Totalidad y organismo
“(…) el universo siempre va del “orden” al “desorden”, la entropía siempre aumenta.” (Richard Feynman, The Feynman Lectures on Physics)
El universo se dirige a un estado creciente de “desorden”: un aumento sin cesar de las azarosas configuraciones que puede adoptar su materia. La cantidad de microestados posibles crece inexorablemente, empujando a toda forma “ordenada” a volverse cada vez más improbable. Esto es lo que quiere decir, en términos generales, el principio entrópico o segunda ley de la termodinámica.
Toda estructura natural se dirige a su disolución, a la ascendente incertidumbre sobre la configuración que adoptará su materia. Y, tal como Ludwig Boltzmann lo formulara en el siglo XIX, siempre de modo irreversible:
Pero hay un caso que parece excepcional. Hay un ente que aparenta ir contra la tendencia irreversible del crecimiento entrópico en el universo.
Los organismos vivos, en efecto, demuestran una extraordinaria capacidad para sostener su ordenamiento en el tiempo, como si poseyeran un principio activo que cuida su improbable configuración:
“La sucesión de acontecimientos en el ciclo vital de un organismo exhibe una regularidad y un orden admirables, no rivalizados por nada de lo que observamos en la materia inanimada.” (Schrödinger, ¿Qué es la vida?, 105)
Desde esta observación inicial, Erwin Schrödinger inicia sus cuestionamientos sobre la naturaleza de lo vivo.
Sin negar de antemano la validez del principio entrópico en los seres vivientes, se pregunta por esta enigmática paradoja: mientras todo el cosmos tiende a la entropía, lo vivo persiste en sostener su orden. ¿Hay acaso aquí una ley o fuerza especial de la naturaleza no descubierta?, ¿o tal vez la entropía sigue rigiendo, pero de un modo que aún cabe aclarar?
El hecho es notable, no puede desatenderse esta improbable ocurrencia: lo vivo ha alcanzado un ordenamiento interno sumamente complejo. Tampoco puede olvidarse su enorme persistencia: la vida ha conseguido mantenerse a sí misma por casi cuatro mil millones de años. ¿Cómo podemos, entonces, comprender su maravillosa organización en un universo regido por la entropía?
1. Azar microscópico y estabilidad del gen
Gracias a los cromosomas y sus genes, la vida ha perdurado por miles de millones de años. Generación tras generación, han comunicado las “reglas” o “instrucciones” que organizan la materia y energía de los organismos.
Como una suerte de esquema integral del ser viviente, el código genético es el responsable de que el azar y la entropía se mantengan bajos; permite dar orden al devenir del ser vivo sin que se convierta en algo caótico e insostenible.
“Son estos cromosomas (…) los que contienen en alguna forma de clave o texto cifrado el esquema completo de todo el desarrollo futuro del individuo y de su funcionamiento (…)” (Schrödinger, 37)
Sin embargo, señala Schrödinger, hay un problema. Cuando se considera una cantidad relativamente pequeña de átomos en el mundo microscópico, el efecto del azar se vuelve aún más decisivo. El movimiento térmico, en este nivel, provoca un constante “ruido” o agitación de las partículas. Se vuelve, entonces, muy improbable el sostenimiento de configuraciones específicas, tales como las que se atribuyen al gen.
Ahora bien, desde la física estadística (base de la física para Schrödinger), si se poseen cantidades muy altas de átomos (muchos millones de estos), se producen tendencias generales que vuelven irrelevante la agitación térmica microscópica. Sin embargo —y este es el punto— los genes poseen una cantidad relativamente baja de partículas, por lo que quedan expuestos a la constante alteración de su estructura característica. ¿Cómo consiguen, entonces, mantener su estabilidad?
“¿Cómo podemos, desde el punto de vista de la Física estadística, reconciliar los hechos de que la estructura del gen parece comprender sólo un número pequeño de átomos (…) a pesar de lo cual despliega una actividad muy regular y ordenada -con una durabilidad o permanencia que raya en lo milagroso?” (Schrödinger, 68)
¿Hay algo que protege al gen de la agitación térmica? Para Schrödinger el milagro puede aclararse. Con los desarrollos de la teoría cuántica del enlace químico (Heitler y London, 1928), se consigue aplicar uno de los grandes descubrimientos de la mecánica cuántica a la firmeza que adquieren las uniones entre los átomos:
“La gran revelación de la teoría cuántica fue el descubrimiento de estados discretos en el libro de la Naturaleza.” (Schrödinger, 70)
¿Qué son estos “estados discretos”? Son aquellos en los cuales algunas partículas elementales, como el electrón, consiguen desplazarse no de forma continua, sino por medio de auténticos “saltos cuánticos” dentro del átomo. El electrón no se mueve entre cada nivel energético de manera progresiva, sino que pasa inmediatamente de un nivel a otro, sin lugares intermedios. Esto resulta determinante en los enlaces atómicos, pues cabe recordar que muchos de estos se fundamentan en la configuración de los electrones.
Así, en temperaturas no exageradas, la constante agitación térmica no será capaz de generar graduales alteraciones en el posicionamiento de los electrones; tampoco poseerá la suficiente energía como para producir de una sola vez la cantidad requerida para causar un salto cuántico. Y si bien es posible que energías adicionales puedan provocar dicho cambio, se tratarían ya de eventos adicionales y más improbables.
En otras palabras, la naturaleza cuántica del enlace atómico otorga estabilidad a las moléculas, incluyendo a los genes, sin importar si poseen relativamente pocos elementos.
“(…) la configuración no puede cambiar, a menos que se le suministre desde el exterior un mínimo de energía equivalente a la diferencia que se necesita para ‘elevarla’ al nivel energético inmediatamente superior. Por consiguiente, esta diferencia de nivel, que es una característica bien definida, determina cuantitativamente el grado de estabilidad de la molécula.” (Schrödinger, 72)
Ahora bien, cabe señalar que esto no implica que la entropía o el azar queden totalmente anulados; solo se reduce significativamente la probabilidad de desarmar el orden del material genético. La aleatoriedad, por su parte, tendrá su propio lugar en el fenómeno de las mutaciones y la evolución, pero, y lo que importa aquí, no al punto que pudiera romper por completo el orden de lo vivo.
2. El sistema vivo: importar «orden», exportar «desorden»
La perturbación del movimiento térmico a nivel atómico es solo una posibilidad de alteración entre muchas otras. Más allá de las dimensiones del gen, desde una célula a un organismo complejo, la cantidad de eventos azarosos aumenta.
El medio externo e interno del organismo se ven incesantemente afectados por contingencias que amenazan su orden interior. Y si nada se opusiera a esta constante acumulación de accidentes y factores entrópicos, entonces se alcanzaría rápidamente la “máxima entropía” o “equilibrio termodinámico”. En este estado, o cierta proximidad a este, deviene inevitablemente la muerte del organismo.
Y aunque todos los seres vivos mueren en algún momento, la vida como tal no cesa con el individuo particular, continúa en la descendencia. Pero, al mismo tiempo, ninguna descendencia es posible si los organismos particulares no tienen el tiempo suficiente para alcanzar su madurez y capacidades reproductivas. El ser vivo, por lo tanto, debe poseer alguna forma de resistir el rápido aumento de entropía al cual lo empuja su medio natural.
“Un organismo evita la rápida degradación al estado inerte de ‘equilibrio’, y precisamente por ello se nos antoja tan enigmático.” (Schrödinger, 97)
Schrödinger comenta que en el pasado se creía que el enigma se resolvía por una “vis viva” o “entelequia”; una fuerza o energía especial posibilitaba la vida y la diferenciaba de lo inerte. Pero hoy hay una respuesta más apropiada, una que presta especial atención a la relación constante entre el sistema vivo y su entorno:
“¿Cuál es el rasgo característico de la vida? ¿Cuándo puede decirse que un pedazo de materia está vivo? Cuando sigue ‘haciendo algo’, ya sea moviéndose, intercambiando material con el medio ambiente, etcétera, y ello durante un periodo mucho más largo que el que esperaríamos que ‘siguiera haciéndolo’ un pedazo de materia inanimada en circunstancias similares.” (Schrödinger, 96)
Aquí ronda la pista central. Los organismos, a diferencia de lo no-vivo, intercambian activamente materiales con el entorno. En griego, la palabra de la cual deriva “intercambio”, se dice «metabállein» (μεταβάλλειν):
“¿Cómo evita la degradación el organismo vivo? La contestación obvia es: comiendo, bebiendo, respirando, fotosintetizando, etc. El término técnico que engloba todo esto es metabolismo.” (Schrödinger, 98)
Es con este intercambio dinámico metabólico, que la vida consigue un objetivo fundamental: ingresa “orden” a su sistema, expulsa “desorden” al exterior.
¿Pero, qué se entiende por ese “orden” ingresado? Para Schrödinger el “orden” equivale a una medida de “entropía negativa” o “neguentropía”; esto es, la disminución del valor positivo de inevitable entropía interior. Esto lo consigue extrayendo desde el medioambiente los materiales y energías que le permiten trabajar sobre su propia organización: la construye, la repara, en fin, la mantiene.
Dice Schrödinger:
“Todo proceso, suceso o acontecimiento (…) todo lo que pasa en la Naturaleza, significa un aumento de la entropía de aquella parte del mundo donde ocurre. Por lo tanto, un organismo vivo aumentará continuamente su entropía o, como también puede decirse, produce entropía positiva -y por ello tiende a aproximarse al peligroso estado de entropía máxima que es la muerte-. Sólo puede mantenerse lejos de ella, es decir, vivo, extrayendo continuamente entropía negativa de su medio ambiente.” (Schrödinger, 98)
Así, entonces, por alimentos, fotosíntesis y muchos otros procesos metabólicos, el organismo importa materiales y energías libres con potencial para trabajar y construir su orden interno. Pero eso no es todo, pues todas aquellas energías y residuos que no se utilizarán, aquellas que comienzan a acelerar peligrosamente los valores entrópicos interiores, son expulsados del sistema. El ser vivo, como se mencionó, también “exporta” desorden por medio de desechos y calor, retrasando notablemente el crecimiento entrópico de su sistema.
La mantención del orden de lo vivo
“La vida parece ser el comportamiento ordenado y reglamentado de la materia, que no está asentado exclusivamente en su tendencia de pasar del orden al desorden, sino basado en parte en un orden existente que es mantenido.” (Schrödinger, 95)
Así, en suma, la aparente contradicción entre el aumento irreversible del principio entrópico y la perseverancia del orden vivo, no es tal. La formulación de Boltzmann se mantiene intacta. Se puede afirmar tanto que lo vivo disminuye su entropía, como que en todo hay entropía y que en el universo no cesa de aumentar. A lo que hay que prestar atención es al balance total entre sistema vivo y su entorno: el valor entrópico siempre aumenta, pero lo vivo lo redirige fuera de sí.
Y así, el sistema vivo consigue un éxito inigualable. Por 3.800 millones de años logra mantener los fundamentos de su orden en el código genético, permitiendo una diversidad y complejidad de organismos que parece no tener comparación alguna con otro ente de la naturaleza.
Referencias
- ¿Qué es la vida?, Erwin Schrödinger, Tusquets / Orbis, 1985 - The Feynman Lectures on Physics, R. Feynman, Edición online de California Institute of Technology - Lectures on Gas Theory, Ludwig Boltzmann, Edición digital archive.org
Descargas y otros
- ¿Qué es la vida? (1944), Erwin Schrödinger
- Ver máxima entropía o equilibrio termodinámico (estado final de simulación)
Un pensamiento en “Schrödinger: vida y entropía, la persistencia del orden”