¿qué viene después de la naturaleza?

[josué carantón sánchez]

¿Qué viene después de la naturaleza?

¿Acaso su informatización? Nuestra imagen de la naturaleza se origina hoy en día en la computadora.

El debate climático domina la esfera pública. Muchas personas tienen la impresión de estar sintiendo ya el cambio climático: ¿no son los veranos más calurosos que antes, las tormentas más violentas? ¿No pasó recientemente un tornado por la ciudad renana de Colonia? En realidad, estos acontecimientos aislados y las diferentes maneras subjetivas de percibirlos o interpretarlos no tienen relevancia científica. El cambio climático que se perfila desde Sudamérica hasta Asia pasando por Europa se esconde tras cantidades ingentes de mediciones, que se procesan en la computadora y se transforman en modelos climáticos: el cambio climático sólo se hace visible de manera fiable en la digitalización y la virtualización de nuestros ordenadores.


Digitalización y virtualización de la naturaleza

La digitalización es un proceso de fraccionamiento de datos y señales en bits y bytes, que corresponden a estados de tensión alternativos de los dispositivos de conmutación en una computadora y a los que se asignan los dígitos 0 y 1. Cada símbolo en el teclado de la computadora corresponde a una secuencia diferente de las cifras 0 y 1. Por tanto, una computadora, en realidad, no es sino una caja repleta de interruptores en los que se transforman a una velocidad vertiginosa los bits 1 y 0 según determinados programas. Ellos codifican los archivos, las fotos, las películas y las melodías que actualmente vemos o escuchamos en cualquier aparato de bolsillo. La realidad virtual es una realidad artificial de la computadora creada mediante digitalización. ¿Quién de nosotros podría distinguir qué secuencias de una película recogen procesos naturales auténticos y qué románticas pero engañosas puestas de sol o catástrofes naturales devastadoras se crearon sólo virtualmente?

Y lo que es cierto para nuestra vida cotidiana, lo es aun más en la ciencia: nuestra imagen de la naturaleza se origina hoy en día en la computadora. Los cosmólogos obtienen imágenes del estado primigenio del universo registrando, con ayuda de sondas espaciales muy sensibles, débiles señales lumínicas que son transformadas en los ordenadores en imágenes de píxeles a color. En el microcosmos, los físicos de partículas elementales descifran los elementos mínimos de la naturaleza con supercomputadoras conectadas por redes. En el CERN de Ginebra (Suiza), la Organización Europea para la Investigación Nuclear, inventaron la WWW (World Wide Web) cuando pretendían aumentar la capacidad de cálculo conectando ordenadores entre sí.

Nuestra imagen de la naturaleza siempre ha dependido de los métodos de observación disponibles en cada época. La naturaleza nos dotó en un principio únicamente con los órganos sensoriales, pero éstos son ya instrumentos de observación que nos proporcionan a los humanos una perspectiva diferente de la naturaleza a la que tienen las ranas y los caballos. Hasta la Alta Edad Media la observación de la naturaleza se asentaba en nuestros sentidos. Con la ciencia moderna se añadieron los catalejos, prismáticos, telescopios y microscopios. Actualmente, la precisión y resolución de las imágenes dependen de las prestaciones que ofrece la computadora.


¿De Alexander von Humboldt a Craig Venter?

A diferencia de otras disciplinas como la Astronomía, la Física y la Química, hasta entrado el siglo XX la Biología siguió siendo una ciencia de descripción cualitativa, basada en la observación con el ojo humano o, como mucho, a través del microscopio. Alexander von Humboldt es un ejemplo brillante de ese tipo clásico de investigador naturalista de principios de siglo XIX. ¿Quién sería capaz de no dejarse seducir por la belleza de sus imágenes y sus textos? La unidad de la naturaleza se hace visible de manera inmediata. A finales del siglo XIX y en su viaje por Brasil, la princesa Teresa de Baviera, siguiendo el objetivo de la ciencia universal de Humboldt, pretende recoger “todos los objetos botánicos, zoológicos, antropológicos y etnológicos posibles para los museos de Baviera” (véase Humboldt 148). La investigación de la naturaleza en el sentido humboldtiano es universal, competente y bella.

Qué gran diferencia con respecto a la investigación biológica contemporánea, en la que el interés por los museos es completamente secundario y el Estado y la industria financian proyectos de investigación millonarios. Como consecuencia de la biología molecular y la biotecnología, la imagen de la naturaleza se altera de manera considerable. En las últimas tres décadas, las ciencias biológicas han logrado grandes éxitos identificando y analizando los componentes aislados de los sistemas biológicos. Comenzando por los órganos, los tejidos, las células y partículas celulares hasta llegar a las moléculas, se acumuló una cantidad ingente de información que tuvo su punto culmen en la descodificación del genoma humano por Craig Venter, quien publicó sus resultados el 15 de febrero de 2001. La radical diferencia en la perspectiva de la naturaleza se ve perfectamente en dos personalidades tan distintas como Teresa de Baviera, formada en el espíritu humboldtiano, y el empresario e investigador estadounidense Craig Venter, que realizó sus avances con una compañía propia y un modelo novedoso de gestión investigadora. Otro ejemplo de investigación a gran escala fue un consorcio público internacional para el estudio del genoma humano. Grupos investigadores de muchos países contribuyeron al éxito de este proyecto mastodóntico de la biología.

La condición previa para la descodificación de los componentes de la vida era disponer de aparatos automáticos de secuenciación de ADN. Hace quince años se presentaron los primeros aparatos de este tipo. Ahora, máquinas de alto rendimiento secuencian unos 500.000 pares de bases al día. Equipados con estos aparatos de secuenciación, los centros internacionales de investigación del genoma humano del mencionado consorcio poseen una capacidad de secuenciación de 172 millones de bases al día o 2.000 bases por segundo.


Del reduccionismo al holismo de las ciencias naturales

Todos estos modelos tienen en común una exploración reduccionista de la naturaleza: el sistema global biológico se desmenuza en pequeños sistemas detallados, describiéndose minuciosamente cada uno de sus elementos. De esta manera surge una avalancha enorme de datos sobre componentes aislados como, por ejemplo, las funciones de una célula o de todo un organismo. La complejidad de esta profusión de datos constituye un gran desafío para la investigación de sistemas, la cual se ocupa de las relaciones dentro de una célula o de un organismo como un todo. Se hace necesario poseer inmensos registros genéticos, bases de datos de proteínas y redes sobre los procesos metabólicos. Por esta razón, se esboza un cambio de paradigma científico desde el reduccionismo hacia una perspectiva global de los sistemas. Para comprender las propiedades de sistemas complejos (como la regulación, el control, la autoorganización, la adaptación, la robustez y la evolución) no basta con conocer exactamente los componentes moleculares; se trata más de esclarecer las interacciones entre los diferentes elementos del sistema y su dinámica, así como las interacciones entre los distintos niveles de complejidad de las moléculas, las proteínas, las células y los órganos. Todo esto implica reemplazar la perspectiva reduccionista por una aproximación a la naturaleza holística e integradora.

Este cambio paradigmático sólo será posible con una colaboración interdisciplinar de la Biología, las Matemáticas, la Informática y la Ciencia de Sistemas. Además, existe una estrecha interdependencia entre la recogida de datos experimental y la creación de modelos y la simulación computerizadas. Para reflejar los complejos sistemas metabólicos de una única célula con un modelo matemático, llegan a necesitarse cientos de ecuaciones. La bioinformática integra los diferentes datos biológicos, los guarda en bases de datos y los pone a disposición de los modelos. Otra tarea central consiste en desarrollar programas de fácil manejo que puedan ser utilizados y comprendidos tanto por los biólogos como por los científicos de sistemas. Finalmente, se deben visualizar de manera comprensible las complejas relaciones y los resultados de simulación. El objetivo final es la virtualización de la naturaleza con células, órganos y organismos transparentes.

En comparación con la secuenciación del ADN, los métodos para la aprehensión funcional de los sistemas no están muy avanzados. Mientras que la tecnología del ADN ha alcanzado un estadio de producción industrial, el siguiente paso en el análisis de las proteínas precisa todavía avances consi-derables. Las redes electrotécnicas resultan muy simples frente a la red metabólica de una sola célula. El órgano del hígado es una fábrica bioquímica altamente sofisticada, que absorbe, transforma y expulsa a diario más de 10.000 sustancias, abasteciendo al cuerpo con otras sustancias orgánicas vitales como proteínas, hidratos de carbono y grasas. El hígado es un modelo de sistema muy adecuado para una bioinvestigación sistémica holística, ya que este tipo de células realiza funciones muy variadas ofreciendo numerosas aplicaciones para la medicina, la investigación farmacológica y el sector alimentario.

Lentamente empezamos a intuir por qué tiene tanto futuro y es tan importante la simulación de sistemas vivos completos en el ordenador. La modelación del comportamiento complejo de una red permite identificar puntos de intervención para tratamientos terapéuticos. Sin embargo, los modelos virtuales no sólo contribuyen de manera fundamental a comprender los sistemas vivos y a desarrollar tratamientos para las enfermedades. La modelación y simulación de los procesos biológicos también presenta un gran interés en el terreno económico. Los experimentos que se realizan primero in silico (es decir, “en silicona”, la de los chips de las computadoras) con células virtuales conllevan una considerable reducción de tiempo y costes en el desarrollo de los medicamentos, sin olvidar que además permiten reducir el número de experimentos con animales.


Naturaleza “in silico”, “in vitro” e “in vivo”

Desde el punto de vista metodológico distinguimos tres perspectivas de la naturaleza: in silico, in vitro e in vivo. De bioorganismos vivos se obtienen datos de observación y medición in vivo. Sirviéndose de estos datos sobre biosistemas y de los conocimientos disponibles sobre las funciones y relaciones de sus componentes se desarrolla un modelo matemático. A partir de ese modelo se pueden establecer y predecir hipótesis sobre las características y el comportamiento del sistema. Estas hipótesis se pueden comprobar paralelamente in silico e in vitro. In silico se realiza en la computadora una simulación basada en el modelo matemático que proporciona nuevos datos, permitiendo la comprobación de las hipótesis. In vitro (“en la probeta”) se realizan los experimentos de laboratorio que aportan nuevos datos biológicos, con los que a su vez se puede volver a contrastar las hipótesis.

Las perspectivas in silico, in vitro e in vivo de la naturaleza se complementan, por tanto, en las ciencias naturales. Para comprender, por ejemplo, los grandes sistemas ecológicos de Sudamérica que exploraron Humboldt y Teresa de Baviera, actualmente necesitamos el apoyo de complejos modelos de ordenador. La fragilidad de la flora y la fauna, que en tiempos de la globalización se ven amenazadas por pandemias tanto como el ser humano, debe ser estudiada con un enfoque que integre desde los ámbitos moleculares y genéticos, pasando por los celulares, hasta los orgánicos y ecológicos. Quien pretenda ver una contradicción entre el (pretendido) romanticismo de la naturaleza del siglo XIX y el (pretendido) cálculo “frío” de la época informática no hace sino desconocer la realidad y sus requerimientos. La visión global de Humboldt corresponde hoy en día a una visión de la naturaleza integrada y basada en la biología de sistemas. Si bien, la biología de sistemas forma parte actualmente de una ciencia de la naturaleza que se sirve de las matemáticas y los ordenadores, como lo hacía la física antiguamente.

Queda la cuestión del aspecto estético de la investigación de la naturaleza humboldtiana. ¿Pierde la naturaleza su fascinación como consecuencia de la digitalización y virtualización? ¿Se desencanta la naturaleza al hacerse “transparente”? Nuestras imágenes de la naturaleza en alta definición son productos típicos de la época de los medios de comunicación y las computadoras. ¿Han existido alguna vez semejantes fotos del universo, de la selva del Amazonas, de panteras y primates, pero también de bacterias, proteínas, moléculas y átomos? A diferencia de los discretos dibujos de la naturaleza y las primeras fotografías del siglo XIX, la sofisticación de nuestras imágenes digitalizadas de la naturaleza nos perturba y sobrecoge. Incluso los periodistas científicos hablan de “excitantes” imágenes astronómicas y biológicas para llamar la atención de un público abotargado por un exceso de estímulos mediáticos. Las lecciones magistrales, las conferencias, los documentales científicos y culturales se elaboran con una carga pedagógica hasta ahora desconocida gracias a las posibilidades que ofrecen los medios de comunicación informatizados.

Sin embargo, la imagen que cada uno tiene de la naturaleza se produce en la cabeza y es un producto del cerebro: tanto en nuestra época como en la de Humboldt. La forma en que experienciamos la naturaleza depende de nuestros conocimientos previos, de nuestra sensibilización, de nuestra cultura y socialización. ¿Qué es lo que sucede en el cerebro? ¿No será también un computador de base neuroquímica? Hace tiempo ya que en la neuroinformática intentamos simular también las redes de nuestros cerebros. ¿Llegará al final el hombre “transparente”? Efectivamente la capacidad de cálculo del cerebro se puede estimar así: si partimos de aproximadamente 10¹¹ neuronas (células nerviosas) por cerebro con unas 10³ conexiones sinápticas de media por neurona, obtenemos unas 10¹⁴ conexiones sinápticas en el cerebro. Lamentablemente, el cerebro, con sus 200 impulsos eléctricos por segundo, es bastante lento. En cualquier caso, se obtiene una capacidad de cálculo cerebral de aproximadamente 2x10¹⁶ impulsos eléctricos para rea­li­zar operaciones de cálculo elementales. Y aquí entra en juego la llamada ley de Moore, según la cual la capacidad de cálculo de nuestras computadoras se ha venido duplicando cada 12 o, a lo sumo, 18 meses. En función de cómo se aplique esta ley de crecimiento, la capacidad de cálculo del cerebro podría ser superada por un portátil convencional en los años veinte del siglo XXI. Aunque conviene tener presente que en el cerebro humano no todo es capacidad de cálculo: es cierto que la actividad cerebral humana hace posible nuestro mundo afectivo e imaginativo, pero su reproducción en una computadora supondría por el momento un salto cuántico.


¿Experiencia de la naturaleza “in silico”?

¿Emociones in silico? ¿Naturaleza “transparente” y cerebro “transparente”? Hace poco estuve con los investigadores del Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad Técnica de Múnich en un restaurante situado junto al lago Starnberger. Entre nosotros se encontraba un premio Nobel de Física que de repente señaló fascinado el horizonte: “¡Miren qué cielo!”. Sobre el lago se estaba poniendo el sol; la capa de nubes aparecía dividida de una manera muy espectacular; la naturaleza y el lago relucían de ese modo tan característico en ese paraje y esa época del año. Enfrente del físico estaba sentado un investigador del cerebro, premio Nobel de Medicina, que se mostró igual de entusiasmado con el panorama. Al físico le habría resultado fácil explicar todos los procesos del sol, de la luz y de la atmósfera hasta el nivel de las partículas elementales. El neurólogo podría haber explicado minuciosamente qué procesos neuroquímicos se producían en la cabeza del físico ante sus impresiones y emociones. Y sin embargo permanecen la fascinación y la experiencia de la naturaleza: el espíritu de Humboldt sigue presente. Teresa de Baviera, recientemente aceptada en el Valhalla de los inmortales, con seguridad habría asentido satisfecha en aquella reunión junto al lago Starnberger.

Klaus Mainzer
es catedrático de Filosofía y Teoría de la Ciencia y director de la Academia Carl von Linde de la Universidad Técnica de Múnich (TUM). Es miembro del Advisory Board del Institute for Advanced Study de la TUM y de la Academia Europaea de Londres. Entre sus libros más recientes se cuentan Computerphilosophie (2003), Thinking in Complexity (2007, 5ª), Der kreative Zufall (2007) y Komplexität (2008).

Traducción: Carmen García del Carrizo
Copyright: Goethe-Institut e. V., Humboldt Redaktion
Noviembre 2009