La naturaleza aborrece los gradientes

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Los gradientes pueden ser de presión, concentración química, temperatura o cualquier potencial relativo al trabajo. Si un gradiente externo aparta al sistema del equilibrio, éste cambia de estado para oponerse al gradiente aplicado. En general, cuanto más se fuerza a un sistema a apartarse del equilibrio, más energía se requiere para mantenerlo en esa situación.
    Entre las vías disponibles para contrarrestar los gradientes, se encuentra el desarrollo de estructuras y procesos altamente organizados. De manera paradójica, a base de organizarse internamente, los procesos complejos, suprimen con más eficacia los gradientes de su entorno.

El "tornado en una botella" es un juguete que sirve para conectar dos botellas. Distribuido por Edmund Scientific Company, consiste en una columna de plástico estriada con un agujero. Se usa para unir dos botellas, con la de arriba parcialmente llena de agua. Luego se agita el conjunto dándole unas vueltas y forma un remolino.
   Sin el remolino, la botella se vacía por el agujero, gota a gota, en unos seis minutos. Con el remolino, en cambio el vaciado se completa en apenas 'once segundos! El sistema degrada el gradiente mucho más rápido cuando se encuentra altamente organizado que en ausencia de organización.[...] La degradación del gradiente de energía potencial gravitatoria se acelera en virtud de una estructura muy compleja (cien mil trillones de moléculas de agua interaccionan espontáneamente para formar un túnel giratorio). Nuestra herencia cultural, que apela a la lógica, la simplicidad y la elagancia, nos lleva a asumir que el camino más corto de A a B es la línea recta. Pero la menera más efectiva que tiene una botella de vaciarse es mediante un remolino, una estructura cíclica compleja e improbable sobre la base de una distribución aleatoria de las moléculas de agua.[...]
   La vida es un proceso terrible y bello, profundamente ligado a la energía, un proceso que crea estructuras improbables a medida que destruye gradientes [...]. La vida no es un clon; tiene dos progenitores: la selección natural y la termodinámica.
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El relato de los relatos

Espriroquetas.

  Puede que sea la fábula de las fábulas, el relato de los relatos: érase una vez, hace mucho,mucho, mucho tiempo, cuando sólo había bacterias en nuestro planeta.
  Aunque nadie más las importunara, estas bacterias tenían un problema: las que comían bien se desplazaban lentamente por su propio peso, mientras que las que surcaban rápidamente las aguas de aquí para allá pasaban hambre.
  Esto no era tan malo. Las limitaciones mutuas de las grandes y lentas y de las rápidas y hambrientas impedían que se comieran unas a otras. Esta privación fortuita regulaba la competencia, permitiendo que ambas poblaciones persistieran sin agotar todos los recursos disponibles.
  Hasta aquí muy bien (o al menos no tan mal).
  Entonces, un día, una bacteria grande y gorda se comió a una bacteria enjuta e inquieta, que no estaba bien alimentada pero era una nadadora excelente y veloz. De hecho, esto no ocurrió sólo una vez, sino miles de millones de veces a lo largo de la infancia de nuestro planeta.
  Pero aquel día ocurrió algo diferente y ciertamente extraordinario. La bacteria gorda no digirió a la atlética, sino que ambas se fusionaron. Sin hablarse, con el antiguo lenguaje de la bioquímica, un texto de moléculas y texturas en vez de palabras, la Bacteria Grande formuló una proposición simbiótica. Quería constituir el pacto definitivo, perfecto, total, simbiótico: una fusión no de posesiones, ni de labios u otras partes del cuerpo, sino de seres completos.
  "¿Por qué no nos movemos como tú lo haces", dijo la Gran Bacteria, "y comemos como yo sé hacerlo?"
  Y así fue como la Bacteria Veloz ya no tuvo que volver a pasar hambre, y se convirtió en una mantenida dentro del albergue translúcido de seres semipermeables mayores. Y así fue como la Bacteria Grande, aunque se las había arreglado bastante bien por sí sola, tenía ahora un medio de propulsión, igual que su descendencia, tan variopinta como ancho era el mar o alto el cielo.
  Ciertamente, éste fue un pacto de lo más fantástico. Es como si una piedra hubiera encontrado alas para volar, o como si un caracol hubiera inventado ruedas motorizadas.
  Lo cierto es que este pacto simbiótico no fue tan fácil. Hicieron falta unos asombrosos 1500 millones de años desde la primera de estas propuestas -la combinación de las inquietas espiroquetas con las arqueas- para que evolucionara una célula con núcleo, algo parecido a un paramecio o una ameba.
  La autora de esta fábula es, por supuesto Lynn Margulis [...]. Ilustra el nacimiento de la primera célula eucariótica, la célula que creó todo nuestro mundo vivo -todos los animales, plantas y hongos- mediante la amalgama profunda y permanente de diferentes tipos de bacterias. Aunque la primera parte de la historia, la fusión de las veloces espiroquetas con células bacterianas de mayor tamaño,no es universalmente aceptada, ni mucho menos, las partes segunda y tercera de esta fábula, que tienen que ver con la fusión de seres primitivos para producir las primeras células animales y vegetales, sí han hecho fortuna. Ahora se acepta, sobre la base de la evidencia genética, que las partes de la célula responsables de la respiración aeróbica, las mitocondrias, y las partes fotosintéticas de las células de las algas y plantas se originaron cuando nuestros ancestros remotos, las arqueas y las bacterias, se fusionaron.  El fabuloso procedimiento de la amalgama de seres separados para convertirse en uno solo hizo posible que estemos aquí ahora.
  Y la lección no podía ser más clara: la colaboración puede imponerse a la competencia.

Una mitocondria cercana al núcleo de una célula eucariota

  La simbiogénesis -la reunión de distintos organismos para formar nuevas entidades viables -es la idea más bella y poderosa de la biología después de la selección natural.
  Aunque a Lynn Margulis le corresponde el mérito de hacer que el mundo reconociera su veracidad, la idea no era original. Como ocurre a menudo, la idea que triunfa no es bien entendida de entrada por la comunidad científica. Otros pensadores revolucionarios, como el alemán Andreas Schimper (1883), el ruso Konstantin Merezhkovsky (1909), el francés Paul Portier (1918) y el estadounidense Ivan Wallin (1927), especularon de manera similar, y tuvieron que afrontar la incomprensión y el menosprecio de sus colegas.
  Una joven Lynn Margulis se enamoró de la simbiogénesis -fue ella quien finalmente proporcionó una descripción precisa de las fases del proceso que condujo de las bacterias a las células eucarióticas- en vez de disuadirla, las críticas la espolearon. No lo tuvo fácil, ni mucho menos. Su artículo pionero, "On the Origin of Mitosing Cells", se publicó en 1967 en la audaz y prestigiosa revista Journal of Theoretical Biology , pero sólo después de haber sido rechazado quince veces (¡quince!) por otras revistas de primera clase. Gracias a su insistencia, esta fábula -conocida técnicamente como teoría de la endosimbiosis seriada- se aceptó finalmente como verdadera.

Jorge Wagensberg, profesor de teoría de los procesos irreversibles en la facultad de Física de la Universidad de Barcelona, es uno de los comunicadores científicos más eminentes de España. Durante quince años dirigió CosmoCaixa, el museo de la ciencia de Barcelona, institución que recibió el premio al museo europeo del año en 2006

Jorge Wagensberg
 

Lynn Margulis
Dorion Sagan (ed.)

El tiempo no espera a nadie

...los enigmas del tiempo persisten. El alcance de estos enigmas puede apreciarse comparando la famosa teoría del eterno retorno de Nietzsche (todo lo que puede ocurrir ocurrirá, y no una vez, sino un número infinito de veces) con las ideas del biólogo teórico Stuart Kauffman. Matemáticamente, el tiempo transcurrido desde el origen del universo ha sido desoladoramente insuficiente para acomodar todas las combinaciones posibles de sus partículas constituyentes. En términos matemáticos, el cosmos es "no ergódico", no repetitivo. Esta observación es importante, ya que la termodinámica (el estudio de la energía y sus transformaciones) se ha basado tradicionalmente en la estadística de la mezcla en sistemas cerrados. Cuando la crema se mezcla con el café, el conjunto tiende al equilibrio a medida que avanza el flujo temporal: se entremezclan, y la temperatura del café se iguala a la del ambiente. Simplemente, el café y la crema tienen muchas más maneras de mezclarse que de separarse, y hay muchas más situaciones en las que el calor del café se mezcla con el frío del ambiente que al revés. No obstante, puesto que no ha transcurrido tiempo suficiente desde la gran explosión, y puesto que la organización presente de las partículas que componen la vida depende de ensamblajes ancestrales, la improbabilidad se exacerba. La evolución de la vida y la tecnología humana están, según Kauffman, "cinéticamente atrapadas". Las ecuaciones de Newton nunca habrían predicho las pisadas humanas en la Luna. Es más, inlcuso las ecuacions de Einstein y Bohr, y virtualmente  todas las de la ciencia moderna, asumen incorrectamente que podemos establecer de antemano el entorno que queremos predecir. "Me encanta no conocer el futuro", escribió Nietzsche. No podemos aplicar leyes porque la evolución es demasiado poderosa. Kauffman, inspirándose en una especulación de su amigo el cosmólogo Lee Smolin -quien ha propuesto una selección natural de universos en que los agujeros negros dan lugar a nuevos universos con nuevas constantes y leyes- llega a preguntarse si lo que tomamos por leyes naturales eternas no surgen en realidad a lo largo del tiempo evolutivo, como los códigos humanos. El movimiento reglado de los cromosomas en las células, por ejemplo, no existía en el origen de la vida. El último trilobite que saltó hacia la izquierda en lugar de hacia la derecha y fue devorado se llevó con él, para siempre, los genes de todo un linaje. ..

   Kauffman argumenta que estos raros eventos, los cuales suceden a medida que el cosmos y la vida avanzan contingentemente hacia un futuro siempre conectado al pasado, no pueden darse por sentados de antemano. La visión de Kauffman tiene reminiscencias de la expresada por el novelista checo Milan Kundera en La insoportable levedad del ser: la idea de que los hechos nunca se repiten exactamente, sino que más bien flotan a la deriva, para nunca repetirse o rescatarse, en una nube existencial que se dispersa hasta el infinito. La vida no es un experimento repetible. Nada ocurre dos veces de la misma manera. Podemos reconocer cuánto debe de esta postura a la formulación termodinámica de la entropía. Aún más extraña es la visión bolzmanniana  que se ve modificada por ella: la de la eterna recurrencia.

   En la física clásica no hay direcciones preferentes. Sí, todos los átomos de oxígeno de la habitación podrían converger en una esquina  y hacer que muriésemos de asfixia. Pero la probabilidad de que esto ocurra es prácticamente nula. Las moléculas de O2 siguen llenando la habitación y siendo respirables. El matemático francés Jule-Henri Poincaré, sin embargo, señaló que en un tiempo infinito (un periodo ciertamente largo) todas las moléculas de oxígeno se concentrarán en una esquina de la habitación ¡ un número infinito de veces! Todo sistema dinámico aislado acabará regresando a un estado tan próximo a su condición inicial como queramos. Éste era su "teorema de recurrencia": en un tiempo infinito todo lo que puede ocurrir ocurrirá. Tu pelo estará peinado, enmarañado, cortado al cepillo y al cero, con la raya en medio y en todos los estilos. Estarás leyendo estas líneas, estarás comprando este libro, escribirás notas en los márgenes. Morirás, y no sólo volverás a vivir y morir otra vez, sino infinitas veces. Es posible que la objeción de Poincaré a la lógica probabilística del tiempo lineal de Boltzmann influyera en el filósofo alemán Friedrich Nietzsche y su doctrina del eterno retorno................................



La Termodinámica de la Vida
Eric D. Schneider y Dorion Sagan

La animación de la materia

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Algunas moléculas acabaron siendo catalizadores; favorecían y aceleraban la unión o la separación de otras moléculas sin ser ellas destruidas. Los catalizadores fueron importantes antes de la aparición de la vida porque actuaban contra el azar para producir un orden y una pauta en los procesos químicos. Poco a poco, esos catalizadores y las reacciones que facilitaban proliferaron más que otras combinaciones. Aunque eran cada vez más complejos, aquellos procesos tenían durabilidad y permanecían en la aguas de la Tierra primitiva. Hoy en día, determinados grupos de moléculas pueden actuar de autocatalizadores en una serie de reacciones sorprendentemente complejas y ordenadas o en reacciones cíclicas, en la que cada cambio es el origen de otro en la cadena molecular. Algunas de estas reacciones autocatalíticas "sin vida" forman patrones cuya complejidad, al ir aumentando con el tiempo, tienen reminiscencias vitales
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Microcosmos
Lynn Margulis y Dorion Sagan