Brian Goodwin

Brian Carey Goodwin (25 de marzo de 1931 – 15 de julio de 2009) ( Sainte-Anne-de-Bellevue , Quebec, Canadá - Torbay , Devon, Reino Unido) fue un matemático y biólogo canadiense , profesor emérito de la Open University y fundador de la biología teórica y la biomatemática. Introdujo el uso de sistemas complejos y modelos generativos en la biología del desarrollo . Sugirió que una visión reduccionista de la naturaleza no logra explicar las características complejas, proponiendo, de forma controvertida, la teoría estructuralista de que los campos morfogenéticos podrían sustituir a la selección natural en la evolución . ^{[ 1 ]} También fue un miembro destacado del movimiento de la Tercera Cultura . ^{[ 2 ]}

Brian Goodwin nació en Montreal , Quebec , Canadá, en 1931. Estudió biología en la Universidad McGill y luego emigró al Reino Unido con una beca Rhodes para estudiar matemáticas en Oxford. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Edimburgo con la tesis "Estudios sobre la teoría general del desarrollo y la evolución" ^{[ 3 ],} bajo la supervisión de Conrad Hal Waddington . Posteriormente se trasladó a la Universidad de Sussex hasta 1983, año en que se convirtió en catedrático de la Open University en Milton Keynes, cargo que ocupó hasta su jubilación en 1992. Se convirtió en una figura clave en el desarrollo inicial de la biología matemática , junto con otros investigadores. Fue uno de los asistentes a las famosas reuniones que tuvieron lugar entre 1965 y 1968 en Villa Serbelloni, organizadas por la Fundación Rockefeller , bajo el lema "Hacia una biología teórica".

Posteriormente, impartió clases en el Schumacher College de Devon , Reino Unido , donde desempeñó un papel fundamental en la creación del máster en Ciencias Holísticas. Fue nombrado miembro fundador del Schumacher College poco antes de su fallecimiento. Goodwin también ocupó un puesto de investigación en el MIT y fue visitante habitual de varias instituciones, entre ellas la UNAM de Ciudad de México. Fue miembro fundador del Instituto Santa Fe de Nuevo México , donde también formó parte del consejo científico durante varios años. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Brian Goodwin murió en el hospital en 2009, después de una cirugía a consecuencia de una caída de su bicicleta. ^{[ 6 ]} A Goodwin le sobreviven su tercera esposa, Christel, y su hija, Lynn.

Poco después de que François Jacob y Jacques Monod desarrollaran su primer modelo de regulación génica, Goodwin propuso el primer modelo de oscilador genético, demostrando que las interacciones reguladoras entre genes permitían fluctuaciones periódicas. Poco después de la publicación de este modelo, también formuló una teoría general de redes reguladoras génicas complejas utilizando mecánica estadística . En su forma más simple, el oscilador de Goodwin implica un solo gen que se reprime a sí mismo. Las ecuaciones de Goodwin se formularon originalmente en términos de sistemas conservativos (hamiltonianos), sin tener en cuenta los efectos disipativos necesarios para un enfoque realista de los fenómenos reguladores en biología. Desde entonces se han desarrollado muchas versiones. La formulación más simple (pero realista) considera tres variables, X, Y y Z, que indican las concentraciones de ARN , proteína y producto final que generan el bucle de retroalimentación negativa . Las ecuaciones son:

${\displaystyle {\frac {dX}{dt}}={k_{1} \over K_{1}+Z^{n}}-k_{2}X}$

${\displaystyle {\frac {dY}{dt}}=k_{3}X-k_{4}Y}$

${\displaystyle {\frac {dZ}{dt}}=k_{5}Y-k_{6}Z}$

Las oscilaciones cerradas pueden ocurrir para n>8 y comportarse como ciclos límite : tras una perturbación del estado del sistema, este regresa a su atractor anterior. Una simple modificación de este modelo, añadiendo otros términos que introducen pasos adicionales en la maquinaria de transcripción, permite encontrar oscilaciones para valores de n más pequeños. El modelo de Goodwin y sus extensiones se han utilizado ampliamente a lo largo de los años como el esqueleto básico para otros modelos de comportamiento oscilatorio, incluidos los relojes circadianos , la división celular o los sistemas de control fisiológico.

En el campo de la biología del desarrollo , Goodwin exploró la autoorganización en la formación de patrones , utilizando estudios de caso que abarcan desde organismos unicelulares (como Acetabularia ) hasta organismos multicelulares, incluyendo el desarrollo temprano en Drosophila . Propuso que los campos morfogenéticos , definidos en términos de distribuciones espaciales de señales químicas (morfogenes), podrían modelar y dar forma al embrión. De esta manera, la geometría y el desarrollo quedaron vinculados mediante un formalismo matemático. Junto con su colega Lynn Trainor, Goodwin desarrolló un conjunto de ecuaciones matemáticas que describen los cambios tanto de los límites físicos en el organismo como de los gradientes químicos.

Al considerar el comportamiento mecanoquímico del citoplasma cortical (o citogel) de las células vegetales, un material viscoelástico compuesto principalmente por microfilamentos de actina y reforzado por una red de microtúbulos, Goodwin y Trainor (1985) demostraron cómo acoplar el calcio con las propiedades mecánicas del citoplasma. El citogel se trata como un medio viscoelástico continuo en el que los iones de calcio pueden difundirse e interactuar con el citoesqueleto. El modelo consta de dos ecuaciones diferenciales parciales no lineales que describen la evolución del campo de deformación mecánica y de la distribución de calcio en el citogel.

Se ha demostrado (Trainor y Goodwin, 1986) que, en un rango de valores de parámetros, pueden producirse y desarrollarse inestabilidades en este sistema, lo que da lugar a patrones intracelulares de tensión y concentración de calcio. Las ecuaciones, en su forma general, son las siguientes:

${\displaystyle \rho {\partial ^{2}\xi \over \partial t^{2}}={\partial \over \partial x}\left(P_{1}(\chi ){\partial \xi \over \partial x}\right)+{\partial \over \partial x}\left(P_{2}(\chi ){\partial ^{2}\xi \over \partial x\partial t}\right)-P_{3}(\chi )-F_{0}{\partial \chi \over \partial x}}$

${\displaystyle {\partial \chi \over \partial t}=\left(a_{0}+a{\partial \xi \over \partial x}\right)(K-\chi )-k_{1}(\beta +\chi )\chi ^{n}+D{\partial ^{2}\xi \over \partial x^{2}}}$

Estas ecuaciones describen la dinámica espaciotemporal del desplazamiento respecto al estado de referencia y la concentración de calcio, respectivamente. Aquí, x y t representan las coordenadas espaciales y temporales, respectivamente. Estas ecuaciones pueden aplicarse a diversos escenarios, y las distintas funciones P(x) introducen las propiedades mecánicas específicas del medio. Dichas ecuaciones pueden generar una gran variedad de patrones estáticos y dinámicos, desde complejos motivos geométricos hasta oscilaciones y caos (Briere 1994) .

También defendió con vehemencia la idea de que los genes no pueden explicar completamente la complejidad de los sistemas biológicos. En ese sentido, se convirtió en uno de los defensores más firmes de la visión sistémica frente al reduccionismo . Sugirió que los fenómenos no lineales y las leyes fundamentales que definen su comportamiento eran esenciales para comprender la biología y sus trayectorias evolutivas. Su postura dentro de la biología evolutiva puede definirse como estructuralista . Para Goodwin, muchos patrones en la naturaleza son un subproducto de las limitaciones impuestas por la complejidad. El repertorio limitado de motivos observado en la organización espacial de plantas y animales (a ciertas escalas) sería, en opinión de Goodwin, una huella del papel que desempeñan dichas limitaciones. El papel de la selección natural sería secundario.

Estas opiniones fueron muy controvertidas y llevaron a Goodwin a enfrentarse con muchos destacados evolucionistas darwinianos, mientras que algunos físicos consideraron naturales algunas de sus ideas. El físico Murray Gell-Mann, por ejemplo, reconoció que «cuando la evolución biológica —basada en gran medida en la variación aleatoria del material genético y en la selección natural— opera sobre la estructura de los organismos reales, lo hace sujeta a las leyes de la física, que imponen limitaciones cruciales sobre cómo se pueden construir los seres vivos». Richard Dawkins , exprofesor de divulgación científica en la Universidad de Oxford y reconocido evolucionista darwiniano, admitió: «No creo que haya muchas pruebas sólidas que respalden [su tesis], pero es importante que alguien como Brian Goodwin diga ese tipo de cosas, porque proporciona el otro extremo, y la verdad probablemente se encuentre en algún punto intermedio». Dawkins también coincidió en que «es una posibilidad realmente interesante que las leyes subyacentes de la morfología permitan solo un cierto rango limitado de formas». Por su parte, Goodwin no rechazó el darwinismo básico, solo sus excesos.

El biólogo Gert Korthof elogió la investigación de Goodwin, comentando que intentó "mejorar el darwinismo de forma científica". ^{[ 7 ]} David B. Wake también reseñó positivamente la investigación de Goodwin, describiéndolo como un "científico reflexivo, uno de los grandes disidentes de las ortodoxias de la biología evolutiva, genética y del desarrollo modernas". ^{[ 8 ]}

Goodwin argumentó que la selección natural era una fuerza demasiado débil para explicar la evolución y que solo funcionaba como un mecanismo de filtrado. Afirmó que la biología evolutiva moderna no había logrado explicar la teoría de la forma biológica e ignorado la importancia de la morfogénesis en la evolución. Propuso una nueva teoría evolutiva para reemplazar el neodarwinismo. En una reseña crítica, la bióloga Catherine SC Price señaló que, si bien Goodwin había logrado ofrecer una alternativa a la mutación como única fuente de variación, no había ofrecido una alternativa a la selección natural como mecanismo de adaptación. ^{[ 9 ]} Price afirmó que la discusión de Goodwin sobre la evolución era sesgada, insuficientemente desarrollada y carecía de fundamento, y que tergiversaba el darwinismo, utilizaba argumentos falaces e ignoraba la investigación en genética de poblaciones . ^{[ 9 ]}

El biólogo evolutivo Günter P. Wagner describió el estructuralismo de Goodwin como "un movimiento marginal en la biología evolutiva". ^{[ 10 ]}

Libros

• 1963. Organización temporal en las células. Academic Press, Londres, 1963, ISBN. 1376206161
• 1989. Biología teórica: Orden epigenético y evolutivo para sistemas complejos con Peter Saunders, Edinburgh University Press, 1989, ISBN 0-85224-600-5
• 1994. Ingeniería mecánica del citoesqueleto en biología del desarrollo (Revista internacional de citología) , con Kwang W. Jeon y Richard J. Gordon, Academic Press, Londres, 1994, ISBN 0-12-364553-0
• 1996. Forma y transformación: principios generativos y relacionales en biología , Cambridge Univ Press, 1996.
• 1997. Cómo el leopardo cambió sus manchas: La evolución de la complejidad , Scribner, 1994, ISBN 0-02-544710-6(Alemán: Der Leopard, der seine Flecken verliert , Piper, München 1997, ISBN 3-492-03873-5)
• 2001. Signos de vida: Cómo la complejidad impregna la biología , con Ricard V. Solé, Basic Books, 2001, ISBN 0-465-01927-7
• 2007. Nature's Due: Healing Our Fragmented Culture , Floris Books, 2007, ISBN 0-86315-596-0

Artículos científicos seleccionados

• Goodwin, BC 1965, "Comportamiento oscilatorio en procesos de control enzimático", Adv. Enz. Reg. 3: 425-428.
• Goodwin BC 1978, "Una visión cognitiva del proceso biológico." J Soc Biol Structures 1:117-125
• Gordon, DM, Goodwin, BC y Trainor LEH 1992, "Un modelo distribuido en paralelo del comportamiento de las colonias de hormigas", J. Theor. Biol. 156, 293-307.
• 1997, "Organización y desorganización temporal en los organismos". En: Chronobiology International 14 (5): 531-536 1997
• Goodwin BC, 1978 "Una visión cognitiva del proceso biológico", J. Soc. Biol. Struct. 1, 117-125.
• 2000, "La vida de la forma. Patrones emergentes de transformación morfológica". en: Comptes rendud de la Academie des Science III 323 (1): 15-21 ENE 2000
• Goodwin BC (2000). La vida de la forma. Patrones emergentes de transformación morfológica. Comptes rendus de l'academie des sciencies III - Sciences de la vie-life sciences 323 (1): 15-21
• Goodwin BC. (1997) Organización y desorganización temporal en los organismos. Chronobiology international 14 (5): 531-536
• Solé, R., O. Miramontes y Goodwin BC. (1993) "Orden y caos en las sociedades de hormigas". J. Theor. Biol. 161: 343
• Miramontes, O., R. Solé y BC Goodwin (1993), Comportamiento colectivo de autómatas celulares móviles activados aleatoriamente. Physica D 63: 145-160
• Jaeger, J. y Goodwin BC 2001, "Un modelo de oscilador celular para la formación de patrones periódicos" J. Theor. Biol. 213, 71-181.
• 2002, «A la sombra de la cultura». En: «Los próximos cincuenta años: La ciencia en la primera mitad del siglo XXI», editado por John Brockman, Vintage Books, mayo de 2002, ISBN 0-375-71342-5
• Goodwin B 2005, "Significado en la evolución" J. Biol. Phys. Chem. 5, 51–56.

• Una nueva ciencia de las cualidades: una charla con Brian Goodwin
• Entrevista con el profesor Brian Goodwin