¿Es posible utilizar una misma teoría para el estudio de sistemas físicos, relativos a los objetos inanimados, y de sistemas biológicos, que contemplan formas de vida tan disímiles como los embriones humanos y las plantas? Éste es el tipo de planteos que le interesan al estadounidense William Bialek, profesor de física y miembro del Instituto Lewis-Sigler, de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos. Bialek visitó São Paulo a finales del mes de enero para brindar un curso corto sobre el empleo de la física en sistemas biológicos durante la School on Physics Applications in Biology, un evento promovido por el Centro Internacional de Física Teórica/ Instituto Sudamericano para la Investigación Fundamental (ICTP/ SAIFR, por sus siglas en inglés) y el Instituto de Física Teórica (IFT) de la Universidade Estadual Paulista (Unesp). En la siguiente entrevista, el investigador, quien en 2012 publicó el libro intitulado Biophysics: Searching for principles (que no cuenta con edición traducida), se explaya al respecto de las dificultades para emplear experimentos cuantitativos y leyes físicas con el objetivo de explicar el funcionamiento de sistemas biológicos complejos.
¿Cuáles son los temas de la biofísica que usted estudia?
El tema central siempre fue, para mí, trabajar con la tensión existente entre intentar establecer los principios generales de los sistemas biológicos y prestarle atención a los detalles de los casos particulares que ocurren en el ámbito de la biología. Una de las enseñanzas de la física indica que los fenómenos cualitativamente sorprendentes son abundantes en el mundo vivo y tienen profundas explicaciones teóricas. Pero los sistemas biológicos en donde se producen esos fenómenos son complejos, y esas complicaciones se oponen a la premisa de los físicos que es la simplicidad. Disponemos de modelos detallados y cuantitativos de muchos sistemas biológicos, pero la física es algo más que una colección de historias aisladas: tenemos principios generales a partir de los cuales podemos deducir el comportamiento de determinados sistemas. ¿Podemos hacer eso en el contexto más complejo de los sistemas vivos?
¿Cómo y por qué la física que describe la materia inanimada puede utilizarse para caracterizar a los sistemas vivos?
Las leyes de la física funcionan tanto para el átomo como para la Luna. Creo que eso es parte de la respuesta. En la física, no existe una fuerza motriz que logre que el helio superfluido suba por las paredes y escape de un recipiente. Ese fenómeno es emergente de las interacciones entre los átomos de helio que, en otros contextos, se comportan de una manera menos sorprendente. Del mismo modo, hay algo que diferencia a los sistemas inanimados de los sistemas vivos. Pero actualmente ya no creemos en ninguna “fuerza vital” que anime a las cosas inertes. Los físicos que estudian los fenómenos de la vida no están buscando una nueva fuerza de la naturaleza. Ellos quieren entender cómo emergen esos fenómenos sorprendentes a partir de fuerzas conocidas.
En la física enseñamos principios y deducimos predicciones para casos particulares. En la biología, la enseñanza se basa en el estudio de casos
A su juicio, ¿cuáles son las limitaciones de los experimentos realizados con sistemas biológicos?
Había una fuerte impresión de que los experimentos en sistemas biológicos siempre serían caóticos e irreproducibles y no se los podría cuantificar. El uso de un abordaje cuantitativo implicaría entonces, en la mejor de las hipótesis, calcular probabilidades y recabar evidencias en contra o a favor de hipótesis particulares. Pero cada vez más, los fenómenos que observamos en el mundo vivo se están tornando susceptibles a los experimentos cuantitativos que forman parte de la historia de la física. Esos experimentos condujeron al descubrimiento de que muchos de los fenómenos biológicos son bastante sorprendentes, no sólo en términos cualitativos, sino también cuantitativos. Y han revelado que los sistemas biológicos pueden presentar comportamientos muy precisos. Esos desarrollos están produciéndose en todas las escalas, desde en una única molécula hasta en grandes poblaciones de microorganismos. Todo esto significa que debemos exigirles más a nuestras teorías, debemos buscar comparaciones minuciosas y cuantitativas entre la teoría y la práctica, que son características de la física en general. Este panorama es muy diferente al que había cuando yo era joven y resulta atrapante.
¿Cuáles son los desafíos para quienes estudian la conexión entre la física y los sistemas biológicos?
Las disciplinas académicas están definidas por sus objetos de estudio o bien, por su estilo al formular planteos. Un biólogo está interesado en aquello que está vivo; los físicos están orgullosos de “pensar como un físico”. En la física, intentamos enseñar principios y deducir predicciones para casos particulares. En la biología, la enseñanza se basa en el estudio de casos. La biofísica aún no es un campo maduro y es más difícil superar la historia de dos disciplinas en forma simultánea. Es mucho más complicado estudiar física y biología en conjunto que una de las dos solamente. ¿Cómo estimular a los estudiantes para que tengan ideas propias y formulen preguntas cuando ellos tienen que vérselas con la idiosincrasia particular de dos disciplinas institucionalizadas?
¿Cómo se estudian efectos cuánticos en los sistemas vivos?
En ocasiones, cometemos errores al intentar emplear la mecánica cuántica para la descripción de los sistemas biológicos. Hace varios años supuse que había hallado evidencias de que las células de nuestros oídos podrían efectuar mediciones limitadas por la física cuántica, pero al final estaba equivocado. Aprendí lo difícil que es este problema. Todavía conservo la esperanza de que los efectos cuánticos sean más importantes en los sistemas biológicos, pero soy cauteloso. La observación de esos efectos cuánticos en un sistema biológico siempre genera entusiasmo. Sin embargo, para observar efectos tales como el denominado efecto túnel [en el cual una partícula puede atravesar barreras infranqueables para la física clásica], es necesario alcanzar temperaturas muy bajas. Eso no es algo que pueda observarse en los sistemas biológicos cotidianos. Pero ciertos fenómenos cuánticos, como por ejemplo la coherencia [cuando un sistema se encuentra simultáneamente en una superposición de estados], pueden producirse en las etapas iniciales de la fotosíntesis y cuando las moléculas biológicas interactúan con la luz, como en el caso de los primeros pasos de la visión. Pero no hay evidencias de que la coherencia cuántica pueda ocurrir a escala macroscópica.
Pasieka/SPL RF/Latinstock
Para Bialek, podrían presentarse fenómenos cuánticos cuando células como las de la visión interactúan con la luzPasieka/SPL RF/Latinstock¿Existe algún tipo de fenómeno cuántico que pueda observarse tanto en sistemas biológicos macroscópicos como en los microscópicos?
Los efectos realmente profundos y hermosos de la coherencia cuántica son difíciles de observar a una escala macro porque las variables que estamos observando interactúan con otras variables que no podemos analizar de una sola vez. Hay remanentes del comportamiento cuántico en la aleatoriedad de ciertos fenómenos, tal como es el caso del decaimiento radiactivo. Cuando la materia absorbe la luz, las etapas elementales son aleatorias. Eso es así a causa de la mecánica cuántica.
¿Usted ha estudiado alguna temática específica de la biofísica?
Existen límites físicos para los sentidos y la percepción. Ojos, oídos y otros sentidos envían señales al cerebro. Quisiera determinar cuáles son las señales de menor intensidad que puede percibir el cerebro, teniendo como base los límites físicos de los dispositivos de medición sensorial. ¿En qué medida nuestros sistemas sensoriales que, al fin y al cabo, son dispositivos de medición, alcanzan los límites impuestos por las leyes de la física? La idea subyacente indica que los límites de la percepción están definidos por principios físicos básicos y muy atractivos. Esas mismas ideas son las que empleamos para estudiar cómo las células “sienten” las señales internas.
¿Cuáles serían las implicaciones cognitivas en fenómenos tales como internet?
Parecer ser que siempre pensamos que nuestro tiempo es especial. Pero la gente siempre se preocupó por el hecho de que los desarrollos tecnológicos modifican las cosas desde una perspectiva que implica pérdidas y ganancias. La invención de la imprenta de tipos móviles efectivamente causó ciertas pérdidas en cuanto a la tradición oral: el relator de historias locales se tornó obsoleto. Ahora podemos contar con acceso a la historia sin siquiera imprimir un libro porque podemos “buscarla en Google”. Ya no necesitamos recordar ni transmitir historias, si bien ésa sigue siendo una actividad muy humana. No necesitamos disponer de información en nuestra memoria. En lugar de ello, transferimos parte de nuestro proceso de pensamiento y de memoria a nuestras computadoras y celulares. Esto no es algo precisamente malo en realidad. Hoy en día, mucha gente tiene acceso a estas cosas, a información que en cierto momento era muy exclusiva. Aún no estamos en condiciones de entender las implicaciones cognitivas de esto, toda vez que los efectos sólo podrán observarse en mis nietos.
