Artículo publicado el 10 de septiembre de 2012 en The Physics ArXiv Blog
Las leyes de la termodinámica deben aplicarse a sistemas auto-replicantes. Ahora un físico ha calculado cómo.
Aquí hay un interesante experimento mental. Imagina una caja llena de distintos átomos y moléculas en proporciones aproximadamente equivalentes a la composición de la sopa prebiótica en la que medra la vida.
¿Qué probabilidad hay de que estas moléculas se reordenen en un ser vivo completo como una bacteria, por ejemplo? Esta es una pregunta difícil, pero Jeremy England del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge ha calculado una respuesta, al menos en teoría. Sus resultados son una fascinante lectura.
Primera ley de la termodinámica © by vjbp56
Parte del problema es que es difícil definir la propia vida. Pero England tiene una forma de solventar esto. Su idea es examinar cada posible combinación de estados posibles en esta caja, y luego consultar a un omnisciente microbiólogo acerca de si cada estado representa una bacteria o no. De esta forma debería ser posible, al menos en principio, lograr una idea de la física estadística implicada.
Luego, pide al microbiólogo que eche otro vistazo a la caja después de un periodo aproximadamente equivalente al tiempo que necesita una bacteria para dividirse.
La cuestión entonces es lo probable que puede ser que haya dos bacterias en la caja.
De nuevo, el omnisciente microbiólogo podría observar cada posible estado de la caja y decir si ha tenido lugar o no auto-replicación. Si la caja contiene dos bacterias es posible calcular cuánta entropía se ha creado en el proceso y cuánto calor se ha usado.
England introduce varias leyes básicas de la termodinámica y de esta forma construye un modelo de física estadística de auto-replicación, un modelo análogo a las leyes que gobiernan el comportamiento estadístico de cualquier conjunto de partículas en una caja.
Por comparar, también echa un vistazo a la estadística que gobierna el proceso inverso – la descomposición espontánea de bacterias en dióxido de carbono, hidrógeno etc.
Esto establece un vínculo importante en lo que es posible termodinámicamente en este sistema: en efecto, England deriva la segunda ley de la termodinámica para el sistema. A partir de esto calcula varias ‘leyes’ como la cantidad mínima de calor que produciría una ronda de división celular.
Por último, introduce algunos valores en su modelo, incluyendo cifras tales como el tiempo de vida de los enlaces peptídicos en sistemas biológicos, para calcular cuánto calor deberían producir sistemas complejos como la bacteria E. coli cuando se replican.
Resulta que la bacteria E. coli es un replicador extremadamente eficiente. “Los organismos pueden convertir la energía química en una nueva copia de sí mismos de manera tan eficiente que si produjesen la mitad de calor empujarían los límites de lo termodinámicamente posible”, comenta.
Realiza 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.
Este es un resultado interesante dado que muchos biólogos han sugerido que los primeros sistemas auto-replicantes en la sopa prebiótica de la Tierra debieron haber estado basados en el ARN más que en el ADN.
En el pasado, los biólogos han estudiado las propiedades catalíticas del ARN que son cruciales para las células vivas y observaron que el ADN no comparte estas propiedades. Por lo que la idea es que el ARN debe haber llegado antes en la línea temporal de la replicación, evolucionando más tarde el ADN conforme la vida se hacía más compleja.
El trabajo de England respalda la idea por unas razones completamente distinta – el ARN es termodinámicamente mejor en la auto-replicación. Un resultado fascinante.
Sin embargo, el trabajo tiene una importante limitación. No logra abordar la definición de la naturaleza de la vida y en lugar de esto desvía el problema a un omnisciente microbiólogo que, se supone, puede proporcionar una respuesta.
Hay una prometedora pista en el enfoque de England que algún día podría resolver este problema. Explorando el papel de la física estadística en más detalle puede ser posible definir la vida en términos termodinámicos precisos.
Por esta razón merece la pena ver hasta dónde lleva England su idea.
Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1209.1179: Statistical Physics of Self-Replication
Fecha Original: 10 de septiembre de 2012
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