¿Qué es un individuo? La biología busca pistas en la teoría de la información.

¿Qué es un individuo? Los investigadores están utilizando la teoría de la información para desarrollar una definición más general y objetiva que abarque los tipos de relaciones que individuos tan diferentes como un solo animal, un organismo colonial o un fenómeno meteorológico tienen con su entorno. Para reconocer la extraña vida extraterrestre y resolver los misterios biológicos de este planeta, los científicos buscan una definición objetiva de las unidades básicas de la vida.

Por: Jordana Cepelewics

Hace más de 500 millones de años, durante el periodo ediacárico, un mundo de vida surrealista invadió el fondo del océano. Sus extraños animales de cuerpo blando tenían formas físicas que desafían la imaginación: manchas acolchadas y discos acanalados, tubos segmentados y campanas volteadas, husos cónicos y conos delgados. Quizá fueran los primeros organismos multicelulares de gran tamaño del planeta, pero pronto se extinguieron sin dejar descendientes modernos; lo único que queda de esas criaturas tan extrañas y fantásticas son los restos fósiles en antiguas placas de arenisca y cuarcita.

Figura: Los rangeomorfos son extraños animales marinos que vivieron durante el periodo ediacarano. Los estudios que trataron de determinar qué guiaba el crecimiento de sus cuerpos en forma de helecho se basaron en ideas similares a las recientes teorías matemáticas sobre la individualidad biológica.

Debido a esa rareza, los paleontólogos siguen debatiendo incluso las cuestiones más básicas sobre ellos: cómo se desarrollaron, cómo se alimentaron y se reprodujeron, incluso dónde termina un individuo fosilizado y dónde empieza otro. ¿Eran esos animales organismos únicos o colonias de individuos más pequeños, parecidos al Physalia physalis , fragata portuguesa? ¿Dónde terminaban sus cuerpos gelatinosos y empezaba su entorno?
La tarea de distinguir a los individuos puede ser difícil, y no sólo para los científicos que pretenden dar sentido a un registro fósil fragmentado. Los investigadores que buscan vida en otros planetas o lunas se enfrentan al mismo problema. Incluso en la Tierra, está claro que la naturaleza no tiene en cuenta los límites: Los virus dependen de las células huésped para hacer copias de sí mismos. Las bacterias comparten e intercambian genes, mientras que las especies de orden superior se hibridan. Miles de amebas de moho se reúnen en torres para esparcir sus esporas. Las hormigas obreras y las abejas pueden ser miembros no reproductivos de "superorganismos" de colonias sociales. Los líquenes son compuestos simbióticos de hongos y algas o cianobacterias. Incluso los humanos contienen al menos tantas células bacterianas como células "propias", los microbios de nuestro intestino están inextricablemente ligados a nuestro desarrollo, fisiología y supervivencia.
Estos organismos están "tan íntimamente conectados a veces que no está claro si hay que hablar de uno, de dos o de muchos", afirma John Dupré, filósofo de la ciencia de la Universidad de Exeter y director de Egenis, el Centro para el Estudio de las Ciencias de la Vida.
Sin embargo, ser capaz de hacer esas distinciones es extremadamente importante para los científicos. Los ecologistas necesitan reconocer a los individuos cuando desentrañan las complejas simbiosis y relaciones que definen una comunidad. Los biólogos evolutivos, que estudian la selección natural y el modo en que ésta elige a los individuos para el éxito reproductivo, necesitan averiguar qué constituye el individuo seleccionado.
Lo mismo ocurre en los campos de la biología que se ocupan de conceptos más abstractos del individuo, entidades que surgen como patrones distintos dentro de esquemas más amplios de comportamiento o actividad. Los biólogos moleculares deben determinar qué genes, de entre muchos miles, interactúan como una red discreta para producir un rasgo determinado. Los neurocientíficos deben determinar cuándo los grupos de neuronas del cerebro actúan como una entidad cohesionada para representar un estímulo. "En cierto modo, [la biología] es una ciencia de la individualidad", afirma Melanie Mitchell, informática del Instituto de Santa Fe. Y sin embargo, la noción de lo que significa ser un individuo a menudo se pasa por alto. "Hasta ahora tenemos un concepto de 'individuo' que se parece mucho al concepto de 'pila'", dijo Maxwell Ramstead, investigador postdoctoral de la Universidad McGill. "Si hay un montón de arena, intuitivamente sabes que es un montón de arena. Pero un montón no es algo definido con precisión. No es como si después de 13 granos se pasara de una colección a un montón".
Esa definición fundamental está ausente en parte porque "la biología como campo está completamente infrateorizada", dijo Manfred Laubichler, biólogo teórico de la Universidad Estatal de Arizona. "Sigue siendo en gran medida una disciplina impulsada empíricamente".
Ahora, algunos grupos de científicos se proponen cambiar esta situación, y empiezan por formalizar el concepto de individuo según un conjunto de principios y medidas que esperan que guíen a la biología hacia una nueva era.
Un verbo, no un sustantivo
Cuando se trata de definir a los individuos biológicos, tendemos a confiar en lo que podemos observar y medir. Las células están delimitadas por membranas, los animales por su piel; podemos secuenciar el ADN y delimitar los genes en esas secuencias. Por encima de todo, nuestras definiciones privilegian el organismo y las características asociadas a él: una entidad que está físicamente separada de su entorno, que tiene ADN y puede replicarse, que está sujeta a la selección natural. Pero ésa no es la única manera de ver los seres vivos, ni es siempre la mejor. "Siempre digo que si Darwin fuera microbiólogo, tendríamos una teoría de la evolución muy diferente", afirma David Krakauer, teórico de la evolución y presidente del Instituto de Santa Fe. "No se habría empezado con la supervivencia del organismo más apto. Habría sido una premisa muy diferente".
Krakauer está en la búsqueda de una forma más natural y objetiva de identificar las unidades biológicas, una métrica operativa para cuantificar la individualidad basada en la dinámica intrínseca del sistema estudiado, sin sesgos ni límites impuestos por circunstancias externas.
Jessica Flack, experta en el estudio de los fenómenos colectivos también con sede en el Santa Fe Institute, se sentía igualmente frustrada por las formas arbitrarias en que se aplicaban los conceptos de individualidad en el estudio de la selección natural y otros procesos biológicos. Así que ambos se asociaron y, durante casi una década -que incluyó el traslado de Santa Fe a Wisconsin y su regreso, así como la incorporación de varios colegas más al proyecto-, desarrollaron lo que esperaban que fuera "una definición de trabajo mucho más abierta y fundamental que no diera por sentado que conocemos la respuesta, o que sabemos demasiado de la respuesta, a priori", dijo Flack.
En el centro de esa definición de trabajo estaba la idea de que un individuo no debe considerarse en términos espaciales, sino temporales: como algo que persiste de forma estable pero dinámica a lo largo del tiempo. "Es una forma diferente de pensar en los individuos", dijo Mitchell, que no participó en el trabajo. "Como una especie de verbo, en lugar de un sustantivo".
No es un enfoque totalmente novedoso. A principios del siglo XIX, el zoólogo francés Georges Cuvier describió la vida como un vórtice "más o menos rápido, más o menos complicado, cuya dirección es invariable y que siempre arrastra moléculas de tipos similares, pero en el que continuamente entran moléculas individuales y del que continuamente salen; de modo que la forma de un cuerpo vivo es más esencial para él que su materia". Muchos filósofos y biólogos han adoptado este "punto de vista del proceso", según el cual los organismos y otros sistemas biológicos no existen como objetos o materiales fijos, sino como patrones y relaciones que fluyen en un río de flujo.
Por desgracia, "una vez que la teoría de los genes se impuso, se convirtió en una biología de las cosas", dijo Scott Gilbert, biólogo del desarrollo del Swarthmore College. Pero ahora eso está empezando a cambiar de nuevo. "La biología del siglo XX era una biología de las cosas", dijo. "La biología del siglo XXI es una biología de procesos".
Y los científicos han desarrollado las herramientas para considerar esos procesos de manera formal y precisa. "Podemos tomar muchas de estas cosas que hemos estado haciendo con un lenguaje de objetos en biología", dijo Eric Smith, un investigador de los orígenes de la vida en el Instituto de Santa Fe, y "darnos cuenta de que podemos hacer todas las mismas cosas, y hacerlas mejor, con un lenguaje estadístico y distributivo".
Muchos grados de individualidad
Krakauer y Flack, en colaboración con colegas como Nihat Ay, del Instituto Max Planck de Matemáticas en las Ciencias, se dieron cuenta de que tendrían que recurrir a la teoría de la información para formalizar su principio del individuo "como una especie de verbo". Para ellos, un individuo es un agregado que "preserva una medida de integridad temporal", propagando una cantidad casi máxima de información hacia adelante en el tiempo.
Su formalismo, que publicaron en marzo en Theory in Biosciences, se basa en tres axiomas. Uno es que la individualidad puede existir en cualquier nivel de organización biológica, desde el subcelular hasta el social. El segundo es que la individualidad puede anidarse: un individuo puede existir dentro de otro. Sin embargo, el axioma más novedoso (y tal vez el más contradictorio) es que la individualidad existe en un continuo, y las entidades pueden tener grados cuantificables de la misma.
"No se trata de una función binaria que, de repente, da un salto", afirma Chris Kempes, biólogo físico del Instituto de Santa Fe que no ha participado en el trabajo. Para él, como físico, eso es parte del atractivo de la teoría del equipo de Santa Fe. En su opinión, el énfasis en la cuantificación en lugar de la categorización es algo que la biología podría utilizar más, en parte porque evita los complicados problemas de definición sobre, por ejemplo, si un virus está vivo y si es un individuo. "La pregunta es: ¿hasta qué punto está vivo un virus? "¿Qué grado de individualidad tiene un virus?".

Figura: tallos creciendo en un moho de limo celular.

En este molde de limo celular, cientos de amebas de vida libre se han agrupado y sacrificado para construir tallos para que otros puedan esparcir esporas. En todos los reinos de la vida, las definiciones de trabajo de la individualidad pueden parecer fluidas.
Krakauer, Flack y el resto de su grupo se propusieron entonces definir "lentes" para detectar dicha individualidad en entornos complejos y ruidosos. "Piensa en construir una especie de microscopio que me permita ver la información que se propaga en el tiempo", dijo Krakauer. Describieron un marco matemático que descompone los flujos de información en partes y evalúa la individualidad en función de cómo las distintas combinaciones de influencias ambientales y dinámicas internas pueden predecir los estados futuros de un sistema.
Basándose en estos gradientes de flujo de información, el equipo de Santa Fe distingue tres tipos de individualidad.
        El primero es el individuo organísmico, una entidad moldeada por factores ambientales pero fuertemente autoorganizada. Casi toda la información que define a un individuo de este tipo es interna y se basa en sus propios estados previos. "Se trata de una lente que, si te la pusieras, te permitiría ver a los humanos y a los mamíferos y a los pájaros", dijo Krakauer.
        El segundo tipo de individualidad es la forma colonial, que implica una relación más complicada entre factores internos y externos. Los individuos de esta categoría pueden ser una colonia de hormigas o una tela de araña, sistemas distribuidos que están "parcialmente andamiados" por su entorno, pero que siguen manteniendo cierta estructura por sí mismos.
        El tercer tipo está impulsado casi por completo por el entorno. "Si se quita el andamiaje, la [entidad] se desmorona", dijo Krakauer. Es como un tornado, que se disipa en condiciones de temperatura y humedad inadecuadas". La primera vida que surgió en la Tierra fue probablemente así, añadió Krakauer.
Esta "teoría de la información de la individualidad", como la llaman los investigadores, ofrece una forma muy general de pensar en las unidades biológicas. Esperan que inspire algoritmos que puedan "permitir extraer la figura del suelo, el organismo del entorno", dijo Krakauer. Estos algoritmos podrían aplicarse a flujos de datos recogidos a lo largo del tiempo para señalar correlaciones de información que signifiquen la aparición de individuos.
Dentro de esta teoría, los individuos pueden ser células, tejidos, organismos, colonias, empresas, instituciones políticas, grupos en línea, inteligencia artificial o ciudades, incluso ideas o teorías, según Krakauer. "Lo que intentamos hacer es descubrir todo un zoológico de formas de vida que se extienden mucho más allá de lo que convencionalmente hemos llamado vida", dijo.
Estos individuos podrían ser entidades que nunca hemos considerado porque no se ajustan a las escalas o funciones o distribuciones en el espacio con las que estamos familiarizados, entidades "que no encajan con nuestra intuición común de lo que es un individuo", dijo Flack.
"Nuestros sentidos son muy limitados. Lo que podemos procesar en nuestro cerebro es, al final, limitado, aunque sea considerable", dijo Martin Biehl, investigador de Araya, una empresa de IA de Tokio, que está desarrollando un enfoque matemático para identificar agentes individuales en sistemas artificiales. "Entonces, ¿de dónde sacamos esta confianza de que no se nos escapan toneladas de individuos ocultos?".
La vida no es como la conocemos
Esta nueva forma de reconocer a los individuos puede tener muchas ventajas. Tal vez ciertas redes de genes y moléculas de señalización actúen como individuos a nivel de la célula, mientras que otras se reparten entre las células. Tal vez el cáncer se entienda mejor como el resultado de que ciertas células adquieran un mayor grado de individualidad que sus vecinas.
Krakauer y Kempes, entre otros científicos, esperan aplicar este enfoque basado en la medición a las preguntas sobre el origen de la vida: "Los cuerpos planetarios son entornos ricos y complicados, y la química es un espacio combinatorio enorme", dijo Kempes. "Bajo todas estas condiciones diferentes... probablemente nos sorprenderá la cantidad de tipos de orígenes de la vida que se pueden obtener". Quiere utilizar métricas como la de Krakauer para identificar propiedades subyacentes o principios generales que puedan ser compartidos por esas diversas historias de origen.

Figura: Líquenes creciendo en una rama.

Los líquenes son organismos compuestos: Están formados por algas fotosintéticas o cianobacterias que crecen dentro de los filamentos de un hongo. Sin embargo, esta asociación es tan intensa y distintiva que funcionan como un solo organismo.
"La gente quiere centrarse en las cosas que sabemos que comparte toda la vida que tenemos", añadió Kempes. "Pero esa definición es muy particular para la historia evolutiva que hemos tenido en la Tierra, y el origen particular de la vida que tuvimos en este planeta. No es una forma muy general de pensar en la vida". Ciertamente no ayudará a identificar la vida más allá de nuestro propio sistema solar, que podría estar completamente más allá de la comprensión humana, como el océano de plasma sensible que el escritor Stanisław Lem imaginó en su novela de 1961 Solaris.
Pero una definición más amplia de la individualidad no sólo permitirá a los científicos buscar nuevos tipos de vida. También pueden investigar cómo las diferentes condiciones límite pueden afectar al grado de individualidad de una entidad y a su relación con el entorno. Por ejemplo, ¿hasta qué punto es "individual" un ecosistema? ¿Qué ocurre con esa individualidad si desaparece una especie o cambia un factor ambiental crucial? ¿Qué ocurre si el límite de un organismo no se dibuja alrededor de su piel, sino que se extiende para incluir también parte de su entorno? Las respuestas podrían afectar a los esfuerzos de conservación y a nuestra comprensión del grado de interdependencia que existe entre los organismos, las especies y su entorno físico. Y si los investigadores pueden comprender mejor los factores que más influyen en la individualidad de un sistema, podrían aprender más sobre las transiciones evolutivas, como la aparición de la multicelularidad. "Creo que la definición de las magnitudes fundamentales nos ayuda a empezar a ver de repente dinámicas que antes no veíamos y a comprender procesos en los que antes no habíamos pensado", afirma Kempes, del mismo modo que la definición y comprensión de la temperatura permitió la formulación de nuevas teorías en física.
Mantener la individualidad
Otros científicos que realizan investigaciones teóricas sobre la individualidad no están necesariamente de acuerdo en que la teoría de Krakauer y Flack ofrezca el marco mejor o más útil para encontrar respuestas. Para Ramstead, de McGill, por ejemplo, el hecho de que el marco de Krakauer y Flack pueda aplicarse igualmente a cualquier tipo de sistema no es del todo una marca a su favor. Está de acuerdo con los supuestos de partida del grupo de Santa Fe y su uso de la teoría de la información, pero dice que su definición necesita algo más: una forma de diferenciar las entidades biológicas de las entidades de los sistemas no vivos (como los huracanes), basándose en el flujo de información.

Figura: Pluma marina. La pluma marina parece un animal individual, pero en realidad es una colonia de pólipos con tentáculos.

Ramstead plantea la hipótesis de que en su enfoque falta considerar cómo un individuo mantiene la frontera que lo delimita. "Los organismos no están simplemente individuados", dijo. "Tienen acceso a información sobre su individuación". Para él, el tipo de información que utiliza el marco de Krakauer y Flack podría no ser "conocible" para un organismo: "No me queda claro que el organismo pueda utilizar estas métricas de información que ellos definen de una manera que le permita preservar su existencia", dijo.
Como alternativa, Ramstead está colaborando con Karl Friston, un reputado neurocientífico del University College de Londres, para construir una teoría en torno al "principio de energía libre" de Friston sobre la autoorganización biológica. Ramstead considera que esta línea de pensamiento es compatible con el formalismo de Krakauer y Flack, pero que se ve limitada por una explicación de cómo una entidad biológica mantiene su propia individualidad.
El principio de la energía libre afirma que cualquier sistema autoorganizado se verá como si generara predicciones sobre su entorno y buscara minimizar el error de esas predicciones. Para los organismos, eso significa en parte que están midiendo constantemente sus experiencias sensoriales y perceptivas con respecto a sus expectativas.
"Se puede interpretar literalmente el cuerpo de un organismo como una conjetura sobre la estructura del entorno", afirma Ramstead. Y al actuar de forma que mantenga la integridad de esas expectativas a lo largo del tiempo, el organismo se define como un individuo aparte de su entorno.
Antiguas formas fractales
La teoría del equipo de Santa Fe es actualmente "una importante prueba de principio", "un esquema de organización [que puede] crear un cierto orden razonable en ese salvaje oeste de la biología", dijo Laubichler. Pero los investigadores reconocen que aún no están cerca de crear algoritmos útiles que puedan poner en práctica estos conceptos.
Aun así, algunos biólogos ya están encontrando sus propias formas de poner en práctica los enfoques informativos de la individualidad. Su trabajo ofrece una muestra de cómo podrían aplicarse algún día las ideas teóricas que persiguen Krakauer, Flack y Ramstead.
Jennifer Hoyal Cuthill, investigadora de la Universidad de Essex, estudia los organismos que prosperaron durante el periodo ediacarano. "Trabajar con fósiles o formas de vida de épocas muy profundas es lo más parecido a la exobiología en el planeta Tierra", explica. "Así que nos enfrentamos a ese problema práctico de cómo reconocer a los individuos".
Las soluciones que ella y sus colegas han desarrollado están relacionadas con los conceptos que Krakauer y Flack describieron, en particular, con su énfasis en la persistencia de la información a través del tiempo.
Por ejemplo, el reciente trabajo de Hoyal Cuthill sobre los rangeomorfos, animales parecidos a los helechos que podían crecer hasta más de dos metros de altura, con frondas fractales y ramificadas que irradiaban desde un tallo central unido al fondo marino. Los primeros análisis solían agrupar a los rangeomorfos con las plumas de mar, una clase más familiar de invertebrados que se asemejan a las plumas. Dado que una pluma de mar es en realidad un organismo colonial -un conjunto de pólipos individuales con tentáculos-, los científicos pensaban que los rangeomorfos también lo eran. Hasta hace unos 10 años: Los investigadores propusieron más tarde que un programa de crecimiento específico podría haber producido la forma rangeomorfa en individuos individuales.
Esta investigación puede considerarse en términos de teoría de la información. Por ejemplo, Hoyal Cuthill examina la forma fractal del animal, que refleja su historia de crecimiento del mismo modo que los anillos concéntricos del tronco de un árbol registran su crecimiento. "Ha persistido en el tiempo; podemos ver su pasado retenido en él", dijo.
El historial de crecimiento es también un registro de los flujos de información en el entorno de los rangeomorfos, como la información sobre la difusión del carbono orgánico disuelto en el agua del océano que los rodea. Al estudiar la persistencia de esa información, Hoyal Cuthill y sus colegas formularon hipótesis sobre cómo cambiaron los rangeomorfos a lo largo de su vida. El medio ambiente actuó como un andamio para su desarrollo, afectando significativamente a su tamaño y forma, aunque el equilibrio de fuerzas internas y externas los deja como organismos coherentes y no como colonias según las definiciones del equipo de Santa Fe. Aplicando el lenguaje del artículo de Krakauer y Flack, "podemos ver las huellas tanto de la individualidad intrínseca del organismo como de la determinación ambiental, incluso en lo que probablemente sean algunos de los animales más antiguos conocidos", dijo Hoyal Cuthill.
Estos intentos de utilizar los flujos de información, en la teoría o en la práctica, para esculpir la naturaleza en sus articulaciones son "el comienzo del esbozo de ideas y conceptos que podrían ser potencialmente fundacionales para nuevas áreas de la biología", dijo Hoyal Cuthill.
Laubichler se mostró de acuerdo. "Para que las ciencias de la vida o la biología crezcan como disciplina científica", dijo, "tiene que hacer algo así".


Fuente: Fuente: Quanta Magazine - Publicado en: https://www.climaterra.org/post/qu%C3%A9-es-un-individuo-la-biolog%C3%ADa-busca-pistas-en-la-teor%C3%ADa-de-la-informaci%C3%B3n?utm_campaign=68b05f09-db47-450e-a816-670488a65e11&utm_source=so&utm_medium=mail&cid=1682bfaf-4169-4c14-898c-36a1aee38036

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