36- Termodinámica y autoorganización

36-TERMODINÁMICA Y AUTOORGANIZACIÓN

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         "Lo propio de estructuras disipativas -trátese de un gas, un cadáver, un planeta o un genoma- es que la energía disipada (entropía) se convierta en información (complejidad), operando como catalizador lo irreversible del tiempo."

Antonio Escohotado (Caos y Orden)

                   Como se ha puesto de manifiesto, el orden es algo esencial a los seres vivos. Pero al mostrarnos las leyes de la termodinámica que el desorden necesariamente tiende siempre a aumentar, hemos de deducir que la vida es un fenómeno desarrollado a contracorriente en el camino hacia el desorden a que están sometidos todos los sistemas y cosas. A lo largo de la historia terrestre los seres vivos han ido adquiriendo formas más raras y complejas, incrementando su cantidad de orden gracias a una organización cada vez más sofisticada.

                         Una apreciación a simple vista podría hacernos creer que hay una incongruencia entre la "segunda ley" y el aumento de orden biológico, pero no hay ninguna incompatibilidad. Los seres vivos no son autosuficientes y solamente pueden sobrevivir intercambiando energía y materia con su entorno. Si se realiza una medición del saldo entrópico, se observa que el incremento de orden en un organismo tiene como consecuencia un incremento neto de entropía en el sistema en el que se desenvuelve.

                   El ingrediente principal que rige la presencia de la vida es, por tanto, la entropía negativa local. El suceso de la vida puede parecer menos misterioso gracias a los progresos conseguidos en los estudios realizados en los últimos años de los sistemas inanimados capaces de autoorganizarse de modo espontáneo. A ese respecto, el premio Nobel Ilya Prigogine cree que no sólo pueden descubrirse alguna vez los mecanismos de autoorganización, sino que es factible describirlos mediante un tratamiento matemático preciso. Conviene, para eso mismo, analizar con detalle la noción de estado termodinámico de no equilibrio en un sistema abierto que intercambie energía y materia con el medio externo. El sistema, dadas esas características, puede tender a un régimen constante distinto al del equilibrio, por lo que es un sistema estacionario de no equilibrio.

                   En un sistema aislado en equilibrio las asociaciones establecidas componen estructuras en equilibrio. Pero en el mundo que conocemos, el equilibrio es un estado raro y efímero. La evolución hacia el equilibrio implica, de hecho, un alejamiento de toda fuente de energía. Es el único modo de que sea concebible el aislamiento parcial del equilibrio. Y es parcial porque no podemos aislar ningún sistema frente al Sol. En la calidez de un mundo siempre iluminado por el astro rey, la regla es la existencia del "no equilibrio". Entonces es cuando las estructuras biológicas prosperan. En perfecto contraste con los estados de equilibrio que suelen estar coordinados pero que son inertes, las estructuras biológicas combinan orden dinámico con la actividad que se deriva de él. A tal efecto, los procesos químicos pueden proporcionar la clave de la diferencia entre el comportamiento de un cristal y una célula. En ese sentido, la antigua idea de los alquimistas de la afinidad química está representada en el lenguaje moderno por el concepto de atractor, es decir, en el de las preferencias (o propensiones de Popper) de la naturaleza a seguir poderosas tendencias, tal como imponen las exigencias de la irreversibilidad termodinámica. Entre un sistema y el estado de equilibrio hay una distancia que mide la afinidad, y su signo determina la dirección de las reacciones químicas que llevan a aquél hasta el estado de atractor o equilibrio.

                   En lo que se refiere al hecho de la reacción química propiamente dicha, constituye el ejemplo tipo de proceso, caracterizado por un comienzo y un final, que no tiene nada que ver con las teorías de la física reversible. Esto puede tener mucha importancia, si se considera que lejos del equilibrio, la producción de entropía continúa describiendo los diferentes regímenes termodinámicos pero no permite definir un término estable de la evolución irreversible, es decir, conseguir el estado de atractor. En condiciones muy alejadas del equilibrio, deja de ser válido el concepto de probabilidad intrínseco al principio de orden de Boltzmann, a la par que, la tendencia a la nivelación y el olvido de las condiciones iniciales deja de ser una propiedad general. Así, un sistema abierto (sin/o fuera de equilibrio), está asociado a lo que se llaman "estructuras disipativas", que están regidas por un principio de orden distinto al de Boltzmann y que podría encuadrarse en el denominado "orden por fluctuación".

                   Con el fin de continuar con la explicación, Prigogine expone un ejemplo muy sencillo pero espectacular, contemplado en el campo de la hidrodinámica: se trata de la "inestabilidad" de Bénard.

                   Si calentamos una capa líquida horizontal por su parte inferior, aplicándole la energía suficiente, el sistema se separa del estado de equilibrio correspondiente al mantenimiento de una temperatura uniforme en la capa. En efecto, una capa líquida delgada cuando es sometida a una diferencia de temperatura entre la superficie interior, permanentemente calentada, y la superficie exterior, en permanente contacto con el medio ambiente externo, puede adoptar una situación intrínseca, denominada de correlaciones de largo alcance. Como consecuencia de estas condiciones de entorno, se genera un flujo de calor permanente de abajo hacia arriba. Cuando este gradiente impuesto alcanza un cierto valor crítico, o lo que es lo mismo, un determinado valor en la diferencia de temperaturas, el transporte de calor que hasta ese momento era por conducción sin convección alguna, se desestabiliza. Es decir, de un régimen exclusivo de colisión de moléculas, se pasa a otro en el que un movimiento coherente y generalizado de un conjunto de moléculas se pone en marcha por convección, e incrementa la velocidad de transporte de calor. Se generan vórtices que distribuyen billones de moléculas de la capa líquida en celdillas hexagonales regulares de un tamaño característico. Hay que hacer notar que las estructuras de este tipo son creadas y mantenidas debido a los intercambios de energía con el mundo exterior, en condiciones de "no equilibrio". Por eso se las llama estructuras "disipativas". En el caso de la inestabilidad de Bénard, se produce una fluctuación, una corriente de convección que empezó siendo microscópica y que hubiera podido ser amortiguada siguiendo el principio de orden de Boltzmann, si no fuera porque es amplificada hasta invadir todo el sistema. Rebasado el valor crítico del gradiente impuesto, aparece espontáneamente un nuevo orden molecular, que coincide con una fluctuación gigante estabilizada gracias a los intercambios de energía con el mundo externo por el gradiente que no cesa de alimentarla. Si se quiere, en suma, comprender el nacimiento de una estructura de "no equilibrio" es necesario incorporar las fluctuaciones que podrían dar origen a esta estructura en la termodinámica de fenómenos irreversibles. Los vórtices del experimento, que caracterizan un medio lejos del equilibrio, establecen correlaciones intrínsecas de largo alcance. Las moléculas atrapadas en un vórtice pasan a estar correlacionadas unas con otras y no pueden ya ser definidas como unidades independientes entre sí.

                   La diferencia de temperaturas engendra, pues, la aparición de vórtices, así como la competición entre la ligadura impuesta al sistema y la agitación térmica de las moléculas. Cuando hay una diferencia de temperaturas en juego, hay también un posible umbral crítico, por debajo del cual, se producen vórtices de carácter temporal, que acaban siendo eliminados por la agitación térmica. Sin embargo, por encima del umbral se estabilizan y conservan.

                   Según nos dicen Ilya Prigogine e Isabelle Stengers, un nuevo abanico de posibilidades se abren ante nosotros, gracias a las estructuras disipativas: "El número de estructuras disipativas diferentes compatibles con un conjunto dado de condiciones de contorno puede ser incrementado aún más cuando, en lugar de investigar el problema en una sola dimensión, lo estudiamos en dos o tres dimensiones. En un espacio circular bidimensional, por ejemplo, el estado estacionario espacialmente estructurado puede caracterizarse por la aparición de un eje privilegiado. Esto corresponde a un nuevo y extremadamente interesante proceso de ruptura de simetría, especialmente cuando se recuerda que uno de los primeros pasos de la morfogénesis de un embrión es la formación de un gradiente en un sistema."

                   La existencia de estructuras disipativas no sólo se ha establecido mediante experiencias con calculadoras sobre sistemas modelos teóricos, sino que además pueden elegirse ejemplos visuales de tan peculiar comportamiento en sistemas biológicos e inorgánicos. El ejemplo más conocido es la reacción descubierta por Belusov en 1958 y estudiada con posterioridad por Zhabotinsky. Se trata de la oxidación del ácido malónico por el bromato de potasio en presencia de un catalizador apropiado, como puede ser el cerio, la ferroína o el manganeso. En ella se producen las ligaduras impuestas al sistema, manifestadas en una disposición alternante en bandas o líneas, unas más oscuras y sombreadas y otras más claras. En definitiva, se obtiene un "reloj químico" con una diferenciación espacial estable, en la que las líneas sombreadas corresponden a una preponderancia de iones Ce³⁺ y las regiones claras a un exceso de iones Ce⁴⁺. En ese tipo de estructura los iones Ce³⁺  y Ce⁴⁺  se mezclan y distribuyen alternativamente en capas horizontales. Como el experimento tiene la peculiaridad de estar realizado en un sistema cerrado, la tendencia hacia el equilibrio termodinámico caracterizado por la homogeneidad hace que desaparezcan en algunos segundos, es decir, "se disipan". La existencia de un de un reloj químico, permite demostrar que en vez de ser caótico el comportamiento de las moléculas es altamente coherente y su cambio periódico sincronizado, indica que se comunican entre sí. Prigogine llama a estos casos, precisamente "estructuras disipativas", porque presentan estructura y coherencia, y su mantenimiento implica una disipación de energía. 

                   Si reflexionamos sobre lo dicho hasta ahora, y buscamos en la naturaleza aplicaciones prácticas a escala masiva de las estructuras disipativas, llegamos a la conclusión que la misma superficie terrestre, en la que abundan la luz y la energía solar, compone un sistema muy alejado del equilibrio con relación al frío, oscuro y vacío espacio exterior. ¿Y qué mejor ejemplo de estructuras disipativas, que las que constituyen los propios seres vivos, podemos tener? La biosfera o conjunto de los seres vivos, mantiene su operatividad transformando la luz en calor y contribuye en una parte destacada a la escala de nuestro planeta, y en una parte alícuota casi insignificante a nivel general, en la aceleración del aumento del desorden en todo el universo. Para ello, se ha dotado de un mecanismo muy sofisticado, que es el de los organismos fotosintetizadores. Éstos, absorben gran                    cantidad de luz procedente del Sol, que de otra manera se perdería irremisiblemente al volver por reflexión al espacio exterior. La luz recogida por dichos organismos se convierte en materia orgánica, que a su vez, sirve de alimento o combustible para conseguir la energía que el resto de los seres vivos necesitan para escapar a la degradación que supone la acción constante del segundo principio de la termodinámica. De este modo, toda la luz (que es energía altamente ordenada) capturada por los organismos fotosintetizadores, es transformada directa o indirectamente en calor que es una forma degradada de energía. 

                   No podemos dejar de lado tampoco los trabajos de Eigen sobre los estados prebiológicos. Éste ha demostrado que para un sistema formado por proteínas y polinucleótidos las interacciones permitirían al sistema alcanzar un estado final caracterizado por un código genético y una estabilidad considerable. El sistema original consta de dos conjuntos de descendientes. Las moléculas del primer grupo desempeñan el papel de un <<ácido nucleico>> y son capaces ambas de autorreproducirse y servir de catalizadores en la construcción de una molécula del segundo grupo; ésta última desempeña, a su vez, el papel característico de una <<proteína>> y sirve de catalizador en la autorreproducción de otra molécula del primer grupo. Esta asociación entre dos conjuntos de descendientes que va más allá de sus propiedades catalíticas puede autocontenerse en un círculo cerrado virtuoso en el que cada <<ácido nucleico>> se autorreproduce gracias a la "colaboración" de una <<proteína>> y cataliza la síntesis de otra <<proteína>>. ¿Han participado de manera esencial las estructuras disipativas en la generación de estados prebiológicos? Por lo expuesto parece que sí. Cuando el círculo cerrado "virtuoso", es capaz de sobrevivir de manera estable, al abrigo de las constantes interferencias debidas a los cambios de la población dominante y a los sobresaltos provocados por las interrelaciones de fuerzas, puede comenzar un nuevo tipo de evolución caracterizada por su estabilidad, y que muy bien, podría ser la precursora de un código genético.

                   Un caso particular de evolución bifurcante con resultado de estabilidad en un sistema químico, es lo que C. H. Waddington definió como un sistema creódico. Un chreod (o creoda, como lo denominó Rof Carballo) es una senda en una dirección definida porque los constituyentes activos de un sistema la hacen forzosa. El camino elegido se obtiene a base de una exploración progresiva de un mapa "epigenético", en donde coexisten zonas de desarrollo canalizado y zonas en donde es posible una elección entre varias vías de desarrollo. La estabilidad del chreod mide hasta qué punto la presión selectiva ha llegado a disminuir el papel del entorno en la construcción de un determinado rasgo. Ello se hace perfectamente visible en el desarrollo de los sistemas orgánicos, pero no es exclusivo de la esfera biológica. Podemos observarlo en el funcionamiento de los ordenadores o de los aviones dirigidos. En ese sentido, los sistemas creódicos y las estructuras disipativas son coincidentes en el alcance de un determinado punto de estabilización. Precisamente, coincidiendo con una de esas autoestabilizaciones pudo surgir la vida. En ambos casos persiste el hecho de que los fenómenos evolutivos desarrollados pueden ser explicados satisfactoriamente en términos puramente empíricos, siguiendo leyes científicas aceptadas en las que el azar parece colaborar en la consecución de los objetivos.

                   La cuestión principal en lo que atañe al origen de la vida es, pues, el mantenimiento del sistema fuera de equilibrio, no así en lo que concierne a todo ser vivo, que, dada su mucha mayor complejidad, hay que distinguir en él los regímenes de transformaciones metabólicas, las interacciones celulares e incluso las estructuras cristalinas "no vivas". El ser vivo se encuentra lejos del equilibrio en un campo en el que las consecuencias de la entropía no pueden ser previstas por el principio de orden de Boltzmann. La idea de una ley universal se difumina para dejar sitio a la de la exploración de zonas de bifurcación y de zonas de estabilidad, pero la organización que denominamos ser vivo es, en definitiva, un modelo de régimen de funcionamiento (muy lejos del equilibrio) que es el resultado de la amplificación de una fluctuación, que empezó siendo microscópica, y que justo en un momento crítico favoreció un camino optativo entre muchos otros caminos igualmente posibles.

                   La extremada sensibilidad de los estados de no equilibrio ante las fluctuaciones generadas por su actividad interna y también debido a la influencia de aquellas otras procedentes de su entorno, nos hace concebir la idea de que las estructuras disipativas están en cierto modo "informadas" por los flujos que las nutren. Por tanto, no debe extrañarnos que una organización adaptativa actúe en función de las condiciones fluctuantes del entorno, ya que esto no es sino uno más de sus aspectos participativos. Se engendra un tipo enteramente nuevo de registro macroscópico sin estados intermedios, debido a la multitud de procesos microscópicos que actúan colectiva y conjuntadamente correlacionados; un sistema en el que no se da un régimen previo al de su funcionamiento, porque es el de su propia intensidad en la actividad disipativa el que lo define. La transformación global del sistema se produce al rebasarse el umbral de inestabilidad que actúa como límite en el régimen organizativo. A un lado del umbral la misma limitación impone o administra la actividad disipativa, regulando su intensidad, pero más allá del umbral de inestabilidad, el sistema rompe la limitación, y a partir de entonces su actividad toma un carácter de autodeterminación.

                   No puede decirse que la limitación que determina la desviación del equilibrio sea la causante de la actividad de una estructura disipativa, sino que más bien produce un efecto un tanto singular con el que se relaciona de manera bastante complicada. Ya en 1950 Claude Shannon y Norbert Wienner vincularon el concepto de entropía al de información, de modo que el grado de orden de un sistema se mide por su cantidad de información, y el grado de desorden, como ya venimos diciendo, por su entropía. Una vez asociada la información a la neguentropía o entropía negativa, las complejidades intrínsecas se pueden concebir también como intercambio de informaciones. Así es como lejos del equilibrio, la materia exhibe propiedades tales como percepción, comunicación y memoria, que hasta no hace mucho tiempo se atribuían solamente a sistemas vivos. Por si fuera poco, es el mismo régimen colectivo de actividad el que impone radical y súbitamente lo que carece de importancia y lo que debe tomarse imprescindiblemente en cuenta, sin que nada sea decidido a priori.

                   Un importante factor a tener en cuenta en la termodinámica de no equilibrio es el de que las estructuras disipativas en los sistemas químicos sólo se producen si existen fases catalíticas y, consecuentemente, los mecanismos latentes del sistema que imponen las dimensiones totalizadoras de las estructuras bioquímicas se ven potenciadas por sustancias que aceleran determinados tipos de reacciones. En ese sentido, el mismo concepto de estructuras disipativas implica que la flecha del tiempo es sinónimo de rotura de simetría, es decir, que se impone una situación que va de atrás hacia adelante. A la par que esa rotura introduce desequilibrio, también implanta complejidad o forma. Quiere decirse, que no hay una mera operación de destrucción, sino una auténtica reintroducción del tiempo como creador de nuevas estructuras. Así mismo, las dimensiones del sistema conforman decisivamente la génesis de estructuras disipativas, por lo que tales consideraciones nos hacen pensar en una interpretación de la evolución, en términos de un continuo influjo mutuo entre las fluctuaciones que desencadenan innovaciones, y las consecuencias dimanantes de las interacciones establecidas entre los elementos que ya componen dicho sistema. A medida que se aleja éste de una situación de equilibrio, el comportamiento del mismo se singulariza en grado sumo, dependiendo críticamente del mecanismo de las propias transformaciones químicas, que producen muy comúnmente comportamientos cualitativos diferenciados. 

                   En la autoorganización generada en los sistemas de no equilibrio es preciso contemplar los aspectos que nos facilitan las representaciones más aproximadas a la realidad de las características básicas de los sistemas que evolucionan. Esos aspectos son: el estocástico, que adquiere importancia en las cercanías de los límites de inestabilidad y de los puntos de bifurcación, y el determinista, según el cual las medias representan con gran precisión el estado del sistema. Tras mucho tiempo de asociar estructura con equilibrio (como se veía muy claramente en los cristales) y desorden con no equilibrio (como parecía también, ser evidente en las turbulencias), las confusas turbulencias se muestran como fenómenos muy estructurados, capaces de insertar cantidades enormes de partículas en movimientos perfectamente coherentes, tanto, que hasta dan consistencia al mismo universo.

                   Así pues, las innovaciones están relacionadas, a lo que parece, con clases de sistemas bifurcantes, y éstos, a su vez, son expresiones manifestadas incluso a nivel macroscópico de las inestabilidades dinámicas, que sólo permiten una descripción del comportamiento global. En el interior de la estructura el espacio se halla organizado en función del régimen disipativo, que exige la utilización de un vocabulario enteramente nuevo. Los conceptos morfológicos de diferenciación, dimensión crítica, umbral, bifurcación, captación, etc., nos sugieren que en ciertas condiciones las perturbaciones locales pueden invadir todo el sistema, transformando su funcionamiento hasta obligar a variar la definición del objeto físico en cuestión. El propio concepto de estabilidad se vuelve equívoco al estar repartido su campo de acción entre diversos rasgos, como son los procesos moleculares, las fluctuaciones y los condicionantes que operan en los límites que permiten definir macroscópicamente el sistema.

                   Las innovaciones pueden ser seleccionadas, pero muy frecuentemente por el mismo entorno que ellas han contribuido a crear. A ese respecto, lo fundamental es que haya establecidos gradientes. Éstos podrían producirse a consecuencia de situaciones de inestabilidad con rupturas de simetría, en condiciones muy alejadas del equilibrio. Un entorno inicialmente homogéneo se ve sometido a roturas de simetría provocadas por la inestabilidad y el transporte, y experimentar un efecto de canalización o seguimiento de una senda que evoluciona hacia una estructura determinada, sobre todo si hay pequeñas inhomogeneidades en el entorno inicial. Sin descartar el modelo de desarrollo evolutivo bifurcante que propuso Waddington, que permite la coexistencia de zonas de desarrollo creódico y zonas en donde es posible una elección entre varias vías evolutivas, consideramos de forma general más destacadas las perspectivas abiertas por el descubrimiento del funcionamiento de las estructuras disipativas. Observamos que permiten tener un concepto de orden biológico identificado con la estabilidad de un sistema químico abierto, que satisface el carácter específico de los fenómenos que llamamos seres vivos.

                   Para comprender cómo una fluctuación es aceptada por el medio no es preciso que tengamos un modelo de universo excesivamente definido o coherente (en cierto modo prefijado), en el que nada pudiera turbar la monótona identidad del mismo. Tampoco debiéramos pensar en un universo ambiguo, indefinido e incluso incoherente fruto de una total indeterminación, en el que las fluctuaciones tuvieran la misma magnitud y, por tanto, sin consecuencias discernibles. Debemos de pensar, no casualmente, en un universo de la clase en la que nos ha tocado vivir. A ese respecto, se sabe poco de los mecanismos de ampliación de las fluctuaciones, pero sí se conocen algunos resultados generales relativos a los parámetros que los determinan.

                   Lejos de escapar a las leyes físicas, la vida aparece como siguiendo las leyes de la misma física con una plasticidad particular debida a su composición química y a las leyes cinéticas que resultan de ella. No importa que para situar las estructuras biológicas en su propio contexto, parezca esencial apartarse del principio de orden de Boltzmann y deba tenerse en cuenta que los fenómenos biológicos característicos se desenvuelven lejos de un estado de equilibrio termodinámico. Queda claro que hay un auténtico umbral entre vida y no vida, pero no debemos acercarnos a esa realidad con ideas demasiado simplistas. No es la inestabilidad, sino una sucesión de inestabilidades quienes han permitido franquear el paso entre no vida y vida. La diferencia entre la estructura de una roca y la de la biosfera en general, puede ser explicada de manera análoga por muy diferentes que se presenten a la observación. La de la roca puede ser deducida de los principios de la termodinámica y de la dinámica de los medios continuos, es decir, del principio de orden de Boltzmann; aunque bien es verdad que este principio no permite calcular la posición exacta (como ocurre en los gases) en un instante dado de las moléculas que lo constituyen. Las estructuras disipativas y sucesión de inestabilidades que conllevan permiten suponer, por su parte, que en lo que tienen de esencial, la vida es deducible de los "primeros principios" y que ella, tal como la conocemos, está configurada por las estructuras disipativas que conservan el recuerdo de las fluctuaciones que les dan origen.

                   En un momento prebiótico cualquiera, las estructuras disipativas debieron desempeñar un papel importante, ayudando a la condensación de polipéptidos sobre superficies capaces de catalizar el proceso. El problema fundamental sería la formación espontánea de un código genético. La evolución química comenzaría muy probablemente por la formación de biomonómeros a partir de pequeñas moléculas orgánicas, que a su vez y en los comienzos pudieron originarse de materia abiogénica, es decir, en ausencia de todo rasgo de vida. Los biomonómeros dieron un paso más, enlazándose unos con otros y constituyendo biopolímeros, que formaron la sustancia vital. Pero ese resultado fue posible por la existencia de colapsos o catástrofes de inestabilidad. Una supuesta amplificación de las fluctuaciones determinaría luego la aparición de unos tipos de macromoléculas, en una situación de estabilidad suficiente con relación a las fluctuaciones que lo engendraron. Si esa teoría debida a M. Eigen se confirmase, quedaría demostrado que las leyes físicas son las inductoras concretas del estado altamente organizado que es el código genético.