Termodinamica en biología

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Orden a partir del desorden
La Termodinámica de la complejidad
en Biología
Eric D. Schneider y James J. Kay
 
Introducción

A mediados del siglo XIX surgieron dos grandes teorías científicas sobre la evolución de los sistemas naturales en el tiempo. La termodinámica, refinada por Boltzmann, contemplaba una naturaleza en constante degradación hacia una muerte en forma de desorden aleatorio.Esta visión pesimista de la evolución de los sistemas naturales, inspirada por la segunda ley de la termodinámica, contrasta con el paradigma, asociado con Darwin, de unos sistemas biológicos crecientemente complejos, especializados y organizados a lo largo del tiempo. La fenomenología de muchos sistemas naturales demuestra que buena parte del mundo está habibabitada por estructuras coherentesfuera del equilibrio temodinámico, como son las células de convección, las reacciones químicas autocatalíticas y la vida misma. Los sistemas vivos exhiben un alejamiento del desorden y el equilibrio que se traduce en estructuras altamente organizadas.

Este dilema fue una de las motivaciones de ¿Qué es la vida?, el influyente libro de Erwin Schrödinger  en el que intentó agrupar los procesosfundamentales de la biología, la física y la química. Schrödinger  hizo notar que la vida comprendía dos procesos fundamentales: el orden a partir del orden y el orden a partir del desorden (Schrödinger , 1944). Observó que el gen generaba orden a partir del orden dentro de una especie, esto es, la progenie heredaba los rasgos de los progenitores. Al cabo de una década, Watson y Crick (1953)proporcionaron a la biología un programa de investigación que ha conducido a algunos de los hallazgos más importantes de los últimos cincuenta años.

La otra observación de Schrödinger, el orden a partir del desorden, aunque igualmente importante, fue peor comprendida. Esta premisa era un intento de ligar la biología con los teoremas fundamentales de la termodinámica (Schneider, 1987). Schrödinger hizonotar que los sistemas vivos parecen desafiar la segunda ley de la termodinámica, la cual insiste en que la entropía de un sistema cerrado debería maximizarse. Los sistemas vivos, sin embargo, son la antítesis de esta ley, pues exhiben maravillosos niveles de orden creado a partir del desorden. Las plantas, por ejemplo, son estructuras altamente ordenadas sintetizadas a partir de átomos y moléculasdesordenados provenientes de la atmósfera y el suelo.

Schrödinger resolvió este dilema apelando a la termodinámica del no equilibrio. Reconoció que los sistemas vivos existen en un mundo de flujos energéticos y materiales. Un organismo se mantiene vivo en su estado altamente organizado tomando energía de alta calidad del exterior y procesándola para producir un estado interno más organizado. Lavida es un sistema lejos del equilibrio que mantiene su nivel local de organización a expensas del reservorio de entropía global. Schrödinger  propuso que el estudio de los sistemas vivos desde la perspectiva del no equilibrio reconciliaría la autoorganización biológica con la termodinámica. Es más, esperaba que dicho estudio reportase nuevos principios físicos.

Este artículo examina elprograma de investigación del orden a partir del desorden propuesto por Schrödinger y amplía su visión termodinámica de la vida. Explicaremos que la segunda ley de la termodinámica no es un impedimento para la comprensión de la vida, sino que es necesaria para una descripción completa de los procesos vivos. Ampliaremos la termodinámica para incluir la causalidad del proceso vivo y mostraremos que lasegunda ley potencia los procesos de autoorganización y determina la dirección de muchos de los procesos observados en el desarrollo de los sistemas vivos.


Preliminares termodinámicos

La termodinámica se aplica a todos los sistemas de trabajo y energía, incluyendo los sistemas de temperatura-volumen-presión clásicos, los sistemas cinéticos químicos y los sistemas electromagnéticos y...
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