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¿Puede la física explicar la biología?

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El siguiente es un extracto de nuestro boletín Lost in Space-Time. Cada mes le damos el teclado a uno o dos físicos para que te cuenten ideas fascinantes de su rincón del universo. Puedes registrarte en Lost in Space-Time aquí.

En los albores de los tiempos, el universo explotó con el Big Bang, desencadenando una cadena de eventos que llevó a que las partículas subatómicas se agregaran en átomos, moléculas y, finalmente, en los planetas, estrellas y galaxias que vemos hoy. Esa cadena de eventos también nos condujo a nosotros, aunque a menudo vemos la vida y la formación del universo como enseñanzas separadas o “que no se cruzan”, para usar la frase del biólogo Stephen Jay Gould.

Para los cosmólogos, los sistemas complejos como la vida parecen tener poca relevancia para los problemas que intentan resolver, como el Big Bang o el Modelo Estándar de la física de partículas. Al igual que los biólogos, la vida se aloja en una biosfera que está desvinculada de los eventos del grandioso universo. ¿Pero es eso cierto?

Científicos notables, incluidos John von Neumann, Erwin Schrödinger, Claude Shannon y Roger Penrose, han promovido la idea de que mirar la vida y el universo juntos podría dar lugar a ideas.

Los puntos de vista del físico Erwin Schrödinger fueron particularmente interesantes porque sus audaces especulaciones y predicciones tuvieron un enorme impacto en la biología. En 1943 pronunció una serie de conferencias en el Trinity College de Dublín, que finalmente se publicaron en un pequeño pero poderoso libro titulado qué es la vida En él, especuló sobre cómo la física podría trabajar junto con la biología y la química para explicar cómo surge la vida a partir de la materia inanimada.

Schrödinger creía que las mismas leyes de la física que describen una estrella deben ser responsables de los intrincados procesos metabólicos dentro de una célula viva. Sabía que la física de su tiempo era insuficiente para explicar algunos de los ingeniosos descubrimientos experimentales que ya se habían hecho sobre las células vivas, pero siguió adelante de todos modos y trató de usar la física que conocía para explicar la biología.

Dijo que la mecánica cuántica tiene un papel clave que desempeñar en la vida, ya que es necesaria para estabilizar los átomos y permitirles combinarse en las moléculas que se encuentran en la materia viva y no viva. En la materia inanimada como En el metal, la mecánica cuántica permite que las moléculas se organicen de formas interesantes, como B. cristales periódicos – red molecular con altos grados de simetría. Pero creía que la periodicidad era demasiado simple para la vida; en cambio, especuló que la materia viva está gobernada por cristales aperiódicos. Propuso que este tipo de estructura molecular no repetitiva debería albergar un «script de código» que generaría «el patrón completo del desarrollo y funcionamiento futuro del individuo en el estado maduro». En otras palabras, se topó con una descripción temprana del ADN.

El enfoque de un extraño

Antes de la época de Schrödinger, a los biólogos se les había ocurrido la idea del gen, pero no era más que una unidad indefinida de herencia. Hoy en día, la idea de que los genes se rigen por un código que programa las estructuras y los mecanismos de las células y determina el destino de los organismos vivos parece tan familiar que se siente como sentido común. Sin embargo, exactamente cómo se logra esto a nivel molecular sigue siendo un misterio para los biólogos.

Es particularmente digno de mención que Schrödinger utilizó consideraciones mecánicas cuánticas para formular su hipótesis. Era un extraño para la biología, y eso naturalmente lo llevó a aportar un enfoque diferente.

La física y la biología han recorrido un largo camino desde la época de Schrödinger. ¿Y si seguimos el mismo proceso y nos preguntamos qué es la vida hoy??

A lo largo de los años, nosotros, los autores de este boletín, hemos desarrollado un patrón. Nos reunimos, a veces con bebidas, para intercambiar ideas y compartir nuestros últimos pensamientos sobre cosmología o biología molecular. A menudo nos quedábamos hasta tarde charlando mientras escuchábamos a nuestros músicos favoritos de jazz o flamenco. En parte, nuestras conversaciones son un ejercicio para crear conscientemente una perspectiva externa, como hizo Schrödinger, con suerte para el beneficio de la investigación mutua. Pero también es muy divertido.

En particular, desde 2014 hemos desarrollado una intuición común de que existe una interrelación oculta entre los sistemas vivos y la cosmología, como se muestra en algunas de nuestras publicaciones. Para entender esto, necesitamos hablar sobre la entropía, una medida del desorden, y cómo fluye en el universo, tanto a nivel biológico como cosmológico.

En el Universo primitivo, antes de que existieran las estrellas y los planetas, la mayor parte del espacio estaba lleno con la misma cantidad de radiación y materia. A medida que esta mezcla se calentaba y se movía, se desordenaba más y aumentaba su entropía. Pero a medida que el universo se expandió, distribuyó la radiación y la materia de manera homogénea y ordenada, reduciendo la entropía del universo.

A medida que el universo continuó expandiéndose y enfriándose, se formaron estructuras complejas como estrellas, galaxias y vida. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía siempre aumenta, pero estas estructuras tenían más orden (y por tanto menos entropía) que el resto del cosmos. El universo puede salirse con la suya porque las regiones de menor entropía se concentran dentro de las estructuras cósmicas, mientras que la entropía en el universo en su conjunto sigue aumentando.

Creemos que esta red de estructuras que agotan la entropía es la moneda principal para la biosfera y la vida en los planetas. Como dijo el padre de la termodinámica, Ludwig Boltzmann: «La lucha general por la existencia de los seres vivos no es, por lo tanto, una lucha por las materias primas… ni por la energía, que abunda en todos los cuerpos en forma de calor, sino una lucha porque la entropía, que se produce por la transferencia de energía del sol caliente a la tierra fría, se vuelve disponible”.

Fenómenos emergentes

A medida que el universo se desvía de la homogeneidad al sembrar y formar estructuras con menor entropía, la entropía continúa creciendo en otras partes del universo. Y la entropía también tiende a crecer dentro de estas estructuras. Esto hace que la entropía, o su ausencia, sea un factor clave en el mantenimiento de estructuras cósmicas como las estrellas y la vida; Por lo tanto, un universo primitivo sin vida y de baja entropía es necesario para la vida aquí en la Tierra. Por ejemplo, nuestro sol irradia energía que es absorbida por los electrones de las plantas de la Tierra y utilizada para las funciones que necesitan para vivir. Las plantas emiten esta energía en forma de calor, devolviendo más entropía al universo de la que se absorbió.

Desafortunadamente, con nuestra comprensión actual de la física, es difícil explicar por qué la entropía era tan baja en el universo primitivo. De hecho, este problema de baja entropía que postulamos para el Big Bang es uno de los principales problemas de esta teoría.

El lado biológico de la historia proviene de la investigación de Salvador sobre los impulsores genéticos y ambientales que hacen que las poblaciones de bacterias inofensivas evolucionen y emerjan como patógenos. Crucial para la historia es que no se trata solo del código genético de la bacteria. Uno de los mantras de Salvador es que la vida es un fenómeno adaptativo, que responde a cambios constantes e inesperados en las presiones ambientales.

Esto convierte a un organismo en un fenómeno emergente cuya forma final no está contenida en las partes individuales que lo componen, sino que puede verse influida por una serie de sistemas más grandes de los que forma parte. Los seres vivos comprenden una red de interacciones mediada por el medio ambiente. Un sistema vivo es capaz de regular miles de millones de células para mantener su función general. Además, las agregaciones de organismos pertenecen a una red llamada ecosistema, que también mantiene un equilibrio dinámico.

Esto se extiende a las redes en la mayor escala de la vida. La idea de que la Tierra es un ecosistema autorregulado fue descubierta conjuntamente por James Lovelock y Lynn Margulis en la década de 1970 y se conoce como la Hipótesis de Gaia. La conclusión para nosotros es que el flujo de entropía negativa existe no solo para los seres vivos individuales, sino para toda la tierra.

El sol envía energía gratuita a la tierra, y a través de una cadena de interacciones complejas, la energía se distribuye a través de una red de interacciones a los seres vivos, cada uno confiando en mantener su complejidad frente al creciente desorden. Para contextualizar el papel de la vida en el contexto de la termodinámica, definimos estas estructuras generadoras de orden (como una célula) como unidades de negentropía o UON. Pero no hay almuerzo gratis. Cuando los UON devuelven esta energía al medio ambiente, lo hacen principalmente en una forma que tiene una entropía más alta que la recibida.

Este misterioso paralelismo entre los sistemas vivos, los UON y la evolución del universo puede parecer una coincidencia, pero preferimos no pensar en ello de esa manera. En cambio, proponemos que es un principio organizador central de la evolución del cosmos y la existencia de la vida. Salvador llamó a esto el principio entropocéntrico, un guiño al principio antrópico, que en su forma más fuerte afirma que el universo está finamente sintonizado para la vida. Esto surge porque las leyes de la naturaleza parecen ser las adecuadas para la vida. Por ejemplo, si la fuerza de la fuerza nuclear que conecta los corazones de los átomos difiere en un pequeño porcentaje, las estrellas no podrían producir carbono y no habría vida basada en el carbono.

Sin embargo, el problema del ajuste fino puede no ser tan grave como parece. En una investigación realizada por Stephon y sus colegas, demostró que el universo puede ser viable incluso si variamos las constantes fundamentales, como la gravedad y el electromagnetismo, siempre que cambien al mismo tiempo. Tal vez no necesitemos el principio antrópico después de todo. El principio entropocéntrico, por otro lado, es más difícil de sacudir. Si el universo no pudiera proporcionar caminos que le permitieran crear regiones de menor entropía, entonces la vida tal como la conocemos no existiría. Esto nos hace preguntarnos: ¿vivimos en una biosfera cósmica o el universo es una célula cósmica?

Stephon Alexander es un físico teórico de la Universidad de Brown en Rhode Island que pasa su tiempo reflexionando sobre cosmología, teoría de cuerdas, jazz y preguntándose si el universo es una IA de autoaprendizaje. Es autor del libro Fear of a Black Universe. Salvador Almagro-Moreno es biólogo molecular de la Universidad de Florida Central que estudia propiedades emergentes en sistemas biológicos complejos, desde la evolución de proteínas hasta la dinámica pandémica.

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