La Física Emergente de la Locomoción Animal

Por: Simon Sponberg, profesor adjunto de física y de ciencias biológicas en el Georgia Tech de Atlanta.

Las polillas que revolotean entre las flores en una noche de luna y las cucarachas que corren bajo sus pies son sistemas dinámicos. Como muchos otros animales, se mueven con una aparente facilidad y agilidad que a los humanos nos cuesta reproducir en los sistemas que creamos. Puede parecer que deberíamos saber todo lo que hay que saber sobre la locomoción animal. Pero aún no hemos cumplido la provocadora norma de Richard Feynman: "Lo que no puedo crear, No lo entiendo".

El fracaso no se debe a una limitación de nuestras capacidades de ingeniería, sino que refleja la dificultad de descifrar cómo surge el movimiento de los sistemas físicos y fisiológicos de los organismos. Todavía no podemos emular la motilidad observada en la naturaleza ni derivar el comportamiento.

Imagen: ...las fuerzas que producen los músculos no son funciones simples de comandos neurales: los músculos también dependen del estado. La dependencia del estado no es sorprendente considerando que el músculo es un material complejo hecho de un tejido jerárquico lleno de líquido compuesto por millones de proteínas motoras microscópicas dispuestas en un cristal activo.

El misterio no es nuevo. En su profético: ¿Qué es la vida? (1944), Erwin Schrödinger escribió sobre los posibles límites del reduccionismo para explicar la física de la vida y reconoció que podrían surgir nuevos principios al examinar la vida a escala de los organismos:

Por todo lo que hemos aprendido sobre la estructura de la materia viva, debemos estar preparados para encontrarla funcionando de una manera que no puede reducirse a las leyes ordinarias de la física. Y esto no porque haya una "fuerza nueva" o algo así que dirija el comportamiento de los átomos individuales dentro de un organismo vivo, sino porque la construcción es diferente a todo lo que hemos probado en el laboratorio físico.

En la actualidad, en el laboratorio de física se está integrando un enfoque físico de los sistemas complejos y un enfoque biomecánico de los sistemas vivos.

LA NEUROMECÁNICA, UNA CIENCIA DEL MOVIMIENTO

Todos los animales pueden moverse. Ellos (y algunas plantas, hongos y procariotas) han desarrollado diversas estrategias de movimiento que se basan en la generación de una dinámica estable y maniobrable incluso cuando el mundo es incierto, resbaladizo, obediente o fluido.

Cuando se mueven, los animales deben adquirir, procesar y actuar con información procedente de las neuronas, los músculos, el cuerpo y el entorno exterior. La figura 1 ilustra de forma esquemática cómo interactúan estos sistemas. La retroalimentación neuronal incluye reflejos similares a la respuesta que se produce cuando los receptores de estiramiento de los músculos detectan que uno de nuestros tendones de la rodilla ha sido golpeado en la consulta del médico. Esta retroalimentación también incluye las señales visuales y vestibulares (oído interno) y las demás formas en que percibimos nuestro cuerpo y nuestro entorno. Todas esas señales son procesadas por las neuronas sensoriales y alteran la activación de los músculos por parte del cerebro. Sin embargo, las fuerzas que producen los músculos no son simples funciones de órdenes neuronales: Los músculos también dependen del estado. Si se cambia la tensión de un músculo extendiendo repentinamente la articulación, la fuerza cambiará, incluso sin que cambie la activación neuronal. La dependencia del estado no es sorprendente si se tiene en cuenta que el músculo es un material complejo formado por un tejido jerárquico lleno de líquido y compuesto por millones de proteínas motoras microscópicas dispuestas en un cristal activo.

Imagen: Descripción de los procesos de los movimientos animales; las neuronas activan los músculos transmitiendo impulsos eléctricos; los músculos transforman los comandos motores a fuerzas mecánicas. Los sensores del cuerpo interactúan con el medio ambiente.

La neuromecánica estudia cómo surge el movimiento a través de la interacción de múltiples sistemas fisiológicos y sus interacciones con el entorno que rodea al animal. Entender cómo esos sistemas controlan el movimiento sigue siendo difícil, en parte porque ningún animal puede servir para probar todas las hipótesis neuromecánicas. Sin embargo, los investigadores pueden recurrir a la idea de que "para un número tan grande de problemas habrá algún animal de elección, o unos pocos animales de este tipo, en los que se pueda estudiar más convenientemente", como escribió August Krogh en su artículo de 1929 del American Journal of Physiology, "The progress of physiology" ("El progreso de la fisiología").

Para cumplir la esperanza de Schrödinger de obtener nuevas leyes de los organismos, podemos descubrir temas en ejemplares individuales bien adaptados, como alentaría el principio de Krogh. Pero también podemos relacionar sistemáticamente la dinámica del movimiento entre muchas especies e incorporar explícitamente la historia evolutiva compartida de los organismos. También podemos esperar, con aportaciones experimentales, determinar principios generales que abarquen a todos los organismos y que puedan trasladarse incluso a sistemas no biológicos, como los robots.

Continúe leyendo en: Physics Today: the emergent physics of animal locomotion