Azar, diseño y vida artificial

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En artículos anteriores de este blog he mencionado mis experimentos sobre vida artificial: la simulación en un ordenador de procesos similares a los que tienen lugar en los seres vivos. La vida artificial no debe confundirse con la vida sintética: construcción de seres vivos artificiales en el laboratorio.

Una de las herramientas más utilizadas en vida artificial (y en otros campos relacionados) son los algoritmos genéticos, que simulan la evolución biológica dentro del ordenador y la hacen actuar sobre los entes que son objeto de la investigación. En estos experimentos, se utiliza una mezcla de azar y necesidad (el título del libro de Monod mencionado en el artículo anterior). El azar se aplica usualmente con un generador de números seudoaleatorios que modifican el funcionamiento del resto del algoritmo, que al estar programado, representa la necesidad.

Colonias de hormigas reales y virtuales

Formica fusca

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Las hormigas, himenópteros emparentados con las avispas, son insectos sociales. Un hormiguero o colonia de hormigas puede contener, desde unas docenas de individuos, hasta más de medio millón. El número de castas varía, según la especie, entre tres (machos y hembras fecundos, obreras o hembras estériles) y más de veinte. La alimentación que recibe una larva decide la casta a la que pertenecerá.

Entre las hormigas han surgido extrañas formas de parasitismo, como en las amazonas (Polyergus), cuyas obreras se especializan para la lucha y mueren de hambre, en presencia de comida, a menos que una obrera de la especie Formica fusca las alimente. Para apoderarse de esos auxiliares, las amazonas atacan los nidos de Formica fusca, matan a su reina y esclavizan a las obreras. En casos extremos, como las hormigas del género Anergates, la reina invade un nido del género Tetramorium, suplanta a su reina, y alimentada por las obreras de la otra especie, produce huevos que se convierten en reinas y machos, sin generar obreras propias, pues no las necesita.

Es probable que la evolución haya alcanzado en los insectos  sociales las más altas cotas de complicación instintiva que se pueden lograr con un sistema nervioso tan limitado como el de los artrópodos. En las decenas de millones de años transcurridos desde el origen de estas sociedades, la evolución sólo ha introducido cambios secundarios, que han dado lugar a una gran diversidad: hay más de tres mil especies de hormigas, pero no parece haber habido avances en su estructura social. Son animales de gran éxito, muy abundantes y extendidos por todo el mundo, pero estancados.

Vida artificial, ¿qué es?

Thomas S. Ray

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Como dije en un artículo anterior, la vida artificial es la rama de la ingeniería informática que construye programas que emulan el comportamiento de los seres vivos, ya sean seres vivos artificiales, o bien colonias de seres vivos, como hormigueros o colmenas. Puesto que yo he trabajado en este campo, voy a contar aquí algún trabajo sobre vida artificial.

En 1991, Thomas S. Ray construyó una aplicación a la que dio el nombre de Tierra (así, en español), en el que una serie de organismos artificiales evolucionaban y competían por los recursos disponibles dentro del ordenador. Dichos recursos se reducían, esencialmente, a la memoria del ordenador, que era limitada, y al tiempo de ejecución. El objetivo de cada individuo era copiarse a sí mismo en un trozo de memoria disponible. Al copiarse, sin embargo, podían introducirse errores (mutaciones), por lo que los organismos en cuestión eran capaces de evolucionar.

La ejecución tenía lugar en una máquina virtual provista de un lenguaje de máquina sencillo, con 32 instrucciones diferentes. Los individuos eran programas formados por instrucciones escritas en dicho lenguaje de máquina. Algunas instrucciones básicas eran relativamente complejas, como pedir al sistema operativo que asignara cierto espacio. Aunque muy simple, el programa original era capaz de copiarse a sí mismo (con mutaciones) en el espacio asignado. La ejecución de los individuos se realiza en paralelo, o sea, todos se ejecutan a la vez.

Vida sintética, ¿es posible?

El monstruo de Frankenstein

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En los dos artículos anteriores de esta serie hemos visto que la generación de vida sintética en el laboratorio es probablemente un proceso más difícil de lo que algunos optimistas imaginan.

Veamos uno de los últimos experimentos en biología sintética: George Church y Nili Ostrov, biólogos de Harvard, están intentando construir una estirpe de la bacteria Escherichia coli que sea inmune a todos los virus que existen. ¿Cómo? Cambiando su código genético para que los virus no lo entiendan y no sean capaces de utilizar su maquinaria celular para reproducirse. Puesto que el código genético es redundante, es posible sustituir uno de los codones que codifican el aminoácido arginina (AGA) por otro que también codifica el mismo aminoácido (CGC), y todos los genes de la bacteria seguirían generando las mismas proteínas que antes. Esto se haría con varios codones poco frecuentes. Pero como los virus seguirían utilizando los codones sustituidos, la maquinaria celular de la bacteria ya no sería capaz de entender el ADN del virus. Esta parte del trabajo está casi terminada. Cuando lo esté, faltaría eliminar los ARN de transferencia de los codones desaparecidos y asegurarse de que no vuelven a fabricarse, para que la maquinaria celular deje de utilizarlos.

Obsérvese que el trabajo realizado hasta el momento consiste en la manipulación de los datos grabados en el ADN. Equivale a manipular la información contenida en el disco duro de un ordenador para que deje de utilizar cierta instrucción del lenguaje de la máquina, sustituyéndola por otra equivalente. Seguimos estando muy lejos de la biología sintética en sentido estricto. ¿Es posible que lleguemos a fabricar vida en el futuro más o menos cercano?

Vida sintética, ¿cerca o lejos?

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En el artículo anterior detallé algunos de los avances recientes realizados en el campo de la biología sintética y afirmé, sin decir por qué, que el objetivo de crear una célula viva artificial no me parece tan próximo como opinan los investigadores más optimistas, como Craig Venter.

Para explicar por qué pienso esto, voy a establecer una comparación entre una célula viva y uno de los artefactos más complejos que ha hecho el hombre: el ordenador. Un ordenador consta de las dos partes siguientes principales:

1. CPU (unidad central de proceso): como indica su nombre, es el centro de control y el sitio donde se ejecutan los programas. Uno de sus elementos fundamentales es el lenguaje de la máquina, un código binario relativamente complejo que los circuitos de la unidad interpretan y ejecutan. Todo programa, para poder ejecutarse, tiene que estar escrito en el lenguaje de la máquina.
2. Memoria. La hay de varios tipos: disco duro, donde se guardan los programas y los datos a los que tiene acceso el ordenador, incluido el sistema operativo, aunque muchos de ellos no se utilizarán jamás; memoria caché, más rápida que el disco duro, donde se almacenan los programas y los datos que se están ejecutando, para acelerar su proceso; memorias externas (como la memoria flash), que sirve para transmitir datos y programas de un ordenador a otro, o para guardar copias para el caso de pérdida de información.

Vida sintética, ¿para cuándo?

Craig Venter

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Lo primero, una aclaración. Es preciso distinguir dos campos de investigación muy diferentes:

1. Vida artificial: pertenece a la ingeniería informática y consiste en construir programas que emulan el comportamiento de los seres vivos, ya sean seres vivos artificiales, o bien colonias de seres vivos, como hormigueros o colmenas.
2. Vida sintética: pertenece a la biología y consiste en construir células vivas artificiales partiendo de sustancias químicas sencillas. De momento, esto no se ha conseguido.

¿Será posible que algún día lleguemos a fabricar vida en el laboratorio? Durante el último medio siglo se han dado algunos pasos importantes al respecto.

El Quinto Nivel de la Evolución, ¡ahora en inglés!

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En septiembre de 2014 publiqué en este blog un artículo sobre mi libro “El Quinto Nivel de la Evolución”. Se trataba de una nueva edición del libro que publicó en 2005 la editorial Adhara con el título de “El Quinto Nivel”, que ya estaba descatalogado. Ahora acabo de traducirlo al inglés y de publicarlo en Amazon, con el título The Fifth Level of Evolution.

Las dos ediciones del libro han recibido reseñas, tanto en la red social de libros (Goodreads) como en Amazon. Ninguna de esas reseñas iba asociada a una calificación intermedia: a mis lectores, o bien les encanta el libro, o bien lo odian. Parece que el libro despierta fuertes atracciones o repulsiones, lo que significa que trata sobre un tema que toca directamente las convicciones de quien lo lee.

¿Azar o seudo-azar?

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Gregory Chaitin

En la programación de ordenadores se utilizan desde hace tiempo, para simular el azar, ciertos algoritmos (llamados seudo-aleatorios) que generan series de números que cumplen las condiciones que exige la estadística para decidir sobre la aleatoriedad de una sucesión.

Sin embargo, esos algoritmos, por el hecho de ser algoritmos, han sido diseñados por alguien (el programador que los ideó). De hecho, no suelen ser aleatorios, en el sentido de que, si se ejecutan varias veces consecutivas, dan siempre los mismos resultados.

Tenemos un caso semejante con las cifras del número p. Se conocen diez billones de cifras de p, y el número de cifras conocidas crece constantemente. Hasta ahora, las cifras de p han cumplido todas las pruebas estadísticas de aleatoriedad. Sin embargo, es evidente que no pueden ser realmente aleatorias, sino que están diseñadas. Existen algoritmos bastante sencillos que las generan una tras otra, en el orden correcto.

Volvamos al experimento mental del artículo anterior de este blog. Si llegaran a surgir seres inteligentes en un experimento de vida artificial,

¿Serían esos seres capaces de distinguir entre el azar y el diseño como origen de su propia existencia?

¿Azar o diseño?

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Árbol de la vida

En este contexto hay que distinguir tres cosas:

1. La teoría científica de la evolución, que está fuertemente contrastada con datos de otras ciencias, como la embriología, la anatomía comparada, la paleontología, la biogeografía, o la biología molecular (el análisis del ADN).
2. La afirmación de que la evolución es consecuencia del puro azar, que no es una teoría científica, sino filosófica, aunque sus partidarios afirman que es una teoría científica.
3. La afirmación de que la evolución es un ejemplo de diseño, que tampoco es una teoría científica, sino filosófica. Los partidarios del diseño inteligente sostienen que es una teoría científica.

Para resolver el dilema tendríamos que responder a alguna de las preguntas siguientes:

• ¿Hay alguna forma de demostrar científicamente que la evolución es consecuencia del azar y no del diseño?
• ¿Hay alguna forma de demostrar científicamente que la evolución es consecuencia del diseño y no del azar?

¿Qué es la vida?

Saccharomyces cerevisiae

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Después de un siglo discutiendo sobre el origen de la vida, no estamos más cerca de saber lo que pasó. A mediados del siglo XX, cuando Stanley Lloyd Miller realizó el famoso experimento en el que obtuvo aminoácidos tras someter a descargas eléctricas una mezcla de metano, hidrógeno, amoniaco y agua, los científicos lanzaron las campanas al vuelo y anunciaron la inminencia de la fabricación de vida artificial en el laboratorio. Este tipo de previsiones suele pecar de optimista. En este caso lo fue.

La primera cuestión que se plantea es definir qué se entiende por ser vivo. Al considerar este problema con atención, se constata que existen seres que claramente están vivos y otros que sin duda no lo están. Nosotros, las plantas y los animales estamos vivos. Las piedras, el agua destilada, el dióxido de carbono, no lo están. En estos casos extremos no cuesta trabajo decidirse. Cuando Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) descubrió los microorganismos (levaduras, infusorios, bacterias, espermatozoides y glóbulos rojos) tampoco se dudó de que están vivos. Pero las cosas no siempre son tan sencillas.

El quinto nivel de la evolución

La teoría de la evolución está muy bien establecida por la evidencia científica, pero dista mucho de explicarlo todo. Quedan pendientes algunos enigmas, cuya resolución no parece que vaya a ser inmediata. Por ejemplo:

·         El origen de la vida. No tenemos una idea clara de cómo, cuándo y dónde sucedió. Hay muchas teorías, pero ninguna se ha comprobado. Lo que es peor, es muy difícil que sea posible comprobarlas, porque el origen de la vida, más que un hecho científico, es un hecho histórico. Para verificarlo, no basta con reproducirlo en el laboratorio, es necesario encontrar pruebas documentales de que fue así como ocurrió, y no de otra manera. Es muy probable que dichas pruebas sean imposibles de encontrar, porque seguramente se han perdido todos los rastros paleontológicos del origen de la vida.

Los medios de comunicación saludan cada pequeño avance en este campo (como la reciente inserción de un cromosoma fabricado artificialmente en una célula de levadura) como si estuviésemos a punto de conseguir crear vida en el laboratorio. En realidad, estamos muy lejos de hacerlo. Para ello sería necesario mezclar un conjunto de moléculas artificiales (proteínas y ácidos nucleicos), introducirlas dentro de una membrana lípido-proteica, y conseguir que lo que salga de ahí esté vivo, que no sea un cadáver de célula. El último paso es el más difícil, porque en realidad aún no sabemos lo que es la vida.

¿Diseño inteligente o evolución al azar?

Charles Darwin

Como toda teoría científica, la de la evolución será siempre provisional, pero en siglo y medio ha quedado muy bien contrastada. No es probable que venga una revolución que la declare obsoleta o equivocada, quizá tan sólo algún ajuste fino, como le pasó a la física de Newton con la teoria de la relatividad general de Einstein. Cualquier ataque contra la teoría de la evolución debería basarse en la constatación de hechos discrepantes, que hasta ahora no se han presentado.

El problema es que algunos de los que defienden la teoría de la evolución dan un paso más y caen en el mismo pecado del que acusan a sus oponentes, presentando elucubraciones filosóficas y afirmaciones dogmáticas como si fuesen teorías científicas contrastables.

Como cualquier teoría científica, la teoría de la evolución es un conjunto de hipótesis para explicar hechos conocidos, susceptibles de que se pueda demostrar que no son correctas. Se basa en la constatación comprobada de que las especies cambian, y estudia los mecanismos que pueden llevar a ello: mutaciones, ADN, selección natural... Cualquier connotación filosófica que se añada no tiene carácter científico, tanto si se afirma, con los creyentes, que detrás de todo hay un diseño inteligente, como si se dice, con los ateos, que todo es únicamente consecuencia de la casualidad.

La vida artificial no está aquí

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Acaba de saltar a los medios de alta difusión (El País, 28 de marzo de 2014) la noticia de que un equipo científico ha conseguido sustituir el cromosoma más pequeño de una levadura por un cromosoma sintético que han construido basándose en la secuencia del cromosoma sustituido, pero con algunos cambios, como la eliminación de una parte. El cromosoma sintético se ha incorporado al genoma de la levadura y parece funcionar correctamente. Este artículo ha sido recogido en la recopilación de Madri+d.

El titular del artículo de El País es significativo: La vida artificial ya está aquí. Pero ¿es cierto? ¿O se trata de una de esas exageraciones a las que los medios nos tienen acostumbrados cuando se dan noticias científicas, y que he comentado en artículos anteriores, aquí mismo?

En el argot científico, el término vida artificial puede significar dos cosas completamente diferentes:

1. Simulación del comportamiento de los seres vivos por medio de un programa de ordenador. Yo mismo he trabajado en este campo.
2. Construcción de un ser vivo, no a partir de otros seres vivos anteriores, como hace la naturaleza, sino a partir de sustancias químicas separadas, como se supone que ocurrió hace miles de millones de años, cuando apareció la vida en la Tierra.

Es evidente que el artículo que comentamos se refiere a la segunda alternativa. Desde luego, se trata de un paso importante, pero el titular no es cierto: la vida artificial no está aquí, y falta mucho para que llegue. El titular que empleó La Vanguardia para la misma noticia fue más sensato: Avance en la creación de vida artificial.

El artículo de la Vanguardia parece identificar la creación de vida artificial con la sustitución de todo el genoma de un ser vivo unicelular por un genoma artificial completo distinto del suyo y conseguir que el resultado sea viable. Pero con esto (que está muy lejos de conseguirse) tampoco se habría creado vida artificial. Como mucho, si fuese posible (porque la incompatibilidad epigenética podría hacer que no lo fuera), se habría manipulado un individuo vivo de una especie, transformándolo en un individuo de otra especie diferente. Un gran logro también, pero no se habría creado vida, porque la célula de partida ya estaba viva. Hay que llamar a las cosas por su nombre.

¿En qué consistiría pues la creación de vida artificial? En tomar una serie de sustancias químicas independientes (proteínas, ácidos nucleicos y muchas más), introducirlas dentro de una cápsula lípido-proteica (una membrana) y, sobre todo, conseguir que aquello se comporte como un ser vivo unicelular, que lo que hayamos construido no sea el cadáver de una célula.

Para aclarar las cosas, vamos a buscar un término de comparación. Lo que se ha hecho (sustituir un cromosoma de un ser vivo por otro equivalente que funciona más o menos igual, con algunas diferencias) es parecido a insertarle a un ser humano un corazón artificial. Sí, es un logro considerable, pero ¿a alguien se le ocurriría decir que al hacerlo se ha creado un ser humano artificial? ¿O que estamos en camino de hacerlo?

Para construir un ser humano artificial, al estilo del monstruo de Frankenstein en la novela de Mary Shelley, no basta con juntar un conjunto de miembros extraídos de aquí y de allá y montar un cuerpo. Así lo único que terminaríamos construyendo es un cadáver. Para obtener un ser humano vivo hace falta algo más. Y lo que falta es precisamente lo más difícil.

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Manuel Alfonseca