La Vida Artificial es una disciplina científica que estudia los procesos de vida biológica y evolución simulados en un computador. El Sistema Inmune Humano se presenta como un caso de estudio muy adecuado para la exploración de la Vida Artificial y, a su vez, la Vida Artificial permite utilizar un ambiente computacional para analizar los procesos evolutivos como consecuencia de la interacción de las células inmunológicas. Este trabajo consiste en el análisis, diseño, implantación y observación de la representación computacional de la interacción entre algunas de las células del Sistema Inmune y un tipo de virus genérico. Se ha imprimido a los componentes del sistema la funcionalidad necesaria para que manifiesten un comportamiento autónomo según su naturaleza.
No se ha tratado ni representado ningún aspecto fisicoquímico en ellos, puesto que el enfoque que se ha tomado en el desarrollo de todo el proyecto es puramente funcional.
Thomas Ray es un biólogo de la Universidad de Delaware, quien desde hace unos años cambió los estudios biológicos de campo por el desarrollo computacional de Vida Artificial, y cuyo trabajo lo ha llevado a ser una de las autoridades más valiosas en la materia. Actualmente trabaja en el ATR Human Information Processing Research Artificial es la empresa de comprender la biología por Medio de la construcción de fenómenos biológicos a partir de componentes artificiales, en lugar de dividir las formas naturales de Vida en sus partes componentes. Es el enfoque sintético, en lugar del reduccionista".
Christopher Langton, por otro lado, ha sido uno de los pioneros y promotores de esta nueva ciencia en sus inicios en 1987, cuando él era un investigador de informática en la Universidad de Nuevo México. Actualmente, trabaja en el Instituto Santa Fé en Nuevo México.
Una de sus definiciones de Vida Artificial dice que se trata de "... el estudio de sistemas hechos por el hombre, que exhiben comportamientos característicos de sistemas naturales vivientes".
Esta última definición es muy general, pero resume adecuadamente dos conceptos muy importantes a tener en cuenta. Primero, se trata de sistemas hechos por el hombre. De ahí la palabra "Artificial". Segundo, el comportamiento de estos sistemas es característico de un sistema natural viviente. De ahí la palabra "Vida".
Al distinguir estos conceptos en la definición, ésta pasa de ser muy precisa, a ser inexacta. Es precisa porque dice claramente qué es la Vida Artificial. Pero es inexacta al relacionar el término "Vida" con el hecho de "tener un comportamiento característico de un sistema natural viviente". Esta inexactitud es debida a que el comportamiento de un sistema natural viviente es un comportamiento demasiado complejo, que abarca desde actitudes biológicas, hasta posibles actitudes psicológicas o mentales, dependiendo del tipo de "sistema natural viviente" que se considere.
Para seguir adelante con la exposición de Vida Artificial es necesario ubicarse en un contexto preciso, sobre el cual analizar los conceptos, y en el cual se trate de minimizar las inexactitudes.
Según Stephen Prata, un científico en astronomía, física y ciencias de la computación del College of Marin en Kentfield, California, "no tenemos una buena definición de Vida, en parte porque no comprendemos la Vida lo suficiente como para separar las características esenciales de las coincidenciales".
En otras palabras, Prata propone que hay una gran dificultad en la distinción entre las características esenciales o intrínsecas que definen la Vida (comportamientos, fenómenos, etc), y las características referentes a su forma o expresión, las cuales pueden ser accidentales o casuales (moléculas de carbono, como en la Vida biológica actual, por ejemplo).
1.1.1. Vida desde el punto de vista biológico. La Vida se define como "el conjunto de intercambios físico-químicos ordenadamente encadenados, y, las actitudes de un ser que tienen lugar como consecuencia del metabolismo y de las relaciones de este ser con el Medio ambiente que le rodea".
La motivación de la Vida Artificial es, al igual que la de la biología, aportar al entendimiento del origen de la Vida y su funcionamiento. Por lo tanto, el enfoque que se acopla a los objetivos y motivaciones de este proyecto, es el enfoque biológico. La biología, además, es la base teórica para la ciencia de la Vida Artificial y sus desarrollos.
Por consiguiente, según el enfoque biológico y a la vez computacional de este trabajo, al definir la ciencia de Vida Artificial como se ha hombre, que exhiben comportamientos característicos de sistemas naturales vivientes", se entiende por "sistemas naturales vivientes" a los seres vivos, y se hace referencia a su Vida según un enfoque biológico. Con respecto a los "sistemas hechos por el hombre", estos sistemas consisten en programas de computador, o sistemas computacionales.
Se ha contextualizado la definición de Vida dentro del marco biológico. Dentro de este marco, una célula se constituye como "la unidad estructural y funcional básica de todos los seres vivos".
En el núcleo de la célula se encuentra la cadena de ADN, codificación genética de todas las instrucciones para el funcionamiento de un organismo, compuesta por las bases químicas adenina, guanina, timina y citocina, atadas a estructuras de moléculas de carbono. A partir de estas estructuras de carbono, surgen todos los procesos de Vida natural que la biología estudia.
Los Strong Alifers son científicos dedicados a la Vida Artificial, quienes sostienen que cualquier sistema que exhiba propiedades observadas en la Vida natural está vivo, no importa en qué plataforma (natural o artificial) se den sus procesos de Vida. Estos, por lo tanto, podrían ser "procesos vitales no naturales".*
Los Strong Alifers sostienen también que la Vida debe reconocerse por su forma (cómo se expresa esa Vida), no por su materia (de qué está hecha). Según ellos, la Vida Artificial es una instancia de un gran espacio de posibilidades de Vida-como-podría-ser
(life-as-it-could-be), dentro del cual existe el espacio de posibilidades de Vida-como-la-conocemos (life-as-we-know-it).
Christopher Langton propone que el "material" (estructuras de células basadas en el carbono) del cual está hecha la Vida que conocemos hasta ahora, podría haber sido accidental, coincidencial, y hubiera podido ser cualquier otro tipo de material, no determinando éste el hecho de estar un ente vivo o no.
Según la definición de Langton que se ha discutido, un sistema artificial (creado por el hombre) exhibe un comportamiento característico de un sistema natural. Lo importante a resaltar en este punto es que así como el comportamiento del sistema natural emerge, es decir, surge a partir de sí mismo, el comportamiento del sistema artificial también.
El comportamiento que tiene el sistema artificial global no es controlado por quien lo "crea" (por ejemplo, el programador del sistema), ni es resultado directo de las instrucciones dadas por el programador al sistema: es resultado del sistema mismo, es un comportamiento emergente. El papel del programador se reduce a programar a los individuos de su sistema de Vida Artificial codificando las reglas o pautas para su comportamiento, de la misma manera que los seres naturales están dotados de una serie de instrucciones propias e internas que guían su comportamiento como seres biológicos y como seres de una naturaleza o tipo específico.
En el caso de los seres naturales, estas instrucciones de acción están codificadas en sus genes, y sus comportamientos emergen al seguir las instrucciones que los genes dictaminan. En el caso de los seres artificiales, las instrucciones de acción también están codificadas en sí mismos, según un modelo y una implementación que realiza el programador del sistema. Sus comportamientos, asimismo, emergen a partir del cumplimiento de estas instrucciones. El comportamiento del sistema global debe emerger a partir del comportamiento de los individuos, como sucede en la naturaleza.
Se trata de la esencia de la Vida Artificial: el surgimiento autónomo del comportamiento del sistema a partir de las interacciones entre los miembros de la población.
En este capítulo se explican los roles y el funcionamiento de cada célula o sustancia inmunológica y sus interacciones.
El Sistema Inmune Humano es un gran conjunto de células y productos de éstas, encargados de defender el organismo de elementos extraños, que hayan logrado penetrarlo, y que sean capaces de producir enfermedad en él.
Los componentes del Sistema Inmune tratan de evitar que estos cuerpos extraños infecten las células del cuerpo humano, o de controlar la infección cuando ésta ya se ha iniciado. El tipo de cuerpo extraño con el cual se trabaja en este proyecto es el Virus.
Los virus son un grupo de organismos que debe entrar a una célula huésped para proliferarse, porque les falta la maquinaria bioquímica necesaria para fabricar proteínas y metabolizar azúcares. A algunos virus también las faltan de las enzimas requeridas para la replicación de ácido nucleico, y son dependientes de la célula huésped para realizar esta función también.
Por consiguiente, "dado que parasitan los procesos metabólicos celulares durante su propia replicación, tienen una capacidad única para alterar directamente la estructura y funcionalidad de la célula".
La reacción defensiva por parte del Sistema Inmune ante la presencia de un virus en el organismo, es llamada Respuesta inmune.
Como sucede en cualquier sistema, los componentes que constituyen el Sistema Inmune se encargan cada uno de tareas específicas y complementarias como las que se acaban de mencionar. Tales tareas, al ser evaluadas como un todo, conforman el comportamiento del sistema en general.
La característica más importante que presenta el Sistema Inmune es su capacidad de aprendizaje. Con base en la experiencia que tienen durante su primer encuentro con un virus, algunas células del Sistema Inmune tienen la capacidad de aprender acerca de la estructura física de éste. Es decir, reconocer su forma la próxima vez que tengan contacto con él. Este aprendizaje genera lo que se conoce como Memoria Inmunológica en la célula.
La memoria inmunológica de una célula es específica para un virus determinado. Esto significa que la célula podrá, después de adquirida la memoria, reconocer específicamente al virus que "memorizó", y no a otro.
Cuando las células del Sistema Inmune "aprenden", la efectividad de su trabajo se eleva en gran medida. Su función se ve más fortalecida, y son capaces de defender mejor al organismo del los virus. Tienen más herramientas de lucha, están mejor adaptadas al ambiente en el cual deben vivir y actuar. Bajo la connotación atribuída al concepto de Evolución en este proyecto, se puede decir que el Sistema Inmune evoluciona.
La evolución del Sistema Inmune como un todo se da en la medida en que muchas de las células que lo componen evolucionen, en este caso, adquieran una memoria que les permita reaccionar más eficientemente. La evolución de una sola célula no es significativa para determinar la eficiencia de una respuesta inmune: lo es la evolución de muchas células. Esto conlleva a la evolución del Sistema Inmune como tal.
El siguiente esquema ilustra el desarrollo de la respuesta inmune contra un virus.
Los elementos que participan en la respuesta, con sus respectivos roles, son:
Macrófago (Mo sin haber fagocitado). Su papel es el de fagocitar ("comerse") a los virus.
APC (Mo después de haber fagocitado y expresando péptidos virales). Su papel es el de mostar a un LTh los fragmentos de virus en su superficie.
Linfocito (LTh sin memoria). Su papel es el de memorizar la forma de los fragmentos del virus que le muestre un APC, cuando se encuentre con él.
Linfocito LTh (con memoria específica). Su papel es el de reconocer en un APC los fragmentos de virus que ha memorizado, y producir IL2 para activar a otros LTh, LTc y LB y trasmitirles a éstos la forma del virus que ha memorizado.
Linfocito (LTc sin memoria). Su papel es el de memorizar la forma de los fragmentos del virus que le transmita la IL2.
Linfocito LTc (con memoria específica). Su papel es el de reconocer en una CG infectada los fragmentos del virus que la infecta y matarla.
Linfocito LB (sin memoria). Su papel es el de memorizar la forma de los fragmentos del virus que le transmite la IL2.
Linfocito LB (con memoria específica). Su papel es el de producir Ac con la forma adecuada al virus que ha memorizado.
Linfocito LB (transformado en Célula Plasmática). Igual que el LB, pero debe prodicir Ac en mucha mayor cantidad.
Anticuerpo. Neutralizar el virus, es decir, imposibilitarlo para infectar una CG.
Célula Genérica. Su papel es el de ser la víctima de la infección del virus, es decir, "permitir que el virus la infecte".
Célula Genérica infectada por el Virus. Su papel es el de reproducir el virus que la infecta en su interior, y liberarlo al medio. También debe producir IFN1, para hacer que las otras células infectadas (CG) disminuyan la reproducción de los virus que las infectan.
Virus (no neutralizado). Su papel es el de infectar una CG.
Virus (neutralizado por un Ac). No tiene ningún papel, puesto que está inhabilitado.
Inteleuquina. Su papel es el de transmitir al LTc y LB la forma del virus que deben memorizar. También incentivan o regulan las actividades de todas las células del sistema.
2.2.1. Acto I. En el primer acto, los protagonistas son un macrófago y un virus que ha penetrado el organismo. El macrófago se encuentra, según su función cotidiana, patrullando el organismo, atento a cualquier agente que no reconozca como propio del organismo. En un momento dado, se encuentra con un virus.
Al reconocer el virus como un elemento extraño al organismo, el macrófago procede a fagocitarlo, algo así como envolverlo, introducirlo dentro de sí. Una vez fagocitado, el macrófago lo procesa, y exhibe fragmentos o pedacitos (péptidos) del virus en su superficie.
El macrófago continúa su movimiento con el propósito de encontrar un LTh, a quien "mostrar" los fragmentos procesados del virus en su superficie.
2.2.2. Acto II. En este acto, los protagonistas son un LTh y un macrófago. Una vez que el macrófago se encuentra con el LTh, entran en contacto. Si el LTh reconoce especificamente los fragmentos que porta el Macrófago (tiene Memoria Inmunológica), queda activado para ejercer sus funciones inmunológicas, es decir, realizar las actividades con las cuales él aporta para combatir la infección que puede provocar el virus. Si el LTh no es capaz de reconocer especificamente a ningún fragmento de virus, memoriza éste con el cual se encuentra por primera vez (adquiere así Memoria Inmunológica). Para activar al LTh aún más, el Macrófago libera IL1, que también lo estimula.
2.2.3. Acto III. En el tercer acto se producen múltiples escenas. Los protagonistas de este acto son el LTh, el LTc, el LB y la CG.
Al estar completamente activado, el LTh empieza a producir IL2, la cual realiza efectos sobre los mismos LTh y también el LTc. El efecto de la IL2 sobre el LTh es, entre otros, el de estimular su
proliferación, para efectos de dar lugar a más cantidad de LTh con memoria.
Mientras todo esto sucede, alguos de los virus que habían penetrado al organismo ya han logrado infectar algunas CG. Una CG infectada, al tener un virus en su interior, lo procesa y, al igual que el Mo que ha fagocitado, expresa fragmentos del virus en su superficie. La CG infectada también, sin saberlo, sirve al virus con su maquinaria celular para reproducirse él mismo y salir de la célula, expandindo así la infección.
Sobre los LTc no específicos (sin Memoria Inmunológica), la IL2 actúa como mensajero que lleva la información acerca del virus que se ha detectado, para que el LTc memorice la estructura del virus que debe atacar. Esta estructura no es mas que los fragmentos del virus presentes en la superficie de la CG infectada.
La IL2 es la primera señal que el LTc necesita para activarse. La segunda señal consiste en encontrarse efectivamente con una célula infectada por el virus. Al producirse este encuentro, el LTc procede a destruir la CG infectada, puesto que, a pesar de que ésta no es más que una víctima del virus, representa un peligro porque éste la utiliza para reproducirse.
La LTh activada produce también otras interleuquinas que tienen efectos sobre los LB, activándolos para producir grandes cantidades de anticuerpos, estimulándolas para convertirse en células plasmáticas, productoras y liberadoras masivas de anticuerpos, y promoviendo su reproducción clonal, asegurando así una mayor cantidad de recursos para la respuesta. Si la LB no cuenta con memoria específica, la adquiere por medio de la IL2, y produce entonces Ac específicos para el virus.
La anterior es la descripción esquemática del desarrollo de la respuesta inmune. Cabe anotar que, a pesar de que al explicarla, la respuesta parezca secuencial, en realidad se trata de miles de macrófagos, LTh, LTc y LB interactuando también con miles de virus y CG simultáneamente. Sin embargo, al aislar cada elemento y cada proceso, el entendimiento de la reacción total es mejor.
Como se ha mencionado, al cabo de una respuesta inmune, el resultado esperado es que, además de erradicar el virus que la provocó, se hayan producido células inmunológicas con memoria. Por tanto, si el virus vuelve a aparecer dentro del organismo, la respuesta será más rápida y efectiva.
La aplicación obtenida como resultado se ha denominado "SInmune" como una abreviación de Sistema Inmune Artificial. "Sistema Inmune", puesto que se inspira en el Sistema Inmune Humano, y "Artificial", puesto que el area de la ciencia de la computación utilizada en el programa es la Vida Artificial.
El programa se implantó en un computador PC con procesador 386, a 25 megahertz y con 8 megas de memoria RAM, en el cual se ejecuta sin problemas, empleando la herramienta de programación Delphi. El paradigma de programación seleccionado fué el de Programación Orientada a Objetos.
El sistema Inmune Artificial que se logró, es un modelo esquematizado y sencillo de la respuesta inmune natural que involucra los Componentes representados, de acuerdo a lo expuesto en el análisis y el diseño. Cada Componente simboliza miles de ellos, y de esta manera el Sistema permite generalizar los resultados a sistemas mayores.
Cada una de las instancias de las clases de objetos (Células y Virus) del modelo, realmente corresponde a una forma de Vida Artificial porque sus características se ajustan a las de los sistemas de Vida Artificial.
Al ejecutar el programa, se observa que estas formas de Vida Artificial "viven" y se desempeñan en el medio computacional, que les provee el espacio físico en dónde ejercer su funcionalidad (biológica e inmunológica) y en dónde interactuar con el resto de la población.
Claramente, se aprecia que algunas Células, gracias a su capacidad de aprendizaje, han manifestado evolución en medio de su actividad al adquirir memoria inmunológica.
La evolución de los Componentes Inmunes modelados, no es debida a la mutación del código de los Componentes (código genético), sino más bien a la adquisición de memoria inmunológica por parte de las Células Inmunes con esa capacidad de aprendizaje y a la transmisión de este conocimiento adquirido.
La aplicación permite generar y guardar en un archivo en disco, la población que existe en el sistema durante los estados del sistema ("fotos" del Medio inmunológico en un instante dado). Esto permite seguirle la pista a la evolución que va presentando el Sistema con base en la evolución de sus Células Inmunes.
Si se hace una analogía entre los Componentes Artificiales y los Naturales, se puede decir que el comportamiento de ambos dependen, en cierto grado, de su estructura "genética" y de la información codificada en ella. La estructura genética del Sistema Artificial son sus tipos y estructuras de datos (listas, arreglos, tipos enteros, etc.), y la información codificada en este "genoma" corresponde a los valores presentes en esas estructuras, los cuales, le van a permitir al Componente desempeñarse funcionalmente.
En cuanto al desarrollo del proyecto:
4.1. El paradigma de programación orientada a objetos es perfectamente adecuado para modelar sistemas de objetos autónomos, y que demuestren comportamientos de Vida como los de este Sistema Inmune Artificial.
4.2. La modularidad en la programación, ofrecida por la orientación a objetos, le ha impreso una gran flexibiliad al programa, puesto que su diseño y construcción se ha realizado con base en Componentes análogos a los de la Vida Natural. Esta modularidad lo hace mucho más fácil de optimizar (simplificarlo, completarlo), que en un sistema, en el cual, las decisiones de diseño a todos los niveles estén intimamente ligados y "enredados" con las estructuras de todo el programa. OOP, permite incluso pensar en el diseño de librerías de Componentes celulares, biológicos, etc., y reutilizar todo lo que se ha desarrollado.
4.3. Un sistema de Vida Artificial es una excelente aplicación del paradigma de objetos, puesto que involucra todos los conceptos que sirvieron de base e inspiración para el desarrollo de este paradigma.
4.4. No se conocen en Colombia metodologías de análisis orientado a objetos que permitan modelar naturalmente sistemas compuestos por entes absolutamente individuales y autónomos, cuya única posibilidad de relación consiste en su interacción. Por este motivo, es necesario adaptar las metodologías orientadas al modelamiento de los sistemas de información convencionales, que sean suficientemente abiertas y flexibles, de acuerdo a las necesidades de modelamiento de la Vida Artificial.
En cuanto al modelamiento de los diversos aspectos de la Vida Natural, se puede concluir que:
4.5. No es posible determinar con precisión, el comportamiento que presentará el sistema en un momento dado. Por lo tanto, existe en los Componentes cierto grado de indeterminismo funcional.
4.6. Este grado de indeterminismo ha sido adecuadamente logrado, gracias a que fue posible "precisar las impresiones" de la literatura revisada, por medio de la cuantificación porcentual de las actividades de los Componentes Artificiales.
4.7. Los Componentes creados con base en el modelo son autónomos, puesto que deciden, de acuerdo a sus propios atributos y estados de activación, la siguiente acción a tomar. El Sistema por su parte es autoregulado y sus Componentes realizan una serie de interacciones que resultan en una sinergia.
4.8. El Medio computacional que se le ha proporcionado a las Células artificiales, es apto para su evolución espontánea y autónoma, puesto que les brinda un espacio físico (Medio inmunológico), en el cual pueden "existir" interactuando y ejerciendo su funcionalidad, y lo pueden hacer mediante el uso discretizado del tiempo del Sistema.
Finalmente, en cuanto al Sistema en general, se puede concluir que:
4.9. Este sistema de Vida Artificial consiste en una simulación de Vida, y no en una instanciación, puesto que los individuos
artificialmente vivos han sido inspirados en individuos que existen en la naturaleza.
4.10. Si un Sistema Artificial es lo suficientemente representativo del Natural, se puede contar con ciertas ventajas adicionales o "atribuciones computacionales" para su estudio, como la iteración y agilidad de los experimentos, la disminución de pruebas y ensayos en animales y humanos, las facilidades en la manipulación de los datos generados por la herramienta, etc.
4.11. La capacidad del programa para ilustrar los diversos procesos inmunológicos, hacen del Sistema una excelente herramienta para comprender y estudiar, los estados del proceso de vida evolutivo del Sistema Inmune Humano.
4.12. Este Sistema Artificial es una representación funcional "macro" de los procesos a nivel de las Células, como la mínima unidad funcional del Sistema Inmune Natural.
4.13. Con el desarrollo de este Sistema y los experimentos realizados con el programa, se ha puesto en evidencia la existencia de Vida Artificial, según su definición. Se contribuye a la teoría biológica, ubicando la Vida "as-we-know-it" (como la conocemos) dentro de un marco conceptual más general "as-it-could-be" (como podría ser). Siendo así, se hace necesario aclarar que ésta no es Vida basada en el carbono sino en el silicio.
4.14. Los científicos que han estudiado la teoría del big-bang, han concluido que hay un instante en el tiempo, en el cual se presupone la existencia de un "Alguien" iniciador de todo cuanto pasó; de la misma manera, sucede con este Sistema de Vida Artificial, cuando el usuario del programa juega a ser ese "Alguien", configurando inicialmente el Sistema y poniéndolo a funcionar. Se genera entonces la inquietud: ¿Existe acaso un "Alguien", que también a nosotros, en su debido tiempo, nos configuró (genéticamente ?) y puso a "funcionar" indefinidamente, hasta el día de hoy?.
