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La vida como software en evolución
La evolución como software mutante

Mire por la ventana cualquier día de verano. ¿Qué ve? Matorrales, árboles, flores, pájaros, insectos… una variedad formidable de seres vivos. La diversidad y la riqueza de la naturaleza son bastante abrumadoras… ¿Puede explicarse toda esta exuberancia de creatividad con la teoría de la evolución de Darwin? Los biólogos están convencidos de que sí. Pero si comparamos el concepto de teoría en biología con el que impera en física, y contemplamos la biología como matemáticos, las cosas no resultan tan convincentes. Hay indicios empíricos favorables a la teoría de Darwin, pero no existe ninguna demostración matemática.

Recordemos aquella comida en el Instituto de Estudios Avanzados en la que un joven astrofísico describió con orgullo a Kurt Gödel su último descubrimiento y recibió como respuesta: «No creo en la ciencia empírica; ¡sólo creo en verdades a priori!». Bueno, Gödel tenía cierta razón. Si la teoría de Darwin es tan fundamental como creen los biólogos, entonces tiene que haber una teoría matemática de la evolución, general y abstracta, que capte la esencia de la teoría de Darwin y que la desarrolle en el plano matemático.

Y esto es lo que nos proponemos lograr aquí. ¿Recuerdan las obras Harmonices mundi, de Kepler, Philosophiae naturalis principia mathematica, de Newton, y Exposition du système du monde, de Laplace, las cuales revelaron por primera vez la estructura matemática que subyace al mundo físico? (tengo la fortuna de disponer de un ejemplar de doscientos años de antigüedad del libro de Laplace). ¿Cómo hacer eso mismo con la biología, una ciencia tan diferente de la física?

¡Desde luego, no utilizando las ecuaciones diferenciales de la física teórica! Para desarrollar una física teórica para la biología, una teoría matemática fundamental para la biología, debemos usar una clase distinta de matemáticas. Las ecuaciones diferenciales no nos servirán en absoluto.

¿Sobre qué trata la biología en realidad? Trata sobre información. Hasta la física teórica y hasta la mecánica cuántica empiezan a versar ya sobre información: qubits. Pero la biología se ocupa de una clase distinta de información: información algorítmica. Cuando se afirma que el ADN es como un programa informático, cuando la biología evolutiva del desarrollo (llamada evo-devo) describe el programa que sigue el ADN para desarrollar un embrión, se habla de información algorítmica. Y éste es el tipo de información que tenemos que introducir en una variedad nueva de física teórica, una aplicable a los sistemas biológicos, a los seres vivos.

Incluso después de Kepler, Newton y Laplace, algunas personas opinaban que la biología era distinta, que los seres vivos tenían una chispa divina. Pues bien, según Darwin, no tenemos ninguna chispa divina. De hecho, el mundo entero es divino, creativo. La vida aparece por sí sola por casualidad, no como resultado de un diseño. En este libro proponemos una teoría matemática para esto, lo que yo llamo «metabiología».

La distancia entre la metabiología y la biología real es mayor que la que media entre la física teórica, con su uso de ecuaciones diferenciales, y la física, porque la estructura matemática de la biología es más difícil de ver. En principio, la biología es demasiado complicada y presenta demasiadas excepciones para que exista una biología teórica profundamente matemática similar a la física teórica, mientras que el mundo físico consiste, por así decirlo, directamente en matemáticas.

La metabiología trata sobre software; la información genética, es decir, el ADN, es justo eso. Échele una buena ojeada al precioso libro que escribió Neil Shubin sobre biología evolutiva del desarrollo: Your Inner Fish (Tu pez interior). El cuerpo humano está lleno de software, un software antiquísimo. Tenemos subrutinas procedentes de las esponjas, de los anfibios, de los peces. Existe una fase durante el periodo de gestación en la que el embrión humano ¡tiene agallas! Cada célula porta una copia íntegra de este software de ADN y, de hecho, contiene toda la historia del organismo porque la evolución realiza variaciones mínimas, intenta cambiar lo menos posible, igual que les sucede a los grandes proyectos de software humanos. No puedes volver a empezar de cero, tienes que arreglártelas lo mejor que puedas con lo que tienes. Tal como afirmó Jacques Monod, la naturaleza es un bricoleur, un manitas, un mecánico. Te apañas con cosas viejas, las recompones, las adaptas para reutilizarlas.

De hecho, es como si fuera arqueología. Eso es en realidad la biología, ¡una especie de arqueología de software! De modo que existe el software artificial, los programas informáticos, y existe el software natural, el ADN. La naturaleza inventó el software antes que nosotros, mucho antes. Y el origen de la vida se corresponde en realidad con el origen del software, el origen del ADN, un lenguaje de programación universal presente en cada célula. Un poderoso lenguaje de programación, uno que presuntamente es capaz de expresar cualquier algoritmo posible, cualquier conjunto de instrucciones para confeccionar y poner en marcha un organismo. Es un lenguaje de programación que estamos empezando a entender, un lenguaje de programación muy complejo, uno que ha ido creciendo por acumulación a lo largo de milenios, como esos templos hindúes excavados en la roca maciza con dioses encima de otros dioses encima de otros dioses… Como botellas de vino empleadas durante muchos años como palmatorias sin que nadie haya ido retirando de ellas la cera derretida…

Nuestro software artificial o nuestros lenguajes de programación son mucho más simples que el ADN, y sabemos cómo funcionan porque los hemos diseñado nosotros y sólo datan de hace un siglo, no de hace miles de millones de años. Así que, en lugar de estudiar el software natural surgido de una evolución aleatoria, el ADN, desarrollaremos una teoría paralela, una teoría de un software artificial de evolución aleatoria, de programas informáticos de evolución aleatoria. Ésta es la cuestión que aborda la metabiología. Algo mucho más simple que la evolución real, con suerte lo bastante simple para permitimos demostrar teoremas sobre ella. Con suerte, lo bastante simple para que nos permita entender qué está pasando exactamente, cómo funciona exactamente.

De hecho, la noción de que el mundo está hecho de matemáticas no empieza con Kepler, Newton y Laplace, empieza con Pitágoras. Y la metabiología es una especie de biología pitagórica. Los griegos de la Antigüedad partieron de un mundo, de una mitología, donde todo está vivo: los caprichosos dioses, el Sol, el viento, los ríos, los árboles… Más tarde, los griegos se pasaron al logos, a la creencia de que el universo está gobernado por leyes.

Para Pitágoras, no sólo las leyes de la naturaleza son matemáticas, sino que también es matemática la ontología fundamental del mundo, el mundo está hecho de matemáticas. La física teórica moderna sigue a Pitágoras. Para Platón, el mundo de las ideas (matemáticas) es más real que el mundo real. El mundo de las ideas es estático, eterno, perfecto; el mundo real, el mundo aparente, es efímero. Pero la vida es plástica, ¡creativa! ¿Cómo se puede crear a partir de unas matemáticas estáticas, eternas, perfectas?

La misma tensión continúa durante la Ilustración, que precedió a la Revolución francesa, la cual rechazaba la religión tanto como rechazaba la monarquía. Negando que la vida esté dotada de una chispa divina, La Mettrie escribió su conocido opúsculo El hombre máquina en 1748. La Mettrie fue un cirujano que abrió cuerpos humanos para ver cómo funcionaban: una máquina extremadamente compleja, pero nada más que una máquina.

Nosotros hemos llegado un poco más lejos que La Mettrie. Ahora lo sabemos todo sobre computadoras y sobre la diferencia entre hardware y software. Sí, los seres humanos somos máquinas pero, si queremos descifrar la evolución, debemos concentrarnos en el software, que es lo que evoluciona y altera el hardware. El software es más importante que el hardware. Así que de eso trata este libro: de l’homme software, no de l’homme machine.

En las películas francesas de Marcel Pagnol de la década de 1930, el cura y el maestro del pueblo eran muy buenos amigos aunque uno fuera creyente y el otro ateo. Siempre bromeaban el uno con el otro sobre ello. Y la misma tensión continúa en Estados Unidos en la actualidad en los enfrentamientos políticos entre creacionistas y biólogos más convencionales.

Incluso ahora, los biólogos convencionales se sorprenden de que la vida unicelular carente de núcleo apareciera en la Tierra en tan sólo 200 millones de años, cuando las células con núcleo tardaron 2000 millones de años en desarrollarse, y sospechan que la vida en la Tierra o bien se sembró por accidente, lo que se denomina panspermia, o bien se plantó deliberadamente, la llamada panspermia dirigida. En concreto, esto lo encontramos en la obra La vida misma, de Francis Crick, en El universo inteligente de Fred Hoyle, y en Supercooperators (Supercooperadores), de Martin Nowak, así que es indudable que no se trata de una concepción extremadamente minoritaria. El clarividente libro de Hoyle llega incluso a comparar la biología con un programa informático muy deteriorado que él desarrolló mediante añadidos sucesivos para simular supernovas, en gran medida un tema crucial de la metabiología y de la biología evolutiva del desarrollo tal como la explicaba Shubin en Your Inner Fish.

Vuelvo a repetir: la vida es plástica, ¡creativa! ¿Cómo construirla a partir de unas matemáticas estáticas, eternas, perfectas? Usaremos unas matemáticas posmodernas, las matemáticas que aparecieron después de que Gödel, en 1931, y Turing, en 1936, inauguraran las matemáticas no cerradas; en realidad, las matemáticas de la creatividad.

Necesitamos unas matemáticas abiertas, no reduccionistas, porque la creatividad de la biosfera es una cuestión clave. La creatividad biológica (la inventiva, la riqueza y la diversidad biológicas) se ha perdido en cierto modo en las descripciones habituales de la evolución. Pero no ocurría así en la obra de Ernst Haeckel, el Darwin del mundo de habla alemana. Haeckel se enriqueció presentando su propia versión de la teoría de Darwin en el mundo germánico. Sus libros se convirtieron en supervenías, y su inmensa casa es ahora un museo de biología. Una de las pruebas de la evolución que aportó Haeckel fue su afamada (o infame) doctrina de que la ontogénesis recapitula la filogénesis, lo que significa que, durante el desarrollo, el embrión reproduce de manera aproximada toda la historia evolutiva de ese organismo, una idea que ahora ha retomado de manera más amplia y corregida la biología evolutiva del desarrollo.

La fotografía de la página 37 la tomó mi esposa, Virginia, en la casa que habitó Haeckel en Jena y que ahora es un museo. ¡Nótese el árbol de la vida que aparece en la fachada; en sus ramas están inscritas las palabras ontogenie y phylogenie!

Quien se interese por la creatividad biológica debería contemplar los dos libros de Haeckel en inglés que incluyen magníficos dibujos de una variedad increíble de formas de vida: Art Forms from the Ocean y Art Forms in Nature (Kunstformen der Natur), ambos publicados por Prestel en 2009 y 2010 con comentarios históricos adicionales.

La vida maravillosa, de Stephen Gould, estudia la explosión cámbrica y una plétora de asombrosos ensayos de formas corporales que la naturaleza probó durante un breve periodo, una explosión de combinaciones que exploró todas las posibilidades simples; de hecho, todos los programas simples. Esto es lo que Stephen Wolfram denomina «minería del universo computacional» y que consiste en probar todos los programas simples posibles para llegar a algo, lo que él aprovecha con frecuencia como una estrategia de diseño (véase su libro A New Kind of Science [Una nueva clase de ciencia]).

De modo que la naturaleza es tremendamente creativa, tremendamente inventiva. Consideremos un enfoque matemático de la biología muy usado, la genética de poblaciones, desarrollado por Fisher, Wright, Haldane, Hamilton, Maynard Smith, Dawkins, Nowak y otros, una disciplina preciosa. Por desgracia, la genética de poblaciones define la evolución como variaciones en la frecuencia de los genes dentro de una población debido a la competencia o a presiones selectivas generadas por el entorno. El acervo genético finito es fijo y, por tanto, no hay creatividad. En cambio, la metabiología trabaja con un espacio de posibilidades muy rico, un espacio de software que nos brinda una vía para hablar sobre el lugar del que provienen los genes nuevos. En realidad, ésta es la idea central de la metabiología. Pero la metabiología no presta mucha atención a las poblaciones, a la competencia o al entorno. Así que la genética de poblaciones y la metabiología se complementan, se ocupan de cuestiones distintas.

Repitámoslo una vez más: ¡la vida es plástica, creativa! ¿Cómo construirla a partir de unas matemáticas estáticas, eternas, perfectas? He aquí la respuesta: ¡la vida es software creativo, plástico; la física es hardware rígido, mecánico!

La biosfera está repleta de software, cada célula está gobernada por software, un software de entre 3 y 4 mil millones de años de antigüedad. Nuestro software artificial sólo existe desde hace unos cincuenta años. Pero no pudimos reparar en que el mundo natural está lleno de software, no pudimos notarlo, hasta que inventamos los lenguajes de programación informática humanos. ¡El mundo estaba lleno de software incluso antes de que supiéramos qué era eso! El software es la razón de la plasticidad de la biosfera, las máquinas normales son rígidas, mecánicas, inertes. ¡El software está vivo!

Es más, el origen de la vida es el origen del software, la aparición espontánea de entidades gobernadas por software (células), y del lenguaje del ADN para ese software. Cada célula de nuestro cuerpo porta el ADN íntegro de todo un ser humano completo, aunque cada tejido emplee tan sólo una parte de ese software. Y cada organismo viviente de la Tierra usa esencialmente el mismo lenguaje de ADN: de momento no existe ningún indicio de que hubiera creaciones independientes de la vida, distintos orígenes independientes de la vida.

El premio Nobel Sydney Brenner compartió despacho con Watson y Crick. La mayoría de los biólogos moleculares de su generación reconocen que el libro de Schrödinger titulado ¿Qué es la vida? les sirvió de inspiración. En su autobiografía titulada Mi vida en la ciencia, Brenner valora la obra que Von Neumann dedicó a los autómatas autorreplicantes. El artículo científico que Von Neumann presentó en el Simposio de Hixon, titulado «The General and Logical Theory of Automata» (Teoría general y lógica de los dispositivos automáticos), y que inspiró a Brenner, contiene muchas ideas biológicas esenciales, desarrolladas incluso antes de que Watson y Crick descubrieran el ADN, lo que en opinión de Brenner constituyó una anticipación matemática realmente excepcional.

Hace muchos años tuve el privilegio de coincidir con Brenner en un encuentro del Instituto Tecnológico de Massachusetts sobre física de la computación organizado por Rolf Landauer y Edward Fredkin. Brenner dio una conferencia fabulosa sobre biología molecular y se mostró interesado en ver cómo había seguido desarrollándose la teoría de autómatas después de Von Neumann.

Tal como descubrí en mi época de estudiante, cuando leí el artículo «Teoría general y lógica de los dispositivos automáticos», fue el artículo de Turing de 1936 titulado «On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem» (Sobre números computables con una aplicación para el Entscheidungsproblem) lo que creó la idea de las máquinas flexibles, las máquinas universales, la computadora de propósito general, y la distinción entre el software y el hardware. Se supone que el ADN es un lenguaje de programación universal, un lenguaje lo bastante eficaz para expresar cualquier algoritmo. Brenner atribuye a Von Neumann la idea de que el ADN contiene el software necesario para confeccionar (y hacer funcionar) el organismo, una idea muy aceptada en la actualidad debido a la evo-devo, a la biología evolutiva del desarrollo, la cual estudia cómo se desarrolla la formación del embrión.

Como ya he señalado con anterioridad, esto resulta muy evidente en el libro de Shubin, el cual revela que conservamos subrutinas de esponjas, peces y anfibios. Para entender algunas rarezas del cuerpo humano, algunos rasgos extraños de su diseño, debemos compararlo con la manera en que se forman los peces. ¡Para convertir peces en mamíferos se efectuaron cambios mínimos!

Retomemos ahora el interrogante que planteó Erwin Schrödinger en 1944: «¿Qué es la vida?». En su libro de 1986 titulado Los problemas de la biología, John Maynard Smith (con quien coincidí en un encuentro al norte del Círculo Polar Ártico, en Abisko, Suecia) dedica un capítulo a esta cuestión. Las llamas tienen metabolismo: toman material y expulsan material al tiempo que conservan su forma y hasta se reproducen, pero no tienen herencia, ni mutaciones, ni evolucionan. Según Maynard Smith, la vida es lo que evoluciona, lo plástico, lo creativo.

Mi biología pitagórica es una demostración matemática de que la vida existe. Es decir, construyo formas de vida matemáticas artificiales. Tengo un modelo mínimo de biología, un modelo simplificado, todos los conceptos y rasgos esenciales, porque puedo demostrar que evoluciona siguiendo la teoría darwiniana. En el mundo pitagórico de las matemáticas puras he encontrado ¡una forma de vida que evoluciona!

Mis organismos carecen de metabolismo, de cuerpo, tan sólo poseen ADN; ningún hardware, únicamente software. Yo estudio la evolución del software mutante, en realidad de un solo organismo mutante que me brinda un paseo aleatorio por el espacio del software. El espacio de todos los programas informáticos posibles es un espacio lo bastante rico para servir de modelo a todos los diseños posibles de organismo.

¿Es esto demasiado simple? ¡No, si consigo que la vida evolucione! Los físicos se sienten muy cómodos con lo que ellos denominan, admirados, «modelos simplificados». Picasso dijo que «el arte es una mentira que nos ayuda a ver la verdad». De manera similar, las teorías son mentiras que nos ayudan a ver la verdad. Pero los biólogos creen que todos los detalles cuentan, no diferencian entre lo fundamental y lo secundario. No en vano dedicaron mucho esfuerzo a descubrir tantas cosas. En cambio, tal como recalca Brenner en su autobiografía (y esto aparece citado en la obra de James Gleick titulada La información), la energética, el metabolismo de los organismos vivos es irrelevante, lo único que cuenta es la información, lo único que cuenta es dónde se obtienen las instrucciones para hacer algo. ¡La energía ya cuidará de sí misma!

Así que nuestro ADN es una pieza de software muy, muy antigua, tremendamente reparada, ni impecable ni elegante ni bien diseñada. Si pudiéramos recomenzar de cero y diseñar los mamíferos, lo haríamos mucho mejor. Pero no podemos empezar de nuevo, y tampoco puede hacerlo el inmenso mundo del software artificial, de la tecnología del software que hemos creado los humanos y que sólo tiene medio siglo de antigüedad, en lugar de miles de millones de años.

En concreto, nosotros y los chimpancés tenemos casi los mismos genes para codificar proteínas. Pero gran parte del ADN empleado para controlar qué genes se expresan es diferente. En otras palabras, las subrutinas de bajo nivel apenas difieren porque mucha gente depende de ellas, se usan mucho. Pero el software más nuevo, el de nivel más alto, varía con mucha más facilidad.

En tan sólo cincuenta años, el entorno de programación humano ha alcanzado un nivel extremadamente elevado: interfaces gráficas, maneras de extraer material de internet. Hoy en día nadie querría empezar de cero para programar el hardware desnudo en lenguaje ensamblador como hice yo en mis inicios para ganarme la vida. Damos por hecho que nuestros lenguajes de programación tienen un nivel extremadamente elevado. No podemos volver a empezar. Las decisiones son inamovibles en nuestra tecnología actual, como el ineficiente teclado mecanográfico «qwerty», diseñado para evitar el bloqueo de las primeras máquinas de escribir si se usaban demasiado deprisa, un problema inexistente en los teclados modernos.

Del mismo modo que las matemáticas de Von Neumann anticiparon descubrimientos biológicos logrados con posterioridad, para que las matemáticas sean elegantes, mi trabajo, la metabiología, requiere mutaciones algorítmicas, no mutaciones puntuales, precisa mutaciones de alto nivel, no mutaciones de bajo nivel. No está claro en qué medida se producen mutaciones algorítmicas en la biología. Así que, tal como me indicó mi esposa, Virginia, la metabiología plantea cómo se producen los mecanismos mutacionales de alto nivel en los organismos reales.

Así concluye este capítulo. A estas alturas usted debería haberse hecho una idea bastante buena de nuestro concepto general de la vida como software en evolución. Hemos visto que la naturaleza descubrió el software hace mucho tiempo. En el próximo capítulo estudiaremos con cierto detalle el descubrimiento bastante reciente del software por parte de los humanos, el cual tiene una historia asombrosa. Y en el capítulo que le sigue explicaré cómo abordar la idea de la vida como software en evolución y cómo convertirla en una teoría matemática que permita demostrar cosas. Entonces estaremos preparados para el capítulo 5, la conferencia que di en el Instituto de Santa Fe, el clímax de este libro.

Advertencia: la metabiología, en su forma actual, no puede tratar el pensamiento y la conciencia, por muy fascinantes que éstos sean.