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» » » Una nueva Teoría Física de la Vida

Referencia: Quanta.Magazine.org .
por: Natalie Wolchover, 22 de enero 2014

¿Por qué existe la vida?
La hipótesis popular da crédito a una sopa primordial, un rayo de luz y a un colosal golpe de suerte. Pero si la nueva y provocativa teoría es correcta, la suerte puede tener poco que ver con ello. Según el físico que propone la idea, el origen y la evolución posterior de la vida se derivan de las leyes fundamentales de la naturaleza y "no debería sorprendernos más que una piedra que rueda cuesta abajo."

Jeremy England, físico de 31 años de edad, en el MIT, cree que ha encontrado la física subyacente que lleva al origen y evolución de la vida. Katherine Taylor por Quanta Revista
Desde el punto de vista de la física, hay una diferencia esencial entre los seres vivos y las cosas inanimadas de átomos de carbono: los primeros tienden a ser mucho mejores a la hora de captar la energía de su entorno y en la disipación de esa energía en forma de calor. Jeremy England, de 31 años de edad, profesor asistente en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, ha derivado de una fórmula matemática lo que él cree que explica esta capacidad. La fórmula, basada en la física establecida, indica que cuando un grupo de átomos se ve impulsado por una fuente externa de energía (como el Sol o el combustible químico) y rodeado por un entorno de calor (como el océano o la atmósfera), a menudo se reestructura gradualmente a sí mismo con el fin de disipar cada vez más energía. Esto podría significar que, en determinadas condiciones, la materia adquiere inexorablemente el atributo físico clave asociado con la vida.

Las células del musgo Plagiomnium con visibles
 cloroplastos, orgánulos que llevan a cabo la 
fotosíntesis capturando la luz del Sol. Kristian Peters.
"Se empieza con un grupo aleatorio de átomos, y si dejamos brillar la luz sobre ellos durante el tiempo suficiente, no debería ser tan sorprendente que se pueda obtener una planta", dijo England.

La teoría de England tiene la intención de ser básica, en lugar de reemplazar la teoría de la evolución de Darwin por selección natural, lo que proporciona una poderosa descripción de la vida a un nivel de genes y de poblaciones. "Desde luego, no estoy diciendo que las ideas darwinianas están equivocadas", explicó. "Por el contrario, desde el punto de vista de la física, se podría decir que la evolución darwiniana es un caso especial de un fenómeno más general."

Su idea, detallada en un artículo reciente y aún más elaborada en una charla que está dando en las universidades de todo el mundo, ha generado controversia entre sus colegas, que ven en ella un tenue o un gran avance potencial, o ambos a la vez.

England ha dado "un paso muy valiente e importante", apuntaba Alexander Grosberg, profesor de física en la Universidad de Nueva York, que ha seguido su trabajo desde sus primeras etapas. La "gran esperanza" es que se ha logrado identificar el principio físico subyacente que lleva al origen y evolución de la vida, dijo Grosberg .

"Jeremy es el joven científico más brillante que jamás he encontrado", dijo Attila Szabo, biofísico del Laboratorio de Física-Química de los Institutos Nacionales de Salud, que coincidió con England sobre su teoría, después de conocerlo en una conferencia. “Me llamó la atención por la originalidad de las ideas."

Otros, como Eugene Shakhnovich, profesor de química, bioquímica y biofísica en la Universidad de Harvard, no están tan convencidos. "Las ideas de Jeremy son interesantes y potencialmente prometedoras, pero en este momento son extremadamente especulativas, en concreto en relación a los fenómenos de la vida", señaló Shakhnovich .

Resultados teóricos de England son generalmente considerados válidos. Es justo su interpretación, en la que su fórmula representa la fuerza motriz de una clase de fenómenos de la naturaleza que incluye la vida, la que sigue sin comprobarse. Pero ya hay ideas acerca de cómo probar esa interpretación en el laboratorio.

"Está intentando algo radicalmente diferente", subrayó Mara Prentiss, profesora de física en la Universidad de Harvard, que está contemplando el experimento después de aprender sobre el trabajo de England. "Es como una lente organizativa, creo que es una idea fabulosa. Correcto o incorrecto, pienso que va a ser digno de investigación."

Una simulación por ordenador donde Jeremy 
England y sus colegas muestran un sistema 
de partículas confinadas dentro de un fluido 
viscoso, en el que las partículas de color 
turquesa son conducidas ​​por una fuerza 
oscilante. Con el tiempo (de arriba a abajo), 
la fuerza provoca la formación de más enlaces
entre las partículas. Cortesía de Jeremy England
En el corazón de la idea de England está la segunda ley de la termodinámica, también conocida como ley de entropía creciente o "flecha del tiempo". Las cosas calientes se enfrían, el gas se dispersa a través del aire, los huevos que se revuelven nunca vuelven de forma espontánea a su forma original, en definitiva, la energía tiende a dispersarse o expandirse a medida que pasa el tiempo. La entropía es la medida de esta tendencia, se cuantifica cómo se dispersa la energía entre las partículas en un sistema, y cómo están de dispersas esas partículas en todo el espacio. Aumenta conforme a una simple cuestión de probabilidad: Hay más formas de energía que se expanden que las que se concentran. Por tanto, cuando las partículas de un sistema se mueven e interactúan, completamente al azar, tenderán a adoptar configuraciones en las que la energía se dispersa. Finalmente, el sistema llega a un estado de máxima entropía llamado "equilibrio termodinámico", donde la energía queda distribuida de manera uniforme. Una taza de café y la sala donde está sentado se convertirán a la misma temperatura, por ejemplo. Mientras la copa y la habitación se queden solos, este proceso es irreversible. El café nunca se calienta espontáneamente de nuevo, porque las probabilidades están abrumadoramente en contra de que gran parte de la energía del ambiente pueda concentrarse al azar en sus átomos.

Aunque la entropía debe aumentar con el tiempo en un sistema aislado o "cerrado", un sistema "abierto" puede mantener su entropía baja, es decir, la energía se divide de manera desigual entre sus átomos, al aumentar enormemente la entropía de sus alrededores. En su influyente monografía 1944 "¿Qué es la vida?", el eminente físico cuántico, Erwin Schrödinger, argumentaba que esto es lo que los seres vivos deben hacer. Una planta, por ejemplo, absorbe la extremadamente energética luz solar, la utiliza para construir azúcares, y expulsa la luz infrarroja, una forma mucho menos concentrada de energía. La entropía total del universo aumenta durante la fotosíntesis conforme se disipa la luz solar, así como la planta se previene de la descomposición mediante el mantenimiento de una estructura interna ordenada.

La vida no viola la segunda ley de la termodinámica, pero hasta hace poco tiempo, los físicos eran incapaces de utilizar la termodinámica para explicar por qué debería plantearse en primer lugar. En los días de Schrödinger, sólo pudieron resolver las ecuaciones de la termodinámica en los sistemas cerrados, estando en equilibrio. En la década de 1960, el físico belga, Ilya Prigogine, hizo un avance en la predicción del comportamiento de los sistemas abiertos débilmente impulsados ​​por fuentes de energía externas (por lo cual ganó el Premio Nobel 1977 en Química). Pero el comportamiento de los sistemas que están lejos del equilibrio, los que están conectados con el medio ambiente exterior y fuertemente orientados ​​por fuentes externas de energía, no se podía predecir .

Esta situación cambió a finales de los 1990, debido principalmente a la labor de Chris Jarzynski, ahora en la Universidad de Maryland, y Gavin Crooks, ahora en el Lawrence Berkeley National Laboratory. Jarzynski y Crooks demostraron que la entropía producida por un proceso termodinámico, tal como el enfriamiento de una taza de café, corresponde a una simple relación: la probabilidad de que los átomos se sometan a ese proceso dividido por la probabilidad de sufrir el proceso inverso (es decir, interactuando espontáneamente de una manera tal que el café se caliente). A medida que se incrementa la producción de entropía, también lo hace esta relación: El comportamiento de un sistema se vuelve más y más "irreversible". La sencilla, pero rigurosa fórmula, en principio podría aplicarse a cualquier proceso termodinámico, no importa lo rápido o lejos que se está del equilibrio. "Nuestra comprensión de la mecánica estadística del equilibrio ha mejorado mucho", apunto Grosberg. England, que está formado tanto en bioquímica como física, comenzó su propio laboratorio en el MIT hace dos años y decidió aplicar el nuevo conocimiento de la física estadística a la biología.

Usando la formulación de Jarzynski y Crooks", derivó una generalización de la segunda ley de la termodinámica que es válida para sistemas de partículas con ciertas características: Sistemas que están fuertemente conducidos ​​por una fuente de energía externa, como una onda electromagnética, y que pueden volcar su calor en su entorno. Esta clase de sistemas incluye a todas las cosas vivas. England determinó entonces cómo esos sistemas tienden a evolucionar con el tiempo en la medida que aumentan su irreversibilidad. "Podemos demostrarlo de manera simple con una fórmula donde los resultados evolutivos más probables serán los que hayan absorbido y disipado más energía de su medioambiente externo y que esa es la manera de haber llegado ahí", dijo. El hallazgo tiene un sentido intuitivo: Las partículas tienden a disipar más energía cuando resuenan con una fuerza motriz, o se mueven en la dirección que les está empujando, y en un momento dado, son más propensos a moverse en esa dirección que en cualquier otra.

"Esto significa que los grupos de átomos, rodeados por un entorno en alguna temperatura, como la atmósfera o el océano, deben tender con el tiempo a una disposición que resuene cada vez mejor con las fuentes de trabajo mecánico, electromagnético o químico de su entorno", explicó England.


Cúmulos de Esferas autorreplicantes: Según una 
nueva investigación en Harvard, el revestimiento
de las superficies de las microesferas pueden 
hacer que se ensamblen espontáneamente en una
estructura elegida, como un polytetrahedron (rojo),
lo cual activa las esferas cercanas a la formación
de una estructura idéntica. Proceedings of the 
National Academy of Sciences/porMichael Brenner
La autorreplicación (o reproducción, en términos biológicos), es un proceso que impulsa la evolución de la vida en la Tierra, es uno de los mecanismos por los cuales un sistema puede disipar una cantidad cada vez mayor de energía a lo largo del tiempo. Tal como England lo expuso, "Una gran forma de disipar más es hacer más copias de sí mismo". En una publicación de septiembre en el Journal of Chemical Physics, él informó de la cantidad mínima teórica de la disipación que puede suceder durante la auto-replicación de las moléculas de ARN y de células bacterianas, y demostraron que está muy cercana a las cantidades reales que estos sistemas  disipan cuando se replican. También demostró que el ARN, el ácido nucleico que muchos científicos creen que sirvió como precursor a la vida basada en el ADN, es un material de construcción especialmente barato. Una vez que el ARN surgió, según él, la "implicación darwiniana" no sería tal vez tan sorprendente.

La química de la sopa primordial, las mutaciones al azar, la geografía, los eventos catastróficos y un sinnúmero de otros factores, han contribuido a que los detalles finos de la diversidad de la flora y fauna de la Tierra. Pero de acuerdo con la teoría de England, el principio subyacente que conduce todo el proceso es la adaptación de la disipación de la materia.

Este principio se aplicaría también a la materia inanimada. "Es muy tentador especular acerca de qué fenómenos de la naturaleza podemos ahora meter debajo de esta gran carpa de organización adaptativa de la disipación conducida", dijo England. "Muchos ejemplos podrían estar casi delante de nuestros ojos, y no nos hemos dado cuenta porque no los hemos buscado bajo este enfoque."

Los científicos ya habían observado la auto- replicación en los sistemas no vivientes. Según una nueva investigación dirigida por Philip Marcus, de la Universidad de California, Berkeley, e informaron en la revista Physical Review Letters, en agosto, los vórtices que en los fluidos turbulentos espontáneamente se replican a sí mismos, trazando la energía desde el recorte del fluido circundante. Y en un artículo que aparece en línea esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences, Michael Brenner, profesor de matemáticas y física aplicada en la Universidad de Harvard, y sus colaboradores, presentaron modelos teóricos y simulaciones de microestructuras que se auto-replican. Estos grupos de microesferas recubiertas especialmente disipan la energía enlazando esferas cercanas en una formación de grupos idénticos. "Esto conecta mucho con lo que dice Jeremy", señaló Brenner.

Además de la auto-replicación, una mayor organización estructural es otro medio por el cual, los sistemas fuertemente impulsados, ​​saltan por encima de su capacidad para disipar energía. Una planta, por ejemplo, es mucho mejor en la captura y enrutamiento de la energía solar a través de sí misma que un montón no estructurado de átomos de carbono. Así pues, England argumenta que bajo ciertas condiciones, la materia espontáneamente se auto-organiza. Esta tendencia podría explicar el orden interno de los seres vivos y también de muchas estructuras inanimadas. "Los copos de nieve, las dunas de arena y los vórtices turbulentos, todos ellos tienen en común que son estructuras de patrones sorprendentes que emergen de sistemas de muchas partículas impulsadas por algún proceso disipativo", dijo. La condensación, el viento y el arrastre viscoso son procesos relevantes en esos casos particulares .

"Me hace pensar que la distinción entre lo vivo y lo no vivo, no es tan aguda", comentaba Carl Franck, biofísico en la Universidad Cornell. "Estoy particularmente impresionado por este concepto que considera a los sistemas tan pequeños como circuitos químicos implicando a las biomoléculas."

Si la nueva teoría es correcta, la misma física que 
se identifica como responsable del origen de los 
seres vivos, podría explicar la formación de muchas
otras estructuras con patrones de la naturaleza. 
Los copos de nieve, las dunas de arena y los 
vórtices autorreplicantes de un disco proto-
planetario, todos serían ejemplos de adaptación 
de la disipación conducida. Wilson Bentley.
La audaz idea de England probablemente se enfrentará a un estrecho escrutinio en los próximos años. Actualmente está ejecutando simulaciones por ordenador para probar su teoría de que los sistemas de partículas adaptan sus estructuras para mejorar la disipación de la energía. El siguiente paso será llevar a cabo experimentos en los sistemas vivos.

Prentiss, que dirige un laboratorio de biofísica experimental en Harvard, dice que la teoría de England podría ser probada comparando las células con diferentes mutaciones, y buscar una correlación entre la cantidad de energía que las células se disipan y sus tasas de replicación. "Uno debe tener cuidado, ya que cualquier mutación podría hacer muchas cosas", dijo ella. "Pero si se consigue hacer muchos de estos experimentos en diferentes sistemas, y si la disipación y el éxito de replicación están de hecho correlacionados, eso sugeriría que este es un principio de organización correcto."

Brenner dijo que espera conectar la teoría de England a sus propias construcciones de microesferas, a fin de determinar si la teoría predice correctamente el que puedan ocurrir procesos de auto-replicación y auto-ensamblaje, "una cuestión fundamental de la ciencia".

Tener un principio general de la vida y de la evolución daría a los investigadores una perspectiva mucho más amplia sobre la aparición de la estructura y función de los seres vivos. "La selección natural no explica ciertas características", resaltaba Ard Louis, biofísico de la Universidad de Oxford. Estas características incluyen un cambio heredable para la expresión del gen llamado metilación, el aumento de la complejidad en ausencia de la selección natural, además de ciertos cambios moleculares que Louis ha estudiado recientemente.

Si la iniciativa de England da lugar a más pruebas, podría liberar a los biólogos de buscar una explicación darwiniana para cada adaptación y permitirles pensar en términos más generales, en términos de organización de la disipación conducida. Ellos podrían encontrar, por ejemplo, que "la razón por la que un organismo muestra la característica X en lugar de Y no es porque X sea más apropiado que Y, sino que debido a las restricciones físicas resulta más fácil desarrollarse X que Y", explicó Louis.

" La gente a menudo se bloquea pensando en los problemas individuales", comentaba Prentiss. Sean o no sean exactamente correctas las ideas de England, dijo, "pensar en términos más amplios permite hacer muchos avances científicos.


- Emily Singer contribuyó al reportaje .
- Imagen.1. Jeremy England, físico de 31 años de edad, en el MIT, cree que ha encontrado la física subyacente que lleva al origen y evolución de la vida. Katherine Taylor por Quanta Revista.
- Imagen.2. Las células del musgo Plagiomnium con visibles cloroplastos, orgánulos que llevan a cabo la fotosíntesis capturando la luz del Sol. Kristian Peters.
- Imagen.3. Una simulación por ordenador donde Jeremy England y sus colegas muestran un sistema de partículas confinadas dentro de un fluido viscoso, en el que las partículas de color turquesa son conducidas ​​por una fuerza oscilante. Con el tiempo (de arriba a abajo), la fuerza provoca la formación de más enlaces entre las partículas. Cortesía de Jeremy England
- Imagen.4. Cúmulos de Esferas autorreplicantes: Según una nueva investigación en Harvard, el revestimiento de las superficies de las microesferas pueden hacer que se ensamblen espontáneamente en una estructura elegida, como un polytetrahedron (rojo), lo cual activa las esferas cercanas a la formación de una estructura idéntica. Proceedings of the National Academy of Sciences/ Cortesía de Michael Brenner .
- Imagen.5. Si la nueva teoría es correcta, la misma física que se identifica como responsable del origen de los seres vivos, podría explicar la formación de muchas otras estructuras con patrones de la naturaleza. Los copos de nieve, las dunas de arena y los vórtices autorreplicantes de un disco proto-planetario, todos serían ejemplos de adaptación de la disipación conducida. Wilson Bentley.
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