[Eduardo Battaner, profesor Emérito de la Universidad de Granada —Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional]
La materia viva, si bien no elude las ‘leyes de la física’, tal como están establecidas hasta la fecha, probablemente implica ‘otras leyes físicas’ desconocidas por ahora, las cuáles, una vez descubiertas, formarán una parte tan integral de esta ciencia como las anteriores.
Esta frase del gran físico Schrödinger en su gran libro ¿Qué es la vida? ha estimulado muchos trabajos, y el nuestro en particular. Lo escribió en 1944, pero pensamos que esas “otras leyes de la física desconocidas” siguen estando por encontrar. Así, el conocido y citadísimo bioquímico Stuart Kauffman decía en el 2000 en su libro Investigaciones:
¿Existe una cuarta ley de la termodinámica aplicable a los sistemas termodinámicos abiertos autoconstructivos?
En el artículo “An astrophysical perspective of life. The Growth of Complexity”, publicado en la Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica, los autores Francisco Sánchez del Instituto de Astrofísica de Canarias y yo mismo, proponemos nueva física para un problema viejo de biología como es la vida y su evolución. Los autores somos astrofísicos y tratamos el tema de la complejidad en el Cosmos, no limitándonos a la explicación de la vida terrestre.
La biología y, en particular la astrobiología, se pregunta cómo es posible la complejidad de la vida. La participación de la física ha de centrarse, en cambio, en la pregunta complementaria de si es probable. La bioquímica ha hecho, y sigue haciendo, admirablemente su labor, pero pensamos que la física no ha hecho la suya. En consecuencia, esta teoría no pretende una sustitución de la teoría de la evolución; pretende añadir. Y hacerlo desde el punto de vista de la física.
Y también en consecuencia, no pretende decir que el paradigma darwiniano esté mal, sino que está incompleto. Claro está que si está incompleto, no es perfecto. Tal paradigma se basa esencialmente en dos pilares: mutaciones aleatorias y selección natural. En el artículo citado se conserva el segundo pero se modifica el primero. Las mutaciones se deben al azar pero con otra forma de entender el azar.
Muchos creemos que la perfección de los seres vivos no se explica sólo por el mero azar. Pensemos en el asombroso cerebro humano o pensemos simplemente en la perfección de la hoja de un árbol; no puede ser el fruto del azar tal como lo conocemos. Hay científicos que piensan que sí, que el paradigma darwiniano se basta para explicar el origen y la evolución de la vida. Los cálculos de la probabilidad de la vida dan números bajísimos. Con estos cálculos o sin ellos, los autores de este artículo son de los que piensan (y no son pocos) que el paradigma actual necesita ser ampliado.
No se asume en este trabajo ninguna intervención de tipo deísta o teísta, ni contiene ninguna connotación religiosa. No se acude al llamado principio antrópico, ni pretende una interpretación teleológica. Los autores no desdeñan este tipo de creencias, pero éstas se excluyen tajantemente en el artículo, escrito con la consabida asepsia del lenguaje científico.
La densidad vital y el flujo vital
Se supone un campo vital extendido en todo el espacio del Universo y presente en todo tiempo, fluidiforme, que tiene como variables la densidad vital y el flujo vital. La definición de estas dos magnitudes físicas está expresada mediante dos ecuaciones que, aprovechando la similitud con la mecánica de fluidos, se denominan ecuación de continuidad y ecuación del flujo vital.
La primera, la ecuación de continuidad viene a decir que la integral de la densidad vital en todo el espacio es una constante en el tiempo. Eludimos aquí todo tipo de formulación matemática.
La segunda, la del flujo vital, nos dice que éste se debe a la contribución de dos gradientes de tendencias opuestas. Por una parte, el flujo se dirige hacia el interior de un volumen de menor entropía específica (entropía por unidad de masa o, equivalentemente, entropía por barión). Y por otra, el flujo se dirige buscando zonas de menor densidad vital.
El flujo cesa cuando se alcanzan condiciones estacionarias, en cuyo caso se obtiene que la densidad vital es inversamente proporcional a la entropía específica. En un viviente, la entropía es extremadamente baja por lo que su densidad vital tiende a ser muy alta. Aunque las condiciones estacionarias se alcanzan muy rápidamente, no hay que pensar que densidad vital y entropía específica son magnitudes íntimamente relacionadas. Eso sí, en general, un viviente tiene una distribución de densidad vital no homogénea pero de valores altísimos. Podríamos decir metafóricamente, que los vivientes son como agujeros negros de la densidad vital.
Cuando el ser vivo se mueve, la ecuación del flujo hace que la distribución de densidad vital se desplace con un cierto retraso muy breve de tal forma que las distribuciones de densidad vital y de la inversa de la entropía específica tiendan rápidamente a coincidir.
También, debido a la ecuación de continuidad, los altos valores de entropía en el interior del viviente llevan aparejados unos valores inferiores al característicos de las regiones estériles inhabitadas del Universo. Una forma de expresarlo es que el viviente debe conservar su baja entropía a pesar de la ingesta de entropía asociada a la energía química ingerida y a la generada por procesos internos; por tanto, debe expulsar entropía al medio. Un ser vivo no solamente consume grandes cantidades de energía para mantener su complejidad, sino que es además un poderoso eyector de entropía al medio, del tipo basura, calentamiento o similares.
Las ecuaciones muestran que el fluido vital es capaz de soportar ondas de densidad vital que se propagan a la velocidad de la luz o una velocidad muy próxima a ella. En la interpretación clásica de la dualidad onda-corpúsculo las ondas llevan asociados unos corpúsculos que llamamos vitones. Posteriormente veremos que tales vitones pueden jugar un papel importante en la transmisión y difusión de mutaciones.
Una vez definido qué es el campo vital, su densidad, su flujo, y las ondas que soportan, comentemos qué hace. Se asume que la acción de la densidad vital sobre las especies es triple.
La triple acción de la densidad vital: animación, mutación, evolución
La primera acción es la animación del viviente, dotándole de las propiedades características de los seres vivos, como amar u odiar en el caso del hombre. Parece entonces que la densidad vital sería equivalente a lo que muchas religiones llaman alma, y así es, en efecto, pero el alma que conlleva la densidad vital es diferente, no tiene nada de inmortal y es una magnitud física con su unidad (la inversa a la de la entropía específica) y su medida.
La segunda acción que se atribuye al campo vital es crucial para entender la evolución. Es capaz de producir otro tipo de mutaciones llamadas mutaciones VID (de Vital Intensity Driven) que implican un descenso de entropía. Las mutaciones VID conviven con las mutaciones clásicas debidas al azar, aquellas que producen tanto incrementos como decrementos de entropía. Su eventual éxito evolutivo, en ambos casos, está sentenciado por la selección natural.
Cuando la información del viviente está contenida en el ADN u otro código molecular equivalente en vivientes extraterrestres, una mutación supone un salto cuántico no sólo de energía sino también de entropía, puesto que se altera la información contenida en el código genético, dada la relación existente entre entropía e información.
Al salto entrópico sucede un salto en la densidad vital y esta perturbación estimula ondas que se propagan en todas direcciones, disminuyendo su intensidad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia o, equivalentemente, se emiten vitones en todas direcciones. Estos vitones llevan la información del salto entrópico y, al encontrar otro genoma similar pueden inducir en él una mutación, normalmente la misma, o bien otra con la misma disminución de entropía. Esto favorece la transmisión de una mutación de un individuo para propagarse por toda la especie. Este proceso dota a la transmisión de mutaciones mucha mayor velocidad, siendo esto uno de los puntos de la evolución más sujetos a controversia.
Las mutaciones VID podríamos decir que son semi-azarosas, puesto que hay un número indefinido de mutaciones con la ligadura de que conlleven un salto negativo de entropía. ¿Cuáles son más eficaces? Cuando una nueva especie se encuentra en trance de precisar una mutación, las clásicas puramente azarosas son dominantes y el paradigma darwiniano da cuenta de los hechos adecuadamente.
La tercera acción contempla el efecto de las mutaciones VID en la evolución. Para considerar este efecto se admite como hipótesis más simple que la disminución secular diferencial de entropía específica es proporcional a la misma entropía específica y al diferencial de tiempo. Esto hace que el decremento sea mucho mayor cuanto mayor sea la complejidad. Entonces, cuando la complejidad es alta, las mutaciones VID pueden pasar a ser dominantes.
Hay una retroalimentación. La baja entropía crea alta densidad y la alta densidad hace disminuir la entropía. Sin embargo, las dos ramas de este ciclo se producen en escalas de tiempo muy diferentes. La atracción de flujo por parte de los individuos de la especie es muy rápida, con velocidades próximas a la velocidad de la luz, mientras que las mutaciones VID (y las mutaciones en general) operan en tiempos característicos de la evolución, digamos del orden del millón de años.
Se llega así a una de las conclusiones del artículo más hermosas y susceptibles de reflexión: la complejidad crea complejidad.
La complejidad crea complejidad
Pero la entropía no puede decrecer indefinidamente por ser una magnitud positiva. Se alcanza así lo que se llama “especie de entropía cero”. Este concepto es una idealización y no debe verse en él un final predeterminado. No es un final pues las otras mutaciones estándar y, especialmente, las modificaciones físico-químicas ambientales en tiempos geológicos pueden sacar a las especies de tal condición. Es más, podría interpretarse que las especies tanto presentes como extinguidas pudieran estar próximas a esta situación ideal, lo que explicaría su perfección. Pero además esta situación no sería ni mucho menos única puesto que habría una diversificación muy grande de caminos caracterizados por un decremento de entropía; y esto en cada paso evolutivo.
Existe una similitud aprovechable en la interpretación. Los fotones son producidos por un salto cuántico de energía. De igual forma, los vitones están producidos por un salto cuántico de entropía. Los fotones tienen una magnitud que los caracteriza: la frecuencia. Los vitones tienen una magnitud que los caracteriza: el salto entrópico. Puede sorprender que hablemos de un carácter cuántico de una magnitud tan clásica como la entropía, pero una mutación en el ADN es de naturaleza cuántica, supone un salto de información y por tanto de un salto entrópico.
Todas estas propiedades parecen referirse o precisar la existencia de un genoma, bien el basado en el código terrestre o en otro equivalente. Pero la adopción del lenguaje del ADN tuvo que ser uno de los saltos evolutivos más grandes. Sin duda hubo un mundo pre-ADN y se dice que la molécula de ARN pudiera haber jugado su papel. Pero aún así, tuvo que haber una fase pre-ARN. ¿pueden extrapolarse estas ideas a la vida elemental primitiva? ¿Pudo haber pre-zoos? O, en otras palabras: todo esto pudiera tener incidencia en la evolución de la vida pero, ¿podría tener incidencia en la aparición misma de la vida?
Probablemente sí. Si tenemos un sistema en equilibrio termodinámico, todo sistema en equilibrio sufre fluctuaciones estadísticas. La entropía específica fluctuaría también aleatoriamente y podría alcanzar transitoriamente un valor ligeramente menor. A esta seguiría un aumento pequeño de densidad vital. Si esta pequeña transformación pudiera resistir un tiempo largo en términos evolutivos, la capacidad de la mayor densidad vital haría disminuir la entropía específica y el ciclo generador de complejidad empezaría a funcionar. Así que estas ideas son extrapolables para la explicación del problema del origen de la vida.
Bibliografía
- Sánchez y E. Battaner (2022) Revista Mexicana de Astronomía y Astrofísica. Vol. 58, nº 2.
- Stuart Kauffman (2000) Investigations. Traducido al español en Tusquets Editores. “Investigaciones. Complejidad, autoorganización y nuevas leyes para una biología general”. Colección Metatemas.