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widely known, subjects.

Monday, December 18, 2017

The origin of shape

An image of a human brain (left) next to a computer simulation generated by reproducing the physical forces acting on the brain's surface (right). Colours indicate analogous brain regions in both images.
Nature Physics 12, 588–593.)

THE HUMAN BODY is composed of around ten trillion cells – more than a hundred times the number of stars in the Milky Way. These cells are not all identical, but are classified into a myriad of different cell types: the cells making up, for example, the skin, the eye, and the brain, are strikingly different from each other, both in structure and in function. Even within a same tissue there are tens of distinct cell types, each performing a different role. It is certainly hard to imagine that such an immense organisation of specialised units can have stemmed from a single cell: the fertilised zygote arising from the fusion of an ovum (an egg cell) and a spermatozoon (a sperm cell). During the first days of embryonic development, this zygote multiplies to produce a sphere covered by a single layer of identical cells, called the blastula; not much later, this develops into a more complex structure, the gastrula, which is made up of multiple layers, each one composed of a different type of cells. The layers in the gastrula subsequently give rise to the different tissues and organs in the embryo.

Understanding the whole process by which the different parts of an organism, each composed of specialised cells with specific roles and structures, originate from a clump of undifferentiated cells, is clearly one of the most compelling scientific questions. The technical name for it is morphogenesis, from the Greek terms morpho, ‘shape’, and genesis, ‘origin’: the origin of shape.

It may come as a surprise that the first mechanistic explanation for morphogenesis was not to arrive until the mid-twentieth century. It should hardly surprise, however, that such breakthrough would be the product of the gifted mind of the mathematician Alan Turing, best remembered as the ‘father’ of computer science. In an article published in 1952, two years before his premature death, Turing proposed a system of chemical substances, called morphogens, that would explain how certain patterns of shape arise in living organisms. He described such system as evolving in time through a series of chemical reactions and diffusions; this results in a particular distribution across space of two different chemical signals, one of them promoting tissue growth, the other suppressing it. The outcome is a pattern of differential growth – some groups of cells multiplying faster than others – leading to the formation of a certain shape in the living tissue. Amazingly, Turing was able to predict some of these patterns decades before they could be first observed in the laboratory.

The term morphogen is still employed today to refer to those substances or molecules which partake in morphogenesis. We now know that the way in which many morphogens operate is by regulating cell differentiation, that is, the process whereby a cell of a ‘generic’ type transforms into a cell of a more specialised type. A family of proteins known as transcription factors are pivotal in the cell differentiation process. Transcription factors interact with cellular DNA, being able to ‘switch’ genes ‘on’ or ‘off’ in the cell. In some cases, those genes, in turn, regulate the activation of yet other genes, giving rise to genetic regulatory networks. In consequence, the action of a few transcription factors, or even a single one, can drastically affect the cell’s fate – for example, by determining important properties, such as the ability to adhere to other cells. This is especially true during what is perhaps the most crucial period in embryonic development: the process by which the blastula develops into the gastrula, known as gastrulation. To give rise to the multilayered structure of the gastrula, the cells in the blastula need to transiently ‘switch off’, by means of specific transcription factors, adhesion to their neighbour cells. This done, they can move to their new positions in the gastrula, where they regain their adhesion capabilities.

As the name indicates, morphogenesis does not only involve the differentiation of cells and their organisation into groups of distinct cell types, but also the formation of the very biological shapes which keep organisms alive and working. Interestingly, chemicals are not the only players in this process; physics has been discovered to have a considerable part in how living tissues, such as the gut or the brain, acquire their characteristic shapes. The human small intestine, for instance, is a tube between five and eleven metres in length, which folds and loops in a particular manner that allows it to fit in the abdominal cavity. It has been shown that the pattern of loops observed in the developing intestine of chick embryos can be explained by the physical forces that arise when a semirigid tube – in this case, the intestine itself – experiences substantial growth, while attached to an elastic material that does not change size. In the case of the intestine, the role of such elastic material corresponds to the mesentery, a tissue whose function is to anchor the intestine to the abdominal wall. Although this finding was largely proven using computer simulations, a simple physical analogy may be useful here. Let us imagine an elastic flat rubber band, with a flexible plastic tube sewn to one of its edges; if this tube started to grow, while the size of the rubber band remained unchanged, the shape adopted by the tube would soon match the shape in which the intestines are folded in the chick embryo. This suggests that the way in which the intestine folds is simply a physical consequence of the substantial growth experienced by this organ during early development.

The shape adopted by a flexible plastic tube when sewn to a stretched elastic rubber band, once this has been allowed to return to its original size (top) matches the pattern of loops seen in the developing intestine of chick embryos (bottom). (Source: Nature 476, 57–62.)

Another striking example of the physics underlying organic shapes is the mammalian brain. Two important regions of this are the white matter, located inside the brain, and the grey matter, which forms its outer layer (the cortex). The latter normally folds into the characteristic pattern of curved grooves that we immediately associate with this organ. Recent research has shown this morphological pattern to be the result of the physical tensions that arise when a layer of soft material increases in size, while anchored to a core of another soft material whose size does not vary. Because the outer layer – in this case, the grey matter – is firmly attached to the inner core – the white matter – it cannot expand freely in all directions. Instead, a compressive tension builds up that opposes the growth of the outer layer. To minimise such tension, the material must fold drastically in long, deep creases known as invaginations; the resulting shape allows the volume to increase while alleviating the physical stress generated in the process. When this physical system is simulated on a computer, the resulting structures look staggeringly similar to the surface of the brain. Moreover, by simulating the proportions of white and grey matter observed in different mammalian species, the shape of their brains can be reproduced; for instance, mice have much smoother brains than humans, because the proportion of grey matter in their brains is much lower. The peculiar shape of the human brain hence seems to be the solution provided by physics to the problem of achieving large volumes of grey matter.

There is certainly much more to be learned about the physical and chemical mechanisms behind morphogenesis. The inconceivably complex, marvellously tuned nine-month programme by which a single-celled zygote becomes a fully formed foetus baffles us still today. From the subtle patterns of gene regulation to the chemical and physical interactions between cells and tissues across space and time, deciphering the mathematical basis of the origin of organic shapes will always be counted among the most beautiful and captivating missions of science.

Turing, A.M. The chemical basis of morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1952).
Wolpert, L. The triumph of the embryo (Courier Corporation, 2008).
Savin, T., Kurpios, N.A., Shyer, A.E., Florescu, P., Liang, H., Mahadevan, L., Tabin, C.J. On the growth and form of the gut. Nature (2011).
Tallinen, T., Biggins, J.S. Mechanics of invagination and folding: Hybridized instabilities when one soft tissue grows on another. Physical Review E (2015).
Tallinen, T., Chung, J.Y., Rousseau, F., Girard, N., Lefèvre, J., Mahadevan, L. On the growth and form of cortical convolutions. Nature Physics (2016)

El origen de la forma

Imagen de un cerebro humano (izquierda) junto a una simulación informática generada al reproducir las fuerzas físicas que actúan en la superficie del cerebro (derecha). Los colores indican regiones análogas en ambas imágenes. (Fuente: Nature Physics 12, 588–593.)

EL CUERPO HUMANO está compuesto de unos diez billones de células, más de cien veces el número de estrellas en la Vía Láctea. Estas células no son todas idénticas, sino que se clasifican en unos ciento cincuenta tipos: por ejemplo, las células de la piel, del ojo y del cerebro son notablemente distintas entre sí, tanto en función como en estructura. Incluso dentro de un mismo tejido existen decenas de tipos celulares, cada uno con un papel diferente. Es ciertamente difícil imaginar que tan inmensa organización de unidades especializadas pueda haber surgido de una sola célula: el cigoto fertilizado formado tras la fusión de un óvulo y un espermatozoide. En los primeros días de desarrollo embrionario, este cigoto se multiplica para dar lugar a una esfera recubierta de una sola capa de células idénticas, llamada blástula; poco después, ésta se transforma en la gástrula, una estructura más compleja compuesta de múltiples capas, cada una de las cuales contiene tipo de células distinto. Las capas de la gástrula se desarrollan luego en los diferentes tejidos y órganos del embrión.

Entender el proceso completo por el cual las diferentes partes de un organismo, cada una formada por células especializadas con roles y estructuras específicas, se originan a partir de un grupo de células no diferenciadas, es sin duda una de las más fascinantes cuestiones científicas. El nombre técnico de este proceso es morfogénesis, del griego morpho, ‘forma’, y genesis, ‘origen’: el origen de la forma.

Puede resultar sorprendente que la primera descripción de un mecanismo asociado con la morfogénesis no tuviera lugar hasta mediados del siglo pasado. No debiera sorprendernos, sin embargo, que tal avance fuera el producto de la excepcional mente del matemático Alan Turing, más conocido como el ‘padre’ de la informática. En un artículo publicado en 1952, dos años antes de su prematura muerte, Turing propuso un sistema de sustancias químicas, denominadas morfógenos, el cual era capaz de explicar cómo ciertos patrones morfológicos se originan en los seres vivos. Turing describió el modo en que este sistema evoluciona en el tiempo mediante una serie de reacciones y difusiones químicas, la cual genera una distribución espacial específica de dos señales químicas diferentes, una de ellas fomentando el crecimiento del tejido y la otra suprimiéndolo. El resultado es un patrón de crecimiento diferencial, en el que unos grupos de células se multiplican más rápido que otros, llevando a la creación de una forma en el tejido. Increíblemente, Turing predijo algunos de estos patrones de crecimiento décadas antes de que pudieran ser observados en el laboratorio.

El término morfógeno aún se emplea hoy en día para referirse a aquellas sustancias o moléculas que participan en la morfogénsis. Hoy sabemos que la forma en que muchos morfógenos funcionan es mediante la regulación de la diferenciación celular, es decir, el proceso por el cual una célula de un tipo ‘genérico’ se transforma en una de un tipo más especializado. En particular, una familia de proteínas conocidas como factores de transcripción es fundamental para el proceso de diferenciación celular. Los factores de transcripción interactúan con el ADN celular, siendo capaces de ‘activar’ o ‘desactivar’ genes en la célula. En algunos casos, estos genes regulan, a su vez, la activación de otros genes, dando lugar a una red reguladora genética. En consecuencia, la acción de unos pocos factores de transcripción, o incluso de uno solo, puede conllevar efectos drásticos para el destino de la célula; por ejemplo, mediante la determinación de propiedades tan importantes como la habilidad de adherirse a otras células. Esto es especialmente cierto durante la que es quizá la fase más crucial en el desarrollo embrionario: el proceso por el cual la gástrula se desarrolla a partir de la bástula, conocido como gastrulación. Para dar lugar a la estructura multicapa de la gástrula, las células que componen la bástula necesitan ‘desactivar’ temporalmente, por medio de factores de transcripción específicos, su capacidad de adherirse a las células vecinas. Tras esto, las células se desplazan a sus nuevas posiciones en la gástrula, donde recuperan sus capacidades adhesivas.

Como el propio nombre indica, la morfogénesis no sólo incluye la diferenciación de las células y su organización en grupos de diferentes tipos celulares, sino también la creación de las formas biológicas que mantienen a los organismos vivos y en funcionamiento. Interesantemente, en este proceso no sólo participan sustancias químicas; la física juega también un papel fundamental en el proceso por el que los tejidos vivos, como el intestino o el cerebro, adquieren su forma característica. El intestino delgado humano, por ejemplo, es un tubo de entre cinco y once metros de longitud, que se pliega y enrolla en una forma concreta que le permite caber en la cavidad abdominal. Se ha demostrado que el patrón de bucles observado en el intestino en desarrollo de embriones de pollo puede recrearse por medio de las fuerzas físicas que se generan cuando un tubo semirrígido –en este caso, el propio intestino– aumenta de tamaño, mientras se encuentra sujeto a un material elástico cuyo tamaño no varía. En el caso del intestino, el papel de este material elástico corresponde al mesenterio, un tejido cuya función es anclar el intestino a la pared abdominal. Aunque este descubrimiento fue demostrado en su mayoría mediante simulaciones informáticas, una simple analogía física puede ser de ayuda: imaginemos una banda plana de goma elástica con un tubo de plástico flexible cosido a uno de sus bordes. Si este tubo comienza a aumentar de tamaño, mientras la banda de goma permanece igual, la forma resultante realmente coincide con la forma en que el intestino se halla plegado en los embriones de pollo. Esto sugiere que la forma del intestino es simplemente una consecuencia física del crecimiento que este órgano experimenta durante las primeras etapas de desarrollo.

La forma que adopta un tubo de plástico flexible al ser cosido a una banda de goma elástica estirada, una vez que ésta ha recuperado su tamaño original (arriba) coincide con el patrón de bucles observado en el intestino en desarrollo de embriones de pollo (abajo). (Fuente: Nature 476, 57–62.)

Otro sorprendente ejemplo de la física subyacente a las formas orgánicas es el cerebro de los mamíferos. Dos de las principales regiones del mismo son la materia blanca, situada en el interior del cerebro, y la materia gris, la cual forma su capa más externa (el córtex). Ésta normalmente se pliega en un patrón característico de surcos curvados que inmediatamente asociamos con este órgano. Investigaciones recientes han demostrado que este patrón morfológico es el resultado de las tensiones físicas que se generan cuando una capa de material blando aumenta de tamaño, mientras permanece anclada a un núcleo formado por otro material blando cuyo tamaño no varía. Al estar sujeta al núcleo interno –en este caso, la materia blanca–, la capa externa –la materia gris– es incapaz de expandirse libremente en todas direcciones. En su lugar, una tensión compresiva se acumula en la capa externa, oponiéndose a su crecimiento; para minimizar tal tensión, el material debe plegarse drásticamente en largos y profundos surcos, los cuales reducen el estrés físico y permiten un aumento del volumen. Cuando este proceso es simulado en un ordenador, las estructuras resultantes son asombrosamente similares a la superficie del cerebro. Es más, al simular las proporciones de material blanca y gris observadas en distintas especies de mamíferos, la forma de sus cerebros puede ser reproducida; por ejemplo, el cerebro de los ratones es mucho más liso que el de los humanos, debido a que su proporción de materia gris es mucho más baja. La peculiar forma del cerebro humano parece ser, por tanto, la solución ofrecida por la física al problema de adquirir grandes volúmenes de materia gris.

Queda ciertamente mucho que aprender acerca de los mecanismos físicos y químicos que posibilitan el fenómeno de la morfogénesis; el inconcebiblemente complejo y maravillosamente coordinado proceso por el que un cigoto unicelular da lugar a un feto completamente formado sigue asombrándonos aun hoy en día. Desde los sutiles patrones de regulación genética hasta las interacciones químicas y físicas entre células y tejidos a lo largo del espacio y el tiempo, descifrar las bases matemáticas del origen de las formas orgánicas se contará siempre entre las más cautivadoras misiones de la ciencia.

Turing, A.M. The chemical basis of morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1952).
Wolpert, L. The triumph of the embryo (Courier Corporation, 2008).
Savin, T., Kurpios, N.A., Shyer, A.E., Florescu, P., Liang, H., Mahadevan, L., Tabin, C.J. On the growth and form of the gut. Nature (2011).
Tallinen, T., Biggins, J.S. Mechanics of invagination and folding: Hybridized instabilities when one soft tissue grows on another. Physical Review E (2015).
Tallinen, T., Chung, J.Y., Rousseau, F., Girard, N., Lefèvre, J., Mahadevan, L. On the growth and form of cortical convolutions. Nature Physics (2016)

Sunday, September 10, 2017

Natural chaos

Patterns composed of ever-smaller branches are very common in nature; some examples are (clockwise from top left): plants, rivers, pulmonary bronchi and blood vessels.
(Credits: Catherine Macbride; Jassen Todorov; Guzel Studio; Inozemtsev Konstantin.)

IN SOME WAY, the movement of the celestial bodies across the sky resembles that of a colossal clockwork device. Stars and planets follow orbits which are neatly described by mathematical equations, such that by knowing their position at a given point in time, we can foretell their positions at any future time. This is the basis of our ability to predict lunar phases, solar and lunar eclipses, meteor showers and other astronomical phenomena. It is perhaps unsurprising that, until quite recently, science believed the whole universe to operate in such a way, following predictable, ‘clockwork’ processes. Such a view is termed ‘determinism’ since, according to it, the future is completely predetermined by mathematical equations, such that no randomness or unpredictability would be left, were we able to work out those equations. This was perfectly put by the prominent eighteenth-century mathematician Pierre-Simon Laplace, who wrote:

An intellect which, at a certain moment, would know all forces that set nature in motion, and all positions of all items of which nature is composed, if this intellect were also vast enough to submit these data to analysis, it would embrace in a single formula the movements of the greatest bodies of the universe and those of the tiniest atom; for such an intellect, nothing would be uncertain, and the future, just like the past, would be present before its eyes.

However elegant this might sound, over the second half of the last century it became increasingly clear to scientific minds that the universe is very little like this. Various natural processes, even though they could be perfectly described using mathematics, were found to display a behaviour that was, on all accounts, impossible to forecast. In time, these and other baffling discoveries led us to realise that unpredictability is an intrinsic property of the universe; not only this, but it is this very property that grants inanimate matter the dazzling ability to spontaneously organise itself into the complex shapes and structures of the natural world. The uncanny force responsible for the unpredictability of the world received what is, in fact, a very popular name — chaos.

Although the term ‘chaos’ commonly serves as synonym for disorder or mayhem, its mathematical meaning is more specific. In a system that can be completely described by deterministic mathematical equations, without any unknown or random component, chaos is the property that makes this system capable of behaving unpredictably. In order words, even if we know the state of the system at a given moment, and the equations that describe the system’s evolution, it is impossible for us to predict its future behaviour.

One of the first to describe a system with chaotic behaviour was the meteorologist Edward Lorenz, who in the early 1960s was trying to model the weather using mathematics. The dominant view at the time was that the weather was a deterministic phenomenon, and thus could be forecasted using equations. But once Lorenz had written down a set of equations that captured the dynamics of air masses, he found that these did not yield any useful predictions. Actually, his system appeared to suffer from extreme sensitivity to even the slightest change in its starting conditions; these variations, initially tiny, rapidly amplified across the system as this evolved, causing it to deviate from its predicted course, and thus leading to completely unexpected outcomes.

Lorenz presented his findings in a talk which he titled: ‘Does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas?’. This concept would rapidly capture the public’s imagination, giving birth to the popular expression ‘the butterfly effect’. What Lorenz’s results imply is that, even if we should, in theory, be able to forecast the weather by measuring a set of variables (such as atmospheric pressure, temperature, humidity, wind speed, etc.) and solving some equations that describe the evolution of atmospheric conditions, these equations are so sensitive to even infinitesimal changes in their initial values, that we cannot possibly measure the variables we need with such accuracy as to be able to reliably predict the weather beyond a couple of days from now. It turns out that the butterfly effect, that is, a high sensitivity to the initial conditions, is actually a hallmark of chaotic systems.

The butterfly effect is easier to understand thanks to a simpler phenomenon than the weather. In the 1970s, biologist Robert May was working on an equation to model the changes in animal populations over generations. This is known today as the logistic equation, and is indeed very simple. Given a value, Current Size, that represents the current size of a population in relation to its maximum possible size (for example, a value of 0.5 means that the population has half the maximum size), using the logistic equation, we can easily find out the size of the population in its next generation, Future Size:

Future Size = 3.7 × Current Size × (1 – Current Size).

The 3.7 value in the equation above is arbitrary, and as suitable as almost any other value between 3.6 and 4. Given this equation, if the current population size, Current Size, were, for instance, 0.27 (27% of the maximum size), then the size in the next generation would be:

Future Size = 3.7 × 0.27 × (1 – 0.27) = 3.7 × 0.27 × 0.73 ≈ 0.729.

The logistic equation is as simple as it looks, and yet it has a property which is shared between all chaotic systems: feedback. In other words, the equation’s result — in this case, 0.729 — is fed back into the equation, since this value will be the new Current Size when we try to determine the population size in the following generation (the next Future Size). Because the population size in each generation depends on the size in the previous generation, it is easy to see how even the smallest variation in our initial value will grow larger as we solve the equation for more and more generations. If the initial value of the system is a real amount that we need to measure, this implies that we can never measure it accurately enough as to be able to predict its future values indefinitely. But the more precision we achieve in our measurements, the longer we will reliably predict the system’s behaviour.

To show the logistic equation’s chaotic behaviour, let us use again the value 0.27 as our initial value for Current Size. We can use this value to calculate Future Size, which will then become the new Current Size, and repeat this process for many generations, making use of the logistic equation each time. Now, imagine that we did not measure the initial population size with absolute accuracy, and that the actual initial size was not 0.27, but 0.270001 (this represents a change of just 0.00037% in the initial value). In this case, it turns out that with our ‘inaccurate’ initial value of 0.27, we will only be able to predict the future population size for twenty-three generations, and no further. Beyond the twenty-third generation, the system will no longer abide by our predictions, and so we say that it behaves chaotically after this point.

Graph representing the evolution of the size of a population, as described by the logistic equation, for 50 generations and initial values of 0.27 (upper, in blue) and 0.270001 (lower, in red). The system follows the same evolution for the first 23 generations; after this point (discontinuous line), the system displays a different behaviour in each case. Therefore, with an initial value of 0.27 it is impossible to predict the system if the true initial value is not exactly 0.27. This is known as chaotic behaviour.

Chaos is not a rare phenomenon at all; it actually crops up everywhere, from climate to living systems to the stock market. The world is inevitably shrouded in unpredictability; on the other hand, the fact that chaos is so embedded in the fabric of the universe is what makes nature capable of spawning the amazing designs we see around us, from the shapes of clouds to the structure of our circulatory system. For, as a visionary mathematician named Benoît Mandelbrot discovered in the seventies, chaos is at the heart of a special kind of geometry that can be used to describe the rough and irregular shapes of nature. Mandelbrot realised that Euclidean geometry, which is concerned with perfect shapes, such as lines, triangles and spheres, is not able to explain the physical world around us; for neither are the mountains triangles, nor are the clouds spheres. Nature seems to have a preference for characteristically rough, ‘imperfect’ structures, and before Mandelbrot, no one knew how to measure and describe that roughness. Mandelbrot’s new geometry, fractal geometry, was one of the greatest mathematical revolutions of the twentieth century. Mandelbrot realised that there is a property common to almost all the shapes of nature, something called self-similarity. This can be described as the property by which an object is composed of parts that look themselves like small versions of the whole object. The closer we look at mountains, trees, clouds and sea waves, the more detail we see, and this new detail always repeats a similar geometric pattern. A tree branch resembles a small tree, just as a rock resembles a small mountain, depending only on how closely we observe them. Amazingly, the pattern of progressively smaller branches adopted by plants is also found in the structure of our blood vessels, our nerves and our lungs — just to mention some.

Mandelbrot discovered that this kind of irregular, self-similar forms, which he christened fractals, are described by simple mathematical equations that have the property of feedback, just like May’s logistic equation and Lorenz’s atmospheric model. This sparked an incredible breakthrough: the realisation that chaos is the force behind nature’s amazing ability to self-organise into the multitude of complicated structures and patterns we see in the world. Chaos is the property that empowers simple mathematical rules to spontaneously give rise to unimaginably complex systems. Our intuition of complexity as something that cannot suddenly arise from something much simpler, but that necessarily implies a process of complex, even conscious, design, needs to be reappraised. For nature is, at the same time, marvellously complicated and marvellously simple.

The Secret Life of Chaos. BBC (2010).
Butterflies, Chaos and Fractals. Lecture by Prof. Raymond Flood, Gresham College (2013).
Benoît Mandelbrot. The Fractal Geometry of Nature (Henry Holt & Co., 1982).

Caos natural

Los patrones compuestos de ramificaciones cada vez más pequeñas son muy comunes en la naturaleza; algunos ejemplos son (en sentido de las agujas del reloj, desde la esquina superior izquierda): plantas, ríos, bronquios pulmonares y vasos sanguíneos.
(Imágenes: Catherine Macbride; Jassen Todorov; Guzel Studio; Inozemtsev Konstantin.)

EN CIERTO MODO, el movimiento de los cuerpos celestiales se asemeja al de un colosal dispositivo mecánico. Las estrellas y planetas siguen órbitas que pueden ser descritas de forma precisa por ecuaciones matemáticas, de modo que, conociendo sus posiciones en un instante dado, podemos vaticinar sus posiciones en cualquier momento futuro. Ésta es la base de nuestra capacidad para predecir fases lunares, eclipses de sol y de luna, lluvias de estrellas y otros fenómenos astronómicos. Quizá no deba sorprendernos el que, hasta hace bastante poco, la ciencia interpretara el universo entero de esta forma, como una gran máquina regida por procesos ‘mecánicos’, predecibles. Esta postura se conoce como ‘determinismo’, ya que, según ella, el futuro está absolutamente predeterminado por ecuaciones matemáticas, tal que nada permanecería aleatorio o impredecible si pudiéramos descifrar estas ecuaciones. Tal pensamiento quedó perfectamente expresado en palabras del prominente matemático del siglo XVIII Pierre-Simon Laplace, quien escribió:

Un intelecto el cual, en un cierto momento, conociera todas las fuerzas que dan movimiento a la naturaleza, y todas las posiciones de todos los elementos de los que la naturaleza está compuesta, si este intelecto fuera también lo suficientemente vasto como para someter estos datos a análisis, abarcaría en una sola fórmula los movimientos de los mayores cuerpos del universo y los del átomo más pequeño; para tal intelecto, nada sería incierto, y el futuro, tal como el pasado, estaría presente ante sus ojos.

Por muy elegante que esto pueda sonar, a lo largo de la segunda mitad del siglo pasado la comunidad científica vio cada vez con mayor claridad que el universo no se comporta de este modo. Varios procesos naturales fueron descubiertos, los cuales, pese a que podían ser perfectamente descritos matemáticamente, mostraban un comportamiento que era, a todas luces, imposible de pronosticar. Durante las décadas siguientes, estos y otros desconcertantes descubrimientos nos llevaron a comprender que la imprevisibilidad es una propiedad intrínseca del universo; no sólo esto, sino que es precisamente esta propiedad la que dota a la materia inanimada de la habilidad de autoorganizarse en las complejas formas y estructuras de la naturaleza. La inexplicable fuerza responsable de la imprevisibilidad del mundo recibió el que es, de hecho, un nombre muy popular: caos.

Aunque el término ‘caos’ es comúnmente un sinónimo de desorden o vorágine, su significado matemático es más concreto. En un sistema completamente descrito por ecuaciones matemáticas determinísticas, sin ningún componente desconocido o aleatorio, el caos es la propiedad que dota a este sistema de la capacidad de comportarse impredeciblemente. En otras palabras, incluso si conocemos perfectamente el estado del sistema en un momento dado, así como las ecuaciones que describen la evolución del sistema, es imposible predecir el comportamiento futuro del mismo.

Uno de los primeros en describir un sistema con comportamiento caótico fue el meteorólogo Edward Lorenz, quien a principios de los sesenta estaba intentando modelar el tiempo atmosférico mediante matemáticas. El pensamiento dominante de la época era que el tiempo era un fenómeno determinístico y, por tanto, podía ser pronosticado mediante ecuaciones. Pero una vez que Lorenz hubo escrito un conjunto de ecuaciones que describía la dinámica de masas de aire, se encontró con que éste no conducía a predicción útil alguna. Lo que su sistema parecía sufrir, en cambio, era una sensibilidad extrema a la más ligera variación en sus condiciones de inicio; estos cambios, aunque al principio fueran minúsculos, eran rápidamente amplificados a lo largo del sistema conforme éste evolucionaba, haciéndolo desviarse de su curso predicho, y llevando a resultados absolutamente inesperados.

Lorenz presentó sus hallazgos en una charla titulada: ‘¿Desencadena el aleteo de una mariposa en Brasil un tornado en Texas?’. Este concepto pronto capturó la imaginación popular, dando origen a la célebre expresión ‘el efecto mariposa’. Lo que los resultados de Lorenz implican es que, incluso si deberíamos, en teoría, poder predecir el tiempo midiendo una serie de variables (tales como presión atmosférica, temperatura, humedad, velocidad del viento, etc.) y resolviendo las ecuaciones que describen la evolución de las condiciones atmosféricas, la realidad es que estas ecuaciones son tan sensibles a cambios infinitesimales en sus valores iniciales, que nunca seremos capaces de medir las variables que necesitamos con suficiente precisión como para predecir el tiempo de forma fiable por más de unos días. Resulta que el efecto mariposa, es decir, la alta sensibilidad a las condiciones de inicio, es una marca distintiva de los sistemas caóticos.

El efecto mariposa es más fácil de entender gracias a un fenómeno más sencillo que el tiempo atmosférico. En los años setenta, el biólogo Robert May estaba trabajando en una ecuación para modelar los cambios en poblaciones de animales a lo largo de las generaciones. Esta ecuación se conoce hoy como la ecuación logística, y es verdaderamente simple. Dado un valor, Tamaño Actual, el cual representa el tamaño actual de una población en relación a su tamaño máximo posible (por ejemplo, un valor de 0,5 significa que la población tiene la mitad del tamaño máximo), usando la ecuación logística, podemos averiguar fácilmente el tamaño que tendrá la población en la siguiente generación, al que llamaremos Tamaño Futuro:

Tamaño Futuro = 3,7 × Tamaño Actual × (1 – Tamaño Actual).

El valor 3,7 en esta ecuación es arbitrario, y tan adecuado para nuestros propósitos como casi cualquier otro valor entre 3,6 y 4. Dada esta ecuación, si el tamaño actual de la población, Tamaño Actual, fuera, por ejemplo, 0,27 (el 27% del tamaño máximo), entonces el tamaño en la próxima generación sería:

Tamaño Futuro = 3,7 × 0,27 × (1 – 0,27) = 3,7 × 0,27 × 0,73 ≈ 0,729.

La ecuación logística es tan simple como parece, y aun así posee una propiedad que comparten todos los sistemas caóticos: retroalimentación. En otras palabras, el resultado de la ecuación (en este caso, 0,729) es introducido de nuevo en la ecuación, dado que este valor se convertirá en el nuevo Tamaño Actual cuando intentemos determinar el tamaño de la población en la generación siguiente (el nuevo Tamaño Futuro). Debido a que el tamaño de la población en cada generación depende del tamaño en la generación anterior, es fácil ver que incluso la variación más minúscula en nuestro valor inicial se expandirá a medida que resolvemos la ecuación para más y más generaciones futuras. Si el valor inicial del sistema es una cantidad real que debe ser medida, esto implica que nunca podremos medirla con la suficiente precisión como para poder predecir sus futuros valores indefinidamente. Pero cuanto mayor precisión logremos en nuestras mediciones, por más tiempo podremos predecir fiablemente el comportamiento del sistema.

Con objeto de ilustrar el comportamiento caótico de la ecuación logística, usaremos de nuevo el valor 0,27 como nuestro valor inicial del Tamaño Actual. Podemos usar este valor para calcular el Tamaño Futuro, que se convertirá a continuación en el nuevo Tamaño Actual, y repetir este proceso por muchas generaciones, haciendo uso de la ecuación logística en cada paso. Ahora, imaginemos que no hemos medido el tamaño inicial de la población con precisión absoluta, y que el auténtico tamaño inicial no era 0,27, sino 0,270001 (esto supone un cambio de sólo un 0,00037% en el valor de inicio). En tal caso, resulta que con nuestro ‘impreciso’ valor inicial de 0,27, solamente seremos capaces de predecir el tamaño futuro de la población durante veintitrés generaciones, y no más. Tras la vigesimotercera generación, el sistema no se ceñirá a nuestras predicciones, por lo que decimos que se comporta caóticamente pasado este punto.

Gráfica que representa la evolución del tamaño de una población, descrito por la ecuación logística, durante 50 generaciones, para los valores iniciales 0,27 (superior, en azul) y 0,270001 (inferior, en rojo). El sistema sigue la misma evolución durante las primeras 23 generaciones; pasado este punto (línea discontinua), el sistema muestra comportamientos diferentes en cada caso. Por tanto, con un valor inicial de 0,27 es imposible predecir el sistema si el verdadero valor inicial no es exactamente 0,27, lo que se conoce como comportamiento caótico.

El caos no es en absoluto un fenómeno extraño; en realidad, está presente en todas partes, desde el clima hasta los sistemas vivientes, pasando por el mercado de valores. El mundo está inevitablemente inmerso en la imprevisibilidad; por otra parte, el hecho de que el caos esté tan infiltrado en el tejido del universo es lo que ha hecho a la naturaleza capaz de dar lugar a los asombrosos diseños que vemos a nuestro alrededor, desde la forma de las nubes hasta la estructura de nuestro sistema circulatorio. Pues, tal como un visionario matemático llamado Benoît Mandelbrot descubrió en los setenta, el caos es esencial para un tipo especial de geometría, el cual es capaz de describir las formas rugosas e irregulares de la naturaleza. Mandelbrot era consciente de que la geometría euclídea, que se interesa por las formas perfectas, tales como líneas, triángulos y esferas, no sirve para explicar el mundo físico que nos rodea; pues ni las montañas son triángulos, ni las nubes son esferas. La naturaleza parece tener preferencia por formas característicamente rugosas, ‘imperfectas’, y antes de Mandelbrot, nadie sabía cómo medir y describir tal rugosidad. La nueva geometría de Mandelbrot, la geometría fractal, fue una de las mayores revoluciones matemáticas del siglo XX. Mandelbrot intuyó que existe una propiedad común a casi todas las formas naturales, algo llamado autosemejanza. Ésta se puede describir como la propiedad por la que un objeto se compone de partes que se asemejan a versiones más pequeñas del objeto completo. Cuanto más de cerca observamos las montañas, los árboles, las nubes y las olas del mar, más y más detalle somos capaces de ver, y este nuevo detalle repite siempre un patrón geométrico similar. Una rama de un árbol se asemeja a un árbol pequeño, tal como una roca se asemeja a una montaña pequeña, dependiendo tan sólo de cómo de cerca las observemos. Increíblemente, el patrón de ramificaciones cada vez más pequeñas adoptado por las plantas está también presente en la estructura de nuestros vasos sanguíneos, nuestros nervios y nuestros pulmones, por citar sólo algunos.

Mandelbrot descubrió que este tipo de formas irregulares y autosemejantes, a las cuales denominó fractales, son descritas por sencillas ecuaciones matemáticas que poseen la propiedad de retroalimentación, tal como la ecuación logística de May y el modelo atmosférico de Lorenz. Esto desencadenó un avance prodigioso: el entendimiento de que el caos es la fuerza detrás de la increíble habilidad de la naturaleza para generar la multitud de complicadas estructuras y patrones que encontramos en el mundo. El caos es la propiedad que otorga a las reglas matemáticas más simples el poder para dar lugar, espontáneamente, a sistemas inimaginablemente complejos. Nuestra noción intuitiva de la complejidad como algo que no puede emerger súbitamente a partir de algo mucho más simple, sino que implica necesariamente un proceso de diseño complejo, incluso consciente, necesita ser replanteada. Porque la naturaleza es, al mismo tiempo, maravillosamente complicada y maravillosamente simple.

The Secret Life of Chaos. BBC (2010).
Butterflies, Chaos and Fractals. Ponencia por el Prof. Raymond Flood, Gresham College (2013).
Benoît Mandelbrot. The Fractal Geometry of Nature (Henry Holt & Co., 1982).

Sunday, May 7, 2017

On the universality of life

Cyanobacteria were among the earliest life forms on Earth, and are still found in almost every habitat. Over millions of years, they created the atmospheric oxygen that we breathe today.
(Image credit: Josef Reischig/Wikimedia.)

HOW FREQUENT IS life in our universe? The answer depends, primarily, on how easy it is for life to arise in the first place.

Even in the case that life had the smallest imaginable chance of occurring — while not being impossible, as we can tell for ourselves — we would certainly not be alone in the cosmos. The sheer size of our universe simply rules out the possibility that ours is the only planet to harbour life. If only one in a trillion stars were to have an orbiting planet in conditions such that the emergence of life were possible — these relate to the presence of liquid water, which is thought to be one of the few essential requirements for life as we know it — the number of stars in the universe is so inconceivably huge that there would exist billions of such habitable worlds throughout the cosmos.

How life on Earth began, how matter suddenly self-organised into autonomous systems with the ability to perpetuate themselves over time, is undoubtedly one of the most fascinating questions ever presented to human curiosity. It is also among the most hotly debated ones, and there are still a number of possibly valid answers to it. The most widely accepted one is that life, by what seems an unimaginable stroke of luck, at some point spontaneously assembled itself from the different essential molecules, such as lipids and amino acids, that where ubiquitous in the hot primordial seas of young Earth. Alternatively, if life on our planet did not arise on its own, then it must have been introduced from outer space, perhaps as frozen primitive cells which hitched a long ride on a comet or an asteroid. Nonetheless, in most scientists’ view, it is far more likely that some extremely primitive form of life arose by fortunate assembly of organic molecules — which is not that fortunate after all, given that it took hundreds of millions of years for this to happen — rather than the aggregate probability that life originated in some other part of the universe and was subsequently brought to Earth by whichever means.

By studying nature over centuries, we have gradually worked out the set of intangible rules that govern all forms of life on Earth. Such rules, I believe, are directly derived from the physical laws that permeate our cosmos, and are therefore universal. If the fundamental laws of physics, such as those which describe the gravitational and electromagnetic forces, seem to apply evenly throughout the known universe, then the principles of life, being an elaboration of the former, should be equally valid in any setting where life is viable, provided that there is sufficient time for life to arise. Although long time spans seem to be required for the emergence of life, once this occurs, life must abide to the very same laws that direct it on our own world. If we were to gather these laws under a single name, we should turn to what is undoubtedly one of the most transformative concepts in the history of science — so much so that some persist to reject it still today, in quite the same way as others in the past rejected the notion that the Earth is not at the centre of the universe. The concept’s name is, of course, evolution.

As an omnipresent life-powering process, evolution arises from the combination of various properties of life itself. The first of these is life’s necessity to replicate itself in order to avoid death, for even an ideal organism that is not affected by ageing, given sufficient time, will ineluctably die of some cause. The process of replication of living things is bound to be imperfect, due to the impossibility of perfection being an intrinsic and evident property of our universe. Perfection is a concept devised by humans; in reality, there exists no perfectly smooth surface, no perfectly uniform substance, no matter or process which is free from the smallest degree of physical imperfection, anywhere in the cosmos. In fact, there are no such things as ‘perfection’ and ‘imperfection’ in the universe; anything that abides to its physical laws is just fine. The impossibility of perfection implies that, instead of being identical copies of each other, organisms will accumulate minute differences over generations, thus introducing variation, which is a central ingredient of evolution, in their populations.

Secondly, because of the pressures imposed by the environment in which organisms live — which can often be reduced to the restless struggle to eat and not being eaten — such differences between creatures of a same kind will make them not just different, but better or worse than others at playing the game of life. Specifically which individuals are better, however, is something that can vary at any time, in response to the whims of an ever-changing environment. One of the fundamental principles of life, which is but an application of simple causality, prescribes that those individuals which are better adapted to the environment will survive longer and replicate more, gradually displacing the less-fit individuals in their population and slowly shaping their species over time. This phenomenon, which seems obvious today, yet took thousands of years for us to grasp, is called natural selection. And, together with variation, it is the driving force behind evolution.

Evolution is therefore the consequence of two unavoidable phenomena in life: first, variation between living things, caused by imperfections in the processes by which these replicate themselves; and second, natural selection of those individuals which are better equipped for survival. Because variation provides the ‘pool’ of possible forms from which natural selection can ‘pick’, those organisms which are constantly exposed to very hostile environments, such as viruses or cancer cells, tend to vary extremely quickly, by favouring imperfect replication systems that allow them to adapt and evolve faster.

It is therefore sensible to affirm that, wherever in the universe life may arise, even if we cannot predict many of its qualities, we can be certain that it will abide to the universal laws of replication, variation and selection; quite simply because these are the only possibility for the survival of life, just as gravity is the only possibility for the existence of stars and planets. Moreover, there are some physical characteristics of living things that could indeed be predicted under certain conditions. For example, even if the concrete shape and lifestyle of alien organisms is unknowable to us, we can safely say that they will need to gather some information about their surroundings — they will need some way to sense. If we accept that life will occur within a fluid, such as water or air, it is virtually sure that, as their complexity increases, living beings will soon evolve some means of sensing mechanical or electrical changes in such fluid. If life is exposed to the light of a star — which is needed for liquid water to exist — evolution will no doubt come up with sensors to detect changes in this light: eyes, as simple or complex as we may imagine them. Even very basic organisms, such as the mould or cyanobacteria in our world, will benefit from some chemical way to learn, at least to an elementary degree, what is going on in their immediate vicinity. This is so important an advantage, that some of these sensors have already arisen multiple times here on Earth. For instance, the eyes of an octopus and our own eyes are not evolutionarily related — that is, the eyes of vertebrates and cephalopods were independently evolved — and yet they perform the same exact function and are staggeringly similar. This phenomenon, termed convergent evolution, gives a hint of just how powerful a life-shaping force natural selection can be.

It is also enlightening that, despite evolution sometimes giving rise to complex life forms, we find a striking variety of very simple organisms living around us today — so simple indeed that we cannot even see them. The fact that a huge diversity of microorganisms, including bacteria and viruses, still thrive on Earth four billion years after the beginning of life is a clear sign that complexity is not a requisite for survival. This is especially true in the case of intelligence, which we tend to regard as the pinnacle of evolution. Complexity, particularly in the case of advanced intelligence, is a very expensive characteristic to develop and maintain for a species, and therefore evolution does not go down that path very often; otherwise, there would be many more complex and highly intelligent species around us. Moreover, with all of man’s supposed superiority over all other life forms, one must consider the actual likelihood that our species will still be here in just a million years from now. In my view, it is difficult to overstress how unlikely our long-term survival is, especially as we are already failing to manage the development of our own populations, as well as the unsustainable overuse of natural resources which we regard to be infinite. On the other hand, the simplest life forms on this planet have been around almost since the beginning of life, and are likely to stay until the day Earth becomes completely uninhabitable.

If an overdeveloped intelligence is probably not very suitable for long-term survival, it does spark a unique phenomenon — the temporary alteration of the rules of life. Thanks to the development of our societies, technology and medicine, those who, according to nature’s dictates, are less fit for survival, nevertheless have an opportunity to defy natural selection. In other words, we have used our intelligence to bypass the very laws which dictate who survives and who perishes; and by doing so, although making life much fairer from our standpoint, we have effectively arrested the progress of our evolution. We have in fact just begun treading our own evolutionary path, which will be largely independent of the natural environment around us; the threats to our survival are no longer to come from the natural world, but rather from the artificial world that we have built for ourselves.

I maintain that life is far from a one-off accident. Life is a property of our cosmos. Given the appropriate setting, it will naturally occur, in the same way as stars, nebulae or black holes are triggered by a specific series of conditions and events. Our knowledge of life on Earth tells us that the laws which define such life, whatever its shape, size or ecological role may be, are but a natural consequence of the imperfect character of the universe and the plain interactions between life forms and their environment (including other life forms). Together with the unfathomable scale of the cosmos, of which Earth itself is just an unremarkable, negligible blue atom, the simplicity and universality of these principles indicate that life is no uncommon thing in our universe. On the contrary, life must be everywhere around us; although it may be too far away, buried in the void reaches of space, for us ever to discover it.

Sobre la universalidad de la vida

Las cianobacterias fueron unas de las primeras formas de vida en la Tierra, y aún pueden encontrarse en casi cualquier hábitat. A lo largo de millones de años, crearon el oxígeno atmosférico que respiramos hoy.
(Imagen: Josef Reischig/Wikimedia.)

¿CÓMO DE FRECUENTE es la vida en nuestro universo? La respuesta depende, fundamentalmente, del grado de facilidad con que la vida pueda aparecer en primer lugar.

Incluso en el caso de que la probabilidad de la aparición de vida fuera lo más pequeña imaginable —sin llegar a ser nula, como sabemos por experiencia—, ciertamente no estaríamos solos en el cosmos. La extensión del universo en que vivimos simplemente invalida la posibilidad de que el nuestro sea el único planeta en albergar vida. Si tan sólo una de cada billón de estrellas tuviera en órbita un planeta con condiciones tales que la aparición de vida fuera posible —éstas están ligadas a la presencia de agua líquida, uno de los pocos requisitos indispensables para la vida tal como la conocemos—, el número de estrellas en el universo es tan inconcebiblemente grande que podría haber miles de millones de tales mundos habitables.

El comienzo de la vida en la Tierra, la súbita auto-organización de la materia inerte en sistemas autónomos con la capacidad de perpetuarse a sí mismos en el tiempo, es sin duda uno de los más fascinantes enigmas jamás presentados ante la curiosidad humana. Ha sido también uno de los más largamente debatidos, y aún hoy en día existen diferentes posibles explicaciones. La más aceptada es que la vida, mediante lo que aparenta ser un inimaginable golpe de suerte, en algún momento se originó espontáneamente a partir de las diferentes moléculas esenciales, tales como lípidos y aminoácidos, que abundaban en los cálidos mares primordiales de una Tierra todavía joven. Por el contrario, si la vida no comenzó en nuestro planeta, entonces tuvo que haber sido introducida desde el espacio, quizá en forma de células primitivas que, congeladas, realizaron un larguísimo viaje a bordo de un cometa o un asteroide. No obstante, en la opinión de la mayoría de los científicos, es mucho más probable que una forma de vida extremadamente primitiva surgiera de una combinación fortuita de moléculas orgánicas —quizá no tan fortuita, teniendo en cuenta que fueron necesarios cientos de millones de años para que esto ocurriera—, frente a la probabilidad conjunta de que la vida se originase en algún otro rincón del universo y fuera luego transportada a la Tierra por cualesquiera medios.

A lo largo de siglos de estudiar la naturaleza, hemos ido descubriendo un conjunto de reglas intangibles que gobiernan toda forma de vida en nuestro planeta. Tales reglas, en mi opinión, se derivan directamente de las leyes físicas que rigen nuestro universo, y son, por tanto, universales. Si las leyes fundamentales de la física, tales como las que describen las fuerzas gravitatoria y electromagnética, parecen aplicarse homogéneamente a lo largo y ancho del universo conocido, entonces las leyes de la vida, siendo una elaboración de aquéllas, deben ser igualmente válidas en cualquier escenario en el que la vida sea posible, siempre que se disponga de suficiente tiempo para el surgimiento de la misma. Aunque esto parece requerir lapsos de tiempo considerablemente largos, una vez que la vida nazca, donde quiera que esto suceda, deberá por fuerza adherirse a los mismos principios que la rigen en nuestro propio mundo. Si quisiéramos reunir estos principios bajo un solo nombre, deberíamos acudir al que es sin duda uno de los conceptos más transformativos en la historia de la ciencia; tanto así, que algunos insisten en rechazarlo incluso hoy, al igual que otros en el pasado rechazaron la idea de que la Tierra no se encuentra en el centro del universo. El nombre de tal concepto es, por supuesto, evolución.

Como proceso propulsor de la vida, la evolución nace de la combinación de varias propiedades fundamentales de la misma. La primera de éstas es que la vida necesita replicarse a sí misma con el fin de evitar la muerte, dado que incluso un organismo ideal que fuera inmune al envejecimiento, llegado un punto, perecería irremediablemente por una u otra causa. El proceso por el cual las formas de vida se replican a sí mismas está condenado a ser imperfecto, ya que la imposibilidad de perfección es una propiedad evidente e intrínseca de nuestro propio universo. La perfección es un concepto ideado por el ser humano; en la realidad, no hay ninguna superficie perfectamente lisa, ninguna sustancia perfectamente uniforme, ningún proceso o materia libre del más mínimo grado de imperfección física, en ningún lugar del cosmos. De hecho, cosas tales como ‘perfección’ o ‘imperfección’ son inexistentes; cualquier cosa que se ciña a las leyes de la física es simplemente aceptable. La imposibilidad de perfección implica que, en lugar de ser copias idénticas, los organismos irán acumulando diferencias minúsculas a lo largo de las generaciones, introduciendo así variación, la cual es un ingrediente esencial de la evolución, en sus poblaciones.

En segundo lugar, debido a las presiones impuestas por el entorno en que los organismos viven —las cuales pueden a menudo reducirse a la perpetua lucha por comer y no ser comido—, tales diferencias entre criaturas de la misma clase las harán no sólo diferentes, sino mejores o peores jugadoras del juego de la vida. Qué individuos en concreto son mejores, no obstante, es algo que puede variar en cualquier momento, en respuesta a los caprichos de un entorno natural siempre cambiante. Uno de los principios fundamentales de la vida, el cual no es sino una aplicación de la simple causalidad (que no casualidad), establece que aquellos individuos mejor adaptados al entorno sobrevivirán por más tiempo y se replicarán más, desplazando gradualmente a los individuos peor adaptados de la población, y moldeando así lentamente a su especie. Este fenómeno, que parece obvio hoy en día pero nos llevó miles de años aprehender, se conoce como selección natural. Y, junto con la variación, es la fuerza motriz de la evolución.

La evolución es, por tanto, la consecuencia de dos fenómenos inevitables en la vida: primero, variación entre los seres vivos, a raíz de las imperfecciones en los procesos por los cuales éstos se replican a sí mismos; y segundo, selección natural de aquellos individuos mejor equipados para la supervivencia. Dado que la variación provee el ‘suministro’ de posibles formas entre las que la selección natural puede ‘escoger’, los organismos que sufren una exposición constante a entornos altamente hostiles, como virus o células cancerosas, tienden a variar extremadamente deprisa, favoreciendo sistemas de replicación imperfectos que les permiten adaptarse y evolucionar más rápidamente.

Es por tanto sensato afirmar que, dondequiera que la vida tome forma en el universo, incluso si no podemos predecir muchas de sus cualidades, podemos estar seguros de que obedecerá las leyes universales de replicación, variación y selección; sencillamente porque éstas son el único medio para la supervivencia de la vida, del mismo modo que la gravedad es el único medio para la existencia de estrellas y planetas. Hay, además, ciertos aspectos de la vida que probablemente sí podrían ser predichos bajo circunstancias específicas. Por ejemplo, aun cuando la forma y conducta de organismos extraterrestres nos son incognoscibles, podemos decir con seguridad que estos tendrán la necesidad de recopilar alguna clase de información relativa a su entorno; en otras palabras, necesitarán un modo de sentir. Si asumimos que la vida tendrá lugar en un fluido, tal como agua o aire, es prácticamente seguro que tales criaturas, conforme aumenta su complejidad, pronto adquirirán una forma de detectar cambios mecánicos o eléctricos en dicho fluido. Si la vida está expuesta a la luz de una estrella —la cual es necesaria para la presencia de agua líquida—, la evolución proveerá sin duda sensores para detectar cambios en esta luz: ojos, tan simples o complejos como queramos imaginarlos. Incluso organismos muy simples, comparables al moho o las cianobacterias de nuestro mundo, necesitarán de algún medio químico para conocer, al menos a un nivel elemental, lo que ocurre en su entorno inmediato. Esto constituye una ventaja tan crucial, que algunos de estos sensores ya han aparecido más de una vez aquí en la Tierra. Por ejemplo, los ojos de un pulpo y nuestros propios ojos no guardan ninguna relación evolutiva —es decir, los ojos de los vertebrados y de los cefalópodos evolucionaron independientemente—, pese a que ambos desempeñan idénticas funciones y son asombrosamente similares. Este fenómeno, denominado evolución convergente, da una idea de la potencia de la selección natural como fuerza moldeadora de la vida.

Es también aleccionador el hecho de que, a pesar de que la evolución a veces da lugar a formas de vida complejas, todavía encontramos una sorprendente variedad de organismos muy simples a nuestro alrededor —tan simples, de hecho, que no podemos siquiera verlos—. El que una inmensa diversidad de microorganismos, incluyendo bacterias y virus, continúen proliferando en la Tierra cuatro mil millones de años después del inicio de la vida es una clara señal de que la complejidad no es un requisito para la supervivencia. Esto es especialmente cierto en el caso de la inteligencia, la cual tendemos a considerar como la cúspide de la evolución. La complejidad, especialmente en el caso de la inteligencia avanzada, es un rasgo muy caro de desarrollar y mantener para una especie y, en consecuencia, la evolución no suele seguir ese camino; de lo contrario, encontraríamos muchas más especies complejas y altamente inteligentes a nuestro alrededor. Es más, con toda la supuesta superioridad del ser humano sobre cualquier otra forma de vida, uno debe considerar la probabilidad de que nuestra especie continúe aquí dentro de tan sólo un millón de años. En mi opinión, es difícil exagerar cómo de improbable es nuestra supervivencia a largo plazo, especialmente teniendo en cuenta que ya estamos fallando en controlar el desarrollo de nuestras poblaciones, así como el sobreuso insostenible de unos recursos naturales que creemos infinitos. Por otra parte, los organismos más simples de este planeta llevan aquí casi desde los propios comienzos de la vida, y probablemente seguirán aquí hasta el día en que la Tierra se vuelva absolutamente inhabitable.

Aunque una inteligencia desproporcionadamente alta probablemente no sea un rasgo muy deseable para la supervivencia a largo plazo, al menos desencadena un fenómeno único: la alteración temporal de las leyes de la vida. Gracias al desarrollo de nuestras sociedades, tecnología y medicina, aquellas personas que, de acuerdo a los dictados de la naturaleza, son menos aptas para la supervivencia, tienen sin embargo la oportunidad de desafiar a la selección natural. En otras palabras, con nuestra inteligencia, hemos sido capaces de circunvalar las leyes que dictan quién sobrevive y quién perece; y con ello, aunque hemos hecho la vida mucho más justa desde nuestro punto de vista, también hemos detenido el progreso de nuestra evolución. De hecho, no hemos sino comenzado a adentrarnos en nuestra propia senda evolutiva, la cual habrá de ser, en gran medida, independiente del entorno natural que nos rodea; las amenazas a nuestra supervivencia no se hallan ya en el mundo natural, sino en el mundo artificial que nos hemos construido.

Yo sostengo que la vida está muy lejos de ser un accidente excepcional. La vida es una propiedad de nuestro universo. Dadas las condiciones adecuadas, ocurrirá de forma natural, del mismo modo que las estrellas, las nebulosas o los agujeros negros se originan a consecuencia de una serie específica de condiciones y eventos. Nuestro conocimiento de la vida en la Tierra nos enseña que las leyes que la definen, sin importar la forma, tamaño o función ecológica que la vida adopte, no son sino una consecuencia natural del carácter imperfecto del cosmos y de la simple interacción entre las formas de vida y su entorno (incluyendo otras formas de vida). Junto con la escala inconcebible del cosmos, del cual la propia Tierra no es más que un invisible átomo azul, la simplicidad y universalidad de estos principios indican que la vida no es algo inusual en nuestro universo. Al contrario, la vida tiene que ser omnipresente a nuestro alrededor; aunque quizá se halle demasiado lejos, sepultada en la profundidad vacía del espacio, como para que lleguemos a descubrirla.