La propuesta de H.J. Muller para el origen de la complejidad biológica. Parte 3 Coherencia

Por Cristian Aguirre
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La propuesta de Muller para el origen de la complejidad biológica considera dos pasos: 1. añadir una parte y 2. hacerla necesaria. Vimos en el primer post cómo la segunda parte no es posible de producirse en un escenario prebiotico. Y en el segundo post vimos cómo el primer paso resulta insuficiente para explicar la emergencia y aumento de la complejidad biológica una vez esta existe.

Sin embargo, el naturalismo, que pretende que todo tiene que tener una producción natural, no puede claudicar ante estas dificultades y por ello tiene que proponer soluciones posibles a las mismas que salven la capacidad de la naturaleza de producir complejidad biológica.

No es un misterio que las leyes de la física pueden producir complejidad, pero ¿Podemos extrapolar alegremente que dicha complejidad pueda ser una complejidad del carácter cualitativo y cuantitativo de la presente en la biología? De hecho esto se ha hecho desde el siglo XIX y hoy es un dogma muy respetado cuya puesta en duda es furiosamente atacada. Si para los ateístas resulta metafísicamente incuestionable, para los teístas que la aceptan representa un respeto al naturalismo metodológico que no debe transgredirse.

Por ello, desde el naturalismo se ha planteado como solución posible que los complejos irreductibles más grandes proceden de la agregación funcional de otros menores que ya son previamente funcionales y cuyas complejidades son lo suficientemente pequeñas para permitir que una propuesta como la de Muller los pueda construir. De este modo no existirían complejos irreductibles tan altos que no permitieran ser construidos por un grupo de complejos menores.

¿Es esto cierto?

En la química sabemos que los átomos pueden asociarse con otros mediantes enlaces químicos de distinto tipo como los iónicos, covalentes, etc. Estas asociaciones pueden formar de modo natural grandes complejos químicos. No obstante, ningún caso de los mismos puede formar complejidad irreductible. ¿Por qué? La razón de ello es que dicha complejidad, cuyo nombre más apropiado es complejidad mínima funcional, debe cumplir una función, por lo tanto, mientras no exista funcionalidad no existe CI sin importar cuan compleja sea la estructura química.

¿Pero las estructuras biológicas no están acaso hechas por estructuras químicas? Sí en efecto, pero sabemos muy bien que no toda proteína, que es un polímero complejo, sirve para una función biomolecular, incluso no cualquier aminoácido, que es una estructura química mucho más simple, sirve para sintetizar una proteína. Por lo tanto, tenemos que reconocer que existen restricciones funcionales que filtran todos los casos posibles para reconocer a unos pocos que son “funcionales” y pueden formar complejos también funcionales.

Aún así podemos decir que el azar bien podría formarlos con el concurso de energía y mucho tiempo. Algo así como el famoso ejemplo de los monos y las máquinas de escribir que con un tiempo inconmensurablemente grande serían capaces de escribir las obras de Shakespiare.

Sin embargo, hay un fallo esencial en dicha propuesta. La asociación química no se da como la simple concatenación de las letras. Yo puedo “conectar” 2 letras simplemente posicionándolas una junto a la otra, pero en la química existen leyes que gobiernan en qué casos y cómo se pueden unir un grupo de átomos. De este modo un determinado átomo solo se puede combinar con un cierto número de otros átomos. El hidrógeno, por ejemplo, solo se une con otro átomo de un elemento distinto mas no con dos, el oxigeno puede unirse a dos, el nitrógeno a 3 y el carbono a 4, podría pues haber CH4 pero no CH5. Esta propiedad de los átomos de poder unirse a otros en un número limitado de formas se denominó “valencia”. Sin embargo, hasta aquí, aunque con restricciones aún, este tipo de formula que se llama “empírica” se parece mucho a una concatenación de letras.

Hasta mediados del siglo XIX subsistía un misterio intrigante ¿Cómo era posible que existiesen sustancias químicas que, pese a tener una misma formula empírica, tuvieran distintas propiedades químicas? En 1861 Friedrich August Kekulé resolvió este misterio al descubrir que la distribución espacial de los componentes químicos también importaba. De este modo encontró que una sustancia química puede tener los mismos componentes de otra, pero estar ensamblada de modo diferente. A estos casos se los denominó isómeros. Un ejemplo lo constituye el alcohol etílico y el dimetil éter. Estos presentan diferentes propiedades pese a que ambos tienen la formula C2H6O. La imagen ilustra cual es su diferencia:

¿Qué nos enseña esto? Nos dice que existe en la química, y en consecuencia también en la biología, formas de conexión más complejas que la simple concatenación. De hecho esto también se produce en los mecanismos de la ingeniería humana aunque por causas diferentes. Por lo tanto, al grado de capacidad que una estructura tiene para conectarse con otra, es decir, de asociarse productivamente con otra, se denomina COHERENCIA.

Imaginemos un rompecabezas. Las piezas pueden conectarse con otras siempre y cuando sean capaces de tener una complementaridad reciproca. Esta complementaridad puede ser de naturaleza eléctrica como en la química o mecánica como es el caso de diversos artefactos de fabricación humana.

Ahora bien una coherencia puede darse entre dos estructuras, pero no ser funcional. Sin embargo, cuando dos estructuras se conectan, y la estructura resultante es funcional, entonces existirá coherencia funcional. Veamos un ejemplo comparativo.

Tenemos tres casos en los que el funcionamiento consiste en formar un círculo. En el primer caso no hay encaje y por lo tanto no pueden conectarse, no son coherentes. En el segundo caso, si pueden conectarse, pero la estructura producto no es funcional. Por último, en el tercer caso, hay coherencia funcional por cuanto no solo encajan sino que forman un círculo.

Si analizamos el caso 2 podemos preguntarnos ¿Qué impide que añadiendo otras piezas se pueda formar un circulo mayor y cumplir con el objetivo? Hay que reconocer que ello es posible, por tanto, aunque 2 componentes no formen una estructura funcional producto, si pueden en cambio, ser parte del contexto de un mayor número de componentes que juntos si formen una estructura funcional. Los juegos de rompecabezas son un ejemplo bastante claro, algunas piezas son coherentes con unas más no con otras. No obstante, existe un contexto mediante el cual todas están encajadas formando una estructura funcional. Lo mismo sucede con cualquier pieza de una maquina cualquiera, primeramente tiene coherencia con otra pieza a la cual puede conectarse, pero el resultado es, aparentemente, no funcional. Sin embargo, cuando se juzga la misma a la luz del contexto de la máquina en conjunto completamente conectada, si resulta ser coherencia funcional. A esta propiedad se denomina coherencia de contexto y es la característica fundamental de todas las estructuras funcionales.

En la biología hay abundantes ejemplos de coherencia. Los procesos alostéricos son un ejemplo clásico de funcionalidad por coherencia. Se trata de un sistema de regulación que permite a la célula reaccionar activando o inhibiendo la síntesis de una proteína como consecuencia del exceso o déficit de una determinada sustancia en el medio celular. Todos los genes tienen unas zonas de ADN que pueden por lo general estar adyacentes, cerca o incluso lejos del mismo que se llama zonas reguladoras. Estas zonas, como cualquier parte del ADN, tienen una determinada forma espacial. Dicha forma es el exacto equivalente a la forma espacial de una cerradura, de tal modo que existirá una llave complementaria que por coherencia funcional abrirá la cerradura, que a efectos biológicos implica activar el proceso de transcripción del gen para producir una proteína específica. Lo interesante del caso es que dicha llave es precisamente una proteína con la forma espacial precisa para acoplarse a dicha zona reguladora y, como es lógico, está codificada por otro gen.

Pero estas proteínas aún no pueden acoplarse a las zonas reguladoras porque para resultar realmente útiles estas proteínas deben ser capaces de activar o inhibir el proceso de transcripción de acuerdo a la existencia en la célula de determinadas sustancias llamadas Operadores o también Operones que se unirán a una parte especial de las proteínas reguladoras llamada sitio alostérico. Cuando esto ocurre es cuando la proteína cambia de forma y consigue con esto que una zona de la misma adquiera la forma espacial qué, como el relieve de una llave, le permita acoplarse a la cerradura, es decir, a la zona reguladora del gen.

En la figura se explica este proceso y se muestra que existen dos tipos opuestos de proteínas reguladoras; las activadoras que al acoplarse permiten el inicio de la transcripción y las supresoras que al acoplarse hacen exactamente lo contrario inhibiendo la misma.

Todo esto permite que la abundancia de cierta sustancia, nuestro operador, estimule la fabricación de ciertas proteínas por efecto de una regulación positiva en la cual activará las proteínas activadoras. O por el contrario, dicha abundancia puede estimular una regulación negativa en la cual se inhiba la fabricación de determinadas proteínas actuando también dicha sustancia como operador, pero esta vez a los represores del gen. En cualquier caso, cuando, como efecto de la reacción a este proceso, el operador empiece a escasear en el medio celular, entonces los operadores se desprenderán del activador o represor, según sea el caso, deteniendo así el proceso de regulación.

Ahora bien, notemos que la coherencia es en sí misma una restricción dado que cualquier llave no abre la cerradura de una puerta, sino aquella que tiene la restricción funcional, es decir, la coherencia que funciona para abrir la cerradura. Por lo tanto, la coherencia es una restricción que puede ser natural como las valencias atómicas o funcional como las piezas de una máquina.

Con estos ejemplos podemos decir que la coherencia es la capacidad de un átomo, molécula, o artefacto de conectarse con otros e incluso con un conjunto estructural producto que llamamos contexto.

En la naturaleza existen muchos casos que ilustran los distintos tipos de coherencia de acuerdo a cuan fácil se realiza la conexión. Los átomos, como hemos visto, pueden unirse espontáneamente de acuerdo a una coherencia llamada valencia con otros átomos para formar moléculas. En ésta, los átomos son capaces de enlazarse, sea por compartición de electrones o por atracción electrostática de una manera espontánea, por supuesto con el debido concurso de la energía necesaria. En otros casos la unión no esta tan sencilla, pues requiere el concurso de un agente externo que haga las veces de casamentero para unir parejas, a este agente se lo conoce como catalizador y estimulara el apareamiento de ciertos átomos o moléculas con otras, éste es por tanto un caso de coherencia forzada.

Por último, existe un tipo mas sofisticado de coherencia, es aquella en la cual el agente externo necesita cumplir un convenio para que la conexión sea realizada. No se trata solo del concurso de energía y su sola presencia, en este caso, el agente externo necesita realizar un convenio de conexión sin cuyo desarrollo la conexión es imposible.

No se trata solo del concurso de energía y su sola presencia, en este caso, el agente externo necesita realizar un convenio de conexión sin cuyo desarrollo la conexión es imposible. La mayor parte de los mecanismos construidos por el ser humano tienen este tipo de conexión por convenio y la verdad es que los organismos biológicos también lo presentan.

Muchos de los componentes biológicos están conectados mediante convenios de conexión especiales. Un convenio de conexión es un método de conectividad entre dos componentes. No se trata de simples acoplamientos. Se requiere energía y agentes externos que catalicen (ayuden a conectar) los mismos mediante un proceso elaborado.

Imaginemos un experimento mental. En una caja coloquemos un envase y su respectiva tapa. Dicha tapa tendrá una rosca en sentido horario, siendo ésta su sencillo convenio de conexión con el envase. De lo que se trata es de proporcionar energía al proceso agitando la caja con los dos elementos en su interior hasta que las mismas se conecten por obra del azar. Ahora como esto requiere de tiempo, mucho tiempo, seamos bondadosos y agitemosla durante unos 20 millones de millones de años. Luego abramos la caja y veamos en su interior que ha pasado. ¿Pudo el azar conectar ambos componentes en esta extraordinaria multitud de tiempo? Cuando abramos la caja encontraremos solo polvo, pero no una conexión. ¿Por qué? Porque la conexión de ambos componentes se producirá solo si se aplica el convenio de conexión, que es girar la tapa en sentido horario sobre la boca del envase. De nada servirán 20 millones de millones de años de agitación. Esto significa que muchas de las conexiones del mundo biológico no se van ha dar NUNCA por efecto del azar ni con el concurso de la eternidad ni en todas las burbujas del pretendido multiverso con las más preferentes leyes y constantes físicas. Igualmente en el caso biológico podemos poner en el envase a muchos monómeros y agitarlos juntos sin la presencia de enzimas clave por el mismo tiempo y repetirlo en todos los universos posibles, sin embargo, como en el anterior caso, no los hallaremos unidos jamás.

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La síntesis de proteínas presenta este tipo de conexión. Ninguna proteína biológicamente funcional nace como el resultado fortuito de una conexión espontánea. Resulta más bien de un elaborado proceso de fabricación en la cual la doble cadena de un gen unida por complementariedad (coherencia funcional) es separada por una enzima llamada polimerasa de ARN creando así, de una de las cadenas, un molde del gen. Dicho molde es una cadena de ARN mensajero (ARNm). Esta cadena ya libre será ahora tratada por un artefacto llamado Ribosoma. Este artefacto recibe la cadena de ARNm y con ella cataliza la unión de cada eslabón con fragmentos de ARN de transferencia (ARNt) dispersos en el medio que sean complementarios con los eslabones del ARNm. De este modo va saliendo del ribosoma una cadena de aminoácidos que luego se plegarán por medio de atracciones electrostáticas en una disposición espacial como la de un ovillo de lana. Así finalmente se terminará de fabricar una proteína.

Como hemos visto, este proceso, que se ha narrado de una manera extraordinariamente simplificada, implica una compleja coordinación de muchos actores en la maquinaria celular. No son pues simples conexiones, ni concatenaciones de letras como las de los monos con sus máquinas de escribir, ni siquiera son conexiones catalizadas, tienen con claridad un convenio de conexión complejo y ello implica que precisan de un plan de fabricación. Y este plan de fabricación es un algoritmo basado en información prescritiva, no simple información de Shannon.

Sin embargo, aunque hemos visto que la complejidad biológica por efecto de la coherencia no es una simple concatenación de elementos químicos de emergencia fácil, y ni siquiera invocando a una actividad energética azarosa por toda la eternidad. No hemos aún contestado la pregunta que dio inicio a este post:

¿Pueden complejos menores dar lugar a uno mayor?

Esto lo responderemos en el siguiente post cuando tratemos la multicontextualidad.

Referencias:

1. Cristian Aguirre del Pino. Elementos de Estructuras Funcionales. OIACDI 2010

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