sábado, agosto 23, 2008

La vida es compleja (y bella)

Y no me refiero a la canción de Drexler ni a la película de Benigni. La vida es básicamente un conjunto de átomos organizados en macromoléculas muy complejas como las proteínas. No encontramos nada igual en la naturaleza inerte. Ni la aleatoriedad incesante de los gases, ni los patrones cristalinos de los minerales alcanzan el nivel de complejidad inherente a la forma viva, llámese ameba, sequoia o humano. Pero, ¿qué tiene de especial la complejidad?, ¿quiere eso decir que no es posible la vida bajo una forma molecularmente simple o desordenada? Según la termodinámica, no.

Lo posible es importante, al final

Imagine, lector, que ha llegado a la página de entretenimientos del periódico. Sí, es la más leída, no nos engañemos. En ella se nos muestra la foto-finish de un tablero de ajedrez. No se trata de predecir el futuro, del tipo "Blancas juegan y ganan", sino todo lo contrario: debemos reconstruir los movimientos desde el inicio de la partida hasta la situación actual.
En efecto, tras unos momentos de reflexión, veremos que no hay una solución única ya que podemos llegar al mismo final por caminos diversos siempre que respetemos algunas reglas más o menos complejas: según la pieza hay sólo uno o dos movimientos permitidos y las tiradas son alternativas comenzando por las blancas. Además, las piezas no están situadas de cualquier modo en el inicio y desde luego, el tablero es un espacio bien delimitado. Por otro lado, si supiéramos el número de movimientos que se han efectuado acotaríamos más las posibilidades. Vemos que cuantas más reglas tengamos sobre los movimientos posibles más restringimos el número de caminos alternativos. Dicho de otro modo, el número de posibilidades disminuye al aumentar la complejidad subyacente.

La Entropía es simple

Utilicemos términos algo más técnicos. Llamemos microestados a los caminos posibles para llegar a la situación final del tablero. Y a la foto final -lo que en realidad vemos- la llamaremos Macroestado.
Tenemos, pues, un Macroestado de muchos microestados posibles. Ahora, recordemos algo de lo que todos sabemos sobre la Entropía, que es una medida de la aleatoriedad de un sistema. Cuanto más desordenado esté, más entropía tendrá. El hecho de que esté desordenado significa que no es posible aprovechar ese sistema para dirigirlo hacia algo útil, como por ejemplo aplicarlo sobre otro sistema para producir un trabajo. De ahí que la Entropía sea considerada aquella parte no aprovechable de la Energía en un proceso. Y ningún proceso real se salva. En un sistema aislado, debido a la aleatoriedad de las partículas, siempre habrá una cierta parte de energía que no pueda aprovecharse...

Pero volvamos a nuestros micros/Macroestado del tablero y veamos qué tiene que decir la definición estadística de la Entropía, escrita en el epitafio de L. Boltzmann: la Entropía S de un Macroestado es proporcional al número de microestados asociados W. En verdad, no directamente proporcional a W sino al logaritmo de W, lo que implica que si W crece muy rápido, la Entropía lo va a hacer de un modo mucho más amortiguado y para el caso en que sólo haya un camino posible W=1, entonces no hay ninguna aleatoriedad y S=0.

S = k ln W

Aquí, k es una constante de proporcionalidad (sí, la de Boltzmann).

[Apunte opcional: En realidad, W representa el número de microestados en el espacio de fases, algo así como si consideráramos no sólo por qué casillas del tablero han pasado las piezas sino también a qué velocidad lo han hecho. Todas las diferentes combinaciones serían microestados posibles...]

Así que, como vimos, al aumentar la complejidad en el juego de ajedrez disminuimos el número W de microestados posibles... y entonces S disminuye, según la ecuación. La Complejidad debe ser entendida como algo que disminuye la Entropía.
¿Y qué es lo más complejo que conocemos? Permitid que insista en llamarlo forma viva.

Hacia abajo en una escalera que sube

Cosas tales como un gas aislado en un recinto o un trozo de madera ardiendo aumentan su Entropía a lo largo del tiempo, evolucionando incesantemente. Con ello, el sistema formado por todos los átomos que participan en el proceso alcanza el equilibrio termodinámico, eso que llamamos la máxima aleatoriedad. Sólo haría falta, en teoría, disponer de tiempo suficiente.
En cambio, la forma viva se empecina en mantenerse en un estado estacionario lejos del equilibrio, andando en dirección opuesta. Es como si bajara obstinadamente por unas escaleras mecánicas de subida, que hacen subir aburridamente todo lo demás.
Es la ordenación molecular la clave de su éxito, y para sobrellevarla necesita mucha energía: alimentos que puedan combustionarse y transformarse en trabajo para mantener sus procesos internos, pero cuidado, también deben ser alimentos de baja Entropía. La baja Entropía se consigue cuando la complejidad es alta. La ingesta de vegetales y animales (sobretodo proteínas y otras macromoléculas complejas) le permite alcanzar ese objetivo. Después, tendrá que expulsar -defecar- el exceso de masa no energética y deshacerse de la Entropía que inevitablemente se habrá generado en los procesos internos que mantienen toda la estructura. Para ello, expulsa constantemente calor Q y se mantiene a una temperatura interna T alta con respecto al medio (unos 37ºC en el caso de los humanos). De este modo, la entropía S = Q/T se mantiene baja.
(Éste fue el primer enunciado sobre la Entropía, el de Clausius)

La forma viva consigue perdurar en el tiempo flirteando con la 2ª Ley de la Termodinámica, esa que dice que la Entropía de un sistema aislado nunca puede disminuir. Flirtea con ella pero sin violarla, pues la forma viva no es un sistema aislado. El precio a pagar por ese oasis de baja Entropía es el aumento de la Entropía del medio, generada por los procesos que mantienen el metabolismo de la forma viva. Para tal milagro, la forma viva sólo dispone de un tiempo limitado, pues el equilibrio termodinámico acecha bajo la apariencia de aleatoriedad y desorden. Por fin, cuando todos los átomos de la forma viva se reagregen en nuevos compuestos menos ordenados (y por tanto, más entrópicos) se habrá alcanzado la muerte. Una muerte que -como las antiguas filosofías humanas insistían en advertir- es sinónimo de "regreso a la simplicidad".

Pero hay algo más allá -o más acá- de la aparente muerte de esa organización extraordinaria que es la forma viva. Un mecanismo que una y otra vez se repite en el tiempo adaptándose al medio. Se trata de su manual de instrucciones. Un complejísimo conjunto de macromoléculas que generan una y otra vez individuos nuevos, réplicas o semiréplicas de los anteriores, perpetuándose en nuevos pozos de baja entropía: los genes. Si los genes son lo único que perdura realmente a lo largo de la forma viva -independientemente de las formas vivas que nacen y mueren- ¿no sería más correcto hablar de la estructura genética como la auténtica y única forma viva? ¿Somos algo más que un eficiente y provisional envoltorio de nuestro conjunto de genes, los únicos que realmente persisten en la parte baja de la escalera?

Relacionado con el tema, os puede interesar:

Un físico en la calle, de Eduardo Battaner.
El camino a la realidad, de Roger Penrose (en especial, el capítulo 27)
Ilya Prigogine, al orden por el azar, del blog La bella teoría

PD: La primera imagen se ha tomado del blog Problemas de Ajedrez

8 comentarios:

Martí Cabré dijo...

Fins i tot podem anar més enllà i discutir si els gens només són un envoltori dels mems definits per Richard Dawkins.

Però si ens aturem allò on ho has fet, ens trobem davant d'una de les "grans preguntes", aquest cop sota una forma científica: som matèria o la matèria és un envoltori d'alguna altra cosa?

D'altra banda, el paral·lelisme entre ordre dins el caos i vida ens pot dur a considerar vives entitats inorgàniques com ara determinats conglomerats minerals que es creen sota patrons ben definits i entitats semiorgàniques com el propi planeta on vivim, que també regula la seva entropia sota un tempo molt més ampli.

Diuen que quan el moviment del nucli terrestre acabi, el camp magnètic terrestre finalitzarà i la vida desapareixerà. És aquest camp magnètic la coberta que ens protegeix als terrícoles de l'entropia del Cosmos?

Ender el Xenocida dijo...

Gràcies pel comentari, Martí.

Els mems serien l'equivalent cultural dels gens biològics.

Quan a definir el que és viu i el que no, considero que no existeix una divisió clara. Com dius, entre els cristalls minerals i l'aparició de la primera membrana -preludi de la primera cèl.lula- resulta difícil dir on és la vida i on no hi és.
M'estimo més considerar ésser viu a allò que defineix la teoria evolutiva actual: entitat que està sotmesa a la sel.lecció natural i que competeix per perpetuar-se en el temps.
En aquest sentit, no comparteixo la idea de "Gaia" com ésser viu ja que no hi ha competència evol.lutiva ni perpetuació.

Ara bè, tot es tracta de vida o no-vida?.
Potser només hi ha diferents graus d'organització (com dic al post, d'intents de reduir l' Entropia dels procesos i mantenir-se a la part baixa de l'escala mecànica).
I quan aquesta organització es torna suficientment complexa, apareix la competència amb altres sistemes organitzats. És llavors quan comencem a parlar de vida o d'espècies evolutives.

No conec aquesta teoria que relaciona el camp magnètic terrestre amb la vida a la Terra.

Salutacions.

Jordi dijo...

Molt bona aquesta entrada.
D'un temps cap aquí estic molt interessat en aquest tema, i m'ha agradat molt que li dediquessis un article.
"...y para el caso en que sólo haya un camino posible W=1, entonces no hay ninguna aleatoriedad y S=0." . Mira que em conec les propietats dels logaritmes, però no hi havia caigut!!

Martí Cabré dijo...

Això del camp magnètic ho vaig veure en un documental de la TV, no t'en puc fer una referència exacta. La idea era que els moviments sísmics venen afavorits pels moviments del camp magnètic (tectònica de plaques etc) i que els moviments sísmics permeten renovar la vida de la Terra cada certs milions d'anys.

Quan no hi hagi camp magnètic la bola terrestre serà quasi estàtica i la no existència de canvis farà menys probable la renovació de la vida, la qual passarà a ser molt depenent de les condicions en que s'ha creat i quan hi hagi un canvi gros... tot desapareix. Això era la idea.

Entenc això de la vida com a supervivència i supervivència en el temps. Les entitats tipus Gaia no serien vives perquè simplement existeixen i som els humans qui els otorguem qualitats de vida per la seva complexa estructuració interna. El mateix amb els minerals, simplement són complexos, no vius. I llavors, seguint aquesta teoria, un Déu etern tampoc seria viu, no? Perquè no té competència evol·lutiva ni perpetuació. Simplement existeix, com el propi Cosmos. És això contradictori amb la idea de Déu?

Ender el Xenocida dijo...

És una qüestió molt interessant.

Déu no seria un ésser viu sino un Ordre superior, tal i com es defineix amb freqüència. I ordre, en termes entròpics, vol dir baixa entropia, màxima complexitat. És el nostre ideal humà, allò a que aspirem, un etern estat de mínima entropia.

Personifiquem aquest Ordre amb una figura humana (Déu judeo-cristià), amb una Idea abstracta (Tao) o/i el trobem al moviment dels astres, l'ordenació més evident (Sol, Lluna, Terra...)

És la fe en un Ordre superior una característica de tot ésser viu complexe? De tota entitat de baixa entropia?

Gràcies Jordi, que et sembla la teoria magnètica d'abans?

Ender el Xenocida dijo...

Dit d'una altra manera, cerquem Ordre perquè som ordenats?

Jordi dijo...

Desconeixia aquesta teoria del camp magnètic... De totes maneres, respecte al què és vida, jo em quedaria amb la definició clàssica :-) : Allò que neix, creix, es reprodueix i mor.

Llavors, segons aquesta definició, ni els conglomerats minerals ni els planetes entrarien dins la classificació.

Salutacions.

luigigen dijo...

buenas reflexiones.-Los átomos son casi eternos, los sistemas son fugaces sobre todo los biológicos.-
conocer cosmoglobal

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