¿Podría la física explicar cómo surgió la vida en la Tierra primitiva? © Getty Images

La nueva teoría afirma que surgió por primera vez a partir de una sustancia viscosa primordial, siendo la física el protagonista.

Desde la expansión del Universo hasta los movimientos de las partículas subatómicas más pequeñas, la física moderna puede ayudarnos a interpretar una cantidad vertiginosa de fenómenos naturales. Pero ¿puede explicar quizás el mayor misterio de todos ellos: cómo comenzó la vida tal como la conocemos?

El Dr. Jeremy England, profesor asistente de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), piensa: “Siempre estuve interesado en cómo la física de conjuntos de partículas grandes y desordenados se vuelve real, desde que estaba investigando el plegamiento de proteínas”, dice England. “Fue la forma en que pude negarme con éxito a elegir entre la física teórica y la biología, que me fascinaron”.

El trabajo de England se basa en la física bien establecida de la termodinámica, la ciencia que describe cómo el calor se mueve de un lugar a otro y es crucial para muchos procesos naturales. Él llama a su teoría «adaptación disipativa», ya que tiene como objetivo describir cómo las estructuras emergen y cambian a través de la disipación de energía, principalmente calor en su entorno.

Este proceso aumenta la entropía (la cantidad de desorden) en el entorno, que el físico cuántico austriaco Erwin Schrödinger identificó como necesario para que los organismos vivos funcionen. Fundamentalmente, el aumento de la entropía hace posible que las estructuras en evolución permanezcan en lo que se conoce como un ‘estado de no equilibrio’.

Por lo general, un sistema (que podría significar cualquier cosa, desde una caja de gas hasta una estructura compleja) entra en equilibrio con su entorno. Esto significa que no hay un flujo neto de calor entre el sistema y su entorno. Por ejemplo, si deja una taza de té caliente sobre la mesa, eventualmente alcanzará la misma temperatura que la habitación, para disgusto del amante del té que estaba esperando una taza de té.

Pero los seres vivos están en un estado de desequilibrio, tomando energía de fuentes como la luz solar y los alimentos y expulsando esa energía, ‘disipándola’, hacia su entorno. Esto permite que un organismo vivo reduzca su propia entropía, para que pueda crecer y construir estructura.

Y es la física de tales estados de desequilibrio que England y su equipo investigan, utilizando simulaciones por computadora para buscar situaciones en las que surgen espontáneamente comportamientos similares a la vida .

Más allá de la biología

Esta no es la primera vez que un físico intenta abordar las cuestiones más profundas de la biología. En 1944, Schrödinger publicó un libro basado en una serie de conferencias que había dado en su hogar adoptivo de Dublín. El libro ¿Qué es la vida? enfatizó el significado central de los flujos de energía y la entropía. En el libro, también sugirió que la herencia biológica dependería de lo que llamó un ‘cristal aperiódico’, una molécula que podría llevar información en su estructura, predicción que se cumplió con el descubrimiento de la estructura del ADN.

“El punto de partida de mi línea de investigación actual, que realmente se ha desviado de la biología en este punto, fue darme cuenta de que, para pensar en la física, debes tomar lo que es interesante de la vida y dividirlo en fenómenos físicos separados y bien definidos. del que luego puede hablar en términos de termodinámica. Entonces, por ejemplo, los seres vivos hacen copias de sí mismos, pero no todos los auto replicadores están vivos”, dice England.

Los comportamientos a los que se dirige England incluyen la reproducción, la recolección de energía, la selección natural y la capacidad de anticipar el futuro.

Los copos de nieve son complicados, se forman debido a que el agua líquida se cristaliza en hielo, pero no están vivos.© Getty Images

A veces, estos efectos se pueden ver en fenómenos simples y familiares que no se parecen en absoluto a la vida, como los copos de nieve y las dunas de arena, dice. Pero en ambos casos, estas estructuras pueden formarse como resultado de la liberación de energía en el entorno.

“En el caso de un copo de nieve, es el calor liberado por la cristalización exotérmica [emisora ​​de calor] del agua líquida en hielo sólido”, dice. «En el caso de una duna de arena, el aire que fluye hace que los granos de arena se muevan, pero luego se detienen nuevamente porque chocan entre sí y pierden esa energía en forma de calor al aire circundante».

Entropía y evolución

La historia evolutiva de un organismo se almacena en su ADN, moldeando su forma actual. England cree que la historia de un organismo es disipar calor y, por lo tanto, aumentar la entropía y también ayuda a dar forma a su estructura. Sin ADN que actúe como registro de cambios, England cree que la forma física de las estructuras puede contener información.

“Piense en un vaso al que canta un cantante de ópera, y resuena y cambia violentamente de forma y se rompe. Una vez que se rompe, es mucho peor para absorber energía de la canción, ya que es un montón de fragmentos. Cambia mucho menos de forma, se ha vuelto mucho más estable”, dice.

“Pero esos fragmentos no son una disposición aleatoria de vidrio, contienen mucha información sobre la forma que tenía el vidrio cuando se rompió. Entonces, aunque son malos para absorber energía, tienen la firma de un momento en la historia en el que sucedió lo contrario, que se puede reconstruir con el trabajo de detective adecuado».

A veces, en las simulaciones del equipo, surge un sorprendente nivel de autoorganización. Por ejemplo, cuando comienzan con una sopa virtual de diferentes sustancias químicas simuladas interactuando, algunas comienzan a tomar el control a expensas de otras. Luego comienzan a dominar a medida que demuestran ser mejores en la recolección de la energía disponible.

“Hay un montón de cosas, creemos que la vida sea distintivamente buena en, por ejemplo, la recolección de energía, el cálculo predictivo [anticipar el futuro] y auto reparación, para que seamos capaces de llegar a auto- organizarse, incluso en ausencia de la evolución darwiniana por autorreplicación y selección natural”, dice England.

Aunque todavía se encuentra en las primeras etapas, la teoría no está exenta de críticos, y el propio England está de acuerdo en que existe una gran brecha entre la simple observación de un comportamiento realista y la vida misma.

“Toda la vida que vemos es el producto de innumerables competidores de generaciones pasadas de cosas que ya estaban vivas y llegaron a coevolucionar durante mucho tiempo”, dice. “Además, cualquier ser vivo es una combinación de muchos comportamientos característicos de la vida, y no necesariamente todos vienen de la mano desde el principio. Por ejemplo, algo podría ser un recolector de energía muy bueno y no necesariamente ser capaz de autorreplicarse de ninguna manera, y no pretendo saber nada sobre cómo se agrupa el paquete que llamamos vida primero».

Lo que sí cree, sin embargo, es que el trabajo de su equipo está enriqueciendo lo que él llama la “caja de herramientas inicial” para que se forme la vida. Por el momento, su trabajo se basa puramente en simulaciones por computadora, aunque otros investigadores están comenzando a tomar la idea y trabajar en la investigación de efectos termodinámicos similares en experimentos físicos.

Puede que todavía no tengamos la respuesta a cómo comenzó la vida, pero la adaptación disipativa nos da una imagen más clara de uno de los principios fundamentales que ha alentado el surgimiento de los seres vivos.

Esta simulación por computadora de Jeremy England muestra partículas en un fluido pegajoso. Las partículas de color turquesa son impulsadas por una fuerza oscilante, lo que conduce a la formación de enlaces con el tiempo © Jeremy England.

Fuente: Brian Clegg / Science Focus

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