La biología y la física, aparentemente distintas, se interconectan en la vida
La biología es una ciencia llena de retos, explora los misterios de la vida y sus complejidades. Los procesos biológicos se rigen por las leyes de la física y la química. Desde la física de la doble hélice del ADN hasta la termodinámica de los procesos celulares, la física proporciona el marco conceptual para comprender la vida.
Al combinar los conocimientos de la física, la química y la biología, los científicos están cada vez más cerca de desentrañar más secretos de la evolución y de la biodiversidad. La física fue fundamental para comprender los mecanismos subyacentes de la vida. Proporcionó las herramientas y el marco conceptual inicial de la biología molecular, pero la complejidad de los sistemas biológicos ha llevado a un enfoque más cualitativo y empírico.
En el artículo «Donde la física y la biología se encuentran», publicado en Current Biology, reputados expertos analizaron las oportunidades y desafíos de la construcción de un lenguaje común entre estas disciplinas.
La vida, ¿materia o energía?
En 1944, el físico Erwin Schrödinger, con su obra seminal ¿Qué es la vida?, invitó a la comunidad científica a explorarla desde una perspectiva física. La expectativa era que, al desentrañar sus misterios, se nuevas fuerzas o principios. Aunque su visión no se concretó totalmente, la incursión de la física en la biología, impulsada por figuras como Max Delbrück, sentó las bases de la biología molecular. Inicialmente caracterizada por un enfoque altamente cuantitativo, como lo demuestran experimentos como la prueba de fluctuación de Luria.
La biología molecular evolucionó hacia enfoques más cualitativos y no predominantemente cuantitativos centrados en la detección de marcadores específicos.
Paralelamente, el perfeccionamiento de herramientas como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica transformaron el estudio de la vida a nivel molecular y celular. Parecía que el papel de la física en la biología disminuía, excepto en campos altamente especializados como la mecanotransducción o la biología de canales iónicos, donde los principios físicos son esenciales.
Biólogos y físicos ven el mundo desde diferentes perspectivas. Los físicos exploran las reglas básicas que rigen el universo, los biólogos se enfrentan infinitos hechos aparentemente inconexos sobre el mundo natural. Los físicos utilizan instrumentos de precisión y matemáticas para hacer predicciones. Mientras que los biólogos describen organismos y moléculas en detalle. Le es casi imposible predecir cómo funcionará un sistema biológico o cómo evolucionará.
Laberinto de complejidad y belleza
Existe un dicho muy popular en los círculos científicos: «El camino más seguro al Premio Nobel de Fisiología es estudiar física y desarrollar un método innovador para observar los sistemas biológicos de nuevas maneras». Ignorar la biología significa perderse las maravillas de la vida.
Los organismos vivos son sistemas intrincados. Lejos del equilibrio y en constante interacción con su entorno, no es fácil prever cómo afectará una mutación de un virus una célula o cómo se desarrollará una pandemia. Cada ser vivo es el resultado de miles de millones de años de evolución. Un proceso aleatorio y lleno de sorpresas. La evolución es un proceso único e irrepetible. La diversidad de formas de vida que encontramos lo testimonian.
Un aspecto intrigante de la biología es la finalidad de los procesos vitales. La reproducción y la supervivencia parece conferir a los organismos un propósito. Pero las evidencias no son concluyentes. La evolución y la selección natural han favorecido a los organismos mejor adaptados a su entorno, aunque pareza un diseño inteligente preconcebido.
Teleología biológica fascinante enigma
La biología es impredecible por varias razones. Los seres vivos son sistemas complejos, abiertos y lejos del equilibrio. Además, como sistemas evolucionados, la organización y el comportamiento dependen de su historia.
Si se produjera ahora la vida en la Tierra, no hay razón para pensar que habría jirafas o vieiras, pudiera haber solo sopa primordial, simples células o un mundo boscoso de elfos y unicornios.
Otra complicación es que hay un tipo de teleología en los sistemas biológicos que hace que parezca intencionado su comportamiento. Muy distinto a como se comportan la mayoría de los sistemas físicos. François Jacob dijo que «el sueño de cada célula es convertirse en dos».
Hay indicios de patrones generales que recorren el mundo de los vivos que llevan a un joven científico ambicioso a soñar con identificar algún día un nuevo principio fundamental que anime a los seres vivos. Algunos lo han logrado.
Charles Darwin identificó un «algoritmo» simple que ayudó a explicar la diversidad de la vida y la adaptación de cada organismo a su entorno mediante la selección natural, . También fue Darwin quien sugirió que todos los organismos podrían compartir un ancestro común, que toda la vida en el planeta podría ser una sola colonia.
Cada organismo existe por el éxito de sus antepasados en dejar descendencia.
Encontrar patrones en la diversidad
La forma física de la doble hélice, visible en la foto 517 de Rosalind Franklin, encarna una de las soluciones más simples y generales del problema de la autorreplicación a través de plantillas, como lo concibió por primera vez Nikolai Koltsov.
John Hopfield y Jacques Ninio vieron cómo se puede gastar energía química para retrasar la finalización de un proceso y aumentar la especificidad de las interacciones de baja afinidad entre moléculas para la corrección cinética. Peter Mitchell y Jennifer Moyle demostraron la equivalencia de la energía potencial química y electroquímica. Son percepciones profundas que atraviesan los sistemas biológicos.
Hay una tensión en la biología entre las limitaciones inevitables de la física y la química y el historial de retoques evolutivos que la vida ha explorado en todas las posibilidades en miríadas de formas de ser. Desde el elefante hasta el dragón marino, el rotífero bdelloide, la mosca de ojos acechados y la trampa para moscas de Venus.
Lo mismo ocurre con todas las proteínas. A los biólogos, les resulta difícil si abraza la diversidad o busca el más general de los principios. Afortunadamente, no tienen que elegir uno y otro, pueden ser los dos.
Los sistemas vivos son sistemas físicos intencionados, no equilibrados, producto de las leyes y caprichos de la evolución. La vida se comprende mejor cuando se considera lo inanimado al lado de lo animado. El mundo viviente en evolución en relación con todo lo que podría haber sido. En esa intersección convergen la física y la biología.
Física para desentrañar la biología
Aunque la física identifica las leyes fundamentales que rigen el universo, la biología presenta un enigma adicional: el propósito. Mientras que las partículas subatómicas simplemente «existen» y se rigen por leyes inmutables, los seres vivos luchan por sobrevivir y reproducirse.
La búsqueda de un sentido, un propósito, complica la aplicación directa de las leyes físicas a los sistemas biológicos.
David Marr, neurocientífico cognitivo, propone tres niveles para estudiar el cerebro: computación, algoritmo e implementación. La computación, el «por qué» de un proceso biológico, lleva más allá del ámbito de la física pura, donde la biología se diferencia de otras ciencias. No solo intenta describir, sino también explicar el propósito de los fenómenos.
No obstante tal diferencia fundamental, la física ofrece herramientas poderosas para estudiar los sistemas biológicos. La dinámica no lineal, por ejemplo, permite comprender cómo pequeñas variaciones iniciales pueden llevar a resultados completamente diferentes, un fenómeno común en los sistemas biológicos.
La complejidad de los sistemas biológicos, con sus múltiples escalas y niveles de organización, presenta un complejo desafío para los físicos, fuente de fascinación y descubrimiento.
Los biólogos a menudo se enfrentan a la pregunta de qué nivel de detalle es relevante para comprender un fenómeno biológico particular. Algunos físicos argumentan que la biología puede reducirse a la física. Otros sostienen que la vida posee propiedades que no pueden explicarse completamente en términos de las leyes físicas.
Fundamento para la vida
La relación entre la biología y la física es compleja y fascinante. La biología estudia los organismos vivos, la física establece conexiones entre la materia, la energía y las fuerzas; trata de identificar las reglas fundamentales que describen la naturaleza
Los procesos biológicos, desde el movimiento de un cilio hasta la división celular, están regidos por las leyes de la física. La termodinámica, la mecánica cuántica y la dinámica de fluidos son solo algunos ejemplos físicos que han sido fundamentales para avanzar en la comprensión de la vida.
La física ha sido una disciplina central en el estudio de los fenómenos biológicos. Especialmente, en la interfaz directa con la química y la física, como la bioquímica, biología estructural y biofísica.
El impacto que la física en la biología difiere enormemente en sus múltiples áreas. Así, la biología del desarrollo, que estudia cómo se forma un organismo desde un óvulo fertilizado, ha sido particularmente beneficiada por los avances en la física.
Modelos físicos de grano grueso permiten a los científicos simular procesos como la morfogénesis. Es decir, la formación de estructuras y órganos. Modelos basados en principios físicos como la dinámica de fluidos revelan cómo las fuerzas físicas influyen en el desarrollo embrionario.
La física es una ciencia reduccionista, la biología intenta comprender las reglas autoorganizadas y autoreforzadas que dan paso a la complejidad de los organismos vivos limitadas por las leyes de la física. Aunque es posible que no lo expliquen completamente.
Relación de mutua ayuda
La física y la biología han tenido una relación simbiótica. Entender el funcionamiento de los sistemas vivos avanzó cuando la biología amplió su comprensión de las leyes físicas.
Para desentrañar los mecanismos biológicos subyacentes la física ha sido fundamental y, en algunos casos, han implicado la reformulación de sistemas biológicos complejos en un marco cuantitativo simplificado. Un ejemplo reciente es la descripción física de la clasificación molecular a través de la fusión selectiva y la gemación.
La compleja dinámica espacio-temporal de los flujos celulares durante el desarrollo embrionario desafiaron a los investigadores durante mucho tiempo. Trabajos recientes demuestran la compleja dinámica puede resumirse como un conjunto discreto de «estructuras coherentes lagrangianas» que pueden ser controladas individualmente por restricciones físicas.
Modelos matemáticos cada vez más sofisticados permiten a los científicos simular procesos biológicos complejos, como el desarrollo embrionario, y predecir su comportamiento. Desde la termodinámica que explica el metabolismo hasta la mecánica cuántica que describe las reacciones químicas, los principios físicos son la base de la vida.
La biología inspira la física
La biología no solo es un campo de aplicación para la física, también es una fuente de inspiración. Los sistemas biológicos presentan desafíos únicos para los físicos con su complejidad y adaptabilidad.
Fenómenos como la autoorganización, la emergencia y la adaptación han llevado al desarrollo de nuevas ramas de la física. Como la de la materia blanda y la biofísica.
Miles de millones de años de evolución han creado una vasta mezcla heterogénea de ejemplos de lo que es posible construir, pero que actualmente está más allá del alcance del ingenio humano.
La exploración de muchos fenómenos intrigantes que surgen en los materiales activos fue motivada por observaciones en sistemas vivos. Como la fuga de arrastre, la turbulencia activa y la separación de fases inducida por la motilidad.
El campo de la termodinámica estocástica, a escala microscópica, se ha inspirado en gran parte en las observaciones de máquinas biomoleculares como los ribosomas, la kinesina y la ATP sintasa. Con sus muchas preguntas pendientes sobre los límites energéticos en el cálculo, la sensibilidad y la eficiencia.
La relación entre la física y la biología está lejos de agotarse. El futuro promete avances aún más emocionantes. La biología sintética, por ejemplo, busca diseñar organismos con nuevas propiedades, aprovechando los principios de la física y la ingeniería.
Importancia de los «muchos»
La respuesta a la interrogante sobre qué diferencia a un organismo vivo de un conjunto de átomos inanimados reside en la complejidad. En la capacidad de un sistema para realizar tareas sorprendentemente complejas a partir de la interacción de muchas partes simples.
Los sistemas biológicos, desde las células hasta los organismos completos, se caracterizan por tener un gran número de componentes que interactúan entre sí. Complejidad que es fundamental para la función biológica.
La biología y la física comparten un interés común en el estudio de sistemas con muchos grados de libertad adaptativos (DOF adaptativo). Un sistema con muchos DOF adaptativos tiene la capacidad de satisfacer más restricciones y aumentar su funcionalidad.
La materia viva está llena de sistemas con DOF adaptativo, los cuales, en muchos casos, son clave para la función biológica. Al aumentar el número de componentes, aumenta la capacidad del sistema para realizar tareas más sofisticadas y adaptarse a diferentes condiciones.
Analogía con las redes neuronales
Para ilustrar este punto, podemos comparar los sistemas biológicos con las redes neuronales artificiales. Al igual que ellas, los sistemas biológicos tienen una gran cantidad de conexiones entre sus componentes. Conexiones, o grados de libertad adaptativos, que permiten al sistema aprender y adaptarse a nuevas situaciones. Los sistemas con un gran número de DOF adaptativos pueden satisfacer más restricciones y aumentar su funcionalidad.
La función biológica emerge de la interacción de estos numerosos componentes. Por ejemplo, las proteínas, que son las moléculas que realizan la mayor parte del trabajo en una célula, pueden adoptar una gran variedad de formas y funciones gracias a su gran número de aminoácidos. Del mismo modo, las redes neuronales pueden aprender a reconocer patrones complejos gracias a la gran cantidad de conexiones entre sus neuronas.
Un aspecto clave de la complejidad biológica es la existencia de «reglas locales». Que gobiernan las interacciones entre los componentes individuales y pueden dar lugar a comportamientos complejos a nivel del sistema. Por ejemplo, las células de un tejido pueden seguir reglas simples sobre cómo crecer y dividirse. Pero pueden dar lugar a patrones complejos de crecimiento y desarrollo.
La física ha proporcionado herramientas poderosas para estudiar la complejidad de los sistemas biológicos. La teoría de sistemas complejos, la termodinámica y la mecánica estadística son solo algunos ejemplos. Al aplicarlos a la biología, los científicos pueden obtener una comprensión más profunda de cómo funcionan los organismos vivos.
Abismo entre disciplinas
La relación entre la física y la biología ha dado lugar a importantes contribuciones y avances en ambas disciplinas. Los físicos han empleado modelos matemáticos para estudiar la formación de sistemas complejos, desde la materia hasta las galaxias.
Forma de pensar que ha sido adoptada por los biólogos en las últimas décadas. La biofísica matemática se ha vuelto cada vez más popular gracias al aumento de la potencia computacional y la capacidad de simular modelos matemáticos complejos.
Pero entender la vida sigue siendo un desafío que va más allá de la física y los modelos matemáticos. La complejidad, la imprevisibilidad y la naturaleza estocástica de la materia biológica crean retos únicos en la comprensión de la biología. El empleo de conceptos y métodos de la física sin duda mejorará nuestra comprensión de la biología. Pero sigue existiendo un abismo entre ambas disciplinas.
El abismo entre la biología y la física se deriva de la mayor complejidad y heterogeneidad de las células vivas en comparación con la materia inorgánica. Ambas disciplinas han construido puentes incipientes y han colaborado en áreas como la biofísica, la mecanobiología y la biología de sistemas.
Entrelazadas
La física ha contribuido significativamente a la biología. Creando subdisciplinas como la biofísica y la biología de sistemas. Y ayudando a comprender cómo las células detectan señales químicas débiles y ruidosas. La biología, por su parte, ha influido en el campo de la física de la materia blanda e inspirando sistemas similares a la biología para que los físicos los analicen.
Pese a los avances, aún queda un gran abismo por cerrar. La física estadística de no equilibrio y la consideración de los sistemas vivos como máquinas de procesamiento de información son dos enfoques prometedores para construir un puente más sólido entre las dos disciplinas.
En última instancia, la física y la biología seguirán estando entrelazadas. Con la física ayudando a explicar los procesos biológicos fundamentales. Desde el acortamiento de los sarcómeros en los músculos esqueléticos hasta la difusión de oxígeno en el torrente sanguíneo.
La física juega un papel esencial en nuestra comprensión de nosotros mismos. Todas las células, tejidos y organismos deben obedecer las leyes del movimiento. La biología, por su parte, inspira nuevas teorías y conceptos en física.
Unificar física y biología
La biología, en su búsqueda por desentrañar los misterios de la vida, se encuentra cada vez más íntimamente ligada a la física. Ambas disciplinas, sin embargo, parecen hablar lenguajes distintos. Separados por un abismo de escalas y enfoques.
Desde cómo conciliar la mecánica cuántica de una molécula de hemoglobina con la fisiología de un pulmón completo, hasta cómo pasar de lo infinitesimal a lo macroscópico sin perder información crucial en el camino, la cuestión de la escala es central.
Por ejemplo, para entender un proceso biológico como la respiración, existe la duda de si es necesario descender hasta el nivel de las moléculas individuales o basta con una visión más holística, considerando el sistema respiratorio como un todo.
Al igual que en la física, donde las leyes que gobiernan el comportamiento de un átomo no siempre se extrapolan directamente a un sistema planetario, en biología la complejidad emerge de la interacción de múltiples escalas. El reto es conectar diferentes escalas y comprender cómo los sistemas biológicos responden y se remodelan en respuesta a las perturbaciones.
La física ha contribuido significativamente a la biología, no solo en términos de avances técnicos como técnicas de imagen y análisis cuantitativo, también en logros conceptuales.
La mecanobiología, la dinámica de poblaciones y la biología de sistemas se han desarrollado gracias a la interacción entre la biología y la física. Unión que, debido el choque cultural entre los biólogos clásicos y los físicos, no ha estado exenta de tensiones.
La física se centra en los principios comunes y los comportamientos universales. Mientras que la biología se interesa por las excepciones y los matices. Con su búsqueda de leyes universales, la física choca a veces con la diversidad y la complejidad de los sistemas biológicos. Los biólogos, por su parte, pueden sentirse abrumados por el formalismo matemático de la física.
El morfoespacio
La aparente dicotomía está siendo superada gracias a la colaboración entre científicos de ambas disciplinas. Los biólogos aportan su conocimiento sobre los sistemas vivos. Mientras que los físicos ofrecen herramientas y marcos conceptuales para analizarlos. El resultado son proyectos interdisciplinarios donde el conocimiento crece de manera orgánica, a través de un diálogo constante y la exploración de nuevas preguntas.
El futuro de la física biológica podría estar en explorar cómo la física restringe y define la materia viva. La evolución actúa en el mundo físico, y la física define las configuraciones de la materia posibles.
La morfogénesis es un área particularmente intrigante en este contexto, ya que las crecientes capacidades de imagen y análisis de imágenes permiten caracterizar la forma de las células con una precisión cuantitativa.
La evolución, al operar dentro de las leyes de la física, ha explorado un espacio de posibilidades limitado por estas leyes. El morfoespacio, donde las formas de las células se describen a través de un gran número de características mapeadas en un espacio de baja dimensión.
Las descripciones del morfoespacio están llevando los estudios de la forma de las células al campo de los «grandes datos». La combinación de enfoques morfométricos de big data con la biomecánica, la biología celular y el modelado físico.
Permitirá interrogarnos sobre el espacio de formas poblado por células y cómo las navegan por este espacio durante las transiciones fisiológicas. Podría dar lugar a nuevos principios físicos que rigen la morfogénesis y arrojar luz sobre los principios fundamentales que controlan el comportamiento celular.
La física redescubre la vida
La física ha permitido a los biólogos escudriñar los misterios de la vida. Desde los rayos X que revelan la estructura ósea hasta los láseres que manipulan moléculas individuales. Ha sido el martillo y el cincel que han esculpido la comprensión de los seres vivos, pero no es una relación unidireccional. La biología ofrece a los físicos un nuevo laboratorio para explorar las leyes del universo.
Los sistemas vivos, con su intrincada complejidad y su capacidad para autoorganizarse, han desafiado las teorías físicas convencionales. También han inspirado ideas. Por ejemplo, una molécula de ARN, estirada entre dos puntos a escala nanométrica pone a tambalear las leyes de la física. Fenómenos como el flujo de calor en una dirección contraria a la esperada se vuelven posibles y desafían todas las teorías sobre cómo funciona el mundo.
La biología ofrece más que sistemas diminutos para descubrir. Las células, los tejidos, los organismos enteros son sistemas complejos que operan lejos del equilibrio termodinámico. Significa que están constantemente consumiendo energía y transformándola, lo que les otorga propiedades únicas que no se encuentran en la materia inerte.
Un grupo de células, por ejemplo, puede comportarse como un líquido inteligente, capaz de adaptarse a su entorno y responder a estímulos mecánicos. La intersección entre la física y la biología genera nuevos conocimientos.
Mientras los físicos desarrollan teorías para explicar fenómenos biológicos complejos, los biólogos utilizan herramientas físicas para explorar los mecanismos moleculares de la vida. Los nuevos descubrimientos que desafían el conocimiento humano y su comprensión de la naturaleza.
Futuro de la ciencia
La biología del siglo XXI genera una cantidad masiva de datos. La física, con sus herramientas matemáticas y conceptuales, puede ayudar a dar sentido a toda esa información. Una colaboración rica y muy productiva, pero no exenta de escollos. El lenguaje, los métodos y los objetivos de ambas disciplinas son diferentes.
Superar las barreras requiere un esfuerzo conjunto y una voluntad de aprender de los otros.
La unión de la física y la biología anuncia una conmoción en la comprensión de la vida y del universo, y los frágiles límites entre lo vivo y lo inerte. La física permite ver la complejidad de la vida con una nueva luz y perspectiva. Al combinar las herramientas de la física con la intuición biológica, se enriquecen las preguntas fundamentales sobre cómo funciona la vida molecular y celular
La interacción bidireccional entre la biología y la física ha dado lugar a nuevos campos de estudio y a perspectivas innovadoras sobre la vida al reconocer tanto la unidad subyacente como la asombrosa diversidad de la naturaleza.
