El origen de la vida y la termodinámica

Jeremy England, autor de la teoría de la adaptación motivada por la disipación
 

El biofísico Jeremy England causó revuelo en 2013 con su teoría que sugiere que el origen de la vida fue el resultado inevitable de la termodinámica.

Sus ecuaciones expresan que, en ciertas condiciones, grupos de átomos se reestructurarán de forma natural para quemar más y más energía, facilitando así una dispersión incesante de energía y un aumento de la entropía. Este efecto de reestructuración, que England llama adaptación motivada por la disipación, propicia el desarrollo de estructuras complejas, incluso de seres vivos. La existencia de la vida no es ni un misterio ni un accidente fortuito sino la consecuencia de principios físicos generales y, en sus palabras, “debe sorprendernos tanto como una piedra rodando cuesta abajo”.

Desde ese año, England, profesor en el MIT, ha realizado simulaciones por computadora para detallar diferentes aspectos de su teoría. Dos estudios publicados en las últimas dos semanas, uno por PNAS y otro en Physical Review Letters, revelan los resultados de su labor. En pocas palabras, ambos estudios corroboran la tesis general de England sobre la adaptación motivada por la disipación, aunque las implicaciones que esto tendrá en la vida diaria aún son ambiguas.

El estudio publicado por PNAS desnuda la vida y convierte la biología y sus células en sistemas químicos simulados, simples pero donde se puede observar la emergencia espontánea de estructuras excepcionales, que podría ser la fuerza impulsora detrás del origen de la vida. En particular, la simulación incluyó las interacciones de una sopa de 25 compuestos químicos que reaccionaron entre sí en un sinfín de formas. En ocasiones, el sistema alcanzó un estado de equilibrio, con un balance en la concentración de químicos. Esta tendencia al equilibrio, como una taza de café que se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente, es el resultado más citado de la segunda ley de la termodinámica, que establece la irreversibilidad de los fenómenos físicos y afirma que la energía se difunde de forma constante mientras aumenta la entropía del universo.

Pero en otros casos, bajo diferentes escenarios iniciales, la red de reacciones químicas sigue caminos extravagantes: Alcanza puntos muy lejanos del equilibrio y cae en ciclos de explotación máxima de energía, estados de forzamiento termodinámico extremo. Los seres vivos también mantienen estados de forzamiento extremo: Somos superconsumidores, al alimentar las reacciones dentro de nuestras células quemamos cantidades copiosas de energía química, la degradamos y aumentamos la entropía del universo. Muchos biofísicos creen que la teoría de England contiene parte de la verdad pero no están seguros que se trate del paso más importante para el origen de la vida. ¿Cuál es la esencia de la vida? Hay diferentes opiniones.

England, un prodigio de 35 años de edad que pasó por Harvard, Oxford, Standord y Princeton antes de llegar al MIT a los 29 años, considera que la esencia de los seres vivos es la disposición extraordinaria de los átomos que los constituyen. “Si imagino una redistribución de los átomos de una bacteria, su etiquetado y permutación en un espacio vacío, no obtengo más que basura”, dijo England, “la mayoría de las distribuciones no tendrán la capacidad metabólica de esa bacteria”. No es fácil que un grupo de átomos manipulen y quemen energía química, para realizar esa función deben estar acomodados de formas altamente inusuales. Pero entonces, ¿por qué y cómo adquieren cierto grupo de átomos una configuración óptima para consumir energía? England sostiene que es el resultado natural de la termodinámica en sistemas alejados del equilibrio.

Ilya Prigogine, el físico, químico, sistémico y ganador del premio Nobel, describió ideas similares en los 1960s pero sus métodos era limitados. Las ecuaciones de la termodinámica tradicional solamente funcionan bien para el estudio de sistemas cercanos al equilibrio, como un gas que se calienta o enfría lentamente. Sistemas impulsados por poderosas fuentes externas de energía tienen una dinámica más compleja y son de más arduo estudio. Esto cambió en los últimos años de los 1990s, cuando los físicos Gavin Crooks y Chris Jarzynski derivaron los “teoremas de fluctuación”, que pueden ser usados para cuantificar con qué tanta mayor frecuencia ocurren ciertos procesos físicos comparados con los procesos contrarios. Estos teoremas han permitido a los investigadores analizar cómo los sistemas evolucionan incluso alejados del equilibrio.

Ese es precisamente el ángulo y la novedad de England: Aplicar los teoremas de fluctuación al problema del origen de la vida. El café se enfría porque no hay nada que lo esté calentando, pero los cálculos de England sugieren que grupos de átomos que son impulsados por fuentes externas de energía se pueden comportar de una manera diferente: Tienden a acceder esas fuentes de energía, a alinearse y a redistribuirse para absorberla mejor y disiparla como calor. Es más, England señaló que esta tendencia estadística de disipar energía podría facilitar la autorreplicación. Para England, la vida y su extraordinaria confluencia de forma y función es la consecuencia final de la adaptación motivada por la disipación y la autorreplicación.

De cualquier manera, incluso conociendo los teoremas de fluctuación, es demasiado complicado por ahora replicar las condiciones de la Tierra primigenia o del interior de una célula y realizar predicciones a partir de un principio. Por eso estas ideas se han probado en modelos simplificados por computadora. El siguiente paso para England y sus colaboradores será ampliar su red de reacciones químicas y corroborar si todavía evoluciona de forma dinámica a puntos fijos de forzamiento extremo. También podrían hacer la simulación menos abstracta empleando concentraciones químicas, ritmos de reacción y otras condiciones que habrían existido en la Tierra primigenia. En un caso ideal veremos la recreación de las simulaciones en experimentos reales, tal vez con el uso de químicos biológicamente pertinentes y fuentes de energía como la glucosa.

Aún así, otros investigadores del campo consideran que la teoría de England aporta algo “necesario pero no suficiente” para explicar la vida; no toma en cuenta aquello que muchos consideran la verdadera marca de los sistemas biológicos: su capacidad de procesar información. Desde la muy simple quimiotaxis (la habilidad de una bacteria de moverse hacia concentraciones de alimento y alejarse de sustancias tóxicas para ella) hasta la comunicación humana, las formas de vida absorben y responden a la información en su ambiente. Esto nos distingue de otros sistemas que caen bajo el conjunto de la teoría de la adaptación impulsada por la disipación, como la Gran Mancha Roja de Júpiter. Ésta es una estructura sumamente disipativa alejada del equilibrio que ha existido al menos 300 años, muy diferente de estructuras disipativas que han existido en la Tierra desde hace miles de millones de años.

La emergencia de la vida, después de todo, no sólo es emergencia de una estructura sino la aparición de un tipo particular de dinámica, de estructuras que se reproducen y la habilidad de esos objetos para influir en sus ritmos de reproducción. En defensa de England, su trabajo es puramente abstracto, son ejercicios de mecánica estadística de sistemas abstractos simples. El mismo England reconoce: “No estoy diciendo que mis resultados expliquen lo que sucede dentro de un sistema biológico, ni que sepa de donde viene la vida. Por ahora me abstengo de opinar sobre un campo del que sólo poseemos evidencia muy fragmentaria”.

 

Fuente: Fragmentos de “Nueva y controvertida teoría sugiere que la vida fue un accidente de la física”, por Natalie Wolchover, Quanta Magazine.

Traducción: IIEH

Estudios mencionados:

Afinado espontáneo al ambiente de redes de reacciones químicas

Resonancia autoorganizada durante la búsqueda de un espacio químico diverso