Cristales, información y el origen de la vida

Los cristales se encuentran entre los objetos más bellos del mundo natural. Se entienden bien, se utilizan en todas partes y se admiran mucho.

Y, sin embargo, la forma en que los científicos los definen es espectacularmente aburrida. La Unión Internacional de Cristalografía define los cristales como estructuras que producen un patrón de difracción con puntos discretos.

En otras palabras, estos objetos se definen mediante el único proceso utilizado para medirlos. Si no produce el patrón de difracción requerido, no es un cristal.

Hoy, Julyan Cartwright de la Universidad de Granada en España y Alan Mackay de la Universidad de Londres en el Reino Unido argumentan que esta definición es miope e innecesariamente limitante.

Señalan que la convergencia de la cristalografía, la ciencia de los materiales y la biología está abriendo un nuevo enfoque para el estudio de la estructura, la forma y la función. Esta nueva ciencia no se ocupa de formas estáticas en equilibrios estables, sino de formas metaestables que están a merced del paisaje energético en el que existen y del flujo de información hacia y desde el medio ambiente.

Cartwright y Mackay dan como ejemplo la estructura del nácar, el bello biomineral iridiscente que producen ciertos moluscos como revestimiento interior de sus conchas.

Esta es ciertamente una estructura ordenada, similar a un cristal, pero no una que produzca el patrón de difracción necesario para ser clasificado como cristal.

Ese es el resultado de su complejidad. El nácar se forma a partir de capas de placas hexagonales de carbonato de calcio en una disposición de 'ladrillo'. Estas capas están separadas por láminas de biopolímeros, como la quitina.

Esta combinación produce propiedades útiles. Las láminas orgánicas evitan la propagación de grietas mientras que las plaquetas aportan resistencia. Así que el nácar es fuerte, resistente y hermoso.

Pero, ¿cómo debería describirse y analizarse tal material? Cartwright y Mackay dicen que una consideración importante es la información que utiliza un molusco para fabricar nácar; y eso está determinado por su genoma, proteoma, etc., que juntos denominan conchoma.

De alguna manera, de toda esta complejidad y autoorganización, surge el nácar. Nadie está seguro de cómo.

Sin embargo, su punto clave es que esta estructura es un fenómeno de información. Y que esta información es una especie de algoritmo o fórmula para producir nácar, análogo a un algoritmo que produce los dígitos de pi.

Solo una ciencia que tenga en cuenta esta información será capaz de realizar una descripción completa del nácar y otros materiales similares, dicen Cartwright y Mackay.

Es un enfoque interesante y ambicioso que tiene el potencial de cambiar profundamente la forma en que los científicos y biólogos de materiales piensan sobre la forma y la estructura.

Lo interesante es que también está surgiendo un cambio similar en el pensamiento sobre la forma y la función en el campo completamente diferente de la robótica y la inteligencia artificial.

Durante muchos años, los especialistas en robótica intentaron copiar las habilidades humanas como caminar y correr, construyendo dispositivos con un procesador central que controlaba todos los aspectos del movimiento.

Esto requirió robots con sensores en cada articulación que enviaran señales sobre el estado de cada extremidad en todo momento. Luego, el procesador central decidió una estrategia de movimiento, calculó una trayectoria para la extremidad y luego la movió en consecuencia. Así es exactamente como lo hacen los humanos. O eso asumieron.

Pero ese enfoque falla espectacularmente porque el problema de coordinar todas estas articulaciones se vuelve computacionalmente difícil cuando las condiciones cambian, cuando se camina afuera o arriba o se pone a trotar, por ejemplo.

Por eso, los especialistas en robótica han tenido que adoptar un nuevo enfoque. Resulta que los humanos realizan muchas acciones que son tan rápidas que el cerebro humano no puede estar involucrado. La tensión, aceleración y desaceleración de músculos, tendones y ligamentos al saltar de una pared, por ejemplo.

Todos estos cambios en las propiedades de los materiales ocurren en un abrir y cerrar de ojos sin ninguna participación del cerebro. En cambio, la estructura, la forma y las propiedades de los materiales mismos llevan a cabo esta tarea: la inteligencia está incorporada.

En cierto sentido, el cerebro subcontrata el control de este movimiento a los propios materiales.

De hecho, los especialistas en robótica han comenzado a pensar en este tipo de movimiento como un cálculo, ya que puede equipararse aproximadamente a la cantidad de potencia computacional que necesitaría un procesador central para realizar una tarea similar. Y han comenzado a diseñar robots basados ​​en este principio de la llamada computación morfológica.

Eso ahora está comenzando a revolucionar la robótica. En lugar de robots controlados de forma centralizada, los ingenieros están construyendo robots en los que la inteligencia se integra en la forma y la forma de la estructura. Estos pueden realizar tareas aparentemente complejas como caminar, correr y nadar con poca o ninguna supervisión computacional.

Una idea clave de todo esto ha sido una mejor comprensión del papel del medio ambiente. Pon un robot andante en una piscina y no puede hacer nada. De modo que la forma y la forma por sí solas no confieren inteligencia, es la interacción entre la forma y la forma y un entorno particular lo que es crucial.

La forma en que se puede extraer información del entorno es a veces espectacular. Un ejemplo es aparentemente gota inteligente que puede resolver un laberinto . Pero, por supuesto, cada laberinto codifica su solución en su estructura. El truco consiste en diseñar un sistema simple que extraiga esta información.

Este elemento, el papel crucial del medio ambiente, aún no figura con fuerza en las ideas de Cartwright y Mackay. Serían los primeros en reconocer que el medio ambiente juega un papel crucial en la formación de cualquier estructura cristalina o biológica.

Pero hay un sentido en el que los procesos de cristalización y autoorganización son como la mancha de resolución de laberintos: el patrón o estructura es claramente el resultado de algún tipo de extracción o intercambio de información. Este enfoque también puede arrojar luz sobre el origen de la vida.

La clave estará en comprender y caracterizar la relación entre el entorno, las estructuras que se forman en él y el flujo de información que lo hace posible.

Y si los cristalógrafos, los científicos de materiales y los biólogos quieren resolverlo, podrían hacer bien en asociarse con los especialistas en robótica, ingenieros y biólogos evolutivos que están jugando con ideas muy similares.

Ref: arxiv.org/abs/1207.3997 : Más allá de los cristales: la dialéctica de los materiales y la información

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