LA ENERGÍA EN CRISIS Y SU INFLUENCIA EN LA EVOLUCIÓN

LA ENERGÍA EN CRISIS Y SU INFLUENCIA EN LA EVOLUCIÓN PREBIÓTICA
El texto que sigue es un extracto de una conferencia que se denominó “Termodinámica y el Origen de la Vida"
de un científico argentino, residente en México, el Dr. Marcelino Cereijido. Esta conferencia la pronunció con
motivo del homenaje a Oparin que se hiciera en el año 1981.
Organismo, información y energía
"Sabemos que los organismos biológicos tienen un grado de organización tan característico que si alguien
encuentra un objeto con cierta organización estructural puede fácilmente decir si es biológico o no. En
realidad, la estructura está tan ligada al funcionamiento que, por ejemplo, cuando un patólogo mira una pieza
de anatomía puede decir mucho de la historia de los procesos que llegaron a producirla. Tengamos en cuenta
que, tanto para organizar y producir una estructura, como para reconocerla, se requiere de información y que
la información cuesta energía. Un organismo biológico, por más simple que sea, tiene una organización
producto de una historia durante la cual se acumuló una gran cantidad de información a expensas de una
cantidad también muy grande de energía.
El origen energético de la organización biológica se cuestionó en todos sus aspectos apenas se hubo asimilado
las primeras enseñanzas de la Termodinámica. Veamos a continuación algunos de estos aspectos.
Antes de que apareciera la vida en la Tierra, el mar era una especie de sopa donde abundaban las moléculas
orgánicas del tipo de las que hoy constituyen a los seres vivos. Fue natural que algunos científicos postularan
que, en tantos millones de años y dado el enorme volumen de este mar prebiológico y la enorme cantidad de
substancias adecuadas que poseía, las circunstancias fortuitas hicieran que se "armara" algo vivo y así
comenzara la vida en el planeta. Había sido como si pusiéramos las piezas de un reloj en una bolsita y
jugáramos con ella, tirándola, pateándola para todos lados, con lo cual las piezas adoptarían distintas
distribuciones, y pasáramos millones de años tratando de ver si de repente, al azar, en alguno de esos
ordenamientos se armara un reloj. Esta forma de ver las cosas atrajo a muchos científicos.
En contra de esta teoría, Harold Morowitz hizo el siguiente cálculo. Tomó como base la bacteria Escherichia
coli, uno de los seres más simples, y calculó la energía contenida en las uniones de sus moléculas. El cálculo no
era complicado: al saber cuántas proteínas, cuántos azúcares, cuántos lípidos, cuántos fosfatos, cuántos ácidos
desoxirribonucleicos, etc. contiene una bacteria, y los tipos de enlaces que tienen los átomos que constituyen
dichas moléculas, pudo hacer una estimación de la energía que debe contener la bacteria para ser catalogada
como algo viviente. Luego supuso que todos los átomos que componen la E. coli están sueltos en el volumen
que ocupa dicha bacteria. Se preguntó entonces cuál era la probabilidad de que, en un sistema en equilibrio,
una fluctuación diera fortuitamente una E. coli.
El equilibrio es una situación en la que no hay trabajos netos. Cada vez que aparece una desviación del estado
de equilibrio, una fluctuación, se crea un gradiente; dicho gradiente genera una fuerza, esa fuerza crea un
trabajo y ese trabajo conduce de nuevo al equilibrio.
La pregunta de Morowitz era: ¿cuál es la probabilidad de que, todos los carbonos libres, oxígenos, hidrógenos,
azufres, necesarios para formar una bacteria, lleguen a organizarse, de repente, en una fluctuación del estado
de equilibrio -como el reloj del que hablábamos recién- y aparezca una bacteria? Para hallar la respuesta,
calculó qué cantidad de energía mínima (qué alejamiento fortuito del equilibrio) se necesita para hacer de
moléculas sueltas una E. coli. Esa fluctuación, como cualquier fluctuación de un estado de equilibrio, tiene una
probabilidad (p). Morowitz calculó qué probabilidad había de que alcanzara la energía necesaria para formar
un ser vivo tan simple como una Escherichia coli. La respuesta fue: p = (10)-10 (a la 11). Este es un número tan
pequeño, que aunque desde el origen del Universo (el famoso Bing Bang, o Gran Explosión inicial) se "ensayara" la posibilidad de producir una simplísima E. coli, esta posibilidad pertenece al orden de 1099999999866,
o sea, es imposible. En síntesis, había que dejar de lado la idea de que la vida pudiera haber surgido como una
fluctuación de un estado de equilibrio. Esa era, por aquel entonces, la mejor teoría disponible para explicar
científicamente el origen de la vida en la Tierra. ¡Pensar que estamos hablando de hace apenas veinte años! La
solución tomó muchos años y esfuerzos. A continuación veremos otras de las vías que condujeron hacia los
conceptos actuales.
El abandono de los modelos de equilibrio
Los primeros pasos de la Termodinámica fueron dados a través de los modelos de equilibrio. Los de la Fisiología
también: no sólo comúnmente (y a veces incorrectamente) aplicamos ecuaciones válidas solo para estados de
equilibrio, sino que el concepto de homeostasis es central al enfoque biológico. Típicamente, los fisiólogos nos
ocupamos de cómo hace el organismo para mantener constante su glucemia, su pH, su contenido de sodio, su
volumen sanguíneo. Pero es claro que los modelos de equilibrio no llevan más que a imposibilidades (como las
que ilustré anteriormente con el cálculo de Morowitz). Con esos enfoques no podríamos explicar el fenómeno
más evidente de la vida en la Tierra: su evolución a organismos cada vez más complejos. Peor aún: equilibrio
significa detención de todo trabajo. Si nosotros mantuviéramos realmente el equilibrio estaríamos muertos:
caería nuestra temperatura hasta la del medio ambiente, cesarían de contraerse nuestros músculos, de circular
nuestra sangre, se escaparía el potasio de nuestras células, se llenarían de sodio, y nuestro equilibrio consistiría
lisa y llanamente en la muerte, es decir, en la no vida. Entonces, ¿por qué los biólogos aplicamos ecuaciones de
equilibrio para estudiar los sistemas biológicos? Porque son más fáciles que las ecuaciones de desequilibrio. Si
nos cuesta entender las cosas cuando se quedan quietas, cuando aparece la dinámica las cosas se tornan más
complicadas aún. Por eso siempre se partió de estudiar las cosas en equilibrio, aunque éste no existiera o fuera
solo una aproximación. Pero no es correcto tratar con leyes de equilibrio a los sistemas biológicos. Los sistemas
biológicos no tienden a equilibrios, sino que tienden sólo a mantener constante la temperatura, la presión
arterial -aunque no tan constante, porque está fluctuando-; el pH, la concentración de sodio... Si tomamos más
agua, vamos a orinar más, y si tomamos menos, vamos a orinar menos: el fisiólogo se preocupa justamente por
ver cómo hacen nuestros sistemas para recuperar el valor normal de un parámetro cuando por alguna razón lo
perdieron. Pero eso no es equilibrio. En realidad, se trata de un estado estacionario. ¿Cuál es la diferencia entre
un estado estacionario y uno de equilibrio?
Los estados estacionarios
Supongamos que tengo aquí, por ejemplo, una botella con un litro de agua. En función del tiempo, veo que el
litro de agua permanece constante. No pasa nada, no se le va el agua a la botella, allí está; está en equilibrio.
Muy bien, pero yo podría tener una segunda botella con un agujero por el cual pierde agua gota agota, pero yo
se la repongo gota a gota. Al cabo de una hora viene un señor y ve que el segundo litro está ahí, constante, y
me dice: "Mire, está en equilibrio". Si, respondo, 'equilibrio'. ¿Equilibrio? ¡Nada de eso! ¡Me pasé una hora
poniéndole agua a la botella con un gotero! He gastado energía. ¿Cuál es la diferencia entre las dos
situaciones? Mientras que en el primer caso el litro de agua se mantenía así constante porque no había ningún
proceso, el segundo se mantiene así porque hay procesos balanceados. Ustedes no tienen constante la
cantidad de agua porque jamás tornan, jamás orinan, jamás transpiran; sino porque lo que se tornan y lo que
transpiran y orinan está tan balanceado que se mantiene constante. Eso ya no es un equilibrio, y desde el
punto de vista termodinámico hay que enfrentarlo con otro tipo de ecuaciones, otro tipo de herramientas.
¿Por qué? Porque ahora se está gastando energía en mantener ese estado. Los sistemas biológicos
mantenemos una cantidad de estados semiconstantes gracias a un gasto de energía muy grande.
Resumamos entonces: cuando aparecen diferencias (de temperatura, de presión, de concentración, por
ejemplo) los gradientes producen flujos. Los flujos aparecen cuando el sistema se aleja del equilibrio. Son el
resultado de la tendencia del sistema para volver al equilibrio. Y esa tendencia es tanto mayor cuanto mayor es
el grado de alejamiento del equilibrio.
Esto caracteriza el funcionamiento de un sistema biológico solamente durante un intervalo de tiempo corto,
pero no explica cómo la evolución llego del simple unicelular al gorila; ni cómo llega un huevo a un adulto que
escribe a máquina y patalea. La situación es aún más compleja pues ni aún en reposo los sistemas biológicos
son estables. Ejemplos: el corazón late, las neuronas disparan potenciales de acción regularmente, las células
entran en "crisis" que las llevan a dividirse con regularidad."
ACTIVIDAD
Sobre la base de la lectura y del análisis del texto del Dr. Cereijido reflexionen sobre los siguientes aspectos:
a) ¿Qué relación existe entre la organización de un sistema biológico y los términos información y energía?
b) Expliquen, a través de un ejemplo distinto al propuesto en el texto, las primeras ideas que se suscitaron en
torno a cómo se "armó" algo vivo a partir del caldo primitivo.
c) ¿Cómo procedió Harold Morowitz para poder dejar de lado la idea de que la vida podría haber surgido como
una fluctuación de un estado de equilibrio? Comenten todos los puntos que le resultan significativos en este
sentido.
d) Expliquen por qué el enfoque basado en los modelos de equilibrio no puede dar cuenta de la evolución de la
vida hacia organismos más complejos.
e) ¿Cómo diferenciarían estado estacionario de estado de equilibrio? Propongan un ejemplo referido a un
sistema biológico.
f) Establezcan conclusiones en relación con el tema que nos ocupa (el origen de la vida).
Una crisis nos anuncia que el sistema ya no tenderá a restablecer su equilibrio primitivo.
Como los sistemas biológicos son sistemas químicos y están alejados del equilibrio, son propensos a las crisis y
desequilibrios.
Cuando un sistema entra en crisis pierde su estructura y entra en caos. Pero visto desde afuera puede ocurrir
que no se observe un caos, sino la formación de una nueva estructura. Si a esto agregamos que un sistema no
sufre solamente una crisis sino que puede seguir cambiando su estructura gracias a varias perturbaciones
podremos llegar a interpretar que el flujo de energía y materiales pude dar como resultado una serie de
estructuras de complejidad creciente.