Читать книгу Metazoos - Питер Годфри-Смит - Страница 12

La doma de la carga eléctrica fue un acontecimiento fundamental en la historia humana reciente. En el siglo XIX, la electricidad pasó de ser una fuerza misteriosa, a menudo peligrosa (que se encontraba del modo más directo en los relámpagos), a ser un elemento de las tecnologías que pronto formaron el mundo moderno. Si usted está leyendo este libro bajo luz eléctrica o en un ordenador, la lectura es posible gracias a la electricidad. Este progreso eléctrico modernizador fue el segundo de dos. La carga eléctrica fue domada también miles de millones de años antes, durante los primeros estadios de la evolución de la vida. En las células y los organismos, la electricidad es el medio que posibilita gran parte de lo que ocurre. Es la base de la actividad cerebral (nuestros cerebros son sistemas eléctricos) y también de muchas más cosas.

¿Qué es la electricidad? incluso muchos físicos encuentran vaga esta pregunta. La carga eléctrica es una característica básica de la materia. La carga puede ser positiva o negativa. Los objetos con la misma carga (positiva y positiva, por ejemplo) se repelen, y los que tienen cargas distintas (positiva y negativa) se atraen. La materia de los objetos ordinarios contiene ambas cargas. Cualquier átomo es una combinación de partículas todavía más pequeñas, algunas de las cuales son positivas (protones), otras son negativas (electrones) y en la mayor parte de los casos, otras partículas (neutrones) carecen de carga. Por lo general, un átomo contiene el mismo número de electrones que de protones, de modo que el propio átomo no tendrá una carga neta, pues las cargas positivas y negativas del mismo se encuentran equilibradas de manera exacta.

La tendencia eléctrica a atraerse y repelerse es fuerte. He aquí qué dice el inimitable Richard Feynman en sus Lectures on Physics:

La materia es una mezcla de protones positivos y electrones negativos que se atraen y se repelen con su gran fuerza. Sin embargo, el equilibrio es tan perfecto que, cuando nos hallamos cerca de otra persona, no notamos ninguna fuerza en absoluto. Si hubiera siquiera una pizca de desequilibrio lo notaríamos. Si nos encontráramos a la distancia de un brazo de alguien y cada uno de nosotros tuviéramos un uno por ciento más de electrones que de protones, la fuerza de repulsión sería increíble. ¿Cuán grande sería? ¿Suficiente para levantar el Empire State Building? ¡No! ¿Para levantar el monte Everest? ¡No! ¡La repulsión sería suficiente para elevar un «peso» igual al de toda la Tierra!

En la mezcla de partes cargadas que comprende la materia ordinaria, los electrones, las partículas negativas, se hallan en el exterior de los átomos, mientras que los protones (junto con los neutrones) se hallan en su interior. A veces los electrones del exterior pueden ganarse o perderse, lo que resulta en un ion. Un ion es un átomo (o a veces una molécula que combina unos pocos átomos) que ha desequilibrado sus partes cargadas mediante dicha pérdida o ganancia, y que por ello tiene una carga total propia. Cuando muchas sustancias químicas se disuelven en agua, producen iones que entonces se dispersan. El agua salada es agua con iones disueltos. Cualquier gotita de agua de mar contiene innumerables iones que interactúan entre sí y con las moléculas de agua, atrayéndose y repeliéndose.

Una corriente eléctrica es un movimiento de partículas cargadas, ya sean positivas o negativas. En un cable metálico, una corriente toma la forma de un movimiento de electrones, mientras que los restantes átomos que constituyen el cable permanecen en su lugar. Las corrientes eléctricas que se usan en tecnología (luces, motores, ordenadores) funcionan en su mayor parte de esta manera. Pero una corriente puede ser también un movimiento de iones enteros. Por ejemplo, si se puede inducir en algunos iones positivos o negativos movimiento en una dirección consistente, esto es una corriente eléctrica. No hace que una corriente fluya: es una corriente. Cualquier contenedor de agua salada puede contener una corriente de este tipo, si de alguna manera podemos conseguir que se produzca una pauta general de movimiento de iones del tipo adecuado. En los sistemas vivos, a diferencia de los inventos humanos, la mayoría de las corrientes adoptan esta forma.

La carga eléctrica no es como la vida ni es mental en sí misma. Produce mucho de lo que ocurre en el mundo inanimado, así como en el animado. Pero la actividad vital funciona a base de carga eléctrica, en especial por el agrupamiento, el bombeo, el traslado conjunto y la liberación de iones.

La membrana celular mantiene muchas cosas o bien fuera o bien dentro, pero contiene canales que permiten selectivamente que algunos materiales la atraviesen. Muchos de estos son canales iónicos. A veces un canal permite pasivamente que los iones pasen de un lado al otro, quizá bajo circunstancias específicas; en otros casos, la célula bombea los iones a través de la membrana.

Los canales iónicos son compartidos, con variaciones, en todo tipo de vida celular, incluidas las bacterias. No suelen ser totalmente claras las razones por las que las bacterias forman complejos puertos y pasadizos para los iones. Inicialmente, los canales pudieron surgir solo para permitir que las células ajustaran su carga total en relación con el exterior: afinando su carga al tiempo que la domaban. Pero siempre que hay tráfico a través de las fronteras de un sistema vivo, este tiende a adoptar más roles. Por ejemplo, un flujo de iones puede funcionar como una forma mínima de sentido: supongamos que el contacto con una sustancia química externa concreta abre un canal y permite entrar iones. Aquellas partículas cargadas pueden favorecer nuevos acontecimientos en la célula en movimiento.

La siguiente consecuencia de estos flujos de iones está relacionada con este tráfico de entrada y salida, pero es un cambio mayor, más global para la célula. Este paso siguiente es la excitabilidad. Los canales controlan el flujo de partículas cargadas, y estos canales pueden ser controlados: pueden abrirse o cerrarse. Estos movimientos pueden producirse mediante química, o impacto físico, pero también pueden implicar la misma carga eléctrica. Los canales iónicos regulados mediante voltaje son canales que se abren en respuesta a acontecimientos eléctricos a los que se hallan expuestos. Esto hace posible una reacción en cadena; un flujo de corriente crea un flujo de corriente mayor, que se extiende por toda la membrana celular.

Podría parecer que este no es un paso decisivo, y su utilidad resulta menos evidente que la descripción que describí anteriormente, en que el flujo de iones es sensible a las sustancias químicas que la célula encuentra en sus desplazamientos. Pero los canales iónicos regulados mediante voltaje son la base de otra innovación, el potencial de acción. Se trata de una reacción en cadena de cambios en la membrana de una célula, especialmente en nuestro cerebro. En un punto fluyen al interior de la célula iones positivos, lo que afecta a los canales iónicos en puntos adyacentes, que se abren y permiten que entren más iones, y así sucesivamente. Una oleada de disrupción eléctrica viaja a lo largo de la membrana como una pulsación. Un potencial de acción es el acontecimiento instantáneo que se describe al decir que una célula del cerebro «dispara». Este acto instantáneo tiene lugar por medio de canales iónicos regulados mediante voltaje.

En un canal iónico regulado mediante voltaje, un controlador de la corriente es afectado por las cargas eléctricas a las que se halla expuesto; el flujo de la corriente es controlado eléctricamente. Este es el principio de un transistor. Al principio de esta sección mencioné los avances del siglo XIX que llevaron la electricidad al ámbito de la tecnología humana. Otro avance de este tipo tuvo lugar en el siglo XX, con la invención del transistor. Los chips de silicio en los ordenadores y teléfonos inteligentes son conjuntos de minúsculos interruptores eléctricos de este tipo. El transistor fue inventado hacia 1947 en los Laboratorios Bell, en los Estados Unidos, o en cualquier caso ese año. El primer transistor de los Laboratorios bell tenía aproximadamente tres centímetros de tamaño, y desde entonces se ha ido refinando y reduciendo. El mismo dispositivo fue inventado miles de millones de años antes en la evolución de las bacterias.

Si las bacterias inventaron los transistores, ¿qué hacían con ellos? ¿Por qué necesitaban controlar la electricidad con electricidad? Que yo sepa, no hay un consenso general sobre la respuesta a esta pregunta. Las bacterias podrían haberlos usado como parte del mantenimiento electroquímico de la célula. Podrían haberlos usado en el control del nado. Los canales que perciben sustancias químicas externas pueden ser incidentalmente sensibles a la carga eléctrica, y las bacterias que forman colonias en «biofilms» emiten señales de célula a célula utilizando iones. Pero las bacterias carecen de potenciales de acción (las reacciones en cadena instantáneas en nuestro cerebro) y la situación me parece muy extraña. Hace varios miles de millones de años, la naturaleza inventó el dispositivo fundamental de soporte físico en tecnología informática (una tecnología por lo demás complicada y cara) y lo hizo en las bacterias, pero no parece que las bacterias hayan realizado mucha actividad informática con él.

Con independencia de por qué apareció, el canal iónico regulado mediante voltaje fue un hito en la doma de la carga. Estos canales no tienen un único uso evidente, dije anteriormente. En determinado sentido, tampoco lo tiene un transistor, y en ambos casos esto es un aspecto de su relevancia. Un transistor es un medio general de control, un dispositivo para hacer que acontecimientos producidos aquí afecten a acontecimientos allí de una manera rápida y fiable. Los hechos controlados pueden ser variopintos, cualquier cosa que sea útil. Cuando permiten potenciales de acción, los canales iónicos regulados mediante voltaje también hacen posible que la actividad celular tenga una cualidad «digital»; una neurona se activa o no, sí o no. No todos los animales poseen neuronas con estas activaciones instantáneas, y hay sistemas nerviosos que pueden funcionar con formas de excitabilidad más suaves, pero esta característica digital es ciertamente útil. Es notable que este dispositivo de control se inventara tan atrás en el tiempo, cuando la mayoría de los usos que ahora tiene no eran ni siquiera destellos a ojos de la evolución.

En esta época de ordenadores omnipresentes y de IA es natural, casi inevitable, reflexionar acerca de las relaciones entre los sistemas vivos y estos artefactos. ¿Acaso organismos y ordenadores hacen esencialmente la misma cosa con materiales diferentes? Se perciben, efectivamente, semejanzas entre ambos, a veces de forma inesperada, pero también es importante reconocer desemejanzas. Una diferencia es que gran parte de lo que hace una célula, su actividad principal, es algo que un ordenador nunca tiene que hacer. Una gran parte de la actividad de una célula se ocupa de mantenerse a sí misma, hacer que siga entrando energía, mantener activa una pauta de actividad a pesar de la degradación y sustitución de materiales. En los sistemas vivos, las actividades que se parecen a las cosas que también hacen los ordenadores (intercambio eléctrico y «procesamiento de información») están siempre integrados en un mar, una miniecología u otros procesos químicos. En las células, todo lo que ocurre tiene lugar en un medio líquido, sometido a las vicisitudes de la tormenta molecular y a todas las digresiones químicas en las que participan los sistemas vivos. Cuando construimos un ordenador, construimos algo cuya operación es más regular y uniforme; construimos algo que se verá distraído tan poco como sea posible por las reflexiones no dirigidas e indirectas de su química.

Esto está relacionado con una cuestión más amplia. A menudo, en estos primeros capítulos, intento describir una maraña de partes y procesos en el seno de las células y de organismos sencillos. Un término que se presenta de modo natural en muchos momentos es «maquinaria»: consideramos la maquinaria de los sentidos, la maquinaria de la excitabilidad. Escribo la palabra «maquinaria» y siempre me pregunto si debo borrarla. En un sentido amplio del término, sí, los canales iónicos regulados mediante voltaje son fragmentos de maquinaria, y también lo son los nervios y los cerebros. Negarlo es desplazarse hacia concepciones dualistas (alma + cuerpo) o vitalistas («fuerza vital»). De modo que me digo: no borres esta palabra. Pero los contrastes entre máquinas y sistemas vivos también son grandes. En las células, los procesos de la vida implican impartir orden sobre una tormenta molecular y la agregación imperfecta de iones. Esto no se parece en nada a lo que ocurre en el seno de una máquina que hayamos construido. Por lo general, construimos máquinas para que sean predecibles y restringidas en sus actividades, aunque después podamos usarlas para simular funcionamientos más caóticos. Describir los intrincados materiales de las células como «maquinaria» es correcto en algunos aspectos, pero erróneo en otros.

Hay todavía otra cosa que quiero destacar en este inventario de características de la vida existentes antes de los animales. Ya la he mencionado unas cuantas veces, pero ahora quiero darle por un momento un papel protagonista. La característica es el tráfico, un ir de aquí para allá entre sistemas vivos y su entorno. Este tráfico incluye el flujo de iones que se ha descrito anteriormente, y también el ingreso de materiales en bruto y la eliminación de desechos. Las células están limitadas, pero no están cerradas al mundo. Lo que destaco aquí es la característica posesión de ventanas de la vida celular.

Dicho tráfico tiene un aspecto metabólico (ue implica obtener energía y usarla para mantener la vida) y también un aspecto informacional. Algunas influencias entrantes son importantes por derecho propio (como el alimento, por ejemplo), mientras que otras son importantes por lo que predicen y presagian, por lo que indican más allá de sí mismas. El aspecto metabólico de este ir de aquí para allá es inevitable si la vida ha de continuar. La misma actividad vital es una pauta que existe insertada en un flujo energético, flujo que se inicia y termina fuera del organismo. Mi colega Maureen O’Malley lo expresó bien; combinando algo de jerga química con una imagen de otra fuente, dijo que estar vivo requiere aprender cómo existir «en una montaña rusa redox, dando y recibiendo perpetuamente». (Una reacción o redox implica una transferencia de electrones entre dos moléculas). Una consecuencia de ello, y parte de lo que O’Malley quería destacar, es que los sistemas vivos son intrínsecamente sensibles a los cambios y hechos que tienen lugar en el exterior. No tienen la opción de carecer de ventanas, sino que están abiertos al mundo debido a la necesidad energética. Una vez abiertos al mundo de esta manera, se verán afectados por lo que ocurra. Y una vez se vean afectados por estos intercambios, la evolución tenderá a que esta sensibilidad tenga un uso: el organismo encontrará a menudo una manera de reaccionar a los hechos de modo que ello mejore sus proyectos, por sencillos que estos puedan ser. Toda la vida celular conocida, incluidas las minúsculas bacterias, tiene cierta capacidad de sentir el mundo y de responder a él. Esta capacidad, al menos en su forma más básica, es muy antigua y se halla en todas partes.