La gran simulación

Los avances teóricos de la informática permiten hoy recrear la naturaleza en el computador. La reciente simulación exitosa del ciclo de vida de una bacteria, en Estados Unidos, nos recuerda que estamos cada vez más cerca incluso de simular la vida.

Por Andrés Gomberoff y Natalia MackenzieRevista Qué Pasa, 02/08/2012http://www.quepasa.cl/articulo/tecnologia---ciencia/2012/08/23-9147-9-la-gran-simulacion.shtml

Los pájaros están indignadosporque unos cerdos les robaron sus huevos. Deciden vengarse. Es el argumento de Angry Birds, el juego para teléfonos móviles más popular del planeta. El jugador debe usar a los pájaros como kamikazes, lanzándolos con una honda para así destruir los obstáculos bajo los cuales se esconden los cerdos y terminar con ellos. Lo notable de este juego es lo real que nos parece el modo en que los pájaros-proyectiles vuelan, provocando una cadena de colisiones.

Todo esto se lo debemos a Sir Isaac Newton. Tras el juego hay instrucciones (un algoritmo) que utilizan las leyes de la mecánica para simular la realidad. Pero ¿qué significa “simular” la realidad? En este caso, que en cada instante de la acción el programa usa las posiciones y velocidades de todos los objetos en pantalla para calcular la configuración de los objetos un instante más tarde. La historia se calcula en vivo. El computador simula, así, el actuar de la naturaleza.

La pregunta inmediata que surge es hasta dónde podemos llegar con esto. Si podemos simular las leyes de la mecánica, también podemos simular todas las leyes de la física, y por lo tanto, en principio, cualquier proceso que ocurra en la naturaleza. Podríamos también simular moléculas complicadas, células, cerebros, comportamientos, incluso conciencias. Y aunque es posible hacer esto en ciertos casos, la cosa es bastante más complicada.

El anuncio, hace un par de semanas, de un grupo de científicos en California y Maryland, recordó que esa carrera ya comenzó: simularon vida.

Esto no es un simulacro

Es necesario partir explicando en más detalle qué es y qué no es una simulación computacional. Veamos un ejemplo. En una película de dibujos animados podríamos ver cómo un coyote lanza una roca que vuela y cae de un modo convincente. Aquí no hubo simulación; un dibujante logró crear la trayectoria de la roca de manera que se viera real. Pero claro, él mismo, por razones dramáticas, más tarde concibe la caída del coyote por un precipicio, dejándolo suspendido en el aire por unos segundos, y haciéndolo caer sólo cuando mira hacia abajo y se da cuenta que no tiene apoyo. Ahí no hay leyes de la naturaleza, sólo la voluntad de un autor.

Normalmente, cuando se quiere simular un sistema real completo, son demasiadas las variables en juego, lo que implica necesidades enormes de memoria y capacidad de cálculo. Y cuando se trata de sistemas vivos, el número de variables se hace inmanejable.

En el caso de Angry Birds, la simulación sólo contiene las leyes de la mecánica. No es, por lo tanto, una simulación de la realidad completa. Los pájaros, por ejemplo, son tratados como simples proyectiles, y cualquier actitud emocional que ellos muestren no es parte de la simulación, sino que una función implementada usando películas múltiples, y que deben incluir un puñado de emociones (risa, rabia, movimiento de alas, etc.). Esto está bien, pues el centro del juego, es decir, las colisiones de objetos en la pantalla, no dependen de la psicología o fisiología de los pájaros o cerdos.

El ser capaz de identificar los elementos a simular en cualquier recreación de la naturaleza es un ejercicio intelectual importante, y muchas veces un problema muy difícil de resolver. Normalmente, cuando se quiere simular un sistema real completo, son demasiadas las variables en juego, lo que implica necesidades enormes de memoria y capacidad de cálculo. Y cuando se trata de sistemas vivos, el número de variables se hace inmanejable.

Imagínese que el juego de video quisiera simular también la vida de los plumíferos. Los pájaros tienen miles de millones de células y cerca de 20.000 genes en cada una, que poseen la información que los hace ser lo que son: tener plumas, pico, poder generar la energía que les permite despegar del suelo, o desechar las toxinas resultantes del metabolismo. Una simulación de este calibre requeriría de servidores muy poderosos para no sólo almacenar toda esta información proveniente de los miles de genes, sino también reproducir el sinfín de interacciones entre proteínas, metabolitos y estructuras que nacen una vez que estos genes son leídos dentro de una célula y que mantienen al pájaro vivo. Incluso si esto fuera posible, podríamos decir que la simulación aún no es real, que cada componente celular está compuesto por átomos, y éstos a su vez de partículas elementales subatómicas. Podemos seguir descendiendo en escala, de modo que el número de variables aumenta y la simulación es cada vez más real pero absolutamente imposible de llevar a la práctica.

Afortunadamente, en general, somos capaces de llegar a lo esencial. Y cuando jugamos Angry Birds, sabemos que la forma en que se mueve cierto átomo de uno de los cerdos no modificará su trágico destino.

La bacteria de mentira

En ciencia, la simulación es una herramienta muy útil, que nos permite testear nuestras teorías, y usar la capacidad de cálculo de los computadores para observar sus consecuencias. El caso de la biología es particularmente complejo, por el tremendo número de objetos que deben interactuar dentro de un organismo vivo.

Por esto, la manera más eficiente de simular la vida es empezar con lo más simple posible: una célula. Recientemente, un grupo de bioingenieros y biofísicos de la Universidad de Stanford y del J. Craig Venter Institute, en Estados Unidos, simularon un ciclo en la vida de la bacteria unicelular Mycoplasma genitalium, la cual posee un genoma relativamente pequeño, con 525 genes ya secuenciados y conocidos. Para lograr modelar la gran cantidad de mecanismos y las diferentes escalas de tiempo que regulan los procesos biológicos, los científicos separaron estos procesos en 28 módulos, los cuales fueron modelados independientemente unos de otros y finalmente integrados formando un prototipo celular completo. La información que alimentó a los 128 procesadores que se usaron provino de más de 900 publicaciones, incluyendo más de 1.900 parámetros experimentales, que abarcan gran parte de lo que se sabe del comportamiento de esta bacteria. Se reconstruyó la manera en que los genes se localizan en el cromosoma, se integraron las estructuras de las proteínas resultantes de sus genes, y se categorizaron las diferentes interacciones químicas que conforman cada proceso celular. La reconstrucción se almacenó en bases de datos y se usó primero para predecir eventos conocidos en el ciclo celular de la bacteria y así confirmar que la célula virtual reproduce de manera fidedigna la vida real.

Como resultado, los científicos pudieron predecir con un 80% de certeza qué genes son esenciales para la vida de la bacteria y cuáles no lo son , y generar hipótesis nuevas como por ejemplo explicar el tiempo que la célula demora en dividirse.

Hacia la matriz

El ser humano tiene entre 20.000 y 25.000 genes, lo que hace muchas veces más compleja la tarea de recrear virtualmente una de sus células. Más aún si quisiéramos simular un humano completo, tendríamos que tomar en cuenta sus 50 billones de células, las interacciones entre ellas y con el medio. No sólo no existen hoy computadores que permitan almacenar y procesar en tiempos razonables tal cantidad de información, sino que además, gran parte de las funciones genéticas e interacciones moleculares y celulares que rigen la biología humana siguen siendo un misterio.

El desarrollo de computadores más rápidos en conjunto con los avances de la biología celular y molecular permitirían en el futuro llevar al computador sistemas más complejos, como los organismos multicelulares.

Sin embargo, en el futuro el desarrollo de computadores más rápidos en conjunto con los avances de la biología celular y molecular permitirían llevar al computador sistemas más complejos, como los organismos multicelulares. Por ahora, nos alegramos en tener al Mycoplasma genitalium viviendo en la virtualidad. Es el mejor intento que existe hasta ahora para representar la vida a través de un computador.

Se vislumbra que en un futuro cercano muchos científicos podrán dejar sus laboratorios y hacer algunos de sus experimentos en sus escritorios. Y quizás, en un futuro mucho más lejano, podremos ver simulaciones de órganos humanos completos, que consideren el funcionamiento y las interacciones de cada una de sus células. Simulaciones de cerebros humanos, en donde podamos ver cómo emerge la inteligencia, y quizás mucho más impresionante: la conciencia. Incluso podemos imaginar llegar a simular varios seres humanos, verlos interactuar en la pantalla del computador. Como en la película The Matrix, la simulación llegaría al límite de la creación de un universo humano completo. Uno que vive en una esfera paralela, virtual.

Y aunque quizás sea imposible, es bueno soñar la posibilidad de simular nuestros sueños.