¿Podemos entender una célula como un dispositivo computacional orgánico? En ese caso, ¿el organismo completo puede considerarse un conjunto de una gran cantidad de dispositivos computacionales que interactúan?
Si este es el caso, la biología se puede estudiar usando métodos de teoría de grafos, teoría de redes, teoría de computación y teoría de sistemas complejos.
Si se abstrae lo suficiente, cualquier cosa puede ser considerada como un dispositivo computacional. El problema de hacer esto con celdas es la gran cantidad de variables.
Para cualquier celda dada, existen las siguientes variables internas :
Esta lista no es exhaustiva.
También vale la pena señalar que las variables anteriores también pueden existir para múltiples "compartimentos" separados dentro de la celda; vesículas, el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi son tres que me vienen a la mente de inmediato.
El otro problema es que las células no existen en el vacío; el ambiente externo juega un papel importante en su funcionamiento. El cuerpo humano existe en cualquier momento en contacto directo e interacción con los siguientes entornos extracelulares:
...Y la lista continúa. Cada uno de estos compartimentos requiere el seguimiento de las mismas variables que las celdas individuales.
Esto se complica aún más por el hecho de que algunos de estos compartimentos no pueden considerarse fácilmente como un gran compartimento, debido a la importancia de las relaciones espaciales. Por ejemplo, las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre (así como las concentraciones de otras sustancias como el alcohol) cambian centímetro a centímetro. Otro problema más es el hecho de que las células no son estáticas en términos de sus relaciones entre sí; los glóbulos rojos se mueven con el flujo sanguíneo y experimentan turbulencias y otros efectos, y otras células (como los macrófagos) son capaces de moverse "deliberadamente" en la sangre y en los tejidos.
También tendría que tener en cuenta las perturbaciones físicas: cosas como una herida de arma blanca o incluso un pinchazo son ridículamente complejos a nivel celular.
Por supuesto, los seres humanos son organismos muy complejos y existen organismos mucho más simples. Es posible que le interese OpenWorm , que es un intento de simular computacionalmente Caenorhabditis elegans , una especie de gusano redondo, a nivel celular. Hacerlo incluso para un organismo tan simple como C. elegans es una tarea enorme, como lo demuestra el hecho de que incluso con las contribuciones de docenas de expertos en sus campos, el proyecto ha estado en curso durante algún tiempo y aún no ha llegado a la etapa uno.
La versión corta: ¿Es posible ? Tal vez. ¿Es fácil ? Definitivamente no.
Como matemático interesado en la biología, tengo mucha curiosidad por las respuestas informadas, aquí agrego la mía, entendiendo que de ninguna manera es completa y puede ser muy sesgada o ignorante en lo que respecta a la biología.
Podemos entender una celda como un programa basado en la química y la física que se ejecuta a sí mismo. La célula es un dispositivo computacional en el sentido de que los resultados de su actividad son funciones computables de sus entradas (una hipótesis razonable), pero más que eso: a nivel celular no hay distinción entre la computadora, el programa que se ejecuta en la computadora, datos de entrada y salida Y la ejecución del programa. Todo está al mismo nivel, es decir, cada abstracción se encarna en una cosa física o química concreta.
Esta parte de la concreción se suma, creo, a la dificultad, porque el pensamiento habitual en informática se trata de estructurar abstracciones, mientras que en biología todo está, en última instancia, en un solo nivel: real, física y química incorporadas.
Esta es una afirmación que necesita una fuerte evidencia de apoyo. Siendo una cuestión de principio, no se puede probar rigurosamente, pero se le puede dar un apoyo riguroso mediante la construcción de modelos simples de prueba de principio.
Hay muchos modelos informáticos que están inspirados en la química, por lo tanto, a cambio, pueden verse como una prueba de principios.
Hay modelos de Redes de Reacción Química y Redes de Petri que son más como herramientas de estructuración que modelos reales de computación incorporados, porque no consideran la estructura de las moléculas (son solo nodos en un gráfico), ni la forma en que ocurren las reacciones químicas (son son aristas en un gráfico). Sin embargo, son herramientas muy útiles y la descripción que se da aquí está muy simplificada.
Está la CHAM (máquina química abstracta), G. Berry y G. Boudol. La máquina abstracta química. Informática teórica, 96(1):217–248, 1992 . En este modelo, los estados de la máquina (imagínese: una célula) "son soluciones químicas donde las moléculas flotantes pueden interactuar de acuerdo con las reglas de reacción" (citar del resumen). En este modelo, "solución" significa un conjunto múltiple de moléculas, las reglas de reacción son entre moléculas y no se aplican dentro de las moléculas. Esta es una limitación del modelo porque la estructura de la molécula no es tan importante como el número de moléculas en una especie.
Otro modelo muy interesante es la Química Algorítmica de Fontana y Buss . La idea principal es que la química y la computación son básicamente lo mismo. El razonamiento es el siguiente. Hay dos pilares de la noción rigurosa de computación: la Máquina de Turing (bien conocida) y el cálculo lambda de Church. El cálculo lambda es menos conocido fuera de la informática, pero es un formalismo que puede ser más útil para los químicos, o incluso para los biólogos, que la máquina de Turing. Fontana y Buss proponen que el cálculo lambda es un tipo de química, en el sentido de que sus operaciones básicas, a saber, la abstracción y la aplicación, pueden tener analogías químicas. Las moléculas son como funciones matemáticas, las abstracciones son como sitios de reacción y las aplicaciones son como reacciones químicas.
La química algorítmica está casi lo más cerca posible de ser (prueba de principio) la respuesta a la pregunta.
Finalmente menciono chemlambda , o la máquina química concreta , que es como la química algorítmica, pero es mucho más concreta. Las moléculas son gráficos, las aplicaciones y abstracciones son moléculas, las reacciones químicas son reescrituras de gráficos.
Lo que es muy interesante en todos estos modelos, en mi opinión, es que sugieren que respondiendo a la pregunta "¿Podemos entender una célula como un dispositivo computacional orgánico?" es de alguna manera relevante para la pregunta de Ciencias de la Computación "¿Cómo diseñar una Internet asíncrona y descentralizada?".
Mi cielo