Cómo y por qué la Evolución genera individuos: extractos de dos trabajos de Michael Levin

Foto: Alfonso Vila Francés

 

La centralidad de la agencia y la persecución de fines: por qué la evolución genera individuos

¿Qué es lo que hace que un “sistema”, esto es, un ser vivo o una organización, oriente su conducta al logro de objetivos? A primera vista, la respuesta más obvia es porque ese sistema es “inteligente”, esto es, comprende cuál es el objetivo, percibe de qué medios dispone para lograrlo y comprende qué conductas lo acercan a dicho objetivo.

¿Puede explicarse esa conducta “orientada a objetivos” sin tener que presumir una inteligencia detrás? esto es, simplemente suponiendo un sistema capaz de predecir lo que ocurre a su alrededor, “percibir” y reaccionar frente a lo que percibe: predecir, percibir, reaccionar. Una concepción unificadora de la conducta orientada al logro de objetivos se extendería

desde las simples vías homeostáticas hasta la cognición compleja a través de mecanismos fisiológicos evolutivamente antiguos de comunicación entre células…cada capacidad tiene una historia natural y surge a partir de variantes más simples.

... la orientación hacia objetivos – goal directedness - se entiende en el sentido… de un sistema de retroalimentación que opera para maximizar algún estado de cosas específico (que puede ser modelado como un sistema dinámico con atractores en su espacio de estado)…

El individuo tiene que desarrollar “detectores de agencia”, es decir, mecanismos que le permitan distinguir, en su entorno, entre lo que forma parte del propio individuo y lo que no. Lo primero son “sus partes”; lo segundo son “agentes” distintos de él mismo (hemos de ser capaces de distinguir un brazo de nuestro cuerpo de la cabeza de otra persona)

con los que puede interactuar de una manera diferente a como interactúa con sus partes. De manera que un individuo ha de detectar y “comprender qué aspecto de un ecosistema exótico constituye una especie de individuo biológico coherente” y qué aspecto forma parte de sí mismo.

Un individuo, se define así sobre la base de

“la información y la orientación hacia objetivos… mecanismos próximos que provocan las transiciones importantes y proporcionan una historia evolutiva plausible de cómo la homeostasis primitiva conduce a la actuación intencional avanzada”

La biosfera como matrioscas y la capacidad de predicción y reacción como rasgo de las formas de vida más simple

Los ecosistemas consisten en grupos que están compuesto de organismos, que a su vez están formados por órganos, compuestos de tejidos, que consisten en células formadas por redes bioquímicas. La mayoría de las características observadas en el control anatómico de organismos complejos, incluyendo la diferenciación, la plasticidad, la muerte celular programada, reparación regenerativa, y la maquinaria "neuronal" ya existían en formas de vida antiguas y unicelulares. Se conoce la capacidad de células como las bacterias y la levadura para calcular y predecir eventos futuros usando patrones inferidos de experiencias anteriores

Y si estas formas de vida antiguas y unicelulares tienen capacidad de predicción, parece natural utilizar lo que sabemos de ellas “para comprender la función neuronal”. Es decir, para poder explicar cómo los individuos biológicamente hablando que tienen sistemas nerviosos, pueden integrar “la información espacio-temporal, la memoria y la capacidad de perseguir resultados específicos a través de la selección de comportamientos entre varios posibles” y cómo estas capacidades “evolucionaron a partir de orígenes pre-neurales mucho más antiguos”.

Las células individuales son muy buenas en el manejo de su morfología, comportamiento y fisiología, según sea necesario para la supervivencia, alterando su motilidad y metabolismo en respuesta a, y proactivamente, a cambios en las condiciones ambientales. Tienen éxito en la explotación de su microambiente hacia la reproducción óptima mediante la selección de entre numerosas opciones posibles de comportamientos y patrones de expresión génica. Aunque los mecanismos por los cuales esta habilidad de los organismos unicelulares para lograr fines adaptativos específicos se aprovecha en la transición hacia la multicelularidad cooperativa todavía no se entienden bien, una cosa está clara: las células somáticas no pierden su plasticidad conductual y sus capacidades computacionales cuando se convierten en parte de los enjambres de metazoos (cuerpos): al contrario, los amplifican para conseguir objetivos más amplios consistentes en crear y mantener anatomías sumamente complejas.

La plasticidad

Por ejemplo, cuando se perturba a los renacuajos en el laboratorio de tal manera que sus órganos craneofaciales están en posiciones anormales, aún así producen caras de rana en gran parte normales debido a que los ojos, las mandíbulas y otras estructuras se mueven en trayectorias no naturales y sólo se detienen cuando se alcanza una "configuración correcta de la cara de la rana"… (un ejemplo de los muchos que hay de remodelación hacia un resultado invariable”). Revelan la capacidad de las células somáticas no sólo para perseguir morfologías específicas a pesar de las perturbaciones y los escenarios novedosos, sino también para perseguir resultados de patrones colectivos que son verdaderamente enormes con respecto a la escala de tamaño y organización de las células individuales: la longitud de una extremidad o la configuración de una cara simplemente no están definidas a nivel de las células individuales - los puntos de ajuste de los mecanismos de patrones homeostáticos implementados por un colectivo celular son grandes macrostatos a nivel de órgano.

La decisión es aleatoria, pero todas las células que están en un dominio toman la misma… Esto también se ve en la conversión de células pigmentarias normales de rana a melanoma - la decisión de convertir es estocástica en una población de animales, pero es tomada por todos los melanocitos dentro de un cuerpo que actúa como una única unidad coherente de decisión… La capacidad de las células para unirse en dominios que ejecutan decisiones de grupo, ya sean deterministas o estocásticas, es un componente esencial de la evolución de las formas complejas y será un componente central de una propuesta de definición de un Individuo.

A partir de “la cognición mínima como coordinación sensorial-motora” se expande “para incluir el comportamiento de las células durante la morfogénesis como una especie de actividad sensoriomotora de un agente que genera patrones”.

Todo empieza con la bioelectricidad

Se ha sugerido que la excitabilidad de la membrana es la base ancestral de la psicología. Por lo tanto, es probable que que las capacidades cognitivas de los cerebros avanzados se encuentren y evolucionen a partir de un proceso de cálculo mucho más simple, procesos que se conservan ampliamente tanto en el ámbito funcional y niveles de mecanismo (molecular). El procesamiento de la información y la integración espacio-temporal necesaria para construir y regenerar cuerpos complejos surge de las capacidades de las células, que la evolución exaptó y escaló como repertorio de comportamientos de sistemas nerviosos complejos que subyacen a los sistemas familiares ejemplos de «Yoes». Una apreciación de estos aspectos de la biología del desarrollo difumina la distinción entre mente y cuerpo.

Las neuronas utilizan estrategias bioeléctricas computacionales que ya habían sido descubiertas y explotadas por la evolución desde las bacterias. No hay distinciones claras entre redes neuronales y redes bioeléctricas somáticas no neuronales (aunque funcionan en diferentes escalas de tiempo)… Los procesos cognitivos también se reflejan en la antigua conservación molecular de los mecanismos: los canales iónicos y las moléculas neurotransmisoras son omnipresentes a través de la árbol de la vida. La integración bioeléctrica ayudó a evolucionar las estrategias de control y el contenido cognitivo a través de un continuum desde las redes químicas hasta las mentes humanas…

Las células cancerosas

Las células cancerosas pueden explicarse en los siguientes términos: en ausencia de señales colectivas, vuelven a su pasado unicelular, cuando sus comportamientos estaban dirigidos a optimizar el futuro de una sola célula: proliferar tanto como sea posible, y viajar a cualquier lugar que ofrezca el mejor entorno local para los nutrientes y la expansión… Esto es una quiebra de la multicelularidad y pone de manifiesto que la escala en la que las células trabajan puede cambiar rápidamente - desde la cooperación hacia un sistema entero de órganos o cuerpo hasta el nivel de una sola célula.

Los cuerpos normales consisten en redes de células que trabajan juntas hacia un objetivo unificado - crear y mantener grandes estructuras. En un sentido importante, cada célula está integrada, a través de señales fisiológicas, en una inteligencia de enjambre coherente con los objetivos a nivel de sistema (anatómicos). En el cáncer, el alcance del Ser/Yo coherente de una célula se reduce desde el Ser tan grande como el límite de un cuerpo entero, hasta el de la superficie de una sola célula. El alcance del Ser - la estructura que una célula trabaja para mantener y reforzar - se encoge drásticamente de dos maneras principales.

En primer lugar, espacialmente: al estar aislado eléctricamente de sus vecinos por un cierre de sinapsis química, la célula no puede percibir eventos distantes ni comunicarse a través de distancias anatómicas con otras células y con el mundo exterior… los límites entre el Ser y el resto del mundo varían: la multicelularidad amplía los límites del Ser mientras que la carcinogénesis los reduce y altera la conducta de las células dirigiéndola hacia un modo que no es beneficioso para el organismo entero… (el aislamiento eléctrico)… vuelve a las células “miopes”, desarrollan una actividad que resultará en su muerte y en la del organismo

…el concepto evolutivo clásico de "egoísmo" (sigue valiendo)…

las células de un organismo metazoico no son menos egoístas que los organismos unicelulares o las células cancerosas. Son igualmente egoístas, trabajan sólo para el beneficio de sí mismas, pero el Ser relevante, el que defienden es mayor en términos de espacio, tiempo y complejidad… lo que define a este Ser son los límites del traspaso de información entre las subunidades… este cambio no es binario y puede ocurrir a niveles intermedios (diente, pelo, piel, músculo)…la mayor parte de los sistemas biológicos consisten en Seres sucesivos y múltiples…  Cada agente interno mantiene su propio Yo local sólo en la medida en que regula (restringe) el flujo de información procedente de los vecinos y establece así estados únicos que no coinciden con los del colectivo.

Estas ideas se conectan de forma natural con las visiones del egoísmo a nivel de los genes (Dawkins); si es útil pensar en los genes como agentes egoístas, es doblemente plausible ver las células y los tejidos como tales, ya que estos últimos tienen mucha más capacidad de actividad y de cálculo. En el futuro se desarrollará, en los contextos de la ontogenia y la evolución, cómo la optimización de estados de cosas específicos (búsqueda de metas - egoístas o no) ocurre simultáneamente en muchas escalas de la organización biológica.

Todo va de cooperación y competencia

… Se producen dinámicas evolutivas y de juego dentro y entre cada nivel de organización, en forma de cooperación y competencia. Mientras que la competencia entre las células de un cuerpo sólo ahora está empezando a ser caracterizada en detalle molecular, es un hecho conocido desde hace tiempo que diferentes subestructuras en un organismo, por lo demás unificado, no tienen los mismos objetivos y pueden trabajar con propósitos divergentes… La capacidad de las subunidades para entrar en una red de comunicación con escala variable de límites ya está siendo reconocida en la dinámica de los enjambres…

Lo que determina los límites de un individuo es “la extensión de la información activa”, esto es, se califican como subunidades de un SER las que permanecen comunicadas entre sí”

Qué es un individuo

La escala y los tipos de objetivos que un sistema puede perseguir define (determina) los límites y el contenido del supuesto "agente"… Desde este punto de vista, lo que define a un Ser coherente y unificado a partir de sus componentes constitutivos y el entorno que lo rodea es el conjunto de partes que operan para alcanzar estados con objetivos específicos. Como un teorema, que tiene una naturaleza holística no compartida por ninguno de los axiomas por separado, un individuo funcional es más que la suma de sus partes en el sentido de que la capacidad dirigida a la consecución de objetivos emerge sólo de la actividad integrada de todos los componentes…

La capacidad de un sistema para actuar orientado hacia contrafactuales específicos (estados futuros que no son reales en este momento pero que se pueden alcanzar a través de acciones específicas) es central para definir, comprender y comunicarse con un individuo arbitrariamente constituido, que puede consistir en muchos niveles de componentes organizados…

El rasgo inicial y más primitivo de un sistema viviente son las preferencias - el hecho de que algunos estados del mundo son mejores para su bienestar que otros

Esto permite a dichos sistemas aprender de los refuerzos positivos y negativos, lo que lleva a una explosión de capacidades computacionales y de conducta. Las preferencias se transforman en objetivos a medida que el sistema crece en complejidad y poder causal y se vuelve capaz de actuar en el mundo haciendo probable que se mueva hacia las regiones preferidas de estado (inicialmente, restringido) en la simple supervivencia metabólica, pero abarcando todo el camino hacia las complejas necesidades psicológicas humanas y quizás más allá.

Es probable que cualquier forma de vida que observemos hoy (que haya pasado el filtro de la selección) tenga preferencias y sea buena optimizándolas (haciendo de este criterio una parte útil de la definición misma de la vida), pero es posible que nuestros esfuerzos iniciales en la creación de vida artificial puedan construir algunos verdaderamente primitivos, transitorios que pueden mantener un grado de coherencia en un entorno de laboratorio protegido sin un eficiente capacidad de búsqueda de objetivos.

La complejidad y la distancia

Un organismo muy simple sólo puede tener preferencias sobre lo que está ocurriendo en el momento actual, en su entorno inmediato. Un organismo más complejo, cuya estructura causal permite el aprendizaje asociativo, puede buscar o evitar los estímulos que se encuentran a varios pasos de distancia en el espacio, el tiempo y la conexión causal de lo que sea que esté eligiendo. Este tipo de aprendizaje permite asociaciones entre estímulos que inciden en sensores muy diferentes en distintas partes del organismo y conduce a preferencias de comportamiento sobre estímulos que son en sí mismos neutrales (no causan daños ni proporcionan una recompensa inmediata) pero están vinculados a futuros resultados positivos y negativos por experiencia pasada (conexiones causales indirectas que se extienden a través de distancia corporal e historia de la vida)…. El límite cognitivo de un individuo… es el conjunto de eventos más distantes (en el tiempo y el espacio) que este sistema puede medir e intentar regular a través de su actividad unificada por objetivos… La expansión del horizonte es lo que permite que la información (en el sentido de Shannon) adquiera sentido, ya que los datos se vinculan causalmente a experiencias lejanas y pasadas, y adquieren implicaciones para las expectativas futuras.

A lo largo de las escalas evolutivas, ha habido "saltos inflacionarios" - innovaciones en la estructura corporal que aumentan drásticamente el límite cognitivo de los seres viables… ¿cómo sería un ser con un límite cognitivo mucho más grande que un Homo sapiens típico? Es interesante considerar si este es el tipo de resultado previsto en las tradiciones clásicas que postulaban la evolución de la conciencia humana a un estado de "Budeidad" - una frontera cognitiva tan grande que tal individuo sería capaz de, por ejemplo, preocuparse directamente por el bienestar individual de una miríada de seres. Es probable que los esfuerzos en la vida artificial, la mejora biomédica, o la IA de ingeniería den lugar finalmente a Seres/Yos mucho más grandes, ya que es poco probable que la esfera cognitiva humana de hoy en día sea la máxima posible

¿Qué presiones evolutivas conducen a que las fronteras cognitivas se expandan, dando como resultado la variedad de agentes observados en la biosfera?

Propongo que el "átomo" de esta jerarquía cognitiva es la homeostasis. El antiguo origen de las formas de vida se basa en la capacidad de algunos sistemas simples para mantener la coherencia y distinguirse del entorno externo, contra las perturbaciones, manteniendo la integridad espacial y metabólica asegurando que ciertos parámetros se mantengan en rangos específicos.

Esta persistencia homeostática es el origen de los objetivos cognitivos - los puntos de ajuste de los circuitos bioquímicos subcelulares que reaccionan a las perturbaciones de forma que mantienen el rango de parámetros son los primeros y diminutos ejemplos de sistemas integrados de búsqueda de objetivos… La capacidad de operar en relación con una región en el espacio puede ser el origen primitivo de sistemas cognitivos complejos que pueden (contrafácticos) recordar o anticipar eventos que no están ocurriendo en este momento.

Un segundo paso para el bucle homeostático más simple es la aparición de un conjunto más rico de "capas ocultas" (en el sentido de red neuronal) - nodos bioquímicos adicionales entre los sensores y efectores de un sistema dado que permiten un grado de memoria. Introduciendo un retardo entre los estímulos y las respuestas y mediante la inclusión de bucles de retroalimentación adicionales que permiten mantener el estado después de los estímulos transitorios, se crea un potente circuito homeostático, que utiliza la memoria de los eventos pasados para anticipar, no sólo reaccionar, a los desafíos del entorno…

… la memoria puede servir como el comienzo de la modularidad porque el aprendizaje agrupa esencialmente diversos estímulos en representaciones comprimidas… la maquinaria sensorial, que incorpora las señales al agente cognitivo, es extremadamente antigua. El sentido del tacto, el gusto, la temperatura, el oído, etc. de los animales complejos está mediado por los mismos mecanismos de canales de iones que ya fueron descubiertos por las bacterias y utilizados para dar sentido a su mundo…

… Agentes escalados por la evolución de bucles homeostáticos básicos, impulsados por la inferencia activa (minimización de la sorpresa) a través de la adición de retrasos (memoria), la anticipación (inferencia), y redes (procesamiento distribuido espacialmente que permite el aprendizaje y la abstracción/generalización progresiva de los datos).

La conducta es el control de lo percibido

Esta capacidad básica de aprendizaje e inferencia es el origen primordial de la "comprensión" y la inteligencia en los cerebros avanzados, que puede definirse como el proceso de inferir patrones a partir de datos en bruto y hacer "mapas" de regularidades en las observaciones que ocupa a cada uno de los Yos, desde el más simple de los organismos hasta el científico que trabaja en la extracción de la teoría profunda de los datos

Se ha propuesto explicar el advenimiento de la multicelularidad como resultado del afán de minimizar la sorpresa: una célula sólo tiene que rodearse de su progenie para asegurarse un entorno mucho más previsible (el objeto menos sorprendente del mundo es una copia de uno mismo) (Fields y Levin, 2019). Si se mantiene a esta "infantería de primera línea" en su lugar y se le suprime la proliferación (y la diferenciación), uno obtiene inmediatamente el tipo de arreglo que se ve en toda la biología, desde los sistemas de células madre/soma hasta la dinámica de reinas/trabajadores en las colonias de insectos. El cuerpo circundante se convierte en un escudo informativo (manta de Markov) para la célula madre (Friston, 2013); la adición de capas de células epiteliales y mesenquimales permite una especie de red similar a la neuronal en la que cada capa proporciona un mayor nivel de abstracción respecto a los estímulos ambientales, permitiendo a los tejidos profundos percibir no simplemente señales en bruto, sino altamente procesadas, datos comprimidos de dimensiones reducidas que forman una especie de "conocimiento" primitivo sobre los patrones del mundo exterior.

La transición a la multicelularidad

Una forma en que los organismos unicelulares pueden minimizar la sorpresa con respecto a los insumos externos es estar rodeados de copias somáticas de sí mismos, agentes altamente predecibles que, en efecto, reducen la incertidumbre en sus microambientes… la transición a la multicelularidad puede modelarse como una transición… impulsada por las amenazas ambientales… pueden surgir cuerpos multicelulares si las células somáticas no reproductivas protegen a sus padres reproductores de la letalidad ambiental… al organizarse en un pool… electroquímico e informativo, todas las células son capaces de medir y detectar eventos que ocurren dentro del mismo límite, creando un individuo más grande que emerge del colectivo. El nuevo individuo es un conjunto integrado porque sus subunidades ya no tienen exclusivamente sus propios microambientes locales y distintos (y por lo tanto modelos internos del mundo), sino que se ven obligados a compartir una realidad más grande y común debido a la difusión de la información y la influencia entre ellos. Tales individuos colectivos pueden tener una mayor capacidad de resolución de problemas que sus miembros, porque pueden soportar una arquitectura en capas con canales de comunicación dependientes de la experiencia (sinapsis, ampliamente definidas)… la complejidad morfológica y la multicelularidad son impulsadas por la infotaxis o recogida de tanta información como sea posible, desde lo más lejos (tanto en el espacio como en el tiempo) que sea posible, para minimizar la sorpresa y optimizar la predicción. Cuanto más se conecta una célula a otras células en las redes, mayor es la capacidad de procesamiento y mayor el horizonte de lo que el individuo compuesto puede potencialmente percibir, recordar y almacenar. Se sabe que la coordinación de las células hacia un solo objetivo (patrón corporal) está en parte controlada por la actividad de las redes bioeléctricas mediadas por las uniones de los huecos.

La clave es un equilibrio de intercambio selectivo de información, a través de "sinapsis"… Si se comparte demasiado poco, el resultado es un fracaso para unir las subunidades en un nuevo Yo. Si se comparte demasiado el resultado es una sopa con insuficiente diferenciación de módulos y abstracción de información a través de distintas capas…

Cómo la distinción entre competencia y cooperación es cuestión de escala – perspectiva

La hipótesis de la cognición libre de escala no se basa en la cooperación per se - construye la cooperación de agentes egoístas minimizando su estrés (sorpresa) y compitiendo por la información. La codicia, a nivel de célula única, por la información (infotaxis) impulsa la cooperación, ya que cada unidad expande su límite de medición (comunicación con los vecinos) y por lo tanto, inevitablemente se convierte en parte de un yo mayor con mayores puntos de ajuste que sirven como atractores homeostáticos. Sólo parece cooperación desde una perspectiva de un nivel superior, porque el nivel superior de la organización muestra un Yo integrado que aparece, necesariamente, cooperativo.

célula > cuerpo > enjambre 

La señalización entre los animales de un ecosistema no es fundamentalmente diferente de la señalización dentro del cerebro - ambos son ejemplos de información que se propaga a través de una red de microagentes con competencia local. Otros han señalado los paralelismos entre la dinámica del cáncer y la degradación a nivel de los ecosistemas…

Esto ayuda a explicar el rompecabezas original de Darwin sobre la evolución, porque el cuerpo no es un lienzo estático o simplemente un conjunto de características que surgen de las reglas de los micro-niveles. La dirección morfogenética del objetivo es un importante engranaje evolutivo, que suaviza el paisaje de la aptitud anatómica ocultando los efectos potencialmente perturbadores de las mutaciones aleatorias.

Cuando las subunidades exhiben su propio nivel de inteligencia competente y local, no es necesario que ocurran muchas mutaciones para que una característica sea útil. Una mutación puede cambiar la forma en que algo opera, pero las otras partes pueden ser capaces de continuar persiguiendo su mismo objetivo anatómico aunque las condiciones hayan cambiado. Esta plasticidad somática es ubicua en la biología porque los agentes complejos consisten inevitablemente en microagentes que fueron seleccionados sobre la base de la competencia protocognitiva lo que hace que los rasgos complejos puedan evolucionar mucho más fácilmente.

Las mutaciones

Desde la perspectiva de las células, una mutación es sólo otro ataque de un ambiente hostil – la célula ha de seguir adelante a pesar de esta perturbación, y ajusta su actividad como lo harían a cualquier estresor externo. Desde este punto de vista, la organización de estructuras de control cibernético a diferentes niveles originadas por simples ventajas de supervivencia homeostática, son la fuente de la agencia a múltiples escalas Por lo tanto, cualquier circuito eléctrico que permita bucles de retroalimentación y memoria es suficiente para el comportamiento muy primitivo… Puede ocupar de forma estable más de un estado, y cambiarlo de un estado a otro no requiere cambiar el hardware (alterando los perfiles de las proteínas mediante cambios transcripcionales).

Un repollo no puede suicidarse

Michael Levin, The Computational Boundary of a “Self”: Developmental Bioelectricity Drives Multicellularity and Scale-Free Cognition, Frontiers in Psychology, 2019

Chris Fields & Michael Levin Somatic multicellularity as a satisficing solution to the prediction-error minimization problem, 2019