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  • Marzo 2016Nº 474
Panorama

Biología de sistemas

Hacia una teoría unificada de la criticalidad biológica

Las redes complejas pueden ser el ingrediente que falta para lograr una teoría general del comportamiento crítico en los sistemas biológicos.

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Uno de los grandes avances de la física del siglo XX fue el descubrimiento de que algunos procesos que tienen lugar en sistemas muy distintos, desde los fluidos hasta los imanes, entre otros muchos, siguen leyes universales; es decir, leyes que no dependen de los detalles particulares del sistema en cuestión. Durante los últimos años, el advenimiento de una visión más cuantitativa de la biología ha suscitado la pregunta de si ocurre lo mismo con los seres vivos. ¿Cabe describir el funcionamiento de los sistemas biológicos complejos, como el cerebro o una célula, a partir de una misma familia de leyes simples?

Una respuesta a esa pregunta podría hallarse en el concepto de criticalidad. Cuando un líquido se calienta, sus moléculas dejan de moverse de forma relativamente ordenada y adoptan una dinámica irregular, característica de los gases. Bajo ciertas condiciones, la transición entre tales fases de orden y desorden se produce a través de un «estado crítico», en el que el movimiento de dos moléculas cualesquiera se encuentra correlacionado con independencia de la distancia a la que se hallen. Dichas correlaciones de largo alcance implican que el sistema pierde toda escala espacial característica [véase «Problemas físicos con muchas escalas de longitud», por Kenneth Wilson; Investigación y Ciencia, octubre de 1979; reeditado para «Grandes ideas de la física», colección TEMAS de IyC n.o 80, 2015]. Semejante situación contrasta con el estado ordenado (en el que la correlación entre moléculas es fuerte hasta una cierta distancia, pero luego desaparece) y con el puramente desordenado (donde prácticamente no existen correlaciones a ninguna distancia).

También la vida parece situarse en ese fino límite que separa el orden del caos. En los últimos años, numerosos estudios experimentales y teóricos han sugerido que los sistemas biológicos mejoran su funcionalidad (en términos de procesamiento de la información, robustez y capacidad de evolución) cuando operan en el umbral de la criticalidad. Las neuronas del cerebro, por ejemplo, se activan cuando un estímulo externo sobrepasa cierto valor. Niveles de estimulación muy bajos dan lugar a un sistema inerte, mientras que el exceso de actividad ocasiona una sobrecarga e incluso fallos. En la frontera entre estos dos regímenes aparece un comportamiento muy similar al que se produce durante las transiciones de fase en los sistemas físicos. Varios resultados sugieren que dicha actividad crítica permite la transferencia de información a larga distancia e incrementa la capacidad del cerebro para dar una respuesta coordinada. A nivel microscópico, un comportamiento muy parecido se observa también en las redes de biomoléculas cuyas interacciones rigen el funcionamiento de una célula.

Aunque varios estudios han intentado explicar la criticalidad biológica a partir de las características específicas de cada sistema, aún no disponemos de una teoría general que dé cuenta de este tipo de comportamiento en los seres vivos. En un artículo de revisión publicado recientemente junto con otros colaboradores en la revista Frontiers in Physiology, hemos reconsiderado el problema desde la perspectiva de la teoría de redes complejas. Nuestro trabajo ha abordado la relación entre estructura y dinámica en las redes neuronales y genéticas, así como las implicaciones de la teoría de redes en los mecanismos evolutivos que permiten la aparición del comportamiento crítico en los seres vivos. A continuación ofrecemos algunas reflexiones al respecto.

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