EL GRAN DESAFÍO TERMODINÁMICO DE LA VIDA: ¿ POR QUÉ LA EVOLUCIÓN NO VIOLA LA SEGUNDA LEY?

 

EL GRAN DESAFÍO TERMODINÁMICO DE LA VIDA: POR QUÉ LA EVOLUCIÓN NO VIOLA LA SEGUNDA LEY

Esto es Historia

El debate sobre la biología evolutiva frecuentemente se desvía del ámbito científico al político, un fenómeno que exige a la comunidad académica desarrollar estrategias retóricas robustas y metáforas claras para comunicar conceptos técnicos a audiencias no especializadas. Este análisis está orientado a proporcionar las herramientas necesarias para desmantelar la falacia anti-evolucionista más persistente: la supuesta incompatibilidad entre la teoría de la evolución y la Segunda Ley de la Termodinámica.

A través de una redefinición accesible de la entropía y la clarificación del alcance de la ley, demostramos que, lejos de ser un obstáculo, la entropía opera como una fuerza impulsora termodinámica que propulsa la selección natural.

EL CONFLICTO TERMODINÁMICO: UN ARGUMENTO BASADO EN LA CONFUSIÓN

La objeción central de quienes rechazan la evolución con base en la física se articula a través de una serie de premisas lógicas que, aunque suenan convincentes para el lego, contienen profundos errores conceptuales.

EL ARGUMENTO CREACIONISTA ANTI-EVOLUCIONISTA

El razonamiento de la crítica se estructura típicamente de la siguiente manera:

* La teoría evolutiva sostiene que las especies actuales se desarrollaron a partir de formas de vida anteriores.

* Estas formas de vida anteriores eran más simples, con menos capacidades y sistemas menos complejos.

* Por lo tanto, la evolución afirmaría que los organismos se vuelven más ordenados con el tiempo.

* La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía aumenta; es decir, los sistemas se vuelven más desordenados con el tiempo.

* En consecuencia, la teoría evolutiva y la Segunda Ley no pueden ser ambas correctas.

* Dado que la física se considera un campo más básico y mejor establecido que la biología, se debe preferir la Segunda Ley de la Termodinámica y rechazar la evolución.

LOS ERRORES FUNDAMENTALES

Los errores cruciales en esta línea de razonamiento radican en tres puntos clave: una interpretación torpe y errónea de la Segunda Ley y la noción de entropía, una comprensión equivocada del alcance de su aplicación que ignora el flujo de energía más básico, y la ignorancia supina sobre cómo los mecanismos genéticos subyacentes están perfectamente alineados con las leyes físicas.

ENTENDIENDO LA ENTROPÍA: MÁS ALLÁ DEL "DESORDEN"

La base del argumento anti-evolucionista se apoya en la idea comúnmente malentendida de que la Segunda Ley de la Termodinámica simplemente significa que el desorden siempre aumenta.

DEFINICIÓN RIGUROSA DE ENTROPÍA

La Segunda Ley, cuyo origen pragmático se relaciona con la eficiencia de las máquinas de vapor, es el principio que prohíbe el movimiento perpetuo. Los científicos introdujeron la entropía como una cantidad no directamente observable para cuantificar la "tarifa de transacción" energética que se pierde al convertir una forma de energía en otra.

La entropía mide el "desorden" de un sistema, pero de una manera muy específica: es una medida del número de microestados (arreglos moleculares) accesibles a un sistema en un macroestado dado (una temperatura, presión y volumen particulares).

EL PRINCIPIO CLAVE

La Segunda Ley, correctamente enunciada, establece que "en cualquier proceso en el que un sistema térmicamente aislado pasa de un macroestado a otro, la entropía tiende a aumentar". El uso de la palabra "tiende" es fundamental, ya que la entropía se entiende mejor en términos probabilísticos (la postura de Boltzmann), no de reglas deterministas absolutas (la postura de Clausius).

EL EXPERIMENTO MENTAL DE LAS CARTAS

Para ilustrar este concepto, imaginemos una baraja de cartas bien barajada. La entropía mide el conjunto de todos los estados posibles en los que se podría encontrar el sistema. La Ley no dice que el desorden necesariamente aumenta, sino que la probabilidad de encontrar el sistema en cualquier estado particular (ordenado o desordenado) tiende a acercarse a la probabilidad de encontrarlo en cualquier otro estado.

Jugar al póquer con barajas bien barajadas durante mucho tiempo resultará ocasionalmente en una "escalera real". Las posibilidades son escasas, pero barajar no significa que el orden no pueda aparecer accidentalmente, solo que es menos probable en cualquier mano específica.

La afirmación de los anti-evolucionistas de que la Ley requiere un desorden creciente es una tergiversación de lo que realmente dice la termodinámica.

EL ALCANCE DE LA LEY: LA TIERRA ES UN SISTEMA ABIERTO

​El segundo fallo, y quizás el más vergonzoso, en el argumento anti-evolucionista es su error de aplicación del alcance de la Segunda Ley.

​La ley aplica solo a sistemas térmicamente aislados y que no están en equilibrio.

Un sistema aislado es aquel al que no se añade ni se sustrae energía.

Es como creer que un organismo vive dentro de un termo..

LA CLAVE ESTÁ EN EL SOL

Aplicar la Segunda Ley a la Tierra como si fuera un sistema aislado es ignorar la realidad de nuestro planeta. Esta "hipótesis" es categóricamente falsa:

* La Tierra no es un sistema térmicamente aislado porque recibe energía constante del Sol.

* La energía añadida puede disminuir la entropía local. Al igual que la energía de una madre (la motivación) disminuye la entropía de una habitación desordenada, la radiación solar es la "motivación constante" que mantiene ordenado el sistema terrestre.

* Sin esta adición constante de energía, la vida sería termodinámicamente imposible.

LA VIDA COMO ESTRUCTURA DISIPATIVA

La comprensión de los organismos vivos como sistemas abiertos resuelve la aparente contradicción con la termodinámica.

ISLAS DE ORDEN EN UN OCÉANO DE CAOS

Los seres vivos han sido descritos como "islas de orden rodeadas por un océano de caos". El físico Erwin Schrödinger señaló que un atributo fundamental de los seres vivos es que mantienen altos niveles de orden interno mediante la "exportación de entropía" a su entorno.

El químico Ilya Prigogine ayudó a popularizar la noción de que, termodinámicamente, la vida es un subconjunto de una clase mayor de sistemas llamados estructuras disipativas. Estas estructuras dinámicas y automantenidas incluyen fenómenos como remolinos, llamas y ciclones.

CARACTERÍSTICAS DE LA VIDA TERMODINÁMICA

Los organismos importan formas útiles de energía (energía libre o nutrientes) y exportan formas menos útiles (entropía), particularmente calor y desechos. En esencia, todos los organismos mantienen su estado de baja entropía interna al "comer" energía libre y "expulsar" entropía.

La célula, la unidad básica de la vida, se define como un sistema abierto gracias a su membrana semipermeable. Esta membrana actúa como una frontera que separa el caos externo del orden interno y regula el intercambio de nutrientes y desechos. El metabolismo convierte los nutrientes en formas utilizables (como ATP), y el costo inevitable de esta conversión es la producción de desechos de alta entropía y calor, que deben ser exportados para la supervivencia celular.

LA EVOLUCIÓN DE LA COMPLEJIDAD FRENTE A LA ENTROPÍA

El argumento de que la complejidad biológica viola la Segunda Ley es un malentendido básico. El mundo físico está lleno de ejemplos de orden espontáneo que surge de estados menos ordenados, como el agua condensándose en lluvia o la congelación en cristales de hielo.

EL PRECIO ENERGÉTICO DEL ORDEN

La síntesis de orden tiene un precio energético. El costo de convertir una simple gota de agua en un copo de nieve más ordenado es la liberación de calor al medio ambiente, y el costo del desarrollo embrionario (de un cigoto a un ser humano complejo) es la conversión de nutrientes ordenados en calor y productos de desecho menos ordenados.

El resultado final es que, aunque la complejidad aumenta localmente (dentro del organismo), estos procesos siempre contribuyen a una mayor entropía neta del sistema en su conjunto, lo cual es perfectamente consistente con la Segunda Ley.

La complejidad puede desarrollarse espontáneamente en subsistemas abiertos (como una población de organismos) siempre que haya una mayor disminución de la entropía en otra parte interconectada del sistema.

EL MOTOR SOLAR

El Sol nos suministra una inmensa fuente de baja entropía. La Tierra absorbe energía en forma de baja entropía (fotones altamente dirigidos y de alta energía) y la irradia de vuelta al espacio en forma de alta entropía (fotones dispersos, de baja energía, radiación infrarroja).

Los productores primarios (plantas y cianobacterias) capturan esta baja entropía solar (usando la conversión de baja a alta entropía como motor) para impulsar la maquinaria de la vida y reducir su propia entropía. Utilizando cálculos básicos, los físicos han demostrado que la Tierra es bañada por aproximadamente un billón de veces la cantidad de flujo de entropía necesaria para sustentar la evolución de la vida compleja. Dado que la vida ha tenido miles de millones de años para evolucionar, la teoría evolutiva está más que justificada por la disponibilidad termodinámica.

LA SELECCIÓN NATURAL IMPULSADA POR LA ENTROPÍA

Desde una perspectiva física, la evolución puede describirse matemáticamente como una ecuación de movimiento donde la energía fluye hacia un estado de equilibrio. La evolución es vista como un proceso de transferencia de energía, y el movimiento físico siempre toma el camino de menor resistencia (el principio de mínima acción).

El hallazgo crucial de esta perspectiva es que los organismos son sistemas disipativos que maximizan la tasa de producción de entropía en el sistema. Por lo tanto, la selección natural favorece las mutaciones genéticas que conducen a tasas más rápidas de entropía.

MÉTODO: EL EXPERIMENTO MENTAL DE LAS PLACAS DE PETRI

Para ilustrar cómo la selección natural se alinea con este principio, se propone un experimento mental con tres placas de Petri cubiertas, idénticas, que contienen el nutriente glucosa (una forma de energía química de baja entropía):

* Placa sin Bacterias: La glucosa se degrada muy lentamente por oxidación atmosférica, alcanzando la entropía máxima en un tiempo muy largo.

* Placa con Cepa Genéticamente Estable: Las bacterias (estructuras disipativas organizadas) metabolizan la glucosa mucho más eficientemente que la oxidación por sí sola. La población crece, la glucosa disminuye, y la entropía total del sistema aumenta mucho más rápido que en la primera placa.

* Placa con Mutación Beneficiosa: Una subpoblación sufre una mutación en una proteína transportadora de glucosa que le permite importar el nutriente significativamente más rápido. Esta cepa mutante supera a la original y consume la glucosa a un ritmo aún mayor, alcanzando el estado de entropía máxima del sistema en un punto anterior

RESULTADO TERMODINÁMICO

La selección natural favorece la mutación genética que resulta en la tasa de entropía más rápida para el sistema. De manera similar, una mutación que hace a un depredador (como un león) más eficiente para cazar acelera la tasa neta de entropía del ecosistema (la conversión de cebras en calor y desechos del león), mientras disminuye ligeramente la entropía a nivel del subsistema (la población de leones).

La entropía, en lugar de contradecir la evolución, es una fuerza impulsora termodinámica que facilita y favorece la selección natural. Las mutaciones ventajosas son aquellas que incrementan la eficiencia de las transferencias de energía dentro de un ecosistema.

REFLEXIÓN FINAL: LA COHERENCIA CIENTÍFICA

La Segunda Ley de la Termodinámica, cuando se entiende correctamente, no solo deja de ser una amenaza para la evolución biológica, sino que se revela como su motor subyacente.

Los organismos vivos son máquinas de complejidad intrincada que mantienen un bajo nivel de entropía interna al importar energía libre y disipar entropía hacia el entorno. El universo termodinámico permite el aumento de la complejidad biológica porque la Tierra no es un sistema aislado, sino que está impulsada por el flujo masivo de energía de baja entropía proveniente del Sol.

La evolución, impulsada por la selección natural, es precisamente el proceso por el cual los organismos se vuelven incrementalmente más eficientes para canalizar esa energía solar, acelerando así la tasa de aumento de la entropía en el ecosistema global. El desafío para la ciencia radica en utilizar metáforas claras y un lenguaje accesible para comunicar esta compleja, pero coherente, historia que fusiona de manera magistral la física, la química y la biología.

--------

REFERENCIA

Schreiber, A. M., & Gimbel, S. J. (2010). Evolution and the Second Law of Thermodynamics: Effectively Communicating to Non-technicians. Evolution: Education and Outreach, 3(1), 14–24. https://doi.org/10.1007/s12052-009-0195-3

Imagen: la imagen es solo ilustrativa y generada por IA. Ilustra la Tierra como un sistema abierto, recibiendo energía del Sol y disipando entropía al espacio, con elementos que sugieren el orden biológico que emerge de este flujo:

Todas las reacciones:

1212