Vida, entropía y complejidad | 17 OCT 17

La medicina “al borde del caos”

Este artículo desarrolla conceptos que no son familiares a los profesionales de la salud, a fin de que sean pensados y aprehendidos
Autor/a: Eduardo l. De Vito Fuente: Revisa MEDICINA, Buenos Aires, VOL. 76 N° 1 - 2016 La medicina “al borde del caos”. Vida, entropía y complejidad
INDICE:  1. Página 1 | 2. Referencias bibliográficas
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Resumen

El objetivo de este artículo es contribuir a que los médicos y otros profesionales de la salud, que buscan diariamente mejorar su conocimiento para beneficio del ser humano enfermo, incorporen nuevas herramientas conceptuales y metodológicas para entender la complejidad inherente al campo de la medicina. Este artículo desarrolla conceptos que no son familiares a los profesionales de la salud, a fin de que sean pensados y aprehendidos. Plantea la necesidad de definir la vida desde el punto de vista termodinámico y situarla en estrecha relación con los sistemas complejos, la dinámica no lineal y el comportamiento caótico, redefinir los mecanismos convencionales de control fisiológico basados en el concepto de homeostasis y recorrer el camino que va desde la búsqueda de vida extraterrestre hasta exponer a la medicina “al borde del caos”. La complejidad trasciende los aspectos biológicos; incluye la dimensión subjetiva y simbólico-social. Visualizar la enfermedad como un fenómeno heterogéneo y multicausal puede dar origen a nuevos enfoques para el enfermo

Si tu única herramienta es un martillo, tiendes a tratar cada problema como si fuera un clavo.
Abraham H. Maslow (1908-1970)

La mayoría de las intervenciones médicas parecen ser simples, algunas aparentan ser complicadas, pero otras, son ciertamente complejas como lo es el comportamiento real de nuestros pacientes. Somos sistemas adaptativos complejos y como tales, bajo ciertos contextos, la tradicional metodología de carácter lineal es insuficiente. Necesitamos algo más que un martillo.

Todos nosotros vivimos lejos del equilibrio termodinámico, consumiendo y disipando energía en un proceso que llamamos metabolismo y el fenómeno emergente resultante es que lidiamos a diario con la salud y la enfermedad.

Nuestra compleja fisiología fluctúa continuamente y esta variabilidad ha sido denominada el condimento de la vida (the spice of life). La investigación de este fenómeno es clínicamente relevante y podría plantearse la hipótesis de que la enfermedad es la consecuencia de moverse muy cerca o muy lejos del equilibrio termodinámico.

El estudio integrado de las interacciones entre moléculas, genes, células y sistemas biológicos puede permitir una mejor comprensión de los fenómenos emergentes denominados salud y no salud. La separación entre la investigación biomédica básica y su aplicación clínica ha crecido paulatinamente, y a pesar de una explosión en el conocimiento sobre los mecanismos de los procesos biológicos, esto no se ha traducido en el incremento correspondiente de nuevos tratamientos1.

Con el objeto de facilitar la transición de la investigación básica en aplicaciones clínicas que redunden en beneficio de la salud surge la medicina traslacional. De manera similar, nuevos saberes sobre la naturaleza enfermedad se pueden incorporar al centro de atención de nuestros pacientes.

Este artículo contiene conceptos que no son familiares para los profesionales de la salud. No lo escribo como experto en termodinámica, complejidad y sistemas caóticos, sino como un médico curioso que, con cierta incursión formal en el tema, se siente atraído y fascinado por las ideas que se han empezado a proponer en esos terrenos, e intuye que en ellas puede encontrarse alguna herramienta metodológica para nuevas intervenciones que permitan ayudar a nuestros pacientes. Este es el recorrido que va desde la búsqueda de vida extraterrestre, la ciencia de la complejidad hasta la medicina “al borde del caos”.


Entropía y vida extraterrestre

No debe haber ser humano que no se haya preguntado sobre la posibilidad de vida en otros planetas. La búsqueda sistemática de inteligencia extraterrestre está liderada por el proyecto SETI (Search for ExtraTerrestreal Intelligence) de la NASA. Se basa en el análisis de señales electromagnéticas capturadas por radiotelescopios, o bien enviando mensajes con la esperanza que sean contestados. Para buscar vida hay que definirla, el debate sobre su definición es fascinante2-4.

Según el Programa de Exobiología de la NASA, vida es un sistema químico auto sostenido capaz de experimentar evolución darwiniana4. Pero la definición más aceptada por la comunidad científica está basada en la termodinámica: Los sistemas vivos son una organización especial y localizada de la materia, donde se produce un continuo incremento del orden sin intervención externa5. Esta definición, considerada hoy la más completa, nace de la mejor comprensión del Universo en los últimos 100 años y se basa en el segundo principio de la termodinámica: la entropía o desorden de un sistema aislado siempre aumenta.

La vida es una constante lucha contra la entropía y de hecho, son los sistemas biológicos quienes tienden a reducirla.

La entropía es posiblemente el más importante e insuficientemente conocido concepto en fisiología. Es una magnitud física que permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo y está ligada con el grado de desorden de un sistema. La cantidad de entropía del universo tiende a aumentar, pero en los organismos vivos se produce un incremento continuo del grado de orden, contradiciendo –aparentemente– este principio. La vida es una constante lucha contra la entropía y de hecho, son los sistemas biológicos quienes tienden a reducirla.

Esta propiedad fue aprovechada por un grupo de investigadores para detectar la presencia de seres vivos en planetas distantes, aun con una biología distinta de la terrestre o incluso inimaginable6. ¿Cómo podemos detectar vida cuya composición no conocemos?

Cualquier forma de vida prevista debe compartir el atributo de ser entidades que disminuyen su entropía interna a expensas de la energía libre obtenida de su entorno. Mediante el uso de análisis matemático fractal (una metodología de análisis no lineal que estudia sistemas físicos complejos), se puede cuantificar el grado de diferencia de entropía y la complejidad de los procesos vivos como entidades distintas y separadas de su entorno abiótico7.Para ello, es necesario tener una fuente de energía desde el ambiente (gradiente) y un mecanismo que la capture para que la entropía del sistema biótico disminuya. Se trata de una carrera cuesta arriba.

Aunque en una escala insignificante para el Cosmos, la complejidad biológica permite (en forma restringida) “desviar” la flecha del tiempo hacia un aumento del orden, pero el impulso natural de las cosas es del orden al desorden. Entonces, hay algo que parece ser inevitable: El universo tiende a la máxima entropía y cuando ésta sea máxima (equilibrio entre todas las temperaturas y presiones), llegará la muerte térmica del universo. Mucho antes que esto ocurra, todos nosotros habremos alcanzado el grado máximo de entropía. En definitiva, la flecha del tiempo existe porque vamos hacia la entropía y esto parece no tener vuelta atrás7, 8.

Nuestro planeta es único: está rebosante de vida. Desde el espacio podríamos registrar en él una disminución notable de la entropía. El proyecto SETI no ha hallado indicios de civilizaciones con tecnología de emisión de ondas de radio y la búsqueda en el espacio de sectores con disminución de la entropía está en etapa embrionaria. Somos materia estelar hecha conciencia, venimos de las estrellas y vamos hacia ellas; encontrar vida extraterrestre sería maravilloso, tan maravilloso como no encontrarla.


Sistemas simples, complicados y complejos

Los sistemas vivos son capaces de incorporar a largo plazo la memoria de la selección darwiniana mediante la herencia genética

Pero, ¿qué significa la frase "la entropía del universo tiende a un máximo"? Podemos, de forma alternativa, sustituirla por los sistemas tienden a evolucionar a partir de una configuración precisa, configuraciones estadísticamente improbables, hacia un estado menos ordenado, estadísticamente más probable. El núcleo de esta definición es que, a diferencia de las muy frecuentes configuraciones desordenadas, las raras configuraciones ordenadas pueden replicarse y, a diferencia de los sistemas inanimados, los sistemas vivos son capaces de incorporar a largo plazo la memoria de la selección darwiniana mediante la herencia genética9-11.

El humo exhalado en forma de anillo tiene una configuración altamente ordenada y estadísticamente muy improbable (Fig. 1). Con el tiempo, las partículas de humo se dispersan al azar. El anillo de humo desaparece, nunca reaparecerá espontáneamente y esto es intuitivamente muy razonable. Si en una habitación llena de humo las partículas comenzaran a tomar la forma de un círculo, no podríamos creer lo que ven nuestros ojos. Diríamos que la segunda ley de la termodinámica no se cumple. Pero esto es exactamente lo que ocurre todos los días durante el desarrollo de un bebé después de la fecundación de un óvulo; lo vemos en la diversidad de la vida y sus ecosistemas, resultado de lo que pasó durante varios miles de millones de años de evolución darwiniana a partir de la sopa primordial8.


Fig. 1.– Configuraciones ordenadas y desordenadas. El panel A: partículas de humo exhalado en forma de anillo, una configuración ordenada y estadística¬mente improbable. Con el tiempo, las partículas de humo se dispersan al azar, adoptan una configuración desordenada y altamente probable (panel B). Si el humo disperso retornara a la configuración en forma de anillo, la segunda ley de la termodinámica no se cumpliría.

¿Por qué los organismos vivos son capaces de disminuir la entropía y aumentar el orden?

Una característica excluyente de todos ellos es su complejidad. Se adjudica a Karl Ludwig von Bertalanffy (1901-1972), un biólogo y filósofo austríaco, los principios de la Ciencia de la Complejidad12. Basado en la más sólida de las ciencias, las matemáticas, focaliza su interés en procesos que resultan en la emergencia de un nuevo patrón como un todo13, 14. La consideración de la dinámica de los sistemas complejos permite un enfoque más consistente para la definición de la vida que meramente un “replicador expuesto al aire” desde los orígenes de la vida7.

Lejos de la complejidad están los sistemas simples y los complicados, pertenecen al dominio de lo ordenado, donde la relación causa efecto es perceptible y el resultado final es meramente la suma de las partes. Es posible analizarlos dividiendo cada una de ellas, no hay nada oculto (Fig. 2). En cambio, los sistemas complejos están compuestos por varias partes interconectadas o entrelazadas cuyos vínculos crean información adicional no visible antes por el observador. Como resultado de las interacciones entre elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las características de los elementos aislados, estas son las propiedades emergentes, un concepto estrechamente relacionado con los de autoorganización (propiedad de los sistemas de generar orden a partir del caos)14.

El comportamiento colectivo de insectos y aves es un ejemplo de un orden emergente en la naturaleza. Los insectos son organismos muy simples, el repertorio de comportamientos individual es limitado, pero juntos llevan a cabo actuaciones colectivas imposibles para un único individuo. La producción de miel de las abejas y los movimientos colectivos de las aves son ejemplos de un orden emergente de sistemas complejos. No es posible saber cómo se genera la miel o la nube ordenada de aves disecando una abeja o un ave (Fig. 2). El concepto de organización compleja toma en cuenta tanto el todo como el comportamiento de las partes.

Fig. 2.– Sistema complicado y complejo. Es posible entender el complicado funcio­namiento de un reloj a través del desmontaje completo de sus piezas (panel A). El comportamiento colectivo de las aves no puede verse como sumatoria de partes. Cada interacción cambia o elimina la posición de las piezas, que no pueden entenderse simplemente como las partes de un reloj a través de des­montaje completo (panel B).

Los ecosistemas, los gobiernos, las familias, el cuerpo humano, los sistemas económicos humanos, el cerebro, la conciencia, el tiempo atmosférico, la liberación de neurotransmisores y la elección de un nuevo presidente son algunos ejemplos de sistemas complejos14.

Nos sentimos cómodos con la linealidad

Es evidente que en los sistemas lineales las variables son simples, se hallan directamente relacionadas y es posible entender su evolución casi intuitivamente: a una causa, corresponde un efecto, a mayor causa, mayor efecto; nos sentimos cómodos con la linealidad. En cambio, un sistema no lineal está formado por una o más variables que evolucionan con el tiempo y no es sencillo, a primera vista, predecir su evolución. Si deseamos comprender la biología, por ejemplo, los sistemas lineales tienen una limitada aplicación. El fenómeno de la vida se ajusta mejor a una dinámica no lineal propia de los sistemas complejos.

Metodológicamente, la física clásica considera el estudio de una variable aislada, intenta el control de las condiciones experimentales, analiza, separa, diseca. Establece así relaciones causa-efecto, hay linealidad, a pequeños cambios corresponden pequeños efectos (segunda ley de Newton). Virtualmente todo nuestro corpus de conocimiento deriva de este tipo de enfoque. La medicina ha seguido este modelo newtoniano que, para resolver problemas simples o complicados, ha demostrado su utilidad. Las sesiones anátomo-clínicas son el ejemplo de la predominancia del pensamiento lineal en el siglo XX y hoy son los métodos que incorporan la evidencia epidemiológica en la práctica clínica (mal llamada medicina basada en la evidencia)15. De manera similar, las leyes de la mecánica lineal permiten un análisis preciso del movimiento de las bolas de billar en una mesa de paño verde (Fig. 3 A).

A diferencia de la física clásica, la física cuántica maneja conceptos aparentemente ilógicos y confusos (difusos, borrosos). Existe una dualidad onda partícula, las relaciones no son lineales, hay incertidumbre. En medicina, este enfoque metodológico es el de una mirada en conjunto, que trasciende el campo biológico. Los problemas complejos y aun caóticos se encuentran dentro de esta categoría. Hay tanto objetividad clínica como subjetividad clínica. Imaginemos las trayectorias de las bolas de billar, pero ahora flotando en el agua (Fig. 3 B).

El dominio de lo lineal y ordenado corresponde al modelo hipocrático actualmente hegemónico. El dominio de lo incierto y no ordenado corresponde al enfoque de Asclepio, el dios de la sanación de la Grecia del siglo IV a. C.16, 17. El médico debe desarrollar saberes y actitudes para poder ofrecer, según corresponda, ambos modelos, el hipocrático y el asclepiano; esto no es dicotómico, es complementario. Los fenómenos vitales son complejos, no lineales.


La vida es caos y el caos no es azar

En estrecha relación con los sistemas complejos y la dinámica no lineal se encuentra la ya mencionada Teoría del Caos, considerada la tercera revolución de la física en el siglo XX, reservando para la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica los primeros lugares18. Los sistemas complejos y los caóticos forman parte del dominio de lo no-ordenado y la mayoría de los sistemas complejos son caóticos y estos conceptos están siendo utilizados en medicina. Si bien se utilizan en epidemiología de las enfermedades infecciosas, organización de sistemas de salud, biomedicina, ciencias sociales y geografía y su relación con la salud, los conceptos de sistemas complejos y caos son vistos como lejanos para la mayoría de los profesionales de la salud19.

Fig. 3.– Bolas de billar en una mesa y en el agua. Panel A: Las trayectorias de las bolas de billar en una mesa lisa son fáciles de predecir, responden a leyes de la física clásica. Panel B: las trayectorias de las bolas de billar en el agua son difíciles de predecir, hay incertidumbre.

El caos no es azar, es un sistema determinista, pero difícil de prever

Caos no significa necesariamente desorden en el sentido literal y popular de la palabra; es un fenómeno dinámico que ocurre cuando algo cambia, pero la definición técnica no es fácil de entender. Formalmente, caos puede definirse como la aparente ausencia de orden en un sistema que es altamente sensible a las condiciones iniciales (pequeñas fluctuaciones que disturban un sistema pueden producir grandes cambios)14. El comportamiento caótico parece azaroso (como el resultado de arrojar un par de dados), pero tiene patrones sutiles dentro de su estructura y sin embargo son muy difíciles de predecir.

El caos no es azar, es un sistema determinista, pero difícil de prever. Es posible predecir el cambio climático del planeta para los próximos 40 000 años con notable exactitud pero conocemos las imprecisiones del pronóstico meteorológico para los próximos 3-4 días. El cambio climático tiene una dinámica lineal, en cambio, el tiempo atmosférico es un sistema caótico altamente complejo.

Podemos disfrutar de las siguientes definiciones: El caos es la complejidad de la supuesta causalidad en la relación entre eventos, sin que se observe una traza lineal que relacione la causa con el efecto. O bien, caos es la ocurrencia aperiódica de eventos aparentemente al azar de un sistema determinista. Caos es orden y en el orden subyace el caos.

¿Cuántos de nosotros sabíamos en esos años en que decidimos nuestra profesión que las “ecuaciones de la vida” eran mucho más complejas que las “ecuaciones de la física” de las que huíamos despavoridos?

Es posible ahora relacionar el espectro de los sistemas termodinámicos abiertos en relación al grado de complejidad y equilibrio termodinámico (Fig. 4). Los sistemas biológicos operan lejos del equilibrio porque, en condiciones de salud, son sistemas disipativos abiertos regidos por dinámicas no lineales, con un alto grado de organización, muy flexibles, capaces de mantener un ambiente interno altamente organizado pero fluctuante dentro de ciertos límites en estado de salud y disipando energía en un estado alejado del equilibrio termodinámico20. Le corresponde a Ilya Prigogine (1917-2003) la descripción de estas estructuras disipativas; se las asocia a la noción de pérdida y evolución hacia el desorden, y sin embargo, se convierten, lejos del equilibrio, en fuente de orden.

Seguir los pasos de una receta de cocina es simple, enviar una nave espacial a Marte es complicado, criar un niño es complejo

Debe ser paradójico, para quienes decidimos seguir medicina por muchas motivaciones y huyendo quizá de las matemáticas de la escuela secundaria, que el sujeto de estudio en cuanto persona enferma, es complejo y caótico. ¿Cuántos de nosotros sabíamos en esos años en que decidimos nuestra profesión que las “ecuaciones de la vida” eran mucho más complejas que las “ecuaciones de la física” de las que huíamos despavoridos? La vida es caos.

Seguir los pasos de una receta de cocina es simple, enviar una nave espacial a Marte es complicado, criar un niño es complejo; ciertas enfermedades agudas son simples, otras son complicadas, pero las enfermedades crónicas son complejas. Los médicos y profesionales de la salud en general se enfrentan todos los días con situaciones que creen complicadas pero que obedecen en realidad a una dinámica compleja21. Sin embargo, no infrecuentemente, en sus rutinas y normas predomina el pensamiento lineal.

A esta altura de la lectura es fácil suponer la relevancia de decidir con qué tipo de sistema (o problema) nos enfrentamos (simple, complicado, complejo o caótico), porque esta categorización decidirá la metodología de análisis. No es razonable efectuar el análisis de un sistema complejo con base en metodología lineal (adecuada para los sistemas simples). El mundo real no es complicado, es complejo. Los sistemas complejos se encuentran en nuestro entorno cercano, estamos rodeados de ellos y formamos parte de ellos. Afortunadamente la vida es caos, al punto que la dinámica no lineal ha puesto en duda los mismos mecanismos convencionales de control fisiológico basados en el concepto de homeostasis.

Fig. 4.– Sistemas termodinámicos abiertos, desde los sistemas ordenados (izquierda y abajo) hacia el “casi” caos y lejos de los estados de equilibrio (arriba y derecha). A medida que el consumo de energía aumenta, el sistema se mueve desde el equilibrio y pasa por una fase de transición comprendida entre el orden y el caos determinístico. Los sistemas complejos como la vida, se ubican en esta fase de transición: la vida es ahí ordenada, estable, adaptable y fluctuante.


La quimera de la homeostasis

Si hay una idea profundamente enraizada en nuestro pensamiento médico es la de homeostasis: el organismo tiene sistemas de control que detectan la desviación de ciertos parámetros lejos de los valores “adecuados” y consecuentemente pone en marcha mecanismos protectores que devuelven los parámetros a los niveles “correctos”22. Claude Bernard en 1865 introdujo el concepto de homeostasis (del griego homos, “similar”, y stasis, “estado”), o constancia del medio interno (milieu intérieur), si bien el término no es suyo, sino de W. B. Cannon. Este modelo señala como cualidad definitoria de los seres vivos la capacidad para mantener las condiciones físico-químicas del medio interno: “la fixité du milieu intérieur”

Estar sano quizá sea estar a una distancia adecuada del equilibrio termodinámico

Pero los seres vivos funcionamos muy lejos del equilibrio termodinámico, consumimos oxígeno y quemamos nutrientes en un proceso que llamamos metabolismo. Pero también somos muy “ordenados”23. Si la vida significa estar lejos del equilibrio termodinámico, y la muerte se produce cuando nos acercamos demasiado a ese equilibrio, se puede considerar que estar sano quizá sea estar a una distancia adecuada del equilibrio termodinámico.

Si hay algo que debe quedar claro es que la homeostasis no es de ninguna manera estática. Esto fue claramente explicitado por Peter Macklem (1931-2011) desafiando a la comunidad científica hace unos años e invocando a los clásicos escritos de Claude Bernard8, 9, 24, 25. Bernard hablaba de la “capacité d’autorégulation d’un système biologique lorsque varient des conditions physiologiques du milieu intérieur” (capacidad de auto-regulación de un sistema biológico cuando varían las condiciones fisiológicas del medio interno), pero lo que en realidad buscaba era descubrir lo que distingue a los vivos de los no vivos. La homeostasis se convertiría en una quimera que daría lugar al concepto de variabilidad de un sistema vivo e introduciría los conceptos de la termodinámica.

Un término más adecuado a la realidad sería homéocinesis, que podría definirse como “la capacidad de un organismo (operando en una variable de entorno externo) de mantener altamente organizado el medio interno, dentro de los límites aceptables de las fluctuaciones de disipación de energía en un estado de no-equilibrio”8. Las fluctuaciones son las modificaciones ordenadas que pueden ser cuantificadas26. Este tipo de variabilidad compleja, lejana del equilibrio, en lugar de un solo estado de equilibrio homeostático, parece definir la capacidad de funcionamiento libre de muchos sistemas biológicos.

Rudolf Clausius, coetáneo de Bernard, había establecido la segunda ley de la termodinámica y la idea de entropía que llevaría al desarrollo de las ya mencionadas estructuras disipativas de Prigogine. Sin embargo, las publicaciones sobre estos temas se fragmentaron en los diferentes equipos de investigación que no tenían conocimiento de lo realizado por otros. Como consecuencia, el conocimiento y utilización de estos hallazgos por un círculo más amplio se retrasó considerablemente27. Sea como fuere, la homeostasis se convertiría en una quimera y, con la creciente separación no comunicante de las disciplinas, su integración sería en las décadas venideras tan solo una ilusión28.

 

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