La Biosfera como Sistema Complejo

 

Los humanos parecemos tener una compulsión, innata o que se estabiliza en los primeros años de vida, tendente a percibir todo (y a describir todo lo que percibimos) en forma secuencial (temporal), espacial, y causal (en cadenas de causa-efecto) (véase v.g. https://entenderelmundo.com/2018/05/11/la-sintesis-kantiana-entre-racionalismo-y-empirismo/; https://entenderelmundo.com/2018/05/14/schopenhauer-el-mundo-como-voluntad-y-representacion/; https://entenderelmundo.com/2018/04/25/las-metaforas-y-la-construccion-imaginaria-de-la-realidad/). Somos sistemas complejos sometidos a un proceso permanente de cambio, y que construye representaciones sobre lo que es el mundo, a partir de percepciones muy puntuales procedentes de éste. Esto no significa que cualquier representación que podamos crear tenga la misma validez práctica. Dentro de nuestros pre-condicionamientos constitutivos a la hora de construir representaciones, no todas las descripciones espacio-temporales y causales que podemos hacer de la realidad se  ajustan a lo que observamos de forma consistente y coherente, es decir, de forma pragmáticamente útil a la hora de manipular y de predecir el comportamiento futuro de los objetos observados. El llamado “conocimiento científico” no es sino el estado actual de esa pragmática en la que un conjunto de metáforas y conceptos sobre supuestos objetos reales (y clases de objetos) ha sido aceptado como el conjunto cuya coherencia y consistencia intrínseca (de unos conceptos observacionales con los otros) es máxima.

Las descripciones científicas de la realidad se hacen utilizando modelos, que son conjuntos muy especiales de metáforas y conceptos. Un modelo contiene un conjunto de teorías generales sobre la clase de objetos a la que supuestamente pertenece el objeto descrito y también un conjunto de hipótesis auxiliares sobre características únicas del objeto que estamos describiendo y el ambiente que le rodea. Normalmente, los modelos científicos se construyen en forma matemática.

En las “instrucciones de uso” de un modelo también hay que definir la “escala espacio-temporal” en la que se debería observar la realidad para poderla comparar con lo que el modelo predice (o escala espacio-temporal de aplicabilidad del modelo) y la definición de lo que debería considerarse como “las variables de interés” del objeto observado. No todas las propiedades observables en el objeto las consideramos importantes y relevantes para el modelo; sólo algunas de ellas. El conjunto elegido constituye el “sistema de interés”. Esta elección de variables y escala del “observador-modelador” tendrá pues un importante efecto sobre los resultados y predicciones que se obtendrán del modelo.

Hay algunos casos en los que la relación particular entre ”observador-modelador” y ”objeto observado-modelado” puede ser olvidada sin que los resultados del modelo pierdan validez. Son aquellas en las que existe un acuerdo previo e incontrovertido entre las diversas partes interesadas que utilizarán el modelo, sobre cómo interaccionarán con el objeto, sobre la ‘‘escala espacio-temporal’’ a la que interesa observarlo (por ejemplo, los distintos ambientes, momentos y geografías en los que los actores observarán al objeto real no lo afectarán hasta el punto de convertirlo en otra cosa a una velocidad que requeriría un análisis evolutivo complementario) y hay también un consenso previo sobre lo que debería considerarse como “el sistema de interés”, dentro de la variedad de detalles diferentes con los que se puede presentar una misma clase de objetos en momentos y sitios diferentes y para observadores diferentes.

En los apartados que siguen resumiremos la forma como la ciencia actual ha llegado a concebir los procesos de cambio en los objetos más complejos que percibe y describe, y analizaremos con más detalle el ejemplo concreto de la biosfera.

 Sistemas disipativos y sistemas auto-organizativos

Todos los sistemas naturales de interés para la sostenibilidad y para la supervivencia de los humanos sobre el planeta Tierra (por ejemplo, los ciclos biogeoquímicos complejos, las células vivas que realizan la fotosíntesis, los sistemas ecológicos, o los sistemas humanos cuando se analizan en diferentes niveles de organización y escalas por encima de la molecular) son “sistemas disipativos”. Esto es, son sistemas atravesados por flujos de energía, lejos del equilibrio termodinámico, y afectados por procesos auto-organizativos.

Ejemplos de procesos auto-organizativos relativamente simples son los cilindros de agua rotante (o las columnas hexagonales) que se forman en una caja con agua calentada por debajo; o las ondas y espirales que se producen en las  reacciones químicas no-lineales, como la de Belusov-Zhabotinski, y que a veces siguen una pauta periódica y otras se generan de forma caótica e impredecible.

Resumamos las características de los procesos auto-organizativos. (i) Se dan en sistemas alejados del equilibrio y abiertos a la energía y/o a los materiales externos, por lo que no son sistemas hamiltonianos (que conservan su energía total) sino sistemas abiertos disipativos (que toman energía de baja entropía del medio, la hacen circular entre sus componentes, y la dejan salir de nuevo al medio con mayor entropía de la que entró).

(ii) Muestran creación espontánea (no buscada por el observador humano) de inhomogeneidad y cambios cualitativos donde su estado previo era homogéneo y/o estable.

(iii) Sus variables observables a escala macroscópica (como la temperatura o la densidad) interactúan de un modo no-lineal. En los modelos matemáticos de los sistemas de este tipo, cuando hay más de dos variables (y una variable que varía espacialmente, como las de un fluido, equivale a infinitas variables) el sistema puede generar atractores para la evolución de sus variables, esto es, trayectorias recurrentes hacia las que las variables del sistema tienden. Los atractores pueden ser estacionarios, ciclos limite, ciclos multiples, o atractores caóticos.

Desde el punto de vista del modelo matemático, la estructura disipativa se produce cuando el sistema, que estaba inicialmente en un estado estacionario (típico en muchos sistemas termodinámicos abiertos), (a) pierde la estabilidad y (b) cae en otro atractor de igual o mayor complejidad.

¿Cómo se produce la inestabilización del sistema? Prigogine distingue tres formas: (a) por la aparición de una fluctuación suficientemente intensa de las componentes, que desestabiliza el atractor actual de la dinámica macroscópica del sistema; (b) por cambio en los parámetros externos que controlan los flujos, fuerzas termodinámicas, interacciones entre las partículas o probabilidades de interacción entre los subsistemas (“inestabilidades sinergéticas” sistematizadas posteriormente por H. Haken), o (c) por inestabilidad estructural ante la aparición de nuevos componentes y/o nuevas interacciones (“inestabilidad estructural ante la aparición de nuevas variables”).

La primera clase de inestabilidad es muy improbable en sistemas con atractores intensos que llevan funcionando establemente mucho tiempo, porque esto mismo es una demostración de que son estables ante las fluctuaciones estadísticas habituales en sus componentes y en el entorno; pero todo sistema compuesto de partes es sólo “metaestable”, esperando el tiempo suficiente es siempre posible que aparezca una fluctuación estadística que meta en el sistema una concentración de energía anómala del entorno, o que lleve una gran parte de la energía del sistema hacia un grupo de componentes que, al moverse sincronizadamente, pueden romper la (meta)estabilidad del sistema.

En las inestabilidades de tipo (b) (sinergéticas), los parámetros del medio ambiente dentro del cual está el sistema pueden ir modificándose lentamente a lo largo de periodos de tiempo mucho más dilatados que los tiempos típicos de cambio del propio sistema; ello puede acabar volviendo inestable a los atractores que ordenan el comportamiento del sistema. Éste puede volverse inestable porque se modifiquen las tasas de interacción con el entorno, las restricciones externas, o las probabilidades de interacción entre sus subsistemas componentes (por ejemplo, partículas). Esto último genera una posibilidad adicional de comportamiento complejo, pues tales probabilidades de interacción pueden estar siendo modificadas por alguna de las emergencias macroscópicas generadas por la interacción de los componentes.

La aparición de columnas de convección de forma hexagonal en sistemas naturales o de laboratorio se pueden predecir mediante esta clase de modelos sinergéticos.

exagonos conveccion lago

Columnas de convección formadas espontáneamente en un lago salino

La reacción de Belousov-Zhabotinsky es otro ejemplo. El atractor estacionario del sistema se ha debilitado por variación de sus parámetros, y pequeñas perturbaciones locales producidas por la propia turbulencia del fluido, por una vibración sonora, o por la acumulación casual de muchas moléculas de ácido malónico  en un mismo punto,  pueden desencadenar la amplificación de una pauta macroscópica, que en cada momento es diferente, como muestra la figura siguiente.

Belousov-Zhabotinsky.jpg

Las inestabilidades del tercer tipo son importantes cuando estructuras previamente autoorganizadas y que tienen cierta (meta)estabilidad se encuentran unas con otras y alguna propiedad emergente de una afecta a la dinámica de la otra. La aparición de simbiosis o endosimbiosis entre células simples puede modelarse en principio mediante esta clase de inestabilización de estructuras previas que se encuentran por azar.

eucariotas

Las células eucariotas parecen haber surgido de la entrada simbiótica de células procariotas dentro del citoplasma de otra célula procariota receptora

Aún no se ha podido encontrar una ley universal válida para la evolución de cualquier sistema alejado del equilibrio. Lo más que se puede hacer es construir el diagrama de bifurcaciones e inestabilidades para las clases de sistema cuya forma de inestabilizarse tiene una estructura matemática recurrente. Al hacerlo, conviene tener en cuenta que: (i) el sistema puede contener impurezas e influencias no consideradas al escribir las ecuaciones, que proceden de escalas inferiores (escala “micro”) a la de observación (escala “macro”); (ii) no siempre se puede aislar el sistema de la aparición de nuevos elementos y/o interacciones a nivel microscópico (a escala de los constituyentes); (iii) hay que considerar, además, las fluctuaciones de las variables macro relevantes (originadas muchas veces en la impredecibilidad de comportamiento de los componentes), su probabilidad, y su influencia en la trayectoria del sistema por su “espacio de fases” (conjunto de valores accesibles a sus variables macro v1,v2…vn). Por ello, la predicción de los modelos suele dar la probabilidad P(v; t) de que en el tiempo futuro t el estado del sistema sea v= (v1,v2…vn). Si no hubiera fluctuaciones, P sería siempre una distribución de varianza nula o “delta de Dirac” (trayectoria determinista); debido a la existencia de fluctuaciones y perturbaciones impredecibles, y la forma como las interacciones internas del sistema reaccionan ante ellas, las variables vi se distribuyen con cierta probabilidad en torno a una trayectoria media en muchos sistemas naturales. Las fluctuaciones y su forma estadística se convierten en determinantes en momentos en que un atractor se convierte en inestable o se bifurca. Por ello, en tales momentos las descripciones macro y mesoscópica se vuelven insuficientes, y se suele recurrir al uso de ecuaciones, llamadas “master”, para la evolución de la probabilidad P.

Finalmente, hay un tema de reflexión muy interesante, y es el de cuál es el rasgo común que tiene el proceso de inestabilización del estado estacionario en sistemas tan distintos como una reacción química y un fluido por ejemplo, y por qué tal estado nunca se vuelve inestable cuando el sistema está “cerca del equilibrio” (atravesado por flujos débiles de energía). ¿En qué consiste esa retroalimentación positiva o catálisis entre componentes micro que desestabiliza el estado estacionario y genera una pauta macro nueva? Una respuesta heurística a esta cuestión podría ser la siguiente:

En los sistemas cerca del equilibrio, las fluctuaciones no son lo suficientemente intensas como para provocar encuentros lo suficientemente frecuentes entre los elementos micro.

Por contra, si hay mayor densidad de energía, materiales y momento atravesando al sistema, en forma de fuertes flujos y fuerzas termodinámicas (que aumentan las energías internas y/o potenciales), habrá mayor energía disponible para fluctuaciones grandes (y pequeñas).

Por otro lado, los encuentros entre los constituyentes (colisiones si son partículas) generan propiedades emergentes que (i) son posibilitadas por los encuentros y (ii) muchas veces se intensifican con la frecuencia de encuentros. Y tales propiedades emergentes facilitan (probabilísticamente) la continuación del tipo de encuentros que es capaz de producirlas (en un verdadero “embuclamiento” micro→macro→micro). En esto parece consistir en general la autocatálisis, que es el rasgo principal de la auto-organización.

Muchas veces, la autocatálisis producto de las colisiones (o los encuentros, o las interacciones entre componentes) basta para generar emergencias como las correlaciones a largas distancias de las propiedades macroscópicas generadas por esas sincronizaciones micro.

Es importante resaltar que la metodología reduccionista utilizada por la ciencia mecanicista hasta bien entrado el siglo XX presupone que explicar el comportamiento o las propiedades del todo a partir de sus partes es “objetivo” mientras que explicar el comportamiento de las partes a partir del todo, eso no es objetivo ni científico. Sin embargo, la retroacción de la propiedad emergente macroscópica sobre el comportamiento (o las propiedades) de los constituyentes es algo que aparece una y otra vez en procesos complejos; y esta evidencia es devastadora para las pretensiones del reduccionismo (Rosen, 1993). La aplicabilidad de éste debe ser circunscrita en lo sucesivo a situaciones muy particulares del objeto y de los sujetos que lo describen.

Sistemas que se auto-mantienen

Los sistemas que se automantienen son sistemas constituidos por sistemas auto-organizativos cuyos atractores (estacionarios o cíclicos) mantienen a sus variables macro emergentes en cierta (meta)estabilidad. De este modo, los sistemas auto-organizativos componentes pueden permitirse mantener cierta persistencia en la interacción de sus propiedades (variables) emergentes con las de otros componentes. Pero además, y este es el rasgo esencial de los sistemas que se automantienen, los sistemas componentes se producen unos a los otros de forma operacionalmente cerrada (Hejl 1984). Esto es, los materiales y energía requeridos por cada componente proceden de los materiales y energía liberados por otros componentes. Para resaltar y modelar la materialidad de esos flujos en red entre los ingredientes de un ensamblaje que se automantiene, el concepto de red o hiperciclo de auto-mantenimiento puede ser de gran utilidad. Se trata de un esquema de flujos materiales (y energéticos) entre los componentes del sistema, tal como el de la Figura siguiente.

hiperciclo

Los sistemas que se auto-mantienen son la consecuencia de un bucle de retroalimentación constructivo (organización) que permite la regeneración continua de los componentes (Varela 1974).

Los lazos causales y materiales cerrados que son característicos de los sistemas que se auto-mantienen impiden la posibilidad de explicar de forma reduccionista (a partir de las propiedades de las partes únicamente) el comportamiento de tales sistemas (Rosen 1993).

Sistemas auto-poiéticos

Los sistemas auto-poiéticos se pueden considerar casos especialmente complejos de sistemas que se auto-mantienen. Un sistema autopoietico se organiza (definido como una unidad) como una red de procesos de producción (transformación y destrucción) de componentes que producen los componentes que:

  1. a través de sus interacciones y transformaciones, continuamente regeneran y realizan la red de procesos (relaciones) que los produjeron; y
  2. Lo constituyen [a la red que se auto-mantiene] como una unidad concreta en el espacio en el que [los componentes] existen especificando el dominio topológico de su realización como tal red (Varela 1979).

Un sistema autopoiético es siempre un sistema que se auto-mantiene. Pero la característica clave de un sistema autopoiético es el mantenimiento de su organización, es decir, la preservación de la red relacional que lo define como una unidad sistémica. Esta invariancia o persistencia organizacional es el resultado crítico de la ‘autopoiesis’, mientras que la (re)producción de los componentes es el medio por el cual esto se lleva a término de forma continuada. De ahí la definición resumida de autopoiesis que Maturana (1975) ha empleado a veces: “Los sistemas autopoiéticos operan como sistemas homeostáticos que tienen su propia organización como la variable crítica fundamental que ellos activamente mantienen constante”.

Los sistemas auto-poiéticos son además sistemas autónomos, esto es, sistemas organizacionalmente cerrados que no son dependientes de procesos de control externos a su organización (o hiperciclo de flujos). Según Varela, si a un sistema autopoiético se le quita la propiedad de que las componentes están siendo producidas físicamente por la organización de los flujos, entonces nos queda un sistema autónomo. El concepto de sistema autónomo y el de sistema que se auto-mantiene son vecinos. Si aceptamos nuestra definición, un sistema que se auto-mantiene sería un sistema autónomo (organizacionalmente cerrado) cuyas componentes son sistemas auto-organizativos. Por otra parte, una sociedad sería un sistema autónomo, dado que sus componentes son sistemas autopoiéticos humanos (que son sistemas autoorganizativos), artefactos (que no son sistemas autoorganizativos) y sistemas socio-técnicos institucionalizados (una combinación de los dos anteriores).

Un ejemplo de sistemas autopoiéticos son los organismos procariotas. Una célula viva es un caso especial de sistema auto-poiético en el que sus componentes son moléculas orgánicas. La figura siguiente esquematiza los principales flujos moleculares entre enzimas (proteínas catalizadoras) componentes de una célula. La red completa es un hiperciclo que representa al metabolismo celular.

metabolismo celular

Esquema de los flujos principales del metabolismo celular. El círculo central es el ciclo de Krebs

Todo ese hiperciclo cerrado de flujos materiales exige la vecindad de los materiales reactantes y de las enzimas catalizadoras de las reacciones. Esta vecindad es posibilitada por la presencia de una membrana celular cerrada que impide la libre difusión de los materiales por el espacio.

bicapa

Las moléculas de fosfolípidos tienen la propiedad de que, cuando son agitadas por la turbulencia en un medio acuoso, orientan espontáneamente sus cabezas hidrofílicas hacia las moléculas de agua y sus colas hidrofóbicas lejos del agua. Esto les permite formar estructuras bicapa como la de la figura. Este parece ser el origen de las membranas biológicas, una estructura auto-organizada sobre la que la selección natural pudo actuar, añadiendo mecanismos metabólicos reparadores, canales y otras sofisticaciones. Aunque son estables, tales membranas pueden sufrir accidentes y, en esos casos, una parte del metabolismo de la célula procariota se activa y se encarga de su reparación. Dentro de esa estructura pudo evolucionar un metabolismo celular auto-poiético que añadió innovaciones a la propia membrana, como la aparición de canales con puertas que pueden sea abiertas o cerradas por moléculas específicas, lo cual permitió la comunicación de la célula con el medio exterior y con otras células.

Sistemas auto-referenciales y otros

Mingers (1997) y otros autores han diferenciado otras clases de sistemas complejos, pero no necesariamente auto-poiéticos, que establecen relaciones circulares de algún tipo. Los más relevantes son los siguientes:

Sistemas que se auto-influyen: Sistemas dinámicos que tienen bucles causales o causalidad circular (retroalimentaciones positivas o negativas). Ejemplo: Tamaño y tasa de crecimiento de una población.

Sistemas que se auto-regulan: Sistemas que mantienen alguna variable en un nivel particular (homeostasis). Ej.: El sistema de regulación de la temperatura corporal.

Sistemas organizacionalmente cerrados: Sistemas en que sus componentes y procesos son dependientes unos de otros para el funcionamiento del conjunto y de sí mismos, pero que no necesariamente producen sus propias componentes.

Sistemas que se auto-reconocen: Sistemas capaces de reconocer sus propios componentes (y eventualmente rechazar componentes no “propios”) pero que, de nuevo, pueden necesitar de otros sistemas externos para su propio mantenimiento. Ej.: Sistema inmunológico.

Sistemas que se auto-replican: sistemas que construyen réplicas de ellos mismos. Ej.: Virus, bacterias, organismos que se reproducen.

Varela también distinguió los sistemas auto-referenciales. Son sistemas que organizan los estados de sus sistemas componentes de un modo operacionalmente cerrado. Pero no necesariamente son sistemas auto-poiéticos, pues sus componentes pueden no estar siendo producidos por el propio sistema, sino por sistemas exteriores. Son sistemas similares a los que Mingers (1997) llama “autorreferentes” y que serían sistemas simbólicos o representativos que se refieren a sí mismos ya sea por alguna forma de señalar a la propia organización como una unidad; o por contener una imagen de sí mismos dentro de sí mismos; o porque se refieren a ellos mismos lingüísticamente. El cerebro podría ser un sistema auto-referencial.

Sistemas que se auto-conocen: Sistemas que generan identidad cognitiva. Ej.: animales con sistemas nerviosos que interaccionan simbólicamente.

Sistemas auto-conscientes: Sistemas capaces de interaccionar con descripciones de ellos mismos (el observador observando al observador). Ej.: Una persona diciendo “actué egoístamente hoy”.

Sistemas jerárquicos

Un sistema que se auto-mantiene es habitualmente un sistema jerárquico. O’Neill (1989) define sistema jerárquico de este modo: “un sistema disipativo es jerárquico cuando opera en múltiples escalas espacio-temporales, esto es, cuando se encuentran en el sistema diferentes tasas de procesamiento”. Otra definición útil que da de los sistemas jerárquicos es: “los sistemas son jerárquicos cuando son analizables en conjuntos sucesivos de subsistemas”.

La existencia de diferentes niveles y escalas en las que opera un sistema jerárquico implica la inevitable existencia de formas no equivalentes de describirlo. Por ejemplo, podemos describir a un ser humano en el nivel microscópico para estudiar el proceso de digestión de nutrientes dentro de su cuerpo. Sin embargo, este tipo de descripción no sería compatible con la descripción que se requeriría para describir su “cara” a otro ser humano (Giampietro 2005).

Los seres vivos, las sociedades humanas y los ecosistemas son generados por procesos que operan en varios niveles jerárquicos sobre una cascada de diferentes escalas. Por lo tanto, son ejemplos perfectos de sistemas jerárquicos disipativos anidados que requieren una pluralidad de descripciones no equivalentes para ser utilizadas en paralelo para analizar sus características relevantes en relación con la sostenibilidad.

Sistemas complejos adaptativos

Los componentes de un sistema complejo pueden ser autómatas. Un autómata es cualquier elemento que puede interaccionar con su entorno, tiene un código interno (o programa) para interpretar esas interacciones y modificar su estado interno acorde con ellas, y produce una respuesta de acuerdo con el cambio de su estado interno. Cuando el autómata tiene sensores y programas sofisticados de respuesta se suelen denominar agente (v.g. un programa complejo de control de procesos, un robot, un ser humano).  La respuesta de los autómatas y agentes puede ser determinista (una respuesta única, función de su estado interno actual) o estocástica  (muchas respuestas posibles para un estado interno, que pueden obedecer, o no, a una distribución estable de probabilidad. A veces se habla de que un agente tiene un comportamiento “en parte determinista, en parte estocástico”. Esto significa que responde estocásticamente, pero que podemos predecir cómo evoluciona en el tiempo la distribución de probabilidad de sus respuestas.

giphy

Comportamiento del “Juego de la Vida” de Conway. Se trata de un sistema de autómatas estáticos en el cual cada autómata muere o sigue viviendo según una regla muy sencilla función del número de autómatas que lo rodeen, de los ocho vecinos posibles. Si esta regla se modificara en función de la historia pasada del autómata, el sistema se convertiría en adaptativo. De https://gliderlabs.com/devlog/2015/a-pattern-emerges/

Un sistema complejo adaptativo es un sistema: (i) compuesto de autómatas (o agentes) con un comportamiento en parte determinista y en parte estocástico; (ii) la respuesta (o comportamiento futuro) determinado de cada agente es una función determinista de su estado interno, el cual depende de las interacciones pasadas; (iii) la función determinista de respuesta (o comportamiento determinista) está controlada por un conjunto de reglas (o leyes) de interacción; (iv) cada agente modifica sus reglas (o leyes) de interacción en función de los resultados obtenidos por su comportamiento pasado.

Nótese que el punto (iv) supone implícitamente capacidades auto-referenciales en el agente, esto es, la capacidad de que una parte del agente sea sensible al estado del propio agente. El agente debe ser capaz, pues, de identificar su estado interno (efecto de su comportamiento e interacciones pasadas), asignarle un valor a este estado, y cambiar sus reglas de interacción en función de ese valor. Por supuesto, esta reflexividad no tiene por qué ser necesariamente consciente; la consciencia humana de uno mismo es una forma especial de reflexividad. Los agentes pueden interaccionar sólo localmente, con sus vecinos próximos, o simultáneamente con todos los agentes constituyentes del colectivo. Esta clase de modelos se han aplicado para representar interacciones entre humanos (modelados como agentes) sometidos a distintas reglas morales, o a distintas estrategias inversoras en un mercado, o a distintas preferencias políticas, etc. También se ha usado para modelar la creación de memes o pautas de opinión en redes de contactos o redes sociales de Internet. Otro campo de aplicación fructífero es la teoría de juegos evolutiva (que trata de identificar estrategias evolutivamente estables) y la toma de decisiones colectivas.

Las ciencias de la complejidad han seguido su curso desde sus inicios en la cibernética y la teoría de sistemas. La figura siguiente resume dicha evolución entre los años 50 y la actualidad.

2018_Map_of_the_Complexity_Sciences

La biosfera y la hipótesis Gaia

Bertalanffy (1952 pp. 124-125)  fue uno de los primeros en caracterizar los seres vivos como estructuras que se autoproducen y automantienen canalizando por su interior un flujo continuo de energía y materiales que lo atraviesan:

Cuando comparamos objetos inanimados y animados encontramos un contraste sorprendente. Un cristal, por ejemplo, está construido de componentes invariables; persiste con ellos tal vez durante millones de años. Un organismo vivo, sin embargo, sólo en apariencia es persistente e invariable; en realidad es la manifestación de un flujo perpetuo. Como resultado de su metabolismo, que es característico de todo organismo vivo, sus componentes no son las mismas de un momento al siguiente. Las formas vivas no están en el ser, están sucediendo; ellos son la expresión de una corriente perpetua de materia y energía que atraviesa el organismo y al mismo tiempo lo constituye…

Esta concepción dinámica del organismo puede ser contada entre los principios más importantes de la biología moderna. Conduce a los problemas fundamentales de la vida, y nos permite explorarlos.

Desde el punto de vista de la física, el estado característico en que encontramos el organismo vivo se puede definir afirmando que no es un sistema cerrado con respecto a su entorno, sino un sistema abierto que continuamente entrega materia al mundo exterior e incorpora materia de él, pero que se mantiene a sí mismo en este intercambio continuo en un estado estacionario, o se aproxima a ese estado estacionario en sus variaciones en el tiempo.

En su libro The evolution of the biosphere (1986) M. I. Budyko usó el término “biosfera” para designar el Sistema constituido por todas las especies vivas. Un hecho esencial de este sistema según Budyko es que las tasas de intercambio de materiales que se producen entre las especies son mucho más altas que las tasas de incorporación de estos materiales desde otros sistemas, como la litosfera, la hidrosfera o el espacio exterior. Además, estos intercambios de materiales sólo “se cierran” en la escala de la propia biosfera, no en escalas más locales como los ecosistemas particulares. Siguiendo esta perspectiva, podemos definir la biosfera como el sistema global de reciclado de los materiales que sirven como sustrato para el metabolismo y autopoiesis de los seres vivos. Barlow y Volk (1990) defienden una perspectiva similar a ésta sugerida por Budyko.

Lovelock y Margulis (1974) y Lovelock y Watson (1982) sugirieron que la biosfera controla la temperatura, la composición atmosférica y la disponibilidad de otros materiales que la vida utiliza como sustrato de su metabolismo, contribuyendo así a estabilizar las condiciones ambientales necesarias para su supervivencia. Esta es una hipótesis muy fuerte que ha suscitado un vivo debate desde entonces.

En su formulación fuerte, la hipótesis no parece sostenible. El sistema regulador principal que mantiene la temperatura del planeta aceptable para la vida es geológico: la meteorización de los silicatos del suelo por el ácido carbónico de la lluvia (procedente del CO2 tectónico) y su retroacción negativa: sobre la concentración atmosférica de CO2 tanto cuando ésta es alta como cuando la temperatura es alta (véase Historia del clima terrestre). El artículo de Kirschner (2003) ilustra otras críticas a esta formulación fuerte de la hipótesis Gaia. Tal como lo expone el resumen de dicho artículo: “Las incertidumbres que rodean el cambio climático global proporcionan amplia evidencia, si alguna fuera necesaria, de la necesidad de una visión sistémica de la Tierra. Podría decirse que el intento más visible, y controvertido, de entender la Tierra como un sistema ha sido la teoría Gaia de Lovelock. Gaia ha sido un generador de hipótesis fructíferas y ha generado muchas conjeturas interesantes sobre cómo los procesos biológicos podrían contribuir a la regulación a escala planetaria de la química atmosférica y el clima. En muchos casos importantes, sin embargo, estas conjeturas son refutadas por los datos disponibles. Por ejemplo, la teoría de Gaia predice que la composición de la atmósfera debería estar estrechamente regulada por los procesos biológicos, pero las tasas de absorción de carbono en la biosfera se han acelerado en solo un 2% en respuesta al aumento del 35% en el CO2 atmosférico desde los tiempos preindustriales. La teoría de Gaia predeciría que el CO2 atmosférico debería estar más efectivamente regulado por la captación del ecosistema terrestre (que está mediada biológicamente) que por la captación oceánica (que es principalmente abiótica), pero ambos procesos son igualmente insensibles a los niveles de CO2 en la atmósfera. La teoría de Gaia predice que las retroalimentaciones biológicas deberían hacer al sistema Tierra menos sensible a la perturbación, pero los mejores datos disponibles sugieren que el efecto neto de las retroalimentaciones biológicamente mediadas será amplificar, no reducir, la sensibilidad del sistema terrestre al cambio climático antropogénico. La teoría de Gaia predice que los subproductos biológicos en la atmósfera deberían actuar como reguladores del clima planetario, pero el núcleo de hielo de Vostok indica que el CO2, el CH4 y el sulfuro de dimetilo, todos subproductos biológicos, funcionan calentando la Tierra cuando hace calor; y enfriándola cuando hace frío. La teoría de Gaia predice que las retroalimentaciones biológicas deberían regular el clima de la Tierra a largo plazo, pero los picos en la paleo-temperatura se corresponden con los picos en el paleo-CO2 en registros que se remontan al Pérmico; por lo tanto, si el CO2 está regulado biológicamente como parte de un termostato global, ese termostato ha estado conectado al revés durante al menos los últimos 300 millones de años. La teoría de Gaia predice que los organismos alteran su medio ambiente para su propio beneficio, pero en la mayor parte de la superficie del océano (que comprende más de la mitad del globo), el agotamiento de nutrientes por el plancton casi ha creado un desierto biológico, y se mantiene bajo control solo por la hambruna de nutrientes del propio plancton. Por último, cuando los organismos mejoran su entorno por sí mismos, crean una retroalimentación positiva; por lo tanto, los dos principios centrales de la teoría de Gaia: primero, que los organismos estabilizan su entorno, y segundo, que los organismos alteran su entorno de manera que los beneficia, son mutuamente inconsistentes entre sí. Estos ejemplos sugieren que el desarrollo posterior de la teoría de Gaia requerirá una comparación más ajustada de la teoría y los datos.

En efecto, el aumento de CO2 atmosférico tiende a aumentar el CO2 disuelto en el océano, lo cual tiende a aumentar la propducción primaria (fotosintética) en los océanos y con ello la tasa de producción de esqueletos carbonatados que caen hacia el fondo (tras la muerte de los animales con concha o esqueleto calcáreo). Pero este efecto es compensado con creces por dos retroalimentaciones que actúan en sentido contrario y que son provocadas por la vegetación de los continentes. El primero es el siguiente: cuando sube el CO2 atmosférico, la vegetación continental se vuelve más densa; esto fija el terreno y disminuye la resuspensión de polvo (que es rico en hierro) por el viento; la disminución del hierro que llega a los océanos disminuye la producción neta de éstos; esto tiende a aumentar el CO2 en atmósfera, lo cual aumenta la temperatura; tanto el aumento de CO2 como de temperatura tienden a aumentar la densidad de la vegetación.  El segundo es el siguiente: cuando sube el CO2, la vegetación se vuelve más densa; esto disminuye el albedo de los continentes; esto aumenta la temperatura de los continentes; el aumento térmico aumenta la densidad de vegetación que cubre las regiones frías, lo cual disminuye aún más el albedo. Como discute Bender (2003) ambas retroalimentaciones positivas tienen un efecto mayor que el del CO2 sobre la tasa biológica de sedimentación de carbonatos marinos, de modo que el efecto neto es que, cuando la concentración de CO2 aumenta en la atmósfera, la vegetación planetaria tiende a aumentar aún más esa concentración de CO2, un efecto desestabilizador y no estabilizador sobre el clima, al contrario de lo esperable según la hipótesis Gaia.

Barlow y Volk utilizan el término Gaia y no el de biosfera, no en el sentido fuerte que le da Lovelock, sino como forma de subrayar que esta biosfera es una entidad global que es probablemente más autónoma, más autorregulada y más persistente que sus ecosistemas constituyentes o los agregados de ecosistemas. Podemos llamar a esto el planteamiento débil de la hipótesis Gaia.

Estos autores sugieren que la naturaleza casi cerrada del sistema tierra para los flujos de materiales impuso una presión de selección a todas las especies desde el principio. Esta presión tendió a seleccionar las combinaciones de especies que tenían mayores capacidades de reciclar (conjuntamente) materiales esenciales.

Para ello se apoyan en Margulis y Sagan, quienes describen la secuencia de eventos en la evolución de los procariotas como habiendo sido provocada por una escasez tras otra. Las primeras formas de vida pueden haberse alimentado de productos químicos libremente disponibles y de ATP generado abióticamente. La evolución de la fermentación simple liberó a la vida de los límites impuestos por la cantidad de ATP generado abióticamente, porque los azúcares generados abióticamente podían ahora consumirse para generar ATP. A la escasez de azúcar le siguió la evolución de nuevas formas de fermentación por las cuales las bacterias podrían derivar energía de los desechos metabólicos (ácidos y alcoholes) de otros fermentadores. Otras bacterias desarrollaron estrategias metabólicas por las cuales el ATP era construido desde sulfatos. Luego se produjo la evolución de diferentes estrategias fotosintéticas que usaban la energía del sol para construir carbohidratos a partir del último producto de desecho, el dióxido de carbono, y alguna fuente de hidrógeno. La disponibilidad de gas hidrógeno y de sulfuro de hidrógeno de origen volcánico (y de los residuos metabólicos de bacterias del azufre) puso un límite a la cantidad de actividad fotosintética que podía inicialmente ser soportada. Pero cuando una bacteria mutante fue capaz de extraer el hidrógeno nada menos que rompiendo la estable molécula de agua, tuvo lugar un salto cuantitativo para la biomasa terrestre. Como lo expresaron Margulis y Sagan, la inexorable pérdida de hidrógeno que sufre un planeta interior de baja gravedad “condujo a una de las mayores innovaciones evolutivas de todos los tiempos: el uso del agua en la fotosíntesis. Pero también condujo a una tremenda crisis de contaminación, la acumulación de gas oxígeno, que era originalmente tóxico para la gran mayoría de los organismos”.

Entonces, aprovechando la nueva oportunidad – oxígeno libremente disponible – los organismos procariotas evolucionaron incorporando otra serie de estrategias metabólicas: respiración con oxígeno del hidrógeno fermentable para formar agua, de metano para formar dióxido de carbono, del sulfuro para formar sulfito, y del amoniaco para formar nitrato. Otro efecto que tuvo la rotura de la molécula de agua por los organismos fotosintetizadores y la presencia de oxígeno en la atmósfera fue la oxidación de la mayoría del hierro disuelto y ligado a las rocas de los océanos, lo que convirtió a este metal en un factor limitante del crecimiento de los organismos marinos.

Barlow y Volk citan también la evolución de las técnicas de captura de nitrógeno como otro ejemplo del papel que tuvo el cierre planetario a los materiales en la evolución de la vida. Los procesos abióticos originales fueron la oxidación del nitrógeno atmosférico por los rayos, que produjeron NO, NO2 y NO3, y la fotolisis del amoniaco que producía nitrógeno atmosférico. A estos procesos originales, la vida añadió sucesivamente el consumo de amoníaco, la amonificación o producción de NH3, la  asimilación de nitratos, la nitrificación (o producción de NO2 y NO3 a partir de NH3), y la fijación de nitrógeno (o producción de NH3 a partir de N2 atmosférico). La escasez de nitrógeno fácilmente disponible y la demanda biológica de fuentes adicionales parecen haber sido las fuerzas motrices en tales innovaciones evolutivas.

 Diversidad biológica y resiliencia

En ecología, la resiliencia se define como la capacidad de un ecosistema de mantener las mismas relaciones entre sus poblaciones después de sufrir perturbaciones externas; esto es, la magnitud de la perturbación que un ecosistema puede soportar antes de cambiar su estructura (Holling, 1973). Sin embargo, el concepto ha tomado un significado algo más amplio en estudios de sistemas socio-ecológicos. Por ejemplo, como subraya Castillo-Villanueva y Velázquez-Torres (2014), algunos autores plantean la resiliencia como la capacidad de un sistema de mantener sus funciones y estructuras básicas en momentos de choques y perturbaciones (Birkmann, 2006: 15-16). Otros señalan que “la resiliencia implica que el sistema, ya sea social, ecológico o socio-ecológico, puede movilizar la suficiente auto-organización para mantener las estructuras y los procesos esenciales mediante adaptación o estrategias de supervivencia. Otros definen la resiliencia como la capacidad de un sistema, comunidad o sociedad para anticiparse o adaptarse a los efectos de un evento peligroso, absorberlos o recuperarse de ellos, en forma oportuna y eficiente, garantizando la preservación, la restauración o la mejora de sus estructuras y funciones básicas y esenciales”. Esto es, se asume implícitamente que el sistema puede sufrir restructuraciones en sus componentes (e.g. especies) y en algunos de sus atractores emergentes, pero manteniendo las funciones principales (atractores emergentes principales).

Si definimos pues, qué retroalimentaciones y ciclos del hiperciclo de un sistema son los esenciales para garantizar sus funciones emergentes principales, todo sistema, ante una variable externa perturbadora, tiene un rango de resiliencia, un valor (con su incertidumbre asociada) para el cual la estructura esencial del sistema sufre un cambio irreversible, y un rango de vulnerabilidad, o rango de valores de la variable perturbadora para el cual el sistema no puede mantener su estructura anterior.

En ecología, hay bastante consenso en que la biosfera como un todo ha demostrado una enorme resiliencia ante cambios climáticos muy intensos (como se discute en Historia del clima terrestre); y que esta resiliencia está asociada a la gran diversidad de los ecosistemas terrestres. La diversidad biológica a su vez está relacionada con la abundancia de genes diferentes, de especies, y de hábitats.

selva macrotermica

Selva macrotérmica, con clima Af (sin época de sequía) en Barro Colorado (Panamá), que muestra la gran diversidad ecológica en este tipo de vegetación que tiene muchas especies con distintas épocas de floración. Los pájaros e insectos se encargan de la polinización, por lo que la diversidad existente es origen de su alimentación continua. Se puede ver la característica fundamental de la selva ecuatorial: miles de especies vegetales por unidad de superficie, pero pocos ejemplares de cada una, también por la misma unidad de superficie.

Stuart Kauffman ha estudiado cómo ha podido surgir y evolucionar esa gran biodiversidad utilizando modelos de sistemas complejos de agentes adaptativos. Consideremos el conjunto de todos los genes humanos, unos 80.000, cada uno de los cuales puede estar activo o inactivo, según sean activados o desactivados por la combinación de señales (traídas por proteínas) procedentes de otros genes con los que cada gen está conectado a distancia. El número de estados posible para una célula es de 280000, unos 1024000 estados. Si se tardara un segundo en activar o desactivar un gen, una célula tardaría 1024000 segundos en explorar todos sus posibles estados, esto es, unos 426 billones (1012) de años, necesitaría un tiempo muy superior al que lleva existiendo el universo (13.800 millones). Las células, sin embargo, no parecen explorar la totalidad de sus posibles estados de activación genética, sino más bien explorar ciclos concretos cerrados de activaciones que, tras varias horas, o días de tiempo, vuelven a un estado inicial.

Supongamos que una célula tiene solo tres genes, A, B y C, cada uno de los cuales puede estar activo (1) o inactivo (0). El conjunto de los 8 estados posibles sería: {(000),(001),(010),(011),(100),(101),(110),(111)}.  En un sistema dinámico determinista, dado un estado del sistema en el tiempo t, el sistema cambia a otro estado sucesor que es único, y función del estado precedente; si el sistema no es determinista, cambia a uno de los N estados sucesores posibles de acuerdo con cierta distribución de probabilidad.

Supongamos que nuestro sistema de genes celulares es determinista. La función de cambio de estado podría ser la definida por la tabla siguiente:

T                        T+1
(ABC)                  (ABC)
(000)     →           (110)
(001)    →           (010)
(010)     →           (010)
(011)     →           (100)
(100)     →           (011)
(101)      →          (110)
(110)     →           (111)
(111)     →           (110)

Con tales reglas de transición entre estados, el sistema genera tres bucles finales, ciclos de estados, o “atractores” de tipo ciclo-límite, tal como se muestra en el esquema siguiente:

(101)

(000) →(110) →(111) →(110)

(001) →(010) →(010)

(100) → (011) →(100)

El primer ciclo límite se produce entre los estados (110) y (111). El segundo ciclo se produce simplemente entre el estado (010) y él mismo, o sea, más que un ciclo límite se puede llamar un atractor estable. El tercer ciclo límite se produce entre (100) y (011). Estos ciclos finales pueden llamarse “atractores”, pues atraen hacia ellos el flujo de otros estados “transitorios”, como los estados ((101), (000), o (001). El conjunto de los estados que fluyen hacia un atractor más los estados que componen el propio atractor se llama “cuenca de atracción” del atractor. Las cuencas de atracción dividen el espacio de estados en conjuntos disjuntos.

Cuando el sistema tiene mucho más que tres genes y reglas de transición diferentes a esta, aparecen ciclos límites más largos, que relacionan cíclicamente a muchos genes a lo largo del tiempo. Kauffman y otros investigadores encontraron sistemáticamente tres formas de funcionamiento en estos sistemas de “genes” conectados: un régimen ordenado, un régimen caótico y un régimen fronterizo, o “frontera del caos”. En el régimen ordenado, la mayoría de los genes permanecen activados o desactivados la mayor parte del tiempo (generalmente dentro de un ciclo límite largo) y cambian su estado sólo de vez en cuando, y hay unos pocos grupos de genes que cambian de estado continuamente. En el régimen caótico, la situación se invierte: la mayoría de genes cambian de estado continuamente, mientras grupos aislados de genes permanecen estables o lentamente cambiantes. La frontera del caos es una situación intermedia entre los dos regímenes citados, y de transición entre los mismos.

En el régimen ordenado, las longitudes de los atractores crece de forma polinómica con el número de genes. En la frontera del caos, el número de estados de un ciclo es proporcional a la raíz cuadrada del número de genes. En el régimen caótico, la longitud de los ciclos crece exponencialmente con el número de genes.

Si, por ejemplo, la regla de transición cambia al azar en cada interacción, el resultado es un régimen caótico en el que la longitud típica de un ciclo de estados es de 212000 transiciones.

Dado que el ser humano tiene unos 80.000 genes, y la raíz de ese número es 283, si el genoma humano funcionara en un régimen ordenado pero cercano al caótico (o sea, en la vecindad o frontera del caos), debería tener ciclos de esa longitud. El número de clases de células humanas es d 256, por lo que Kauffman piensa que: (i) el sistema genético humano (con su citoplasma asociado) funciona en el régimen ordenado cercano al caos, (ii) los ciclos límite de activaciones del genoma humano corresponden a la construcción de todas las clases de células posibles para ese genoma; (iii) Además, el periodo de duración de un ciclo límite completo correspondería a los tiempos característicos de los ciclos biológicos: como lleva entre uno y diez minutos el activar o desactivar un gen eucariótico, el periodo de sus ciclos genéticos sería de entre 4.75 y 48 horas, un tiempo claramente en el margen de lo biológico.

Además, en el régimen ordenado pero fronterizo con el caos, el funcionamiento anómalo repentino de un gen se propaga perturbando solamente a un número de genes que es igual como máximo a dos veces la raíz cuadrada del número total de genes. En el régimen caótico, la avalancha afecta a casi la totalidad de los genes (el “efecto mariposa”, o sensibilidad exponencial a pequeñas diferencias iniciales, es la norma en los atractores caóticos). En la mosca Drossofila, que tiene unos 16.000 genes, la peor avalancha debería afectar a unos 254 genes; según Kauffman, la más grande observada hasta ahora afecta a unos 155 genes, luego el modelo resulta hasta el momento verosímil.

El mecanismo por el cual la evolución habría seleccionado a los organismos para que permanezcan en este régimen sería precisamente el que la diversidad genética hace más adaptable a una especie (al igual que hace más adaptable a un ecosistema). El régimen fronterizo con el caos es el que más eficazmente puede explorar las posibilidades genéticas posibles cercanas a las que están funcionando en un metabolismo celular dado; pero, lo hace sin que el metabolismo celular se vuelva super-crítico (caótico) y la célula empiece a tener un comportamiento molecularmente impredecible que sería incompatible con sus hiper-ciclos de auto-poiesis. Si alguna célula, alguna vez, ha traspasado esa frontera, con toda probabilidad se ha extinguido. Así que, según Kauffman, las especies y los ecosistemas tenderían a ser tan diversos como lo permite la dinámica de las relaciones entre agentes adaptativos en la frontera del caos.

complejo

La frontera del caos es un régimen de funcionamiento donde los comportamientos, y sus atractores, no son ni excesivamente predecibles ni absolutamente impredecibles, sino complejos.

Uno de los parámetros que la selección natural ha podido ir ajustando es el número K de entradas (señales de otros K genes) a las que cada gen es sensible. Kauffman, Derrida y Pomeau demostraron que si K=2 o inferior, las redes funcionan en el régimen ordenado, independientemente del contenido de las reglas de transición. Éstas pueden ser aleatorias, y aún así el funcionamiento es ordenado. Como dice Kauffman, “si tomamos 10.000 genes al azar y los combinamos también al azar con la única limitación de que tengan sólo K=2 entradas, aunque la función de transición asignada a cada gen sea aleatoria (de las 16 posibles), el sistema se las arregla para orbitar alrededor de sólo unos 100 estados de los 210000 posibles!”. Esta forma de autoorganizarse de los sistemas complejos de agentes, combinando cambios azarosos con atractores, sugiere que una parte importante del orden que observamos en los seres vivos procede de procesos autoorganizativos; y sobre ellos, actúa la selección natural perfilando los últimos detalles, por así decirlo.

Para valores de K mayores que 2, las redes funcionan en el régimen caótico, salvo si las funciones o reglas de transición poseen alguno de dos tipos de sesgo. El primer sesgo es que los genes tiendan a responder preferentemente con una clase de respuesta (i.e. activarse; o desactivarse) independientemente de la combinación de señales que reciba. Si la preferencia por una respuesta es del 80% de media, por ejemplo, los genes pueden tener 4 entradas y la red permanece en el régimen estable; si la preferencia es del 90%, pueden llegar a tener hasta 11 entradas, etc.

La segunda clase de sesgo (“reglas canalizadas”) es la de que la mayoría de los genes tienen alta sensibilidad (responden siempre) hacia las señales que reciben de algunos de los N genes, y baja sensibilidad (responden con poca frecuencia) hacia las señales que reciben de los demás genes. Kauffman encontró que los seres vivos utilizan esta segunda clase de sesgo sistemáticamente, para poder tener 4, 5 y 6 entradas por gen en algunos casos, y no utilizan la primera. Esto es, cada gen tiene “predilección” por lo que le señalan algunos genes concretos con los que está conectado, y reacciona más débilmente a los demás. Es plausible que la selección natural haya partido de redes autoorganizadas de genes con 2 conexiones por gen de media, y sobre ellas haya explorado el “entorno posible” de ese régimen añadiendo a la vez conexiones genéticas nuevas y reglas canalizadas (“preferencias” limitadas entre genes), manteniéndose así en el régimen fronterizo con el caos.

Este modelo ha sido utilizado por Kauffman también para simular de forma genérica el proceso de la co-evolución de dos especies. Considera una especie representada por un organismo típico con N genes, cada uno de ellos conectados a otros K genes. Todos los genes presentan dos versiones o “alelos” (0 y 1), y cada alelo de un gen hace una contribución distinta a la eficacia global del organismo; esa contribución depende de su propio alelo (0 o 1) y de los alelos (valores) de los K genes con los que está conectado. Habrá 2K+1 combinaciones de valores posibles, y cada una de ellas hace una contribución a la eficacia del organismo que Kauffman elige aleatoriamente (entro 0 o “mínima”, y 1 o “máxima”).

La eficacia del organismo en un instante dado es definida, por ejemplo, como la media de las aportaciones hechas por cada uno de sus genes. Cuando K=0 en un sistema de este tipo, los N genes son independientes, hay un alelo óptimo para cada gen, y por tanto una eficacia del organismo óptima. Cualquier otra combinación de alelos (o “genotipo”) tiene una eficacia inferior a la óptima, pero la selección natural puede ir aumentando su eficacia haciendo mutar sus genes uno por uno y seleccionando aquellas combinaciones que mejoran la eficacia. Cuando K=N-1, valor máximo posible, cada gen contribuye en la aportación a la eficacia de todos los demás; como esta aportación es aleatoria, el número de máximos locales para la eficacia es un número gigantesco: M = 2N/(N+1), y es prácticamente imposible encontrar el óptimo general por selección natural, el sistema siempre se quedará atrapado en algún pico local, y si tuviera algún mecanismo para saltar de vez en cuando de allí, aún así tardaría más tiempo que la edad del universo para encontrar el óptimo global entre esos M óptimos locales.

Kauffman estudia entonces la co-evolución de dos especies diferentes, una rana y una mosca por ejemplo. Cada uno de los N genes de la rana recibe entradas de K genes de la rana y de C genes de la mosca, y viceversa: una rana puede tener una lengua pegajosa, cuya eficacia se ve afectada por la presencia o ausencia de sustancias resbaladizas en el exoesqueleto de la mosca, por ejemplo. La selección natural que modifica el genoma de la rana hacia valores más altos modifica el relieve adaptativo de la mosca, cuya trayectoria ascendente por su propio relieve modifica a su vez el relieve adaptativo de la rana. Kauffman estudió sistemas co-evolutivos de 4, 8 y 16 especies y encontró que el ecosistema de 4 especies llega, tras algunas subidas y bajadas de las eficacias de todos los participantes, a un estado en el que las cuatro eficacias dejan de cambiar, un estado evolutivamente estable. Cada especie ha encontrado un óptimo local compatible con los óptimos locales propios encontrados por las otras especies. En ese estado, lo mejor que puede hacer cada especie es no cambiar mientras no lo hagan las demás. En cambio, en los ecosistemas de 8 o de 16 especies las eficacias suben y bajan siempre caóticamente a medida que las especies co-evolucionan. Sus propios óptimos adaptativos se desplazan más rápidamente de lo que ellas tardan en alcanzarlos, debido a las derivas genómicas de las demás especies. En las simulaciones de Kauffman, la K de cada especie puede ser modificada por selección natural si ello mejora la eficacia y, lo que se observa es que esa K tiende a aumentar en todas las especies pero que, cuando se hace demasiado alta, aumenta la frecuencia de grandes extinciones, por lo que los ecosistemas que sobreviven tienden a adoptar valores intermedios de K. Así pues en los ecosistemas, como en los organismos individuales, la evolución tiende a llevar al sistema a un régimen cercano a la frontera del caos, pero sin traspasar esa frontera (Kauffman, 1995; 2003).

red trofica

Representación de las relaciones tróficas (o alimentarias, o de depredación) entre las especies de una comunidad biológica

El tamaño de los ecosistemas de especies en interacción también parece estar controlado espontáneamente por pautas autoorganizativas emergentes. Kauffman cita los trabajos de Stuart Pimm y Mack Post sobre comunidades arbitrarias de organismos autótrofos y heterótrofos. Las interacciones de tipo depredador-presa entre estos organismos se suelen representar mediante ecuaciones de Lotka-Volterra. Esencialmente, un organismo o bien es comido por otro(s), o bien come a otro(s) o ambas cosas a la vez, y las ecuaciones de Lotka-Volterra predicen el tamaño de la población de cada organismo en función del tiempo, cuando interacciona de ese modo con las otras poblaciones. Si solo hubiera una población de presas A y una población de depredadores B, las ecuaciones para las tasas de variación temporal de las poblaciones A y B serían:

dA/dt  = p1 A – p2 AA – p3 AB
dB/dt  = -p4 B + p5 AB

donde p1, p4 son parámetros que representan la tasa de crecimiento de ambas poblaciones en ausencia de depredación, p3, p5 son las tasas de crecimiento de ambas poblaciones debidas a los encuentros con la otra especie, y p2 es una tasa de frenado del crecimiento de la especie presa cuando su número se hace excesivo (impuesto por la capacidad de sustentación finita de los vegetales que come, o por la degradación del entorno que provoca la superpoblación, o por ambos factores).

Pimm y Post representaron en un modelo N especies cuyos parámetros p de interacción con otras eran tomados al azar. Entre los resultados posibles, estaba que todas las poblaciones se vinieran a cero (extinción de todas las especies), que sólo algunas poblaciones alcanzaran tamaños estables, que algunas de ellas oscilaran periódicamente y otras permanecieran estables, que todas subieran y bajaran caóticamente, etc. En contra de lo que esperaban, todas las poblaciones llegaron a un estado estacionario estable. Pimm y Post continuaron agregando especies al azar y observaron que, cuanto más especies había más difícil era añadir una nueva y que no se extinguiera (o extinguiera a otra al entrar ella en la relación). Sin embargo, la causa no era una falta de alimento o energía.

Según Bruce Sawhill y Tim Keitt, la situación que estamos considerando es equivalente a un problema lógico que se denomina Ksat. Tomemos una expresión lógica booleana. Toda expresión booleana puede ser traducida a su forma normal disyuntiva, esto es, cláusulas unidas por disyunciones (“y”), por ejemplo: (A1 o A2) y (A3 o no A4) y (no A2 o no A3). Las expresiones entre paréntesis se llaman “cláusulas”, en nuestro ejemplo tenemos tres cláusulas para cuatro variables (las “A”). La expresión lógica será cierta sólo si lo son todas las cláusulas. La primera cláusula será cierta sólo si A1 o A2 o ambas son ciertas; la segunda cláusula será cierta sólo si A3 es cierta o A4 es falso; la tercera será cierta sólo si A2 es falso o A3 es faso, o ambos lo son. Por todo ello, la expresión completa será verdadera, por ejemplo, cuando A1 = verdadero (o falso), A2 = verdadero, A3 = falso, A4 = falso. En cambio, hay expresiones para las cuales no hay ninguna combinación de valores para las variables que la hagan cierta. Por ejemplo, la expresión: (A2) y (no A2), que nunca es cierta, pues una cláusula contradice a la otra. En general, una expresión en su forma normal disyuntiva que contenga K variables en cada cláusula, un total de C cláusulas, y un total de V variables, puede ser satisfecha por muchas combinaciones distintas de valores de las variables; por sólo unas pocas combinaciones; o por ninguna combinación de valores. Lo curioso es que estos dos investigadores encontraron que para un número fijo V de variables y un número fijo K de variables en cada cláusula, si vamos aumentando el número de cláusulas C en una expresión arbitraria, al principio, hay muchas combinaciones que la satisfacen, y cerca del valor C/V = ln 2 · 2K el número de combinaciones cae exponencialmente a cero. Para ese valor crítico de C/V, la expresión (arbitraria) pasa de satisfacerse con casi total seguridad a no satisfacerse de ninguna manera.

Según estos autores, la formación de una comunidad trófica de criaturas elegidas al azar, con necesidades alimentarias y de interacción también aleatorias, es equivalente a un problema Ksat, puesto que encontraron la misma “transición crítica” en sistemas aleatorios de Lotka-Volterra que en el problema Ksat. La conclusión sería que, a medida que las comunidades tróficas aumentan en número de especies llega un momento en el que se cierran a cualquier intento de entrada de nuevas especies. Pero a largo plazo, si todas las especies de la red van aumentando en media el número de especies con las que interactúan (aumenta el número de especies “generalistas”), la red puede hacerse accesible de nuevo a especies adicionales.

Referencias

Barlow C. & Volk T. (1990). Open systems living in a closed biosphere: a new paradox for the Gaia debate. BioSysrems, 23, 371—384.

Bender M. 2003. Climate-biosphere interactions on glacial-interglacial timescales. Global Biogeochemical Cycles, Vol. 17, No. 3, 1082, doi:10.1029/2002GB001932

Bertalartffy, L.V., 1952, Problems of Life: An Evaluation of Modem Biological Thought, (John Wiley, New York).

Birkmann, Jörn, 2006: “Measuring vulnerability to promote disaster-resilience societes: conceptual frameworks and definitions”, en Birkmann, Jörn. (Ed.): Measuring Vulnerability to Natural Hazards: towards disaster resilient societies, New Delhi, India: Teri Press.

Castillo-Villanueva L., Velázquez-Torres D. 2015. Sistemas complejos adaptativos, sistemas socio-ecológicos y resiliencia. Quivera, vol. 17, núm. 2, 2015

Hejl, P. M. (1984) Towards a Theory of Social Systems: Self-Organization and Self-Maintenance, Self-Reference and Syn-Reference, in Self-Organization and Management of Social Systems, H. Ulrich and G. J. B. Probst (eds.), Springer, Berlin.

Holling C. S. (1973). Resilience and Stability of Ecological Systems. Annual Review of Ecology and Systematics, Vol. 4, pp. 1-23.

Kauffman, S. (1995), At Home in the Universe, The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford University Press, New York.

Kauffman, S. (2003), Investigaciones, Barcelona,Tusquets.

Kirchner J. W. 2003. The Gaia Hypothesis: Conjectures And Refutations. Climatic Change 58: 21–45

Lovelock, J.E. and Margulis, L., 1974, Atmospheric homeostasis by and for the biosphere: the Gala hypothesis. Tellus 26, 1–9.

Lovelock, J.E. and Watson, A.J., 1982, The regulation of carbon dioxide and climate: Gaia or geochemistry, Planet. Space Sci. 30, 795–802.

Maturana, Humberto R. (1975). The organization of the living: A theory of the living organization, International Journal of Man-Machine Studies, Vol. 7, pp. 313-332.

Mingers J. 1997. Systems Typologies in the Light of Autopoiesis: A Reconceptualization of Boulding’s Hierarchy, and a Typology of Self-Referential Systems. SYST. RES. BEHAV. SCI. VOL. 14, 303-313.

O’Neill, R.V.: Perspectives in Hierarchy and Scale. In: J. Roughgarden, R.M. May and S. Levin (eds.): Perspectives in Ecological Theory. Princeton University Press, Princeton, 1989, pp. 140–156.

Rosen R. 1993. Drawing the boundary between subject and object: comments on the mind-brain problem. Theoretical Medicine 14.

Varela, Francisco J. (1979). Principles of Biological Autonomy, New York: Elsevier (North Holland).

Zhong Y.J., Huang K.K., Lan Y.F., Chen A.Q. 2018. Simulationof Carbon Isotope Excursion Events at the Permian-Triassic Boundary Based on GEOCARB. Open Geosci. 10: 441–451.

 

 

Historia del clima terrestre

 

Se cree que el sistema solar se formó hace unos 4600 millones de años, por colapso gravitacional de una nebulosa de hidrógeno, helio y polvo residual de la explosión de antiguas estrellas. La presencia de átomos radioactivos en la Tierra sugiere que el colapso gravitacional debió haber sido provocado por la explosión de una supernova cercana, probablemente a una distancia de 0.02-1.6 parsecs (1 parsec equivale a unos 3.3 años luz) y con una masa de 15-25 masas solares (Portegies-Zwart 2009). Tales estrellas masivas viven de 4 a 10 millones de años y luego estallan como supernovas, esparciendo gran parte de su masa por sus alrededores. La nebulosa originaria debió de tener unas 500-3000 masas solares y un radio de 1-3 parsecs, y una o varias partes de ella debieron sufrir una compresión súbita provocada por la onda de choque de los materiales procedentes de la supernova. Esas regiones de sobredensidad alcanzaron la densidad crítica por encima de la cual la gravitación vence a la velocidad de expansión del gas comprimido, y éste entonces continuó cayendo hacia el centro. En este colapso gravitacional el gas debía de tener cierta velocidad lateral inicial que se fué acelerando por conservación del momento angular, en una rotación cada vez más rápida. La nebulosa fue adoptando la forma de un disco de gas de unos 200 UA (una Unidad Astronómica o UA  es aproximadamente la distancia media entre la Tierra y el Sol) con un centro esférico rojo y caliente. Tras unos 50 millones de años de compresión, el centro esférico alcanzó unos 10 millones de grados, y comenzó la fusión termonuclear del hidrógeno para producir helio. Con el Sol empezando a radiar, el gas de la nebulosa fué empujado hacia el exterior del sistema solar, mientras que el polvo en rotación tendía a agregarse gravitacionalmente en “grumos” de 1-10 km de diámetro, que a su vez se atraían mutuamente formando planetesimales en rotación alrededor del Sol, que crecían unos 15 cm cada año por choques con materiales externos. La teoría de los planetesimales fue propuesta por el geofísico ruso Otto Schmidt en 1944.

clear_disk_loop

Formación del sistema solar. GIF creado por Lynette Cook a partir de información extraída de los metadatos de fotos del IPTC

La región cercana al Sol era demasiado cálida para que los planetesimales pudieran retener materiales líquidos como el agua o el metano, pero los planetesimales que orbitaban más lejos estaban a temperaturas más bajas, y sobre su superficie sólida pudieron retener océanos de metano, de agua e incluso de hidrógeno líquido (actualmente Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Esta teoría de la nebulosa planetaria tiene sin embargo puntos oscuros. Los modelos predicen que Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno no deberían tener tanta masa, salvo que en su formación hubiesen estado mucho más cerca del Sol de lo que están ahora.

Integrando hacia atrás la velocidad actual del Sol alrededor de la galaxia, se deduce que el sol ha debido dar unas 7 vueltas alredor del centro de la Vía Láctea desde que se formó, y actualmente se encuentra en posición casi opuesta a donde se formó, detrás del núcleo galáctico. Entre el 1 y el 8% de las estrellas que están actualmente a menos de 100 pc de distancia del Sol deberían ser hermanas de nacimiento de la nebulosa que originó al sistema solar y a otras estrellas. El resto ha debido alejarse mientras giraban alrededor de la galaxia.  Portegies Zwart (2009) opina que el satélite Gaia debería ser capaz de identificar a las hermanas del Sol a partir del análisis de sus características orbitales y de su espectro luminoso.

Poco después de la formación de la Tierra, se formó la Luna, posiblemente como resultado de una fuerte colisión oblicua con un cuerpo del tamaño de Marte, de un 10 % de la masa terrestre. Parte de este objeto se incrustó en la Tierra y parte fue eyectada hacia el espacio. Una parte de ese material eyectado volvió a reunirse gravitatoriamente  y originó el satélite que orbita la Tierra.

colision lunar

La mayoría de los cráteres de la Luna parecen tener una antiguedad de unos  4500 millones de años. Posteriormente, el número de colisiones parece haber disminuido drásticamente. Estas observaciones han reforzado la hipótesis de Schmidt de la acreción colisional o formación de los planetas a partir de planetesimales. Debido a la mayor radioactividad y a las frecuentes colisiones, la Tierra debió estar fundida al principio (hace 4500 millones de años). La disminución del número de objetos “sueltos” por el sistema solar hizo disminuir el número de colisiones, lo cual permitió el enfriamiento de la Tierra y la solidificación de su corteza, aunque ésta debió sufrir una enorme actividad volcánica.

Según el geofísico Claude J. Allègre hace 4.440-4.410 millones de años el impacto de los planetesimales y los meteoritos había provocado la fusión del hierro terrestre y su descenso al interior hasta formar un proto-núcleo en el centro. Al mismo tiempo los elementos gaseosos, más ligeros, fueron moviéndose hacia arriba y terminaron formando una atmósfera primigenia. El análisis cronológico de algunos isótopos de helio, argón y xenón pertenecientes a minerales del manto terrestre emitidos en las dorsales marinas sugiere que entre el 80 y el 85 por ciento de los gases que componen la atmósfera actual se expulsaron durante el primer millón de años que siguieron a la formación del núcleo terrestre. La atmósfera primigenia (aún sin oxígeno) se originó, pues, alrededor del 4400 millones BP (BP: Before Present, antes del presente), y estaba constituida aparentemente por dióxido de carbono y nitrógeno, y en menor cantidad por metano, amoníaco, dióxido de azufre y ácido clorhídrico.

Esa desgasificación primitiva del interior terrestre liberó también enormes cantidades de vapor de agua, que se condensó en la superficie terrestre constituyendo los océanos, aunque una parte del agua ha debido proceder del hielo de los cometas y meteoritos colisionantes. La presencia de cristales de yeso y bacterias fijadoras de nitrógeno encontradas en las rocas más arcaicas sugieren que las temperaturas de la superficie terrestre y de sus océanos debían de estar entonces entre los 30 y los 60º C.

La estratificación de los magmas de distinta densidad a distintas profundidades permitió que aparecieran magmas, enriquecidos paulatinamente en ciertos elementos (sílice, aluminio, sodio, potasio, etc.), cuya cristalización originó las primeras rocas graníticas.

Los primeros fragmentos estables de corteza terrestre debieron situarse sobre zonas de ascenso de magma. Allí, la acumulación de rocas graníticas fue haciendo crecer una  corteza terrestre primigenia. Los magmas graníticos contenían en su composición una serie de elementos químicos en pequeñas concentraciones, entre ellos el circonio. Las rocas ricas en circonio son especialmente resistentes a la erosión, y permanecen estables durante miles de millones de años. El descubrimiento de rocas con circonio (“circones”) de 4.100 -4.300 millones de años en Australia permite pensar que la corteza primigenia debió formarse en esas fechas.

La era precámbrica (desde la formación de la Tierra hasta 542 Ma BP) suele dividirse en tres periodos: hádico, arcaico y proterozoico. Debido a las altas temperaturas y frecuentes colisiones (sobre todo en su inicio), la era entre 4.6 y 4 Ga ha recibido el nombre de Hádico (en referencia al infierno de la mitología griega, Hades).

Al hádico siguió el eón Arcaico (4000-2500 millones de años BP). En esa época la corteza terrestre se debió enfriar lo suficiente para que se comenzaran a formar las rocas y las placas continentales, pero la tectónica de la Tierra era probablemente distinta a la actual. Hay rocas muy metamorfoseadas y otras que sugieren la posible formación de proto-continentes que se fusionaron poco después. Algunos geólogos sostienen que el calor que acumulaba el planeta causó que la actividad tectónica fuera más intensa que en la actualidad, lo que dio como resultado un reciclado más activo de los materiales de la corteza, lo que habría evitado la formación de cratones (bloques rígidos) continentes hasta que el manto terrestre se enfrió y se ralentizó su convección. Otros argumentan que el manto litosférico subcontinental era demasiado ligero para sufrir una subducción y la escasez de rocas del eón Arcaico es una consecuencia de la erosión y de los acontecimientos tectónicos derivados.

hadico

Posible paisaje del periodo hádico

El registro geológico del Proterozoico (2500-542 millones BP) presenta ya numerosos estratos depositados en extensos mares de poca profundidad aparentemente situados sobre plataformas continentales. Muchas de las rocas están menos metamorfoseadas que las de la era Arcaica. Parece haber tenido lugar un rápido crecimiento continental, “ciclos supercontinentales” de unos 500 millones de años en que todas las masas de corteza se unían para luego separarse, y una actividad orogénica similar a la actual.​ Hace unos 750 millones de años comenzó a desgajarse el supercontinente más antiguo que se conoce, Rodinia. Después se recombinaron los continentes para formar Pannotia, hace entre 600 – 540 millones de años.

La tectónica de placas

En 1915, el meteorólogo alemán Alfred Wegener publicó El origen de los océanos y continentes, un libro en el que afirmaba que el saliente de Brasil y la depresión de la parte sudoeste de África encajan perfectamente, como piezas de un puzzle. Además, decía, los únicos lugares del mundo donde se habían encontrado fósiles (de 270 millones de años) del mesosaurio eran el este de Sudamérica y el oeste de África. Ello sugería que los dos continentes habían estado unidos en el pasado y después de habían separado.  Los continentes actuales formaban según Wegener un único supercontinente, al que denominó Pangea.

Deriva Wegener

Figura. La deriva de los continentes según Wegener.

Wegener no sabía qué fuerzas podían haber movido esas enormes masas de roca, pero la existencia de fuerzas enormes en el interior terrestre no había pasado desapercibida. El propio Darwin, en su diario a bordo del Beagle sospecha la existencia de fuerzas extrañas bajo el suelo en un famoso comentario en la víspera del gran terremoto de 1835 que arrasó la isla de Chiloé (Chile):

Echamos anclas en la bahía de San Carlos, en la isla de Chiloé. Durante la noche del 19 se pone en erupción el volcán de Osorno (…) a las tres de la mañana observamos el más soberbio espectáculo (…) objetos negros proyectados al aire sin cesar y que caen después. La luz es tan intensa que ilumina el mar (…) Mucho me sorprendió saber más tarde que en Chile, el Aconcagua, situado 480 millas (772 km) más al norte, había entrado en erupción la misma noche, y más aún me admiró saber que la gran erupción del Conseguina (2.700 millas, 4.344 km al norte del Aconcagua) acompañada de temblor de tierra que se hizo sentir en 1.000 millas, había tenido lugar seis horas después (…) Difícil es aventurarse ni siquiera a conjeturar si esa coincidencia es accidental o si hay que ver en ella la prueba de una comunicación subterránea (…) Los tres volcanes forman parte de la misma cadena de montañas y las extensas llanuras que limitan la costa oriental y las conchas recientes, levantadas en una longitud de más de 2.000 millas (3.220 km) en la costa occidental, demuestran a igualdad con que han obrado las fuerzas elevadoras.

En 1929, el geólogo inglés Arthur Holmes sugirió que el flujo convectivo de la roca calentada del manto situado bajo la corteza podría proporcionar la fuerza motriz necesaria: el material rocoso que se encuentra en las profundidades del manto se calentaría, se volvería menos denso y subiría a la superficie, donde arrastraría a la corteza oceánica y a los continentes, hasta enfriarse y hundirse de nuevo.

El descubrimiento de la gran dorsal submarina del centro del Atlántico, 15.000 kilómetros entre Groenlandia y el sur de África, dió nuevo apoyo a esa teoría. Los alrededores del sistema dorsal estaban prácticamente libres de sedimentos, en contraste con la gruesa capa de sedimentos (de hasta varios kilómetros) que cubre las planicies de los márgenes continentales. Las muestras recogidas del fondo de la fisura central de esa doble cordillera revelaron que el fondo del océano estaba compuesto por roca volcánica oscura y sumamente joven.

Earth_seafloor_crust_age_1996

Edad del fondo oceánico. En rojo el más joven, junto a las dorsales, por ejemplo en la centroatlántica. En azul el más antiguo, por ejemplo, junto a las costas norteafricana y norteamericana. NOAA.

Posteriormente, se descubrió que la polaridad magnética de algunos minerales que habían cristalizado dentro d ese suelo joven, se alineaban con la orientación de los polos terrestres, y lo hacían idénticamente a un lado y otro de la dorsal. Todo parecía indicar que el magma brotaba por el valle central (el rift) de la dorsal, formaba la doble cordillera a un lado y otro, y arrastraba el fondo marino, que se desplazaba a ambos lados mientras el nuevo magma se solidificaba.

En las regiones oceánicas donde el fondo es más antiguo (en azul en la figura) se detectan, además, grandes fosas submarinas y en muchos casos (Perú-Chile o Pacífico frente a Norteamérica), grandes cordilleras paralelas a la costa, como si la corteza del fondo oceánico presionara contra el continente y se curvara (hasta los 60º frente a Chile), deslizandose bajo el mismo. La tectónica de placas actual llama a esas regiones zonas de subducción. La alta sismicidad de esas regiones se explicaría por la presión del fondo oceánico contra el continente (que pliega los estratos creando cordilleras costeras) a la que vez que desliza bajo y él y funde las rocas en toda la superficie de contacto. Esa roca fundida emerge hacia la superficie por las grietas producidas por la sismicidad, creando volcanes continentales frente a la costa. El propio movimiento de esas cintas transportadoras que van desde la dorsal centrooceánica hasta las costas, es el que arrastra los sedimentos del fondo y los acumula contra la costa.

Tectonica de Placa

El fragmento relativamente rígido de litosfera situado entre una dorsal centrooceánica y una subducción (y que desliza sobre la astenosfera o capa plástica que está debajo) se denomina placa tectónica. Como muestra la figura anterior, la expansión del suelo atlántico parece estar empujando al continente americano (a la izquierda de la figura) hacia occidente, mientras que la expansión del suelo pacífico en dirección contraria, algo más lenta, empuja al continente americano hacia oriente a la vez que subduce bajo el mismo. El efecto neto de ambas fuerzas es que el continente tiende a moverse actualmente hacia occidente, abriendo aún más el Atlántico a costa del Pacífico. El balance actual de fuerzas y movimientos de los fondos marinos tiende a mover a los continentes tal como muestra la figura siguiente. Obsérvese el probable cierre completo del antiguo Mar de Thetis (hoy Mediterráneo), el choque de Australia con Asia, y la apertura del Ártico a la entrada de corrientes cálidas del Atlántico, en los próximos 50 millones de años.

Movimiento continentes

La ciencia geológica actual piensa que la Tierra tiene un núcleo interno sólido donde se han acumulado por gravedad los materiales más densos, con alto contenido en hierro, níquel y átomos radiactivos. La desintegración de esos átomos mantiene muy caliente al núcleo y funde a los materiales, más ligeros, que lo rodean, que forman un núcleo externo de hierro y níquel líquidos (entre los 2.885 y los 5.155 km de profundidad) donde se producen corrientes de convección. Estas corrientes de metales conductores se combinan con el movimiento de rotación de la Tierra para crear una dinamo que mantiene el campo magnético terrestre.

Nucleo terrestre

Desde los años 30 del siglo XX se ha pensado que existirían posibles corrientes de convección entre ese núcleo externo hasta la corteza terrestre, sólida. Sin embargo, encima de ese núcleo externo y hasta la base de la corteza terrestre la capa existente no parece ser líquida, sino plástica, según la tomografía sísmica, y no son posibles corrientes de convección en un material plástico.

¿Qué causa entonces el movimiento del suelo marino y el cambio de forma de las placas tectónicas de la corteza terrestre? En los últimos años, ha aparecido una teoría que afirma que la parte de la placa que ha subducido sigue bajando hasta el manto profundo, tirando con su peso del resto de la placa (emergida). En contacto con el núcleo exterior, esta placa sumergida se funde y crea penachos de material fundido que ascienden en otro lugar geográfico, hasta encontrarse con la litosfera, que se calienta en su base, apareciendo allí “puntos calientes”. Estos puntos pueden generar volcanes. Las dorsales centrooceánicas, en esta teoría, se formarían al fracturarse la litosfera por el tirón de la placa sumergida, no serían los impulsores del movimiento. La teoría es verosímil salvo en que la gravedad, en un sistema estratificado, nunca puede causar un movimiento vertical persistente a largo plazo; la elevación de magma caliente hacia las dorsales centrooceánicas, o bien hacia los puntos calientes, o hacia ambos, deberían seguir siendo, más probablemente, el motor energético del movimiento tectónico.

Estructura capas terrestres

Sea como fuere, las zonas volcánicas cercanas a las subducciones y en las dorsales centrooceánicas son fuentes activas de CO2, que van directamente e indirectamente a la atmósfera, respectivamente. En Venus, este gas se ha ido acumulando en la atmósfera hasta hacer de este planeta un auténtico infierno para cualquier forma de vida. Esto se debe al efecto invernadero que provoca el CO2.

El efecto invernadero y su regulación en la Tierra

El efecto invernadero es un sobrecalentamiento de la superficie terrestre producido por la presencia de gases que interceptan la radiación infrarroja emitida por la superficie de nuestro planeta en su camino hacia el espacio, y la reemite en todas direcciones, con lo cual una parte de esa radiación infrarroja vuelve a la superficie. Los gases absorben luz sólo a las frecuencias específicas que necesitan para pasar de un estado de vibración (o rotación) menos energético a otro estado más energético.

El vapor de agua es el principal gas invernadero de nuestra atmósfera, pues la rotación y vibración de su molécula intercepta la mayor parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie (Figura). Pero el CO2 produce efecto invernadero también porque varios modos de vibración de su molécula necesitan absorber ondas infrarrojas de frecuencias de 1.8, 4.5 y 12 micrometros, y esas frecuencias coinciden con ventanas que la rotación y vibración de la molécula de agua deja abiertas, esto es, el vapor de agua no intercepta esas frecuencias infrarrojas.

Efecto Invernadero Moleculas

Como la atmósfera está bastante saturada de vapor de agua, sus aumentos de concentración aumentan el calentamiento de la superficie, pero no tanto como lo que correspondería al aumento de concentración, debido a que las ventanas de absorción que le corresponden están ya casi saturadas (casi toda la radiación procedente de la superficie ha sido interceptada ya, y el que haya aún más vapor cambia poco el panorama). Este no es el caso del CO2, que al estar en concentraciones relativamente bajas en la atmósfera, una duplicación de su concentración induce casi una duplicación de su efecto invernadero.

En cualquier caso, cuando el CO2 aumenta su concentración, provoca una subida de la temperatura media de la superficie. Esa subida térmica aumenta un poco más la evaporación del agua de los océanos y suelos, y el aumento consiguiente de vapor de agua atmosférico aumenta en una cantidad adicional el efecto que le correspondería al CO2 en solitario. Cuando los climatólogos habla del aumento del “efecto invernadero” causado por un aumento de CO2 antropogénico se están refiriendo al efecto combinado (directo e indirecto, a través de la evaporación) de ese aumento de CO2.

La comparación de nuestra atmósfera con la de los dos planetas vecinos nos permite comprobar el efecto que tienen distintas coberturas gaseosas sobre la temperatura de la superficie de un planeta.

venus-4

Foto de Venus

En Venus la Constant solar (potencia luminosa que entra por m2 en la alta atmosfera) es de 2637 Wm-2 , y su albedo (fracción que vuelve reflejada hacia el espacio) es de 0.77, debido a su cobertura de nubes de ácido sulfúrico. Esto hace que lleguen realmente 606,5 Wm-2 al suelo. Su densa atmosfera tiene un 96% de CO2 y crea una presión de 89 atm en la superfície. La temperatura en su alta atmosfera es de Te= 227 K (-46ºC), y en superficie Ts= 737 K (464ºC); la diferencia de temperatures es provocada por el efecto invernadero, que se puede ver que es enorme.

Marte, en cambio, tiene una atmosfera muy tenue, de solo  0.007 atm, compuesta de  CO2 al 95%.

Marte-0

Foto de Marte

Su constante solar es de 592 Wm-2  con un albedo de 0.14, por lo que llega al suelo 509,12 Wm-2. Las temperatures sobre y bajo la atmosfera son: Te= 218 K, (-55ºC) y Ts= 220 K (-53ºC), por lo que podemos comprobar que tiene un efecto invernadero muy débil. Una vida como la terrestre probablemente no habría sido capaz de sobrevivir y evolucionar con una temperatura superficial tan baja y tan poca agua.

Tierra-0

La Tierra, en cambio, tiene una constante solar de 1367 Wm-2 y un albedo de 0.30, por lo que llega a la superfície 956,9 Wm-2. Con abundancia de agua y un 0.03% de CO2, su atmosfera tiene un efecto invernadero moderadamente intenso: Te= 255 K (-18ºC), Ts= 288 K (15ºC). Sin atmósfera, la superficie terrestre estaría unos 33 grados más fría, en promedio; y sufriría oscilaciones térmicas fortísimas entre el día y la noche.

La Tierra pasa por eras geológicas de alta actividad tectónica (y por tanto, volcánica) y por periodos de baja actividad. Las épocas de alta actividad tectónica son también épocas de alta emisión de CO2 a la atmósfera, dorsales oceánicas más voluminosas, en consecuencia el océano está más alto, y hay también una deriva más rápida de los continentes.

vulcanismo

Esas épocas suelen coincidir con fuertes aumentos del CO2 atmosférico, como muestra la primera Figura del apartado siguiente. Sin embargo, esa figura muestra también que, a lo largo de la historia de la Tierra, el CO2 no se ha ido acumulando como ha ocurrido en Venus, sino que siempre ha estado en concentraciones moderadas, entre las de las épocas glaciales (33% inferiores a la actual) y las del Ordovícico (unas 17 veces superior a la actual).

¿Qué mecanismo planetario mantiene la concentración de CO2 acotada en esos márgenes? La hipótesis que formuló Lovelock con su hipótesis Gaia fue que la propia biosfera es la que mantiene a ese gas (y a otros) dentro de márgenes tolerables para la vida. Sin embargo, la explicación más aceptada es que el mecanismo principal de esa regulación es la meteorización química de los silicatos del suelo por acción del ácido carbónico, esquematizada en la Figura siguiente.

Meteorizacion escala geologica

Esencialmente, una parte del CO2 presente en la atmósfera se disuelve en las gotas de lluvia; allí, una parte del CO2 disuelto pasa a ácido carbónico disuelto, H2CO3, y éste, cuando las gotas de lluvia tocan las rocas del suelo, reaccionan con los silicatos presentes en éstas y los convierte en carbonatos y bicarbonatos. Las raíces de la vegetación disgregan las rocas silíceas y amplifican la formación de ácido carbónico (con ayuda de sus bacterias asociadas), por lo que ayudan a la meteorización. La reacción agregada sería:

CaSiO3  +   H2O  +  CO2             →        CaCO3  +  SiO2  +  H2O

Roca           Lluvia    Vulcanismo                    Carbonato

Llevados por los ríos hasta el mar, los carbonatos fluviales van sedimentando por el camino, y los bicarbonatos disueltos precipitan en forma de carbonatos sólidos, por acción de los organismos marinos, que crean estructuras óseas y conchas a partir de ellos. Así, la meteorización retira CO2 de la atmósfera y lo deposita, en forma sólida estable, en los fondos marinos. De allí, en plazos muy largos de unos millones de años, estos carbonatos son arrastrados por el movimiento del fondo oceánico hacia las subducciones, y tras fundirse bajo los continentes, regresan a la atmósfera mediante el vulcanismo. El flujo de carbonatos de origen abiótico es unas cuatro veces mayor que el flujo biótico desde el bicarbonato disuelto hacia los fondos marinos (Figura próxima). Esto sugeriría que la meteorización era un mecanismo previo a la aparición de la biosfera, pero que ésta ha acabado contribuyendo con una aportación importante (y reforzante) a una parte de su ciclo; sin embargo, ese efecto reforzante del termostato geológico de una parte de la biota marina es arruinado por la dinámica de la biota terrestre que, como comentaremos en otro post, actúa aumentando la emisión de CO2 cuando el CO2 está alto en la atmósfera, y viceversa.

Zhong-2018-Ciclo C geologico

Ciclo geológico del carbono. Tomado de Zhong et al. (2018).

Hay además una retroalimentación negativa múltiple entre la subida de concentración de CO2 en la atmósfera y la retirada de CO2 de la atmósfera por efecto de la meteorización. Por una parte, la reacción de meteorización aumenta su tasa de actividad cuando la concentración de CO2 (y con ello, la temperatura) es más alta; por otro, en las épocas de mucho CO2 en atmósfera hay más flujo de este gas hacia las gotas de lluvia y mayor formación de ácido carbónico reactante; finalmente, si la temperatura global es más alta, hay mayor tasa de evaporación y por tanto de precipitación, con lo que aumenta la cantidad de ácido carbónico que llega al suelo y lo ataca químicamente.

La retroacción entre temperatura y meteorización controla la concentración atmosférica de CO2 (y con ello la temperatura media de la superficie) no sólo por arriba sino también por abajo, tal como ilustra la figura siguiente, por lo cual constituye un eficaz “termostato” climático en la Tierra.

Feed back meteorizacion

Este mecanismo de regulación parece haber salvado el clima del planeta en varios momentos críticos, y haberlo mantenido apto para la evolución de la vida.

El clima del Precámbrico

Hace 4000 millones de años el sol era una estrella recien nacida, más fría y que brillaba probablemente un 30% menos intensamente que en el presente. Esto debió haber impedido la existencia de agua líquida en superficie, en contra de algunas evidencias geológicas. Esta paradoja fue planteada por Carl Sagan y G. Mullen en los años 70. No hay datos geológicos creíbles del nivel de CO2 en la atmósfera para ese periodo tan arcaico, pero la explicación más creíble es que en esa época la concentración de CO2 en atmósfera debió ser mayor (por el mayor flujo de calor desde el interior terrestre y la mayor actividad tectónica); y la relativamente baja temperatura debió provocar una baja meteorización de ese CO2.

CO2 geologico.png

Otros momentos críticos debieron producirse en el precámbrico tardío (1000 a 560 millones de años BP). En ese periodo hay evidencia de al menos dos (y posiblemente más) glaciaciones anormalmente grandes. La primera (“Sturtian”; ~730 millones BP) pudo haber provocado una auténtica “Tierra bola de hielo” pero han quedado poquísimos datos geológicos como para poder afirmarlo con seguridad. La más reciente (~650 a ~560 millones BP), parece haber provocado efectivamente una “Tierra bola de hielo” con evidencias claras de hielo marino llegando al ecuador.

Clima Escala Geologica

Entre los sedimentos geológicos correspondientes a esta época, se encuentran en efecto sedimentos  que se depositan sólo en glaciares o icebergs; sin embargo, estos sedimentos se observan incluso en regiones que se encontraban entonces en el ecuador.

Otra evidencia son las rocas con bandas de hierro. Tales rocas dejaron de formarse en 1800 Ma BP, porque el alto oxígeno disuelto (que alcanzó probablemente el océano tras la fotosíntesis) lo impidió. Sin embargo, en -700 Ma BP vuelven a formarse, asociados a depósitos glaciares en todos sitios. Como si el océano hubiera permanecido anóxico millones de años, luego se hubiera oxigenado con la fotosíntesis y de repente, se hubiera vuelto anóxico de nuevo.

roca bandas hierro.jpg

Roca con bandas de hierro

¿Cómo pudo enfriarse tanto el planeta pese al termostato de la meteorización? Una explicación plausible es que, en aquella época, los continentes pudieron estar todos entre los dos trópicos. Los dos polos relativamente aislados de corrientes oceánicas tropicales provocan, según los modelos climáticos globales, una alta retroacción positiva del albedo polar sobre el enfriamiento (el casquete de hielo que crece en los polos vuelve más reflectiva la superficie, lo cual disminuye más la temperatura, lo cual aumenta la extensión del casquete de hielo). Los casquetes polares debieron crecer sobre el mar y su crecimiento no inhibía directamente la formación de carbonatos (separando las rocas de la lluvia), porque estos seguían formándose en los continentes sin hielo.

Rodinia

Una vez los casquetes alcanzaron los 30º de latitud, los modelos dicen que el enlentecimiento de la meteorización por la bajada térmica fue incapaz de contrarrestar ya a la retroacción positiva del albedo sobre el enfriamiento. El hielo debió envolver la Tierra hasta el ecuador, mientras el océano se congelaba hasta una profundidad de 1000 m.

El planeta podría no haber salido nunca de ese estado, enormemente estable. Sin embargo, esta glaciación aberrante terminó misteriosamente sólo un poco antes de la “explosión cámbrica” de los seres pluricelulares. ¿Qué mecanismo “salvó” al planeta? La explicación más plausible es la de que los volcanes seguían emitiendo CO2. La bajísima evaporación, impedía que hubiera nubes de lluvia, por lo que sin gotas de lluvia, no se formaba ácido carbónico, ni había posibilidad de meteorización. Por tanto, el CO2 permanecía en la atmósfera. Tras unos 10 millones de años, los modelos nos dicen que el CO2 debería haber subido hasta 1000 veces su concentración atmosférica!

Ante un efecto invernadero tan intenso, las comarcas sin hielo alrededor de las fuentes geotérmicas y de los volcanes continentales sufrirían un calentamiento que fundiría todo los hielos de sus alrededores, según los modelos. Esto provocaría una bajada del albedo regional, aumentaría las temperaturas en tales regiones, abriendo más y más los huecos sin hielo, por la retroalimentación positiva y creciente de la bajada del albedo y el aumento de temperatura.

Cuando una fracción importante de la superficie se vio liberada del hielo, la acción reguladora de la meteorización se habría reiniciado, bajando el nivel de CO2 a sus valores normales. Así pues, una vez más, el termostato de la meteorización pudo haber “salvado” al planeta, volviéndolo favorable a la evolución de los organismos pluricelulares.

¿Dónde pudo sobrevivir la vida unicelular (bacteriana) del Precámbrico? Probablemente, en las fuentes geotérmicas continentales, alrededor de las chimeneas volcánicas oceánicas y, algunas células, en las grietas del hielo flotante. Las especies supervivientes de esa catástrofe, pudieron quizás ser especialmente adaptables como sugiere la explosión de formas vivas que se produjo a continuación tras el fin de esta glaciación extrema.

El Paleozoico (570 – 225 m.a.)

Este periodo comienza con la explosión de vida pluricelular que se observa en los estratos del Cámbrico. La evolución que permitió a las células simples (procariotas) fusionarse para generar células complejas (eucariotas) y a éstas asociarse en forma de colonias celulares para generar organismos pluricelulares de formas diversas es un tema en continua investigación (véanse algunas ideas claves en Resumen del libro “Deconstruyendo a Darwin- Los enigmas de la evolución a la luz de la nueva genética”, de Javier Sampedro).

Oceano cambrico

Representación de un posible Océano cámbrico

Inicialmente, la vida pluricelular fué exclusivamente marina, pero alrededor del 420 m.a. BP (Silúrico) se produce un punto crítico cuando la concentración de oxígeno en la atmósfera, que se venía acumulando gracias a la fotosíntesis, alcanzó el 10% del nivel actual. Por encima de este nivel, se piensa que la atmósfera generó una capa de ozono suficiente como para proteger a los organismos vivos de las radiaciones ultravioletas.

En esta época, las plantas empezaron a colonizar los continentes, seguidas por muchas especies de artrópodos (arácnidos e insectos entre ellos) que respiraban aire. Los vertebrados les siguieron 50 millones de años después, en el Devónico tardío.

Colonizacion de continentes.png

También en esta época, aparecen las plantas vasculares, con tallos rígidos y tejidos de lignina, que les permiten crecer en vertical por encima de otras plantas, buscando la luz solar.

Tiktaalik Roseae.png

Tiktaalik Roseae, un pez de 1.2-2.7 m, con aletas lobuladas, articulaciones en sus extremidades, costillas y cuello, y que parece haber tenido pulmones, pero conservaba aún estructuras branquiales y escamas. Puede haber sido uno de los primeros vertebrados que exploró el medio terrestre cercano al mar.

Tras un episodio glacial que se había producido en el Ordovícico-Silúrico (-450 Ma), las temperaturas se elevaron y mantuvieron cálidas durante el Devónico y casi todo el Carbonífero, hasta hace unos 300 millones de años. La figura siguiente muestra la situación y movimiento tectónico de los continentes del devónico.

Devonico tectonica

Se piensa que había una estrecha franja tropical ecuatorial, amplias zonas áridas subtropicales hasta 35° de latitud (provocadas por la gran extensión de los continentes, que se sobrecalientan y secan en su interior), y zonas templadas que llegaban hasta los polos, debido a la conexión abierta entre las corrientes oceánicas tropicales y los mares polares. El calor, la humedad costera y una atmósfera rica en CO2 facilitaron el desarrollo evolutivo y la colonización de los continentes por parte de la vegetación.

La aparición de la lignina, muy resistente a la degradación y a la oxidación, creó un nuevo material biológico que no podía ser descompuesto por otros seres vivos, dado que los hongos descomponedores aparecieron millones de años más tarde. Esto produjo que el material leñoso muerto quedara enterrado en grandes cantidades y preservado bajo otros sedimentos. Ello provocó a largo plazo un secuestro de CO2 de la atmósfera hacia los sedimentos, y una subida del oxígeno en la atmósfera, que alcanza máximos del 35% en el -300 Ma BP, al final del carbonífero.

Oxigeno en el carbonifero.png

Al principio de este periodo, las temperaturas medias eran cálidas, pero se fueron enfriando hacia el final, debido a la deriva del supercontinente Gondwana (parte sur del Pangea) hacia el polo sur, que hizo crecer una zona glaciada en el sur.

Los niveles de oxígeno tan altos permitieron a los invertebrados y artrópodos crecer hasta tamaños de uno y dos metros. El oxígeno se difunde en el exoesqueleto de los artrópodos hasta el interior. Un ciempiés llamado Arthropleura ostenta el récord de mayor insecto que haya existido, con 2.3 m de largo y 0.5 m de ancho. Sin embargo, tamaños mayores a 2 m no parecen asequibles a los artrópodos debido a que su esqueleto externo debe ser mudado cuando el animal crece, y en esa muda, un artrópodo demasiado pesado podría quedar aplastado por su propio peso. Los cuadrúpedos (en esa época, principalmente anfibios) no estaban expuestos a esa limitación y exploraron tamaños mayores, de hasta 6 metros de largo en esa época y mucho mayores posteriormente (en el Jurásico y Cretácico).

Al final del periodo, los extensos bosques de lluvia tropicales se iban estrechando, rodeados por crecientes zonas áridas y, al final, algunos episodios de enfriamiento y secado súbitos hicieron que colapsaran en muchas regiones. Esto provocó la extinción de muchos animales acostumbrados a la humedad, y entre ellos muchos anfibios; pero seleccionó una novedad evolutiva de largo alcance: los huevos con sacos amnióticos que mantenían una reserva de agua y alimentos para el embrión en desarrollo, y permitía a estos desarrollarse en climas secos. De estos cuadrúpedos evolucionaron los reptiles, pájaros y mamíferos.

El posicionamiento polar de Gondwana aumentó la intensidad de la glaciación, lo que hizo disminuir mucho el nivel del mar durante el Pérmico. Hay evidencias de una caída muy importante de la concentración de oxígeno: del 35 % de comienzos del Pérmico al 15% al final del período (Berner, 1999), quizás provocado por la anormal bajada del nivel del mar, que expuso a la oxidación al 70% de las plataformas continentales, ricas en sedimentos carboníferos. La reducida presión parcial de oxígeno por encima de unos pocos centenares de metros de altitud fue desalojando de allí  lentamente a muchos artrópodos y algunos cuadrúpedos, que se habían acostumbrado a un metabolismo muy consumidor de oxígeno. El comienzo de la extinción masiva que caracteriza el final de este periodo comenzó al parecer ya en esta etapa fría y con poco oxígeno. La escasez de oxígeno dio ventaja a las bacterias metabolizadoras de azufre sobre las aerobias, lo que aumentó las emisiones de sulfídrico y de metano por los océanos.

A mitad del periodo, el choque de China Sur con la placa del Mar de Thetis produjo un accidente geológico anormal, que fue el ascenso masivo de magma a través de depósitos de carbón, que liberó a la atmósfera 170 trillones de toneladas de CO2, 18 trillones de toneladas de ácido clorhídrico y gran cantidad de metano. Finalmente, 5-10 millones de años después, se produjo una segunda crisis tectónica en Siberia, con la emisión de 1-4 millones de m3 de lava basáltica que cubrió una superficie casi igual a la europea, quemando grandes extensiones de bosques. Este segundo pico de gases invernaderos y aumento térmico favoreció entonces la autocombustión de grandes masas de carbón que se habían generado desde el Carbonífero. Esto aún produjo más CO2 y disminuyó aún más la concentración de oxígeno en la atmósfera, que llegó a ser del 16%. Las aguas de los mares se calentaron, liberando los depósitos de metano congelado próximos a la costa, con lo que se incrementó aún más el efecto invernadero. Esto volvió aún más anóxico a los océanos, que vertieron tanta cantidad de sulfuro de hidrógeno que las costas, donde se habían refugiado muchas especies, se volvieron inhabitables. Se extinguieron el 96% de las especies, y hasta la mayoría de los insectos.

La extinción fue tan masiva que las cadenas tróficas de la biosfera típicas del Pérmico tardaron aparentemente unos 30 millones de años en reestablecerse. Sin embargo la biosfera tuvo la resiliencia suficiente para resistirlas, gracias probablemente a su diversidad, que le ha permitido hasta ahora adaptarse incluso a catástrofes que acabaron con la mayoría de las especies pluricelulares.

La era Mesozoica (225 – 65 m.a.)

La era mesozoica o secundaria comienza con el triásico (245 m.a. a 208 m.a.). El nivel de CO2 había vuelto a subir desde el mínimo de final del carbonífero hasta un nivel 4-5 veces superior al actual, debido en parte a la evolución de nuevas especies de hongos y descomponedores, que equilibraron un poco la tasa de respiración (oxidación de la materia orgánica) respecto a la fotosíntesis (producción de materia orgánica a partir de CO2 y otros materiales), y debido también al aumento de la actividad tectónica desde el final del pérmico. Esto provocó un fuerte efecto invernadero.

Las masas continentales se habían agrupado todas en un continente único, Pangea, y un único océano, Panthalasa, rodeaba el planeta. La lejanía de las costas (con su efecto moderador) produjo un clima árido en vastas extensiones del interior de los continentes, con oscilaciones térmicas estacionales muy fuertes.

Cuando pasan varios millones de años sin que los continentes colisionen entre sí, el relieve va erosionándose y las grandes cordilleras pierden su altura. Un relieve tan  erosionado y plano no favorecía la lluvia en el interior, por lo que los modelos sugieren veranos muy cálidos, inviernos muy rigurosos y grandes zonas áridas.

Algunas zonas tropicales de Pangea próximas al mar debieron tener clima monzónico, con lluvias estivales. Pero la ausencia de relieves importantes restaba fuerza al monzón y no facilitaba la formación de nubes. Por eso, en Pangea, las regiones ocupadas por desiertos tropicales fueron más extensas  que los bosques de lluvia.

Pangea en Triasico

Tras 30 millones de años de evolución y re-construcción de ecotopos, las plantas con semillas empezaron a dominar la flora terrestre. Los reptiles se adaptan especialmente bien al clima árido, y aparecen los primeros dinosaurios y los primeros mamíferos.

Triasico

Representación de un paisaje triásico

El final de este periodo (208 m.a.) es testigo de otra extinción masiva. El super-continente Pangea comenzó a fracturarse a lo largo de una línea de ruptura llamada “Central Atlantic Magmatic Province” (CAMP). En esa enorme región geográfica de unos tres millones de Km2 (figura) empezaron a emerger, una vez más, gigantescas coladas de basaltos, que provocaron continuas lluvias ácidas provocadas por las emisiones de SO2, y un probable calentamiento brusco provocado por el aumento del CO2.

extinción Triasico-Jurasico

El final del Mesozoico, conocido como periodo Cretácico, es testigo de la mayor acumulación de energía térmica en atmósfera y océano que haya conocido el planeta, al menos desde que hay evidencia creíble. No hay signo alguno de hielo en los polos, lo que elevó el nivel del mar 170 m  por encima del actual. La concentración de CO2 era todavía unas 2.5 veces mayor que la actual, con niveles de oxígeno no muy inferiores al actual. Esto estimuló el crecimiento exuberante de muchas especies de plantas grandes, que posibilitaron a su vez la existencia de grandes reptiles herbívoros y carnívoros. Esta era es testigo también de la evolución de las primeras aves, lo cual presiona evolutivamente a los insectos a disminuir su tamaño.

Hay evidencias fósiles de grandes migraciones de dinosaurios entre las zonas ‘Templada cálida’ y ‘Templada fría’ cuando las estaciones cambiaban. Hay también evidencias de tortugas, cocodrilos y otros reptiles de sangre fría habitando en el círculo polar, y de palmeras en la península de Kamchatka.

¿Qué causó este escenario climático tan extraordinario?

En primer lugar, la alta actividad tectónica. El supercontinente Pangea estaba en rápida desagregación, y un movimiento más rápido de las placas llevaba asociada a una mayor emisión volcánica de CO2, especialmente en la zona de apertura atlántica entre Groenlandia, Islandia y Noruega, y también en Alaska y en la zona asiática.

Un movimiento de separación en todos los continentes impide la formación de nuevas montañas y mantiene el proceso de erosión que venía aplanando el relieve desde el periodo triásico. Una superficie continental tan plana y baja reduce la emisión de infrarrojos hacia el espacio (hay menor superficie radiante) y ello tiende a mantener alta su temperatura.

Además, hay menor erosión, lo cual enlentece la meteorización y ello mantiene alto los niveles de CO2 atmosférico. Todo ello presionaba hacia temperaturas altas.

En segundo lugar, las corrientes oceánicas tenían el camino libre desde los trópicos hasta el círculo polar a través de un amplio océano Pacífico, por lo que no había hielo en el círculo polar norte, y muy poco o nada en el sur, por la alta temperatura de los océanos y la atmósfera.

Jurasico-Cretacico.jpg

Configuración de los continentes 100 m.a. BP. Obsérvese las grandes zonas inundadas por el mar dentro de los continentes, de 40-50 m de profundidad.Cretacico-continentes.jpg

Probables zonas de formación de aguas profundas (cálidas y salinas), en el Mar de Tetis (en rojo)

En tercer lugar, la alta evaporación de un Mar de Thetis situado en el trópico generó probablemente un océano muy salado que formaba agua que se hundía a pesar de ser cálida. El agua del fondo oceánico tenía, parece ser, una temperatura de 18ºC, no como hoy en día, que tiene 2ºC de media. Cuando este agua afloraba en muchos lugares del planeta, no refrescaba el clima como hoy, sino todo lo contrario.

Las cinco grandes extinciones de la historia de la vida son, a saber: la del Ordovícico-Silúrico (439 millones a BP, 85% de especies), la del Devónico-Carbonífero (367 millones a BP, 82% de especies), la del Pérmico-Triásico (210 millones a BP, 96% de especies), la del Triásico-Jurásico (210 millones a BP, 76% de especies), y la del Cretácico-Terciario (65 millones a BP, 76% de especies). La causa de la primera es completamente incierta, mientras que el resto pudieron ser causadas por emergencia de magma y erupciones volcánicas masivas (acompañadas en algún caso por el impacto de un gran meteorito).

La extinción del Ordovícico-Silúrico es incierta, pero pudo ser provocada por la explosión de una supernova cercana. Si una de estas explosiones sucediera lo suficientemente cerca destruiría la capa de ozono de la atmósfera. Esto nos expondría a la radiación ultravioleta del Sol, que además romperían el oxígeno hasta en las capas bajas de la atmósfera, formando ozono a ras de suelo, gas que, a ese nivel, es tóxico para la vida animal y vegetal. ¿Puede la biosfera adaptarse a cualquier perturbación? Está claro que la biodiversidad es y fue una gran baza, pero no garantiza la supervivencia en cualquier situación geológica. Un ejemplo es la evolución geológica de Venus.

La era cenozoica (65 m.a. al presente)

En los inicios del Cenozoico o Terciario (Paleoceno y principio del Eoceno), entre los 65 y los 48 m.a., el clima fue semejante al del Cretácico. En el óptimo de principios del Eoceno el CO2 aún era alto, de unos 1000 ppm. Los carbonatos sedimentados en el Mar de Thetys, que se está cerrando, eran reciclados hacia los volcanes en las subducciones vecinas, muy próximas, lo cual hacía perder eficacia a la retirada de CO2 atmosférico. Esto mantuvo alta la temperatura atmosférica, pero la temperatura del fondo marino parece haber iniciado ya su enfriamiento desde el Cretácico y es de unos 12ºC. Ello podría deberse al cierre progresivo del Mar de Tetis, que va haciendo disminuir la tasa de formación de aguas profundas salino-cálidas. Tras los 50 m.a., la tendencia al enfriamiento global es  ya permanente hasta la actualidad.

Eoceno

Las causas de esa tendencia al enfriamiento desde el Eoceno parecen estar relacionadas, primero, con la bajada del CO2. El movimiento de las placas tectónicas provoca una serie de colisiones continentales que han ido cerrando el antiguo gran mar de Tetis: la compresión de la sub-placa ibérica contra Francia formando las montañas de los Pirineos, de Italia con Francia y Suiza formando los Alpes, de Grecia y Turquía con los Balcanes formando las montañas Hellenide y Dinaride, de Arabia con Irán para crear las montañas de Zagros, de India con Asia y, finalmente, la colisión más joven, de la placa de Australia con Indonesia. Estos choques van plegando la superficie continental que aumenta así: (i) su capacidad de radiar infrarrojos hacia el espacio, y (ii) la producción de relieves y cantos rodados expuestos a la acción del ácido carbónico de la lluvia. Esto hace disminuir continuamente el CO2 atmosférico. En el Oligoceno (30 m.a.) el CO2 ya está en las 500 p.p.m.

clima Cenozoico

La Antártida, a pesar de haber estado centrada en el Polo Sur desde principios del Cretácico, se había mantenido hasta  entonces libre de hielo, gracias a las corrientes marinas cálidas que le llegaban. Pero los movimientos tectónicos provocaron su separación de Australia y luego del continente suramericano y la apertura del estrecho de Drake. En ese momento, se establecer una corriente marina fría que rodea permanentemente a la Antártida y la aisla de la influencia térmica moderadora de las corrientes marinas medias y tropicales. Esto estimuló la formación de una extensa “banquisa” invernal de “hielo marino” y posteriormente la acumulación de hielo en el continente, pues las nevadas invernales dejaron de derretirse durante los veranos. En ese momento la temperatura de los fondos marinos ya era de sólo 3ºC.

La Antártida y las corrientes marinas

Corrientes marinas hace 35 m.a., un poco antes del aislamiento de la Antártida. Tomado de Uriarte Cantolla (2010).

No hay aún una explicación definitiva sobre la causa del calentamiento relativo que aparentemente se produjo a final del Oligoceno y primera mitad del Mioceno, y que desglació de nuevo una gran parte de la Antártida. Pero desde hace 14 m.a. las temperaturas se desploman y el hielo aumenta en la Antártida hasta glaciarla completamente. En este enfriamiento jugaron un papel importante el levantamiento del Plateau Tibetano y el cierre final del Mar de Thetis. La subida del Plateau Tibetano se había iniciado hace 50 m.a. pero su mayor tasa de crecimiento se produjo en el Mioceno. Con una altura media de 5.000m y bordes que caen rápidamente hacia el Índico, aumentó la pluviosidad monzónica del sur de Asia y se convirtió en fuente de grandes cantidades de carbonatos y de materia orgánica que acaban sedimentadas en el Golfo de Bengala o en el Pacífico por los ríos Indo, Ganges, Brahmaputra, Yangtze y Mekong (que transportan el 25% de toda la materia disuelta que llega al océano global). Se piensa que fue un participante esencial en la retirada de CO2 de la atmósfera que tiene lugar durante el final del mioceno y durante el plioceno, hasta el presente. La instalación de nieves permanentes en la región elevó el albedo terrestre contribuyendo ello también al enfriamiento, aunque esos hielos han ido disminuyendo posteriormente debido a la creciente altura y sequedad de la mayor parte del plateau.

Historia_del_clima_de_la_tierra_-_Anton

Corrientes marinas antes del cierre del istmo de Panamá, según Uriarte Cantolla (2010).

El cierre del istmo de Panamá se produjo entre los 13 y los 4 m.a. BP, y modificó el clima del Norte del Atlántico de un modo contra-intuitivo. El Océano Ártico había estado relativamente aislado del Atlántico desde el final del Cretácico, sin embargo, se había mantenido templado gracias a las corrientes marinas atlánticas que le llegaban. Con el cierre del istmo, deberían haberse intensificado esas corrientes, pues una parte de ellas ya no se perdía hacia el Pacífico (figura siguiente). Sin embargo, ese aumento de corrientes templadas probablemente provocó un aumento de la temperatura y de la evaporación en el Atlántico Norte. Esta mayor humedad aumentó las precipitaciones en Europa del Norte y Siberia, lo cual incrementó la descarga de agua dulce de los ríos que desembocan en el Ártico, disminuyendo la salinidad de todo ese mar.  Un mar poco salino se congela más fácilmente, y esto pudo facilitar la formación de hielos permanentes en la región circumpolar, aumentando el albedo del hemisferio norte y provocando a su vez la glaciación de Groenlandia y la formación de hielo durante los inviernos en el Norte de América y de Eurasia. La gran sensibilidad de esa zona de hielos a las variaciones en la irradiancia solar (ciclos de Milankovitch) está probablemente detrás de la aparición de ciclos glaciales-interglaciales desde hace 5.5 m.a.

El enfriamiento de las aguas del Índico son otro de los factores que contribuyeron también a esa tendencia general al enfriamiento típica de finales del terciario. El levantamiento de las islas de Indonesia desviaron probablemente las corrientes cálidas que venían del Pacífico Sudecuatorial, contribuyendo a ese enfriamiento.

glaciaciones cuaternarias

Entre 5.5 y 1.5 m.a., hay glaciaciones cada 23 o 41 millones de años, pero a partir de entonces y hasta el presente, aparecen glaciaciones con un ciclo definido de unos 100.000 años. En otro post futuro comentaremos con más detalles los mecanismos de retroalimentación que explican esas oscilaciones. Pero, muy básicamente, cuando durante varios miles de años la fecha del solsticio de verano ocurre con la Tierra cerca del afelio (más lejos del sol) y la inclinación del eje de rotación terrestre es moderada, la evaporación y las precipitaciones son elevadas, por lo que nieva mucho en el norte; pero los veranos son tan tibios que la nieve acumulada no se derrite en verano, acumulándose año tras año. Esto garantiza el inicio de una glaciación, por el aumento del albedo que induce el aumento de los hielos en el Ártico y su efecto sobre el enfriamiento del hemisferio norte.

El misterio del clima de Venus

¿Por qué el clima de la Tierra ha sido casi siempre relativamente benigno, y en cambio el clima de Venus es un auténtico infierno? Venus es una especie de gemelo de la Tierra por su masa, y aun estando más cerca del sol, la cantidad de radiación que llega a su superficie es menor que la que llega a la Tierra (debido a su densa atmósfera). Sin embargo, ha evolucionado geológicamente de una manera absolutamente hostil para cualquier forma de vida que conozcamos. La explicación más plausible está relacionada, sorprendentemente, con la diferente velocidad de rotación de ambos planetas.

La velocidad de rotación de Venus es de una vuelta cada 243 días terrestres. Esta rotación tan lenta produce un efecto dinamo inapreciable en un probable núcleo exterior líquido como el de la Tierra. Por lo que tiene un campo magnético planetario prácticamente inapreciable. En cambio, la Tierra tiene a su alrededor un campo magnético desarrollado, tal como muestra la figura.

Cinturon magnetico terrestre

El sol emite un flujo supersónico continuo de protones, electrones y núcleos de helio, llamado viento solar. Estos iones tienen una energía entre 1.5 y 10 kEV, unas 30-200 veces más que la energía de ionización y rotura de la molécula de agua, de modo que una molécula de agua tiene pocas probabilidades de sobrevivir al choque con uno de estos iones de alta energía. El campo magnético de la Tierra, sin embargo, curva la trayectoria de estos iones alrededor de la Tierra, de manera que sólo unos pocos consiguen alcanzar nuestro planeta, casi todos en las regiones polares, donde ionizan o excitan los átomos de nitrógeno, oxígeno y agua, y producen las auroras boreales (cuando los átomos o iones excitados vuelven a su estado fundamental de energía emitiendo fotones). La mayoría de los iones del viento solar, sin embargo, continúa su camino hacia el exterior del sistema solar.

En contraste con la Tierra, ningún escudo magnético protege la atmósfera de Venus. Los iones del viento solar inciden directamente contra las capas altas de su atmósfera. El vulcanismo de Venus, como el de la Tierra, debe de haber estado vertiendo a la atmósfera (principalmente) CO2 y agua desde hace varios miles de millones de años. Como el agua es más ligera que el CO2, flota sobre él, y tiende a colocarse encima, así que el agua en Venus ha debido ir colocándose en la atmósfera alta, a lo largo de millones de años, mientras el CO2 iba llenando su parte baja. Lo que ha debido ocurrir lo podemos imaginar, y ha sido en parte confirmado por las imágenes y datos enviados por la sonda Venus Express de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2006 (foto siguiente).

Venus y viento solar

Interacción entre Venus y el viento solar (Crédito: ESA / C. Carreau)

La sonda Venus Express (1270 kg), en órbita polar entre 250 y 66000 km de Venus, fue lanzada en Noviembre de 2005 por un cohete Soyuz, alcanzó Venus tras 153 días de viaje y tras 5 días de maniobras controladas por radio desde la Tierra (a 40 millones de km), consiguió su órbita.

Una de las primeras fotografías enviadas mostró, en el lado nocturno de Venus, una estela turbulenta de átomos abandonando el planeta. Pues bien, el “Analyser of Space Plasma and Energetic Atoms” (ASPERA) de la sonda mostró en la composición de esa estela una proporción de dos átomos de hidrógeno saliendo por cada uno de oxígeno. ¡Venus está perdiendo continuamente agua ionizada! Y probablemente la ha estado perdiendo por más de 3000 millones de años, por lo que su atmósfera ahora tiene ahora 105 veces menos agua que la atmósfera terrestre.

Así pues, esa foto nos hace testigos de la tragedia de Venus. Sin agua en su atmósfera, el CO2 de los volcanes de Venus no puede formar ácido carbónico; La retroacción negativa de la meteorización no existe; el CO2 se acumula continuamente, mientras que el agua es descompuesta por el viento solar en su alta atmósfera, y va abandonando el planeta en forma de iones de alta velocidad. Tres o cuatro mil millones de años más tarde, la temperatura en su superficie es de cerca de 500ºC, llueve ácido sulfúrico, y la presión es tan alta (89 atm) que las primeras naves Venera que llegaron intactas a su superficie, filmaron una imagen óptica lechosa, como de estar sumergidos en algo más parecido a un líquido que al aire que conocemos.

La historia climática de Marte comenzó siendo muy similar a la de la Tierra. Indicios mostrados por orbitadores como la sonda MAVEN de la NASA sugieren que Marte tuvo una atmósfera mucho más densa en sus inicios; sin embargo, entre 3.700 y 4.000 millones de años BP la perdió súbitamente. Modelos geológicos relacionan este evento con el enfriamiento paulatino y la solidificación completa de su núcleo de hierro, que inicialmente era líquido. Su solidificación impidió que la rotación de Marte (análoga en velocidad de giro a la de la Tierra) pudiera seguir creando un campo magnético planetario. Expuesto al viento solar directo y con una masa relativamente pequeña, ambos factores contribuyeron a que Marte fuera incapaz de retener la mayoría del gas emitido por los volcanes, que se disoció y escapó al espacio. Con un efecto invernadero muy débil, su atmósfera actual apenas es capaz de templar la temperatura de su superfície.

Probablemente, las primeras células vivas que evolucionaron en la Tierra (ya sea por síntesis química estilo Oparin y Miller, ya sea por panespermia desde los cometas) se beneficiaron de ciclos reguladores del clima tal como la meteorización, y sobre ese contexto geológico construyeron sus propias dinámicas, que en algunos casos refuerzan la regulación climática geológica y en otros la debilita ligeramente sin inutilizarla. La biosfera ha evolucionado, como hemos visto, en el contexto de unas fuerzas, ciclos y eventos geológicos que, en muchos casos, eran demasiado poderosos y tenían una causación demasiado remota como para que la adaptación biológica pudiera afectarlos. Pero la biosfera era lo suficientemente resiliente, debido a su diversidad, para que un pequeño número de especies sobrevivieran a las grandes catástrofes, y repoblaran el planeta.

 

Referencias

Bender M. 2003. Climate-biosphere interactions on glacial-interglacial timescales. Global Biogeochemical Cycles, Vol. 17, No. 3, 1082, doi:10.1029/2002GB001932

Darwin Ch. Viaje de un naturalista alrededor del mundo, Tomo II, Akal, 1983.

Kirchner J. W. 2003. The Gaia Hypothesis: Conjectures And Refutations. Climatic Change 58: 21–45

Lovelock, J.E. and Margulis, L., 1974, Atmospheric homeostasis by and for the biosphere: the Gaia hypothesis. Tellus 26, 1–9.

Portegies-Zwart, S. F., 2009. The Lost Siblings Of The Sun. The Astrophysical Journal, 696: L13–L16, 2009 May 1. doi:10.1088/0004-637X/696/1/L13

Uriarte Cantolla, A. La Historia del clima de la Tierra. Géminis Papeles de Salud, 2010.

Zhong Y.J., Huang K.K., Lan Y.F., Chen A.Q. 2018. Simulationof Carbon Isotope Excursion Events at the Permian-Triassic Boundary Based on GEOCARB. Open Geosci. 10: 441–451.

 

 

Modelos Complejos en Ciencias Naturales y Sociales

Este post es continuación de la entrada La evolución de la complejidad, donde discutimos algunas de las aplicaciones que se hicieron del paradigma de los sistemas auto-organizativos en distintas ciencias. En este artículo, publicado hace unos años, generalizamos el concepto de proceso autoorganizativo del siguiente modo: es un proceso que tiene lugar (i) dentro de un sistema abierto constituído por muchas partes o agentes constituyentes que interaccionan; (ii) tales constituyentes intercambian flujos de energía, materiales y señales; (iii) tales intercambios son locales, pero a veces, por azar, y siempre que los intercambios tengan una intensidad suficiente, se sincronizan de tal modo que generan correlaciones entre subsistemas muy lejanos (“organización”, aumento de orden estructural); (iv) tales correlaciones producen propiedades macroscópicas observables (“estructuras” nuevas o “emergencias” nuevas), (v) algunas de las cuales facilitan probabilísticamente el mantenimiento del conjunto de intercambios que ha sido capaz de producir la estructura recienaparecida (“auto-organización”, “automantenimiento”, “autocatálisis”, “autocircumscripción”).

Discutimos algunas herramientas matemáticas útiles para modelar los procesos de auto-organización y auto-mantenimiento que se suelen dar en los sistemas complejos. Algunas de esas herramientas son la ecuación master y la ecuación de Fokker-Planck. El artículo puede descargarse en el siguiente link:

empiria_2

Resumen del libro “Deconstruyendo a Darwin- Los enigmas de la evolución a la luz de la nueva genética”, de Javier Sampedro

La evolución de las especies

Sampedro comenta que, además de la selección natural, hay otros mecanismos que producen evolución en las especies y pone el ejemplo de la endosimbiosis seriada de Lynn Margulis. Pero la teoría original de Margulis ha sido ligeramente modificada por Gupta, un genetista que ha demostrado que la mitad de los genes eucariotas proceden de una antigua arquea (o Thermoplasma), como dice Margulis, pero la otra mitad, en lugar de venir de una espiroqueta viene de una bacteria gram-negativa, a la que se añadieron luego las mitocondrias y eventualmente los cloroplastos.

Origen_eucariota

 

El código genético

Luego comienza a desarrollar el tema del código genético.Recordemos que, enrollada en forma de cromosomas, dentro del núcleo de todas las células eucariotas (células complejas que constituyen a todos los seres pluricelulares) hay una larguísima molécula orgánica en forma de doble hélice llamada ADN (ácido desoxi-ribonucleico). Esta doble cinta helicoidal plegada debe ser separada en sus dos hebras dentro del núcleo, tal como muestra la figura que sigue.

mcell-transcription-translation_eng_zoom

 

Todo comienza cuando una proteína llamada “factor de transcripción” reconoce un motivo estructural que le es afín dentro de la hebra doble de ADN y se une a ese motivo. Es el comienzo de una activación (o una represión) de la transcripción en una zona concreta del ADN. Esta zona donde se ensambla el o los complejos de transcripción se llama “promotor”, y se localiza en el extremo 5′-terminal del gen (5′ presenta un grupo fosfato unido al carbono quinto del anillo de azúcar del nucleótido de ADN), antes del comienzo del gen. A ese factor de transcripción se unen sucesivamente distintas proteínas constituyendo un “complejo de preiniciación”. Cuando a ese complejo se une la helicasa, las dos cadenas de ADN empiezan a separarse en ese sitio, pues ésta proteína rompe los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas utilizando energía del ATP celular. Se abre entonces un hueco ó “caja TATA” donde puede entrar una molécula de ARN polimerasa, formándose entonces la “burbuja de transcripción” o “complejo abierto”. La ARN polimerasa sintetiza una cadena de ARN-mensajero (ARNm) hecho con nucleo-bases o “letras”, y que se corresponde, letra por letra, con las letras (o nucleo-bases) contenidas en el gen de ADN.

El código de dicha correspondencia se muestra en la figura siguiente.

ARN-ADN

Así, las moléculas o “letras” C, G, A, T de la sección de cadena de ADN (gen) que está siendo “leída” o “transcrita”, son convertidas en C, G, A, U, respectivamente, en la cadena de ARNm resultante. Todo el proceso se describe en mayor detalle en la Wikipedia (Transcripción genética).

El ARNm así formado atraviesa la membrana nuclear y, ya en el citoplasma celular, cataliza la formación de un polipéptido, o proteína construída a base de aminoácidos. Cada secuencia de tres letras de nucleótidos de ARNm corresponde a un aminoácido en específico o a un codón de terminación. El código de esta traducción final a aminoácidos se muestra en la siguiente figura.

Código Genético

Fig. Combinaciones de tres bases que codifican la construcción de los veinte aminoácidos codificados genéticamente: alanina, arginina, asparagina, aspartato, cisteína, fenilalanina, glicina, glutamato, glutamina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, prolina, serina, tirosina, treonina, triptófano y valina.

Sampedro analiza el misterio de la existencia de intrones, o secuencias de letras que no valen para nada en el genoma, y el laborioso splicing que tienen que hacer todas las células eucariotas para eliminar tal información inútil de la copia (ARNm) para luego poder construir una proteína funcional.

Spicing Pre-mRNA_to_mRNA

Fig. Eliminación de intrones en el procesamiento del pre-mRNA para obtener el RNA mensajero final, sin intrones. La región 5′ UTR  (“5′ untranslated region” es una región del RNA que está justo antes de la secuencia de iniciación, normalmente “AUG”. La región 3′ UTR es la región que sigue a la secuencia de “final de traducción”,  normalmente “UAG”, “UAA” o “UGA”.

 

Las bases genéticas de la evolución

Algunos han sugerido que los intrones dan a la célula “evolucionabilidad”. Los exones (segmentos entre intrones) pueden codificar según Sampedro “unidades funcionales” dentro de la proteína, por lo que el barajarlos y volverlos a ensamblar es un ensayo interesante para la evolución, pues no es lo mismo mezclar entre sí genes al azar (cuyo resultado es casi seguro un desastre) que bloques que tienen funciones (cuyo resultado puede ser una emergencia inútil o imposible, pero también una función nueva). Y esa “barajabilidad” es la que facilitan los intrones, haciendo a las células que los tienen más flexibles o adaptables rápidamente a los nuevos entornos, lo cual viene muy bien en principio tras las grandes catástrofes geológicas,   y la Tierra ha tenido bastantes, tres de las más grandes las glaciaciones que tuvieron lugar en el Precámbrico, dos de las cuales pudieron haber convertido a la Tierra en una “bola de hielo”, justo antes de la explosión cámbrica que generó las principales estructuras pluricelulares de las que evolucionaron los reinos de seres vivos que hoy conocemos (protistas, hongos, animales y plantas).

fauna-brugess shale

Fig. Algunos de los taxones cámbricos reconstruidos a partir de los fósiles de Burgess-Shale, en Canadá. El número 15 corresponde a Pikaia, el posible antecesor de todos los cordados, esto es, nuestro más lejano abuelo. Imagen tomada de http://evolucionbiologica-apuntes.blogspot.com.es/2015/02/es-la-explosion-cambrica-un-fraude.html

Lo que no casa del todo en esta explicación es que el agregado molecular que hace el splicing, el spliceosoma, es muy complejo (unas 100 proteínas y seis moléculas de ARN), y muy parecido en todos los eucariotas, y por ello debió de inventarse antes de la ramificación cámbrica, esto es, hace unos 750 millones de años o algo así. Pero ningún procariota conocido de los que pudieron haberse ensamblado en la endosimbiosis que formó la primera eucariota tiene nada parecido a un spliceosoma.

Lo que sí tienen las bacterias son moléculas de ARN que catalizan la escisión de los intrones, que ellas también tienen. Estos ARN podrían haber pasado a la molécula posterior del spliceosoma. Habría que suponer que el resto de la gran proteína del spliceosoma no sirve para gran cosa.

Un problema aún mayor es el siguiente. El proceso de lectura del ADN en el núcleo por los ARN-mensajeros y la traducción de este código mensajero a una proteína en el citoplasma requiere varias máquinas multiproteicas exquisitamente acopladas en todos los eucariotas: una para iniciar la transcripción de ADN a ARN, otra para elongar la creciente molécula de ARN, otra para finalizar la elongación; en paralelo, otras sellan el extremo inicial del ARN, realizan el splicing, y añaden una etiqueta (AAAA…) de muchas adenosinas en el extremo final, para estabilizar al ARNm. Otras exportan el ARNm, liberado de intrones y acicalado en sus extremos, fuera del núcleo, allí otra (el ribosoma) lo traduce en aminoácidos alineados, y éstos se pliegan unos sobre otros bajo fuerzas de atracción y repulsión, adoptando la proteína su forma funcional, que le permite ensamblarse con moléculas específicas y catalizar reacciones químicas concretas en el citoplasma. El plegamiento obedece a: (i) las fuerzas electrostáticas entre las partes ionizadas de los aminoácidos (el pH intracelular ioniza ciertas cadenas laterales de los aminoácidos); (ii) a enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales hidroxilo o amino; (iii) a interacciones de van der Waals; y (iv) a las partes hidrofóbicas de los aminoácidos, que buscan el interior de la proteína.

Sin embargo, estas máquinas multiproteicas que fabrican las proteinas funcionales mantienen contactos muy intensos unas con las otras, no actúan independientemente. Y el problema es que la máquina del splicing (el spliceosoma) está en el mismísimo centro de esa compleja red de relaciones entre todas las máquinas. No parece provenir de una modesta chapuza añadida secundariamente, ni de un accidente. Así que su aparición no puede provenir de una secuencia gradual (darwinista o de selección gradual). Debió ser inventado de una vez sin formas transitorias obvias.

Hay otro misterio interesante en esa endosimbiosis original entre archea y bacteria. Y es que hay 2136 genes fundamentales en las células eucariotas, que debieron proceder de los que poseía aquella primera simbiosis. Pero de ellos, 1789 proceden de una bacteria o una arquea, pero hay 347 que no tienen equivalente en ninguna bacteria ni arquea conocida y que, por tanto,  podría proceder de una tercera célula, que se ha venido en llamar un “cronocito”.

Lo curioso es que los genes que aportó la bacteria se encargan esencialmente del metabolismo, los que aportó la archea se encargan esencialmente del procesamiento y manipulación de la información genética, y estos 347 genes adicionales se encargan muy específicamente de la endocitosis (fagocitación) (91), la transducción, o comunicación de mensajes exteriores desde la membrana hacia el núcleo (108), y del sistema de puertas que comunican al núcleo con el citoplasma (47), y hay 101 genes restantes cuya función aún se desconoce. Pero estas tres funciones son la “marca de fábrica” de las eucariotas: ninguna procariota los tiene. Hay algo fundamental que se nos escapa, dice Sampedro. Lo más fácil es pensar que hubo una tercera célula, el cronocito, que aportó la “eucariotez”. Aunque no se ha descubierto ninguna célula moderna que pueda descender de ese supuesto cronocito, hay especies de bacterias, como Pirellula (por cierto, de las más arcaicas), que no tiene paredes celulares típicas de bacterias, que se reproduce por gemación (como muchas eucariotas) y que maneja grasas (ácido palmítico, oleico y palmitoleico) típicos de los eucariotas. Y para colmo, guarda su ADN en una estructura parecida a un núcleo, por lo que pudo necesitar genes para la comunicación entre el núcleo y el resto del citoplasma.

Luego Sampedro muestra que en las células las proteínas celulares que forman parte de una máquina multiproteica son prácticamente todas. Los 1400 genes analizados de la levadura de la cerveza (una tercera parte de su genoma) están constituyendo 232 máquinas celulares, la más pequeña tiene dos proteínas y la mayor 83, y algunas forman parte de varias máquinas. La mayoría de tales máquinas existen también en nuestra especie, y en las demás. Las máquinas se han conservado, pero sólo la mitad de las proteínas son exactamente las mismas en nuestra especie que en la levadura. La evolución parece haber jugado con las componentes respetando la estructura funcional. Ello puede obedecer en parte a que una proteína está implicada  en tantas interacciones con otras que no le suele quedar sitio en su superficie para añadir nuevas relaciones, pero siempre es posible sustituir un componente (proteína) por otro.

Las graduales sustituciones de letras en el ADN que han hecho las delicias de los darwinistas ortodoxos parecen ahora menos relevantes que nunca para generar novedades evolutivas, dado que los cambios en una proteína suelen ser compensados con cambios en las proteínas con las que interacciona de manera que se mantengan las funciones básicas de la máquina. Lo esencial de la explosión cámbrica fueron pues esas 232 máquinas que la endosimbiosis de (tres?) células aportó a la futura organización eucariota, y no los pequeños cambios de letras posteriores.

El equilibrio puntuado

Luego Sampedro describe la teoría del equilibrio puntuado de Gould y le da la razón, pues eso es lo que se observa en el registro fósil: las especies duran varios millones de años y están casi todo ese tiempo sin que la selección natural provoque cambios significativos, pero se modifican al principio de su aparición en tiempos del orden de unas decenas de miles de años. Por tanto, el tiempo eficaz a disposición de la selección natural en el que supuestamente ha modificado a una población aislada genéticamente y creado una especie nueva, sería únicamente esos momentos de rápida divergencia observados en el registro fósil. Pero tales momentos suman en total entre 40 y 400 millones de años en lugar de los 3000 millones de años o más que tiene la vida sobre el planeta; y suman sólo unos 600 mil años si contamos desde el Cámbrico hasta la aparición del Homo Sapiens. Gould consideró que hacía falta un mecanismo más rápido que la especiación alopátrica del neodarwinismo para explicar tales saltos y propuso que podía haber “reorganizaciones rápidas del genoma”, pero se le echó encima todo el establishment neodarwinista y se retractó oficialmente (aunque no íntimamente), en parte para que sus disensiones no dieran argumentos a los creacionistas. Para Gould, la clave macroevolutiva es considerar a las especies como unidades de selección de nivel superior, que tienden a amortiguar los cambios graduales de los genomas individuales, salvo cuando hay una reestructuración general de tales genomas, inducida probablemente por grandes cambios ambientales.

teoria-sintetica-vs-eq-puntuado

Fig. La evolución observada de las especies a lo largo del tiempo se parece más al esquema de la derecha que al de la izquierda. Imagen tomada de https://laevolucionsencilla.wordpress.com/2013/02/23/capitulo-1-bis-profundizamos-en-la-evolucion-especiacion-como-resultado-de-la-evolucion/

 

El misterio del origen de los genes Hox

Luego Sampedro analiza los animales precursores de la explosión cámbrica, que se observan en estratos hasta 13 millones antes de la misma, consistentes en surcos de animales que reptaban, y de fósiles de tubos y conos.

Los primeros animales, conocidos como fauna de Ediacara, debieron ser las esponjas, anémonas, hidras y medusas. Y luego aparece en unas pocas decenas de millones de años la simetría bilateral de los gusanos planos, y todas las formas de la explosión cámbrica (artrópodos, cordados, etc).

life-in-the-ediacaran-sea

Fig. Recreación de algunos taxones de la fauna de Ediacara. Hay un par de formas identificadas que podrían haber tenido ya entonces simetría bilateral. La imagen es de  https://geofrik.com/2014/01/23/fauna-de-ediacara/

Luego explica Sampedro el descubrimiento de los genes Hox y sus espectaculares consecuencias, que en sus inicios se produjo en el grupo de García Bellido, del Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC) de Madrid.

Parece ser que hay unos 8 a 10 genes Hox que asignan a cada parte del cuerpo, de la boca al ano, una secuencia de desarrollo embrionario, mediante el control de un árbol de genes “ejecutores” que especializan cada segmento. Son comunes a todos los animales, de modo que si una mosca pierde su gen Hox “Deformed”, que especializa una parte de su cabeza, se le puede proporcionar el gen Hox correspondiente humano, y entonces es capaz de generar esa parte de su cabeza (de mosca, no de humano). Los genes Hox trabajan con las máquinas genéticas subordinadas especializadas en formas básicas que tienen a su disposición en el metabolismo, así que cuando están en un metabolismo de mosca, fabrican las partes de una mosca, pero cuando esos mismos genes se meten en un metabolismo de ratón, fabrican un ratón. Tal organización, al ser común a todos los animales, debió de estar en aquel antecesor común de todos los animales de la explosión cámbrica, un ser desconocido al que se ha llamado Urbilateria.

Complejo homeótico de Drosophila melanogaster

Fig. Complejo homeótico de la mosca del vinagre, Drosophila Melanogaster. Tomado de http://ramanujan25449.blogspot.com.es/2013/06/escultores-de-la-forma-corporal.html

 

Los animales somos en gran medida metaméricos: compuestos de metámeros, o estructuras que se repiten a lo largo del cuerpo: vértebras, costillas, músculos, nervios, y tales metámeros son fabricados por unos pocos centenares de genes específicos, con variaciones entre cada especie cuando el metámero es un poco especial (no se construye igual el ojo de un mamífero que el ojo compuesto de un insecto, aunque el comienzo es común, y por tanto hay bastantes genes comunes en ambas construcciones). Los genes Hox actúan sobre tales máquinas genéticas metaméricas.

El plan corporal de los vertebrados

Fig. Morfogénesis de un vertebrado. Imagen tomada de http://ramanujan25449.blogspot.com.es/2013/06/escultores-de-la-forma-corporal.html

Urbilateria también debió inventar las tres capas germinales de todos los embriones actuales (ectodermo, mesodermo, endodermo), la simetría bilateral, un cuerpo dividido al menos en cabeza, tronco y abdomen, una cuerda nerviosa central, un sistema digestivo que atraviesa el cuerpo de boca a ano, y las máquinas genéticas para especificar estructuras como las extremidades, los ojos, y los órganos internos. Debía ser ya pluricelular, evolucionado desde un antiguo diploblasto (con ectodermo y endodermo) los cuales no tenían aún simetría bilateral como Urbilateria, y todo en unos pocos millones de años antes de la explosión cámbrica. El gran salto debió ser entre los animales diploblásticos de simetría radial o sin simetría, y el primer animal bilateral, Urbilateria.

Origen según Simon Conway Morris

Figura tomada de la presentación “Y después de Darwin, ¿qué?”, de José Aceituno (2010). https://es.slideshare.net/universidadpopularc3c/evolucion-ygenetica

¿De donde sacó Urbilateria los genes Hox que especializan su cuerpo bilateral por segmentos? De un diplobástico como la Hidra: La hidra tiene tres genes Hox. Uno fue probablemente el antecesor de “labial”, el primero de la fila (que define el segmento donde aparece la boca). Otro puede ser el antecesor de “proboscipedia” (el segundo de la fila) y otro el de “Abdominal-B”, el noveno o penúltimo. ¿Sus funciones? Al cortarle la cabeza a la Hidra, labial se activa muy rápidamente en las células cercanas al corte, luego se activa proboscipedia, y cuando el animal ya tiene cabeza, se activa Abdominal-B. Pero si se le corta el pie al animal, es también labial quien se activa cerca del corte, y los otros dos genes no hacen nada destacable.

Hox de la Hidra

Figura tomada de José Aceituno (2010).

El origen de los Hox se puede imaginar si tenemos en cuenta que son muy parecidos molecularmente unos a otros, hasta el punto de que se puede inferir que hubo un gen Hox original del que derivan Labial y Proboscipedia. Del precursor de labial se bifurcaron después Labial y el precursor de Abdominal-B. De éste, salió Abdominal-B y el precursor de Zen, y así sucesivamente, se puede rastrear por proximidad genética hasta el décimo gen Hox.

En los 600 millones de años posteriores, el Hox-4 del hombre por ejemplo ha acumulado mutaciones, pero sigue haciendo la misma función en cualquier animal, hasta en una mosca, y viceversa, el de una mosca funciona perfectamente en un cuerpo humano, pero un gen Hox-4 no hace lo mismo que el Hox-3.

Los genes realizadores tienen una parte codificadora, que fabrica la proteína o enzima metabólica, y  una parte reguladora, a la que se pegan, por ejemplo, las proteínas que vienen de genes Hox para activarlo o desactivarlo. La evolución pues parece haber respetado, no sólo a los genes Hox en lo esencial, sino también a buena parte de las zonas reguladoras de los cientos de genes realizadores controlados por ellos. Cuando un dinosaurio empezó a transformar sus patas delanteras en alas, debieron de alterarse las zonas codificadoras de los genes realizadores que construyen los apéndices, pero probablemente no se alteraron apenas las zonas reguladoras de esos mismos genes.

Por otra parte, una mutación de un gen hox, como Antennapedia, puede crear una estructura corporal diferente a la habitual en algunos sitios, como la aparición de patas en el lugar habitual de las antenas de una mosca (figura siguiente). Esta mutación parece que permite al gen Antennnapedia expresarse no sólo en el segundo segmento del animal, sino también en el primero, donde va la cabeza.

1280px-Antennapedia2

Figura. Mutación Antennapedia de Drosophila melanogaster

Sobre el origen de los genes Hox en Urbilateria, probablemente tuvieron lugar cuatro o cinco  duplicaciones sucesivas de un gen Hox original de una Hidra primitiva que empezaron a actuar todos ellos sobre los mismos genes realizadores, que empiezan a obedecer, tras cada duplicación, a un nuevo gen Hox controlador además de a los previos. Aún hoy en día, los genes realizadores sobre los que actúan los diez genes Hox en un animal dado son casi los mismos. Es la activación de los realizadores en diferentes grados y en diferentes tiempos lo que genera una estructura u otra a partir de ese mismo conjunto de genes realizadores. Pero, si los diez genes Hox han surgido por copia simple duplicada de uno inicial, ¿por qué el cuerpo no es una ristra de estructuras repetitivas de boca a ano? ¿cómo se generaron los animales tan diversos de la explosión cámbrica? Incluso todavía hoy, los diez genes Hox son muy parecidos unos a otros. Las principales diferencias fucionales que hoy se observan entre los genes Hox es su mayor o menor afinidad por los (mismos) genes realizadores. Eso también se demostró en el laboratorio de Bellido en Madrid. Los genes Hox están alineados en la cinta genética en el mismo orden en que están los segmentos del cuerpo sobre los que actúan. Pues bien, la proteína reguladora producida por el gen Hox más posterior (que especializa al segmento más posterior del cuerpo) tiene siempre mayor afinidad por los genes realizadores que la que tiene el gen Hox inmediatamente anterior, si ambos actuaran al mismo tiempo en la misma zona corporal. O sea que el gen Hox “zen” (posición 3) cuando se bifurcó primitivamente, dio lugar a los genes Hox de las posiciones 4 y 5, que tienen una afinidad creciente, y así sucesivamente, hacia atrás. Una modificación de una sola letra del ADN podría dar lugar a una variación de la afinidad (facilidad del anclaje de la proteína en la parte controladora del gen realizador). El que las mutaciones que aumentaron la afinidad fueran las que han sobrevivido tiene un sabor a “selección de tipo Darwiniano”.

¿Cómo pueden esos genes repetidos, con afinidades crecientes por sus realizadores, generar algo distinto a una aburrida lombriz cilíndrica? No todo lo que vino con la explosión Cámbrica eran aburridas lombrices segmentadas. Es difícil saberlo, pero un mecanismo podría ser el siguiente: supongamos que hubiera una proteína (“BG”) en el metabolismo de las células que compitiera con las proteínas reguladoras de los genes Hox por sus mismos sitios reguladores en todos los cientos de genes realizadores (el razonamiento es análogo si hubiera varias proteínas BG). La proteína BG bloquearía el receptor o parte reguladora del gen, evitando así que las verdaderas proteínas Hox pudieran anclarse, con lo que el gen realizador permanecería inactivo. En esa situación, cuanto más anterior es el gen Hox que está actuando en una zona del cuerpo, más genes realizadores permanecen inactivos, pues están siendo inactivados por la proteína BG. Y una distinta distribución de genes realizadores activos en distintas partes del cuerpo implica la aparición de estructuras diferentes, aunque los genes Hox sean casi los mismos, los genes realizadores sean los mismos y lo único que varíe sea la afinidad de la proteína reguladora producida por cada gen Hox.

Esa proteína competidora de las de los genes Hox se ha observado, en Drosophila se llama “extradenticles”, y se parece mucho a ésta en otros animales. Hay distintas maneras de activar ordenadamente los genes Hox de un animal a lo largo de su cuerpo. Drosophila lo hace creando un gradiente de concentración en una proteína reguladora llamada hunchback.

Luego Sampedro estudia las varias estructuras oculares de los animales como ejemplos de productos de genes realizadores. Al parecer todos los genes realizadores de un ojo en cualquier animal tienen una parte compartida, lo cual podría ser coherente con el modelo que emplean los embriólogos evolutivos para explicar el origen del ojo: se construye inicialmente una capa de células fotosensibles, y se la conecta por detrás con terminaciones nerviosas. Luego esa capa se curva para mejorar la información sobre la dirección de donde vienen las luces intensas y las ausencias de luz, la curvatura crece para aumentar el campo de direcciones, hasta hacerse cóncava; la apertura de la concavidad, protegida por células epiteliales, aumenta de densidad creando rudimento de imágenes por el efecto lente; finalmente, la lente delantera se especializa.

Stages_in_the_evolution_of_the_eye.png

Fases en la evolución del ojo. (a) Sitio pigmentado. (b) Simple cúmulo de pigmentos.
(c) Una cavidad óptica, como la de los haliótidos. (d) Ojo complejo con lente, como en las caracolas y los pulpos. Tomado de https://es.wikipedia.org/wiki/Complejidad_irreducible

 

Pero la evidencia genética es más compleja que eso. De nuevo, no sólo parece haber selección gradual darwiniana como el modelo anterior sugiere: hay un gen (“eyeless”) con una homeobox, como los genes Hox, que controla toda la secuencia de construcción de un ojo completo controlando a centenares de genes realizadores. Cuando se activa en un lugar corporal extraño, genera un ojo parcialmente funcional en ese lugar.  El gen eyeless humano o del ratón es capaz de generar ojos en una mosca (ojos de mosca, no de humano ni de ratón), lo cual sugiere que su función se ha mantenido constante desde tiempos de Urbilateria, al igual que sus redes realizadoras asociadas. Se ha comprobado experimentalmente cómo eyeless comienza activando la conversión de células de piel en células de retina, luego activa al gen hedgehog, cuya proteína sale de la célula y activa a las células vecinas para que se conviertan en neuronas también y que activen nuevos genes hedgehog en ellas. El proceso crece como una onda desde una célula inicial superficial, hacia dentro y hacia los lados, hasta que se ha formado una retina completa conectada con nervios. Y este primer proceso ocurre igual en todos los animales, tanto los que construirán ojos humanos como los que construirán ojos compuestos. Los cristalinos, omatidios y otros dispositivos ya son invenciones evolutivas posteriores que se han desarrollado independientemente pero a partir de una misma estructura inicial, constante durante 600 millones de años. La misma estructura básica genética inicial se observa en la construcción de una pata de insecto y de una pata de un mamífero, basados en “genes de polaridad segmental” y otras estructuras genéticas comunes. Sólo los detalles finales divergen. Pero en esos detalles, por ejemplo, la diferenciación de los dedos de una mano, se usan también estructuras comunes, como los propios genes Hox, pero aplicados al eje transversal de la mano, para diferenciar segmentos en la misma cada uno con un apéndice (dedo). Ese uso (o no) de las mismas estructuras compartidas en diferentes partes del cuerpo, quizás junto con pequeños detalles genéticos añadidos, permiten explicar la mayor parte de la versatilidad que se observa en los animales. Hay otras estructuras genéticas compartidas, como la que establece el eje dorso-ventral (sugiriendo que Urbilateria tenía ya espalda y vientre).

Fila Hox como módulo genético en la evolución

Figura tomada de José Aceituno (2010).

La evolución modular parece pues tan importante como la selección natural. Módulos genéticos previos plenamente funcionales se barajan o se duplican y se reutilizan de otra manera, por azar quizás, y en muchas ocasiones se genera una emergencia que prospera y es seleccionable de forma darwiniana. Además de los módulos comentados hasta ahora, hay otros como el gen que controla la polaridad segmental que controla a otros muchos, y cuyo efecto es definir en una célula o en conjuntos de células ejes direccionales, como “anterior-posterior”.

Como resume muy bien José Aceituno (2010):  “Las principales innovaciones biológicas de la evolución no parecen haber seguido un proceso acumulativo de lentas mejoras por mutaciones de genes aislados. Tienen una naturaleza modular: Han consistido en la reutilización de módulos genéticos completos y previamente funcionales. Cada gen selector y su cadena de genes realizadores es un módulo con el que la evolución puede ensayar. La naturaleza es perezosa. La evolución prefiere plagiar, duplicar, reutilizar y recombinar unidades funcionales mucho más complejas que el solitario gen egoísta de las teorías ortodoxas.”

La evolución humana

Sampedro acaba repasando la evolución humana. Lo que más me ha llamado la atención de su exposición es que los antecesores de Neanderthal se cruzaron fértilmente con los Erectus; y los Homo Sapiens que invadieron Europa en la oleada de hace 50.000 años se cruzaron fértilmente con los Neanderthales, puesto que hay genes de las dos especies en el genoma humano. Por ello, no tiene mucho sentido seguir considerando a Erectus y a Antecessor como especies diferentes a Sapiens. Podrían ser razas humanas, aunque Erectus tenía un cerebro mucho menor, pero podía cruzarse con sapiens, o al menos con los sapiens arcaicos.

Homo-erectusHomo Antecessorhomo-sapiens-arcaico

Homo Erectus, Homo Antecessor y Homo Sapiens.

En los test de proximidad genética humana se detectan tres oleadas procedentes de Africa: una de hace 1,7 a 1,8 millones de años (los Homo Erectus), que se extendió por Eurasia con sus técnicas de tallar piedras; otra entre 700 mil y 800 mil años (Homo Antecessor), propaga un tamaño de cerebro ampliado y una técnica refinada de tallar piedras (Achelense); y la tercera oleada, hace 100 mil años (Homo Sapiens). Las tres habría que entenderlas como variedades sucesivas de Homo Erectus.

Cavalli-Sforza y el grupo de la Universidad de Stanford han reconstruido genéticamente la historia de la tercera oleada. Unos 10 mil hombres, ya con la anatomía actual, salieron de Africa hace 100 mil años, en la tercera oleada, por Egipto, Suez y Oriente Próximo. La mayoría se dirigió hacia el Este, hacia el sur de Asia, alimentándose de frutos silvestres y caza, y viviendo en cuevas y en campamentos. Una parte de ellos se quedó establemente en las praderas de caza que había entonces entre Paquistán e India (el actual desierto del Thar). Cuando empezó a secarse el Thar, en el máximo glaciar, aquel grupo regresó hacia el oeste y llegaron hace 40 mil años a Europa. La mitad de los europeos modernos son descendientes directos de ellos, homogéneamente entre Escandinavia y Andalucía. Los mismos genes pueden encontrarse aún en algunos ciudadanos de Pakistán y Norte de India. En Europa conocieron a esos otros homínidos llamados Neandertales, que les debieron parecer bastante bestiales y rudimentarios, aunque de su propia especie, dado que copularon fructíferamente con ellos o ellas. Las innovaciones culturales, técnicas y artísticas que trajeron los hombres de la tercera oleada se produjeron también en norte de India y los demás sitios por donde pasaron, igual que en Europa, pero este continente está mucho más estudiado arqueológicamente.

La mitad de los europeos que no procede de esa tercera oleada procede de dos más tardías: una de hace 20 mil años, procedente de Oriente Próximo, que trajo las figuras de Venus prehistóricas, el arpón y la aguja de coser (cultura Gravetiense). El 30% de los europeos descienden de ellos.

El 20% restante desciende de la oleada que entró hace 10 mil años desde Oriente Medio, extendiéndose por el Mediterráneo de este a oeste: los pueblos neolíticos que traían la agricultura del trigo, la cebada, el guisante y el lino, y las primeras ciudades. Luego, se extendió hacia el norte hasta Escandinavia. Esta migración hizo que los pueblos actuales del Mediterráneo y de Oriente Próximo sean muy próximos genéticamente. En cambio, los habitantes del norte de Europa tienen relativamente más carga genética de las dos oleadas anteriores.

Aldea Neolítica

Fig. Vida en un poblado neolítico. Imagen tomada de: https://www.slideshare.net/sajomoes/abstraccin-estructura-de-las-aldeas-19326691

Luego Sampedro analiza la consciencia humana y su posible origen. La consciencia, dice, parece estar hecha de escenas o estados de consciencia unitarios. Y expone la teoría de Edelman y Tononi. De acuerdo con ella, la corteza cerebral está dividida en áreas especializadas: visuales, auditivas, olfativas, somatosensoriales, asociativas, implicadas en toma de decisiones, operaciones aritméticas, identificación y extrapolación del movimiento, etc. Parece haber cientos, hasta para procesos muy específicos, como reconocer disonancias tonales. Cada zona de estas genera un aspecto o componente de la consciencia que, si falta por culpa de una enfermedad neuronal, puede hacer que, por ejemplo, el sujeto empiece a ver las cosas en blanco y negro, y que también sus recuerdos se vuelvan de repente todos en blanco y negro. La “rojez” parece ser una de las muchas componentes de la consciencia. Pero cuando somos conscientes de una escena (la vemos, la recordamos o la imaginamos) no somos conscientes de cada uno de sus elementos componentes, sino que se nos aparece integrada como un todo, como un estado indivisible. Edelman y Tononi opinan que el cerebro establece redes de interacciones mutuas y simultáneas entre todas las áreas especializadas de ese tipo que duran unos 150 milisegundos antes de dejar paso a otras configuraciones distintas sucesivas en la red de interacción. De este modo, nuestra vida consciente consiste en una especie de película de unas seis escenas cada segundo. El tiempo de reacción para tomar una decisión, o para retirar un dedo de una llama es mucho más rápido que 150 ms.

Areas funcionales del cerebro

Las conexiones entre los “especialistas” del cortex se refuerzan cuando sus distintos componentes tienden a darse juntos en la experiencia, en el recuerdo o en la imaginación. Meses después, la aparición de uno de los elementos aislados de esa escena (la imagen de un violinista, un olor a madera…) tira de todas las demás asociadas y la red reaparece completa como un concepto. A un concepto se le puede poner nombre (como “nostalgia”, “mañana soleada”, “bosque húmedo”) o no hacerlo, pero la red estable de asociaciones automáticas está activa en el cerebro, etiquetada verbalmente o no. Y la capacidad verbal que evolucionó en el área de Broca parece haber traído una capacidad específica nueva que consiste en rastrear el cerebro buscando asociaciones estables (conceptos brutos activos) y asociarles un nombre.

Los animales de comportamiento rígido, como los reptiles, puede que no tengan consciencia en este sentido de conjuntos estables de asociaciones formadas de la experiencia, o quizás habría que decir mejor que estas asociaciones son muy básicas. Pero la aparición de cierta flexibilidad y variedad en esas asociaciones  tiene un sentido adaptativo claro en medio de un mundo de cazadores, presas y cambios ambientales típico de un animal. El aumento de la complejidad de la consciencia primaria (aumento del número de conexiones neuronales “de reentrada” y número de especialistas del cortex) pudo surgir gradualmente por selección natural, y así lo creen Edelman y Tononi. Los homínidos seguramente evolucionaron hacia ese tipo de consciencia primaria compleja. Y entonces es cuando aparece en Homo Erectus (hoy Sapiens) una especialización neural nueva que consiste en etiquetar con palabras las escenas conscientes primarias. Así lo creen, no sólo estos dos autores, sino también Daniel Dennett.

Según Sampedro, la manera de actuar de ese nuevo especialista del cortex situado en el área de Broca es generando asociaciones entre escenas y palabras, y ordenando las palabras en estructuras sintácticas universales tales como las que Chomsky ha esbozado. Y con este equipaje nacemos, de ahí la facilidad con la que todos los niños aprenden a hablar.

Pero ¿cómo pudo la selección natural darwiniana conducir a una estructura neuronal tan peculiar?

Según Sampedro, que se basa en la teoría del lenguaje como explorador de Dennett, Jackdendorff y otros, los Australopithecus ya disponían de un sistema complejo para formar escenas unitarias conscientes, gracias a la interacción paralela de especialistas del cortex. Los conceptos brutos ya existían pues antes que las palabras (“moverse hacia aquí”, “estar delante”, etc.). Cuando el lenguaje apareció no lo hizo como el sistema formal abstracto actual, sino como un sistema explorador de esos conceptos o escenas conscientes previos, a los que comenzó a poner nombre: mío, tuyo, ir, venir, entrar, tomar, dar,… Estas primeras palabras son las que tienen unas raíces etimológicas más profundas y exhiben unas estructuras más irregulares, reflejo quizás de que se inventaron mucho antes de que el lenguaje fuera un sistema formal, lleno de regularidades. Las primeras palabras se limitaron a etiquetar conceptos anteriores al lenguaje, los más importantes, los que se generan en la consciencia primaria de un mono o de un homínido.

¿Pero cómo pudieron orientarse los genes hasta generar una estructura cerebral generadora de estructuras sintácticas ordenadas como la que produce el lenguaje en un niño actual? El surgimiento del lenguaje moderno parece haber sido muy rápido y el lamarckismo, que es el único mecanismo capaz de provocar evoluciones rápidas, está desacreditado. Sin embargo hay un mecanismo “lamarckiano” dentro del darwinismo más estricto que es el “efecto Baldwin”, que puede ser clave en esta evolución súbita.

El efecto Baldwin se basa en que aprender algo no es más que reforzar ciertas conexiones y debilitar otras. Y un dispositivo innato del cerebro no es más que una serie de conexiones sinápticas reforzadas o debilitadas desde el nacimiento. Si una estructura de conexiones y reforzamientos sinápticos del córtex capacita a un grupo para asociar conceptos con fonemas (gruñidos estables o palabras) esta estructura particular se vuelve objeto de la selección natural, porque el nuevo comportamiento social que posibilita es relevante para la supervivencia del individuo y del grupo. De manera que en cuanto una especialidad neuronal nueva permite un comportamiento diferente, esa estructura neural nueva se vuelve objeto de la selección darwiniana. Esta idea la formuló también Jacob hablando de la rápida evolución de la inteligencia humana, aunque él lo expresaba en términos de aumentos de la presión de selección de estructuras genéticas motivados por el ensayo de comportamientos sociales específicos.  Es la otra manera de describir el efecto Baldwin, y el argumento lo utilicé yo también en un artículo que escribí hace años (García-Olivares 1991).

Los primeros gruñidos exploraron los estados de consciencia previos, y la posibilidad de comunicar gruñidos estables permitió sincronizaciones mucho más precisas del comportamiento grupal en relación con las amenazas y posibilidades del medio. Y esa mejora se seleccionó de forma darwiniana. Un estado de consciencia duran 150 ms, pero la palabra nos permite congelarlo, manipularlo, combinarlo con otro, recordar sus efectos, predecir las escenas que se derivarán en situaciones similares. Y permite comunicar a otros esas mismas posibilidades de asociación y deducción.

Según Sampedro, la evolución modular mediante duplicaciones probablemente estuvo detrás del súbito aumento de tamaño del cortex del Australopitecus. Pero lo que hace especial a los sistemas nerviosos es su capacidad de aprendizaje que permite el efecto Baldwin, que permite que lo aprendido se convierta al final en instinto innato. Como dice Sampedro, si hay un dispositivo biológico que huele a adaptación darwiniana por todos los poros, éste es precisamente la mente humana.

Sampedro termina el libro comentando el gran misterio del origen de la primera célula, de la que han derivado todas las células actualmente vivas. Todavía más misterioso que su origen es por qué no hay rastro de ninguna otra forma organizativa diferente a aquella primera célula. ¿Es que es un suceso extremadamente improbable y sólo se produjo una vez? ¿Es que la primera célula acabó con todas las demás formas de autoorganización alternativas a ella misma? Esto último no parece verosímil, ninguna especie ha acabado con todas las demás en la historia de la Vida. La aparición de la primera célula eucariota no hizo desaparecer a las procariotas. La aparición de Urbilateria y sus descendientes no hizo desaparecer a los metazoos de simetría radial.  ¿Y por qué no hay cientos o miles de formas de transición entre la materia inanimada y la vida, aunque sean sepultadas en los sedimentos precámbricos? ¿por qué no hay seres vivos con ADN dextrógiro, o con otras formas de organizar el código genético, o con formas más simples de replicación? Es como si la transición a la vida sólo hubiera ocurrido una vez en este planeta.

Panespermia

Sampedro comenta la teoría de Francis Crick de la panespermia dirigida como una posibilidad. Dos premios Nóbel, Francis Crick y, antes que él, Svante Arrhenius, fueron sus principales defensores. Aunque reconoce que es desplazar el problema a otro lugar y no responde al fondo de la cuestión. Si alguna forma de vida superior (o un proceso natural, como un meteorito procedente de restos de un cometa) trajo la primera célula a la Tierra, ¿cómo evolucionó la vida fuera de la Tierra? La única ventaja que tiene esa teoría es que permite imaginar un planeta o lugar donde las condiciones para el surgimiento de formas vivas diferentes fueran mucho más favorables y la aparición de la vida muy probable. En la Tierra las condiciones no parecen favorables a la aparición de formas vivas, dado que aparentemente sólo ocurrió una vez, mientras que en otros sitios quizás las condiciones hayan podido ser mucho más favorables y entendibles. Este es el razonamiento de Crick.

 

Referencias

Aceituno J. (2010). Evolución: Y después de Darwin, ¿qué? https://es.slideshare.net/universidadpopularc3c/evolucion-ygenetica

García-Olivares A., Esteban J., 1989. Sobre la estabilidad estructural del capitalismo. Revista internacional de sociología, Nº. 2, págs. 27-41. ISSN 0034-9712

Sampedro J. Deconstruyendo a Darwin- Los enigmas de la evolución a la luz de la nueva genética. Editorial Crítica, 2007.

La evolución de la complejidad

Esta publicación de hace algunos años puede ser útil para el lector interesado en los mecanismos que hacen surgir sistemas complejos, en la naturaleza y en los grupos humanos.

Se describe la crisis del paradigma determinista, que tuvo lugar entre mediados y finales del siglo XX debido a las aportaciones de Poincaré,  Von Foerster y otros investigadores en “cibernética”, la Mecánica Cuántica, y las aportaciones en termodinámica del no-equilibrio de Ilya Prigogine. Este autor muestra que en sistemas atravesados por un flujo de energía suficientemente intenso, las interacciones entre las fuerzas termodinámicas y las fluctuaciones microscópicas azarosas generan estructuras disipativas que autoorganizan su estado en el espacio y en el tiempo. Herman Haken, y su escuela de la sinergética, sistematizaron las principales ideas de Prigogine. Un proceso de autoorganización exige la presencia de un flujo de energía que atraviesa el sistema y lo aleja del equilibrio termodinámico, muchas partes componentes en interacción, y la aparición de fluctuaciones microscópicas o perturbaciones externas aleatorias. La descripción matemática de estos procesos une los desarrollos de Prigogine en termodinámica lejos del equilibrio con la descripción que hace la matemática de las formas universales que tiene un sistema dinámico de desestabilizarse.

Hay dos formas principales en que un sistema puede desestabilizarse y pasar a un estado de mayor (o de menor) complejidad: (i) por cambio en los parámetros externos que controlan los flujos, fuerzas termodinámicas, o interacciones entre componentes (inestabilidad sinergética), o (ii) por inestabilidad estructural ante la aparición de nuevos componentes y/o intracciones. Esta última puede ser importante, sobre todo, en procesos evolutivos.

En el artículo que se linka se comentan algunas aplicaciones de estos formalismos, que fueron los primeros que se propusieron en la actual teoría de sistemas complejos, en campos como la química, ecología, biología, evolución, y las ciencias sociales.

Evolucion de la Complejidad_Empiria_1