Despiertas, comienzas tu rutina de todos los días. Te mojas la cara, preparas tu café, y te vistes
para ir a trabajar. El camino que tomas es el mismo que has tomado durante los últimos siete
años que has trabajado en la misma empresa. Pero esta vez algo llama tu atención. Una
pequeña flor de diente de león creciendo entre las grietas de la banqueta que el gobierno no ha
querido reparar. Cientos de veces habías pasado por el mismo sitio, pero nunca habías puesto
atención a la vida que parece emerger de entre este ambiente artificial que llamamos ciudad.
En ese momento te preguntas: ¿Cómo carajos puede una planta vivir en un lugar tan
inhóspito? Pero te das cuenta que para contestar esa pregunta, primero tendrías que contestar
¿Cómo carajos puede una planta vivir?
Hermana, hermano, bienvenidos al club. Te acabas de unir a un linaje de pensadores que se
han hecho esa pregunta desde que el humano tiene uso de razón. Definir qué es la vida fue por
miles de años un área de estudio exclusiva para filósofos y pensadores que, basados
únicamente en sus reflexiones internas, intentaron definir la propiedad de un sistema de estar
vivo. No tengo nada en contra de esas contribuciones; después de todo, son los filósofos los
que abren nuevas avenidas por las cuales puede navegar el intelecto humano colectivo. Pero
para mi, es innegable que la pregunta de qué es la vida es, por su naturaleza misma, una
pregunta empírica que no será resuelta con pensamiento puro. Es ahí donde la ciencia––la
herramienta por excelencia que hemos creado como especie para responder preguntas
empíricamente––tiene algo importante por contribuir. Solo en esta relación simbiótica entre
filosofía y ciencia podremos responder esta gran incógnita.
Lo paradójico acerca de entender la vida a través de la ciencia es que, a primera vista, el
fenómeno de estar vivo parece desafiar nuestro entendimiento más básico acerca del
funcionamiento de la realidad. Esta aparente paradoja tiene que ver con la idea detrás de la
entropía y la segunda ley de la termodinámica. Seguramente has escuchado por ahí que la
segunda ley simplemente dice que: “La entropía (o desorden) en el universo siempre aumenta.”
Sin embargo, aunque esta frase no es incorrecta, es difícil capturar la esencia de la segunda
ley con menos de diez palabras. Para entender la segunda ley, pensemos en la trágica historia
de Humpty Dumpty:
Humpty Dumpty sat on a wall,
Humpty Dumpty had a great fall
All the king’s horses and all the king’s men
Couldn’t put Humpty together again.
Humpty Dumpty se sentó en la pared
Humpty Dumpty se cayó
Ni todos los caballos ni todos los hombres del rey
Pudieron ensamblar a Humpty otra vez.
La triste y breve biografía de Humpty Dumpty––un hombre con cuerpo de cascarón de
huevo––captura uno de los aspectos más obvios e inviolables de nuestra realidad: una vez roto
un huevo, es básicamente imposible repararlo a su estado original. Pero, ¿es esta incapacidad
de ensamblar el huevo nuevamente algo escrito en el tejido que conforma la realidad, de la
misma manera en que fuerza es igual a masa por aceleración? Es decir, ¿son las leyes de la
física las que imposibilitan que de manera espontánea un huevo se auto-ensamble?
Sorprendentemente––al menos para mí, la primera vez que aprendí esto––la respuesta es no.
Las leyes de la física tales como las leyes de Newton, las ecuaciones de Maxwell sobre
electricidad y magnetismo, e incluso las leyes de la mecánica cuántica, están escritas en el
lenguaje de ecuaciones diferenciales. Lo que esto significa intuitivamente es que las
ecuaciones describen cómo cambia una cantidad (posición, magnitud del campo eléctrico,
función de onda de probabilidad, etc.) a través del tiempo. Sin embargo, a estas ecuaciones no
les importa si el tiempo corre del pasado al futuro o del futuro al pasado. Pensémoslo de la
siguiente manera: si yo te mostrara un video de un péndulo oscilando, podríamos predecir su
trayectoria y su velocidad usando la segunda ley de Newton, pero sería imposible saber si el
video está corriendo hacia adelante o en reversa.
Detengámonos un segundo a reflexionar sobre esto. Lo que estoy diciendo es que, en la
deprimente vida de Humpty Dumpty, no hay nada en este universo que impida que de manera
totalmente espontánea, una vez roto su cascarón, se auto-ensamble de nuevo. Entonces, ¿por
qué nunca hemos visto un fenómeno así? El argumento tiene más que ver con probabilidad y
estadística que con las leyes de la física. Si contáramos de cuántas maneras puede un huevo
partirse en muchos pedazos comparado con cuántas maneras puede ensamblarse para formar
un huevo intacto, podemos intuitivamente ver que existen muchas, pero muchísimas más
maneras de tener pedazos de diferentes tamaños de un huevo esparcidos por el piso que la
única manera en que pueden formar el cuerpo de Humpty Dumpty. Esto, en esencia, es la
segunda ley de la termodinámica. La segunda ley no es una ley física al estilo de las antes
mencionadas; la segunda ley es un patrón probabilístico que simplemente dice que lo más
probable que ocurra es lo que va a ocurrir––no lo generalices fuera del contexto de la física,
asumiendo que si crees que serás millonario, eso ocurrirá; esto es ciencia, no la ley de la
atracción. Lo más probable a nivel macroscópico (es decir al nivel que nosotros podemos
observar) siempre es lo que tiene muchas más maneras de ser realizado a nivel microscópico
(a nivel de los componentes atómicos o moleculares del sistema).
El concepto de entropía es tan vital para la vida, valga la redundancia, que quiero asegurarme
que todas y todos (¿todes?) estemos en la misma página. Así que pensemos en un ejemplo
más. Imagina que cerramos tu cuarto herméticamente tal que el número de moléculas de gas
(aire) no cambia. Si te paras en el lado norte de tu cuarto o en el lado sur, esperarías que fuera
igual de fácil respirar en ambos lados. Esto es porque las moléculas de gas en el cuarto están
uniformemente distribuidas por todos lados. Pero de nuevo, nada en las leyes de la física
impide que todas las moléculas migraran al lado norte tal que si estuvieras en el lado sur te
sofocarías. Es simplemente muy improbable que eso ocurra. ¿Qué tan improbable? Ganemos
un poco de intuición. Supongamos que es igualmente probable que una molécula esté en la
mitad norte (N) o en la mitad sur (S) de tu cuarto, por lo que podemos imaginar que cada
molécula de gas arroja una moneda para decidir en qué lado estará. Comencemos con un
número pequeño de moléculas, digamos tres. ¿De cuántas maneras pueden las tres moléculas
de gas estar todas en el lado norte? De una sola manera––cuando tengo NNN, es decir las tres
monedas dieron la misma cara. ¿De cuántas maneras puedo tener al menos una molécula de
cada lado del cuarto? Contémoslas: tenemos la opción de tener dos en el norte y una en el sur
(NNS) y la opción de tener dos en el sur y una en el norte (SSN). Dos maneras de tener al
menos una molécula en cada lado del cuarto. Aumentemos el número ligeramente a diez
moléculas. En este caso ¿de cuántas maneras puedo tener todas las moléculas en el lado
norte? De una sola manera, cuando tenemos NNNNNNNNNN. ¿De cuántas maneras puedo
tener cinco en el norte y cinco en el sur? Para aquellos que saben un poco de combinatoria,
saben que la respuesta se calcula como diez elige cinco. Para los que no, el número que
resulta de esta operación es 252. Es decir, con diez moléculas, es 252 veces más probable
tener el aire uniformemente distribuido en el cuarto que en una sola mitad. ¿Qué hay de cien
moléculas? De nuevo, existe una sola configuración que nos da todas las moléculas en el lado
norte, pero tener cincuenta moléculas de cada lado se puede realizar de
100,891’’’’344,545’’’564,193’’334,812’497,256 maneras. ¡Si que escaló muy rápido ese número!
¿Ves la tendencia? Ahora imagina que tu cuarto tiene en el orden de 10
23 moléculas, es decir ¡1
seguido de 23 ceros! Solo una configuración––la que resulta en 10
23 monedas con la misma
cara––nos daría el resultado de tener todas las moléculas del mismo lado. El número de
configuraciones que nos darían la mitad de las moléculas a cada lado es tan
hiper-astronómicamente grande que ni siquiera pude calcularlo en mi computadora. En
conclusión de este ejemplo, no es imposible que todas las moléculas de tu cuarto migren al
lado norte; pero te reto a que te sientes a esperar a observar ese evento.
Es tal el poder de la segunda ley de la termodinámica que Einstein mismo dijo en alguna
ocasión que él podría imaginar escenarios en los cuales su teoría de la relatividad fuera violada
o sustituída por una teoría más fundamental, pero la segunda ley jamás sería violada. Tenemos
que aprender a vivir con el entendimiento de que nuestro universo tiende al desorden porque
existen muchas más maneras de estar desordenado que ordenado, y nosotros como
estructuras ordenadas, estamos condenados a perecer.
Para este punto, espero que la aparente paradoja de por qué puede existir la vida en un
universo gobernado por la segunda ley de la termodinámica sea clara. Todo lo que hacemos
como seres vivos es crear orden a partir del desorden. La flor que creció en la grieta de la
banqueta tomó moléculas de dióxido de carbono del aire y las convirtió en la materia que forma
sus hojas, su tallo, y sus raíces. La misma lógica que se puede aplicar a las moléculas en tu
cuarto aplica aquí: existen muchas más formas de tener carbono flotando libremente en la
atmósfera que fijado en la estructura de una planta. Entonces, ¿cómo podemos explicar la
existencia de la planta de una manera que se alinee con el resto del conocimiento que hemos
ganado a través del método científico? Si le preguntaras a un científico del s. XIX, lo más
probable es que te contestara que los seres vivos son fundamentalmente diferentes de los no
vivos porque contienen algún elemento no físico, o son gobernados por diferentes principios
que la materia inerte. En otras palabras, este científico te estaría describiendo la idea del
vitalismo.
No es extraño que, enfrentados a un gran misterio que aparentemente no se puede explicar
con el paradigma actual, los científicos propongan la existencia de algo fundamental e
irreducible para explicar el fenómeno. Por ejemplo, por ahí en 1870, James Clerk Maxwell, uno
de los más grandes físicos de toda la historia, llegó a la conclusión de que las leyes de Newton
no bastaban para explicar los fenómenos relacionados con la electricidad, el magnetismo, y la
luz. Maxwell propuso la existencia del campo electromagnético como otra estructura
fundamental del universo. Después de esa radical propuesta de expandir la lista de las fuerzas
fundamentales de la física, tuvo que haber un exhaustivo esfuerzo por parte de los físicos
experimentales para probar si Maxwell tenía razón. En ese ejemplo, Maxwell resultó estar en lo
correcto; pero en el caso del vitalismo, muchos científicos sentían que estábamos
abandonando el barco a la primera señal de que podría estarse hundiendo. Uno de esos
científicos, Erwin Schrödinger, uno de los padres de la mecánica cuántica, escribiría en 1944 un
pequeño libro que lanzaría una enorme revolución en biología.
Muchos estamos familiarizados con Schrödinger por la ecuación que lleva su nombre. Pero,
como la mayoría de las grandes mentes científicas, la curiosidad de Erwin no se limitaba a lo
que le dio el reconocimiento internacional. El padre de Schrödinger era un aficionado de la
botánica, por lo que desde niño Erwin estuvo expuesto a ideas relacionadas con la biología,
habiendo leído la obra maestra de Darwin desde temprana edad. Pero la formación de Erwin en
física no le permitía sentirse satisfecho con el estado de nuestro entendimiento sobre el
fenómeno de la vida. Es por eso que en 1944, Schrödinger publicó un pequeño libro titulado
“¿Qué es la vida?” Para Erwin, el hecho de que la vida es algo que experimentamos en todo
momento, pero para lo que no tenemos explicación, era algo que tenía que ser corregido. En el
resto de este artículo nos centraremos en explorar la pregunta principal que se hace Erwin en
el libro:
“¿Cómo los eventos en tiempo y espacio que toman lugar dentro de los límites espaciales de
un organismo vivo pueden ser explicados por la física y la química?”
Para intentar contestar una pregunta tan profunda e importante, primero tenemos que
entender qué significa que un fenómeno sea explicado por la física. ¿Has escuchado el chiste
sobre el biólogo, el físico y el matemático? El chiste dice algo así: Los tres individuos estaban
sentados en un café observando gente entrar y salir de una casa al otro lado de la calle. En una
de esas ocasiones, dos personas entraron, pero, un tiempo después, tres emergieron de la
puerta. El físico declaró, “la medición no fue lo suficientemente precisa.” El biólogo dijo, “se han
reproducido.” El matemático concluyó que, “si exactamente una persona entra a la casa,
entonces estará vacía nuevamente.” Bromas como estas existen por montones, pero encontrar
una que haga reir a mi abuelita sigue siendo uno de mis retos en la vida. El objetivo de estos
chistes es resaltar cómo diversas disciplinas ven el mundo de maneras muy diferentes, muchas
veces incompatibles entre ellas.
La física no es una materia que te enseñan en la escuela y la universidad como método de
tortura moderno. La física es una manera de entender los procesos que ocurren en el universo.
Un físico hablando sobre “la física del sistema X” no se refiere ni a un formalismo matemático,
ni a una mera narrativa. A lo que se refiere es a una manera de derivar los procesos que
definen al sistema X desde principios fundamentales. Esta forma de pensar trasciende las
barreras artificiales que los departamentos académicos intentan imponer. Es por eso que
tenemos áreas de conocimiento como la fisicoquímica y la geofísica. Es también por eso que
existe una larga historia de físicos––los llamados quants––haciendo fortunas en Wall Street.
Esta manera de ver el mundo justifica por qué Schrödinger demandaba una explicación del
fenómeno de la vida bajo esta filosofía. No basta con una lista de las partes que forman un
sistema, o una serie de “verdades” para entender un fenómeno tan complejo como la vida.
Como Henri Poincaré dijo:
“La ciencia son hechos; de la misma manera que las casas están hechas de piedras, la
ciencia está hecha de hechos; pero un montón de piedras no es una casa y una colección de
hechos no es necesariamente ciencia.”
En el libro, Schrödinger presenta dos grandes retos para comenzar a entender a los seres
vivos como sistemas físicos. El primero es entender de qué está hecha la información genética.
El segundo es entender cómo es que los seres vivos parecen desafiar la segunda ley de la
termodinámica. Estos retos inspirarían a la siguiente generación de físicos que migrarían hacia
la biología. Francis Crick, uno de los co–descubridores de la estructura del ADN, siendo físico
de formación, atacó de frente el primero de los grandes retos que Schrödinger propuso. Sin
entrar en detalles acerca de la polémica historia involucrando a la increíble científica Rosalind
Franklin, cuya contribución al descubrimiento de la doble hélice no fue reconocido en su
tiempo, es válido decir que el entrenamiento matemático y el pensamiento físico que Crick tenía
fue vital para poder descifrar el secreto de cómo una molécula puede almacenar la información
que define a un organismo.
La imagen de la doble hélice del ADN se ha hecho tan común en nuestro día a día como
símbolo del avance científico (solo busca entre tus emojis 🧬), que rara vez nos ponemos a
reflexionar lo trascendente que fue el entender su estructura. Piénsalo, la información que le
permitió a cada célula de tu cuerpo saber cómo actuar para darte forma; la información que le
permite a cada planta producir las moléculas necesarias para convertir “aire” en azúcar; la
información que le dice al coronavirus cómo engañar a nuestras células para conseguir su
objetivo egoísta de generar más copias de sí mismo, todo está escrito en un lenguaje de cuatro
letras. Antes de haber vida, hubo ADN. Y después de más de 3.5 billones de años, la molécula
adquirió la información necesaria para crear un chango pelón con un cerebro particularmente
curioso. En 1953, ese chango descubrió el lenguaje en el que su propia existencia estaba
escrita.
El segundo reto de Schrödinger sigue siendo hasta la fecha un problema sin resolver. Una de
las fronteras en física es el estudio de los llamados “sistemas fuera del equilibrio.” Equilibrio
tiene un significado muy particular en termodinámica; podemos pensar en la idea de equilibrio
como el punto donde todo lo interesante desaparece y todo se vuelve aburrido. Por ejemplo,
cuando le agregas leche a tu café, al inicio puedes ver una serie de vórtices fascinantes que
empiezan a formarse cuando los dos líquidos se mezclan. Si tomas una cuchara y revuelves el
café, o lo dejas sobre la mesa un largo tiempo, toda la complejidad y belleza de los vórtices
habrá desaparecido, dando lugar a una mezcla uniforme de café con leche. Lo que acabas de
presenciar en ese simple evento es cómo el sistema––la taza de café con leche––alcanzó el
punto de equilibrio, maximizando su entropía. Esto es porque existen muchas, pero
muchísimas más maneras de tener las moléculas de café y las de leche uniformemente
distribuídas que tener las moléculas formando complicados y bellos vórtices, tal cual como las
moléculas de gas en tu cuarto. Todo lo interesante de la mezcla de café con leche desapareció,
dejando detrás una aburrida mezcla homogénea. Imagina que en lugar de que la mezcla se
volviera homogénea, la leche se volviera a congregar y comenzara a moverse como una
especie de moco reptante (para aquellos lo suficientemente viejos para acordarse de flubber,
piensen en un flubber hecho de leche). Si presenciaras eso, inmediatamente pensarías que la
leche “¡está viva!” Eso amigos, amigas, es la vida: un moco reptante que lucha en contra de la
voluntad del universo para no disiparse.
La pregunta planteada por el segundo reto de Schrödinger es, entonces: ¿cómo hace la vida
para no disiparse ante la inmisericorde madre entropía?. Después de todo, nada es gratis en
este avaricioso y despiadado universo. Mantenerse en un estado fuera del equilibrio viene con
el precio de tener que consumir energía constantemente. La entropía del moco reptante puede
que sea menor que la de el sistema en equilibrio; pero esta disminución de la entropía ocurre
como una transacción con el universo donde la segunda ley no es violada. Pensémoslo de la
siguiente manera: esa quesadilla de huitlacoche que le compraste a doña Lupe camino al
trabajo, tenía moléculas de carbono altamente ordenadas (y deliciosas) que entraron a tu
sistema para darte la energía que necesitas para ganar. Parte de los carbohidratos de la tortilla,
hechos de cadenas de múltiples átomos de carbono, fueron “quebrados” por tus células,
generando moléculas mucho más sencillas de un solo átomo de carbono, mejor conocido como
CO2
. Cada vez que exhalas, estás liberando los átomos que solían formar parte de la ordenada
estructura de la tortilla. Esto es tal cual como las moléculas de gas en tu cuarto, en el sentido
que el número de maneras de tener átomos de carbono ordenados en una tortilla es muchísimo
menor que aquél de tener átomos de carbono en forma de CO2
flotando en la atmósfera.
Entonces tú, como organismo vivo, ávido consumidor de tortillas, contribuiste a aumentar la
entropía del universo. Al hacer esto, extrajiste energía del proceso de romper las moléculas de
la tortilla; energía que usaste para mantener las estructuras de tu cuerpo ordenadas. Desde
este punto de vista, la vida es un proceso productor de entropía que utiliza energía para
mantenerse a sí mismo ordenado––disminuyendo la entropía localmente––ayudando a
desordenar el resto del universo.
Esta visión de la vida como un proceso productor de entropía tiene interesantes
consecuencias a considerar en nuestra búsqueda de cómo es que se originó el primer ser vivo.
Para entender esta idea, es útil reinterpretar la segunda ley como el hecho de que “el universo
aborrece los gradientes.” Esto no es una nueva definición de la segunda ley; es una
consecuencia natural de lo explicado anteriormente. La RAE define un gradiente como “Razón
entre la variación del valor de una magnitud en dos puntos próximos y la distancia que los
separa.” Por ejemplo, imaginemos que ponemos una separación física entre las dos mitades de
tu cuarto (imagina una pared de cristal), y usamos una bomba de vacío en la mitad sur para
remover todo el aire. Si rompiéramos la pared de cristal, habríamos creado un gradiente de
presión entre las dos mitades de la habitación. Rápidamente, las moléculas de gas del lado
norte se moverían al sur hasta que ambos lados del cuarto alcanzaran la misma presión,
disipando el gradiente en el proceso. Esto es porque, como vimos antes, existen muchísimas
más maneras de tener las moléculas equitativamente distribuídas en todo el cuarto. El ejemplo
de la taza de café tiene dos manifestaciones de esta idea de que a la naturaleza no le gustan
los gradientes: al inicio, existe un gradiente espacial en la concentración de leche en el líquido,
y existe un gradiente de temperatura entre la taza de café caliente y el resto de la cocina. Si
dejáramos la tasa sin perturbar por un rato, al regresar, encontraríamos que la leche está
uniformemente distribuída en el café, y la temperatura de la taza es la misma que la del
ambiente. Cada vez que hay diferencias de alguna cantidad física––presión, temperatura,
energía, volumen, concentración, etc.––la tendencia natural del universo es a homogeneizar
esa cantidad. Pero, ¿qué tiene que ver esta tendencia con el origen de la vida?
Si la “voluntad” del universo es alcanzar un punto donde todo es homogéneo (el equilibrio
termodinámico), la existencia de los seres vivos parece acelerar ese proceso de
homogeneización. En la Tierra existen muchos gradientes que deben ser disipados. El más
claro de ellos es el gradiente de temperatura entre el sol (aproximadamente 5000ºC), la Tierra
(aproximadamente 15ºC en promedio), y el espacio vacío (aproximadamente –270ºC). Por
cada fotón de alta energía que nos llega del sol, en promedio, veinte fotones de más baja
energía son emitidos de regreso al espacio. La ley de la conservación de la energía nos dice
que la suma de la energía de los veinte fotones emitidos de regreso al espacio debe ser la
misma que la del fotón original. Sin embargo, la entropía de los veinte fotones es mayor que la
de un solo fotón por el simple hecho de ser más en número. Para muchos de los fotones
llegados del sol, su camino los llevará a la hoja de una mazorca de maíz donde su energía será
utilizada para convertir moléculas de CO2 en azúcar. Ese proceso involucra la conversión de
moléculas de agua a gas O2
, aumentando la entropía, pues existen muchas más maneras de
tener moléculas de gas en la atmósfera que maneras de tener agua líquida. No solo eso, esa
azúcar será consumida por ti al comerte tu quesadilla. Como vimos antes, eso también
aumenta la entropía pues convierte nuevamente los átomos de carbono del azúcar en gas CO2
.
Además de eso, tu cuerpo emite fotones en infrarrojo (lo que comúnmente conocemos como
calor), que serán enviados de regreso al espacio. En ese tremendo viaje desde la llegada del
fotón del sol, hasta la emisión de los fotones de tu cuerpo, la vida actuó como un proceso que
ayudó a disipar el gradiente de energía entre el sol, la Tierra, y el espacio. Somos un proceso
físico que cataliza la generación de entropía, acelerando el proceso que llevará al universo a su
último destino de una muerte térmica.
¿Dónde nos deja todo esto? ¿Hemos finalmente respondido la pregunta de Schrödinger de
qué es la vida? Todo depende de la intención que tenemos al hacernos esa pregunta. Por un
lado, el pensar que somos un proceso más, regido por las leyes de la física, que contribuye a la
última “voluntad” del universo de alcanzar el equilibrio, puede ser desalentador. Imaginar que
dentro de miles de millones de años el universo llegará a un punto donde todas las estrellas
morirán dejando una oscuridad eterna, y que la vida es un mecanismo para alcanzar ese punto
más rápido, no suena como una frase motivacional que tu tía te mandaría con piolín. Por otro
lado––el lado que personalmente prefiero considerar––el intentar entender nuestra propia
existencia, para llegar a la conclusión de que somos una parte más de la evolución del
universo, puede crear un momento de reconciliación con nuestra razón de existir. Después de
todo, ¿qué sería de un universo donde no hubiera vida que, a través de procesos evolutivos sin
objetivo alguno, adquiriera la capacidad de preguntarse por qué está aquí? Somos el universo
observándose a sí mismo. Somos el despertar de la materia inerte que, por procesos que
seguimos intentando comprender, alcanzamos un punto en complejidad que nos permite
preguntarnos cómo es que alcanzamos dicho punto. ¿Por qué la vida es como es? Esa es una
respuesta que la ciencia jamás podrá contestar. El método científico solo puede contestar el
cómo ocurren las cosas. Está en nosotros, un grupo de changos pelones, emergidos de los
patrones regulares de la física, el buscar el por qué de nuestro existir.
Dr. Manuel Razo Mejía.
Universidad de Stanford.
2021/10/24