Las aportaciones de Newton y Darwin

Isaac Newton y Charles Darwin

Las teorías de Isaac Newton y Charles Darwin, dos de los científicos más influyentes en la historia de la humanidad, han prevalecido durante largo tiempo, pero el siglo XX ha sido testigo de importantes descubrimientos que han limitado sus postulados.

Los trabajos innovadores de Newton estableciendo las leyes del movimiento y la gravedad, así como en óptica y cálculo, ayudaron a iniciar una revolución que cambió la forma en que pensamos sobre el  Universo. Antes de él, lo que ahora llamamos ciencia no era más que una mezcla de hechos y leyes aislados que permitían describir y predecir algunos fenómenos. Su riguroso enfoque aportó a la ciencia un sistema unificado de leyes aplicable a una amplia gama de fenómenos físicos.

A Darwin le debemos la idea de que la vida se ha desplegado a lo largo del tiempo a través de un proceso evolutivo. La evolución supone que:

a) Las especies cambian con el tiempo.

b) Las especies nuevas provienen de especies preexistentes.

c) Todas las especies comparten un ancestro común.

Pero lo que realmente constituye su descubrimiento fundamental es la llamada “selección natural”, es decir, el mecanismo que propone para esta evolución. En palabras de Francisco J. Ayala, este “implica que ciertos genes y combinaciones genéticas se transmiten a las generaciones siguientes en promedio más frecuentemente que sus alternativas. La selección natural no trata de obtener tipos de organismos predeterminados, sino sólo organismos que están adaptados a sus ambientes presentes. Las variables que determinan en qué dirección irá son el ambiente, la constitución preexistente de los organismos y las mutaciones que emergen al azar.”[1]

La ley de Gravedad de Newton fue superada por las leyes de la Relatividad de Einstein

Las leyes del movimiento y la gravitación universal de Newton, que regían tanto para la superficie de la Tierra como para todo el Universo, permanecieron indiscutidas durante dos siglos. Se pudo explicar el movimiento del sistema solar, predecir eclipses y entender las mareas.

Hasta que llegó Einstein y enunció las leyes de la relatividad. Toda la mecánica newtoniana estaba fundamentada en el supuesto de que la masa, el tiempo y la distancia son constantes, independientemente de donde se midan. Y la teoría de relatividad de Einstein postula lo contrario. La ley de gravitación universal no contempla el tiempo, supone que la gravedad se propaga instantáneamente, con velocidad infinita. En cambio, la relatividad considera que no se puede superar la velocidad de la luz. Donde Newton argumentó que una manzana era impulsada hacia la Tierra por una fuerza gravitacional, Einstein interpretó que no existía tal fuerza y que la trayectoria de la manzana se explica por una ley que dice que el movimiento corresponde a una línea recta en un espacio-tiempo curvo. La teoría de Einstein esclarece fenómenos del Universo que las leyes newtonianas no pueden explicar. No obstante, como es sabido, para la mayoría de cálculos de fenómenos que tienen lugar en la Tierra o incluso en nuestro sistema planetario, estas leyes proporcionan unos resultados más que aceptables, por lo que continúan siendo la base para los cálculos en ingeniería.

El descubrimiento de Watson y Crick introduce el concepto de información biológica en la teoría de Darwin

La superación de las leyes newtonianas vino de la mano de un genio, Albert Einstein, que publicó las dos leyes de la relatividad en el breve espacio de cinco años: la Relatividad Especial en 1905 y la Relatividad General en 1910.

El caso de la teoría de Darwin es diferente, pues las aportaciones de numerosos investigadores a lo largo del tiempo han ido modificando nuestra visión del origen y evolución de los seres vivos.

Así, a partir de los nuevos conocimientos sobre la herencia y los genes, nace en los años 30 del pasado siglo el neodarwinismo, que reconoce la selección natural y las mutaciones genéticas como factores que causan la aparición y expansión de nuevas formas animales y vegetales, y afirma que la unidad de selección es el individuo, mientras que la unidad de mutación es el gen.

Pero el cambio fundamental llega en 1953, cuando Watson y Crick, en un intervalo de tan sólo seis semanas, publicaron dos artículos en Nature[2] que han marcado un antes y un después en el conocimiento de los mecanismos de la herencia biológica. En el primero describieron la estructura de doble hélice del ADN que les llevó a afirmar que “el emparejamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia del material genético”. Y en el segundo introducen un concepto que cambiaría nuestra visión de lo que es la vida: “parece probable que la secuencia precisa de las bases sea el código que transporta la información genética”.

Hasta ese momento los seres vivos se suponían constituidos por dos entidades fundamentales: materia y energía. Pero durante las décadas de 1950 y 1960 los biólogos moleculares descubrieron una tercera entidad fundamental en la base de la vida: la información. De hecho, la perspectiva computacional de la biología molecular fue intuida por uno de los padres de la física cuántica, Erwin Schrödinger, que en 1944 escribió un libro titulado Qué es la vida[3], en el que propuso que el material genético contiene un código y una capacidad ejecutiva para desarrollar el material codificado. Anticipó esta importante idea antes del descubrimiento de la estructura del ADN y de las teorías de la información.

Efectivamente, Watson y Crick, al observar la estructura del ADN, hicieron un descubrimiento sorprendente: el ADN podía almacenar información en forma de código digital compuesto por cuatro bases químicas (A, G, C y T) que conforman esta molécula y que representan lo mismo que las letras de un texto escrito o los caracteres digitales de un programa informático. Y la complejidad del sistema genético se manifiesta en múltiples aspectos. Cada base se une a una molécula de azúcar y una molécula de fosfato para formar un nucleótido. Los nucleótidos están dispuestos en dos hebras largas que forman una espiral llamada doble hélice. Los genes son secciones pequeñas de la larga cadena de ADN. Son las unidades básicas funcionales y físicas de la herencia genética. Cada célula de un ser humano contiene 20.000 genes y un total de tres mil millones de bases.

Pero la complejidad de este sistema no radica exclusivamente en la capacidad informativa de la secuencia de genes y bases a la que llamamos genoma. El genoma cumple además dos complicadas funciones: el ADN debe copiarse a sí mismo para que cada nueva célula tenga una copia completa de la misma información genética; y también desarrolla el proceso de transcripción por el que crea una molécula intermedia, el ARN, a la que transfiere información necesaria para generar una determinada proteína.

La forma en la que desarrolla sus funciones se suele comparar a un código informático. Tal como observa Bill Gates, “el ADN humano es como un programa de ordenador, pero mucho, mucho más avanzado que cualquier software que hayamos creado jamás”.[4] Pero en realidad es algo esencialmente distinto, ya que no contiene ningún código para definir los pasos individuales de un algoritmo. Y, por contra, cada célula de los 30 billones que tiene el ser humano posee su propia copia de ADN y, en cada célula, la expresión genética opera de forma independiente, gestionada localmente por el núcleo celular.

¿Cómo afecta esta complejidad a las teorías darwinistas?

La teoría de Darwin trata de explicar cómo evoluciona la vida a partir de formas preexistentes más simples, por tanto, tal como el propio Darwin admitía, no explicaba cómo apareció la primera forma de vida. Pero la misma idea de evolución se trasladó al origen de la vida. El hecho de que tanto el mundo inanimado como el sistema viviente estén constituidos por átomos y moléculas llevó a pensar que el fenómeno de la vida se originó a partir de la “no vida”. Que los átomos y moléculas químicos combinados de cierta manera pueden crear vida. Así lo propuso el bioquímico ruso Aleksandr I. Oparin en 1924: la vida podría haber surgido como resultado de una serie de reacciones químicas. Una idea que pareció confirmar Stanley Miller en 1953 mediante un famoso experimento que logró crear parcialmente materia orgánica a partir de materia inorgánica en las condiciones teóricas que tendría la Tierra antes de que hubiera vida en ella.

Pero construir la primera célula viva, la más elemental, requiere instrucciones de ensamblaje que exigen el trabajo conjunto de tres tipos de moléculas complejas: ADN, ARN y proteínas. Y, hasta ahora, a pesar de los numerosos intentos y pruebas, en los modelos químicos evolutivos no se ha logrado identificar una causa capaz de producir esto.

Lo que sí se ha calculado es la enorme improbabilidad de que esto ocurra mediante los mecanismos conocidos y las reglas del azar. Si nos atenemos a las proteínas, éstas están constituidas por una determinada secuencia de aminoácidos en la que cada aminoácido tiene que estar en el lugar correcto y en el orden correcto. La ausencia, adición o sustitución de un solo aminoácido en la estructura de una proteína hace que la proteína se convierta en un montón molecular inútil.

Una investigación realizada por Doug Axe en la Universidad de Cambridge y publicada en el Journal of Molecular Biology[6] ha calculado la probabilidad de formación al azar de una proteína de tamaño medio compuesta por una cadena funcional de 153 aminoácidos. Y el resultado es de 1 entre 1077. Esto es lo mismo que decir que no existe ninguna probabilidad en todo el tiempo de existencia del Universo. Y se necesitan un mínimo de cien de ellas para funciones vitales mínimas, además de ADN y ARN.

El origen de la vida era una incógnita para Darwin, pero el descubrimiento de la complejidad de la información que se requiere para crear ésta en su forma más elemental no ha hecho más que acrecentar el misterio. Somos incapaces de vislumbrar cómo se puede producir esto de forma espontánea. Lo más comparable que conocemos a la creación de esta información funcional compleja es la realización de programas de ordenador, los cuales requieren de la inteligencia humana.

Tampoco explica la aparición de nuevas especies

La complejidad de la información que se necesita en todos los seres vivos abre una brecha en la explicación darwiniana de nuevas especies. Desde hace unas décadas se cuestiona este argumento, tal y como lo expresó el biólogo Gerd Müller en 2016: “la evolución genética por sí sola es insuficiente para una explicación causal adecuada de todas las formas de complejidad fenotípica”.[7]

Y esto es así porque los pequeños cambios microevolutivos, tales como la variación del tamaño de un animal o la resistencia de un insecto frente a un pesticida, se producen sin variar la información genética existente. Pero los cambios macroevolutivos necesarios para ensamblar nuevos órganos o planes corporales completos sí que precisan la producción de nueva información genética. Y ya hemos visto que las proteínas funcionales están formadas por cientos de aminoácidos y que crear una cadena funcional de 153 aminoácidos mediante mutaciones aleatorias tiene nulas probabilidades de producirse aun en el transcurso de miles de millones de años.

La sociedad sigue en deuda con Newton y Darwin

La contribución de Isaac Newton a la ciencia y las matemáticas ha tenido un profundo impacto en nuestra comprensión del mundo natural y ha formado la base de cientos de años de descubrimientos científicos, y su trabajo continúa dando forma a nuestra comprensión del Universo. Einstein le manifestó un especial reconocimiento colocando su retrato en su despacho de trabajo.

Posiblemente ningún otro científico haya tenido una influencia tan radical sobre la sociedad entera como la debida a Darwin, al concienciar a las personas sobre su lugar en el proceso evolutivo. Impuso un cambio en la forma determinista de explicar la realidad que imperaba en ese momento, introduciendo la universalidad de la aleatoriedad y el azar en todo el proceso de selección natural. Y el concepto de evolución permanece, aunque todavía no hemos sido capaces de comprender todos los pasos de ese proceso. Así lo confirma Gerd Müller: “La teoría de la evolución es el marco conceptual fundamental de la biología con el que todas las explicaciones científicas deben ser coherentes.”[8]

La ciencia es a la vez un conjunto de conocimientos y un proceso para encontrar nuevos conocimientos, a veces para reemplazar los antiguos. La ley de gravedad enunciada por Newton se ha visto superada por otra teoría más general, las leyes de la relatividad, aunque debido a su complicado cálculo matemático ha permitido que en las aplicaciones de baja gravedad, como son la mayoría de fenómenos que ocurren en nuestro sistema solar, se continúe utilizando la mecánica newtoniana.

El descubrimiento de Watson y Crick condujo al conocimiento de la complejidad de la información necesaria para la creación de la vida. Con ello, la teoría de Darwin ha quedado superada, aunque de momento no tenemos explicación para el origen de la vida ni para la aparición de nuevas especies. Se mantiene la capacidad explicativa de ajustes mediante los cuales un organismo se adapta a las circunstancias locales, como cambios en el color, el estilo de las alas o la forma del pico, que son el resultado de pequeñas mutaciones que mantienen la información genética existente. El marco conceptual y la noción de evolución siguen vigentes.

Resulta evidente que la huella de Newton y Darwin continúa presente.

 

Manuel Ribes

Instituto Ciencias de la Vida

Observatorio de Bioética

Universidad Católica de Valencia

 

 

[1]  M. Ribes, Francisco J. Ayala: El legado de un gran científico, erudito y caballero perdura en la comunidad científica Observatorio Bioética UCV, abril 2023

[2] WATSON, J., CRICK, F. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid Nature 171, 737–738 (1953)

WATSON, J., CRICK, F. Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic AcidNature 171, 964–967 (1953)

[3] E. SCHRÖDINGER, What is Life? and Mind and Matter – Cambridge University Press 1967. ISBN 978-1-107- 60466-7

[4] Jun Ma et al., Programming Hypothesis on Life Phenomena and the Key Processes Simulation – Advanced Materials Research – enero 2013 – DOI: 10.4028 / www.scientific.net/AMR.647.258

[5]  R. Philip Bouchard,  Is DNA Like a Blueprint, a Computer Program, or a List of Ingredients?  The Philipendium – 25 de enero de 2019

[6] Axe DD. Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds. J Mol Biol. 2004 Aug 27;341(5):1295-315. doi: 10.1016/j.jmb.2004.06.058. PMID: 15321723.

[7] Müller, G. B. Why an extended evolutionary synthesis is necessary Interface Focus 7: 20170015.

[8] ibid.