¿Qué es la complejidad en la teoría de sistemas complejos en biología?

Complejidad en biología no es sinónimo de complicado. Es la manera de definir a sistemas en los cuales múltiples factores interactúan generando comportamientos no predecibles. En los sistemas vivos esta forma de organización es la única que existe y por lo tanto la nueva teoría de la complejidad o de sistemas complejos, o “integración de sistemas complejos”, con base en estudios matemáticos y físicos, es una teoría científica que nos permite entender la naturaleza, la diversidad biológica y la evolución.

Las conexiones y los niveles de organización de los sistemas vivos, que antes se planteaban como surgidos por azar y selección, representan un aparente laberinto que es capaz de generar un orden (Kauffman, 1993).

Los seres vivos están constituidos por estructuras en común, los mismos mecanismos y las mismas sustancias. Metabolizan y extraen energías con principios similares y, además, un mismo código genético. Los patrones similares generan la emergencia de patrones filogenéticos.

El estudio de la complejidad permite entender como esos patrones emergen, se desarrollan y evolucionan como procesos básicos y comunes en la naturaleza. Las formas vivas tienen una tendencia a generar tipos morfológicos básicos de los que parten la variación y la diversidad.

Debemos introducir un término que proviene de los estudios de Kauffman. Es el término “atractor”. Un atractor “morfogenético”, en este caso, serían una estructura o mecanismo que genera una de estas formas o patrones morfogenéticos que se replica en la naturaleza. Por ejemplo, las redes génicas que operan de manera similar en diferentes especies, emparentadas o no, para generar una flor. Arquitecturas altamente conservadas se explican por la existencia de un atractor.

Complejidad, establecer patrones, atractores morfogenéticos: Vamos construyendo el marco teórico para entender la diversidad biológica. Y la evolución biológica, que es entender cómo se transforman las especies de seres vivos. Una cuestión que no se ha resuelto. Entonces debemos preguntarnos…

¿Las especies son unidades reales o construcciones imaginarias de la clasificación taxonómica?

La discusión en torno al concepto de especie está lejos de estar terminado. Existen dos corrientes: por un lado, Linneo estableció que las especies son unidades reales, estáticas y fáciles de identificar. La perspectiva transformista (Lamarck), por otro lado, plantea que las especies son entidades cambiantes, no delimitables y por ende no reales. Lo único real es el individuo. Aun así, los individuos pueden ser agrupados en función de semejanzas y diferencias. Como planteó Gould, y retoma Caballero (2008), “el problema central de la evolución es el origen de la discontinuidad entre las especies” (Gould, 2002).

Las características básicas que comparten los individuos respecto al grupo que conforman se denomina esencia, y la doctrina que siguió esta definición se llama esencialismo. Así, surge la idea de especie como esencia. Desde el punto de vista de la complejidad, pueden considerarse a las especies como esencia sin por ello negar su transformación. Es una visión flexible de la esencia.

Los seres vivos son estructuras básicas propias que representan la variación y el cambio, pero en los que se pueden encontrar patrones. La especiación (divergencia entre especies) produce discontinuidad en la naturaleza. Este es un problema clave, la transición de la continuidad de la esencia en la discontinuidad morfológica, en la diversificación.

Pero seguimos atados, hasta aquí, a los macroorganismos y la reproducción sexual. La inmensa mayoría de los seres vivos (Bacteria, Archaea, Eukaria – Algas, Protistas, Hongos-) no están incluidos en los orígenes de la discusión sobre especies. Porque no se conocían y mucho menos sus complejos mecanismos reproductivos. La teoría de la complejidad debe tener en cuenta a esta mayoría de organismos para entender los procesos evolutivos, sobre todo, teniendo en cuenta que los procesos de integración de genomas, integraciones virales y simbiogénesis son experimentalmente comprobables y han dado origen precisamente a diversidad, divergencia y discontinuidad de su “esencia” planteados como problema fundamental de la evolución.

 

Atractores morfogenéticos

El concepto de atractor, proveniente de la teoría de la complejidad permite avanzar en el conocimiento de la “esencia” de las especies.

Un atractor es un conjunto de puntos o estados hacia los cuales convergen asintóticamente durante un tiempo largo las trayectorias dentro de cierto volumen de espacio. (Kauffman, 1993). Se caracterizan por ser caóticos, es decir, por sensibilidad a las condiciones iniciales. Todos recordarán el ejemplo de la metáfora de la mariposa y el tornado.

Caballero (2008), propone que la vida se mueve dentro de planos estructurales básicos (recordemos que las estructuras repetitivas tipo fractal en toda la naturaleza) que pueden variar, transformarse, siguiendo un patrón, al que ella llama “sistema esencial”. Este sistema esencial es autoorganizado, autoproducido (recordemos a Maturana y Varela, y su autopoiesis).  Según su propuesta, los atractores morfogenéticos, influyen en la formación de estructuras y por esta razón observamos formas básicas. La vida puede considerarse una reproducción de las formas básicas (esencia) hasta tanto el sistema lo permita, sorteando presiones evolutivas hasta que ocurra un cambio. Redes arquitectónicas de genes durante la diferenciación celular en el desarrollo floral de organismos serían un ejemplo de estos atractores. Las redes de regulación conocidas en muchos organismos se pueden trasladar a la manera en que se estructuran los fenotipos.

Cada atractor corresponde a una combinación de estados de expresión de genes que especifican un tipo celular particular en donde la arquitectura del circuito está determinada por la interacción de distintos genes y distintos tipos celulares. Se ha observado que dicha red es resistente a cambios resultando en conservación de patrones a lo largo de la evolución.

Aquí nuevamente, el producto no es igual a la suma de las partes, las interconexiones y la dinámica definen el estado del sistema y no sus componentes. Hay que tener en cuenta las condiciones espacio temporales. Hay que aplicar dialéctica.

Aplicado un modelo espacio temporal (o dialéctico, diría yo) a los complejos morfogenéticos, es posible explicar los cambios en el desarrollo (aquí vemos el enfoque en macroorganismos) y restringe los fenotipos. Se puede conectar la biología del desarrollo con la evolutiva.

Destaco que en este planteo teórico: los sistemas vivos son variables debido a la emergencia de redes de genes que se mantienen (esencia) como una emergencia con propiedades no observadas en sus componentes y que tienen un patrón en su dinámica que permite mantener estables hasta que ocurren cambios que alterar esa arquitectura reorganizándose en otro atractor, es decir ha evolucionado.

 

La emergencia de patrones supera el nivel de especies, según Caballero (2008), por lo que la alteración de los patrones podría explicar la emergencia, por ejemplo, de los phylums que aparecieron en un corto espacio de tiempo geológico. Cambios bruscos que cambiaron los patrones y la arquitectura morfogenética generando nuevas estructuras.

Esta teoría puede continuarse con las teorías de integración de sistemas complejos y simbiogénesis para construir un marco teórico que considere estos mecanismos fundamentales en la evolución biológica, sobre todo porque son mecanismos que se observan en la enorme mayoría de los seres vivos.

 

*Esta nota se basa en Caballero (2008), Emergencia de las formas vivas, aspectos dinámicos de la biología evolutiva. México. ISBN: 978-0-9831172-6-1.

Más sobre : Evolución, Simbiogénesis, Evolución, Lamarck, Darwin, etc. “Micro, Macro y Super, Los organismos en Red.