Todo lo que el sudor puede hacer por usted

Imagine que existe una casa capaz de liberar el calor acumulado. Aumenta peligrosamente la temperatura y sus habitantes no necesitan instalar aire acondicionado, utilizar ventiladores o tomar duchas frías (más allá de lo higiénicamente necesario). Por el contrario, cuando -por la razón que sea- aumenta la energía interna de la casa en forma de calor, éste se conduce inteligentemente desde cada punto del interior hacia las paredes exteriores mediante un sistema de conductos invisibles.
El mecanismo final de expulsión del calor es muy curioso. En la superficie de todo el perímetro de la casa hay unos sensores que detectan la temperatura. Cuando la temperatura supera un determinado umbral, un mecanismo se dispara y de las paredes emana un fluido especial que recubre toda la superficie exterior. (Por supuesto, en versiones posteriores del inmueble todo esto será programable. Nota del Comercial). Esa película fina y viscosa se encarga de absorber el calor allí acumulado; luego, a medida que el fluido va evaporándose, se lo lleva lejos de la casa, dejándola mucho más fresca que antes y, por supuesto, se garantiza que las paredes volverán a quedar perfectamente secas... ¿Quién no querría vivir en una casa así?


"Todo lo que el sudor puede hacer por usted", en tres fases

1ª fase

La sangre, ese increíble sistema de distribución de energía y recogida de desechos, también se encarga de recoger el calor desde todas las células del cuerpo y transportarlo a la superficie, es decir, a la piel, que aumentará sensiblemente de temperatura T. Este no es el único sistema de recogida de calor, que también es transportado directamente a través de los tejidos. Pero la actuación de la sangre es más efectiva y cobra importancia cuando se necesita una disipación rápida de calor. En esos momentos, los vasos se dilatan para facilitar el proceso sanguíneo y la pérdida de agua -por sudor- acelera el ritmo cardíaco y hace a la sangre más viscosa potenciando así la captación de calor. Por supuesto, todos estos cambios fisiológicos tienen un límite.

Pero vayamos paso a paso. La manera en que el calor pasa de una célula -que ha efectuado un proceso de generación trabajo/calor- a la sangre puede imaginarse como un contacto entre moléculas: una celular y otra sanguínea. La del caudal sanguíneo, compuesto en una gran parte por agua -con un alto calor específico c- tiene muchas maneras de vibrar lo que le permite tomar la energía cinética de la molécula celular de muchos modos a la vez. Por lo que, varias moléculas celulares contribuirán a excitar una única molécula sanguínea. Se facilita así la absorción de calor. Una vez en el caudal sanguíneo, cobra importancia la conducción térmica de calor regida por el factor lambda λ del agua, relativamente alto, lo que hace que el ritmo de conducción del calor sea elevado. En el dibujo, la Q con el punto encima denota la derivada de Q respecto el tiempo, es decir, el ritmo de conducción de Q (véase el primer post sobre derivación), la A es el área transversal del conducto (por lo que la dilatación de los vasos aumentará el ritmo de conducción) y el término final es el gradiente de temperatura: una medida sobre cómo varía la T en el espacio. Esta es la llamada fórmula de Fourier.

2ª fase

El calor llega a la superficie de un modo optimizado pues los diferentes vasos arteriales se subdividen muchas veces y abarcan más superficie en la epidermis, de modo similar a un fractal. Todo el calor conducido estará ahora bien distribuido en la piel, que elevará su temperatura. Y la piel está preparada para tal situación, gracias al sistema de glándulas sudorípadas. Éstas se encargan de segregar sudor, -compuesto básicamente de agua (95%), sales minerales y otras sustancias como la urea (responsable del mal olor, para beneficio de los fabricantes de desodorante)- que viaja por pequeños conductos hasta la superficie cubriéndola de una película de fluido que absorverá el calor Q de la piel de un modo mucho más efectivo que si lo hiciera el aire.

3ª fase

El sudor, finalmente, se evaporará, pues las moléculas que tienen una parte en contacto con el aire y no con el fluido tendrán más posibilidades de escapar de las fuerzas que las mantienen unidas al resto del fluido absorbiendo calor para ello. Estas moléculas pueden volver azarosamente del aire al sudor sobre la piel y de nuevo quedar enganchadas a él. Estos procesos alcanzarían un equilibrio mutuo si no hubieran efectos externos, es decir, si el sistema sudor/aire estuviera totalmente aislado. Pero no os preocupéis: el propio viento, aunque leve, se lleva lejos a las moléculas de sudor que ya habían escapado de nosotros, así que ésas ya no podrán volver a ser captadas, escapando para siempre con el calor acumulado y disminuyendo definitivamente la temperatura T de la piel. Por supuesto, si queréis acelerar el proceso, siempre os podéis abanicar o, simplemente, limpiaros de vez en cuando el sudor.

Esta es la razón por la que la ropa puesta a secar en el tendero seca antes si hace viento, las pérdidas por calor aumentan en las placas solares situadas en zonas de alto viento y podemos enfriar la sopa rápidamente soplando sobre el plato.

En fin, hay muchas más cosas que el sudor hace por nosotros como potenciar el olor de ciertas sustancias -que a su vez sirven para enviar señales (perfumes, feromonas, etc...)-, hidratar y lubrificar la piel...

¿Y qué ocurre cuando desciende demasiado la temperatura del cuerpo?

En este caso, ocurre el proceso inverso. Los vasos sanguíneos no se dilatan sino que se contraen cerca de la piel y en las extremidades –que se volverán pálidas- para minimizar el transporte de calor hacia la superficie y evitar pérdidas. Lo importante aquí es conservar el poco calor que nos queda en el interior del cuerpo. Pero si disminuye demasiado la temperatura, corremos el riesgo de congelación en los dedos de manos y pies. El ritmo cardíaco y la viscosidad sanguínea disminuyen y uno tiende a acurrucarse en la cama, o en el suelo, disminuyendo la superficie de contacto para perder menos calor todavía por conducción directa desde la piel.

Pero, ahora, necesito un descanso. Después de tanto escribir, estoy sudando... felizmente.

PD: ¿A algún arquitecto se le ha ocurrido diseñar una casa que sude?

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?

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