Barral y v.d.Becke--III
-- Temas previos<>
15.
tras día siempre igual. Y entonces la tendencia a la uniformidad, cuya
medida es la entropía, es perfecta. Este es el "orden" de Boltzmann,
caracterizado por su información nula.
Derivando la (3) y combinando con (1), queda descartada para el caso
general la conservación de la información. Se verifica que mientras la entropía crece espontaneamente, la información se agota espontaneamente, la
sorpresa disminuye con el hecho de haber revelado el dato sorprendente la
primera, segunda,... vez. Tambien, la información se crea y amplifica
en el contexto de una situación desordenada que se ordena, lo cual está
dentro de las espontáneas posibilidades de los sistemas complejos,
dS = - dI (4).
La típica desinformación a priori del analista frente a un sistema
complejo, se liga con la alta sorpresa a posteriori, cuando descubre en la
operación de ese sistema una propiedad asombrosa no previsible del
estudio profundo de cada uno de sus subsistemas. En la ec. (2) equivale a un
significativo parámetro de interacción b3 entre dos subsistemas x 1
y x2 . El término de la derecha de (4), interpretado como I a posteriori menos I a priori, con signo cambiado, resulta en -dI << 0. El término entrópico de la
izquierda de (4) puede ser, segun la (1), dS < 0, en circunstancias especiales. Ya se
ha señalado que corresponde a deS < 0, o sea flujo de entropía desde el
sistema no-adiabático hacia el entorno. Más en detalle,
el entorno de un sistema complejo se deja robar orden porque admite que el
sistema le transfiera, como flujo de calor, la fracción más
entrópica de su inventario energético.
Como ya se ha afirmado, la sorpresa a posteriori de recibir el mensaje o la
desinformación a priori, I, aparece con probabilidad no-nula en los
sistemas complejos. En los sistemas simples esto ya no es así. Muchos
sistemas, supuestamente complejos, fracasan en llegar a serlo. En el
sistema "un ciclista pedaleando" se pueden dar no menos de tres grandes
posibilidades de fracaso: que el ciclista sea mal deportista, que la
bicicleta sea un mal artefacto y que ambas circunstancias coincidan. Algo
que parecería ser un sistema complejo, no alcanza a esa real
categoría segun la definición de Herbert Simon. El sistema complejo
se verifica cuando se ve que la bicicleta, que debiera caerse estando quieta, se logra
estabilizar estando en movimiento por pequeños desplazamientos del cuerpo
y de las manos del ciclista. Si es una buena bicicleta y la monta un buen
ciclista, los datos que resultan pueden ser sorprendentes la primera vez y
aún algunas adicionales.
En los sistemas complejos (con capacidad de una eventual autoorganización)
de Simon, debido a la desinformación inicial, aparecen con la operación
grandes novedades que no serían tales si todo se supiera de entrada.
Entre esos casos de gran novedad, uno puede ser la aparición de una respuesta
muy simple emergente de un sistema muy complejo, cuando se lo analiza desde un
nivel superior (par. 6.f).
En cambio para sistemas muy simples con b3 insignificante o nulo, al
analista no le cuesta estar informado a priori de cómo funcionan y sus
funcionamientos no le ofrecen sorpresas. Todo se sabe de entrada y no hay
sorpresas. En el caso del "ciclista pedaleando", éste ni siquiera ha
adquirido su bicicleta, que está en una vidriera.
Un conjunto de mol�culas gaseosas en el equilibrio, observadas macroscopicamente,
no ofrecen nada sorprendente y su conducta es la predicha por el "orden" de
Boltzmann, caracterizada por la distribución
16.
estadística denominada con el nombre de dicho físico. En cambio sería
sorprendente, por revelar un ordenamiento espontaneo, encontrar todas las
moléculas calientes, no en los otros siete vértices, sino en uno
solo de un cubo adiabático. Pero esta última configuración no
será una condición de
equilibrio sino de desequilibrio. El mensaje que señale estas
últimas
circunstancias será sorprendente y con ello con mucha información a posteriori.
Para intentar clarificar esta situación, se puede señalar que
cuanto mayor
sea el número de parámetros no-nulos que hay en un modelo del tipo
de la
ec. (2), tanto mayor será el desconocimiento a priori del analista y con
ello tanto mayor será la entropía, relacionada con la
desinformación (par.
3). La desinformación creciente se explica por la progresiva complejidad
de
la ec.(2) cuando va incorporando más y más sumandos. Si en cambio
tiende a
la simplicidad, se conoce más facilmente y aquello que se conoce a priori
tiende a tener entropía nula.
En el APENDICE 2 se muestra una analogía inspiradora de nuevas
ideas. En
condiciones locales (quizás no universales), cuanto más curvada
resulta una
raya, tanto más entrópica es. Las definiciones usadas son
plausibles
fisicamente. Por lo contrario, cuanto más recta y paralela al eje de las
abcisas1es una raya o línea, tanto mayor es su orden y tanto más
se acerca
a cero su entropía.
Entonces, cuanto más curvada sea una línea, será tanto
más compleja, con
las definiciones para la complejidad basadas en una nada breve
codificación
de longitud mínima. Por lo tanto no cabe sorprenderse si se señala
que la
tendencia a la complejidad no está divorciada de la tendencia
entrópica. A
veces, lo espontáneo para un sistema simple es que con el tiempo se
vuelva
complejo, tanto más si está sujeto a alguna superposición,
al azar, con
otro sistema. Esto no se contradice con un universo que tiende a maximizar
la entropía. Existe una propensión espontánea de las formas
complejas a
envolverse sobre si mismas, cuando resultan expuestas a gradientes externos, para complicarse todavía más y relajar dichos gradientes (2a ley).
(Wagensberg y
APENDICE 2).
La coevolución de subsistemas más y más complejos tiene una
probabilidad
no-nula de
a) generar con el tiempo, una autoorganización, que emerge en forma neta
en
toda evolución observada macroscópicamente, a vuelo de
pájaro y
b) que esa generación muestre simplicidad en un nivel jerárquico
superior
(par. 6.f).
Se puede traer a colación ahora, como una de las bases de la
biotermodinámica a construir, la hipótesis de S. Kauffman
segun la
cual la
evolución es el matrimonio entre la autoorganización y la
selección
natural. Lleva a comprender que la posible autoorganización de un sistema
complejo responde a una ley biotermodinámica. Ella está
relacionada con la
teoría de los sistemas complejos adaptivos donde debiera tener su lugar
la
"teoría del andamio". Puede resultar en un proceso localmente
espontáneo, o
dicho en forma aún más comprometida, localmente entrópico.
La selección
natural darwiniana es otra muy importante ley general biotermodinámica,
que
castiga constantemente a la especies lentas en su utilización del recurso
escaso, la bioenergía.
8. PUNTO DE PARTIDA PARA UNA BIOTERMODINAMICA.
Los seres humanos están vivos en la biosfera viva. Esto, mirado
17.
macroscópicamente, debiera ser energeticamente barranca abajo. Si la
termodinámica clásica supusiera que es barranca arriba, se
tendría que
mirar muy atentamente los razonamientos termodinámicos clásicos
que
conducen a esa aseveración obviamente falsa.
Por más que se observe atentamente la termodinámica
clásica, no surge a
partir de ella el fenómeno de autoorganización, o sea la
organización sin
un explícito reglamento de armado. Esa autoorganización tiene
leyes que
derivan del orden por fluctuaciones en sistemas preorganizados no-lineales
complejos, alejados del equilibrio. Una de esas "leyes" es la del andamio.
TEORIA DEL ANDAMIO (Cohen y Stewart, H. Simon, Cairns-Smith)
Para llegar a una organización termodinamicamente defendible, el
sistema
debe pasar, como lo explica Herbert Simon, por una estructura intermedia
estable. A un relojero que está armando un reloj, le conviene que su
proceso de armado atraviese etapas intermedias de suficiente estabilidad que
impidan que su armado se desmorone a mitad camino cuando surgen las
inevitables distracciones. Llámese andamio a esa estructura compleja
intermedia. Un andamio es un punto de descanso mecánico, así como
un
teorema es un punto de descanso intelectual. Ambos, andamios y teoremas,
suelen tender hacia la simplicidad (Cohen y Stewart, p.235).
Entonces, el armado de una estructura autoduplicante eficaz necesita
pasar por un "andamio". Cairns-Smith y Wächtärhäuser
suponen que la vida
del RNA ha pasado por el andamio de la vida de la arcilla o de la pirita,
segun cual sea el autor, arcilla o pirita que le servía de muleta. La
vida
de la arcilla o pirita le ha servido de muleta a la vida del RNA. La vida
del DNA ha pasado por el andamio de la vida del RNA como etapa intermedia,
que asimismo le servía de muleta. La vida del DNA con proteínas
chaperonas,
con reparasas y con enzimas tales como las DNA polimerasas y girasas ha
pasado por el andamio de la vida del DNA sin esas ayudas, pero siempre
disponiendo ya sea de la vida del RNA como muleta, ya sea de otras etapas
intermedias. Con el pasar del tiempo la vida asexuada le sirve de muleta al
sexo y el sexo le sirve de andamio al efecto maternal (donde el DNA materno
complementa al DNA filial). Los animales sin sue�os sirvieron de muleta a los que sue�an y los animales de sangre fr�a (ectot�rmicos) sirvieron de muleta a los de sangre caliente ("endot�rmicos").
--------------------------------------------------------------------------
andamio
!
--------------------- ---------------------o
! ! no ! ! no
! copiadora--->fin ! copiadora--->fin
! ! ! !
------<----si-------- ---<----si------------
Fig 4- A la izquierda, mecanismo ineficiente de copia, ya que carece de un
ser humano que monitoree la tarea e impida el decaimiento de la calidad de
la copia. A la derecha, aplicación de la ley del andamio de Herbert
Simon,
que explica cómo algo ineficiente se puede convertir en eficiente. El ser
humano es el andamio.
---------------------------------------------------------------------------
Sea una fotocopiadora, Fig 4. Hacer fotocopias de otra fotocopia anterior
conduce a decaimiento progresivo e irreversible de la copia, con creación
de entropía, como indica la segunda ley clásica. Con el "andamio"
de un ser
inteligente que salva y usa excelentes copias como patrón para nuevas
copias, las consecuencias de la ley entrópica se solucionan. Pero
disponer
18.
de un ser inteligente es un lujo que conspira contra el recurso escaso. Es
más tecnológico que surjan otros andamios sin reglamento
explícito, que
sirvan de muleta mecánica en el caso de las fotocopias, las cuales,
entonces, incluso pueden mejorar (hacerse más nítidas y eliminar
ruído) con
esa ayuda. (Cohen y Stewart, p. 105)
Ya se ha mencionado la hip�tesis de Stuart Kauffman del matrimonio de la selección natural de
Darwin con
la autoorganización. Sea una lata abierta con arena, al cual el
experimentalista le arroja, de a uno, un manojo de municiones de plomo. El
resultado de la arena con municiones aparece desorganizado. Si se repite el
proceso con una lámina de caucho elástico tapando su boca, la
primera
munición que cae genera un atractor para las demás, que se sujetan
así a un
proceso autoorganizante.
Cualquier explicación del origen de la vida en este mismo planeta
necesita apelar fuertemente del concepto de autoorganización de los
elementos que le dieron a la vida una estructura primitiva. Sea una
arquitectura que combina en un único sistema abierto al reactor y la
reacción de la Fig 2 y una reacción autoacelerante
B----A--->2A + ....
Es un modelo autoorganizado de baja complejidad de ensamble. Puede servir
de referencia a la idea de algun sistema bioenergético/entrópico
basado en
el sol o en una fuente termal planetaria que adquiere complejidad
creciente. Con creciente inventario de orden "robado" al entorno, los
materiales (seguramente incluyendo alguna superficie) y la arquitectura
pueden en hip�tesis coevolucionar hacia un nuevo orden autoorganizado que utiliza
espontánea y eficientemente ese orden "robado". En esta tarea
intelectual/experimental habrá que salir de los límites de la
termodinámica, salvo en estos tres aspectos:
la claridad conceptual que brinda la sinergética (ciencia de las
transiciones de fase autoorganizantes) sobre los detalles de un
proceso de este tipo, como se considera en el APENDICE 3;
la persistencia de un protobiosistema donde aparecen estructuras
disipativas, que por fluctuaciones generen
progresivas
complejidad,
no-linealidad y
coevolución entre protogenes muy primitivos, cuasi inorg�nicos, consecuencia de las fluctuaciones, las que a su vez se explican en último
análisis por
el apartamiento del equilibrio; y
la selección natural darwiniana aplicada a los protogenes, considerada como proceso que tambien minimiza en ellos los requisitos energ�ticos, as� como asiste al surgimiento de fluctuaciones protobiol�gicas.
Lograda la ardua emergencia de la biog�nesis, la biotermodinámica ingresa en la tarea de explicar, como temas
básicos, la
autoorganización y, en parte, la selección natural, en una palabra, la
evolución, cuya
fuerza impulsora es la de los errores/fluctuaciones provocados por un gran
apartamiento energético con respecto del equilibrio.
La tasa de formación de errores de la maquinaria genética, la no
linealidad
de las ligaduras entre subsistemas vitales y la complejidad y abundancia de
las interacciones se deben interpretar, en estas bases, como sujetos a
amplia coevolución.
19.
Queda claro que una de las más iluminadoras leyes de la
biotermodinámica es
la de von Baer-Mayr, que relaciona la historia evolutiva embrionaria con el
ahorro de bioenergía explícito en la genial propuesta de Darwin
(Par. 1).
Asimismo queda claro que el conflicto entre, por un lado, la conducta de la vida y del
cerebro y, por otro, la clásica interpretación de la segunda ley deriva de
fallas en
esta última, que se supera con una visión más completa.
En resumen, al buscar entender lo que sucede frente a una gama de relaciones cada vez
más interactuantes, la ciencia descubre una y otra vez la
condición
creadora de las estructuras complejas, no-lineales, alejadas del equilibrio
y disipativas, creadoras no sólo de entropía (que siempre aparece)
sino de
orden e información (que aparecen con escasa probabilidad y con la ayuda
de
andamios). La eficacia creadora de estas nuevas estructuras ordenadas y de
nueva información, es variable dependiente de la complejidad, de la
facilidad de hallar andamios, del apartamiento del equilibrio, de la no-
linealidad.
Prigogine y Nicolis
Cohen y Stewart
Stuart Kauffman
Mayr
9. ENTRAMADO ENTRE COEVOLUCION Y BIOTERMODINAMICA Y TEMAS AFINES.
Es recomendable que el lector adquiera experiencia directa de un sistema
evolucionando entre el caos y el orden, experimentando con el programa para
PC denominado Life de Conway y alterando en él las simples reglas
numéricas
de los autómatas celulares abiertos a su creatividad.
Es teoricamente adecuado explicar la coevolución de una nueva
adaptación a un dado nicho por parte de una familia biológica
coevolucionante, a partir de patrones de adaptación preexistentes. De
esa manera la biotermodinámica interviene activamente en las explicaciones.
Pero no
siempre esta línea de razonamiento coincide linealmente con la realidad.
Por ejemplo, los reptiles arcaicos disponían de ciertos mecanismos de
visión diurna y los primeros mamíferos similares a reptiles
crearon
subsistemas de visión nocturna que coevolucionaron con subsistemas
perfeccionados de audición y olfación. Los siguientes
mamíferos usaron
esos avances para recrear un nuevo tipo de visión diurna para ampliar su
nicho. No recurrieron entonces a mecanismos ya probados, como prefiere la
teoría. La gran fuerza impulsora se deduce de observar de nuevo la Fig 1.
Una locomoción nocturna perfeccionada incrementa la probabilidad de buen
éxito en la búsqueda de nutrimentos.
A menudo las explicaciones son algo más lineales como sucede en este
caso
que afecta al ser humano. Mientras disminuía su capacidad olfatoria
aumentaba en su reemplazo su gestión coevolucionada de signos sociales,
vocales y auditivos (crianza, vida social), siguiendo la tendencia
característica de los primates, expertos en ser sociales, gritones y
comunicativos frente a alarmas. La crianza sui generis y la vida social
del humano, a su vez, contribuye en forma muy importante la
autoorganización de su cerebro (APENDICE 4).
Los mecanismos de coevolución (donde esta última abarca a la
selección
natural de poblaciones mixtas y a la autoorganización conjuntas) permiten
ampliar la lista de los sistemas autoorganizados inanimados (convección de
B�nard, láser, flujo de Couette, etc.) con una gran cantidad de aportes
20.
de la biología, fértil campo de explicaciones. Incluye, asimismo, la
aplicación de dichos mecanismos a la vida artificial (autómatas
celulares
replicantes, etc.).
Una especie decae y es dominada por otras cuando hay fluctuaciones en un
nicho y esa especie carece de un diversificado acervo génico y de una
exitosa coevolución con las nuevas condiciones. Los errores de copia poco
importantes y entrópicos y la capacidad de los sistemas complejos no-
lineales de eventualmente autoorganizarse de otra manera, a veces con
cascadas de transiciones de fase, son las dos herramientas de
supervivencia, microscópica y molecular la de los errores,
macroscócopica y
biotermodinámica la de la capacidad de autoorganización. Ambos
aspectos se
debieran permitir unificarse en una biología única, integrada, con
mínimas
dificultades de ensamble entre lo micro- y lo macroscópico (Mayr), con
fuerte contenido biofísico.
El crecimiento y mantenimiento de la vida, tal como hoy se la observa en
la biosfera, dependen de un cierto número de genes homeóticos, con
sus
homeocajas, que luego desencadenan reacciones bioquímicas y
fenómenos de
transporte coevolucionados en conjunto (Weisz) cuyo control necesita de
elementos altamente no-lineales. Surgen posibilidades de autoorganizaciones
que coevolucionan tanto en sus estructuras (anatomía) como en sus
funciones
(fisiología). Las nuevas autoorganizaciones macroscópicas tienen
su origen
en la arquitectura no-lineal de sus subsistemas, así como de los
microscópicos errores genéicos. A su vez, esas fluctuaciones
microscópicas
espontáneas (entrópicas, debidas a errores), unidas a nuevas
preponderancias de otros atractores resultantes de cambios en las
condiciones iniciales (cascadas de Kauffman), generan nuevas enzimas
(parámetros de orden) que canalizan el camino macroscópico hacia
una nueva
transición de fase del desequilibrio, posibilitada por una presumible
mayor
disipación comparativa del orden robado.
El resultado es una nueva autoorganización (atractor de un sistema
complejo) de origen en parte trivial. La autoorganización y la
mutación
coevolucionan. Los controles vitales cuyas causas residen en genes que
regulan el metabolismo y la conducta, coevolucionan. Ni nuevos genes
comportamentales que no tengan suficiente respaldo por parte de los otros
ya coevolucionados, ni genes estructurales que no se coadapten a los genes
comportamentales existentes. Esos genes comportamentales se entienden con
bastante claridad con las explicaciones que Beer encontró y
generalizó en
su tesis sobre redes neurales, constituídas por unas ocho decenas de
neuronas que alcanzan a explicar conductas adaptivas e inteligentes en
"invertebrados artificiales".
Beer R - Intelligence as adaptive behavior. An experiment in Computational
Neuroethology, Academic Press, 1991.
Segun los biólogos moleculares y las explicaciones de Stuart Kauffman,
cada vez que hay un error en la duplicación, hay una probabilidad,
pequeña
pero no-nula, de que ese error resulte en una innovación útil,
esto es, en
una enzima modificada, incorporable al acervo génico. Para que sea
útil,
debe armonizar con el resto de las instrucciones activas. La ausencia de
armonía para el producto del nuevo error, conduce a que los herederos del
gen muestren desventajas comparativas, salvo que dicho producto logre
quedar reprimido.
Aun con desventajas comparativas en condiciones normales, la enzima
erróneamente armada y sin armonía con casi todo el resto del
acervo génico,
21.
puede llegar a ser, con reducida probabilidad, la tabla de salvación de
la
especie al cambiar el habitat o al aparecer un nuevo depredador y ser
derreprimida si hiciera falta. La mecánica de los transposones es una
posibilidad de derrepresión. Si efectivamente sus propiedades
anómalas
lograsen ser la tabla de salvación, el gen y su enzima
desempeñarán un
papel prioritario en la supervivencia.
Alguna vez será indispensable para esta última que entre el
resto de las
instrucciones se encuentren versiones erróneas complementarias, que
justamente coevolucionen, de allí en más, con la anómala
prioritaria.
Otras veces la tarea la realiza un nuevo atractor resultante de cambios en
las condiciones iniciales. Esto se entiende con las explicaciones de
Kauffman referidas a cambios de nivel superior en genes que regulan si hay
que aplicar una Y lógica, o por lo contrario, una O lógica para
buscar un
atractor alternativo con perspectivas. Como resultado, las fluctuaciones
durante la coevolución constituyen así una explicación
causal microscópica
del fenómeno macroscópico de la transición de fase del
desequilibrio. La
fluctuante coevolución explica la aparición de
transiciones de fase del desequilibrio de las adaptaciones a nuevos habitats
o nuevos riesgos (depredadores, etc.).
Kauffman S
Los caos disipativos de Prigogine se interpetan como suma de comportamientos que pueden provocar, con relativamente escasa frecuencia,
ordenamientos locales a través de transiciones de fase del desequilibrio.
Es especialmente interesante en biología un sistema complejo ubicado en
la
zona de transición entre el orden y el caos, donde se dan óptimas
readaptaciones de dichos sistemas complejos. Sobre todo al caer y
desarmarse restricciones previas, como las asociadas con barreras del tipo
de no poder volar o similares (Kauffman). Las ondas de los encefalogramas
revelan que el cerebro como sistema está en zona de caos disipativo. Las
ondas estacionarias estables del cerebro caracterizan a los ataques de
epilepsia.
ESTRATEGIAS QUE ACTUAN COMO ATRACTORES.
La dinámica evolutiva de poblaciones parece tener atractores que se
buscan
espontáneamente pero no a propósito. Las causas, los
propósitos son
construcciones mentales del humano. Aparece para el hombre muchas veces la
sensación de existir una correntada de la dinámica evolutiva, una
tendencia
o flecha hacia ciertos atractores de mínima energía. Quizás
sea más real
indicar que si un linaje de depredadores tiene cada vez más velocidad y
garras cada vez más puntiagudas, las presas deben mejorar porque sus
depredadores mejoran.
Si se permite la metáfora de la existencia de atractores de
supervivencia,
está claro que una especie, que por ventura llegara a un atractor ideal,
no
sufre por esa causa transición de fase alguna ni tiene forma de
evidenciar
que se "cumplió su propósito".
En el contexto de esta metáfora, se podría sugerir que el
mecanismo básico
de la vida es el apartamiento tanto de estructuras simples, como de
comportamientos simples a niveles inferiores. La extrema simplicidad
actúa
como separatrix o muro. Cerca de esa separatrix todos los puestos de los
diversos nichos están ocupados desde hace tiempo. En la Fig. 5, las
ordenadas a la izquierda son imposibles de ser atravesadas para avanzar
todavía más a la izquierda, por lo cual el principal
fenómeno factible de
Actualizado 19 de Octubre, 1998
(Pagina en preparacion) Adios.
