Cuando la ciencia llega a un límite, aprende a hacer diferentes preguntas

Por Chris Kempes, profesor en el Instituto Santa Fe, trabajando en la intersección de física, biología y ciencias de la tierra y Van Savage, profesor de ecología, biología evolutiva y biomatemáticas en la Universidad de California, Los Ángeles.

Editado por Sally Davies

Originalmente publicado en Aeon.co

Traducción al castellano por Leandro Castelluccio. Link a mis ensayos.

El pez será el último en descubrir el agua.

Proverbio moderno

Hable con los estudiantes de secundaria que se preparan para sus exámenes de ciencias, y probablemente escuchará dos cosas: que tienen miedo a la física y se sienten relativamente cómodos con la biología. Curiosamente, esto es contrario a la opinión de la mayoría de los investigadores. El espíritu científico es que la física es fácil. Su simplicidad proviene de la capacidad de crear teorías cristalinas que son poderosamente predictivas, para todo, desde la existencia de partículas subatómicas hasta cómo la luz se dobla alrededor de las estrellas. La biología, por otro lado, es mucho más difícil de asimilar en elegantes teoremas y ecuaciones matemáticas. Por esta razón, algunos pensadores eminentes han argumentado que las células y los bosques son más difíciles de entender que los agujeros negros distantes y difíciles de observar. 

Pero tal vez no exista una disciplina fácil o difícil. Tal vez solo haya preguntas fáciles y difíciles. La biología solo parece tan difícil porque ha sido definida por un conjunto de preguntas muy difíciles. La física solo parece fácil porque siglos de esfuerzo por parte de pensadores profundamente perspicaces han producido una serie de preguntas que se pueden responder.

Lo que hace que la biología sea tan desafiante, irónicamente, es nuestra cercanía. Pregúntese: ¿qué es “más fácil” de entender: un enamoramiento romántico o un compañero de trabajo? Nuestra intimidad con la biología, así como con la psicología y las ciencias sociales, nos ha llevado a interrogar estos fenómenos con un profundo conocimiento ya disponible. Hacemos preguntas muy detalladas, y luego nos sorprenden las respuestas aparentemente misteriosas o contradictorias.

En un paseo por el bosque, podríamos observar las formas inusuales del follaje en un árbol de arce. Eso podría llevarnos a preguntarnos por qué las hojas tienen lóbulos, por qué se vuelven rojas en otoño, qué insectos viven en la hojarasca y cómo se descomponen y alimentan el suelo. Estas preguntas son engañosamente complejas, a pesar de la naturalidad con la que las hacemos. Por el contrario, el vasto vacío frío del espacio y la pequeñez invisible de los quarks son tan extraños para nosotros que estamos orgullosos, al menos inicialmente, de decir las cosas más simples sobre estas entidades, incluso para demostrar que existen.

La intimidad a veces ha frenado nuestra comprensión en física, también. La cuestión de cómo se mueven los planetas es una de las obsesiones más antiguas de la humanidad, y atraviesa muchas mitologías diferentes. Sin embargo, gracias a la autoabsorción de nuestra especie, la antigua teoría de los epiciclos colocó erróneamente a la Tierra en el centro del Universo, un error que persistió durante unos 2.000 años. Cuando la pregunta se resumió en cuestiones de fuerza, masa y gravedad en la física newtoniana, el movimiento planetario se hizo mucho más fácil de predecir y comprender.

Todavía hay muchas preguntas difíciles que los físicos deben resolver. Si la física fijó su reputación en predecir la próxima llamarada solar que podría interferir con las telecomunicaciones en la Tierra, se consideraría una disciplina mucho más complicada y difícil. ¿Por qué? Porque modelar los muchos mecanismos que producen la dinámica de la superficie del Sol, todos los procesos gravitacionales, electromagnéticos, térmicos y nucleares involucrados, es endiabladamente complicado. En cuanto al movimiento planetario, podemos obtener una imagen lo suficientemente buena de la trayectoria de un planeta al reconocer que la masa de nuestro Sol nos permite ignorar la influencia de otros cuerpos celestes. Pero si realmente quisiéramos atender estos detalles, pronto descubriríamos que no podemos predecir con precisión el movimiento de tres cuerpos de igual masa. Del mismo modo, con la teoría del caos, aprendimos que solo podemos hacer conjeturas aproximadas sobre la posición específica de dos péndulos cuyo movimiento está acoplado. Sin embargo, no podemos decir con certeza dónde estará algún péndulo.

Quizás las preguntas que le hemos exigido a la biología son demasiado difíciles. ¿Cómo salvamos una vida humana individual? ¿Por qué es este bluejay un poco más oscuro que el otro? Pero solo porque exigimos más de la biología no significa que no podamos plantear preguntas un poco más fáciles. De hecho, recurrir a la física “fácil” puede ayudarnos a descubrir cómo encontrar esas preguntas. Los físicos son particularmente buenos en la búsqueda de fenómenos generalizados a gran escala que se aplican en múltiples sistemas y que probablemente sean el resultado de mecanismos simples y compartidos.

Tome la idea de escalamiento biológico. Este concepto se deriva de las primeras observaciones de que la tasa metabólica de un mamífero depende de manera predecible y no lineal del tamaño del cuerpo a través de una ley de potencia. Una ley de potencia es una relación matemática que nos dice cuánto cambia una característica a medida que aumenta el tamaño del sistema en órdenes de magnitud (es decir, en múltiplos de un cierto número, generalmente 10). Entonces, cuando la masa corporal de una criatura aumenta 1,000 veces, los principios de escala biológica predicen con precisión que su tasa metabólica aumentará 100 veces.

Pero, ¿cómo pueden aplicarse las mismas matemáticas a algo tan simple como la atracción gravitacional entre dos objetos y el desordenado proceso de especiación en diversos hábitats? En física, las leyes de poder apuntan a mecanismos y simetrías compartidas que operan en todas las escalas. En biología, nuestra propia investigación – así como la de Geoffrey B West, James H Brown y Brian J Enquist, muestra que el mecanismo fundamental en el trabajo es la estructura y el flujo de las redes vasculares. Resulta que los vasos sanguíneos tienden a extenderse de manera eficiente por el cuerpo y distribuyen recursos a todas las células de una criatura mientras reducen la tensión en el corazón. Esta simple idea ha dado lugar a un creciente grupo de teorías exitosas que utilizan la idea de una estructura biológica optimizada para predecir fenómenos como la distribución de árboles en un bosque, cuanto tiempo necesitamos dormir, la tasa de crecimiento de un tumor, los tamaños más grandes y más pequeños de bacterias, el árbol más alto posible en cualquier ambiente.Sin embargo, la biología también puede dar lugar a sus propias preguntas únicas. Por ejemplo, como han demostrado nuestros colegas Jessica Flack y David Krakauer en el Instituto Santa Fe, las capacidades de procesamiento de información y toma de decisiones de los agentes (como primates, neuronas y mohos de limo) conducen a tipos únicos de retroalimentación, adaptabilidad y causalidad que difieren de los sistemas puramente físicos. Queda por ver si las complejidades adicionales de los sistemas biológicos pueden explicarse expandiendo las perspectivas inspiradas en la física, como la teoría de la información. Puede ser que el estudio de la biología y los sistemas complejos en general progresen algún día a preguntas insuperablemente difíciles, o que una reestructuración brillante de las preguntas conduzca a la eliminación de los desafíos actuales. Esto podría mostrar un camino hacia respuestas más fáciles, como lo hizo Charles Darwin al reformular las preguntas sobre los orígenes y la diversidad de la vida en términos de selección y variación natural.

La complejidad de los sistemas medidos a lo largo de dos ejes: 1) el detalle y la precisión requeridos de la descripción científica; 2) el número de mecanismos que se combinan en un fenómeno particular. Las ciencias más difíciles hacen preguntas detalladas sobre los sistemas que se componen de muchos mecanismos.

En su artículo “Más es diferente” (1972), el físico Philip Anderson destacó los peligros de intentar reducir todo al nivel más microscópico. En cambio, se centró en los saltos en la complejidad que ocurren en varias escalas de fenómenos naturales, como pasar de la mecánica cuántica a la química. Sin embargo, los lectores a menudo pasan por alto su argumento de que las teorías efectivas deberían basarse en bloques de construcción que expliquen los mecanismos subyacentes de un sistema, incluso si esos bloques de construcción son entidades relativamente grandes o medianas.

Partiendo de esta última perspectiva, nuestro argumento es que no sabemos si los agujeros negros son más simples que los bosques. No podemos saberlo hasta que tengamos una teoría efectiva general que explique la existencia de los bosques o hasta que podamos observar la dinámica más detallada del colapso y la evaporación de los agujeros negros. No se puede hacer una declaración de relativa complejidad sin definir a fondo el tipo de preguntas que hacemos para cada sistema. Probablemente hay ciertos tipos de consultas en las que nuestro conocimiento llegará a un límite, pero con mayor frecuencia se trata de preguntas que estamos planteando que sobre los sistemas en sí.

Entonces la física puede ser difícil, y la biología puede ser fácil. El grado de dificultad depende más de qué preguntas se hacen que en el campo. Dentro de la ciencia de sistemas complejos, a menudo se logran grandes avances en la interfaz entre estas dos perspectivas. Un camino a seguir es resolver primero las preguntas fáciles y luego usar nuestras respuestas para tratar de encontrar principios que sean útiles cuando se trata de preguntas y teorías más detalladas. Es posible que al comenzar con las preguntas fáciles, podamos lentamente “acumular” a las difíciles. O, en la dirección opuesta, observar la extraña similitud de los fenómenos en todas las disciplinas podría inclinarnos a buscar nuevos mecanismos y principios. Esto a veces exigirá una perspectiva menos detallada y más abstracta: lo que nuestro colega John Miller, citando al físico ganador del premio Nobel Murray Gell-Mann, analiza en su libro A Crude Look at the Whole (2016). Estas miradas crudas, forzadas por la lejanía de la física y oscurecidas por la intimidad de la biología, deberían producir muchos más conocimientos profundos y simplificaciones en la ciencia en los años venideros.

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