Para los físicos no existen fronteras que delimiten el espacio donde deben actuar. No satisfechos con explorar las entrañas de los átomos y los astros más distantes del cielo, han empezado a ocupar otros territorios, y a resolver problemas en las áreas de genética, biología y medicina – y más recientemente, también en la economía y en la administración de empresas. Son incursiones con estilo: en busca de las reglas simples que expliquen los fenómenos de la naturaleza, ellos no dudan en dejar de lado detalles que los expertos de otras áreas consideran preciosos. Y dotados de una notable capacidad de abstracción, examinan fenómenos distintos – la propagación de tumores o la fluctuación del precio de las acciones en las bolsas de valores – con base en las mismas técnicas matemáticas que emplean en un área de la física, la mecánica estadística, para explicar las llamadas transiciones de fase, a ejemplo de la transformación del agua en hielo.
El día 8 de septiembre, en el marco de un encuentro realizado en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) en homenaje a los 60 años de José Fernando Perez, director científico de la FAPESP e investigador en el área de física matemática, quedó en evidencia esa versatilidad, con demostraciones de que os físicos también entienden de genes, de cáncer o de bolsas de valores. En los últimos 20 años, el propio Perez aplicó los métodos de la física matemática para crear modelos que explicaban fenómenos tales como la fluctuación de poblaciones de moscas o la capacidad de algunos materiales de volverse magnéticos de manera espontánea.
“Ningún fenómeno de la naturaleza”, dice Perez, “puede a priori excluirse como objeto de estudio de la física, que desde el punto de vista epistemológico es una ciencia arrogante. La física se arroga para sí el derecho de estudiar cualquier fenómeno natural”. El año pasado, Perez aprovechó el final de un debate sobre los 50 años del descubrimiento de la estructura de la molécula de ADN para, con una cierta dosis de humor, proferir una provocación: “La moderna biología ha de tomarse cada vez más como un capítulo de la física”.
La imagen del ADN
El deseo de intervenir en otras áreas comenzó hace poco más de 60 años, cuando el físico austríaco Erwin Schröedinger publicó el libro What Is Life?, aplicando conceptos de la física para entender la sorprendente estabilidad de la información genética. Schröedinger también lanzó la idea de que los cromosomas de cada célula podrían contener mensajes codificados: era el código genético, más tarde confirmado experimentalmente por los biólogos. Y fue otro físico, Francis Crick, fallecido en julio pasado, quien interpretó la imagen de los rayos X del ADN, hacia la cual la propia autora, la bióloga Rosalind Franklin, dirigía su mirada sin imaginar que era la prueba palmaria de la estructura helicoidal de la molécula responsable de la transmisión de las características hereditarias entre los seres vivos.
De allí en adelante, la integración de los físicos con los expertos de otras áreas no cesó de crecer. “Al margen de emplear los principios de la física para comprender mejor la biología, queremos en sentido inverso valernos de la biología para entender la física”, dice el físico José Nelson Onuchic, codirector del Centro de Física Biológica Teórica (CTBP, sigla en inglés), creado en 2002 en la Universidad de California con sede en San Diego (UCSD), Estados Unidos, con un financiamiento de 10,5 millones de dólares proveniente de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF). Físicos y químicos del CTBP, trabajando con grupos experimentales, lograron demostrar el principio de ovillado, agregación y reconocimiento de proteínas, ya empleado en el diseño de fármacos, y el del funcionamiento de canales de calcio de las células, con aplicaciones potenciales en la regulación de los latidos cardíacos.
Un líder aislado
Pero, aquéllos que no saben que es una hamiltoniana o un modelo de Ising, típicos términos de la jerga de los físicos, pueden quedarse tranquilos: los físicos intentan aprender cada vez más el lenguaje de otras áreas y hacer que sus conclusiones aparezcan más claras – pese a ser éste un proceso lento. Uno de los conferencistas del encuentro del día 8, el físico portugués João Amaro de Matos, se pasó diez años estudiando psicología social, teoría económica y sociología, luego de graduarse en física en la USP y en administración de empresas en la Fundación Getúlio Vargas de São Paulo. Como docente de la Facultad de Economía de la Universidad Nueva de Lisboa llegó a un modelo matemático que sugiere cómo debe obrar un presidente de empresa, un docente o en general alguien que está a cargo de mucha gente, basándose en el apoyo o en el rechazo que recibe por parte del grupo.
De acuerdo con este modelo, elaborado en conjunto con el economista Luis Almeida Costa, también de Lisboa, un presidente o un profesor al estilo “duro” que se sienta aislado y sin apoyo por parte del grupo ha de mantener sus planteos a la sordina, y comunicarse solamente con los responsables de los grupos de trabajo, hasta que las actitudes contrarias comiencen a diluirse en medio a la creciente adhesión. Si cuenta con el apoyo de al menos una parte del grupo, lo mejor es fortalecer los equipos e incentivar el intercambio de ideas. “Este modelo mostrará en cada situación cómo controlar las interacciones entre las personas, de manera tal que todos sigan la actitud del líder del grupo”, comenta Matos, que fue alumno de maestrías y de doctorado de Perez, y vivió en Brasil de los 14 a los 28 años. Actualmente tiene 43.
El presidente de la empresa o el docente frente a los alumnos, a medida que vayan logrando modificar la actitud del grupo y conquisten adhesiones, se comportarán como los cristales que se forman en el agua, listos para transformarse en hielo y que son capaces de atraer rápidamente otras moléculas de agua y constituir cristales cada vez mayores, hasta que toda el agua se congela a 0°C. Publicada en 2002 en Computational and Mathematical Organization Theory, esta teoría explicó estrategias inspiradas únicamente en la intuición y en el empirismo, sin ni una sola una ecuación.
Un ejemplo analizado por el equipo de Lisboa es la División de Ingeniería Aeroespacial de General Electric, que años atrás atravesó un turbulento proceso de reformulación: en menos de dos años, entraron y salieron tres presidentes, hasta que el cuarto logró establecer canales de comunicación más adecuados, eliminó los conflictos internos y retomó el camino de las ganancias.Matos aplica el concepto de contagio de actitud dar asidero también a los mecanismos de sutiles variaciones de precios en las bolsas de valores, regidas de acuerdo con una área relativamente nueva la econofísica, por el comportamiento de imitación: cada inversor compra o vende acciones de acuerdo con la tendencia del momento, para evitar riesgos y mantenerse en el grupo al que pertenece. “En el mercado financiero”, dice Matos, “pocos saben qué están haciendo realmente”. Interacciones en red y jerarquías explican también cómo en el interior del cuerpo humano las enzimas se organizan y los tumores se esparcen.
En busca de una forma de diferenciar células normales y células tumorales que facilite el tratamiento médico, un equipo del Instituto de Matemática y Estadística (IME) de la USP y otro del Instituto Ludwig de Investigaciones sobre el Cáncer analizaron el comportamiento de 376 genes de 99 muestras de tejidos de personas normales y de portadores de cáncer del aparato digestivo, normalmente diagnosticado en una fase avanzada. En un primer ensayo, realizado a comienzos del año pasado, una computadora del IME funcionó tres semanas sin parar haciendo un análisis exhaustivo para identificar pequeños grupos de genes que revelasen la distinción entre las células.
Con base en los resultados de esta prueba, los investigadores desarrollaron métodos alternativos de búsqueda, más realistas desde el punto de vista computacional, sin comprometer la eficacia en la identificación de grupos de genes que podrían funcionar como clasificadores, capaces de diferenciar una célula normal de una alterada.
Biochip
“Es muy fácil generar clasificadores”, comenta el físico Eduardo Jordão Neves, coordinador del equipo del IME, que también presentó sus resultados más recientes en el encuentro del día 8 en la USP. “Difícil es encontrar aquéllos realmente importantes, que puedan extrapolarse y emplearse en otras situaciones”. La carrera científica de Jordão Neves comenzó con su tesis de maestría, dirigida por Perez, con importantes contribuciones al estudio matemático de modelos relativos a materiales magnéticos.
Analizando las informaciones generadas por láminas de vidrio que revelan la actuación más o menos intensa de cada gen – los biochips –, los investigadores identificaron 41 pares y 37 tríos de genes que pueden actuar juntos, pero de manera inversa: en las células normales, uno de ellos puede ser producido en exceso y el otro o otros dos en defecto, mientras que en los tumores sucede lo contrario. “La manera de analizar los datos generados por biochips requiere de un gran conocimiento de matemática y de estadística que los médicos no tenemos”, dice el médico Luiz Fernando Lima Reis, jefe del grupo del Ludwig y coautor de este estudio, publicado en febrero pasado en la revista Cancer Research. Según Lima Reis, este trabajo ayudó a crear clasificadores moleculares para la identificación precoz de otros tipos de tumores de cabeza y cuello, previendo cuáles individuos deben recibir un tipo u otro de tratamiento.
Alfombra roja
Pero algo ha cambiado. A los físicos, que antes tenían el hábito de entrar allí donde nadie los llamaba, ahora los invitan y los valoran, en una época en que los biólogos moleculares, genetistas, biólogos en general y médicos se las ven ante un volumen indescriptible de información. Hace diez años se estudiaba un gen por vez, pero actualmente un conjunto de biochips analiza la acción de 10 mil genes al mismo tiempo.En marzo de 1999, al disertar en el marco de la celebración del centenario de la Sociedad Americana de Física (APS, por su sigla en inglés), el médico estadounidense Harold Varmus, en ese entonces director de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de Estados Unidos, destacó el valor de los métodos de trabajo y los equipos creados por los físicos, como la radiografía, la tomografía, la ultrasonografía, la resonancia magnética y la microscopia electrónica, que catapultaron a la investigación biomédica a otro nivel.
Posteriormente Varmus recordó que fue un físico matemático, Warren Weaver, el primero en emplear el término biología molecular, en 1932, con el argumento de que, en aquella época, “la distinción entre física y química e incluso entre la matemática de un lado y la biología del otro sería tan ilusoria como desafortunada”. Por último, quizá para no dar tantas ínfulas al ego de los físicos, el director de los NIH comentó que la lucha contra las enfermedades depende también de las energías de expertos de otras áreas, tales como la ingeniería, las ciencias de la computación, la psicología, la sociología y la antropología.
Evidentemente, la rapidez y la relevancia de los resultados son proporcionales a la capacidad de interacción entre los expertos de las más variadas áreas, y lo que la permite es un lenguaje común. “Mi grupo se dispuso a entender un poco más de matemática, del mismo modo que el equipo de Jordão Neves estudió biología con mayor atención”, comenta Reis, del Ludwig. “De ambos lados cedimos, y hoy en día ya no hablamos en griego unos con otros.”
En el Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la USP, José Fernando Fontanari avanzó más fácilmente en una de sus líneas de trabajo referente a los modelos matemáticos que intentan explicar el surgimiento y la organización de los primeros seres vivos, cuando se alió a un biólogo teórico: Eörs Szathmáry, del Collegium Budapest de Hungría. En la Facultad de Medicina de la USP Eduardo Massad, que se graduó en medicina y en física, coordina un grupo con otros físicos y médicos para prever las posibilidades de propagación de enfermedades tales como la fiebre amarilla o el dengue, por medio de ecuaciones que contienen variables tales como la tasa de transmisión de los agentes etiológicos y el número de personas que el mosquito transmisor puede picar en un día.
Límites
Pero los físicos lo saben: sus planteos solamente se entenderán realmente cuando se inserten en las referencias teóricas conocidas por los expertos de otras áreas. “De nada sirve mostrar modelos listos y publicar los resultados solamente en las revistas de física”, comenta Matos. Ellos también saben que deben tener cuidado al aplicar los modelos matemáticos a la realidad. Formulaciones más realistas dejan de lado el hielo, formado apenas por moléculas de agua, para inspirarse en materiales sin estructuras definidas como el vidrio, constituido por elementos diferentes entre sí, cada uno interactuando con otro de modo propio. De cualquier manera, lo que queda claro es que la capacidad para operar con estructuras matemáticas que describen sistemas complejos se puede expandir del ferromagnetismo a ambientes tan diversos como la bolsa de valores o un biochip.
Aun así, no siempre los físicos son capaces de expresar en fórmulas la complejidad de la naturaleza. En una célula, la red de interacciones entre las moléculas está impresionantemente enmarañada. Las ciencias humanas también son portadoras de imprevisibilidad, ya que las personas pueden cambiar de comportamiento movidas por su propia voluntad, a diferencia de un átomo. El físico Christof Koch y el biólogo Gilles Laurent, del Instituto de Tecnología de California, Estados Unidos, en un artículo publicado enNature en 1999, apuntaron una diferencia básica entre el cerebro y los grandes sistemas físicos, como las galaxias: “El cerebro tiene una función, que es proteger al individuo (o su piel) en su ambiente y asegurar la continuidad de su genoma”. En tanto, los aglomerados de estrellas tendrían solamente una brute existence – puramente física.
Pero los físicos creen que pueden ir mucho más allá todavía, como afirmó el estadounidense Robert Laughlin en una conferencia proferida en San Diego en 2000, dos años después de ganar el Nobel de Física: más que ser meros coadyuvantes y sencillamente hacer cálculos, los físicos deben apuntar qué es lo realmente importante en cada área de la ciencia. Schröedinger, con el What Is Life? en manos, estaría completamente de acuerdo.
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