sábado, 9 de mayo de 2009

Vida vs. Caos

Uno de los primeros y mas constantes problemas de la exobiología es definir que es "vida" es decir, como distinguimos lo "vivo" de lo "no vivo". Por esto uno suele proceder a buscar una definición de vida. Pero encontrar una definición adecuada no es sencillo, ya que muchas veces uno se debe ajustar a alguna situación particular o incluir excepciones.


Estructura básica de un cristal de celda exagonal. Los puntos representan partículas y su orden es repetido en todo el volumen del cuerpo.

Entre las múltiples definiciones de lo que es vida esta la siguiente, considerar "vivo" a:

"Todo sistema físico basado en carbón con la habilidad de absorber energía y materiales de su ambiente con el fin de crecer y reproducirse, generando descendientes que serán sometidos a un proceso de evolución Darwiniana."

Como siempre pasa con las definiciones, esta debe ser sometida a prueba con los ejemplos de sistemas que son considerados "vivos" o "no-vivos". Por ejemplo, los cristales podrían, en algunas situaciones parecer "vivos", ya que crecen tomando materiales y energía el ambiente, y un pequeño segmento puede servir como "semilla" para generar otro cristal similar. En cuanto a la evolución Darwiniana no se puede hacer mucho, salvo interpretar la "selección" de cristales similares ante la destrucción de cualquiera que sea diferente (algo similar a lo que pasa con las cucarachas, la razón por la que a lo largo de su historia no han cambiado) . Así vemos que materia claramente no-viva se puede acomodar en la definición.


Cristales exagonales macroscópicos, estas formaciones de roca se encuentran en una estructura similar a la imagen anterior.

Pero existe una característica propia de los cristales que los hace distintivos, su estructura ordenada. No son como cualquier sólido, sino que sus partículas constituyentes se encuentran en un orden fijo y repetitivo. Entonces, ya que un cristal claramente no es algo vivo, debemos de incluir algo en la definición que excluya a los cristales.


Vista superior de los cristales de la imagen anterior.

Una idea para hacerlo la dio Edwin Schrodinger (sí, el mismo que trabajó en mecánica cuántica, y padre de la famosa ecuación que lleva su nombre y es base de esa rama de la física) y a sido modificada en años recientes para ajustarla mejor, la propuesta es definir a algo vivo como un sistema que tenga la característica (aparte de las ya mencionadas) de reducir la entropía de manera que se almacena información.

Diferencia entre Orden y Caos. El diamante esta compuesto por átomos de carbono, tal como el carbón mineral. En el diamante se ordenan para formar un cristal, mientras que el carbón mineral es un sólido amorfo, sin estructura cristalina. Las partículas son las mismas y por lo tanto las propiedades química son muy parecidas (el diamante se quema tal como el carbón, no lo hagan en casa) pero las propiedades físicas de los cuerpos son muy diferentes.


Veamos que es esto.

En primer lugar ¿que es la entropía? En pocas y no-matemáticas palabras, la entropía es el "grado de desorden" (nunca me gustó eso de "grado de desorden", prefiero la definición matemática, pero sería muy largo tratarlo aquí) en un sistema dado. Imaginemos que nuestro sistema (ya que lo podemos definir como queramos) es un conjunto de cuerpos, digamos, piedras. Y a estas piedras las sometemos a un proceso cualquiera (moverlas, amontonarlas, quebrarlas, etc), un resultado curioso es que no importa lo que hagamos, la cantidad de orden en el sistema siempre se reducirá. Por orden entendemos cualquier patrón reconocible, mientras que por desorden, la perdida de ese patrón. Este resultado se enuncia en la segunda ley de la termodinámica:

"En un sistema cerrado, la cantidad de entropía siempre aumenta con el tiempo."

¿Pero es esto cierto?¿Somos físicamente incapaces de ordenar el universo? En el ejemplo del montón de piedras, digamos que el proceso al que se someten es el de acomodarlas en línea en secuencia de tamaño. ¿No es esto un "orden"? Si lo es, pero al ordenar esas piedras, causé mas desorden del que reparé. La segunda ley de la termodinámica dice "En un sistema cerrado,..." Entonces podemos ordenar un pedazo del universo. Digamos, las piedras, con el costo de causar mas desorden en el resto del universo.


"Sala de los gigantes" en la mina de Naica, Chihuahua. Los cristales son materia muy ordenada, pero el humano introduce entropía.

Entonces tenemos que el mismo proceso de ordenar algo causará mas desorden en el exterior del sistema(al final, el orden total del universo siempre disminuye, es decir, la entropía aumenta). Esto puede parecer muy extraño, pero hemos de tomar en cuenta que este desorden puede ser en forma de calor en el aire que rodea las piedras, turbulencias generadas, degradación en las piedras, aumento de temperatura en el cuerpo de la persona que las mueve, etc. El punto es que en la naturaleza, la entropía siempre aumenta, aunque se reduzca en un pequeño sistema.

ADN. Ejemplo de materia ordenada que codifica información. Dicha Información es para fabricar como un conjunto de sistemas de apoyo para su reproducción," sistemas reductores de entropía".

Ahora vemos por que los cristales son interesantes, son sistemas naturales que reducen la entropía (localmente) al repetir el mismo patrón una y otra vez (la llamada celda del cristal, la figura básica). Sin embargo, no se codifica información alguna.¿Entonces, que relación tiene eso de reducir la entropía y codificar la información con la vida? Que eso es justamente lo que hace el ADN.


Célula, muestra los primeros sistemas auxiliares del ADN.

El ADN no es un cristal, pero ordena materia, y lo hace codificando información para construir seres vivos. Así que no solo es el ADN lo que vive, sino todo el conjunto de sistemas de apoyo que tiene, en primer lugar, todos los organelos de la célula y luego, los diferentes sistemas de un organismo. Un animal o planta cualquiera ha evolucionado de manera que esa criatura como sistema funcione lo mejor posible (aunque diste de perfecto), y cada sub-sistema dentro de ese sistema hace lo mismo, así, hasta llegar a la célula, que tiene como propósito principal el mantener funcionando el ADN.

Así llegamos a que una propiedad característica de la vida es la habilidad de reducir la entropía mientras codifica información. Y los procesos de envejecimiento y muerte no son mas que la perdida de funcionalidad de los sistemas que reducen la entropía. Nuestras células pueden tolerar un cierto nivel de desorden, pero se llega a un punto en el que el desorden es tal que no se puede reparar. Así se pueden ver a los seres vivos como "sistemas reductores de entropía" para su conjunto particular de genes.

Por lo tanto, la vida no es mas que información y orden entre un caos de materia y datos sueltos.

Y mientras mas grandes y complejos los organismos, son mas frágiles al ser mas susceptibles al desorden. Una bacteria es mas "resistente" que un humano por que es mas sencilla, el humano es mas grande y complejo, requiere mas orden. Mientras que nosotros mismos somos ejemplos de materias con habilidades sorprendentes. Los humanos somos materia ordenada que produce mas materia ordenada. Ordenamos los componentes (antes caóticos) de la Tierra y construimos ciudades, ordenamos caracteres y generamos escritura. Inclusive, nos ordenamos a nosotros mismos y nuestras ideas para generar culturas y civilizaciones.


En la naturaleza existe el caos, las leyes de la física y química generan orden, la información codificada dentro de ese orden genera vida.


Ejemplo de "sistema reductor de entropía" en un nivel de organización mas elevado que una célula. El animal entero se organiza en sistemas, de sistemas de sistemas.

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