biotermodinámica
Definición: Es la termodinámica tal como se la observa en los seres vivos, considerada sobre todo en torno a los fenómenos de autoorganización de los sistemas complejos, que generalizan la segunda ley. Asimismo se relaciona con el Principio de Le Chatelier generalizado para fenómenos complejos en condiciones alejadas del equilibrio. En ambos casos los ejemplos más interesantes son los típicos de la vida.
Veamos esta lista secuencial de estados físicos y biológicos
-
gasalíquidoasólido amorfoacristal periódicoaDNAaser viviente
Entre el gas y el cristal hay una progresiva disminución de la entropía y aumento del orden topológico. El cristal periódico (repetitivo) se caracteriza por su baja entropía y alto orden. Pero tambien tiene bajos grados de libertad dinámicos (no se mueve ni tiene metabolismo). Entre el cristal periódico y el DNA hay una diferencia notable: el DNA puede ser un cristal, pero su asimetría (la de sus átomos de carbono) y su aperiodicidad facilitan que pueda ser informático, que muestre información, signos y significado, los cuales no existen en el caso de un cristal clásico. Entre el DNA y el ser viviente la diferencia estriba en sus ampliados grados de libertad dinámicos mostrados en sus estados químicos internos y sobre todo en el sistema nervioso de una fracción del reino animal. Hay límites para esos grados de libertad en el ser vivo: ellos son una clara manifestación de la vigencia de la segunda ley en el campo de la biología, ley que es la causa de dichas restricciones. Por ejemplo, de estas restricciones básicas de la vida: límites a la eficiencia de la fotosíntesis, glicólisis, replicación y reparación del DNA, mitosis y meiosis, destoxicación celular.
Los sistemas vivientes representan el final más rebuscado de la secuencia. La termodinámica clásica, que nació con el tratamiento de los gases (extremo izquierdo de la lista), debe sufrir algun cambio para seguir ilustrando lo básico que pasa en un ser viviente (extremo derecho). Ese cambio es la transición de la termodinámica clásica hacia la biotermodinámica.
Schrödinger, al estudiar la vida, consideraba la generación del orden a partir del orden y la del orden a partir del desorden. El misterio del orden a partir del orden (misterio porque trivialmente la segunda ley pide que el orden se desordene) fue develado por la biología molecular de Crick y Watson y sus seguidores, al desentrañar estructura y funciones de los genes del DNA. En lo referente al misterio del orden a partir del desorden, su estudio aclara el enlace entre la biología y las leyes termodinámicas. A primera vista los sistemas vivientes desafían a la segunda ley clásica, que asegura que en los sistemas cerrados la entropía o desorden debieran maximizarse. La desafían porque un ser viviente es la antítesis de dicho desorden. Un ejemplo: la fotosíntesis de las plantas. Las plantas son estructuras de alto orden biológico, estructuradas a partir de moléculas de gases y vapores atmosféricos desordenados, de elementos químicos desordenados del suelo y de ondas electromagnéticas (luz), que los físicos identifican como producto final de la entropía del universo, lo más desordenado imaginable. La luz se degrada un poco más virando al infrarrojo. Un producto típico es C6H12O6, la glucosa, comparativamente ordenado. Aquí el orden surge del desorden. Se podría repetir el argumento con la moneda de la energía, el ATP, que el reino animal sintetiza con esa misma glucosa. Con la moneda de la energía y desorden aparece el orden, por ejemplo como producto del esfuerzo muscular o del razonamiento humano.
Schrödinger buscó la explicación necesaria en la termodinámica del desequilibrio, ya que la vida transcurre en un mundo pleno de flujos (de origen solar y geonuclear) de energía y materia. El alto orden biológico de un organismo se debe a que el entorno de dicho sistema complejo se deja robar orden (en muchos casos glucosa, por ejemplo) y admite que el organismo le transfiera, la fracción más entrópica de su inventario energético (en este caso, flujo de calor). El procesamiento de la glucosa produce en su interior, un estado autoorganizado, un atractor, de menor entropía y mayor orden. La vida es un sistema que mantiene un alto valor local de organización conseguido a cambio de una mayor entropía del entorno. Con una perspectiva de la vida como fenómeno complejo en el desequilibrio, es entonces factible conciliar la termodinámica con la autoorganización biológica. La segunda ley así clarificada pasa a ser condición necesaria para la explicación de los procesos vitales. Por ejemplo, ella acota su dirección general.
El principio de Le Chatelier clásico muestra señales típicas de la segunda ley clarificada. Los sistemas termodinámicos que exhiben temperatura, presión y composición química, se anidan en ese atractor (en ese equilibrio) y se resisten a las fluctuaciones o gradientes en las variables que podrían alejarlos del mismo. Al alejarse del estado de equilibrio local, aparecen fuerzas "elásticas" -indetectables en ausencia de las fluctuaciones- que se oponen a los nuevos gradientes y tienden a que el sistema retorne a su atractor. Cuanto mayor el gradiente aplicado, mayor la "elasticidad" para retornar al atractor. Cuanto más se aparta el sistema del estado de equilibrio, más extraordinarios son los mecanismos emergentes que ayudan a restituir las condiciones previas perdidas. En algunos excepcionales casos, aparecerán autoorganizaciones cuyo significado profundo es el de contrarrestar la fluctuación desestabilizadora. Esta interpretación no surge de la segunda ley clásica, sino de su reelaboración. Exagerando, se podría esperar a priori la aparición de estructuras emergentes, autoorganizantes, que disipen al gradiente que perturbó al sistema complejo. Prigogine denomina disipativos a esos sistemas y mecanismos. Todo sucede como resistencia y disipación de los gradientes termodinámicos aplicados externamente: es entonces, orden emergiendo del desorden.
Este principio de Le Chatelier adopta así redacciones no-clásicas, generalizadas, aptas para la descripción de fenómenos ubicados en atractores del desequilibrio y sus nuevos mecanismos del tipo "orden a partir del desorden", que aumentan la capacidad disipativa del sistema, al servir a la causa de producir más desorden.
El entorno, el suprasistema, impone un conjunto de restricciones al comportamiento del sistema. Esto es tanto más válido en el caso de la vida, sujeta a las leyes de la selección natural,por la cual surge orden del orden. Resulta por ejemplo, que solamente los nuevos organismos con buen éxito en su adaptación al entorno son bonificados con la supervivencia comparativa. Esto incluye organismos que en sus etapas de desarrollo consumen una menor proporción del recurso escaso, la energía (ley de von Baer-Mayr). Incluye tambien a los organismos cuyos procesos autoorganizativos enfrentan mejor las restricciones impuestas por la segunda ley ya mencionadas. Los genes juegan ese papel. Habilitan (o nó) las opciones que podrían tener buen éxito frente a las restricciones. Casi todos los genes sobrevivientes tienen una historia previa de muchos buenos éxitos acumulados en su participación en autoorganizaciones anidadas una dentro de la otra. Tambien los genes internos, como la segunda ley externa, limitan la vida. Las autoorganizaciones, sujetas a restricciones, necesitan, además, eficientes andamios.
El sol produce un desequilibrio en la superficie del planeta con su aporte de 1580 watts /metro2. Por Le Chatelier clásico, o lo que es lo mismo, por imperativo de la segunda ley clásica, este gradiente de energía radiante es disipado clasicamente por circulaciones oceanográficas y meteorológicas. Por Le Chatelier generalizado, o lo que es lo mismo, por imperativo de la segunda ley generalizada, este mismo gradiente es disipado no-clasicamente por la vida terrestre. Los sistemas vivientes son sistemas disipativos alejados del equilibrio y ellos giran en torno de los mecanismos de evaporación, transpiración y en menor medida, fotosíntesis vegetal.
El fondo del océano es sitro para la disipación del calor geonuclear del centro de la tierra. Allí la vida es más abundante en los sitios donde los gradientes químicos y térmicos son más notables. Con ello la disipación del gradiente es tambien mayor. (Sobre la base de contribuciones de Schrödinger, Prigogine, Haken y en especial, Schneider y Kay)
30.dic.1998
Pulsar tecla de vuelta
Glosario de Carlos von der Becke.
