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domingo, 3 de enero de 2021

El regulador de Watt


El regulador centrífugo 
De R. Routledge - Image from Discoveries and Inventions of the Nineteenth Century


la química de la vida sólo tiene sentido cuando se considera en términos de información

El texto que traduzco a continuación está extraído de un librito maravillosamente escrito por un premio Nobel que – me parece – explica con claridad cómo la vida supone que la materia a la que se le proporciona energía, se comporta como si tuviera objetivos o propósitos, esto es, como si tuviera entendimiento y voluntad. La evolución proporciona esa sensación gracias a la selección natural: las mutaciones genéticas heredables que impidan que el organismo que las hereda sobreviva en un entorno determinado desaparecen porque el organismo portador muere y no se reproduce. Por eso, todo lo que vemos parece adaptado para sobrevivir a su entorno. Es un espejismo: resulta que no vemos a sus “parientes” inadaptados. Murieron sin reproducirse.

Nurse explica los mecanismos celulares del ADN y la regulación genética como dos ejemplos en los que “parece” que alguien con entendimiento y voluntad como Huygens o Watt hubiera diseñado un mecanismo para conseguir un objetivo: la replicación del ADN y la activación o desactivación de un gen cuando las células “construyen” un tejido de un animal, por ejemplo. Cuando observamos esos fenómenos a través de los efectos que producen, a nuestro cerebro

Para entender mejor lo que significa que las células utilicen la información para autorregularse, podría ser útil examinar primero cómo se consigue los mismo en máquinas diseñadas por el hombre más sencillas. Tomemos el regulador centrífugo, desarrollado primero para su uso con piedras de molino por el polímata holandés Christiaan Huygens, pero adaptado con gran éxito por el ingeniero y científico escocés James Watt en 1788. Este dispositivo puede ser instalado en una máquina de vapor para asegurar que el motor funcione a una velocidad constante, en lugar de acelerarse en exceso y provocar una avería. Está compuesto por dos bolas de metal que giran alrededor de un eje central, que impulsa la propia máquina de vapor. A medida que el motor funciona más rápido, las fuerzas centrífugas empujan las bolas hacia afuera y hacia arriba. Esto tiene el efecto de abrir una válvula, que libera el vapor del pistón de la máquina, reduciendo la velocidad de la máquina de vapor. A medida que el motor se desacelera, la gravedad tira de las bolas de acero del regulador hacia abajo, cerrando la válvula y permitiendo que la máquina de vapor se acelere de nuevo, hacia la velocidad deseada

Podemos entender mejor el regulador de Watt en términos de información. La posición de las bolas actúa como una indicación de la velocidad del motor. Si esa velocidad excede el nivel deseado, entonces se activa un interruptor - la válvula de vapor - que reduce la velocidad. Así se crea un dispositivo de procesamiento de información que la máquina puede utilizar para autorregularse, sin necesidad de ninguna intervención de un operador humano. Watt construyó un dispositivo mecánico sencillo que se comporta como si tuviera un propósito. Su propósito es mantener la máquina de vapor operando a una velocidad constante, y logra ese objetivo brillantemente.

Obsérvese en qué sentido se utiliza aquí la palabra “información”. Son “datos” generados por un elemento que desencadenan reacciones en otros elementos. En el caso del regulador de Watt, el cambio de posición de las bolas en el espacio provoca que se abra la válvula y la apertura de la válvula provoca que la presión del pistón disminuya lo que provoca que el motor funcione más lento, y al revés.

Los sistemas que funcionan de manera conceptualmente similar, aunque a menudo a través de mecanismos mucho más complejos y flexibles, se utilizan ampliamente por las células vivas. Esos mecanismos permiten lograr la homeostasis de forma eficiente. La homeostasis es el proceso dinámico que mantiene estables las condiciones propicias para la supervivencia. A través de la homeostasis, el cuerpo mantiene constante su temperatura, su volumen de fluidos y el azúcar en la sangre, por ejemplo.

Dice la Wikipedia que la homeostasis “es una propiedad de los organismos que consiste en su capacidad de mantener una condición interna estable compensando los cambios en su entorno mediante el intercambio regulado de materia y energía con el exterior (metabolismo)”. Las organizaciones sociales, esto es, los mecanismos que permiten que un grupo humano mantenga la estabilidad reaccionando a los cambios que se producen en su entorno – es decir, reaccionando a las conductas de los otros individuos o grupos humanos – constituyen las formas menos mecánicas de “máquinas”. Las formas más mecánicas – más mecánicas que las máquinas diseñadas por ingenieros como el regulador de Watt – son las de la biología, que han sido diseñadas por la evolución sin más constricciones que las leyes de la física, la materia y las fuentes de energía disponibles en el entorno mediante reacciones químicas que provocan “conductas” de la materia que parecerían producto de una voluntad dotada de razón

El procesamiento de la información impregna todos los aspectos de la vida.... veamos dos ejemplos de componentes y procesos celulares complejos que se entienden mejor a través de la lente de la información.

El primero es el ADN y la forma en que su estructura molecular explica la herencia. El dato crucial sobre el ADN es que cada gen es una secuencia lineal de información escrita en el lenguaje de cuatro letras del ADN. Las secuencias lineales son una estrategia familiar y altamente efectiva para almacenar y transmitir información; es la que usan las palabras y frases que estás leyendo, y también la que usan los programadores que escriben el código para tu ordenador de mesa y tu teléfono móvil.

Todos estos códigos diferentes almacenan la información digitalmente. Digital aquí significa que la información se almacena en diferentes combinaciones de un pequeño número de dígitos. El idioma inglés utiliza 26 dígitos básicos, las letras del alfabeto; los ordenadores y los teléfonos móviles usan combinaciones de 1 y 0; y los dígitos del ADN son las cuatro bases de los nucleótidos. Una gran ventaja de los códigos digitales es que se traducen fácilmente de un sistema de codificación a otro. Esto es lo que hacen las células cuando traducen el código de ADN en ARN y luego en proteína.

 La vida consiste en proteínas (o cosas hechas de proteínas). Y estas proteínas son descritas en el ARN. Cuando el ARN es convertido en proteínas, se le llama traducción.

Al hacerlo, transforman la información genética en una acción física, de una manera tan flexible y perfecta que ningún sistema de ingeniería humana es capaz de igualarlo. Y mientras que los sistemas informáticos deben "escribir" la información en un medio físico diferente para almacenarla, la molécula de ADN "es" la información, lo que la convierte en una forma condensada de almacenar datos.

Los tecnólogos lo han reconocido y están desarrollando formas de codificar la información en las moléculas de ADN para archivarla de la manera más estable y eficiente posible en términos de espacio.

La otra función crítica del ADN, su capacidad de copiarse a sí mismo con gran precisión, es también una consecuencia directa de su estructura molecular. Consideradas en términos de información, las atracciones moleculares entre los pares de bases (de la A a la T, y de la G a la C) proporcionan una forma de hacer copias muy precisas y fiables de la información que posee la molécula de ADN. Esta replicabilidad intrínseca explica en última instancia por qué la información contenida en el ADN es tan estable. Algunas secuencias de genes han persistido a través de series ininterrumpidas de divisiones celulares durante inmensas extensiones de tiempo. Grandes partes del código genético necesario para construir los diversos componentes celulares, como los ribosomas, por ejemplo, son idénticos en todos los organismos, ya sean bacterias, arcaicas, hongos o plantas de animales. Eso significa que la información básica de esos genes se ha conservado durante probablemente tres mil millones de años...

El segundo ejemplo donde la información es clave para entender la vida es la regulación de los genes, el conjunto de reacciones químicas que las células utilizan para activar y desactivar los genes. Lo que esto proporciona es un modo de que las células utilicen sólo las porciones específicas del conjunto total de información genética que realmente necesitan en un momento dado. La importancia crucial de poder hacer esto se ilustra con el proceso de desarrollo del embrión amorfo hasta convertirse en un ser humano completamente formado. Las células de los riñones, la piel y el cerebro contienen todas el mismo conjunto total de 22.000 genes, pero la regulación genética significa que los genes necesarios para hacer un riñón se activan en las células renales embrionarias, y los que funcionan específicamente para crear la piel o el cerebro se desactivan, y viceversa. En última instancia, las células de cada uno de sus órganos son diferentes porque utilizan combinaciones de genes muy diferentes. De hecho, se cree que sólo alrededor de 4.000, o una quinta parte, de su conjunto total de genes están activados y son utilizados por todos los diferentes tipos de células de su cuerpo para apoyar las operaciones básicas necesarias para su supervivencia. El resto sólo se utilizan esporádicamente, ya sea porque realizan funciones específicas sólo requeridas por algunos tipos de células, o porque sólo se necesitan en momentos específicos

Paul Nurse, What Is Life? 2020, pp 123-128

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