Científicos y filósofos proponen una ley evolutiva que faltaba en la naturaleza

Un artículo publicado este lunes en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) describe “una ley perdida o que faltaba sobre la naturaleza”, reconociendo por primera vez una norma importante en el funcionamiento del mundo natural, según sus autores.

En esencia, la nueva ley afirma que los sistemas naturales complejos evolucionan hacia estados con más patrones, diversidad y complejidad.

En otras palabras, la evolución no se limita a la vida en la Tierra, sino que también ocurre en otros sistemas enormemente complejos, desde planetas y estrellas hasta átomos, minerales y otras estructuras del universo.

El trabajo, firmado por científicos del Instituto Carnegie, el Instituto Tecnológico de California (Caltech) y la Universidad de Cornell, junto a filósofos de la Universidad de Colorado (todos en EE UU), ha sido financiado por la Fundación John Templeton.

En general, las leyes “macroscópicas” de la naturaleza describen y explican fenómenos observados y experimentados a diario en el mundo natural. Leyes naturales relacionadas con las fuerzas y el movimiento, la gravedad, el electromagnetismo y la energía, por ejemplo, se describieron hace más de 150 años.

Tres características

La nueva propuesta añade otra ley macroscópica que reconoce la evolución como un rasgo común de los sistemas complejos del mundo natural, con tres características fundamentales. Por una parte, estos sistemas están formados por muchos componentes distintos, como átomos, moléculas o células, que pueden ordenarse y reorganizarse repetidamente.

Por otra, están sometidos a procesos naturales que hacen que se formen innumerables disposiciones diferentes. Y, tercero, solo una pequeña fracción de todas estas configuraciones sobrevive en un proceso llamado “selección para la función”. Independientemente de que el sistema sea vivo o no, cuando una configuración novedosa funciona bien y mejora la función, se produce la evolución.

La denominada “Ley de la información funcional creciente”, como la han bautizado sus autores, afirma que el sistema evolucionará “si muchas configuraciones diferentes del sistema se someten a selección para una o más funciones”.

“Un componente importante de esta ley natural propuesta es esa idea de selección por función”, subraya el primer autor, Michael L. Wong, astrobiólogo de Carnegie.

Tres tipos de función en la naturaleza

En el caso de la biología, Darwin equiparaba la función principalmente con la supervivencia: la capacidad de vivir lo suficiente para producir descendencia fértil. El nuevo estudio amplía esa perspectiva, señalando que en la naturaleza se dan al menos tres tipos de función.

La función más básica es la estabilidad: las disposiciones estables de átomos o moléculas se seleccionan para perdurar. Por otra parte, también se eligen para persistir los sistemas dinámicos con suministro continuo de energía.

Y la tercera función, y la más interesante, según los autores, es la “novedad”: la tendencia de los sistemas en evolución a explorar nuevas configuraciones que a veces dan lugar a comportamientos o características sorprendentes.

La historia evolutiva de la vida es rica en novedades: la fotosíntesis evolucionó cuando las células individuales aprendieron a aprovechar la energía luminosa, la vida multicelular evolucionó cuando las células aprendieron a cooperar y las especies evolucionaron gracias a nuevos comportamientos ventajosos como nadar, caminar, volar y pensar.

El mismo tipo de evolución se da en el reino mineral. Los primeros minerales representan disposiciones de átomos especialmente estables. Esos minerales primigenios sentaron las bases de las siguientes generaciones de minerales, que participaron en los orígenes de la vida.

La evolución de la vida y la de los minerales están entrelazadas, ya que la vida utiliza los minerales para sus caparazones, dientes y huesos. De hecho, los minerales de la Tierra, que empezaron con unos 20 en los albores de nuestro sistema solar, hoy son casi 6.000 gracias a procesos físicos, químicos y, en última instancia, biológicos, cada vez más complejos a lo largo de 4.500 millones de años.

Evolución de las estrellas 

En el caso de las estrellas, el artículo señala que solo dos elementos esenciales (hidrógeno y helio) formaron las primeras poco después del Big Bang. Estas utilizaron el hidrógeno y el helio para producir unos 20 elementos químicos más pesados. Y la siguiente generación de estrellas se basó en esa diversidad para producir casi 100 elementos más.

“Charles Darwin articuló elocuentemente la forma en que las plantas y los animales evolucionan por selección natural, con muchas variaciones y rasgos de individuos y muchas configuraciones diferentes”, dice el coautor Robert M. Hazen, de Carnegie, líder de la investigación.

“Sostenemos que la teoría darwiniana es solo un caso muy especial y muy importante dentro de un fenómeno natural mucho más amplio –añade–. La noción de que la selección por función impulsa la evolución se aplica igualmente a las estrellas, los átomos, los minerales y muchas otras situaciones conceptualmente equivalentes en las que muchas configuraciones están sometidas a una presión selectiva”.

Los propios coautores representan una configuración multidisciplinar única: tres filósofos de la ciencia, dos astrobiólogos, un científico de datos, un mineralogista y un físico teórico.

Uno de ellos, Wong afirma: “En este nuevo trabajo, consideramos la evolución en su sentido más amplio (cambio a lo largo del tiempo), que incluye la evolución darwiniana basada en las particularidades de una descendencia con modificación”. 

Evolución en todas partes

“El universo genera combinaciones novedosas de átomos, moléculas, células, etc. –continúa–; y aquellas combinaciones que sean estables y puedan seguir engendrando aún más novedades seguirán evolucionando. Esto es lo que hace de la vida el ejemplo más llamativo de evolución, pero la evolución está en todas partes”.

Las leyes de la naturaleza, como las de movimiento, gravedad, electromagnetismo, termodinámica, etc., codifican el comportamiento general de diversos sistemas naturales macroscópicos a través del espacio y el tiempo.

Y ahora, según los autores, su “ley de la información funcional creciente”, complementa la 2ª ley de la termodinámica, que establece que la entropía (desorden) de un sistema aislado aumenta con el tiempo, con el calor siempre fluyendo de los objetos más calientes a los más fríos. 

La comunidad científica estudiará y debatirá ahora el alcance de esta nueva propuesta, para confirmar si realmente se ha encontrado una ley que faltaba sobre la naturaleza. 

Implicaciones en sistemas, la vida y en IA

El estudio tiene numerosas implicaciones en diversos campos, como estas seis que destacan los autores:

1. Comprender cómo distintos sistemas poseen diversos grados de evolución. La complejidad potencial o futura se proponen como métricas de lo complejo que puede llegar a ser un sistema en evolución.

2. Posibilidad de influir artificialmente en el ritmo de evolución de algunos sistemas. La noción de información funcional sugiere que el ritmo de evolución de un sistema puede incrementarse al menos de tres maneras: aumentando el número y/o la diversidad de agentes que interactúan; aumentando el número de configuraciones diferentes del sistema; y/o aumentando la presión selectiva sobre el sistema (por ejemplo, en sistemas químicos mediante ciclos más frecuentes de calentamiento/enfriamiento o humectación/secado).

3. Entender mejor las fuerzas generativas que subyacen a la creación y existencia de fenómenos complejos en el universo, y del papel de la información a la hora de describirlos.

4. Comprender la vida en el contexto de otros sistemas complejos en evolución. Esta comparte ciertas equivalencias conceptuales con otros sistemas evolutivos complejos, pero los autores apuntan hacia una futura dirección de investigación, preguntándose si hay algo distinto en la forma en que la vida procesa la información sobre la funcionalidad.

5. Ayudar a la búsqueda de vida en otros lugares: si existe una demarcación entre vida y no vida que tiene que ver con la selección por función, ¿podemos identificar las “reglas de la vida” que nos permitan discriminar esa línea divisoria biótica en las investigaciones astrobiológicas?

6. En un momento en el que la evolución de los sistemas de inteligencia artificial (IA) es cada vez más preocupante, una ley predictiva de la información que caracterice cómo evolucionan los sistemas naturales y simbólicos es especialmente bienvenida.

Dos reacciones al estudio:

Stuart Kauffman (Institute for Systems Biology, EE UU):

“Este es un artículo soberbio, audaz, amplio y transformador.  […] Los autores abordan la cuestión fundamental del aumento de la complejidad del universo en evolución. El propósito es la búsqueda de una ‘ley perdida’ que sea coherente con las leyes conocidas.

«En esta fase del desarrollo de estas ideas, bastante parecida a la de los primeros conceptos a mediados del siglo XIX para llegar a comprender la ‘energía’ y la ‘entropía’, ahora es esencial un debate amplio y abierto”. 

Milan Cirkovic  (Instituto del Futuro de la Humanidad, Universidad de Oxford, Reino Unido/ Observatorio Astronómico de Belgrado, Serbia):

“El estudio de Wong et al. es como una brisa de aire fresco que sopla sobre el difícil terreno de la trijunción de la astrobiología, la ciencia de sistemas y la teoría evolutiva. Sigue los pasos de gigantes como Erwin Schrödinger, Ilya Prigogine, Freeman Dyson y James Lovelock. En particular, fue Schrödinger quien formuló el eterno enigma: ¿cómo puede aumentar la complejidad -¡y de forma drástica! — en los sistemas vivos, mientras siguen sujetos a la Segunda Ley de la termodinámica? En el montón de intentos de resolver este enigma en el curso de los últimos 80 años, Wong et al. ofrecen quizá la mejor oportunidad hasta ahora».

«Su idea central, la formulación de la ley de la información funcional creciente, es sencilla pero sutil: un sistema manifestará un aumento de información funcional si sus diversas configuraciones generadas en el tiempo son seleccionadas para una o más funciones. Según los autores, esta es la controvertida «ley perdida» de la complejidad, y ofrecen un montón de ejemplos excelentes.

Desde mi punto de vista, bastante subjetivo, los más interesantes se refieren a la vida en hábitats radicalmente distintos, como Titán, o a trayectorias evolutivas caracterizadas por múltiples exaptaciones [nuevas funcionalidades] de rasgos que dan lugar a un aumento espectacular de la complejidad. ¿Está en esta dirección la respuesta correcta a la pregunta de Schrödinger? Solo el tiempo lo dirá, pero tanto mi cabeza como mi instinto son curiosamente positivos al respecto. Por último, cabe señalar otro gran mérito de este estudio: en estos tiempos de rabiosa ‘contrailustración’ suelta, así como de ataques implacables a la libertad de pensamiento y de expresión, sin duda necesitamos más proyectos descaradamente multidisciplinares y multiculturales como este”.

Referencia:

Michael L. Wong et al. “On the roles of function and selection in evolving systems”. PNAS, 2023.

Fuente: CARNEGIE SCIENCE EARTH AND PLANETS LABORATORY