Directo, como una ameba en un laberinto

Laberinto cerrado (Fuente Red Escolar)

En la mítica leyenda del minotauro, Teseo ata un ovillo a uno de los extremos del laberinto para poder encontrar la salida tras matar al monstruo. Aunque el plan resulta útil, Teseo bien podría haberlo abordado como un problema de topología matemática. En los laberintos cerrados (todos los muros conectados) basta con poner una mano en la pared y comenzar a andar sin quitarla: si todos los muros están conectados al final se alcanza el muro que lleva a la salida. Si el laberinto está simplemente conectado (Puede haber muros sueltos) el problema es igual pero requiere memorizar por donde hemos pasado y si volvemos al mismo sitio basta con pasarse al siguiente muro.

Los animales normalmente usamos intuitivamente un método similar al segundo. Empezamos a recorrer el laberinto hasta que vemos un punto repetido y cambiamos la pauta hasta que vuelva a surgir el problema. Si se dispone de una buena memoria, la siguiente vez que uno se enfrente al laberinto buscará esos nodos (cruces de caminos) conocidos para alcanzar la salida rápidamente. Esto es precisamente  lo que hacen los ratones en los laberintos. Requiere una inteligencia que sólo los vertebrados con un cerebro suficiente desarrollado pueden acometer.

¿Pero que ocurre si añadimos un aliciente? Una voz que nos llama al final del laberinto para una persona o alimento con buen olor para un ratón. Entonces el asunto cambia. Dichos efectos (sonido , olor, etc) se distribuyen en el laberinto de acuerdo con la teoría de la dinámica de fases*. Esto significa que la señal se distribuye en ondas y llega más rápido y concentrada por el camino más corto.  Si seguimos la llamada en función de su volumen, al igual que el ratón sigue a su olfato, podemos acortar considerablemente la búsqueda de la salida.

La incorporación de un factor que indique la salida supone un salto en el tipo de organismos capaces de solucionar el problema. Animales tan simples como las bacterias pueden entonces ser atraídos a la salida por quimiotaxis. La corona de rey del laberinto salta entonces desde los vertebrados a organismos simples como el Plasmodium pseudopodia, una seudo-ameba que se organiza en tubos o prolongaciones (seudópodos) que buscan alimento. Si dejamos a esta ameba en un laberinto comenzará a explorar todos los pasillos de igual forma que Teseo desenredaba el ovillo mientras se adentraba en él. Sin embargo esta ameba va mucho más allá del simple plan del mítico joven griego. Una vez que ha encontrado todas las rutas que le llevan a la salida, pondera la distancia de todas las conexiones eliminando las más largas y dejando un único «cordel» que une la distancia más corta de un punto a otro del laberinto.

Esquema de la solución del laberinto realizada por la pseudoameba. Inicialmente la pseudoameba (amarillo) explora todo el laberinto. Cuando encuentra las zonas con alimento (rojo) destruye las conexiones más largas continuando conectada por el camino más corto (Fuente Wikipedia. CC)

¿Cómo funciona?

Este organismo opera como una computadora que calcula las concentraciones del compuesto en cada nodo (cruce de caminos), eliminando las intersecciones que no difunden compuestos/alimentos  y analizando las que si difunden dichos compuestos mediante ondas contráctiles. Este sistema es similar a tensar dos cuerdas que unen dos puntos por diferentes caminos, una vez tensas las hacemos vibrar en un extremo y observamos la amplitud que llega al otro extremo. La amplitud es inversamente proporcional a la distancia recorrida, así que analizando este valor se puede determinar la ruta más corta a cada nodo y eliminar las rutas más largas. Esto funciona para laberintos más complejos o diferentes estructuras como poliedros donde este organismo siempre alcanza el camino más eficaz que une los puntos que contienen el alimento. Dicha computación está lejos de ser trivial si existen muchos nodos y  requiere una compleja red de información cuyas bases químicas no se conocen con exactitud.

Notas y Referencias:

El artículo original de la seudo-ameba fue publicado como comunicación breve en Nature (Intelligence: Maze-solving by an amoeboid organism. Nakagaki et al. 2000). Curiosamente recibió el premio Ig-Nobel en 2008 (premio a las investigaciones más inusuales o inútiles). De  igual forma que hay premios Nobel incomprensibles, hay Ig-Nobel sacados de la chistera. Esta breve comunicación ha sido citada más de un centenar de veces -¡más quisiera yo que alguno de mis artículos generara tanto diálogo!- y es una análisis muy interesante sobre la inteligencia más primitiva. Dichos conocimientos son útiles para comprender  la física y evolución de la distribución de señales bioquímicas que podría ser indispensable para generar robots/organismos capaces de solucionar problemas de forma eficiente. Hay más información sobre su capacidad de solucionar problemas de topología matemática aquí [EN, Google Scholar] y en este otro artículo «Smart network solutions in an amoeboid organism» de los mismos autores. El propio grupo de Toshiyuki Nakagaki publicó recientemente un report en Science sobre la optimización de conexiones utilizando el mapa de trenes de Tokio que consiguió cierta notoriedad y que demuestra que la computación de estos organismos resuelve problemas de topología altamente complejos. Podéis leer algo más sobre laberintos y matemáticas aquí. Si os gusta la mitología griega podéis echarle un vistazo a la página de la wikipedia sobre Teseo.

Actualización: Si te ha gustado la entrada, puedes menearla aquí.

*Kuramoto, Y. in Chemical Oscillations, Waves and Turbulence (Springer, Berlin, 1984). No he encontrado un buen enlace en la red.

Imágenes: Red Escolar y Wikipedia

Enlaces relacionados:

• Mice & Memory (HHMI)
• ¿Y si las bacterias nos hicieran más felices y listos? (Maikelnai´s blog)
• Entrenando peces: el mito de la memoria de 3 segundos (Ciencia en el XXI)
• Slime as Engineer (BoingBoing)

Los 10 pasos evolutivos más relevantes

La evolución de las especies a lo largo de su historia ha permitido la aparición de cualidades impresionantes a los seres vivos. En este post me gustaría repasar los que creo son los 10 cambios más relevantes que han ocurrido en la historia de la vida en la Tierra desde que aparecieron los primeros seres vivos. Evidentemente estos pasos fueron todos muy graduales y es difícil acotarlos en «un paso». La lista está ordenada por orden cronológico de aparición partiendo de los primeros seres replicantes cuyas características concretas sólo podemos especular actualmente:

1-La fidelidad en la copia del DNA

Una bacteria actual comete un error en la copia del DNA cada 10E10 generaciones aproximadamente. Este ratio entre mutaciones y fidelidad permite adaptaciones pero limitando acumular grandes errores rápidamente que acabarían con la especie. La principal artífice de esta maravilla evolutiva se llama DNA polimerasa que por si sola es capaz de copiar fielmente varios miles de bases de DNA  antes de cometer un error. Las versiones más avanzadas y que aparecieron más tarde en la evolución de los eucariotas tienen además mecanismos de revisión para minimizar los errores cometidos. Su necesidad para la vida es tal que no existen seres vivos que carezcan de este mecanismo. Sólo algunos virus como el HIV que a cambio utilizan la perfecta maquinaria celular.

2-El flagelo

Flagelo bacteriano

De esperar a que la comida llegue, a ir a p0r ella. Este uno de los cambios principales cambios que supuso el flagelo. Aunque anteriormente las bacterias desarrollaron pequeños filamentos (cilios) que permitían cierto movimiento lo cierto es que estás estaban totalmente sometidas a las fuerzas que gobiernan el movimiento browniano: Imaginad que estáis dentro de una piscina llena de canicas que se propulsan a toda velocidad en todas direcciones. El flagelo suponía además una mejora en la capacidad de colonizar nuevos y lejanos ambientes o de escapar de circunstanrcias adversas. Puedes ver un vídeo sobre la evolución del flagelo aquí donde se postula su aparición a partir de un organulo destinado a la sujeción.

2-El fotoreceptor

Y se hizo la luz. La capacidad de reconocer la luz suponía inicialmente acceso a alimento (la síntesis de muchos compuestos orgánicos es catalizada por la luz) y una guía para el movimiento (define arriba y abajo). Sin embargo este pequeño avance sembraría la semilla para dos futuros mecanismos de gran relevancia: la fotosíntesis y la visión. Los fotoreceptores se basan en pigmentos capaces de excitarse con la luz y de transmitir dicho estado excitado a alguna proteína.

3-La fotosíntesis

¿Quién necesita comida cuando puedes fabricarla? Este es quizás el salto evolutivo más impresionante: la capacidad de producir compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, mucho más abundantes. Estas reacciones requieren de gran energía que los seres vivos obtienen del calor, degradación de otros compuestos orgánicos/ inorgánicos o de la luz. Podéis leer algo más sobre la fotosíntesis en este otro post que escribí. La fotosíntesis no podría ser posible sin los fotoreceptores que además probablemente coevolucionaron con la mejora del flagelo. Ninguno de estos «castillos de naipes» habria aguantado sin la fidelidad en la copia del DNA.

Diez mil

Cada célula de nuestro cuerpo sufre unas diez mil lesiones diarias en su ADN. Es como si cada día modificáramos al azar cinco letras de un tomo de ‘El Quijote’. Al principio, los cambios en este hipotético tomo no afectarían notablemente a su lectura, pero, tras lo que dura una vida, una de cada diez letras del libro estarían modificadas ¡y esto en cada célula de nuestro cuerpo!

Esta amenaza a la supervivencia celular proviene en gran parte por los propios desechos de la célula. Por suerte, estas poseen una maquinaria de reparación preparada para combatir ese incesante bombardeo a nuestra información genética: un sistema de proteínas que repara prácticamente todos los daños en el ADN a una velocidad de vértigo. Sin embargo, algunas lesiones escapan a este sistema de reparación acumulándose con la edad en forma de mutaciones, afectando a largo plazo a la función de cada célula y pudiendo llegar a provocar cáncer.Algunos agentes químicos o físicos pueden variar el número de lesiones en el ADN. Las células de la piel, por ejemplo, pueden sufrir hasta un millón de lesiones diarias ante una exposición sin protección a los rayos ultravioleta del sol. Para una célula preparada para reparar unas diez mil lesiones diarias, encontrarse con más de un millón supone un reto inalcanzable. La luz ultravioleta y otros agentes cancerígenos provocan, por tanto, un exceso de lesiones sin reparar que acumularán más mutaciones en la célula, lo que abre la puerta a la aparición de tumores.

Es una cuestión de probabilidades. Todos somos susceptibles de que nuestros sistemas de protección celular se vean sobrepasados a lo largo de nuestra vida, especialmente al envejecer y acumular estos errores. Pero, como en la lotería, el que más números juega siempre tiene más posibilidades.

Nota: Publiqué este artículo originalmente en el Heraldo de Aragón, podéis leerlo junto a otros artículos  de otros colaboradores en la web del suplemento de ciencia Tercer Milenio.

Si te ha gustado el artículo puedes echar un vistazo a otras colaboraciones en el Heraldo:

¿Quién quiere vivir para siempre?

Nuestros hábitos condicionan cuántos años vamos a vivir

¿Una píldora para vivir más?.

La Fundación Matusalén

Diez mil lesiones al día

Saliendo del agua

Marcando el ADN