Ni el universo, ni las partículas fundamentales. La vida: La última frontera

Que si el universo, que si la gravedad cuántica, que si la teoría del todo, que si el Higgs, que si la supersimetría, todo eso está muy bien, pero cuando pensamos en física generalmente nos olvidamos de algo, la biología.  Los sistemas vivos por definición son sistemas físicos, pero lo que tenemos claro a día de hoy es que la descripción de tales sistemas es formidablemente complicada.

Nuestras leyes físicas fundamentales dan cuenta de las interacciones entre las partículas, de cómo es la dinámica de las galaxias, de cómo controlar las corrientes eléctricas y campos electromagnéticos, sin embargo, a pesar de la formidable acumulación de conocimiento en física y matemáticas durante los últimos 300 años aproximadamente se puede decir que en el entendimiento de los sistemas biológicos aún no hemos empezado ni a gatear.

Los problemas que un físico o matemático puede afrontar en biología son muchos:

–  ¿Cómo se conforman las estructuras tridimensionales de proteínas y ácidos nucléicos?  Dada una cadena lineal de aminoácidos aún no entendemos completamente cómo se llegan a las estructuras finales de las proteinas.  Y por supuesto la conformación de cromosomas y su dinámica está en una situación análoga.

Es que ni tan siquiera sabemos a ciencia cierta que tipo de enlaces son los que participan en esta conformación.  Los enlaces en las moléculas orgánicas suelen ser covalentes, pero los que dirigen la estructura de la proteina y su conformación no parecen ser de este tipo.

– ¿Cómo se mantiene vivo un sistema vivo?

Esta pregunta es muy interesante.  Sabemos perfectamente que hay una cosa en el universo que tiende a aumentar, la entropía, y que la entropía aumenta con la desorganización.  Pero un sistema vivo puede ser muchas cosas pero no es desorganizado.  Entonces se produce una inversión local de la segunda ley de la termodinámica.  Esto lo entendemos un poquito mejor gracias a la termodinámica del no-equilibrio.  Un sistema vivo sin duda alguna no está en equilibrio con su ambiente.  Para empezar nosotros no tenemos la misma temperatura que el ambiente, lo cual supone luchar contra la ley de la conservación de la energía.  Y relacionado con esto está el problema de la autorganización.

No sabemos muy bien cómo un sistema compuesto por «cosas» aparentemente desconexas se ensambla de tal forma que el resultado es un sistema que presenta unas características que no son deducibles de las propiedades de sus constituyentes por separado.  Y este es un gran problema.

– ¿Motores moleculares? ¿Cómo?

En los sistemas biológicos pasan cosas asombrosas a nivel molecular y una de ellas es que existen complejos moleculares (de proteínas fundamentalmente) que son verdaderos motores.

 ¿Pero cómo se ensambla eso? ¿Cómo obtienen su energía?

Por otro lado estos son sistemas pequeños.  Y resulta que están sometidos a muchas fluctuaciones del medio y sin embargo se mantienen estables.  Pero esto es una cosa genérica, en las células muchos procesos esenciales se llevan a nivel molecular con una precisión increíble manteniéndose las estructuras y los procesos estables frente a perturbaciones térmicas, químicas, etc.  Tampoco sabemos por qué pasa eso.

–  Luego tenemos el problema de la gestión de la información.  El típico ejemplo es que si partimos de una única célula (totipotencial) que se va dividiendo hasta formar un cuerpo completo, cómo sabe cada célula (madre o no diferenciada) si corresponde al higado, al cerebro a un hueso o a un ojo y así diferenciarse (expresando un grupo de genes u otros) para funcionar adecuadamente en su entorno.

Problemas como estos y muchos más son los que hacen necesaria la participación de físicos y matemáticos en el entendimiento de los problemas asociados a la vida y a los sistemas vivos.  Sin duda este es un campo magnífico de estudio,  se necesitan conocimientos pluridisciplinares y prácticamente está todo por hacer. Pero existe un handicap, que supongo que con el tiempo se irá puliendo.  Tenemos un problema de lenguaje, los biólogos, por regla general y salvo honrosas excepciones, no se han preocupado mucho por la formalidad matemática ni por las teorías físicas.  Esto es lógico porque su guerra era otra, pero conlleva que el entendimiento entre dos puntos de vista en investigación tan diferentes no sea fácil de superar.

Pero ya desde el punto de vista físico/matemático, la biología teórica (biofísica o biomatemática) ofrece increíbles oportunidades para un físico o matemático.  Dejadme que ponga una lista parcial de cosas que hay que saber para trabajar en estos temas (en alguno de sus aspectos):

– Teoría de juegos  = Especialmente en problemas de poblaciones y de evolución.

– Derivadas parciales (ecuaciones) = Para modelizar por ejemplo las vías metabólicas, el desarrollo y ciclo celular, etc.

– Termodinámica de procesos irreversibles (o del no-equilibrio)

– Mecánica estadística.

– Teoría de grafos = para modelizar las redes metabólicas por ejemplo.

– Autómatas celulares = para un modelado computacional del comportamiento de los sistemas vivos.

– Teoría de sistemas (sistemas complejos)

– Teoría del caos (sistemas dinámicos no lineales)

– Teoría de la información

– Matemática computacional

– Redes neuronales

y un largo, largísimo etc.

Por eso, si eres físico matemático o biologo, y estás pensando a qué decantarte en investigación en un futuro, no olvidéis que aquí hay todo un campo por explorar que se necesita entender esto porque las repercusiones a nivel de sociedad serán impresionantes.  Por ejemplo entendiendo como diseñar moléculas con una determinada conformación se podrían hacer medicamentos específicos que atacaran específicamente a los patógenos o células cancerígenas.  Y así, un suma y sigue.

El universo está muy bien, muy bonito, muy oscuro y con muchas cosas por ahí colgadas que explotan.

El mundo de las partículas también es precioso, que si estoy aquí y allí a la vez, que si a veces estoy en un lado de la pared y a veces en el otro, que si los bosones, que si los fermiones.

Pero los físicos no deberíamos de olvidar nunca que cuando Schrödinger abrió la caja y encontró al gato vivo lo que se preguntó es:

¿Y por qué esta vivo el gato?