Este libro explora la ciencia de la energía y sus transformaciones en sistemas complejos, situándose en la frontera entre la física y la biología. Es una amalgama de estas disciplinas, conocida como la termodinámica de la vida, o más ampliamente, la termodinámica de sistemas abiertos o termodinámica del no equilibrio (TNE).
La Paradoja de Schrödinger y la Vida como Combustión Controlada
Cuando encendemos una vela, la llama crece, pero pronto se instala en un estado estacionario y se mantiene encendida mientras quede mecha y cera. La vida es un fenómeno similar: una combustión controlada, un flujo de energía estructurado. Los animales obtienen su energía de la reacción del oxígeno con compuestos ricos en hidrógeno, del mismo modo que la llama de una vela se mantiene «viva» siempre que haya oxígeno para la combustión de la cera rica en hidrógeno.
Por supuesto, hay diferencias fundamentales. Para empezar, los organismos «queman» su combustible a temperaturas mucho más bajas, y este «fuego» implica no sólo el mantenimiento de una estructura concreta durante un tiempo relativamente corto, sino la reproducción de su forma y función antes de extinguirse (por culpa de un accidente fatal o el inevitable deterioro). La vida, como el fuego, se propaga. Sin embargo, a diferencia de las llamas, los organismos vivos se reproducen. Y, puesto que varían en su reproducción (que nunca es un proceso perfecto) y no todas las variantes sobreviven, la vida evoluciona.
La vida exhibe, en conjunto, una suerte de prudencia, que le ha permitido mantenerse durante más de 3500 millones de años, en lugar de arder como un fugaz meteorito en la noche. Las formas de vida demasiado glotonas agotan sus fuentes de energía y declinan, mientras que las dotadas de inteligencia natural para racionar sus recursos o explotar otros nuevos quizá no brillen como una estrella fugaz, pero sobreviven.
Harold Morowitz y su Contribución a la Biofísica
Harold Joseph Morowitz (Nueva York, 1927 - 2016) fue un biofísico y profesor de Biología y Filosofía Natural en la George Mason University. El origen de la vida fue su mayor pasión durante más de cincuenta años, particularmente, la aplicación de la termodinámica de los sistemas vivos. Su producción intelectual recoge una veintena de títulos publicados, así como numerosas monografías y ensayos que impulsaron decididamente el debate científico de su tiempo.
Morowitz demostró que investigar la causa por la que es tan fácil quemarse el paladar al comer pizza, puede ser punto de partida de interesantes consideraciones termodinámicas, y la aceituna en la copa de Martini, el comienzo de un viaje retrospectivo a través de una serie de importantes conquistas tecnológicas. Cualquier pretexto era bueno para que el distinguido biofísico nos llevara, con un humor y una amenidad que no empañaban en absoluto el rigor científico, de lo más particular a lo más general, de la anécdota cotidiana a las leyes universales, de las pequeñas preguntas a las grandes incógnitas y los incesantes esfuerzos del hombre por hallar respuestas.
Desafíos Termodinámicos en el Origen de la Vida
Limitaciones de las Teorías Tradicionales
Artículos populares sobre la investigación del origen de la vida a menudo transmiten con certeza que el campo avanza constantemente y converge rápidamente en una explicación puramente materialista para la primera célula autónoma. El punto más alto de optimismo fue en la década de 1950, cuando el experimento de Stanley Miller produjo varios de los componentes básicos de la vida; es decir, aminoácidos.
Desafortunadamente, los geólogos más tarde reconocieron que los gases usados en ese experimento no coincidían con la química de la Tierra primitiva. Cuando la química de la Tierra primitiva es tomada en cuenta, los experimentos producen escasos aminoácidos como para contribuir a los escenarios del origen de la vida. Además, el examen detallado de los intentos modernos de sintetizar los precursores de la vida revela que la formación de muchos de ellos en la Tierra primitiva en cantidades significativas es prácticamente imposible.
El Argumento de la Probabilidad y la Entropía
Los argumentos comunes sobre el origen de la vida se han centrado tradicionalmente en la improbabilidad de que la vida se forme por casualidad. Tal vez el más famoso, el físico Fred Hoyle calculó que la probabilidad de que los aminoácidos se configuren para formar una célula es aproximadamente de 1 parte en 10 a la potencia de 40,000. Comparó esta probabilidad con las posibilidades de un tornado pasando por un depósito de chatarra y ensamblando un avión como resultado.
El concepto de probabilidad está estrechamente relacionado con el de la entropía, ya que la probabilidad es proporcional al número de configuraciones (N) que podría ocurrir en algún estado, y la entropía es proporcional al logaritmo de N. Como ejemplo, el número de configuraciones en una molécula de agua para organizarse en estado sólido es mucho menor que las configuraciones de los estados líquido o gaseoso, por lo que el hielo es el estado con la entropía más baja. Debido a esta conexión, el argumento de probabilidad a menudo se replantea que la naturaleza tiende a pasar de estados de entropía más baja a una entropía más alta, lo que simplemente significa que la naturaleza se mueve hacia estados que son altamente probables.
La Energía Libre y el Cálculo de Morowitz
Tales argumentos suenan impresionantes al principio, pero en realidad están incompletos. Casi todos los investigadores reconocen que la primera célula no pudo haber surgido por casualidad. En su lugar, creen que algunos procesos físicos ayudaron a superar las probabilidades. Como analogía, uno nunca podría tirar los dados mil veces y obtener el mismo resultado consecutivamente. Sin embargo, si los dados fueron manipulados, ese resultado podría ser bastante probable o incluso casi garantizado.
Análogamente, algunos sistemas, de hecho, se mueven naturalmente de estados de entropía más alta a aquellos de entropía más baja (es decir, probabilidad aparentemente baja) si los estados de baja entropía tienen una tendencia muy alta a ocurrir. Tal sesgo es creado por una tendencia secundaria. A saber, la naturaleza tiende a pasar de estados de mayor energía a aquellos de menor energía. Por ejemplo, las rocas ruedan colina abajo, ya que la altitud más baja corresponde a la energía gravitacional inferior. Del mismo modo, las moléculas de agua se atraen entre sí, por lo que el hielo es un estado de energía inferior que el agua o el gas.
Sin embargo, incluso en estos casos de entropía decreciente (en escala local), la segunda ley de la termodinámica no se viola, ya que los cambios son siempre exotérmicos: se libera calor. El calor que sale del sistema local (por ejemplo, una taza de agua helada) y entra al ambiente circundante aumenta la entropía de este último en una cantidad mayor que la disminución de entropía del sistema local. Por lo tanto, la entropía total del universo aumenta.
El problema para todas las teorías del origen de la vida ahora se vuelve bastante evidente. La célula funcional más simple en comparación con sus componentes más básicos tiene una entropía más baja y una energía más alta. Cabe destacar que los sistemas naturales nunca disminuyen en entropía y aumentan en energía al mismo tiempo. Tal evento sería como intentar girar la rueda de la fortuna, cuando esta ha sido fijada para no girar.
Los físicos y los químicos a menudo combinan entropía y energía (o entalpía) en lo que se llama la energía libre de un sistema. El cambio de energía libre siempre es negativo para los cambios espontáneos (por ejemplo, arder leña o el derretimiento del hielo en verano) y se relaciona directamente con el aumento total de la entropía del universo. El desafío para el origen de la vida es explicar cómo miles de millones de átomos podrían unirse espontáneamente en un estado de energía libre significativamente más alta.
BIOENERGÉTICA: Generalidades, energía libre de Gibbs y reacciones
El biofísico Harold Morowitz calculó que la probabilidad de que tal evento ocurriera a través de fluctuaciones térmicas era menos de 1 parte en 10 de la potencia de cien millones. Este número viene directamente de una estimación de la energía libre de la vida, y la energía libre es una función independiente del proceso. Por lo tanto, este cálculo de probabilidad máxima no depende significativamente de la ruta teórica que condujo a la vida (no importa si se cree que las proteínas se formaron primero o el ARN) o en el número de pasos implicados.
La Termodinámica del No Equilibrio y el Origen de la Vida
Sistemas Disipativos y sus Implicaciones
A primera vista, este análisis termodinámico del origen de la vida parecería negar cualquier posible solución materialista al problema. Sin embargo, los teóricos han reconocido desde hace tiempo una perturbadora debilidad. Los cálculos de Morowitz suponían que el sistema estaba en un estado cercano al equilibrio. Por ejemplo, algún rayo podría haber golpeado un estanque de químicos prebióticos por la noche, causando que los átomos se juntaran en diferentes configuraciones. El estanque luego se establecería rápidamente en un estado de calma donde la temperatura, las concentraciones y otras variables permanecerían bastante uniformes.
Sin embargo, muchos sostienen que el origen de la vida tuvo lugar en un sistema fuertemente alejado del equilibrio, como un estanque sometido a la luz solar intensa o el fondo del océano cerca de un respiradero hidrotermal que inunda sus alrededores con agua sobrecalentada y productos químicos de alta energía. Tales configuraciones se conocen comúnmente como sistemas disipativos de no equilibrio. Su característica común es que la termodinámica clásica se rompe, por lo que los análisis previos no se sostienen por completo. En cambio, deben aplicarse los principios de la termodinámica de no equilibrio, que son mucho más complejos y menos conocidos.
Desafíos de los Sistemas de No Equilibrio
Sin embargo, tales apelaciones a los sistemas de no equilibrio hacen poco para resolver los problemas termodinámicos básicos. Primero, ningún sistema podría mantenerse lejos del equilibrio por más de un período limitado de tiempo. El sol solo sale durante el día, y el agua sobrecalentada en el fondo del océano eventualmente migraría lejos de los respiraderos hidrotermales. Cualquier progreso realizado hacia la formación de una célula se perdería a medida que el sistema se revierte hacia el equilibrio (menor energía libre) y, por lo tanto, se aleje de cualquier estado que se acerque a la vida.
Segundo, la entrada de energía solar, térmica u otras formas de energía en realidad aumentan la entropía del sistema, moviéndolo en la dirección incorrecta. Por ejemplo, la luz ultravioleta del sol o el calor de los respiraderos hidrotermales difícilmente formarían las complejas estructuras químicas necesarias para la vida.
Finalmente, en sistemas sin equilibrio, las diferencias en temperatura, concentraciones y otras variables actúan como fuerzas termodinámicas que impulsan la transferencia de calor, la difusión y otros flujos termodinámicos. Estos flujos crean fuentes microscópicas de producción de entropía, alejando nuevamente el sistema de cualquier estado de entropía reducida asociada con la vida.