La coherencia cuántica permite que la energía luminosa “investigue” simultáneamente múltiples vías, para luego elegir la ruta más eficiente para la transferencia de energía.
Sin embargo, la decoherencia cuántica es necesaria para que una vez que la energía llegue donde se necesita, no vuelva atrás, asegurándose así una eficiencia óptica en la transferencia de emergía.
Usando una nueva técnica, investigadores australianos han podido excitar la vía en que se produce la coherencia, observándose un fuerte acoplamiento entre los estados electrónicos y los modos de vibración de la matriz proteica (fonones) en la recolección de los complejos de las algas marinas crytophyte.
Estas coherencias de larga duración producidas en la transferencia de energía apuntan a su importante implicación en la fotosíntesis.
A continuación, en base a la magnífica obra de Natalia López Moratalla titulada “La dinámica de la evolución humana”, estudiaremos ese proceso “evolutivo” que va desde la materia inerte hasta la autoorganización que supone lo que llamamos “vida”.
Nos dice López Moratalla que “el conocimiento más importante de las ciencias biológicas de los últimos años es el descubrimiento de que los dos grandes procesos temporales de los seres vivos -la evolución y el desarrollo embrionario-, presentan idéntico dinamismo. Ambos procesos tienen una flecha del tiempo: transcurren de lo simple a lo complejo a través de los mismos mecanismos de cambio de la información genética, y de la regulación y retroalimentación del mensaje genético.”
Hace hincapié en que el 2% de las diferencias genéticas entre el hombre (Homo sapiens sapiens) y el chimpancé (Pan troglodytes) son mayoritariamente responsables de la construcción y maduración del cerebro.
Y entrando de lleno en la materia del artículo, nos comenta la autora que “la principal diferencia que distingue la realidad inerte y la viva es la manera en que se corresponden los materiales y la forma que los configura”. La materia inerte, sea natural o artificial, no posee información propia para constituirse como ser. En palabras de López Moratalla: “No tienen un sí mismo intrínseco, sino un según“.
Y es que “las leyes de la química que rigen el cambio hacia la complejidad no son propiamente evolutivas. No pautan en sí mismas una tendencia al progreso. De su más con más no emerge algo que se acumula como parte de un pasado y que, por tanto, le pertenezca. La actualización de potencialidades es extrínseca al sistema de partida. Depende del pasado, pero no posee futuro dependiente de qué es un momento determinado.”
La vida transcurre de lo más simple a lo más complejo, y es evolutiva hacia una mayor intensidad, “hacia más interior y sí mismo propio de los seres vivos, y menos según lo externo, que es lo propio de la realidad inerte”.
Y es que hay una ganancia de autonomía en un ciclo temporal cerrado en sí mismo que es el ciclo propio de cada ser vivo con su nacimiento, vivencia, reproducción y muerte, y que encierra en sí la posibilidad de evolucionar. Y aquí sí hay historia: “la historia de cada una de las especies son los capítulos de la historia de la vida que se inició hace unos tres mil millones de años”.
Nos dice Natalia López Moratalla que “en la historia de la vida, a la actividad vital básica, vegetativa en cuanto a mantener las funciones necesarias para desarrollarse, crecer, alimentarse, etc., ha seguido el sentir, reconocer lo que conviene o no,…”
Pero esa evolución biológica “no es una sucesión lineal de etapas; tiene un diseño arborescente, con ramas enormemente irregulares”. Y ese progreso evolutivo de lo simple a lo complejo es irreversible. “En esa dinámica, azar y determinación cooperan como dos parámetros termodinámicos que son”. “La vida no tiene marcha atrás; es un permanente alejamiento del equilibrio termodinámico”. (El equilibrio significa la muerte).
La capacidad de cambio, el automovimiento de los vivientes está motivado por las inestabilidades y fluctuaciones, fuente de orden en los procesos irreversibles, lo que Illia Prigogine denominó procesos disipativos de entropía. En ellos, “los parámetros azar y determinación cooperan en la aparición de un orden, arquitectónico o funcional, al que se denomina orden fluctuación“. El azar (las fluctuaciones que permiten a un sistema alejarse de los estados de equilibrio termodinámico) y la necesidad (la inestabilidad propia del medio), en vez de oponerse, cooperan.
Todo sistema biológico, pues requiere que el sistema sea abierto (para el intercambio de materia y energía con su entorno, disipando entropía), y que el sistema se mantenga alejado del equilibrio.
Remata Natalia López Moratalla: “En un ser vivo este orden por fluctuación es intrínseco, es decir, el cambio es automovimiento. Existir viviendo, transmitir vida y poder evolucionar, supone poseer por sí y en sí mismo mecanismos generadores de inestabilidad, que le permiten mantenerse alejados del equilibrio. Esos mecanismos son propios, le pertenecen, y por ello el proceso de ordenación de los seres vivos es más que la mera relación entre la estructuración de los componentes: es autoorganización.”
Para Stephen Jay Gould la selección natural al nivel individual y/o genérico debe reemplazarse por un “modelo jerárquico” de selección, que actúa de forma simultánea e interconectada al nivel de los genes, los organismos, las especies y los taxones superiores. Pero, según Jeffrey Wicken, las verdaderas unidades de selección son las “pautas informadas de flujo termodinámico”. (Organismos, poblaciones y ecosistemas serían casos particulares). Dichas unidades de selección se constituirían evolutivamente cuando lo que antes eran individuos (sistemas abiertos), se unen bajo el “imperativo” termodinámico de la segunda ley. Con presiones selectivas suficientemente intensas, las sociedades se convierten en organismos por derecho propio. (Lo que debió ocurrir en la transición evolutiva de colonias de células a los primeros animales).
Y es que cuando la selección natural se pone bajo la lupa de la termodinámica y se aplica la óptica de Lotka, Wicken y Ulanowicz, dicha selección se enmarca en los términos del flujo de energía creciente a través de bucles autocatalíticos energético-materiales.
La ventaja selectiva recae en los sistemas autocatalíticos que incrementan el flujo de energía a su través mejor que sus competidores.
Para el biólogo ruso Alexander Zotin, la vida “inventó” formas novedosas y mejores de degradar la energía. (Lo que parece indicar su “gráfico de la evolución de la intensidad respiratoria de los animales de gran tamaño a lo largo del tiempo geológico”).
La tendencia al incremento de la complejidad, el reciclado y la apertura de nuevas vías disipativas debió comenzar mucho antes de la evolución animal. Pero nada es más impredecible que el curso futuro de la evolución, lo que para Stephen Jay Gould evidencia el carácter contingente y no dirigido de la evolución.
Para Schneider, los cálculos de la improbabilidad de la vida no tienen en cuenta ni las reglas de la combinación química, ni la tendencia a la transmisión lateral de genes. Y es que los sistemas abiertos de la vida no necesitan reinventar desde cero las estructuras desde las que son dependientes. La transmisión lateral permite a los seres vivos adquirir información externa, incluyendo genomas enteros preexistentes.
La materia por sí sola también puede organizarse, describir ciclos y exhibir comportamientos de búsqueda.
El mundo mental está profundamente metido en el mundo físico de los sistemas, puesto que mente y materia parecen conectarse a través de la termodinámica del no equilibrio (TNE).
Para finalizar, decir que son muchas las ramas de la ciencia implicadas en el estudio de la “complejidad”, entre las que podríamos citar: la teoría general de sistemas, de jerarquías, de computación, de dinámica caótica, de sistemas dinámicos, de sistemas disipativos, de catástrofes, de leyes potenciales y criticidad autoorganizada, la sinergética, la biología relacional, la termodinámica de redes, la biología alométrica, la biología computacional, la geometría fractal, o el análisis de redes ecológicas.
(De la obra del autor “Vida y mente: ciencia y misterio”)
El primer tratamiento teórico de los sistemas metaestables (o estacionarios) fue realizado en 1931 por el profesor Lars Onsager, de la Universidad de Yale.
Hizo cuatro observaciones importantes: en procesos cercanos al equilibrio tales como la difusión del calor (“termodifusión”) se produce una sorprendente generación de estructura; en dicha región (que lleva su nombre), fuerzas y flujos se acoplan (Ley de Fourier que establece que el flujo de calor es proporcional al gradiente de temperatura; Ley de Fick que describe la proporcionalidad entre la difusión y el gradiente de concentración química; Ley de Ohm que cuantifica el acoplamiento entre corriente y resistencia); tales sistemas (de Onsager) obedecen a la Ley de Kirchhoff que dice que cualquier flujo material es análogo, en cuanto a volumen y masa, al flujo eléctrico de un circuito, y que los potenciales (la concentración química, en este caso) suman cero en un bucle conectado, es decir, la potencia se conserva; y la cuarta observación se refiere a que la metaestabilidad se consigue a “cierta distancia” del equilibrio.
Consecuencia de la última observación es que un sistema abierto con gradientes moderados se instalará en un estado estacionario de “mínima producción de entropía”.
Esta “permanencia” de un proceso en los confines de un gradiente, “parece anticipar” las actividades de la vida, puesto que en la termodinámica clásica los procesos tienden a la máxima entropía, al agotamiento, mientras que en el dominio de Onsager, los sistemas minimizan la producción de entropía.
Según Ilya Prigogine: “Cuando las condiciones de contorno impiden que el sistema llegue al equilibrio, éste hace lo mejor que puede hacer: se instala en un estado de mínima producción de entropía, esto es, un estado lo más cercano posible al equilibrio”.
Onsager y Prigogine introdujeron, pues, una nueva termodinámica de estados estables fuera del equilibrio, herramienta básica para el análisis de flujos de materia y energía en sistemas abiertos simples, lo que pronto se aplicaría a los “sistemas” vitales.
De esta forma, y mediante intrincados bucles retroactivos autorregulables, la tendencia química inherente a la segunda ley de la termodinámica de incremento de la entropía, en la reacción del hidrógeno de los organismos con el oxígeno atmosférico, no procede violentamente (como en el combustible de un cohete), sino que se canaliza a través del complejo sistema químico conocido como “metabolismo”.
Tanto los sistemas organizados no vivos como los vivos, obedecen las leyes de la termodinámica no lineal, y en realidad son sistemas organizados por gradientes con atributos autorreferenciales.
Así que, entre un cuerpo vivo y uno muerto (cadáver fresco) la diferencia es que en el segundo se ha detenido un proceso termodinámico no lineal específico.
Harold Morowitz en 1968 enunció la siguiente ley: “En los sistemas en estado estacionario, el flujo de energía a través del sistema desde una fuente hasta un sumidero acarreará al menos un ciclo en el sistema”. Tal enunciado sería la conexión de lo vivo con lo no vivo, puesto que al acumular complejidad con el tiempo, los ciclos energéticamente impulsados incorporan una memoria natural, un recuerdo de los estados pasados.
(De la obra del autor ”Vida y mente: ciencia y misterio”)
A continuación, abordaremos el amplio capítulo de la “termodinámica de la vida”, con sus sugerentes implicaciones sobre el fenómeno vital de los sistemas complejos “no vivos” entre los que podemos incluir las células convectivas de Bénard, las reacciones químicas autoorganizadas espontáneamente y los tornados, sistemas que muestran comportamientos cíclicos y una coherencia masiva entre sus partes, como si “vivieran” por un tiempo, en el sentido de que se individualizan y diferencian del caos (relativo) circundante.
Las “células” convectivas de Bénard surgen como consecuencia de los torbellinos celulares que se producen en una película líquida. (En sus experimentos, Bénard calentaba el fondo de un recipiente de latón, lleno de esperma de ballena, con vapor a 100º C. El sistema era abierto con la superficie del aceite en contacto con el aire a 20º C. Así se creaba un gradiente térmico de 80º C a través de una película oleosa de 1 mm. de espesor. Consecuencia de ese gradiente aparecían hexágonos simétricos del caos líquido. Es decir, que mientras que la conducción transfiere calor sin ninguna organización “detectable” de las moléculas del líquido, la convección disipa calor en ciclos organizados -que es lo que suponen tales hexágonos aparecidos-. Si persiste el gradiente, se mantienen indefinidamente los ciclos. Es como si la presencia del gradiente presionara a las partículas que “se mueven en el aire” para que se agreguen -fugazmente- en “individualidades disipativas”. O sea, cuando el sistema se bifurca, pasando de la conducción a la convección -del desorden a la organización-, el flujo de calor a través del sistema -producción de entropía (una medida de la “degradación” de la energía)- aumenta. “Mayor organización del sistema, más eficacia en la producción de desechos”). La inestabilidad de Bénard es un patrón complejo generado por procesos termodinámicos, erigida sobre una improbabilidad previa, que manifiesta de una forma concentrada la diferencia que contribuye a destruir.
Los movimientos convectivos se inician cuando se alcanza el gradiente de temperatuta crítico ( número de Rayleigh).
La individualidad termodinámica emana de sistemas disipativos que establecen fronteras. (Ya veremos en el siguiente capítulo, cómo la ubicua membrana celular semitransparente compuesta por lípidos, proporciona una sede para la expansión de los procesos de no equilibrio).
Y es que los gradientes inducen un flujo de energía del que, si las condiciones son favorables, surgen sistemas complejos, que en ocasiones (vértices de Taylor y otras estructuras hidrodinámicas) contribuyen, a su vez, a reducir los gradientes medioambientales. ¿Tales sistemas, relativamente simples, sería los precursores de la fisiología?
Sabemos que un gradiente de presión barométrica en la atmósfera da pie al sistema cíclico complejo que es un tornado; de alguna forma podríamos decir que este último “tiene el propósito” de eliminar el gradiente. De forma similar, para Eric D. Scheneider, la vida tiende a reducir, en el transcurso de miles de millones de años, el gran gradiente estelar que existe entre la caliente estrella Sol, y el espacio frío, aumentando la complejidad en el proceso; podríamos, entonces, explicar la evolución de formas de vida complejas por la eficacia de la vida como “sistema cíclico consagrado a la reducción de gradientes” (reducción del gradiente medioambiental).
Desde este enfoque, es probable que la vida surgiese en la Tierra en el fondo de los océanos, a través de precipitados de minerales proporcionados por las fumarolas submarinas que suponen variados gradientes de temperatura y sulfuro (metabolismo basado en el sulfuro de hierro necesario para la reproducción de las células procariotas resistentes al calor, productores de metano y otros “extremófilos”, precursores de las arqueobacterias).
(De la obra del autor: “Vida y mente: ciencia y misterio”)
