Cuando me cambié de Ingeniería a Física, inicialmente mi interés se inclinaba hacia la relatividad general y cosmología. Sin embargo, también fue la época en que me enamoré de mi esposa, quien estaba terminando la carrera de biología en ecología evolutiva. Así, de a poco fui familiarizándome con su trabajo en el comportamiento de peces (publicado en Nature) y más tarde le acompañé a dos viajes de campo a la selva Lacandona durante su maestría para estudiar ambientes ribereños, en un proyecto liderado por Rodolfo Dirzo, uno de los ecólogos más reconocidos del mundo y una verdadera eminencia en botánica, un arte o ciencia que se ha venido perdiendo.
Vuelos de Levy, la forma de buscar en la naturaleza
No es sorpresa que haya cambiado los agujeros negros por un tema de estudio mucho más complicado, los ecosistemas. En mi trabajo de tesis de licenciatura tuve la suerte de trabajar con Denis Boyer en un tema en el que fue pionero: la relación entre la estructura espacial de un ecosistema y la forma en que los animales buscan comida en él, un proceso llamado forrajeo, y que descubrieron converge a una estrategia que matemáticamente llamamos vuelos de Levy. Lo que descubrió Boyer y colaboradores es que cuando la estructura espacial en que se distribuye la comida es suficientemente compleja (parches de comida de muchos tamaños diferentes entremezclados, ni muy homogénea ni muy heterogéneamente) entonces los monos araña (caso de estudio) realizan búsquedas locales de comida haciendo desplazamientos relativamente del mismo tamaño de una forma bastante azarosa, pero de cuando en cuando hacen un desplazamiento de un tamaño mucho mayor (un vuelo). Este tipo de movimiento tiene una característica muy especial, que se ve igual no importa la escala a la que se le observe. A esto que le llamamos invarianza de escala o fractalidad.
La naturaleza fractal de la Naturaleza
Esta característica de invarianza de escala o fractalidad, en buena medida reconocida y estudiada por primera vez por el maestro Benoit Mandelbrot, está presente desde la estructura espacial de los ríos a la de nuestros pulmones. Pero no solamente se trata de fractalidad espacial, más tarde cuando realizaba mis estudios de posgrado en Ciencias de la Tierra, tuve la fortuna de tomar un seminario de investigación con Alejandro Frank y Rubén Fossion donde el tema central fue la invarianza de escala dinámica, algo que llamamos criticalidad y que implica la existencia de un balance entre procesos que le confieran a los sistemas flexibilidad y procesos que le dan orden.
Criticalidad o fractalidad dinámica
Esta criticalidad o fractalidad dinámica, resulta ser como en el caso de la fractalidad espacial, estar presente en muchos sistemas de la naturaleza, especialmente en los vivos. En el grupo de Frank dentro del Centro de Ciencias de la Complejidad en la UNAM, empezó a surgir un interés muy fuerte por entender el papel de la criticalidad en procesos fisiológicos y la salud humana. Así, Ana Leonor Rivera y demás colegas, comenzaron a estudiar sistemáticamente la criticalidad en la actividad eléctrica del corazón, descubriendo que efectivamente los corazones sanos y jóvenes están en criticalidad y que bajo procesos de enfermedades crónicas como la diabetes o la obesidad, así como en la vejez, esta criticalidad se va perdiendo.
Con el tiempo fuimos entendiendo que la criticalidad es una de las huellas digitales más claras de lo que llamamos sistemas complejos un campo de la física teórica que empezaba a cobrar notoriedad en ese momento de tal forma que con estos estudios no solamente estábamos entendiendo mejor algunos aspectos antes no considerados de la salud humana sino que también estábamos avanzando en los fundamentos de las ciencias de la complejidad.
Simultáneamente, yo seguía inmerso en temas de ecología, por ejemplo ayudando en trabajo de campo para monitorear poblaciones de peces endémicos en lagos del centro de México y cómo estas se veían afectadas por el efecto conjunto de la presencia de especies invasoras y el cambio climático. Por otro lado, en mi propio proyecto doctoral, “De la inteligencia artificial a la mecánica cuántica, una perspectiva física en el manejo sustentable del agua subterránea”, logré entremezclar diversos aspectos de la física teórica, ecología y ciencias de la Tierra.
Curiosamente creo que yo mismo estaba realizando vuelos de Levy en el espacio de las ideas científicas, que resulta ser el mecanismo de búsqueda más eficiente posible, sentando las bases para mi tema actual de investigación, la salud de los ecosistemas. Como otros términos modernos importantes en la Ciencia, la salud de los ecosistemas es un concepto difuso que se ha definido varias veces desde finales de los 80s. Esta diversidad conceptual ha dado lugar a diferentes formas de medirlo, lo que a su vez ha generado una amplia gama de narrativas relacionadas con la salud de los ecosistemas. En última instancia, se ha convertido en una prioridad constante para el gobierno, los científicos y tomadores de decisiones en todo el mundo.
De la Física teórica a la salud de los ecosistemas
En la literatura ecológica se ha tendido a identificar la salud de los ecosistemas con su integridad entendida como un atributo subyacente en la constitución de los ecosistemas que producen manifestaciones específicas en sus características estructurales, procesos de desarrollo y composición adquirida. La integridad de los ecosistemas surge de procesos de autoorganización derivados de mecanismos termodinámicos que operan a través de los organismos vivos (biota) localmente existentes, así como de la energía y los materiales a su disposición, hasta alcanzar puntos operativos “óptimos” que no son fijos, sino que varían según las variaciones de las condiciones físicas o los cambios producidos en la biota o el medio ambiente.
Antifragilidad: a la vida le gustan los estresores
Regresando a la parte de salud humana, mis colegas del Instituto de Ciencias Nucleares y del C3 de la UNAM, Rubén Fossion con su colega Ana Leonor Rivera, junto con el médico Bruno Estaño; comenzaron a estudiar otro aspecto importante, la homeostasis. En su trabajo mis colegas encontraron que cuando el cuerpo humano necesita mantener algún proceso fisiológico homeostático (mantenerlo dentro de un intervalo definido de valores) como es el caso de la presión arterial, esto sólo se logra mediante su acoplamiento con otro proceso que absorba la variabilidad del entorno, que en el caso de la presión arterial es la frecuencia cardiaca.
La similitud entre los resultados de Fossion y colaboradores con las ideas de Nassim Nicholas Taleb, me hicieron pensar que de hecho la homeostasis o resiliencia, como en general se identifica en ecología, son en realidad un caso particular del marco conceptual de Taleb en el cual un sistema puede ser Frágil, robusto o antifragil, dependiendo de cómo responda a las perturbaciones de su entorno (ver Fig. 1).
Figura 1: Creación propia basada en Antifragil de N.N. Tableb. Una copa de cristal es frágil por que ante volatilidad externa (niños jugando a su alrededor) se rompe. Una construcción como la mostrada se ha mantenido en pie a pesar de cambios en el clima, los sistemas sociales, etc, es robusta. La vida es el ejemplo por excelencia de antifragilidad, la vida siempre florece ante al azar, pues este es parte fundamental del proceso evolutivo.
Lo que Taleb se dio cuenta (2012) es que lo contrario a un sistema que se perjudique de la variabilidad de su entorno, como una copa de cristal, no es como comúnmente se piensa un sistema que sea insensible o que se recupere de las perturbaciones (robustez o resiliencia). Lo contrario de perder ante la volatilidad es ganar, no ser insensible. A este tipo de sistemas Taleb les nombró sistemas antifrágiles.
Por supuesto el mejor ejemplo de antifragilidad es el fenómeno vida. La aplicación de estas ideas las hemos revisado detalladamente en una publicación reciente que incorpora por primera vez en la literatura especializada el concepto de antifragilidad ecosistémica. Por supuesto Taleb en su trabajo trata el tema nosotros sólo lo hemos formalizado. Recientemente estas ideas las han empezado a usar colegas míos con los que colaboró, en la caracterización de la microbiota intestinal humana y en cómo afecta al funcionamiento del cerebro (Ramírez-Carrillo, 2020).
De esta manera, en nuestro ir y venir entre empirismo y física teórica, pasamos de caracterizar la salud solo por su estado (integridad) a considerar también su dinámica (criticalidad) y la forma en cómo responden a las perturbaciones (antifragilidad). Creemos que a través de nuestro trabajo estamos mostrando que esta forma compleja de ver a la salud se aplica a diferentes tipos de sistemas (humanos, animales, ecosistemas) y a muy distintas escalas.
Así pues, por más descabellado que en un principio pueda sonar, la física teórica (específicamente la complejidad) tiene mucho que decir acerca de la salud de los ecosistemas, entendidos tradicionalmente; pero también viendo a los organismos mismos como ecosistemas (López-Corona et.al. 2019); o incluso a la Tierra como el ecosistema planetario.
Oliver López-Corona
Nota
- Mandelbrot, B. B., & Mandelbrot, B. B. (1982). The fractal geometry of nature (Vol. 1). New York: WH freeman.
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