de autoensamblaje. En ambos casos, los inicios se pueden encontrar en un agregado microscópico, pero el autoensamblaje resultante es inconfundible. Se diferencian en su forma, física, cualidades fenomenológicas y diversidad. Lo más importante es que un agregado está vivo; el otro no.
¿Qué hace que el autoensamblaje siga caminos materiales tan claramente diferentes? Una vez más, la ciencia actualmente no ofrece una respuesta clara.
Cuando se trata del autoensamblaje biológico, permanecemos muy a oscuras. Lo que la naturaleza hace de manera rutinaria, deliberada y con exquisita precisión, ni siquiera podemos empezar a imitarlo. No tenemos idea de cómo tomar una solución de los componentes básicos establecidos de la vida — proteínas, ácidos nucleicos, azúcares, lípidos, algunos iones metálicos y similares, obtenidos de alguna manera, por ejemplo, extrayéndolos de células muertas — y lograr que se vuelvan a ensamblar de la manera biológica para construir un ser vivo. En realidad, el autoensamblaje de esas biomoléculas puede hacerloserá inducido, pero no será autoensamblaje biológico, como se observa durante la ontogenia. En cambio, será un autoensamblaje físico regular, como se observa en la formación de hielo o sal. Conducirá a la formación de grupos de materia no homogéneos “muertos”, en lugar del autoensamblaje biológico exquisitamente preciso que da como resultado una criatura viviente.
El tipo especial de autoensamblaje que conduce a un organismo vivo solo tiene lugar cuando se comienza con el agregado vivo inicial apropiado —un óvulo fertilizado— y se continúa suministrándole materias primas apropiadas, manteniendo al mismo tiempo las condiciones adecuadas que garantizan que la entidad viva permanezca viva.
¿Cómo es posible que la naturaleza sea capaz de autoensamblar los componentes básicos de la vida de esa manera única, el sello distintivo de todos los seres vivos, pero nosotros, los científicos, con todo nuestro conocimiento científico sobre la materia y los procesos materiales, seamos incapaces de hacerlo? Ni siquiera estamos seguros de cómo empezar. La razón de la dificultad es bastante clara — no entendemos el proceso. Y la razón central por la que no entendemos el proceso es que nos falta una teoría física de la vida.
Pero el misterio de la vida no termina ahí. Cuando se produce el autoensamblaje en los seres vivos, se obtienen propiedades que socavan los principios más básicos de la epistemología física, en primer lugar, la agencia.
Es decir que todos los seres vivos parecen tener un propósito, capaces de actuar en su propio nombre y hacerlo a través de su organización interna. Piense en esa — organización que conduce a un asunto con una agenda subyacente. ¿cómo es eso posible? Los cristales de hielo o sal formados por autoensamblaje físico ciertamente no muestran signos de una organización intencionada. Esas estructuras se empaquetan de una manera que minimiza la energía del cristal, del mismo modo que las bolas que ruedan cuesta abajo buscan el punto de menor energía potencial.
Sin embargo, incluso el ser vivo más simple, una célula bacteriana, no es una estructura que busque reducir su energía. De hecho, ocurre lo contrario. En realidad, la célula se encuentra en un estado energizado y aprovecha continuamente una fuente de energía externa para mantener su organización deliberada y decidida. La célula biológica es efectivamente la fotocopiadora más sofisticada y elaborada del mundo. En una célula encontramos una entidad física compuesta por varios millones de moléculas funcionales y agregados moleculares que se reproduce fielmente, con corrección incorporada para corregir errores de copia involuntarios. Toda esa organización con propósito tiene un objetivo claro e identificable. Como lo expresó el destacado biólogo francés François Jacob: “El sueño de cada célula es convertirse en dos células”
El extraordinario comportamiento material de los seres vivos también puede verse desde la perspectiva de los estados materiales existentes de la materia. Busque cualquier libro sobre física o química y le informará que hay tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso (aparte de dos exóticos observados a temperaturas muy altas o muy bajas).
Los seres vivos, sin embargo, son decididamente materiales, pero no se considera que ejemplifiquen un estado de la materia, aunque estén a nuestro alrededor. ¿Cómo es posible que una forma material que ha invadido nuestro planeta no tenga una caracterización física o química definible? De hecho, los principales físicos del siglo XX —entre ellos Niels Bohr, Erwin Schrödinger y Eugene Wigner— estaban profundamente desconcertados en ese momento y concluyeron que parece haber leyes de la física aún por descubrir para explicar las características no materiales de la vida.
“El sueño de cada célula es convertirse en dos células.”
A finales de la década de 1970, el químico físico belga Ilya Prigogine hizo una contribución significativa a este campo al extender los principios termodinámicos a sistemas que no estaban en equilibrio. Demostró que los sistemas en un estado de no equilibrio pueden autoorganizarse y mantener estructuras alejadas del equilibrio, a pesar del impulso termodinámico natural hacia el equilibrio. Entre los ejemplos cotidianos más conocidos se incluyen los remolinos, los huracanes y las llamadas células de Bénard. Los remolinos, los huracanes y las células de Bénard sólo pueden existir con una fuente de energía que los sustente. Las células de Bénard normalmente se pueden generar en una capa de líquido que se calienta desde abajo. Esto da como resultado un patrón sorprendente de celdas de convección hexagonales que pueden mantenerse mientras continúe el suministro de calor. Todas estas estructuras de desequilibrio se denominan estructuras disipativasya que disipan continuamente energía para mantenerla.
Y, sin embargo, estas ideas por sí solas no pudieron resolver el dilema de la vida. Si bien las ideas emblemáticas de Prigogine sobre la termodinámica del no equilibrio redujeron la brecha conceptual que separa lo vivo de lo no vivo, no condujeron al tan buscado avance. La brecha conceptual que separa los sistemas vivos de los no vivos sigue sin resolverse.
Pero volviendo a nuestra discusión sobre los estados de la materia, no hay razón para no clasificar la vida como una especie de “cuarto” estado de la materia junto con los tres estados convencionales. (Esta clasificación no es del todo sencilla ya que los tres estados convencionales de la materia —sólido, líquido y gas— son estados termodinámicos. El estado vivo, al ser abierto, es decir, sufrir intercambio de materiales y energía con su entorno, no es, formalmente hablando, un estado termodinámico. Pero para los fines de nuestro análisis, su caracterización como estado de la materia es útil.)
Hoy en día se comprenden bien los tres estados tradicionales de la materia, aunque tengan propiedades claramente diferentes. El agua en su fase líquida es bastante diferente del agua en su forma sólida, el hielo, y muy diferente nuevamente del agua en su estado gaseoso, el vapor. De hecho, el agua en fase gaseosa es invisible. Es difícil ser más diferente que eso.
Pero lo más importante es que estos tres estados diferentes de la materia, a pesar de sus diferencias, se comprenden bien gracias a la teoría cinética de la materia, formulada a mediados del siglo XIX.
La teoría se basó en la idea de que la materia está compuesta de partículas en constante movimiento y que la energía cinética de las partículas’ depende de la temperatura de la muestra de material. Debido a las fuerzas de atracción entre partículas individuales, el estado observado de la materia depende directamente del nivel de energía cinética. A bajas temperaturas, cuando la energía es baja, dominan las fuerzas de atracción entre partículas y el material existe como un sólido. A temperaturas intermedias, cuando las partículas son más energéticas, las fuerzas de atracción no pueden mantenerlas bloqueadas en una única configuración estática. Pero esas fuerzas mantienen las partículas muy próximas, lo que da lugar a la formación del estado líquido. A temperaturas aún más altas, las partículas tienen una alta energía cinética, lo que les permite separarse unas de otras y entrar en un estado gaseoso.
Así, gracias a la teoría cinética de la materia, entendemos las propiedades de cada uno de los tres estados, su relación entre sí y, lo más importante, con base en esa teoría cinética, sabemos cómo convertir cualquier estado en cualquier otro estado a través de lo que se denomina transiciones de fase. De hecho, esa capacidad de interconvertir los tres estados a voluntad es la expresión directa de nuestro entendimiento.
¿Dónde encaja entonces el Estado vivo en este esquema? Bueno, como se discutió anteriormente, no es así. Por supuesto, superficialmente, el estado vivo se parece al estado sólido/líquido de agregación. Pero cómo interconvertir estados vivos y no vivos —esa expresión directa de la comprensión material— sigue estando fuera de nuestro alcance. Por supuesto, es muy fácil convertir materia viva en materia “muerta”. Pero, ¿cómo hacer que el estado no vivo vuelva al estado vivo sin el Dr. ¿La ayuda de Frankenstein? Todavía no tenemos idea.
El simple hecho de poseer los componentes materiales de la vida no es suficiente para resolver el misterio. Si pensamos en el estado vivo como un cuarto estado de la materia, no sabemos cómo inducir una transición de fase hacia ese cuarto estado. Es desconcertante que la física, la ciencia de la materia y la energía, parezca haber renunciado a responder esa pregunta central, que se encuentra en el corazón mismo de la biología. ¿Cómo se pueden reformular la física y la biología para fusionarlas tan fundamentalmente como es necesario?
El éxito en este tema sería un primer paso importante para permitir que la física y la biología, esa extraña pareja, se conecten plenamente, como fundamentalmente deben hacerlo.
¿Cómo es posible que una forma material que ha invadido nuestro planeta no tenga una caracterización física o química definible?
Pero aquí está la buena noticia: los avances recientes en la teoría química apuntan ahora a una manera de resolver el dilema. El misterio de la vida no reside en algún ingrediente especial oculto dentro del material vivo, sino en el hecho de que todos los seres vivos ejemplifican un estado de la materia previamente no reconocido, un estado cinético dinámico bastante distinto de los tres estados termodinámicos tradicionales.
Así como la teoría cinética transformó nuestra comprensión de los sólidos, líquidos y gases al revelar cómo sus propiedades distintivas surgen del comportamiento colectivo de sus partículas constituyentes, los avances recientes en la teoría y la práctica química sugieren que la vida es materia en un estado dinámico, un estado en el que los componentes moleculares de la vida giran continuamente, de forma muy similar a las gotas de agua en una fuente de agua. Esto significa que muchas partes de ustedes que ahora leen este artículo —sus fragmentos moleculares y celulares— están continuamente cambiando y siendo reemplazadas por otros fragmentos moleculares y celulares equivalentes. (Metafóricamente hablando, ¡podrías pensar en ti mismo como una fuente química!)
Los estados termodinámicos, por supuesto, no se comportan así. Los componentes moleculares de una roca, por ejemplo, permanecen generalmente inalterados mientras se permita físicamente que la roca exista.
La vida no se define sólo por de qué están hechos los seres vivos, sino por la dinámica distintiva mediante la cual la materia se organiza y puede expresar sus extraordinarias propiedades. En este sentido, el carácter de fuente de la vida puede finalmente proporcionar el eslabón perdido entre la física y la biología —, un medio para responder mejor a la pregunta más fundamental de qué es la vida.