Stuart Kauffman

Médico y académico estadounidense

Stuart Alan Kauffman (nacido el 28 de septiembre de 1939) es un médico, biólogo teórico e investigador de sistemas complejos estadounidense que estudia el origen de la vida en la Tierra . Fue profesor en la Universidad de Chicago , la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Calgary . Actualmente es profesor emérito de bioquímica en la Universidad de Pensilvania y profesor afiliado en el Instituto de Biología de Sistemas . Tiene varios premios, entre ellos una beca MacArthur y una medalla Wiener .

Es más conocido por argumentar que la complejidad de los sistemas biológicos y organismos podría resultar tanto de la autoorganización y la dinámica alejada del equilibrio como de la selección natural darwiniana , como se analiza en su libro Origins of Order (1993). En 1967 ^[1] y 1969 ^[2] utilizó redes booleanas aleatorias para investigar las propiedades genéricas de autoorganización de las redes reguladoras de genes, proponiendo que los tipos de células son atractores dinámicos en las redes reguladoras de genes y que la diferenciación celular puede entenderse como transiciones entre atractores. Evidencias recientes sugieren que los tipos de células en humanos y otros organismos son atractores. ^{[3] [4]} En 1971 sugirió que un cigoto puede no ser capaz de acceder a todos los atractores de tipos de células en su red reguladora de genes durante el desarrollo y que algunos de los tipos de células inaccesibles durante el desarrollo podrían ser tipos de células cancerosas. ^[5] Esto sugirió la posibilidad de una "terapia de diferenciación del cáncer". También propuso la aparición autoorganizada de conjuntos de polímeros colectivamente autocatalíticos , específicamente péptidos , para el origen de la reproducción molecular, ^{[6] [7]} que han encontrado apoyo experimental. ^{[8] [9]}

Educación y comienzo de carrera

Kauffman se graduó en Dartmouth en 1960, obtuvo la licenciatura (con honores) en la Universidad de Oxford (donde fue becario Marshall ) en 1963 y completó el título de médico (MD) en la Universidad de California, San Francisco en 1968. Después de completar su pasantía, se dedicó a la genética del desarrollo de la mosca de la fruta, ocupando cargos primero en la Universidad de Chicago de 1969 a 1973, en el Instituto Nacional del Cáncer de 1973 a 1975 y luego en la Universidad de Pensilvania de 1975 a 1994, donde ascendió a profesor de bioquímica y biofísica .

Carrera

Kauffman se hizo conocido a través de su asociación con el Instituto Santa Fe (un instituto de investigación sin fines de lucro dedicado al estudio de sistemas complejos ), donde fue profesor residente de 1986 a 1997, y por su trabajo en modelos en varias áreas de la biología . Estos incluyeron conjuntos autocatalíticos en la investigación del origen de la vida , redes reguladoras de genes en biología del desarrollo y paisajes de aptitud en biología evolutiva . Con Marc Ballivet, Kauffman posee las patentes biotecnológicas amplias fundadoras en química combinatoria y evolución molecular aplicada , emitidas por primera vez en Francia en 1987, ^[10] en Inglaterra en 1989 y más tarde en América del Norte. ^{[11] [12]}

En 1996, junto con Ernst and Young , Kauffman fundó BiosGroup , una empresa con fines de lucro con sede en Santa Fe , Nuevo México, que aplicaba una metodología de sistemas complejos a problemas empresariales. BiosGroup fue adquirida por NuTech Solutions a principios de 2003. NuTech fue comprada por Netezza en 2008 y, posteriormente, por IBM. ^{[13] [14] [15]}

De 2005 a 2009, Kauffman ocupó un puesto conjunto en la Universidad de Calgary en ciencias biológicas, física y astronomía. También fue profesor adjunto en el Departamento de Filosofía de la Universidad de Calgary . Fue presidente de iCORE (Círculo de Excelencia en Investigación Informática) y director del Instituto de Biocomplejidad e Informática. Kauffman también fue invitado a ayudar a lanzar la iniciativa Ciencia y Religión en la Escuela de Teología de Harvard , donde se desempeñó como profesor visitante en 2009.

En enero de 2009, Kauffman se convirtió en profesor distinguido de Finlandia (FiDiPro) en el Departamento de Procesamiento de Señales de la Universidad Tecnológica de Tampere . El nombramiento finalizó en diciembre de 2012. El tema del proyecto de investigación FiDiPro es el desarrollo de modelos estocásticos retardados de redes reguladoras genéticas basadas en datos de expresión génica a nivel de molécula individual .

En enero de 2010, Kauffman se unió a la facultad de la Universidad de Vermont , donde continuó su trabajo durante dos años con el Centro de Sistemas Complejos de la UVM. ^[16] Desde principios de 2011 hasta abril de 2013, Kauffman fue un colaborador habitual del Blog 13.7 de NPR , Cosmos and Culture, ^[17] con temas que abarcaban desde las ciencias de la vida, la biología de sistemas y la medicina hasta la espiritualidad, la economía y el derecho. ^[17]

En mayo de 2013 se incorporó al Instituto de Biología de Sistemas, en Seattle, Washington. Tras la muerte de su esposa, Kauffman cofundó Transforming Medicine: The Elizabeth Kauffman Institute. ^[18]

En 2014, Kauffman, Samuli Niiranen y Gabor Vattay obtuvieron una patente fundacional ^[19] sobre el reino en equilibrio (ver abajo), un "estado de la materia" aparentemente nuevo que oscila reversiblemente entre los reinos cuántico y clásico. ^[20]

En 2015, fue invitado a ayudar a iniciar un debate general sobre el replanteamiento del crecimiento económico para las Naciones Unidas . ^[21] Casi al mismo tiempo, realizó una investigación con el profesor de la Universidad de Oxford Teppo Felin . ^[22]

Paisajes de fitness

Visualización de dos dimensiones de un panorama de aptitud de NK. Las flechas representan diversas rutas mutacionales que la población podría seguir mientras evoluciona en el panorama de aptitud.

El modelo NK de Kauffman define un espacio de fase combinatorio , que consiste en cada cadena (seleccionada de un alfabeto dado) de longitud . Para cada cadena en este espacio de búsqueda, se define un valor escalar (llamado aptitud ). Si se define una métrica de distancia entre cadenas, la estructura resultante es un paisaje . ${\displaystyle N}$

Los valores de aptitud se definen según la encarnación específica del modelo, pero la característica clave del modelo NK es que la aptitud de una cadena dada es la suma de las contribuciones de cada locus en la cadena: ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle S_{i}}$

${\displaystyle F(S)=\sum _{i}f(S_{i}),}$

y la contribución de cada locus en general depende del valor de los otros locus: ${\displaystyle K}$

${\displaystyle f(S_{i})=f(S_{i},S_{1}^{i},\dots ,S_{K}^{i}),\,}$

¿Dónde están los otros lugares de los que depende la aptitud de? ${\displaystyle S_{j}^{i}}$ ${\displaystyle S_{i}}$

Por lo tanto, la función de aptitud es una función de mapeo entre cadenas de longitud K  + 1 y escalares, lo que el trabajo posterior de Weinberger llama "contribuciones de aptitud". Dichas contribuciones de aptitud suelen elegirse aleatoriamente a partir de alguna distribución de probabilidad específica. ${\displaystyle f(S_{i},S_{1}^{i},\dots ,S_{K}^{i})}$

En 1991, Weinberger publicó un análisis detallado ^[23] del caso en el que y las contribuciones de aptitud se eligen aleatoriamente. Su estimación analítica del número de óptimos locales se demostró más tarde que era errónea. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, los experimentos numéricos incluidos en el análisis de Weinberger respaldan su resultado analítico de que la aptitud esperada de una cuerda se distribuye normalmente con una media de aproximadamente y una varianza de aproximadamente . ${\displaystyle 1<<k\leq N}$ ${\displaystyle \mu +\sigma {\sqrt {{2\ln(k+1)} \over {k+1}}}}$ ${\displaystyle {{(k+1)\sigma ^{2}} \over {N[k+1+2(k+2)\ln(k+1)]}}}$

Reconocimientos y premios

Kauffman fue becario MacArthur entre 1987 y 1992. También posee un título honorario en Ciencias de la Universidad de Lovaina (1997). Fue galardonado con la Medalla de Oro Norbert Wiener Memorial en Cibernética en 1973, la Medalla de Oro de la Accademia dei Lincei en Roma en 1990, el Premio Trotter de Información y Complejidad en 2001 y el premio Herbert Simon de Sistemas Complejos en 2013. Se convirtió en miembro de la Royal Society of Canada en 2009.

Obras

Kauffman es más conocido por argumentar que la complejidad de los sistemas biológicos y organismos podría resultar tanto de la autoorganización y la dinámica alejada del equilibrio como de la selección natural darwiniana en tres áreas de la biología evolutiva , a saber, la dinámica de poblaciones , la evolución molecular y la morfogénesis . Con respecto a la biología molecular, el enfoque estructuralista de Kauffman ha sido criticado por ignorar el papel de la energía en el impulso de las reacciones bioquímicas en las células, que pueden llamarse con justicia autocatalizadoras pero que no se autoorganizan simplemente. ^[24] Algunos biólogos y físicos que trabajan en el área de Kauffman han cuestionado sus afirmaciones sobre la autoorganización y la evolución. Un ejemplo de ello son algunos comentarios en el libro de 2001 Self-Organization in Biological Systems . ^[25] El libro de 2011 de Roger Sansom Ingenious Genes: How Gene Regulation Networks Evolve to Control Development es una crítica extendida del modelo de autoorganización de Kauffman en relación con las redes reguladoras de genes. ^[26]

Tomando como base los modelos de vidrio de espín de la física, Kauffman inventó los paisajes de aptitud "NK", que han encontrado aplicaciones en biología ^[27] y economía. ^{[28] [29]} En un trabajo relacionado, Kauffman y sus colegas han examinado el comportamiento subcrítico, crítico y supracrítico en sistemas económicos. ^[30]

El trabajo de Kauffman traslada sus hallazgos biológicos al problema mente-cuerpo y a cuestiones de neurociencia, proponiendo atributos de un nuevo "reino equilibrado" que oscila indefinidamente entre la coherencia cuántica y la clasicismo . Publicó sobre este tema en su artículo "Respondiendo a Descartes: más allá de Turing". ^[31] Con Giuseppe Longo y Maël Montévil, escribió (enero de 2012) "No Entailing Laws, But Enablement in the Evolution of the Biosphere", ^[32] que sostenía que la evolución no es "ley implicada" como la física.

El trabajo de Kauffman está publicado en Physics ArXiv , incluyendo "Más allá del estancamiento: mente/cuerpo, mecánica cuántica, libre albedrío, posible panpsiquismo, posible solución al enigma cuántico" (octubre de 2014) ^[33] y "Criticalidad cuántica en el origen de la vida" (febrero de 2015). ^[20]

Kauffman ha contribuido al campo emergente de la evolución tecnológica acumulativa al introducir una matemática de lo posible adyacente . ^{[34] [35]}

Ha publicado más de 350 artículos y 6 libros: Los orígenes del orden (1993), En casa en el universo (1995), Investigaciones (2000), Reinventar lo sagrado (2008), La humanidad en un universo creativo (2016) y Un mundo más allá de la física (2019).

En 2016, Kauffman escribió un cuento infantil, "Patrick, Rupert, Sly & Gus Protocells", una narración sobre la creación de nichos impredecibles en la biosfera, que luego se produjo como un breve vídeo animado. ^[36]

En 2017, explorando el concepto de que la realidad consiste tanto en "posibles" ontológicamente reales (res potentia) como en "actuales" ontológicamente reales (res extensa), Kauffman escribió, junto con Ruth Kastner y Michael Epperson, "Tomando en serio la potentia de Heisenberg". ^[37]

Bibliografía

Artículos seleccionados

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Libros

• Kauffman, Stuart (1993). Los orígenes del orden: autoorganización y selección en la evolución . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-507951-7.
• Kauffman, Stuart (1995). En casa en el universo: la búsqueda de leyes de autoorganización y complejidad . Oxford University Press. ISBN 978-0195111309.
• Kauffman, Stuart (2000). Investigaciones . Oxford University Press. ISBN 978-0199728947.
• Kauffman, Stuart (2008). Reinventar lo sagrado: una nueva visión de la ciencia, la razón y la religión . Basic Books. ISBN 978-0-465-00300-6.
• Kauffman, Stuart (2016). La humanidad en un universo creativo . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-939045-8.
• Kauffman, Stuart (2019). Un mundo más allá de la física . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-087133-8.

Notas

1. Kauffman y McCulloch 1967.
2. Kauffman 1969.
3. Huang y Kauffman 2009.
4. Nykter y otros. 2008.
5. Kauffman 1971b.
6. Kauffman 1971a.
7. Kauffman 2011.
8. Dadon, Wagner y Ashkenasy 2008.
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11. US 5,723,323 "Método para identificar un péptido, polipéptido o proteína generado estocásticamente que tiene propiedades de unión a ligando y composiciones del mismo" 
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Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

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