La vida, com es fa?

Professor emèrit d’Ecologia de la UAB
06/03/2022 - 17:22

La nostra resposta a la crisi ambiental requereix una urgent i millor comprensió dels lligams entre la física, la biologia i la cultura. I això vol dir una millor comprensió de l’evolució de la vida i del nostre lloc en ella.

Torno al tema de l’evolució, que vaig tractar en un apunt anterior recent (Terradas, 2020), ara per comentar aspectes derivats d’algunes noves publicacions. Encara que la primera part de l’article pot resultar una mica complicada en tractar noves visions teòriques, crec que el missatge que se’n desprèn a efectes pràctics queda prou explicat en la part final.

Els biòlegs hem patit sempre una mena de complex d’enveja de la física. La física explica la realitat amb equacions: per exemple, les lleis de Newton descriuen molt bé el funcionament dels cossos en moviment, des de les boles en una taula de billar als astres a escala còsmica, i la relativitat d’Einstein complementa aquesta descripció establint la convertibilitat entre matèria i energia i revisant les idees prèvies sobre el temps i l’espai. La física quàntica descriu, també amb equacions, el sorprenent món de les partícules més petites de la matèria. Els éssers vius son objectes físics, sembla per tant que la biologia hauria de ser reductible a la física, encara que les equacions haguessin de ser complicades, però el fet és que quan parlem de com es construeix la vida els biòlegs no trobem la manera d’explicar-ho amb equacions. Tanmateix, les velles teories vitalistes, que suposaven l’existència d’una força vital, un impuls (per exemple, l’élan vital de Bergson) que distingia els éssers “animats” dels cossos inerts, van quedar desacreditades fa molt temps. No existeix res d’això. Darwin va explicar que la vida havia evolucionat per un procés de còpies amb variació i selecció i va prescindir de forces alienes a la física. En el metabolisme i la reproducció intervenen processos fisicoquímics, però cap força desconeguda per la física. Per tant, ¿seria possible reduir la vida a lleis físiques?

"Aprendre a aprendre és el mecanisme que ha permès als humans desenvolupar l'ús d'eines"

Molts biòlegs així ho han cregut. I això ha dut a avenços espectaculars, com el reconeixement de la base química de l’herència genètica. Tenia raó Ernest Rutherford quan va dir que “en ciència tot el que no és física és filatèlia? James Watson també ho creia, això. I què passa amb la cultura? L’evolució cultural es una derivació de l’evolució de la vida. Un corb o un mico aprenen a burxar amb un branquilló per treure una larva del seu amagatall i menjar-se-la, i altres corbs o micos, mirant els primers, aprenen la mateixa tècnica. Coses semblants fan molts altres animals, terrestres i marins. I aprendre a aprendre és el mecanisme que ha permès als humans desenvolupar l’ús d’eines. El llenguatge, i després l’escriptura i ara internet, ens han permès accelerar la comunicació. La nostra ment no surt del no res, d’una ànima infosa en els primers pares, sinó que és un resultat de l’evolució de les ments dels nostres ‘parents, des d’abans dels cucs fins als grans simis. Encara molts malden per mantenir “l’esperit” al marge de la matèria física i biològica i, en fer-ho posen al mateix sac els fenòmens físics i biològics, separats de les “creacions de l’esperit humà”. I potser aquest és el motiu de que molts pensin que la biologia es pot explicar només per la física, “mentre que nosaltres, els humans, som “una altra cosa”. El què pretenc és discutir si es poden reduir la biologia, i aquest producte de la biologia que és la cultura, a lleis físiques, expressades en equacions, o bé la biologia i la cultura son irreductibles a la física.

 

El món de la complexitat: la vida resulta d’interaccions

La nostra resposta a la crisi ambiental requereix una urgent i millor comprensió dels lligams entre la física, la biologia i la cultura. I això vol dir una millor comprensió de l’evolució de la vida i del nostre lloc en ella. Per explicar l’evolució de la matèria ens podríem remuntar a la formació dels àtoms (vegeu Terradas, 2006), però el que ens interessa aquí és que, en algun moment, els processos evolutius van començar a originar estructures noves que tenien efectes sobre les estructures més elementals de les que procedien: apareixia així una causalitat de dalt a baix, alhora que persistia la causalitat inicial de baix a dalt. Es va entrar llavors en el domini de la complexitat, en el que la predicció dels efectes futurs esdevé impossible, ja veurem per què.

Xarxa d’interaccions entre 24 espècies de plantes d’una brolla mediterrània i 169 espècies d’insectes pol·linitzadors. Imagte de Sara Reverté et. al. (2016).

Amb el descobriment del DNA i el codi genètic es va pensar que la vida consistia sobretot en executar la informació codificada en el DNA i que l’evolució funcionava només per l’aparició de mutacions accidentals que eren sotmeses a selecció pel medi. Però el DNA interactua amb la cromatina que l’envolta i l’expressió dels gens és afectada per causes d’origen fisiològic: el funcionament dels òrgans té efectes sobre les molècules. Això passa a tots els nivells d’organització: els elements de cada nivell interactuen i generen estructures emergents que, al seu torn, tenen efectes sobre els elements, restringint en l’espai i el temps les seves interaccions: l’aparició d’una membrana cel·lular permet que dins es produeixin reaccions (processos), en mantenir properes certes molècules. La membrana no intervé en les reaccions. Actua només com una restricció i no és alterada pels processos que passen a l’interior. L’anatomia dels organismes està formada per estructures dins de les quals tenen lloc processos diferents en condicions restringides. La vida social es fa possible per restriccions, com viure junts en un rusc.

"Les restriccions generen ordre, l'ordre genera ordre"

Aturem-nos un moment en les restriccions. Un motor d’explosió és una estructura dins la qual es produeix un procés termodinàmic que canalitza l’alliberament d‘energia (reduint pèrdues) per fer un treball, que és moure l’auto. Per llençar un projectil, fem un canó que canalitza l’alliberament d’energia per impulsar el projectil. Aquestes estructures, motor i canó, són restriccions per aprofitar millor l’energia i generar més treball. L’energia “estalviada” pot servir per fer o activar una altra estructura, que al seu torn serà una restricció. Si l’auto és híbrid, en córrer, es carrega la bateria i així es recupera part de l’energia per poder circular més temps. En l’organització de la vida l’entropia creix, com mana la segona llei de la termodinàmica, però no tant com ho faria si no existissin restriccions imposades per les condicions de contorn, les quals canalitzen (com en el canó o el motor) la realització d’un treball. En acotar la dissipació d’energia, fan possible que en quedi per un treball addicional que pot produir noves estructures, les quals, al seu torn, generen noves restriccions. La vida s’auto-construeix d’aquesta manera: les restriccions generen ordre, l’ordre genera ordre.

Esquema de funcionament d’un cotxe híbrid endollable. Redibuixat: J.Luis Ordóñez, a partir de recargacocheselectricos.com.

Un pas molt important en l’organització de la vida és quan es produeixen tancaments en cicles d’un seguit de reaccions: la darrera reacció produeix una molècula que fa de catalitzadora de la primera reacció. D’això en diem hipercicles. Quan aquests hipercicles queden inclosos en un espai limitat per una membrana (que és una restricció), el confinament fa que les molècules tinguin més possibilitats d’interactuar i de generar nous cicles que generen més ordre. Alguns d’aquests cicles han trobat la manera de reproduir-se, perquè hi ha molècules capaces de fer còpies d’elles mateixes, com el RNA i el DNA. D’aquesta manera, la vida s’auto-construeix i perpetua.

El tancament de restriccions en cicles construeix un tot funcional. Kauffman (2021) parla de cicle del treball restringit. Quan es produeix una estructura nova emergeixen noves possibilitats que no existien abans. Pensem en les que es van obrir amb l’aparició de molècules autoreplicatives, com el DNA, amb la de la reproducció sexual, amb la d’organismes capaços de captar l’energia solar i transformar-la en energia química (fotosíntesi), amb la d’ales que permeten volar… O, en la cultura, pensem en l’aparició d’invents com la roda, el llenguatge, l’escriptura, l’impremta, la màquina de vapor, la fotografia o internet. Cadascun d’aquests canvis repercuteix en moltes altres coses i en poden passar moltes que abans no eren possibles ni, en general, imaginables.

 

Una nova teoria

Montévil i Mossio (2015) han proposat una nova teoria, anomenada del triple tancament. És massa complexa per donar-ne aquí una idea clara. Tot procés biològic és un procés de treball físic lluny de l’equilibri, que té com inputs per crear els seus productes els estímuls i les restriccions de l’entorn. El què fa la teoria és proposar una caracterització conceptual i formal de l’organització biològica basada en el tancament de restriccions: cada restricció depèn de, i contribueix a, mantenir les altres (vegeu la figura següent). Observem que hi intervenen dos règims causals: 1) els processos, que tenen lloc en condicions termodinàmiques obertes fora de l’equilibri, com ara les reaccions químiques dins de les cèl·lules; i 2) les restriccions, entitats que actuen sobre els processos però canvien molt poc a escales temporals rellevants (un enzim, per exemple, condiciona una reacció química, però ell no canvia; la membrana de la cèl·lula també afavoreix els processos al seu interior sense canviar ella, almenys en un temps molt llarg comparat amb el de les reaccions).

Triple tancament en un sistema obert lluny de l’equilibri, segons Montévil y Mossio (2015), figura treta de Kauffman (2021). Sobre els processos A, D, G actuen un conjunt de restriccions C. Cada procés produeix una nova restricció que actua sobre el següent procés fins que la darrera restricció produïda és la mateixa que actua sobre el primer procés (tancament de restriccions). Les @ representen la interacció procés-restricció. Les restriccions depenen les unes de les altres: Ck, depèn de Ci, la qual al seu torn depèn de CL, que depèn de Ck. Aquest conjunt de restriccions forma un tot, no es pot subdividir en dos conjunts tancats. Els tres processos de la figura es poden considerar també com un cicle de tasques de treball (les tasques que fan els processos). Si el sistema està format per àcids nucleics i proteïnes en un conjunt autocatalític, aquest també forma un cicle, així que hi ha tancament de restriccions, de catalitzadors i de tasques de treball. Per això els autors parlen de triple tancament. Reinterpretat per J.Luis Ordóñez a partir de Kauffman (2021).

"Tot i ser dissipatius, els sistemes biològics persisteixen perquè poden mantenir el conjunt com un tot organitzat"

 

Deixem les complicacions de la teoria i parlem de qüestions en que la teoria pot ser d’interès. Segons Chavalarias (2020), les formes de vida es poden definir com una xarxa de xarxes de processos autocatalítics organitzats en múltiples nivells, des dels hipercicles de reaccions químiques a les societats organitzades. Les estructures creades cada cop condicionaran els passos posteriors. Tot això té precedents. Von Bertalanffy (1952) ja havia dit, fa setanta anys, que els sistemes biològics, travessats per un flux continu de matèria i energia, fan un tancament, en el sentit que funcionen gràcies a una dependència mútua entre un conjunt de constituents que no podrien existir sols: el conjunt es manté perquè hi ha una interacció amb divisió del treball. L’autoorganització resulta d’aquest tancament, que no es dóna en altres sistemes que també són termodinàmicament oberts. Més tard aparegué el concepte d’autopoièsi (Varela et al., 1974; Varela, 1979), mot que vol dir autoconstrucció: tot i ser dissipatius, els sistemes biològics persisteixen perquè poden mantenir el conjunt del sistema com un tot organitzat. Velles idees que tornen.

Teoria general de los sistemas, de Ludwig von Bertalanffy. Font del retrat: Wiley Online Library.

En sistemes físics i químics, les restriccions no depenen de la dinàmica del sistema: si un bola llisca per un pla inclinat, la inclinació és una restricció per a la bola, però no canvia amb el descens d’aquesta. La dependència mútua entre restriccions és quelcom específic dels sistemes biològics. En ells, les restriccions són relativament estables en relació als processos, però pateixen degradació a escales temporals majors, i la substitució o reparació d’una d’elles depèn en part d’una altra o d’algunes altres. Un enzim (restricció) catalitza una reacció (procés) sense canviar ell mateix, però que, al seu torn, és produït per i dins la cèl·lula. Els ribosomes de les cèl·lules construeixen proteïnes sobre la base del RNA missatger, sense consumir-lo, però ribosomes i RNAm fan de restriccions en la producció de l’enzim que restringeix la reacció: hi ha una cadena de dependència entre restriccions. Quan en un conjunt de restriccions una primera depèn almenys d’una altra d’elles i almenys una altra depèn de la primera, hi ha un tancament del conjunt, com en la figura anterior. El conjunt de restriccions que formen tancament defineix el límit entre sistema i ambient. Hi poden haver altres restriccions que no són d’aquest conjunt sinó que pertanyen a l’ambient extern.

Els tancaments són propietats holistes, del conjunt, i no dels processos o restriccions individuals que el formen. Kauffman ha demostrat que, en solucions químiques amb diversitat de pèptids, RNA, o ambdues menes de molècules, emergeixen cicles autocatalítics en els que cap molècula catalitza la seva pròpia formació: aquesta resulta del funcionament del conjunt, el qual es manté (s’alimenta) a partir d’altres molècules de fora. La vida està feta de processos constructius d’aquesta mena, que es propaguen i que s’encadenen a altres similars, que tenen variacions hereditàries i són sotmesos a selecció natural. Abans que aparegui el procés, desconeixem les variables. Al llarg del procés, sistemes seleccionats perquè presenten determinats avantatges poden després tenir altres utilitats. No hi ha una cadena de relacions causa-efecte previsible a priori, degut a la generació d’innovacions que d’immediat interactuen amb el que ja existia. Per tant, potser no es poden reduir els processos dels nivells més complexos emergents a les propietats dels nivells més senzills. Per exemple, no es podria reduir el funcionament dels organismes a la informació codificada en els gens, com pretén el neodarwinisme. Ens cal una aproximació sistèmica. Això no vol dir que els gens no siguin importants, només que no ho expliquen tot en el funcionament d’un esser viu.

Els corbs de Nova Caledònia aprenen per imitació a fer servir branquillons per extreure insectes de la fusta. Foto: Corvus moneduloides, via Flickr.

El què hem dit s’aplica també a l’evolució cultural, en la que l’emergència de noves entitats (per exemple, un nou comportament d’una espècie que implica l’ús d’una eina) resulta de la transmissió d’informació no sols per via genètica sinó per aprenentatge, i cada nova entitat interactua amb les preexistents (per exemple, l’eina permet canviar hàbits d’alimentació i potser una nova divisió del treball entre els individus d’un grup).

Podeu llegir l'article complert a "Els apunts d'en Jaume Terradas"


 

Categories: 

Relacionats

Acte
26/04/2024 - 00:00
Àrea metropolitana de Barcelona
Notícia

Sota el lema “Connectats a la terra”, la 7à edició de la Vallèsbot busca explorar com la tecnologia pot millorar l'agricultura, la ramaderia, la pesca i altres àrees del sector primari. La jornada de presentació dels treballs realitzats per art de l’alumnat se celebrarà el 14 de maig a la pista polivalent de Canovelles

Notícia

Durant la COP28 s’ha fet públic un informe amb 10 missatges urgents per a contribuir al full de ruta que marcarà aquesta cimera. 

Butlletí