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5.1: Un poco de termodinámica

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    Si bien la diversidad de organismos y las propiedades únicas de cada organismo individual son productos de procesos evolutivos, iniciados hace miles de millones de años, es igualmente importante reconocer que todos los sistemas y procesos biológicos, desde el crecimiento y la división celular hasta los pensamientos y sentimientos, obedecen las reglas de la química y la física, y en particular las leyes de la termodinámica. Lo que hace únicos a los sistemas biológicos es que, a diferencia de los sistemas fisicoquímicos más simples que se mueven hacia el equilibrio termodinámico, los organismos deben mantener un estado de no equilibrio para mantenerse vivos. Si bien un sistema de reacción química es fácil de ensamblar de novo, cada sistema biológico ha estado funcionando continuamente durante miles de millones de años. Entonces, antes de continuar tenemos claro lo que significa e implica cuando decimos que un sistema está en equilibrio versus estar en un estado obligado de no equilibrio.

    Para entender el significado del equilibrio termodinámico tenemos que aprender a ver el mundo de manera diferente, y aprender nuevos significados para una serie de palabras. Primero tenemos que dejar clara la distinción entre el mundo macroscópico que percibimos directamente y el mundo submicroscópico, molecular que podemos entender a partir de observaciones y conclusiones científicas; es este mundo molecular el que es particularmente importante en el contexto de los sistemas biológicos. El mundo macroscópico y el molecular se comportan de manera muy diferente. Para ilustrar este punto utilizaremos un modelo más simple que muestre los comportamientos básicos que queremos considerar pero que no es tan complejo como un sistema biológico. En nuestro caso consideremos una habitación pequeña y bien aislada llena de aire en la que hay una mesa con una barra de oro —utilizamos oro ya que es químicamente bastante inerte, es decir, no reactiva. Las barras de hierro, por ejemplo, podrían oxidarse, lo que complicaría las cosas. En nuestro modelo la habitación está inicialmente a un acogedor 70 ºF (~21 ºC) y la barra de oro está a 200ºC. ¿Qué va a pasar? ¿Se puede generar una gráfica que describa cómo se comportará el sistema a lo largo del tiempo? Nuestra primera tarea es definir el sistema —es decir, que la parte del universo en la que estamos nos interesa. Podríamos definir el sistema como la barra de oro o la habitación con la barra de oro en ella. Observe, no estamos realmente preocupados por cómo el sistema llegó a ser como es, su historia. Podríamos, si quisiéramos, demostrar de manera bastante convincente que la historia del sistema no influirá en su comportamiento futuro; esta es una diferencia crítica entre los sistemas biológicos y los sistemas fisicoquímicos simples. Por ahora usaremos la habitación aislada como sistema, pero realmente no importa siempre y cuando definamos claramente lo que consideramos que es el sistema.

    El sentido común nos dice que la energía se transferirá de la barra de oro y del resto de la habitación y que la temperatura de la barra de oro disminuirá con el tiempo; el comportamiento del sistema tiene una dirección temporal. ¿Por qué crees que es eso? ¿Por qué la barra caliente no se calienta más y la habitación se vuelve más fresca? En breve volveremos a esta pregunta. Lo que puede no ser tan obvio es que la temperatura de la habitación también aumentará ligeramente. Eventualmente el bloque de oro y la habitación alcanzarán la misma temperatura y se dirá que el sistema está en equilibrio.

    Recuerden que definimos el sistema como aislado del resto del universo, pero ¿qué significa eso? Básicamente, no importa o la energía entre o salga de la habitación —se dice que un sistema de este tipo es un sistema cerrado. Debido a que es un sistema cerrado, una vez que el sistema alcanza su temperatura final, nºC, no se producirán más cambios macroscópicos. Esto no quiere decir, sin embargo, que no esté pasando nada. Si pudiéramos mirar el nivel molecular veríamos que las moléculas de aire se mueven, chocan constantemente entre sí, y con moléculas dentro de la barra y la mesa. Las moléculas dentro de la barra y la mesa también están vibrando. Estas colisiones pueden cambiar las velocidades de las moléculas colisionantes. (¿Qué pasa si no había aire en la habitación? ¿Cómo cambiaría esto tu gráfica del comportamiento del sistema?) La velocidad de estos movimientos moleculares es función de la temperatura, cuanto mayor (o menor) sea la temperatura, más rápidos (o más lentos) serían estos movimientos. Como consideraremos más adelante, todas las moléculas del sistema tienen energía cinética, que es la energía del movimiento. A través de sus interacciones, la energía cinética de cualquier molécula en particular cambiará constantemente. A nivel molecular el sistema es dinámico, aunque a nivel macroscópico es estático. Volveremos a esta perspicacia repetidamente en nuestras consideraciones sobre los sistemas biológicos.

    Y esto es lo importante de un sistema en equilibrio: es estático. Incluso a nivel molecular, mientras aún hay movimiento, no hay cambio neto. La energía de dos moléculas colisionantes es la misma después de una colisión que antes, a pesar de que la energía puede distribuirse de manera diferente entre las moléculas colisionantes. El sistema en su conjunto realmente no puede hacer nada. En términos físicos, no puede hacer trabajo - no son posibles cambios macroscópicos. Esta es una idea extraña, ya que (a nivel molecular) las cosas siguen moviéndose. Entonces, si volvemos a los sistemas vivos, que claramente son capaces de hacer muchas cosas, incluyendo movernos macroscópicamente, crecer, pensar, y tal, es claro que no pueden estar en equilibrio.

    Podemos preguntar, ¿qué es necesario para evitar que un sistema alcance el equilibrio? La respuesta más obvia (creemos) es que a diferencia de nuestro sistema imaginario de sala cerrada, un sistema de no equilibrio debe ser abierto, es decir, la energía y la materia deben poder entrar y salir de ella. Un sistema abierto ya no está aislado del resto del universo, es parte de él. Por ejemplo, podríamos imaginar un sistema en el que la energía, en forma de radiación, pueda entrar y salir de nuestra habitación. Podríamos mantener una diferencia en la temperatura entre la barra y la habitación iluminando la barra y eliminando el calor de la habitación en su conjunto. Una diferencia de temperatura entre la barra y la habitación podría entonces (en teoría) producir lo que se conoce como un motor térmico, que puede hacer trabajo (es decir, producir un cambio macroscópico). Mientras sigamos calentando un bloque y quitando calor del resto del sistema, podemos seguir trabajando, es decir, pueden ocurrir cambios macroscópicamente observables.

    Criptobiosis: En este punto, hemos caracterizado a los organismos como sistemas dinámicos, abiertos y sin equilibrio. Una aparente excepción al aspecto dinámico de la vida son los organismos que muestran una adaptación fenotípica bastante especial, conocida genéricamente como criptobiosis. Organismos, como el tardigrado (o oso de agua), pueden liofilizarse y persistir en un estado de animación suspendida durante décadas. Lo que es crítico señalar, sin embargo, es que cuando en este estado criptobiótico el organismo no está en equilibrio, de la misma manera que un trozo de madera en el aire no está en equilibrio, sino capaz de reaccionar. El organismo puede ser reanimado cuando se vuelve a las condiciones normales 147. La criptobiosis es una adaptación de base genética que requiere energía para producir y la energía se utiliza para emerger de la estasis. Si bien el comportamiento de los tardígrados es extremo, muchos organismos muestran una variedad de comportamientos adaptativos que les permiten sobrevivir a condiciones ambientales hostiles.

    Colaboradores y Atribuciones


    This page titled 5.1: Un poco de termodinámica is shared under a not declared license and was authored, remixed, and/or curated by Michael W. Klymkowsky and Melanie M. Cooper.