El físico deriva las leyes de la termodinámica para la vida misma

Aquí tienes un interesante experimento mental. Imagine una caja llena de una variedad de átomos y moléculas en proporciones aproximadamente equivalentes a la composición de la sopa prebiótica en la que prospera la vida.

¿Qué posibilidades hay de que estas moléculas se organicen en seres vivos de pleno derecho, una bacteria, por ejemplo? Esa es una pregunta difícil, pero Jeremy England, del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, ha descubierto cómo calcular una respuesta, al menos en teoría. Sus resultados hacen una lectura fascinante.

Parte del problema aquí es que la vida misma es difícil de definir. Pero Inglaterra tiene una forma de evitar esto. Su idea es examinar todas las combinaciones de estados que son posibles en este recuadro y consultar a un microbiólogo omnisciente sobre si cada estado representa una bacteria o no. De esa manera, debería ser posible, al menos en principio, hacerse una idea de la física estadística involucrada.

A continuación, le pide al microbiólogo que vuelva a mirar la caja después de un período que es aproximadamente equivalente al tiempo que tardan las bacterias en dividirse.

La pregunta entonces es qué tan probable es que haya dos bacterias en la caja.

Una vez más, el microbiólogo omnisciente podría analizar todos los posibles estados de la caja y decir si se ha producido o no la autorreplicación. Si la caja contiene dos bacterias, es posible calcular cuánta entropía se ha creado en el proceso y cuánto calor se utilizó.

Inglaterra incorpora algunas leyes básicas de la termodinámica y de esta manera construye un modelo de física estadística de autorreplicación, un modelo que es análogo a las leyes que gobiernan el comportamiento estadístico de cualquier conjunto de partículas en una caja.

A modo de comparación, también analiza las estadísticas que gobiernan el proceso inverso: la descomposición espontánea de las bacterias en dióxido de carbono, hidrógeno, etc.

Esto establece un límite importante sobre lo que es termodinámicamente posible en este sistema: en efecto, Inglaterra deriva la segunda ley de la termodinámica para el sistema. A partir de esto, elabora varias 'leyes', como la cantidad mínima de calor que debe producir una sola ronda de división celular.

Finalmente, pone algunos números en su modelo, incluidas cifras como el tiempo de vida de los enlaces peptídicos en los sistemas biológicos, para averiguar cuánto calor deberían producir los sistemas complejos como la bacteria E. coli cuando se replican.

Resulta que las bacterias E. coli son replicadores notablemente eficientes. El organismo puede convertir la energía química en una nueva copia de sí mismo de manera tan eficiente que si produjera incluso la mitad de calor, ¡estaría empujando los límites de lo que es termodinámicamente posible! él dice.

Hace un cálculo similar para la replicación de moléculas de ARN y ADN. Esto sugiere que, en términos de termodinámica, la replicación es mucho más fácil para el ARN que para el ADN.

Ese es un resultado interesante dado que muchos biólogos han sugerido que los primeros sistemas autorreplicantes en la sopa prebiótica de la Tierra deben haberse basado en ARN en lugar de ADN.

En el pasado, los biólogos han estudiado las propiedades catalíticas del ARN que son cruciales para las células vivas y notaron que el ADN no comparte estas propiedades. Entonces, la idea es que el ARN debe haber sido lo primero en la línea de tiempo de la replicación, y el ADN evolucionó más tarde a medida que la vida se volvió más compleja.

El trabajo de Inglaterra respalda esta idea, pero por razones completamente diferentes: el ARN es termodinámicamente mejor en la autorreplicación. Un resultado fascinante.

Sin embargo, el trabajo tiene una limitación importante. No aborda la definición de naturaleza de la vida y, en cambio, delega el problema a un microbiólogo omnisciente que, se supone, siempre puede proporcionar una respuesta.

Hay un indicio tentador de que el enfoque de Inglaterra podría algún día resolver este problema. Al explorar el papel de la física estadística con más detalle, tal vez sea posible definir la vida en términos de límites termodinámicos precisos.

Por eso valdrá la pena ver dónde lleva Inglaterra su idea a continuación.

Ref: arxiv.org/abs/1209.1179 : Física estadística de la autorreplicación

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