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¿Qué es la vida?

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¿Qué es la vida?
22 febrero
13:03 2021

La vida, característica emergente en el Universo

La vida es una propiedad emergente en el Universo, cada ser vivo ha surgido de otro ser vivo, pero eso implica que la primera vida que existió surgió de elementos que no estaban vivos, mediante procesos que deben poder ser explicados por las leyes físicas. Pero mientras las fronteras del conocimiento avanzan, resolviendo una tras otra las preguntas que plantea el Universo, esta explicación permanece sin resolver.

Tenemos una comprensión bastante buena del origen del Sol y de la Tierra y los cosmólogos pueden llevarnos a una fracción de segundo del comienzo del propio Universo. Pero sin duda debido a que percibimos una profunda brecha cuando pensamos en la diferencia entre la materia inorgánica y la vida, sentimos que la Naturaleza debe haber dado un gran salto para cruzar esa distancia. Este punto de vista ha llevado a la búsqueda de la manera en que podrían haberse formado las moléculas grandes y complejas que definen inequívocamente la vida y ello nos ha llevado a una barrera cognitiva infranqueable.

La vida es notoriamente difícil de definir, aunque existen numerosos intentos de hacerlo; en muchos casos simplemente se trata de una lista de propiedades que la vida parece tener. El estudio de cómo aparece alguna de estas características podría abrir el camino para este conocimiento.

La entropía es una poderosa ayuda para entender cómo trabaja nuestro mundo

La experiencia cotidiana nos dice que las cosas se vuelven más desordenadas y caóticas con el tiempo. Y esto es lo que afirma la segunda ley de la termodinámica, la cantidad total de desorden, o entropía, en el Universo siempre aumenta con el tiempo. Aunque esta ley se refiere solo a la cantidad total de desorden. El orden en un cuerpo puede aumentar, siempre que la cantidad de desorden en su entorno se incremente en una cantidad mayor.

Esta ley la experimentamos tan cotidianamente en nuestro entorno, cuando, por ejemplo, vemos cómo los alimentos se deterioran con el paso del tiempo o cómo nadie ha visto nunca un vaso roto hecho añicos recomponerse por sí solo, que nos parece una trivialidad. Sin embargo, es un concepto fascinante y rico en significado.

Es, por ejemplo, el concepto que nos revela el paso del tiempo. Las leyes fundamentales de la física tienen una característica profunda: no distinguen entre pasado y futuro, son reversibles. Pero el hecho de que con el tiempo aumente el desorden o la entropía nos refleja lo que se llama una flecha del tiempo[1], es decir, algo que distingue el pasado del futuro dando una dirección al tiempo. Además, la entropía es el concepto que nos permite afirmar que vivimos en un Universo que tuvo un comienzo[2]. Planck se apoyó en este concepto para descubrir el carácter cuántico de la Naturaleza y así mismo el concepto de entropía ayudó a Hawking a comprender la esencia de los agujeros negros, lo cual le causó un impacto profundo hasta el punto de desear dejar grabada en su tumba la ecuación que él mismo obtuvo.[3]

Lo que Boltzmann nos explicó sobre la entropía

Una explicación de esta fundamental ley de la Naturaleza la dio Boltzmann al considerar que la entropía es una propiedad que deriva del propio ordenamiento de los átomos. Elevada entropía significa que hay más formas de organizar las cosas de una manera determinada y entropía baja significa que hay menos formas. Dado un sistema que tiene baja entropía, si simplemente lo dejamos evolucionar, naturalmente se moverá a una configuración de mayor entropía por el mero hecho de que hay más formas de tener alta entropía que de baja entropía.

Así, una taza de café caliente siempre se enfriará y no podrá, de manera espontánea, volver a calentarse. Esto se explica porque cuando la temperatura del café y la habitación se han igualado, a nivel microscópico, el número de composiciones posibles de los átomos es mayor.

De acuerdo con la interpretación de Boltzmann, la segunda ley de la termodinámica no es realmente una ley: es una declaración estadística sobre probabilidades.

La entropía y los seres vivos

En su conocido ensayo ¿Qué es la vida?[4] de 1944, Erwin Schrödinger ya se planteó la relación de la física con la vida y destacó el significado central de los flujos de energía y la entropía. Intuyó que la estructura ordenada presentada por el ser vivo parece contravenir lo estipulado por la segunda ley de la termodinámica.

En efecto, a diferencia de lo que ocurre con la taza de café, que alcanza un equilibrio termodinámico con su entorno, los seres vivos están en un estado de desequilibrio, tomando energía de fuentes como la luz solar y los alimentos y expulsando esa energía, “disipándola”, hacia su entorno. Esto permite que un organismo vivo reduzca su propia entropía, para que pueda crecer y construir estructura.

En agosto de 2013, un joven físico profesor del MIT, Jeremy England, publica el artículo Física estadística de la autorreplicación[5], que fue comentado por Natalie Wolchover en la revista Quanta Magazine con estas palabras: “Un físico del MIT ha propuesto la provocativa idea de que la vida existe porque la ley de la entropía creciente impulsa a la materia a adquirir propiedades físicas de la materia viviente”.[6]

En efecto, England obtuvo una fórmula, basada en la física establecida, que indica que, cuando un grupo de átomos es impulsado por una fuente externa de energía (como el sol o un combustible químico) y rodeado por un baño de calor (como el océano o la atmósfera) con una determinada frecuencia, éstos se reestructuran gradualmente a sí mismos para disipar cada vez más energía, lo que les proporciona estabilidad.

Él llamó a su teoría “adaptación disipativa”, ya que describe cómo las estructuras emergen y cambian a través de la disipación de energía, principalmente calor, en su entorno. Con el tiempo mejoran, tanto para mantener el orden creado como para crear copias de sí mismos.

La autorreplicación es un proceso que debe ser alimentado invariablemente por la producción de entropía que England es capaz de deducir de forma explícita.

A partir de esta profunda percepción, basada en la termodinámica, England deduce la aparición de los primeros comportamientos con características de vida.

Jeremy England consolida su teoría

Para verificar, profundizar y afianzar sus ideas se planteó tratar de reproducir estas circunstancias mediante simulaciones en computadora. Dos años más tarde publicaba estos trabajos llevados a cabo en colaboración con Jordan M. Horowitz.[7]

Se realizaron simulaciones en un sistema cerrado (sistema sin intercambio de calor o materia con su entorno) conteniendo una “sopa” de 25 sustancias químicas. Aplicando calor mediante una fuente externa se encontró que estos elementos químicos pueden optimizar la energía aplicada al sistema auto organizándose y experimentando reacciones intensas de autorreplicación.

Este es un modelo muy simple de lo que sucede en biología: la energía química se quema en las células que, por su naturaleza, están fuera de equilibrio, lo que impulsa los procesos metabólicos que mantienen la vida.

Imari Walker pone acertadamente este descubrimiento en su contexto: “Creo que hay muchas etapas intermedias por las que tenemos que pasar para transitar de un orden simple a tener una arquitectura de procesamiento de información completa como una célula viva, que requiere algo como memoria y capacidad hereditaria”.

El propio England, de manera realista, admite que hay una gran diferencia entre encontrar “cualidades de vida” en una sopa química virtual y la vida misma.

Algo más que sensacionalismo

Buscando el sensacionalismo es fácil, por una excesiva simplificación o desconocimiento, ir más allá en la interpretación de la realidad y ha sido frecuente encontrar el concepto de “creación de la Nada” aplicado a este descubrimiento. Un caso especialmente llamativo es el de la novela Origen, del escritor Dan Brown, uno de cuyos personajes es un profesor de Física llamado Jeremy England. Este personaje ficticio, basado en su homónimo de la vida real, identifica “el principio físico subyacente que impulsa el origen y la evolución de la vida”. Además, según el libro, el profesor England refuta todas las demás teorías de la creación, incluido el relato bíblico registrado en el Génesis.

La realidad es que Jeremy England, además de su condición de científico, es un firme creyente y rabino Ortodoxo ordenado y se vio en la obligación de contestar públicamente, lo que hizo a través del Wall Street Journal con un artículo titulado “Dan Brown no puede citarme para refutar a Dios”[8]. Ahí afirma que el novelista ciertamente se basa en su investigación, pero su “doble” en la novela utiliza malos razonamientos, “no hay ciencia real en el libro sobre la que argumentar”.

England añade: “El lenguaje de la física puede ser extremadamente útil para hablar del mundo, pero nunca para abordar todo lo que sea necesario decir sobre la vida humana.”

Y concluye: “Soy científico, pero también estudio y vivo según la Biblia hebrea. Para mí, la idea de que la física pueda probar que el Dios de Abraham no es el creador y gobernante del mundo refleja un grave malentendido: tanto del método científico como de la función del texto bíblico.”

Every Life Is on Fire

Recientemente Jeremy England ha publicado el libro Cada vida está en llamas, subtitulado Cómo la termodinámica explica los orígenes de las cosas vivas.[9]

Para explicar sus ideas parte de una exploración de la frontera entre lo vivo y lo no vivo. “Tomemos ese conjunto variado de lo que es la vida y tratemos de dividirlo en un conjunto de comportamientos distintivos “como de vida”, que pensamos que son indicativos de semejanza con la vida, incluso si no son exclusivos de la vida.” Y en esta categoría incluye comportamientos como “hacer copias de ti mismo, autorreplicación por un lado o recolectar energía de una fuente de difícil acceso en tu entorno por otro lado o actuar de una manera que incorpore una predicción precisa de tu futuro basada en las estadísticas de tu pasado”; England considera que estas, por separado, son características que pueden tener sistemas no vivos, pero que todas reunidas ya parece que definan algo que tiene vida.[10]

El libro describe los resultados de sus investigaciones exponiendo cómo sus teorías y simulaciones permiten este tipo de transiciones por las que pequeños sistemas sin estructura pasan a tener una estructura estable con “características de vida”.

De acuerdo con ello, el surgimiento de la vida no sería el resultado de un golpe de suerte en la Naturaleza, sino el resultado de un proceso lógico que tendría su explicación en la termodinámica.

England, fiel a sus convicciones, aprovecha la exposición de su teoría para poner de relieve cómo la ciencia ayuda a encontrar un propósito para la vida, pues cada capítulo del libro está encabezado por una cita del Génesis.

Manuel Ribes

Observatorio de Bioética

Instituto de Ciencias de la Vida

Universidad Católica de Valencia

[1] De acuerdo con Stephen Hawking se considera que existen tres flechas del tiempo:

1.- La flecha termodinámica, que es la ya referida.

2.- La flecha psicológica: es la dirección en la que nosotros sentimos que pasa el tiempo, la dirección en la que recordamos el pasado pero no el futuro.

3.- La flecha cosmológica: es la dirección del tiempo en la que el Universo está expandiéndose en vez de contrayéndose.

[2] Robert J. Spitzer, S.J., Ph.D. Evidence of God from Contemporary Science & Philosophy, mayo 2016.

[3] Hawking deseaba tener su famosa ecuación de ‘Entropía de Hawking’ grabada en su lápida, al igual que el físico y filósofo austriaco Ludwig Boltzmann, quien hizo lo mismo con su ecuación de entropía, S = k log W. La piedra conmemorativa del profesor Hawking en Westminster, sin embargo, tiene la ecuación de la temperatura de Hawking. Después de un debate entre sus colegas en Cambridge, con quienes había trabajado en estrecha colaboración, la ecuación correcta se muestra en la nueva piedra conmemorativa en Gonville & Caius College.

[4] Erwin Schrödinger, What is life? 1944.

http://www.arvindguptatoys.com/arvindgupta/whatislife-schrodinger.pdf

[5] Jeremy L. England, Statistical physics of self-replication: The Journal of Chemical Physics: Vol 139, No 12

[6] Natalie Wolchover, First Support for a Physics Theory of Life, Quanta Magazine, January 28, 2014

[7] Jordan M. Horowitz, Jeremy L. England, Spontaneous fine-tuning to environment in

many-species chemical reaction networks PNAS, July 18, 2017 114 (29) 7565-7570; first published July 3, 2017 (https://doi.org/10.1073/pnas.1700617114)

[8] Jeremy England, Dan Brown Can’t Cite Me to Disprove God, The Wall Street Journal Oct. 12, 2017

[9] Jeremy England, Every Life Is on Fire. How Thermodynamics Explains the Origins of Living Things, Basic Books, ISBN-13: 9781541699007

[10] Sean Carroll, 120 | Jeremy England on Biology, Thermodynamics, and the Bible – Sean Carroll October 26, 2020

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