Los sistemas biológicos se organizan por estructuras jerárquicas, evolucionan y tienden a volverse más complejos. El gran misterio es saber cómo la vida se autoorganiza: Alejandro Frank

“Entre las filosofías que permiten escuchar las señales de vida y encarar a la naturaleza se encuentran dos enfoques: la ciencia de lo elemental y la ciencia de lo complejo”, comentó el físico Alejandro Frank, miembro de El Colegio Nacional, al coordinar y participar en la mesa Señales de vida, escuchando al corazón y cerebro humanos: una visión desde la complejidad, transmitida en vivo el 28 de marzo por las plataformas digitales de la institución.

La sesión contó con la participación de Juan Claudio Toledo Roy, investigador del Centro de Ciencias de la Complejidad y del Instituto de Ciencias Nucleares, de la UNAM. De acuerdo con el doctor Frank, la ciencia de lo elemental se refiere al estudio de los componentes de la naturaleza, mientras que la ciencia de lo complejo se enfoca en los sistemas y las interacciones de sus partes.

Durante su participación, el colegiado se refirió al concepto de invariancia de escala o autosimilitud, también conocido como fractalidad. Se trata de una propiedad que poseen los objetos o sistemas biológicos, que les permite mantener su forma y evitar que cambie, aunque su tamaño se multiplique a escala: “tal vez, el ejemplo más impresionante que podemos ver en la naturaleza humana es la de los pulmones, que siguen estas ramificaciones fractales y lo hacen por su evolución para aumentar la superficie de intercambio de gases. Los pulmones de un adulto tienen un área equivalente a una cancha de fútbol, esa es la belleza y una de las razones por las cuales la invariancia a escala es muy útil a la naturaleza”.

Asimismo, el experto en física cuántica explicó que el término complejidad proviene del latín plexus y quiere decir entrelazado, en otras palabras, se refiere al todo, a sus componentes y a sus interacciones: “los sistemas complejos se organizan por estructuras jerárquicas, esto quiere decir que tienen moléculas que se organizan y forman tejidos, tejidos que integran órganos y éstos constituyen organismos que a su vez viven entre sociedades. Además, evolucionan y tienden a volverse más complejos. El gran misterio es saber cómo la vida se autoorganiza”.

En palabras del colegiado, para entender a los sistemas biológicos, los físicos utilizan lo que se conoce como transiciones de fase y puntos críticos. Un ejemplo de transiciones de fase es el cambio que se da cuando el hielo se convierte en agua líquida; el punto crítico es, precisamente, ese momento en el que uno se transforma en el otro: “existe una fase en estos procesos que se conoce como criticalidad, esta propiedad de los sistemas es lo que creemos que ha aprovechado la naturaleza para evolucionar y autoorganizarse”.

Prosiguiendo con su análisis, el doctor Frank sostuvo que la evolución de los organismos se ha desarrollado con dos cualidades antagónicas: la robustez y adaptabilidad: “si pensamos en el corazón humano o de un mamífero, la robustez quiere decir que sea confiable, que sea robusto a través del tiempo, porque no queremos que se detenga, pero como el medio ambiente está cambiando siempre, no queremos que estos órganos se mantengan rígidos, respondiendo a una sola situación, lo que queremos es que se adapten a los cambios”. Agregó que se piensa que ambas situaciones llevan a los organismos vivos a la criticalidad, que representa una especie de equilibrio óptimo al cual se llega por selección natural.

“Los físicos estudiamos esta complejidad, se hace a partir del orden, desorden y la frontera. Hemos estado estudiando si la vida, de alguna manera, refleja esta criticalidad, esta multiplicidad de escalas”, puntualizó el científico.

Agregó que con estas herramientas los matemáticos y físicos pueden analizar señales eléctricas del corazón y del cerebro: “en los latidos del corazón, varía la distancia, el tiempo, el intervalo entre latido y latido, y lo que se puede ver examinando las fluctuaciones es que dos individuos con la misma frecuencia cardiaca tienen un comportamiento distinto. La sorpresa es el comportamiento invariante de escala que se rompe, una de las hipótesis es que las fluctuaciones de latidos de corazones robustos producen un espectro de potencia invariante de escala, pero corazones frágiles presentan otro comportamiento”.

En el caso del cerebro, hasta ahora no se sabe qué es la criticalidad cerebral: “hay evidencias de que el cerebro se comporta de forma crítica. La pregunta clave es si estos conceptos de invariancia de escala, de la criticalidad, que provienen de la física, pueden ser útiles para detectar salud o pueden ayudar a tener alertas tempranas de que el funcionamiento del sistema en su conjunto está fallando”, finalizó el especialista.

Por su parte, Juan Claudio Toledo Roy, investigador del Centro de Ciencias de la Complejidad (C3), de la UNAM, comentó que respecto a la complejidad, se busca estudiar las propiedades globales (es decir cualitativas) del sistema para encontrar sus reglas generales y universales de interacción, que puedan ser aplicables a un gran número de sistemas y aporten conocimiento sobre cómo funciona la naturaleza.

“La esencia de las ciencias de la complejidad es identificar propiedades que son comunes en sistemas complejos”, afirmó el físico especialista en simulación computacional y añadió que hay cuatro propiedades que se encuentran en los sistemas complejos; la primera de ellas es la estructura y se refiere a las partes individuales que interactúan entre sí y producen comportamientos; tal es el caso de las neuronas, que individualmente tienen un funcionamiento sencillo, pero en conjunto se torna muy complejo.

La segunda propiedad es la auto-organización, que se refiere al orden y la coordinación que desarrollan estas pequeñas partes; la tercera es la adaptabilidad, es decir, la capacidad de cambiar de estructura y/o comportamiento ante las necesidades internas o externas, como la vida, la biología lo ha hecho de forma exitosa, y le permite evolucionar; la cuarta es la no-linealidad, un fenómeno físico en el cual los sistemas complejos no son lineales, pero son fuertemente interdependientes, en consecuencia, si hay un pequeño cambio pueden tener un efecto dominó.

De acuerdo con el científico, estas cuatro propiedades son las que hacen pensar que los sistemas vivos existen con un régimen de propiedades relacionadas con un balance entre el caos y el orden: “la criticalidad se encuentra en el punto medio entre el caos y el orden, es el balance entre estos extremos, y es donde la vida se ha configurado, justo en el punto medio”.

Asimismo, puntualizó que “el cerebro de los animales es el sistema más complejo que se conoce. Es un sistema que está en casi todos los animales del planeta, en niveles muy distintos de tamaño, de capacidad cognitiva, pero hace que la vida funcione como funciona en la Tierra”. También, explicó que se trata de un órgano muy adaptable, con interconexiones entre neuronas que se refuerzan o debilitan en función de la actividad cognitiva, lo que se conoce como plasticidad neuronal.

Un rasgo específico del cerebro humano es que se compone de 100 mil millones de neuronas, cada una de ellas conectada en promedio con 7 mil neuronas, que tienen la capacidad de transmitir información y procesarla, porque la están alterando, algo similar a lo que hacen las computadoras. Incluso cuando hay daños en partes de este órgano, el restante puede reorganizarse para cubrir las necesidades funcionales.

Según la hipótesis de criticalidad en el cerebro, surgida en la década de los ochenta, la razón por la que el cerebro es tan exitoso y poderoso es debido a un estado crítico, es decir tanto su estructura como sus dinámicas son críticas, y por eso tiene tantas propiedades interesantes de los sistemas complejos: “el cerebro optimiza el procesamiento de información de transmisión y almacenamiento, produce gran diversidad y flexibilidad funcional y aporta robustez funcional ante alteraciones graves o lesiones”, indicó Toledo Roy.

De acuerdo con el físico del Centro de Ciencias de la Complejidad, la criticalidad permite el surgimiento de muchas propiedades, y el cerebro es el sistema más complejo que se conoce: “como resultado de la evolución, el cerebro tiene una estructura y una dinámica que son críticas. Mediante técnicas matemáticas podemos definir y medir esa multicriticalidad, además, de la criticalidad en otros sistemas nerviosos”.

Fuente: El Colegio Nacional