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La investigación sobre la relación entre la entropía de la cantidad termodinámica y la evolución de la vida comenzó a principios del siglo XX. En 1910, el historiador estadounidense Henry Adams imprimió y distribuyó a bibliotecas universitarias y profesores de historia el pequeño volumen A Letter to American Teachers of History que proponía una teoría de la historia basada en la segunda ley de la termodinámica y en el principio de la entropía. [1] [2]

El libro de 1944 ¿Qué es la vida? por el premio Nobel de física Erwin Schrödinger estimuló la investigación adicional en el campo. En su libro, Schrödinger declaró originalmente que la vida se alimenta de la entropía negativa, o negentropía como a veces se la llama, pero en una edición posterior se corrigió a sí mismo en respuesta a las quejas y afirmó que la verdadera fuente es la energía libre . Un trabajo más reciente ha restringido la discusión a la energía libre de Gibbs porque los procesos biológicos en la Tierra normalmente ocurren a una temperatura y presión constantes, como en la atmósfera o en el fondo del océano, pero no en ambos durante cortos períodos de tiempo para organismos individuales. .

Las ideas sobre la relación entre la entropía y los organismos vivos han inspirado hipótesis y especulaciones en muchos contextos, incluida la psicología , la teoría de la información , el origen de la vida y la posibilidad de vida extraterrestre .

Vistas tempranas [ editar ]

En 1863, Rudolf Clausius publicó sus destacadas memorias Sobre la concentración de rayos de calor y luz y sobre los límites de su acción , en las que esbozó una relación preliminar, basada en su propio trabajo y el de William Thomson (Lord Kelvin) , entre procesos vivos y su concepto recientemente desarrollado de entropía. [ cita requerida ] Basándose en esto, uno de los primeros en especular sobre una posible perspectiva termodinámica de la evolución orgánica fue el físico austriaco Ludwig Boltzmann . En 1875, basándose en las obras de Clausius y Kelvin, Boltzmann razonó:

La lucha general por la existencia de los seres animados no es una lucha por las materias primas - estos, para los organismos, son el aire, el agua y el suelo, todos disponibles en abundancia - ni por la energía que existe en abundancia en cualquier cuerpo en forma de calor, sino un lucha por la entropía [negativa] , que se vuelve disponible a través de la transición de energía del sol caliente a la tierra fría . [3]

En 1876, el ingeniero civil estadounidense Richard Sears McCulloh , en su Tratado sobre la teoría mecánica del calor y su aplicación a la máquina de vapor , que fue uno de los primeros libros de texto de termodinámica, afirma, después de hablar sobre las leyes del mundo físico, que "existe no hay ninguno que se establezca sobre una base más firme que las dos proposiciones generales de Joule y Carnot , que constituyen las leyes fundamentales de nuestro sujeto ". McCulloh luego continúa mostrando que estas dos leyes pueden combinarse en una sola expresión de la siguiente manera:

dónde

entropía
una cantidad diferencial de calor que pasa a un sistema termodinámico
temperatura absoluta

McCulloh luego declara que las aplicaciones de estas dos leyes, es decir, lo que actualmente se conoce como la primera ley de la termodinámica y la segunda ley de la termodinámica , son innumerables:

Cuando reflexionamos sobre cómo los fenómenos físicos en general están conectados con los cambios y relaciones térmicos, de inmediato se hace evidente que hay pocas, si es que hay alguna, ramas de las ciencias naturales que no dependan más o menos de las grandes verdades que se están considerando. Por lo tanto, tampoco debe sorprendernos que, en el corto espacio de tiempo, que aún no ha transcurrido una generación desde que se adoptó libremente la teoría mecánica del calor , se hayan revolucionado por ella ramas enteras de la ciencia física. [4] : pág. 267

McCulloh da algunos de los que él llama los "ejemplos más interesantes" de la aplicación de estas leyes en extensión y utilidad. Su primer ejemplo es la fisiología , donde afirma que "el cuerpo de un animal, no menos que un vapor o una locomotora, es verdaderamente una máquina térmica , y el consumo de alimentos en uno es precisamente análogo a la quema de combustible en el otro; en ambos, el proceso químico es el mismo: el llamado combustión ”. Luego incorpora una discusión de la teoría de la respiración de Antoine Lavoisier con ciclos de digestión, excreción y transpiración, pero luego contradice a Lavoisier con hallazgos recientes, como el calor interno generado por la fricción., según la nueva teoría del calor , que, según McCulloh, afirma que "el calor del cuerpo de forma general y uniforme se difunde en lugar de concentrarse en el pecho". McCulloh luego da un ejemplo de la segunda ley, donde afirma que la fricción, especialmente en los vasos sanguíneos más pequeños, debe desarrollar calor. Sin duda alguna, una fracción del calor generado por los animales se produce de esta forma. Luego pregunta: "pero, ¿de dónde proviene el gasto de energía que causa esa fricción, y cuál debe ser explicado en sí mismo?"

Para responder a esta pregunta, recurre a la teoría mecánica del calor y continúa describiendo vagamente cómo el corazón es lo que él llama una "bomba de fuerza", que recibe sangre y la envía a todas las partes del cuerpo, como descubrió William Harvey. , y que "actúa como el pistón de un motor y depende y, en consecuencia, se debe al ciclo de nutrición y excreción que sustenta la vida física u orgánica". Es probable que McCulloh modeló partes de este argumento a partir del famoso ciclo de Carnot . En conclusión, resume su argumento de primera y segunda ley como tal:

Al estar sujeto todo lo físico a la ley de conservación de la energía , se deduce que ninguna acción fisiológica puede tener lugar excepto con el gasto de energía derivada de los alimentos; además, que un animal que realiza un trabajo mecánico debe generar menos calor a partir de la misma cantidad de alimento que uno que se abstiene de realizar un esfuerzo, siendo la diferencia precisamente el equivalente en calor del trabajo. [4] : pág. 270

Entropía negativa [ editar ]

En el libro de 1944 ¿Qué es la vida? , El físico austriaco Erwin Schrödinger , que en 1933 había ganado el Premio Nobel de Física , teorizó que la vida, contrariamente a la tendencia general dictada por la segunda ley de la termodinámica , que establece que la entropía de un sistema aislado tiende a aumentar, disminuye o se mantiene constante su entropía alimentándose de entropía negativa. [5] El problema de la organización en los sistemas vivos que aumenta a pesar de la segunda ley se conoce como la paradoja de Schrödinger. [6] En su nota al Capítulo 6 de ¿Qué es la vida? , sin embargo, Schrödinger comenta sobre su uso del término entropía negativa:

Permítanme decir primero, que si hubiera estado atendiendo solo a ellos [físicos], debería haber dejado que la discusión girara en torno a la energía libre . Es la noción más familiar en este contexto. Pero este término altamente técnico parecía lingüísticamente demasiado cercano a la energía para hacer que el lector promedio se diese cuenta del contraste entre las dos cosas.

Esto, argumenta Schrödinger, es lo que diferencia la vida de otras formas de organización de la materia . En esta dirección, aunque se puede argumentar que la dinámica de la vida va en contra de la tendencia de la segunda ley, la vida de ninguna manera entra en conflicto con esta ley ni la invalida, porque el principio de que la entropía solo puede aumentar o permanecer constante se aplica solo a un sistema cerrado. que está aislado adiabáticamente, lo que significa que el calor no puede entrar ni salir, y los procesos físicos y químicos que hacen posible la vida no ocurren en aislamiento adiabático, es decir, los sistemas vivos son sistemas abiertos. Siempre que un sistema pueda intercambiar calor o materia con su entorno, una disminución de la entropía de ese sistema es totalmente compatible con la segunda ley. [7]

Schrödinger hizo la pregunta: "¿Cómo evita la descomposición el organismo vivo?" La respuesta obvia es: "Al comer, beber, respirar y (en el caso de las plantas) asimilar". Si bien la energía de los nutrientes es necesaria para mantener el orden de un organismo, Schrödinger también postuló proféticamente la existencia de otras moléculas igualmente necesarias para crear el orden observado en los organismos vivos: "El asombroso don de un organismo de concentrar una corriente de orden en sí mismo y así escapar de la descomposición en el caos atómico - de beber el orden de un ambiente adecuado - parece estar conectado con la presencia de los sólidos aperiódicos ... "Ahora sabemos que este cristal" aperiódico "es ADN, y que su disposición irregular es una forma de información. "El ADN en el núcleo celular contiene la copia maestra del software, por duplicado. Este software parece controlar especificando un algoritmo, o un conjunto de instrucciones, para crear y mantener todo el organismo que contiene la célula". [8]

El ADN y otras macromoléculas determinan el ciclo de vida de un organismo: nacimiento, crecimiento, madurez, declive y muerte. La nutrición es necesaria pero no suficiente para explicar el crecimiento en tamaño, ya que la genéticaes el factor gobernante. En algún momento, prácticamente todos los organismos normalmente declinan y mueren incluso mientras permanecen en ambientes que contienen suficientes nutrientes para sustentar la vida. El factor de control debe ser interno y no los nutrientes o la luz solar actuando como variables causales exógenas. Los organismos heredan la capacidad de crear estructuras biológicas únicas y complejas; Es poco probable que esas capacidades se reinventen o se enseñen a cada generación. Por lo tanto, el ADN también debe estar operativo como causa principal en esta característica. Aplicando la perspectiva de Boltzmann de la segunda ley, el cambio de estado de un arreglo de entropía más probable, menos ordenado y más alto a uno de menos probabilidad, más orden y entropía más baja (como se ve en el ordenamiento biológico) requiere una función como esa conocido de ADN. ADN 'La función aparente de procesamiento de información proporciona una resolución de la paradoja de Schrödinger planteada por la vida y el requisito de entropía de la segunda ley.[9]

Energía libre de Gibbs y evolución biológica [ editar ]

En los últimos años, la interpretación termodinámica de la evolución en relación con la entropía ha comenzado a utilizar el concepto de energía libre de Gibbs , en lugar de entropía. [10] [11] Esto se debe a que los procesos biológicos en la Tierra tienen lugar a una temperatura y presión aproximadamente constantes, una situación en la que la energía libre de Gibbs es una forma especialmente útil de expresar la segunda ley de la termodinámica. La energía libre de Gibbs viene dada por:

dónde

Energía libre de Gibbs
la entalpía pasa a un sistema termodinámico
temperatura absoluta
entropía

La minimización de la energía libre de Gibbs es una forma del principio de energía mínima , que se deriva del principio de maximización de la entropía para sistemas cerrados. Además, la ecuación de energía libre de Gibbs, en forma modificada, se puede utilizar para sistemas abiertos cuando se incluyen términos de potencial químico en la ecuación de balance de energía. En un popular libro de texto de 1982, Principles of Biochemistry , señaló el bioquímico estadounidense Albert Lehningerargumentó que el orden producido dentro de las células a medida que crecen y se dividen es más que compensado por el desorden que crean en su entorno en el curso del crecimiento y la división. En resumen, según Lehninger, "los organismos vivos conservan su orden interno tomando de su entorno energía libre , en forma de nutrientes o luz solar, y devolviendo a su entorno una cantidad igual de energía que el calor y la entropía". [12]

De igual forma, según el químico John Avery , de su libro de 2003 Information Theory and Evolution , nos encontramos con una presentación en la que el fenómeno de la vida, incluyendo su origen y evolución, así como la evolución cultural humana, tiene su base en el trasfondo de la termodinámica. , mecánica estadística y teoría de la información . La (aparente) paradoja entre la segunda ley de la termodinámica y el alto grado de orden y complejidad que producen los sistemas vivos, según Avery, tiene su resolución "en el contenido de información de la energía libre de Gibbs que ingresa a la biosfera desde fuentes externas". [13]Suponiendo que la evolución impulsa a los organismos hacia un mayor contenido de información, Gregory Chaitin postula que la vida tiene propiedades de alta información mutua, [14] y Tamvakis que la vida puede cuantificarse utilizando métricas de densidad de información mutua, una generalización del concepto de Biodiversidad . [15]

En un estudio titulado "Selección natural para la mínima acción" publicado en las Actas de la Royal Society A. , Ville Kaila y Arto Annila de la Universidad de Helsinki describen cómo el proceso de selección naturalresponsable de tal aumento local en el orden puede derivarse matemáticamente directamente de la expresión de la ecuación de la segunda ley para sistemas abiertos conectados que no están en equilibrio. La segunda ley de la termodinámica se puede escribir como una ecuación de movimiento para describir la evolución, mostrando cómo la selección natural y el principio de mínima acción pueden conectarse expresando la selección natural en términos de termodinámica química. Desde este punto de vista, la evolución explora posibles caminos para nivelar las diferencias en las densidades de energía y así aumentar la entropía más rápidamente. Por lo tanto, un organismo sirve como mecanismo de transferencia de energía y las mutaciones beneficiosas permiten que los organismos sucesivos transfieran más energía dentro de su entorno. [16] [17]

La entropía y el origen de la vida [ editar ]

La segunda ley de la termodinámica aplicada al origen de la vida es un tema mucho más complicado que el desarrollo posterior de la vida, ya que no existe un "modelo estándar" de cómo surgieron las primeras formas de vida biológicas, solo una serie de hipótesis en competencia. El problema se discute en el contexto de la abiogénesis , lo que implica una evolución química predarwiniana gradual. En 1924, Alexander Oparin sugirió que se proporcionaba suficiente energía para generar formas de vida tempranas a partir de moléculas no vivas en una "sopa primordial". El científico belga Ilya Prigogine fue galardonado con el Premio Nobel en 1977 por un análisis en esta área. Un tema relacionado es la probabilidad de que surja la vida, que se ha discutido en varios estudios,por ejemplo porRussell Doolittle . [18]

En 2009, el físico Karo Michaelian publicó una teoría de la disipación termodinámica para el origen de la vida [19] [20] en la que las moléculas fundamentales de la vida; Se considera que los ácidos nucleicos, aminoácidos, carbohidratos (azúcares) y lípidos se produjeron originalmente como estructuras disipativas microscópicas (a través de la estructuración disipativa de Prigogine [21] ) como pigmentos en la superficie del océano para absorber y disipar en calor el flujo UVC de la energía solar. la luz llega a la superficie de la Tierra durante el Arcaico, al igual que los pigmentos orgánicos en la región visible hoy. Estos pigmentos UVC se formaron mediante la estructuración fotoquímica disipativa a partir de moléculas precursoras más comunes y simples como HCN y H 2 O bajo el flujo UVC de la luz solar. [19][20] [22] La función termodinámica de los pigmentos originales (moléculas fundamentales de la vida) era aumentar la producción de entropía de la biosfera incipiente bajo el flujo de fotones solares y esto, de hecho, sigue siendo la función termodinámica más importante de la biosfera. hoy, pero ahora principalmente en la región visible donde las intensidades de fotones son más altas y las vías biosintéticas son más complejas, lo que permite que los pigmentos se sinteticen a partir de luz visible de menor energía en lugar de luz UVC que ya no llega a la superficie de la Tierra.

La entropía y la búsqueda de vida extraterrestre [ editar ]

En 1964, James Lovelock estaba entre un grupo de científicos a los que la NASA solicitó que hicieran un sistema teórico de detección de vida para buscar vida en Marte durante la próxima misión espacial. Al pensar en este problema, Lovelock se preguntó "¿cómo podemos estar seguros de que la vida marciana, si la hay, se revelará a las pruebas basadas en el estilo de vida de la Tierra?" [23] Para Lovelock, la pregunta básica era "¿Qué es la vida y cómo se debe reconocer?" Al hablar de este tema con algunos de sus colegas del Laboratorio de Propulsión a Chorro , se le preguntó qué haría para buscar vida en Marte. A esto, Lovelock respondió: "Buscaría una reducción de entropía, ya que esta debe ser una característica general de la vida". [23]

En 2013, Azua-Bustos y Vega argumentaron que, sin tener en cuenta los tipos de formas de vida que podrían imaginarse tanto en la Tierra como en otras partes del Universo, todos deberían compartir el atributo de disminuir su entropía interna a expensas de la energía libre obtenida de su alrededores. Como la entropía permite la cuantificación del grado de desorden en un sistema, cualquier forma de vida imaginada debe tener un grado más alto de orden que su entorno de apoyo inmediato. Estos autores demostraron que utilizando únicamente el análisis matemático fractal, podían cuantificar fácilmente el grado de diferencia de complejidad estructural (y por lo tanto entropía) de los procesos vivos como entidades distintas separadas de su entorno abiótico similar.Este enfoque puede permitir la detección futura de formas de vida desconocidas tanto en el Sistema Solar como en exoplanetas recientemente descubiertos basados ​​en nada más que diferenciales de entropía de conjuntos de datos complementarios (morfología, coloración, temperatura, pH, composición isotópica, etc.).[24]

Entropía en psicología [ editar ]

La noción de entropía como desorden ha sido transferida de la termodinámica a la psicología por el psiquiatra polaco Antoni Kępiński , quien admitió estar inspirado por Erwin Schrödinger. [25] En su marco teórico ideado para explicar los trastornos mentales (la teoría del metabolismo de la información ), la diferencia entre los organismos vivos y otros sistemas se explicó como la capacidad de mantener el orden. Al contrario de la materia inanimada, los organismos mantienen el orden particular de sus estructuras corporales y mundos internos que imponen a su entorno y lo transmiten a las nuevas generaciones. La vida de un organismo o especie cesa tan pronto como pierde esa capacidad. [26]El mantenimiento de ese orden requiere un intercambio continuo de información entre el organismo y su entorno. En organismos superiores, la información se adquiere principalmente a través de receptores sensoriales y se metaboliza en el sistema nervioso . El resultado es acción: alguna forma de movimiento , por ejemplo , locomoción , habla , movimiento interno de órganos, secreción de hormonas , etc. Las reacciones de un organismo se convierten en una señal informativa para otros organismos. Metabolismo de la información, que permite a los sistemas vivos mantener el orden, sólo es posible si existe una jerarquía de valores, ya que las señales que llegan al organismo deben estructurarse. En los humanos, esa jerarquía tiene tres niveles, es decir, biológico, emocional y sociocultural. [27] Kępiński explicó cómo varios trastornos mentales son causados ​​por distorsiones de esa jerarquía, y que el retorno a la salud mental es posible mediante su restauración. [28]

La idea fue continuada por Struzik, quien propuso que la información teoría metabolismo del Kepinski puede ser visto como una extensión de Léon Brillouin 's principio negentropy de la información . [29] En 2011, la noción de "entropía psicológica" fue reintroducida a los psicólogos por Hirsh et al. [30] De manera similar a Kępiński, estos autores señalaron que el manejo de la incertidumbre es una habilidad crítica para cualquier organismo. La incertidumbre, que surge debido al conflicto entre las posibilidades perceptivas y conductuales en competencia , se experimenta subjetivamente como ansiedad.. Hirsh y sus colaboradores propusieron que tanto los dominios perceptivo como conductual pueden conceptualizarse como distribuciones de probabilidad y que la cantidad de incertidumbre asociada con una experiencia perceptiva o conductual determinada puede cuantificarse en términos de la fórmula de entropía de Claude Shannon .

Objeciones [ editar ]

La entropía está bien definida para los sistemas de equilibrio, por lo que se han planteado objeciones a la extensión de la segunda ley y de la entropía a los sistemas biológicos, especialmente en lo que respecta a su uso para apoyar o desacreditar la teoría de la evolución. [31] [32] Los sistemas vivos y de hecho muchos otros sistemas y procesos en el universo operan lejos del equilibrio.

Sin embargo, la entropía está bien definida de manera mucho más amplia en función de las probabilidades de los estados de un sistema, ya sea que el sistema sea dinámico o no (para lo cual el equilibrio podría ser relevante). Incluso en aquellos sistemas físicos donde el equilibrio podría ser relevante, (1) los sistemas vivos no pueden persistir de forma aislada, y (2) el segundo principio de la termodinámica no requiere que la energía libre se transforme en entropía a lo largo del camino más corto: los organismos vivos absorben energía de la luz solar o de compuestos químicos ricos en energía y finalmente devuelve parte de dicha energía al medio ambiente como la entropía (generalmente en forma de calor y compuestos de baja energía libre como el agua y el dióxido de carbono).

Ver también [ editar ]

  • Abiogénesis
  • Sistema adaptativo
  • Sistemas complejos
  • Sistema disipativo
  • Entropía ecológica : una medida de la biodiversidad en el estudio de la ecología biológica.
  • Ectropía : una medida de la tendencia de un sistema dinámico a realizar un trabajo útil y volverse más organizado [33]
  • Entropía (orden y desorden)
  • Extropía : término metafórico que define el alcance de la inteligencia, el orden funcional, la vitalidad, la energía, la vida, la experiencia y la capacidad de un sistema vivo u organizacional, y el impulso para la mejora y el crecimiento.
  • Negentropía : una frase coloquial abreviada para la entropía negativa [34]

Referencias [ editar ]

  1. ^ Adams, Henry. (1986). Historia de los Estados Unidos de América durante la administración de Thomas Jefferson (pág. 1299). Biblioteca de América.
  2. ^ Adams, Henry. (1910). Una carta a los profesores de historia estadounidenses. Google Books , PDF escaneado . Washington.
  3. ^ Boltzmann, Ludwig (1974). La segunda ley de la termodinámica (Física teórica y problemas filosóficos) . Springer-Verlag Nueva York, LLC. ISBN 978-90-277-0250-0.
  4. ↑ a b McCulloch, Richard Sears (1876). Tratado sobre la teoría mecánica del calor y sus aplicaciones a la máquina de vapor, etc . Nueva York: D. Van Nostrand.
  5. ^ Schrödinger, Erwin (1944). ¿Qué es la vida? El aspecto físico de la célula viva . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-42708-1.
  6. ^ Schneider, Eric D .; Sagan, Dorion (2005). Hacia lo fresco: termodinámica del flujo de energía y vida . Chicago, Estados Unidos: The University of Chicago Press. pag. 15.
  7. ↑ La justificación común para este argumento, por ejemplo, según el renombrado ingeniero químico Kenneth Denbigh en su libro de 1955 The Principles of Chemical Equilibrium , es que "los organismos vivos están abiertos a su entorno y pueden acumularse a expensas de los alimentos que toman. en y degradar ".
  8. ^ Nelson, P. (2004). Física Biológica, Energía, Información, Vida . WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-4372-8 
  9. ^ Peterson, Jacob. "Comprensión de la termodinámica del orden biológico". The American Biology Teacher , 74, número 1, enero de 2012, págs. 22-24.
  10. ^ Moroz, Adam (2012). Las extremidades comunes en biología y física . Elsevier. ISBN 978-0-12-385187-1.
  11. ^ Higgs, PG y Pudritz, RE (2009). "Una base termodinámica para la síntesis de aminoácidos prebióticos y la naturaleza del primer código genético" Aceptado para su publicación en Astrobiología
  12. ^ Lehninger, Albert (1993). Principios de Bioquímica, 2ª Ed . Digno de los editores. ISBN 978-0-87901-711-8.
  13. ^ Avery, John (2003). Teoría y evolución de la información . World Scientific. ISBN 978-981-238-399-0.
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  15. ↑ Tamvakis, Ioannis (2018). "Cuantificando la vida" .
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Lectura adicional [ editar ]

  • Schneider, E. y Sagan, D. (2005). Hacia lo fresco: flujo de energía, termodinámica y vida . Prensa de la Universidad de Chicago, Chicago. ISBN 9780226739366 
  • Kapusta, A (2007). "Círculo de la vida, el tiempo y el yo en la concepción del metabolismo de la información de Antoni Kępiński" . Filosofija. Sociologija . 18 (1): 46–51.
  • La Cerra, P. (2003). La Primera Ley de la Psicología es la Segunda Ley de la Termodinámica: El Modelo Energético Evolutivo de la Mente y la Generación de Fenómenos Psicológicos Humanos, Human Nature Review 3: 440–447.
  • Moroz, A. (2011). Las extremidades comunes en biología y física . Elsevier Insights, Nueva York. ISBN 978-0-12-385187-1 

Enlaces externos [ editar ]

  • Evolución termodinámica del universo pi.physik.uni-bonn.de/~cristinz