Los Indicadores de Diseño. Parte 7 final. Complejos Funcionales Autorreplicantes

mitotic-spindleQuizás la característica más extraordinaria de la vida es su capacidad de poder reproducirse en un nuevo ser. Tanto la reproducción por división celular de las bacterias y las arqueas que son seres unicelulares, como los tipos más complejos de reproducción de los pluricelulares, representan logros tecnológicos que aún no han sido físicamente resueltos por la ingeniería humana. Si bien su concepción teórica ya ha sido planteada por el matemático John von Neumann en la década de los 40 del siglo pasado.

Si se pudiera construir un ingenio autorreproductor capaz de conseguir su propio metabolismo transformando materiales en recursos para sí mismo y en energía para su funcionamiento, y luego se le incorpora un computador con sensores y capacidad cognitiva con inteligencia artificial, sería lo más parecido a crear vida artificial.

Intentos reales de conceptualización y análisis de estas posibilidades ya sean han llevado a cabo a principios de los años 80 del siglo pasado por varios grupos de investigación asociados a la NASA. Los mismos investigaron el concepto de máquinas que fueran capaces de autorreproducirse. Uno de ellos, el Self-Replicating Systems (SRS) Concept Team dirigido por Richard Laing, demostró que la creación de una máquina autorreproductora era una meta alcanzable, mientras que otro, el Mission IV, sugirió que los sistemas autorreproductores deberían tener 5 formas de conducta mecánica: producción, desarrollo, reproducción, evolución y autorreparación.

El primer diseño de la NASA consistía en una fábrica autorreproductora de propósito general y autónoma que podría ser desplegada sobre la superficie de lunas o planetas. Conseguirían los materiales crudos por minería, mientras que excavadoras, cargadores y vehículos de transporte controlados desde el centro de mando realizarían su trabajo funcionando como extremidades. Los elementos excavados serían analizados, ordenados y enviados al depósito de materiales, desde donde se enviarían a la planta de producción de partes, que crearía componentes a partir tanto del producto de salida como de los productos resultantes. Estos componentes serían enviados al depósito de partes y participarían en el proceso de producción.

El segundo diseño constaba de una semilla esférica de 100 toneladas, en cuyo interior se encontraba un conjunto de robots con tareas específicas. Una vez plantada en el nido lunar adecuado, el huevo se abría y su cargamento de robots emergería.

Estos autómatas no estarían limitados al Sistema Solar como se podría pensar en un principio, sino que dado que las semillas no llevan seres vivos, los largos períodos requeridos para cubrir las vastas distancias interestelares serían irrelevantes. El grupo Mission IV aseveraba que “las pruebas reproductivas pueden permitir la investigación directa del millón de estrellas más cercanas en aproximadamente 10.000 años, y de la totalidad de la galaxia de la Vía Láctea en menos de 10.000.000 años, todo ello iniciado por la humanidad con sólo una inversión total de una simple nave exploratoria autorreproductora”. Por este motivo de expansión y reproducción estas máquinas podrían ser vistas como organismos vivos.

Estos dos fabulosos proyectos de la NASA nos permiten introducir cual es la envergadura de un sistema que es capaz de autorreproducirse tal como lo pueden hacer los seres vivientes, pero desde los recursos de la ingeniería humana.

En los años 40, antes que se conocieran por los trabajos de Watson y Crick las características informáticas de los sistemas vivos y se consolidaran sistemas de cómputo más potentes, von Neumann se propuso abordar qué se requiere para conseguir que un dispositivo creado por el hombre pudiera ser capaz de crear cualquier sistema físico incluido él mismo.

Antes de Neumann otro matemático llamado Alan Turing reconociendo como la incipiente tecnología de computación que él mismo ayudo a crear tenía símiles evidentes en la biología, buscó establecer un formalismo que sirviera para definir la capacidad de computo tanto de los sistemas naturales como de los artificiales. Ideó un dispositivo hipotético conocido como máquina de Turing. Este dispositivo es capaz de realizar una función computando una cinta de entrada que puede ser ilimitada y que contiene símbolos que pueden ser impresos o borrados secuencialmente. Lo interesante de su máquina hipotética es que puede, a diferencia de muchas de las máquinas mecánicas y eléctricas de su tiempo que solo podían realizar un solo tipo de cálculo, ser universal, es decir, puede generar cualquier función computable.

Este dispositivo se lo conoce como máquina universal de Turing (MUT). Para entender esto mejor consideremos dos casos. Las calculadoras electrónicas, por ejemplo, realizan muchas sofisticadas funciones, pero no son MUT. Sin embargo, un computador cualquiera si es un MUT ya que puede realizar cualquier función computable si se lo alimenta con los datos y el algoritmo adecuado para cumplir dicho propósito.

Neumann ideó otro dispositivo abstracto que en lugar de computar como la MUT pudiera hacer algo más desafiante: construir. Este dispositivo, que lo llamo constructor universal (CU), sería capaz de recoger materiales de su entorno a fin de construir cualquier estructura física posible incluyéndose a sí mismo.
Era evidente que lograr físicamente dicho dispositivo no estaba en las posibilidades técnicas de su tiempo (ni siquiera en el actual) por lo que, para estudiar sus posibilidades matemáticas, era necesario encontrar un modo de crearlo aunque no fuese de modo físico. En este punto Stanislaw Ulam sugirió a von Neumann la construcción de un mundo abstracto, regido por reglas bien definidas, para analizar los principios lógicos de la autorreproducción. Este mundo se basaba en la idea original de los autómatas celulares.

Los autómatas celulares son entidades que existen en un escenario virtual que constituye “su mundo” y reglas de cambio de acuerdo al entorno circundante que constituyen “sus leyes”. Dado un número determinado de “células” en determinadas posiciones como condiciones iniciales y con determinadas reglas de cambio como leyes, estos autómatas celulares evolucionarán en el tiempo generando patrones cambiantes y complejas disposiciones conforme avancen los ciclos de tiempo.

Automata celularFuente: 2

La imagen anterior muestra cómo trabaja un mundo virtual de autómatas celulares. Se trata en este caso de un “mundo” que consiste en una rejilla regular discreta de 10×10 casilleros donde cada celda puede ser rodeada por 8 celdas vecinas y con ellas se pueden crear “leyes” arbitrarias como las que se muestran en esta imagen para cambiar de blanco a gris o de gris a blanco. En la parte inferior se muestran 4 ciclos de tiempo donde se aprecia cómo evoluciona el estado inicial en T0, en virtud de las reglas especificadas, para convertirse en T1 y luego en T2 y T3.

El escenario puede ser mucho más grande (tener muchas más celdas o células), tener más reglas arbitrarias y procesarse con todos los ciclos de tiempo que se precise a fin de estudiar cómo evolucionan los autómatas celulares y generan patrones, se hacen complejos, reproducen sus patrones originales, se desplazan, explotan, etc.

Juego vida

El famoso juego “Vida” de John Conway se basa precisamente en la simulación de autómatas celulares y es invocado con entusiasmo por muchos científicos como ejemplo de cómo la complejidad puede surgir a partir de leyes sencillas. Y si esto sucede en el juego “Vida” ¿No nos permitiría vislumbrar que la enorme complejidad de la biología sea también producida a partir de las leyes físico-químicas actuando sobre moléculas durante vastos períodos de tiempo?

Definitivamente las posibilidades y usos funcionales de las estructuras formadas por los autómatas celulares son muy interesantes. Conway, por ejemplo, ha propuesto que es posible construir una MUT a partir de estructuras de autómatas del juego “Vida”. Incluso se pueden usar las estructuras llamadas “planeadores” (por su forma y comportamiento) para construir funciones lógicas que permitan crear con los mismos todo un computador que sea capaz a su vez de crear otro mundo virtual. Sin embargo, hay un problema de bulto en este asunto y es que las estructuras que surgen en estos mundos virtuales, aunque realizan distintos comportamientos que parecieran emular las interacciones del universo real, no son funcionales a no ser que el diseñador del universo autómata lo disponga así mediante un deliberado ajuste de las condiciones iniciales y las reglas de cambio para conseguirlo. Sin embargo, los autómatas celulares por sí mismos se encuentran en el mismo problema señalado en el capítulo 1; pueden complejizarse todo lo posible, pero la complejización no es sinónimo de propósito emergente y por consecuencia no explica la aparición de funcionalidad.

El físico Paul Davies en su libro “La mente de Dios” trasluce, pese a su entusiasmo por el juego Vida de Conway, cómo la inteligencia es requerida necesariamente para construir funcionalidad:

Tras mucha experimentación y pensamiento, Conway fue capaz de mostrar que tales circuitos lógicos podían de hecho ser construidos en el universo Vida. La idea esencial es usar una procesión de planeadores para codificar números binarios. Por ejemplo el número 1011010010 puede ser representado ubicando un planeador en la procesión en la posición de cada 1, mientras que se dejarían espacios para los ceros. Las compuertas lógicas pueden entonces ser construidas acomodando las corrientes de planeadores para que se intercepten en ángulos rectos de una forma controlada. Debido a que una compuerta Y emitirá un planeador sólo si simultáneamente recibe planeadores en ambas corrientes de entrada (de este modo codificando la operación 1 + 1 –> 1). Para lograr esto, y construir la unidad de memoria para almacenar información, Conway necesita sólo cuatro especies de Vida: planeadores, planeadores cañón, comedores, y bloques.

Se necesitan muchos trucos inteligentes para posicionar los elementos correctamente y orquestar la dinámica. No obstante, los circuitos lógicos necesarios pueden ser organizados y las formas luminosas en el universo Vida pueden funcionar de una forma perfectamente apropiada, aunque un tanto lenta, como una computadora universal.” Énfasis en negrita añadido.

Nótese cómo, las partes señaladas en negrita, no se especifica en absoluto que dichas construcciones aparezcan de modo fortuito simplemente esperando con paciencia que en computadores extraordinariamente potentes se produzcan de modo fortuito con el tiempo. Por el contrario, se precisan, como dice Davies, de “muchos trucos inteligentes para posicionar los elementos correctamente y orquestar la dinámica”, es decir, requieren una dirección inteligente para generarlos.

Pero, la idea del CU de Neumann no se circunscribía a una existencia virtual como autómata celular. Su enfoque era encontrar qué necesita el mismo para poder autorreplicarse físicamente de un modo no trivial.
Para entender la diferencia entre autorreplicación trivial y no trivial es necesario tomar en cuenta los recursos en información necesarios para que esta se produzca. En una autorreplicación trivial estos recursos en bits de información son inferiores a los del sistema que describe. Un cristal, un virus biológico o informático, un prion, son ejemplos de replicadores triviales ya que los cristales sólo necesitan resonar su estructura para crear una red cristalina. Un virus no puede replicarse por sí mismo mas bien debe introducirse en un núcleo celular para usar su maquinaria a fin de reproducirse. Un virus informático tan solo necesita de un solo comando de copia para reproducirse infectando otros computadores a los que por alguna vía de comunicación pueda accesar. Un prion es una proteína que puede, también por resonancia, contagiar su configuración a fin de convertir a otra proteína similar en otro prion igual. En todos estos casos de replicación trivial intervienen recursos del exterior y en consecuencia no se bastan a sí mismos para hacer una verdadera autorreplicación, es decir, aquella dirigida enteramente desde dentro como es el caso de la autoreplicación no trivial.

Por ello Neumann necesitaba encontrar qué elementos constituyen una autentica autorreplicación no trivial como es el caso de una célula viva a fin de conceptualizar su posible construcción. Se dio cuenta que el constructor autorreplicante no necesita ser universal, pero si debía tener una descripción de sí mismo y una unidad de control que guíe la construcción tanto de la nueva replica como de la descripción a fin de que el nuevo autorreplicante pueda poder autorreplicarse a su vez.

AutoconstructorFuente: 3

La figura anterior muestra un esquema teórico de la máquina autorreplicación de von Neumann donde A representa la máquina general de construcción que se encarga de copiar la estructura física, B representa la máquina general de copiado que debe copiar la representación de la estructura física (la información prescriptiva necesaria para que A pueda replicar una copia) y C la máquina general de control que dirigirá los procesos autorreplicativos.

En otras palabras un autorreplicador (o autorreproductor que es lo mismo) deberá tener en su seno la información que describe cómo debe hacer su copia y la capacidad de computar dicha información por parte de su unidad de control. ¿Qué tan plausible es que la naturaleza “invente” un sistema químico complejo capaz, no solo de metabolizar, sino de también orquestar su autorreplicación?

Sara Imari Walker y Paul Davies en su artículo titulado “El Origen Algorítmico de la Vida” establecen qué supone la emergencia natural de esta capacidad de autorreplicación incluyendo la factibilidad del pretendido “mundo de ARN” como precursor de la vida:

“El reto en la explicación del origen de la vida es dar cuenta de la transición entre la replicación trivial y no trivial que implica, más que un salto simple en complejidad, una reconfiguración de toda la organización lógica del sistema.”

“Aunque los autorreplicantes triviales pueden experimentar evolución darwiniana, la falta de separación entre el algoritmo y la aplicación implica que los sistemas monomoleculares se dividen de la vida conocida por un abismo lógico y de organización que no se puede cruzar por la mera complejización del hardware pasivo. A este respecto, consideramos el caso del mundo del ARN como se entiende actualmente se encuentra lejos de ser verdaderamente vivo. Si la primitiva “vida” era estrictamente monomolecular, no habría manera de separar físicamente la información y el control desde el hardware que funciona, resultando en protocolos de información poco fiables debido a los canales de información ruidosos. Por esta razón bastante profunda, puede ser que la vida tenía que ser “bimolecular” desde el principio.

Se señala una curiosa implicación filosófica de la perspectiva algorítmica: si el origen de la vida se identifica como la transición del procesamiento de información trivial a no trivial – por ejemplo, de algo parecido a una máquina de Turing capaz de un solo (o un conjunto limitado de) cálculo (s) a una máquina universal de Turing capaz de construir cualquier objeto computable (dentro de una clase de universalidad), un punto preciso de la transición de la no-vida a la vida puede en realidad ser indecidible en el sentido lógico. Esto probablemente tendría implicaciones filosóficas muy importantes, sobre todo en nuestra interpretación de la vida como un resultado predecible de las leyes físicas.” Énfasis en negrita añadido.

Las conclusiones de Amari y Davies resultan bastante elocuentes por sí mismas. Pero, la inferencia de diseño que implica el propio fenómeno de la autorreplicación no se reivindica por la escasa o nula factibilidad de su producción natural, sino más bien por un “detalle” que no suele ser reparado en los entusiastas esfuerzos de encontrar símiles verosímiles de la vida en los simuladores informáticos.

Absolutamente todos los simuladores de mundos virtuales con los que exploramos las posibilidades de la complejización a partir de reglas sencillas, proceden de un diseño inteligente y son computados con un software y un hardware creados por la inteligencia y ajustados inteligentemente para obtener determinados resultados. El propio físico Stephen Hawking, que tan frecuentemente suele anunciar que nuestro universo no requiere un creador, reconoce como desempeñamos el papel de creadores con respecto a mundos simulados tales como el juego Vida de Conway al decir:

“¿Qué selecciona las leyes que rigen nuestro universo? Tal como ocurre en el universo de Conway, las leyes de nuestro universo determinan la evolución del sistema, dado su estado en un instante cualquiera. En el mundo de Conway, nosotros somos los creadores, escogemos el estado inicial al especificar los objetos y sus posiciones al inicio del juego.” El Gran Diseño. Pag. 193. Énfasis en negrita añadido.

Y si podemos reconocer que el mundo de Conway tiene un creador (John Conway), ¿Por qué tanto nuestro universo como la vida no lo deben tener también? La incongruencia lógica resulta obvia, pero Hawking, en su libro antes aludido, la remata con desparpajo diciendo, en la sección de agradecimientos de su libro, lo siguiente:

“El universo tiene un diseño, y también lo tiene un libro. Pero a diferencia del universo, un libro no aparece de la nada. Un libro requiere un creador”

¡Asombrosa lógica! Los libros no aparecen de la nada y requieren de un creador, pero el universo inmensamente más complejo que el libro y que contiene al mismo sí surge de la nada y no requieren un creador.

Aseveraciones de este tipo son ejemplos paradigmáticos de como el prejuicio filosófico del materialismo naturalista retuerce la evidencia y crea escenarios para eludir lo ineludible. La vida con su alta complejidad funcional, la presencia de información algorítmica con la capacidad autorreferente de poder describirse a sí misma mediante los 20 aminoacil ARNt sintetasas del código genético, y sus maquinarias multiproteicas capaces de computar dicha información a fin de permitir su autoreplicación, cumplen con los requerimientos que von Neumann ya prescribió como necesarios antes que estos fuesen descubiertos por los biólogos moleculares. Por estas razones podemos concluir qué, dado que los recursos intelectivos que precisa la autorreplicación conceptualizable por la tecnología humana son los mismos que los requeridos para la replicación biológica, no es posible eludir salvo por pura obcecación intelectual, que el fenómeno de la autorreplicación por sí mismo representa una abrumadora inferencia de diseño y, por consecuencia, de origen inteligente.

Referencias:

  1. Robert A. Freitas Jr. y William B. Zachary. A Self-Replicating, Growing Lunar Factory
  2. Mario Hernandez. Autorreplicación. Instituto Universitario de Sistemas Inteligentes.
  3. Anónimo. Autómatas Celulares. Universidad Católica Andrés Bello. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Industrial. Cátedra Investigación de Operaciones.
  4. Sara Imari Walker y Paul  C.W. Davies. The Algorithmic Origins of Life. NASA Astrobiology Institute.  BEYOND: Center for Fundamental Concepts in Science. Arizona State University,  Tempe, AZ. Blue Marble Space Institute of Science, Seattle, WA
  5. Stephen Hawking. El Gran Diseño. Editorial Crítica 2010

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