¿Está vivo este ‘bichito’?

Este artículo no va del COVID-19, ni de ningún coronavirus, ni siquiera va sobre virus. El omnipresente tema en nuestros días es solo la excusa e introducción para tratar algo mucho más interesante: la vida.

Las fronteras de la vida

Nadie discute si un pingüino está vivo o si lo está una piedra. Pero los virus están en la frontera de la vida y en las fronteras es donde surgen las discusiones interesantes, ya que puedes tener un pie a cada lado.

La postura más común es considerar que un virus no está vivo, ya que básicamente es material genético, habitualmente envuelto en una membrana formada por proteínas y azúcares. Estas membranas tienen afinidad con la membrana celular, de modo que consiguen unirse a ella y traspasar su material genético a la célula. Ese material genético utilizará los mecanismos de la célula para fabricar más virus.

Como he dicho no me interesa entrar a analizar un virus determinado, ni siquiera si un virus está vivo o no, mi objeto de interés es la vida misma. Imaginémonos el ser más básico del cual nadie dude que está vivo, un ser unicelular, una célula:

• Parece claro que para considerar que esta célula está viva tiene que ser distinta de su entono, tiene que poder distinguirse de él, en caso contrario no sabríamos qué es célula y qué no. La imaginamos con un perímetro delimitado por una membrana de manera que podemos distinguir lo que está dentro y lo que está fuera, qué es célula y qué no. La simple existencia de ese perímetro establecerá una diferencia entre el contenido en el interior y en el exterior.
• Una segunda característica fundamental de los seres vivos es que el contenido de su perímetro interior tiene condiciones más favorables para el mantenimiento del organismo y conserva esas condiciones relativamente estables; es lo que se conoce como “homeostasis”. Para mantener este medio interno estable es necesario que las sustancias necesarias se puedan tomar del exterior y los residuos se puedan evacuar. Por lo tanto, la membrana de separación debe permitir la entrada y salida controlada de sustancias, es decir, debe ser permeable.

“Todas las células vivas están envueltas por una membrana «anfifílica» (es decir, con afinidad química tanto por el agua como por las sustancias lipídicas). Esta clase de membrana constituye uno de los grandes secretos de la vida. Permeables sólo a ciertas sustancias, modulan continuamente otras moléculas e iones. La membrana mantiene la complejidad interna, transporta productos degradados al exterior y acumula moléculas energéticas, como los azúcares. Mantiene el balance salino.”

Eric D. Schneider y Dorion Sagan(1) “La termodinámica de la vida” pg. 158

La energía no se crea ni se destruye

Ahora vamos a imaginarnos que nuestra célula viva es una cabaña en la montaña en pleno invierno, tenemos una chimenea, mucha leña y la cabaña ha estado cerrada durante semanas. Encendemos la chimenea y, poco a poco, se va calentando. Nosotros nos mantenemos cerca del fuego porque en el resto de la estancia hace frío, hace más frío, aunque poco a poco se va notando cómo se calienta de manera más uniforme. Cuando terminamos con la leña que teníamos al lado de la chimenea tenemos que salir a por más, no podemos almacenar dentro toda la leña que vamos a necesitar.

Bien, acabamos de enunciar los tres principios básicos de la termodinámica … A saber: la energía no se crea ni se destruye, se transforma. La entropía de cualquier sistema cerrado tiende a aumentar y si queremos disminuir la entropía se necesita un aporte de energía externo al sistema.

La clave de todo esto que hemos visto es la “entropía” que muchas veces se equipara, de forma errónea, a desorden o caos (2). En la “Teoría de la Información” de Shanon le cambiaron el significado (3), pero en física nos referimos (en este caso) al fuego y el calor de la habitación. Si nosotros añadimos leña al fuego estamos convirtiendo madera en calor, hacemos que disminuya la entropía porque hay una parte de la habitación que estará mucho más caliente que el resto, aun así no podemos evitar que la entropía aumente porque el calor tenderá a distribuirse de forma uniforme, como predice el segundo principio.

El único modo que tenemos de mantener un foco de calor, una disminución de la entropía, es aportando energía externa al sistema en forma de más madera susceptible de ser quemada.

La vida es un proceso dinámico

Bien, ahora que hemos aclarado qué es eso de la entropía podemos continuar con la vida, ya que no deja de ser un proceso termodinámico incomprensible si no entendemos el concepto de entropía:

“Lotka (4) sugirió que la vida era un proceso disipativo metaestable. Con esto quería decir que, aunque estable y tomada por una «cosa», la vida era en realidad un proceso. La materia viva se encontraba en flujo continuo, apartada del equilibrio por la energía solar. [../..] La cuarta constatación de Onsager (5) fue que la metaestabilidad se consigue a cierta distancia del equilibrio. Un sistema abierto con gradientes moderados se instalará en un estado estacionario de mínima producción de entropía. Este «permanecer vivo», este mantenimiento de un proceso en los confines de un gradiente, anticipa las actividades de la vida.”

Eric D. Schneider y Dorion Sagan(1) “La termodinámica de la vida”

El enfoque cambia completamente el concepto habitual que tenemos de vida cuando nos preguntamos si algo o alguien está vivo. La vida, estar vivo, no es un proceso estático sino dinámico, más que estar es mantenerse vivo.

Un ser vivo es aquel que es capaz de aportar suficiente energía y emplearla para mantener el desequilibrio termodinámico, de modo que sea capaz de establecerse en un punto suficientemente alejado de dicho equilibrio y permanecer en él. Este permanecer es estar vivo:

“… la vida sería el resultado de las opciones que tiene la materia para, sin dejar de obedecer las leyes de la física y la química, incrementar progresivamente la complejidad de los procesos en los que participa hasta generar una dinámica auto-replicativa que le permite mantenerse alejada del equilibrio termodinámico gracias a un consumo constante de energía.”

Alberto Fernández Soto (6) “Orígenes. El universo, la vida, los humanos” coescrito con Carlos Briones y José María Bermúdez de Castro

Uno de los primeros en considerar la vida desde el punto de vista termodinámico fue Erwin Schrödinger (7). También anticipó la existencia y las características que debería tener lo que hoy conocemos como ADN. Schrödinger teorizó que si el mantenimiento de la vida no vulneraba los principios de la termodinámica era porque el ser vivo no es un sistema cerrado sino que es capaz de adquirir energía del exterior.

“La vida, concluye Schrödinger, se nutre de un «flujo entrópico negativo», pero también se puede decir —y para mí era lo más importante— que la vida está asociada a la producción de entropía y por lo tanto a los procesos irreversibles.”

Ilya Prigogine (8) “El fin de las certidumbres”

Los seres vivos toman energía, en alguna forma concentrada, del exterior y la emplean para mantener su estabilidad o aumentar su tamaño, degradándola a formas energéticas menos concentradas y empleando esa pendiente energética para mantenerse vivos.

Algunos seres vivos aprendieron a tomar energía del sol y degradan la energía electromagnética que este difunde a formas energéticas menos concentradas, al final, calor. Hay seres vivos que emplean la energía que pueden obtener de otros seres vivos, degradándola igualmente, pero esta vez por medio de procesos químicos hasta llegar, de nuevo, al calor.

“… la vida sería una propiedad emergente y esperada de ciertas redes complejas de reacciones químicas.”

Stuart Kauffman (9) “Investigaciones”

Equilibrio y entropía

Para comprender el fenómeno podemos recurrir a un proceso mucho más simple: un remolino, que se produce cuando existen diferencias de presión entre dos capas de un fluido y se mantiene mientras exista esta diferencia y es alimentado por ella.

Cuando la presión se iguala, el sistema  ha alcanzado el equilibrio energético, por lo que el remolino desaparece: su entropía es máxima. Como entidad, un remolino suele ser efímero, aunque en Júpiter existe uno llamado ‘La Gran Mancha Roja’ que existe desde hace al menos 300 años.

Para explicar la existencia de la vida no necesitamos de seres dotados de poderes divinos, ya que se explica fácilmente por el propio comportamiento del universo. La física y la química nos dan las claves que lo explican, pasando de nuevo por los Sistemas Complejos y sus Comportamientos Emergentes.

El remolino es un modo simple de explicar este complicado concepto: la vida surge cuando se dan las circunstancias que la hacen posible y se mantiene mientras se mantienen estas condiciones. Y en su propia esencia de «ser vida» está el concepto dinámico, de mantenerse vivo, más que estar vivo.

«… no podemos decir que la vida está en esta o aquella molécula, en el ADN, en la membrana celular o en la proteína. La vida está en la configuración y en el sistema dinámico, que es lo que la materializa como propiedad emergente.»

Francisco Varela (10) en «La tercera cultura» de John Brockman

En próximos artículos, trataré las cuestiones de dónde y cómo se piensa que surgió la vida y cuáles fueron las fases iniciales de su desarrollo.

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Notas

1. Eric D. Schneider es un geólogo marino y experto en termodinámica de ecosistemas. Dorion Sagan es un divulgador científico hijo de Lynn Margulis y Carl Sagan. Lynn Margulis fue la bióloga que descubrió que las mitocondrias son antiguas bacterias en simbiosis con la célula.
2. “… un escritorio ordenado, con libros y documentos bien apilados, no necesariamente tiene menos entropía termodinámica que un escritorio desordenado. Esto es así porque la entropía termodinámica no tiene nada que ver con objetos macroscópicos, sino con partículas microscópicas medidas por la temperatura” [Eric D. Schneider y Dorion Sagan “La termodinámica de la vida”]
3. “Claude Shanon y Warren Weaver, los promotores de la teoría de la información, introdujeron otro concepto de entropía. Cuando se encontraron con que no sabían cómo llamar a su nueva medida matemática de la cantidad de información de un mensaje, un amigo, el matemático John von Neumann, le dijo a Shannon: «Llámala entropía: nadie sabe lo que es la entropía en realidad, así que en cualquier debate siempre tendréis ventaja» ../.. Shannon siguió el malicioso consejo de Von Neumann, lo cual no hizo más que aumentar la confusión en torno a este término.” [Eric D. Schneider y Dorion Sagan “La termodinámica de la vida”]
4. Alfred James Lotka fue un matemático, químico físico y estadístico estadounidense famoso por su trabajo en dinámica de poblaciones.
5. Lars Onsager fue un químico físico y profesor universitario estadounidense de origen noruego, galardonado con el Premio Nobel de Química en 1968.
6. Alberto Fernández Soto es doctor en Física especializado en cosmología por la Universidad de Cantabria, Científico Titular del CSIC en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC),
7. Erwin Schrödinger fue Catedrático de Física en Berlín donde sustituyó a Max Planck; abandonó Alemania con la llegada de los Nazis al poder; obtuvo el Novel de Física en 1933 por la formulación matemática de la mecánica cuántica.
8. Ilya Prigogine fue Doctor en Física y Química por la “Universidad Libre de Bruselas”, fundador del “Centro de Mecánica Estadística” en Austin (Texas). Desde 1969 dirigió el “Instituto Internacional de Física Y Química Solvay” de Bruselas y en 1977 recibió el premio Nobel de Química.
9. Stuart Kauffman Miembro fundador del Instituto de Santa Fe, especializado en estudios sobre la complejidad. Fue profesor de Biofísica y Biología Teórica en la Universidad de Chicago y asesor del Laboratorio Nacional de los Álamos.
10. Francisco Javier Varela García fue un biólogo chileno investigador en el área de las neurociencias y la cognición. Famoso por introducir, junto con Humberto Maturana en 1973, el concepto de autopoiesis o autopoyesis, que se define como la cualidad de un sistema capaz de reproducirse y mantenerse por sí mismo. De hecho la cita completa, que he acortado para que fuera más clara, es así: «En el caso de la autopoyesis, no podemos decir que la vida -la condición de ser autoproducido- está en esta o aquella molécula, en el ADN, en la membrana celular o en la proteína. La vida está en la configuración y en el sistema dinámico, que es lo que la materializa como propiedad emergente.» [Francisco Varela en «La tercera cultura» de John Brockman]