La vida misma es un conjunto de decisiones. Desde las elecciones conscientes que hacemos los seres humanos hasta aquellas que ocurren en niveles invisibles, como las que suceden en el seno de una célula, la toma de decisiones parece estar en todos los niveles de la naturaleza. En el fascinante ámbito de la biología celular, uno de los grandes interrogantes es cómo una célula sabe en qué tipo de célula debe convertirse: ¿una neurona, una célula muscular o una célula hepática? Y más allá de la simple curiosidad biológica, la respuesta a esta pregunta se encuentra en la intersección entre la física, la biología y las matemáticas.
La investigación más reciente sobre la diferenciación celular busca responder a esta pregunta con un modelo geométrico y dinámico. Inspirada por la metáfora del "paisaje epigenético" de Conrad Waddington, esta teoría propone que las decisiones celulares pueden ser representadas como un flujo en un paisaje dinámico que cambia con el tiempo. Pero, ¿cómo encajan la termodinámica y la mecánica estadística en este rompecabezas biológico? Si te consideras un filósofo de la ciencia, un físico interesado en los sistemas biológicos o simplemente un curioso con afán de conocimiento, acompáñame en este viaje a través de la complejidad de los modelos matemáticos y su relevancia para entender los secretos de la diferenciación celular.
Waddington, un biólogo y genetista, nos dejó una poderosa imagen que ha sido adoptada por la biología moderna: el "paisaje epigenético". En esta representación, imaginamos una célula como una bolita que rueda cuesta abajo por un valle con múltiples bifurcaciones, cada una de las cuales conduce a un tipo celular diferente. Sin embargo, esta metáfora, aunque atractiva, plantea una pregunta profunda: ¿puede un proceso tan complejo como la diferenciación celular realmente ser descrito por algo tan simple como un flujo de gradiente en un paisaje geométrico?
Aquí es donde los autores del estudio en arXiv intervienen. Lo que han hecho es llevar la imagen de Waddington un paso más allá, introduciendo un paisaje potencial dinámico que varía con el tiempo. A diferencia de los modelos estáticos, este enfoque reconoce que las condiciones biológicas y las restricciones evolutivas están en constante cambio. Para entender esto mejor, podríamos recordar las enseñanzas del filósofo Heráclito: "Ningún hombre se baña dos veces en el mismo río". Las células, al igual que los humanos, evolucionan en un entorno dinámico, y sus decisiones deben adaptarse a esos cambios.
Uno de los avances más intrigantes del estudio es el vínculo que establece entre la termodinámica del no equilibrio y la toma de decisiones celulares. Para los físicos que están acostumbrados a trabajar con modelos en equilibrio, este tipo de afirmaciones pueden parecer fuera de lugar. Sin embargo, la realidad es que los sistemas biológicos raramente están en equilibrio. El crecimiento celular y la diferenciación son procesos que requieren un flujo constante de energía, lo que los convierte en sistemas de no equilibrio.
La termodinámica clásica se centra en sistemas en equilibrio, donde las variables macroscópicas como la temperatura y la presión son constantes a lo largo del tiempo. En contraste, los sistemas biológicos, como el crecimiento de una población celular, están en constante cambio y fluctúan lejos del equilibrio. Esto introduce un reto para los físicos: ¿cómo modelar matemáticamente sistemas tan caóticos y dinámicos?
Aquí es donde entra en juego la teoría de paisajes potenciales dependientes del tiempo propuesta por los autores. Este modelo matemático permite describir cómo una población celular puede evolucionar hasta alcanzar una distribución objetivo de tipos celulares. Es una herramienta que no solo permite visualizar el crecimiento y diferenciación de las células, sino también calcular los tiempos exactos que le toma a una población alcanzar un estado determinado.
Para ponerlo de forma sencilla, si el paisaje de Waddington es una colina por la que una célula "cae", el nuevo enfoque añade una capa extra: esa colina está cambiando continuamente su forma, afectando las decisiones que toman las células en cada momento del tiempo.
En la teoría evolutiva, Charles Darwin propuso que los organismos más adaptados a su entorno tienen mayores probabilidades de sobrevivir y reproducirse. En un sentido análogo, las células dentro de un organismo multicelular deben "decidir" en qué tipo celular convertirse para maximizar las probabilidades de supervivencia y crecimiento del organismo completo. Los autores del estudio sugieren que las estrategias regulatorias que maximizan el crecimiento celular pueden modelarse de una forma sorprendentemente similar a cómo se calcula la probabilidad de que una población evolucione bajo la selección natural.
La evolución y la diferenciación celular tienen algo en común: ambas requieren de un delicado balance entre exploración y explotación. En el mundo biológico, esto significa que las células deben "explorar" diferentes estados posibles antes de "explotar" uno que les permita un crecimiento óptimo. Los paisajes dinámicos no solo nos ofrecen una manera de visualizar este proceso, sino que también nos proporcionan las herramientas matemáticas para calcular los resultados óptimos.
Lo fascinante de todo este marco es que combina la elegancia de la física teórica con la complejidad de los sistemas biológicos. Para quienes están familiarizados con los campos de la física estadística o la termodinámica del no equilibrio, los resultados de este estudio no deberían sorprender: el comportamiento aparentemente aleatorio y caótico de los sistemas biológicos puede describirse con ecuaciones deterministas, siempre y cuando tengamos en cuenta que esas ecuaciones cambian con el tiempo.
Esto recuerda un viejo chiste entre los físicos: "Un físico camina en un bar lleno de biológos. Se siente fuera de lugar, pero entonces se da cuenta de que la biología es solo física aplicada con más variables." Y es que la biología, cuando se despoja de sus detalles específicos, sigue las mismas leyes fundamentales de la física y la matemática. Al final del día, una célula sigue siendo un sistema físico, y el estudio que hemos discutido aquí lo demuestra de manera brillante.
El estudio de la diferenciación celular y el crecimiento poblacional no es solo una cuestión de biología, sino una ventana al corazón mismo de la física y la matemática aplicada. Las células, al igual que los seres humanos, deben tomar decisiones bajo incertidumbre y en entornos en constante cambio. El marco teórico propuesto en este artículo ofrece una nueva forma de entender estos procesos, conectando ideas de la termodinámica del no equilibrio con la toma de decisiones celulares, todo bajo el elegante lenguaje de los paisajes potenciales dinámicos.
Como dijo Waddington, la vida es como un valle con múltiples caminos. Ahora, gracias a estos nuevos modelos, podemos empezar a entender no solo hacia dónde van las células, sino también por qué eligen uno u otro camino.
Referencias
1. Kang, Ming, Wing Wong, T. (2024). "Dynamic potential landscapes and cell fate decisions". arXiv:2409.09548 [q-bio.CB].
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