miércoles, 2 de septiembre de 2015

La física de la vida

"In general, an object in a given force field will, of necessity, behave in a calculable and predictable way. For any object, whether a stone, a plant, or a human society, force means movement." (Pross, Addy. (2012). What is Life?: How Chemistry becomes Biology) 

Introducción.

Addy Pross
Dos partículas con cargas opuestas se atraen automáticamente cuando están cerca. Existe una fuerza entre ellas que es se identifica con la inversa de la distancia. No hay nada que resulte demasiado extraño, es un concepto fácil de asimilar.

Colóquese ahora un gran número de partículas interactuando mediante algún tipo de potencial. Ya no es tan sencillo describir matemáticamente que ocurrirá a nivel físico, pero se infiere el comportamiento final mediante un tratamiento estadístico a partir de la teoría de los casos más simples, y también de la contrastación empírica. Para casos muy concretos; donde el sistema de estudio se encuentra aislado del exterior, es posible prever con bastante precisión el comportamiento global de un gran número de partículas, puesto que se conoce la descripción matemática que se esconde tras la tendencia natural de estos sistemas hacia el equilibrio térmico.

Conocida la expresión de la tendencia hacia el equilibrio, y conocido el potencial de interacción entre los componentes des sistema, se puede establecer a priori, el estado macroscópico global que tendrá el sistema, una vez se alcance dicho equilibro. En realidad, normalmente se hacen aproximaciones, pero el resultado es increíblemente preciso teniendo en cuenta el grandísimo número de partículas intervinientes.

Esta es la base de la mecánica estadística, y ha tenido un gran poder explicativo teórico sobre la termodinámica clásica, de la cual no se tenía antes una base teórica firme de apoyo.

Coloca ahora mentalmente dentro de un sistema cerrado y aislado otro conjunto de partículas muy particular: coloca un ser vivo; un perro, por ejemplo. Podemos idealizar el experimento con una perrera perfectamente aislada del exterior. Si colocamos dentro oxígeno, un poco de comida y agua, el perro respirará, comerá y beberá luchando por mantener su estructura compleja orgánica, hasta que no exista recursos suficientes, y el animal muera. A partir de dicha muerte, y si no hay otros seres vivos en el recipiente aislado, el sistema se comportará por completo como en el caso anterior, tendiendo hacia el equilibrio como si nunca hubiese habido un ser vivo dentro.

Parece que existe una diferencia evidente en la mecánica interna a un sistema cuando hay seres vivos en él a cuando no los hay. Pero la única diferencia entre ambos sistemas (dado que ambos tengan inicialmente la misma cantidad del mismo tipo de partículas), es la disposición espacial de dicha materia, es decir, la diferencia la dicta el distinto potencial de interacción entre las partículas. La energía potencial de interacción es muy variada en un sistema complejo como el que estamos teniendo en cuenta, pero se puede decir que estará en gran parte dominado por todo aquel potencial que dependa de la distancia relativa entre las partículas. 

A una escala molecular y atómica reina el aumento de potencial con la inversa de la distancia: esto es, que cuanto más cercanas están las partículas entre sí, más energía potencial de interacción tiene el sistema. Si se desparrama los constituyentes moleculares del perro por toda la habitación, el potencial es inmensamente menor que si todas esas partículas se encuentran cercanas y unidas interactuando y conformando esa estructura material que llamamos perro.

Por otra parte, la energía potencial, junto con la cinética, determinan la energía total del sistema; y dicha energía no puede variar con el tiempo (se conserva) en un sistema cerrado y aislado como el que estamos considerando.

Es decir, que puesto que ambos sistemas de estudio -el que contiene los constituyentes moleculares y atómicos del perro desparramados, y el que contiene al perro como un ser viviente bien configurado- contienen la misma cantidad y tipo de materia, y además dicha materia está influida por los mismos potenciales físicos en ambos casos, la única diferencia natural entre ambos casos es la disposición espacial de la propia materia: es la posición espacial de las N partículas de cada sistema las que determina el diferente comportamiento físico como un todo del mismo.

Si definimos la posición de cada partícula por un vector r, es la posición concreta de los N vectores las que dotan a un sistema de poseer o no en su interior vida. Porque será la disposición vectorial de esos trillones de partículas (r1, r2, r3,...,r100000,...rN)  las que determinarán la energía potencial total de interacción U si le aplicamos los mismos: U(r1, r2, r3, ...rN) = "Energía potencial total". Y la energía cinética está estrechamente relacionada con la potencial, siendo el cambio en la cantidad de la primera, consecuencia del potencial total por el que se ve la materia afectada: en otras palabras, el potencial total es el que determina si la materia sufrirá un cambio efectivo en su cantidad de movimiento (energía cinética) o no. Hay por lo tanto en el sistema otros N vectores de cantidad de movimiento  p = m·v que dependen de un vector velocidad  v cuyo cambio neto es determinado por el potencial total al que se encuentra la materia. Tenemos por lo tanto, otra función K para energía cinética a la que se le aplica los N momentos lineales K(p1,p2,p3,...,pN) estando estos momentos muy relacionados con el potencial total U, el cual depende principalmente de la distribución espacial de la materia (cuantificados por los vectores r).

Por lo tanto, lo vivo se diferencia a nivel físico de lo no vivo, únicamente por una determinada distribución espacial de las partículas.

Se puede ejemplificar todo esto del siguiente modo:

Si las posiciones atómicas son:

r1 =  1i + 2j + 3k
r2 =  3i + 3j + 4k
...
r10000 = 20i + 25j + 20k
...
rN = 120i + 1500j + 500k

(El sistema contiene un ser vivo.)

Si las posiciones atómicas son:

r1 =  7i + 2j + 43k
r2 =  3i + 30j + 4000k
...
r10000 = 2088i + 75j + 20k
...
rN = 1200i + 15j + 500k

(El sistema NO contiene un ser vivo.)

La función potencial depende de cada posición r, U(r1,r2,...rN), y el potencial determina si ocurre no un cambio en la cantidad de movimiento p (aceleración negativa o positiva) en cierto instante y posición dadas, influyendo así sobre la energía cinética total K(p1,p2,...pN): como cuando un potencial gravitatorio fuerza la aceleración de un cuerpo, que ve modificada así su energía cinética.

Complejidad y aumento de la energía potencial.

La complejidad estructural de la materia es la causante del orden necesario para que aparezca ese fenómeno que definimos por ser vivo. Y dicha complejidad se basa en la mayor cercanía relativa de los componentes materiales del cuerpo vivo y en su interconexión. La cercanía relativa y la interacción material es debida a la función U que determina el potencial total del sistema. Por tanto, es la particular configuración del potencial global lo que puede discriminar si hay o no vida en un sistema.

Mayor complejidad requiere mayor cercanía y unión de materia en el tiempo, y eso implica una mucho mayor energía potencial para el conjunto.

En un sistema perfectamente aislado la energía debe conservarse, y por lo tanto la suma de las fuerzas que actúen en el mismo deben ser conservativas. Por lo que podemos trabajar con la propuesta de que la función potencial total U determina con sus coordenadas el trabajo total realizado en el sistema:


Si tenemos, por otra parte, dos sistemas de estudio (uno con el perro vivo, y el otro con la misma cantidad y tipo de materia del perro esparcida), y sabemos que un sistema (el primero) tiene en el tiempo una mayor energía potencial Uv que el segundo Unv, debe ser porque el primer sistema realiza de media mucho más trabajo W que el segundo Wv >> Wnv, lo que implica que el sistema con el perro vivo tiene mayor potencia P que el otro:


El trabajo W consiste en ser la cantidad de desplazamiento neta realizada por una fuerza:


dW=F.dr, 

por lo que, si el sistema con el perro vivo realiza mucho más trabajo que el otro sistema, es porque es capaz de realizar más desplazamiento neto por unidad de tiempo. Para que un sistema sea complejo, vemos que es necesario que sea un buen generador de movimiento efectivo.

Visto en dirección contraria: si un sistema es buen generador de movimiento efectivo, es porque es capaz de realizar mucho trabajo (tiene buena potencia), lo que implica que, puesto que el sistema está aislado y la energía se debe conservar, el potencial total debe ser inicialmente muy alto, lo que requiere (en ausencia de campos externos porque el sistema está aislado) una gran cercanía entre las partículas; cosa que implica inmediatamente una complejidad estructural.

Vemos así la relación intrínseca que existe en un sistema aislado entre complejidad y un alto potencial global.

Coste de mantener el potencial.

Un sistema aislado tiende hacia el equilibrio, lo que implica que busca continuamente aquella configuración espacial (en los vectores r) para la que el gradiente de la energía potencial sea cero. Es decir, el potencial tiende a disminuir y el sistema tiende por lo tanto a perder su capacidad para generar aceleraciones, lo que hace disminuir el trabajo efectivo (ya que F = m.a). Si hay menos trabajo neto por unidad de tiempo (potencia), y dado que en este sistema aislado la energía se conserva, eso significa que el potencial disminuye al aumentar la energía cinética (para compensar), lo que implica que la configuración espacial entre partículas no se podría mantener y el sistema iría perdiendo complejidad al separar entre sí las partículas los choques con tanta cinética.

Por lo tanto, con el tiempo el sistema pierde potencial para generar trabajo, lo que requiere de la "ingesta local" de nueva energía con la que suplir la tendencia hacia el equilibrio. Sin embargo, en un sistema aislado como el que estamos tratando, no es posible obtener nueva energía, y finalmente, más pronto que tarde, todo se viene abajo: el perro muere al no poder mantener su alto potencial y al perder así su complejidad estructural. Por ejemplo, la cantidad de energía que un perro de 15Kg debe absorber al día es de alrededor de 520 Kcal (2177 kJ). Si ingiere menos, comenzará un mal funcionamiento que terminará con la muerte al cabo de poco tiempo.

Esto significa que en un sistema aislado no es posible mantener la vida mucho tiempo, ni es posible que esta surja en primer lugar. Es necesario suministrar constantemente nueva energía útil desde el exterior al sistema de estudio, de modo que se pueda mantener la estructura espacial requerida. En el caso de la Tierra (que actúa como un sistema pseudocerrado o como un contenedor de materia), es el Sol la fuente de energía externa encargada de mantener las estructuras materiales "vivas" fuera del equilibrio.

¿Qué es la vida a nivel físico?


Se han hecho miles de intentos de definir la vida a lo largo de la historia de la Biología, pero hasta hace bien poco, no se ha intentado la aproximación desde la Física (junto a la Química), la más básica de las ciencias. Sin embargo ahora podemos decir, a modo de recapitulación de todo lo dicho anteriormente, que la vida (a nivel físico), no es más que ese conjunto de estructuras materiales capaces de generar con una enorme (y maravillosa) eficiencia, trabajo mecánico neto en un sistema dirigido por una fuente continua de energía externa.

Esta definición que acabo de dar es la más objetiva que se pueda lograr, puesto que parte únicamente de conceptos y principios de la ciencia más objetiva de la que disponemos. Cualquier otro añadido que se haga a esta definición, será indudablemente de carácter subjetivo (y de origen antrópico).

Y no hay pues más diferencia física entre un ser vivo y otro no vivo, que la distancia o separación relativa entre sus constituyentes materiales; distancias que favorecen en un caso (y no en el otro), una eficiente capacidad en el tiempo para generar movimiento neto (consumiendo energía de una fuente externa). Si la distribución espacial se pierde, a partir de cierto umbral la complejidad que da lugar a esta eficiencia se altera y el ser vivo "muere"; mientras que si esta distribución se mantiene, el ser vivo permanece "vivo".

Por lo tanto, se observa una estrecha relación entre los conceptos de "vivo", "inerte", y la distribución espacial de cada partícula del cuerpo de estudio (es decir; con el potencial físico determinado a que dicha distribución da lugar).

La vida como generadora de entropía.

Sin entrar en muchos detalles, sólo indicar que la vida parece ser en este sentido, una especie de nuevo estado o fase de la materia, la cual, mediante su complejidad espacial, es capaz espontáneamente de consumir más energía (al generar mucho trabajo neto efectivo) que la materia inerte.

La tendencia del Universo hacia la homogeneidad (desorden o entropía), parece verse acelerada mediante estas "máquinas naturales" de generar trabajo que conforman la materia viva. El Universo parece de algún modo "aprovechar" el hecho de que pequeñas negantropías (o negentropías) locales puedan consumir energía de una fuente externa (el Sol en el caso de la Tierra) a un nivel exponencial (las estructuras vivas se reproducen en potencias de 2), para aligerar al máximo la homogeneidad termodinámica global "pretendida".

El Universo parece que tiende consumir toda la energía disponible cuanto antes; y esto parece formar o conformar la ontológica más básica del mundo. Y hay que recordar que es cierto que la energía se conserva, pero que también se consume (se pierde utilidad para realizar con ella nuevo movimiento neto); y ciertamente consumir eficientemente energía, realizar todo el movimiento posible cuanto antes, parece ser la tendencia ontológica del mundo (en otras palabras: producir el máximo de entropía en el menor tiempo posible).

La segunda ley de la termodinámica es de las pocas leyes ontológicas de la Física, en tanto que distingue, de manera general, aquellos procesos y estados físicos que son posibles de aquellos que no lo son. Y al incluir sistemas lejos del equilibrio térmico y alimentados por una fuente externa de energía, vemos que dicha tendencia ontológica no sólo se conserva, sino que se acelera: el fin, la esencia, o la razón de ser del Universo parece ser la de terminar cuanto antes con toda la energía útil, en otras palabras; conseguir la máxima potencia disipativa posible.

Y hasta aquí, lo que los hechos empíricos parecen mostrarnos sobre el asunto. Sin embargo, en otra entrada independiente he tratado el asunto desde el prisma de la metafísica, especulando sobre la posible causa de esta tendencia u ontológica que hemos observado en el Universo físico. Si no eres del tipo de persona al que le gusta filosofar con lo que pueda o no estar más allá de la realidad empírica, entonces no merece la pena que vayas al enlace. En caso contrario...pincha aquí ;).