Para estar vivo, cada célula de su cuerpo necesita soluciones a un conjunto complicado de problemas: contención, puertas, controles, estructura, transporte, energía, información y reproducción. Al alejarnos de una sola célula, el cuerpo humano en su conjunto está compuesto por alrededor de treinta billones de células (una cifra que varía ampliamente según el tamaño de un individuo). Necesita resolver todos los mismos tipos de problemas que hace una célula, y algunos más. Y necesita nuevas formas de resolver viejos problemas, formas completamente diferentes de cómo se resolvieron los mismos problemas a nivel celular.

Por ejemplo, un organismo unicelular es como una isla microscópica de vida. La célula obtiene lo que necesita y se deshace de lo que no necesita del entorno que la rodea. Por el contrario, un gran organismo multicelular (como tú) se parece más a un continente con un interior profundo y oscuro. La mayoría de las células residen en lo profundo del interior sin acceso directo al entorno que rodea al cuerpo. Entonces, para un organismo multicelular, recolectar las materias primas que necesitan sus células y deshacerse de los subproductos tóxicos se convierte en un problema logístico importante.

Varios cientos de estos problemas deben resolverse para que un cuerpo complejo esté vivo. Y muchas de las soluciones a estos problemas básicos generan nuevos problemas que también deben resolverse, o que limitan otras soluciones de manera crítica. El resultado es que para que un cuerpo complejo esté vivo, deben resolverse miles de problemas profundamente interconectados, y muchos de ellos resueltos en todo momento, o la vida fracasará.

Además, muchos de los problemas a los que se enfrenta el cuerpo son mucho más complejos que los que se resuelven en cualquier célula individual. Por ejemplo, si bien se necesita una ingeniería impresionante para que las células detecten su entorno (un proceso que no se comprende bien), la detección plantea un desafío de ingeniería considerablemente mayor para un cuerpo humano, ya que involucra formas de detección mucho más sofisticadas, como la visión, el oído, el gusto. , el olfato y el tacto fino en tus manos.

La conclusión es que, por más difícil que sea para una célula mantener la vida, es mucho más difícil para un organismo con un plan corporal complejo como el tuyo.

Los problemas difíciles requieren soluciones inteligentes

Juntos, los muchos miles de problemas que el cuerpo debe resolver para sobrevivir y reproducirse requieren muchos miles de soluciones ingeniosas. La mayoría de estas soluciones necesitan equipos especiales en todos los niveles del plan corporal, desde maquinaria molecular específicamente adaptada (como las moléculas de hemoglobina) hasta células especializadas (como los glóbulos rojos), tejidos (como la médula ósea) y sistemas corporales completos (como el sistema cardiovascular). Esto puede implicar cientos de miles de piezas, replicadas en millones de lugares.

Las soluciones a esta clase de problemas siempre exhiben cuatro características interesantes:

1. Especialización

Se necesitan las partes correctas para hacer un todo que funcione. Cada parte debe realizar una función con respecto al sistema más grande. Cada parte debe estar hecha de los materiales correctos, ajustada a tolerancias precisas y equipada con interfaces adecuadas con las otras partes. Este es un principio de diseño conocido como separación de preocupaciones. Prácticamente todos los objetos diseñados en la experiencia humana se basan en esta estrategia de diseño. Y esto parece ser igualmente cierto en los sistemas biológicos, incluidas prácticamente todas las capacidades del cuerpo humano.

2. Organización

Las partes deben estar en los lugares correctos, dispuestas e interconectadas para permitir la función del todo. Cada parte debe trabajar con las otras partes de manera integrada. Las partes a menudo están hechas de diferentes materiales, donde un material se elige por cómo sus propiedades particulares respaldan las necesidades específicas de esa parte en particular y cómo debe funcionar a la luz del todo. Este es un principio de diseño conocido como la regla de composición. Contrarresta el principio de separación de intereses. La separación de preocupaciones divide los grandes problemas en subproblemas que son (ligeramente) más fáciles de resolver, mientras que la regla de composición pone las soluciones a los subproblemas (las partes) juntas de modo que se logra la función del todo.

3. Integración

Las partes deben tener exactamente esas interfaces que les permitan trabajar juntas. Con los huesos, esto obviamente involucra sus formas, especialmente en sus puntos de conexión y articulación (las articulaciones). Para otros sistemas corporales, esto puede implicar soporte estructural, alineación, absorción de impactos, sistemas de activación y transporte, señalización eléctrica, señalización química, intercambio de información compleja y lógica integrada.

4. Coordinación

Las partes deben estar coordinadas de manera que cada una realice su respectiva función o funciones en el momento adecuado. Esto generalmente requiere uno o más sistemas de control, ya sea activo o pasivo, y generalmente alguna forma de detección y comunicación entre las partes y los controles. Esta propiedad se logra mediante orquestación o coreografía, que difieren en la forma en que se logran los controles, la primera por un enfoque más centralizado y la segunda por un enfoque más distribuido. En una vieja camioneta Chevy, esta función del motor se logra mediante un árbol de levas. En ATP Synthase, esto también se logra mediante un árbol de levas.

Al diseñar un sistema complejo, los cuatro factores anteriores se deben considerar en conjunto al diseñar cada una de las partes.

Cuando un sistema tiene todas las partes correctas, en todos los lugares correctos, hecho de los materiales correctos, con las especificaciones correctas, haciendo sus respectivas funciones, en todos los momentos correctos, para lograr una función general a nivel del sistema que ninguno de las partes pueden hacer por sí mismas, tienes lo que se conoce como un sistema coherente. La coherencia, en este sentido, es un requisito funcional para todos los sistemas no triviales. Además, en la vida, los sistemas nunca son independientes: siempre hay interdependencias entre los diversos componentes y partes de los sistemas. El cuerpo humano está compuesto de sistemas coherentes e interdependientes.

Por supuesto, cada parte de un sistema más grande puede ser un sistema en sí mismo, compuesto de partes especializadas, que también pueden ser sistemas compuestos de partes especializadas, y así sucesivamente, formando una jerarquía de diseño. Al igual que con la mayoría de los artefactos diseñados por humanos, los sistemas vivos consisten en capas de sistemas y subsistemas: un sistema de sistemas. Esto se ejemplifica en el cuerpo humano. Véase el resumen a continuación:

Cuerpo entero: El todo unificado.

Sistemas corpóreos mayores: Interdependencias de subsistemas coherentes funcionales.

Subsistemas celulares: Tejidos compuestos con diferentes tipos de células.

Células: Unidad básica de la célula. Autocontenida.

Subsistemas celulares: Organelos, nucleos, vias metabólicas y máquinas moleculares.

Proteínas y enzimas: Estructuras protéicas y aminoácidos.

Codificación: Estructura del ADN, Codones genéticos, epigenética, etc.

Estructura jerárquica del cuerpo humano por Steve Laufmann.

El alcance de las soluciones del cuerpo

Se necesita mucho trabajo para mantener un aserradero en funcionamiento. Los troncos deben obtenerse, clasificarse y traerse. La madera cortada debe retirarse para su posterior procesamiento. Los motores necesitan electricidad. Las hojas de sierra deben cambiarse y afilarse. Los trabajadores necesitan café. Mucho café. Todo esto requiere varios sistemas dentro del sistema más grande.

De manera similar, para mantener sus células vivas y funcionando correctamente, su cuerpo requiere once sistemas de órganos principales1 para distribuir, desechar, defender, generar energía y realizar otras tareas cruciales. Los sistemas y sus funciones:

  • El sistema respiratorio toma el oxígeno (O2) que necesitan las células y elimina el exceso de dióxido de carbono (CO2).
  • El sistema gastrointestinal (digestivo) absorbe el agua, el azúcar, las grasas, las proteínas, la sal, las vitaminas y los minerales que necesitan las células.
  • El sistema renal/urinario elimina el exceso de nitrógeno (amoníaco, urea) de su cuerpo y ayuda a mantener su presión arterial y a controlar el contenido de agua y sal de su cuerpo.
  • El sistema cardiovascular bombea sangre por todo el cuerpo para proporcionar suministros «justo a tiempo» a todos los órganos, sin importar lo que esté haciendo. También es fundamental para controlar la temperatura, disipar el exceso de calor y distribuir señales químicas por todo el cuerpo.
  • El sistema tegumentario (piel) protege su cuerpo del mundo exterior mientras ayuda a controlar su temperatura a través de la sudoración. Se repone continuamente de adentro hacia afuera y es notablemente bueno para repararse cuando se corta o se raspa.
  • El sistema esquelético (huesos) brinda apoyo y protección a muchos de sus órganos vitales (como el cerebro, la médula espinal, los pulmones y el corazón) y es la estructura de los músculos. Sus estructuras, organización y proporciones permiten una asombrosa variedad de movimiento y actividad.
  • El sistema motor (músculos) permite que el cuerpo se mueva, mantenga el equilibrio y maneje las cosas. Es capaz de una amplia gama de demandas de fuerza pero posee controles extraordinariamente finos.
  • El sistema nervioso (nervios y cerebro) le permite al cuerpo sentir su entorno, mantener las funciones vitales de su cuerpo y controlar sus actividades. También te permite estar despierto y consciente: pensar, comunicarte, imaginar y crear.
  • El sistema inmunológico/linfático lo protege de los patógenos invasores.
  • El sistema endocrino envía hormonas para regular cosas como el metabolismo y el crecimiento.
  • El sistema reproductivo, masculino y femenino, permite una nueva vida humana.

Cada uno de estos es un subsistema especializado en el cuerpo. El cuerpo los necesita todos, organizados adecuadamente y coordinados con tolerancias notablemente finas. A su vez, cada uno de estos subsistemas es un sistema completo, compuesto por muchos subsistemas y partes especializados, organizados de manera específica y coordinados con precisión.

Notas

  1. Si bien muchas fuentes cuentan doce sistemas corporales principales, hemos optado por tratar los sistemas inmunológico y linfático como un solo sistema más grande porque funcionan juntos de manera transparente.

Artículo publicado originalmente en inglés por Steve Laufmann y Howard Glicksman en Evolution News & Science Today