Vida y percepción de la vida /3. La entropía en los vivos
autor: Flavio Keller
fecha: 2008-08-09
fuente: Vita e percezione della vita /3 /4 /5 /6 /7
previos: /1. Preguntas sobre la vida
/2. El biólogo y el filósofo
traducción: María Eugenia Flores Luna

3. Los procesos elementales de los organismos vivos.

La materia viva es una materia «calificada». Sólo macromoléculas sumamente complejas y organizadas como los ácidos nucleicos y las proteínas parecen ser capaces de proveer aquella «fineza», aquel «refinamiento» de efectos que son necesarios para sustentar los procesos vitales.

¿La materia que constituye los seres vivos es una materia especial, cualitativamente diferente de la materia inanimada, o bien es sólo una forma particular de organización de la materia en general, caracterizada por particulares propiedades que resumimos, casi por convención, bajo el concepto de «materia viva?». Étienne Gilson, afirma interpretando el pensamiento de Aristóteles: «Sí, los seres vivos organizados y aquellos no organizados [es decir la materia inerte] constituyen dos clases distintas, pero no quiere decir que consistan en dos especies diferentes de materia, sólo que su materia está determinada por formas diferentes». (4)

Si sometemos un organismo vivo a un análisis químico convencional, encontraremos los mismos elementos químicos que hallamos en la naturaleza, es decir carbono, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, fósforo, azufre, sodio, potasio, cloro, calcio. No encontramos ningún elemento nuevo. Pues una primera conclusión, apresurada, podría ser que los organismos vivos no son «nada especial». Una conclusión más prudente es que este análisis confirma lo que la filosofía clásica había ya intuido: que los organismos vivos son parte de la naturaleza, la que es llamada, en el lenguaje común, «naturaleza animada», para distinguirla de la «naturaleza inanimada». Pero si profundizamos el análisis, podemos observar que todos los organismos vivos que conocemos están basados en una química particular, aquella del carbono. El carbono es un elemento que es capaz de proveer una variedad enorme de estructuras muy estables ligándose con otros pocos elementos pesados como nitrógeno, oxígeno y fósforo. De tal modo se consiguen todas las moléculas de la vida. Si no existiera esta enorme capacidad del carbono de dar lugar a cadenas muy largas y ordenadas en el espacio, todo lo que sabemos de la vida no funcionaría. En todo caso no todos los elementos químicos son aptos a sustentar la vida, al menos la vida que conocemos y es objeto de las presentes consideraciones, sino sólo un cierto tipo de elementos. Si profundizamos ulteriormente el análisis químico, descubrimos que muchas moléculas que constituyen los organismos vivos son compuestos quirales (de la raíz griega chéir, mano), o sea no superponibles con su imagen al espejo. Por ejemplo, los aminoácidos que constituyen las proteínas son todos L-aminoácidos (donde L está por levógiro). Estas primeras observaciones parecen confirmar que no cualquier combinación de elementos químicos puede estar a la base de los procesos vitales, al menos de la vida en la complejidad que conocemos. La materia viva es pues una materia «calificada». Aristóteles diría que es una materia determinada por un tipo particular de forma, aquella que caracteriza precisamente a los seres vivos. Por este motivo, los principales manuales de bioquímica dedican los primeros capítulos al estudio de las características físico-químicas de las «moléculas centrales de la vida», o sea de los ácidos nucleicos y de las proteínas. Sólo macromoléculas sumamente complejas y organizadas como los ácidos nucleicos y las proteínas parecen ser capaces de proveer aquella «fineza», aquel «refinamiento» de efectos que son necesarios para sustentar los procesos vitales.

Está sin embargo claro que las macromoléculas sólo son una condición necesaria pero no suficiente para la vida biológica. En efecto, si fuéramos a analizar químicamente el mismo organismo un instante antes de la muerte y un instante después de la muerte, no podríamos notar diferencias esenciales en la estructura de las macromoléculas que lo componen. Además, podemos aislar una macromolécula de un organismo, por ejemplo una molécula de hemoglobina o bien un canal iónico, extraer sus propiedades y utilizar estos conocimientos para entender la función en el organismo.

4. El "milagro" hemoglobina

Son sorprendentes las propiedades que adquiere el hierro cuando entra a formar parte de un compuesto macromolecular como la hemoglobina.
Un concepto que ha sido introducido para hacer una distinción entre los procesos individuales físico-químicos de un organismo vivo y el organismo en cuanto tal es el concepto de «emergencia». Martin Mahner (1958 -…) y Mario Bunge (1919 -…) (5) distinguen dos tipos de emergencia: la emergencia intrínseca (o bien global) y la emergencia relacional (o bien contextual). La emergencia intrínseca es una propiedad global del sistema que no se encuentra en ninguno de sus componentes. La emergencia relacional es la propiedad que adquiere un componente cuando se convierte en parte de un sistema. Según esta distinción, sólo la emergencia intrínseca sería pues característica de un organismo vivo mientras la emergencia relacional puede ser también encontrada fuera de los vivos por ejemplo en las máquinas (naturales o artificiales), donde las partes individuales adquieren una nueva eficacia. Un ejemplo de emergencia relacional en una máquina es un reloj, en el que los engranajes oportunamente ensamblados hacen funcionar el reloj. Un ejemplo en biología son las propiedades que adquiere el hierro cuando entra a formar parte de un compuesto macromolecular como la hemoglobina.

El hierro tiene una particular capacidad de ligar el oxígeno, un proceso que toma el nombre de oxidación. Un átomo de hierro en un cristal de hematites es ligado al oxígeno. El nombre «hematites» deriva del color rojo-sangre, asumido por este mineral cuando el hierro es ligado al oxígeno. La capacidad del hierro de ligar el oxígeno es aprovechada en la hemoglobina (Hb), una macromolécula biológica presente en los glóbulos rojos, que transporta oxígeno en la sangre. Un átomo de hierro en un cristal de hematites y en una molécula de Hb son ambas hierro, sin embargo cuando el átomo de Fe es incorporado al interno de una estructura orgánica que se llama eme, y la eme es incorporada al interno de cuatro cadenas proteicas globulares, las globinas, de modo de formar un complejo macromolecular, el átomo de Fe asume una capacidad totalmente nueva, que no posee en la hematites. Al interior de la molécula de Hb, el Fe se vuelve capaz de ligar o bien ceder O2 según las condiciones externas: liga el oxígeno en los pulmones y cede el oxígeno a los tejidos. De tal modo la Hb se convierte en un medio eficaz para el transporte del oxígeno. Pongan atención: para ser un medio de transporte eficiente de O2, no es suficiente que el Fe ligue el O2, también tiene que ser capaz de cederlo; otro pigmento parecido a la Hb, la mioglobina, presente en los músculos, liga el O2 con una afinidad 20 veces mayor que la Hb, pero no es capaz de cederlo en condiciones normales, por lo cual no sirve como medio de transporte de O2, sino sólo como reserva de O2 en condiciones de hipoxia. Una demostración de la complejidad de los factores que determinan las nuevas propiedades del Fe en la hemoglobina, con respecto de la hematites, es que no ha sido aún posible realizar una «Hb artificial», es decir una molécula orgánica capaz de ligar el O2 de modo parecido a la Hb y que sea por lo tanto capaz de reemplazar la Hb de la sangre.

5. Las "máquinas biológicas"

Pienso que la relación entre materia inanimada y materia viva pueda ser caracterizada como aquella de una «parcial discontinuidad», es decir ni total discontinuidad ni total continuidad. Para caracterizar esta relación es oportuno introducir la distinción entre Naturaleza (griego fysis) y Técnica (griego téchne, latino ars). La Naturaleza es el objeto de estudio del físico y del médico (6) además del biólogo, del geólogo, etc. La Técnica es principalmente dominio del ingeniero, y produce además máquinas, que le sirven al hombre para dominar la Naturaleza y ponerla a su servicio (hay que notar que para dominar la Naturaleza se necesita conocerla). Aunque la distinción entre Naturaleza y Técnica parezca hoy mucho menos precisa que en el pasado (los físicos, los médicos, los biólogos colaboran con los ingenieros para construir instrumentos para conocer la fysis y actuar sobre ella), permite introducir el concepto de máquina también para caracterizar los procesos elementales de los organismos vivos. La materia viva pues puede ser caracterizada como un conjunto de «máquinas naturales» o «máquinas biológicas», de naturaleza física-química, más o menos complejas y de dimensiones que van desde lo microscópico (por ejemplo los motores moleculares) a lo macroscópico (por ejemplo el sistema cardio-circulatorio), que sustentan la vida de los organismos vivos. El concepto de «máquina biológica» es importante porque expresa implícitamente el hecho de que los procesos vitales que ocurren en el organismo pueden ser analizados con métodos matemáticos, y confrontados con el funcionamiento de las máquinas artificiales, construidas por el hombre. Conocemos los mecanismos de funcionamiento de estas máquinas biológicas gracias a tecnologías que nos permiten aislarlas y estudiarlas «in vitro», o sea fuera del contexto del organismo vivo. Para estudiar las propiedades de estas máquinas bioquímicas vienen por ejemplo construidas máquinas «híbridas» naturales-artificiales.

Por ejemplo para estudiar el mecanismo de funcionamiento del motor molecular actina-miosina, que está a la base de la contracción muscular, la porción de la molécula de miosina que se liga al filamento de actina y, de este modo, genera fuerza, puede ser enganchada a una canica microscópica; ¡en presencia de energía metabólica (ATP) las moléculas de miosina «caminan» sobre los filamentos de actina arrastrando consigo la carga de la canica! Estos artificios experimentales permiten por ejemplo calcular la fuerza generada por un motor molecular individual, utilizando la clásica ecuación de la dinámica F = m a. El mecanismo que está a la base de este motor es el movimiento browniano, en efecto los motores moleculares también son llamados «motores brownianos».

Además el hecho de que estas «máquinas híbridas» funcionen tan bien sugiere que haya una unión profunda entre Naturaleza y Técnica, que ya Aristóteles había expresado en el conocido aforismo «El arte imita la Naturaleza, por lo tanto es necesario que la Naturaleza tenga cierta similitud con el arte».
Podemos pensar pues que la materia viva sea una materia sumamente diferenciada constituida por un gran número de máquinas naturales (de naturaleza físico-química): un organismo vivo está constituido por un número más o menos elevado de máquinas físico-químicas, pero el organismo vivo no es en sí una máquina físico-química. En efecto, por cuanto altamente distintas, estas minúsculas máquinas físico-químicas sucumben separadamente al segundo principio de la termodinámica (tendencia a pasar de un estado de orden a un estado de desorden) mientras el organismo vivo es caracterizado, como justamente Schrödinger ha observado, de una entropía negativa (neg-entropía). (7)

6. La paradoja de la entropía en los vivos

La consideración de los organismos vivos desde el punto de vista termodinámico se ha enriquecido enormemente gracias a la termodinámica lejos del equilibrio (non-equilibrium thermodynamics) desarrollado por Prigogine y colaboradores. Un organismo biológico es un sistema «termodinámicamente abierto», que es atravesado constantemente por un flujo de materia y de energía. También en la naturaleza inanimada podemos encontrar ejemplos de sistemas físicos abiertos que se mantienen lejos del equilibrio gracias a la constante aportación de materia y energía del exterior: un ejemplo clásico es un huracán marino, que es «alimentado» por una constante aportación de calor y agua. No al azar, algunos biólogos han evidenciado la analogía entre un «vórtice» y un organismo vivo. (8) En los organismos vivos, materia y energía son utilizadas para mantener activamente el propio orden, la propia organización y eso a pesar de que no encontramos aparentemente al interno de ello ningún principio material que sea capaz de explicar este hecho: todos los elementos materiales que encontramos obedecen a la segunda ley de la termodinámica. Prigogine ha demostrado cómo en un sistema abierto, aunque en conjunto vale el segundo principio de la termodinámica, por el cual la entropía del sistema aumenta constantemente en el tiempo, es posible alcanzar localmente los mínimos de entropía, es decir observar la manifestación y el mantenimiento del orden en determinados puntos, en aparente violación del segundo principio (cfr. el concepto de neg-entropía de Schrödinger), dando lugar a fenómenos de auto-organización.
«Si comprimimos entre dos planos de vidrio una sutil capa de líquido y lo calentamos, veremos formarse en el líquido - por transmisión - una característica estructura a nido de abejas, constituida por células hexagonales. Es un resultado desconcertante para quienquiera que sea firme en la concepción del mundo tradicional, basada en las situaciones de equilibrio. Más calor recibe el sistema desde el exterior, más frenético y desordenado debería ser el movimiento de las moléculas del líquido. ¿Por qué de este desorden debería emerger una organización? La estructura a nido de abejas de los fenómenos de auto-organización fue descubierta por primera vez por el investigador francés Henri Bénard en 1900. Una tentativa de explicación fue hecha por Lord Rayleigh en 1916. Se sabe hoy que aquel característico tipo de estructura es una consecuencia de aquella que ha sido llamada la inestabilidad hidrodinámica de Rayleigh-Bénard". (9)

Es importante subrayar la diferencia entre un retículo cristalino (organización estática) y una estructura dinámica disipativa como el ejemplo de la estructura a nido de abejas o el huracán, que solicitan la constante aportación de energía; se habla de estructura disipativa porque la entropía, en lugar de aumentar dentro del sistema y llevar al aumento del grado de desorden, es disipada en el ambiente mediante el calor. El ejemplo de la inestabilidad de Rayleigh-Bénard es relevante para los procesos vitales, porque demuestra que la energía suministrada en determinadas condiciones (no en «cualquier» condición, la distinción es importante) es capaz de crear y mantener el orden, más bien es necesaria para el mantenimiento del orden. El proceso de Rayleigh-Bénard (y otros fenómenos de auto-organización construidos en laboratorio) no es otra cosa que una estructura artificial relativamente simple en la que son creadas las condiciones en las cuales puede ocurrir un proceso de auto-organización. También el organismo vivo porta materia y energía desde el ambiente. Podríamos afirmar pues, por analogía, que un organismo vivo es aquella estructura natural que crea y mantiene las condiciones para que, gracias al intercambio constante de materia y energía con el ambiente, ocurran procesos de auto-organización. (10) El conjunto de estas condiciones es lo que llamamos «vida» y cuando el organismo ya no es capaz de mantener estas condiciones, muere.

7. Lo vivo suspendido en el abismo

Obviamente hay dos diferencias fundamentales entre sistemas físicos como el huracán o bien el sistema de Rayleigh-Bénard y un organismo vivo. La primera es la diferencia de materia: ya hemos visto que la materia viva es una materia específica, la materia inerte tiene capacidades limitadas de auto-organización. La segunda es que mientras en los sistemas físicos no ocurre ningún proceso metabólico, en los organismos vivos ocurren procesos metabólicos por los que los elementos químicos son descompuestos e integrados en la estructura del organismo (asimilación).
El equivalente «filosófico» de la termodinámica lejos del equilibrio es el concepto de «preocupación por el propio ser» (concern for their own being), que, según Hans Jonas, caracteriza a los organismos vivos en cuanto tales, pero no se encuentra en los elementos individuales o procesos que los constituyen. «Es tan constitutiva para la vida la posibilidad de no-ser que su mismo existir es esencialmente un ser suspendido en el abismo […]: así el ser se ha convertido en una constante posibilidad antes que en un determinado estado, que hay que coger en su momento en oposición a su contrario siempre presente, el no-ser, que al final inevitablemente lo tragará». (11)
En efecto, una de las características de la vida que conmueve principalmente es este recorrer constantemente la sutil línea de confín entre orden y desorden, entre orden rígido y anarquía. Si consideramos un organismo vivo, la escena que aparece ante nuestros ojos es aquella de «lugar en construcción», de precariedad, de cosas no acabadas, hasta de cosas empezadas y no llevadas a cabo. Se respira el ambiente de una obra antes que aquel de un museo.
Una expresión de esta «preocupación por el propio ser» es que en los organismos vivos sólo parte de la energía metabólica sirve para la función del órgano, otra parte no desdeñable sirve para mantener la estructura del órgano, así que si esta energía viene a faltar, no sólo cesa la función, sino, simultáneamente, el órgano se corrompe. Se podría decir que el precio de la vida es que los organismos vivos tienen que renovarse activamente para mantener el propio ser, la propia identidad. Este hecho ha sido reconocido por Cornelio Fabro: « [Es]… una de las leyes fundamentales de toda actividad vital y sensorial o sea que su ejercicio no va solamente a ventaja del organismo entero, sino del mismo órgano operante, por ejemplo la digestión, la respiración […] tienen en vida y desarrollan el mismo aparato digestivo y respiratorio». (12)
Polanyi introduce a este propósito un principio interesante o sea el principio de control dual (13) que puede ser utilizado para diferenciar los organismos vivos (y las máquinas) y la materia inerte.
«Así la máquina en su conjunto opera bajo el control de dos principios distintos. Aquel superior es el principio del proyecto de la máquina y éste refrena aquel inferior, que consiste en los procesos físico-químicos sobre los que la máquina se basa. […] En este sentido el organismo parece ser, como una máquina, un sistema que funciona según dos principios diferentes: su estructura sirve como condición al contorno que refrena los procesos físico-químicos mediante los cuales sus órganos desarrollan sus funciones. Así, puede ser llamado un sistema bajo control dual. La morfogénesis, el proceso por el que se desarrolla la estructura de los seres vivos, puede ser por lo tanto comparada con la formación de una máquina que actuará como confín para las leyes de la naturaleza inanimada». (14)
«Control dual» indica un control de parte de un principio inferior y al mismo tiempo de un principio superior. Según Polanyi, mientras la materia inanimada se encuentra bajo el control de un único orden de principios (las leyes de la física y de la química), las máquinas y los organismos vivos se encuentran bajo el control de dos diferentes órdenes de principios, un principio inferior ligado a las leyes de la física y de la química y a un principio superior no reducible a estas leyes.

Notas
4. E. Gilson, Da Aristotele a Darwin e ritorno Saggio su alcune costanti delle biofilosofia (De Aristóteles a Darwin y regreso. Ensayo sobre algunos constantes de los biofilosofía), Marietti, 2003, p. 187.
5. M. Mahner y M. Bunge, Foundations of Biophilosophy, Springer, Berlín, 1997, p. 31.
6. Es interesante notar por inciso que los correspondientes términos modernos ingleses, physicist y physician, subrayan el carácter común de perspectiva. En el Medioevo, el ejercicio de la medicina era subdividido entre el medicus fisicus y el medicus chirurgus, división justificada por la estrecha separación impuesta por las leyes medioevales entre el arte de la medicina y los oficios manuales. Esta distinción todavía sobrevive hoy en la distinción entre physician y surgeon.
7. E. Schrödinger, Che cos’è la vita? (¿Qué es la vida?), Sansoni, Florencia 1988
8. Cfr: G. Cuvier, Le Règne Animal distribué d’après son Organisation, Paris. Deterville, t.1, 1817.
9. Cfr: P. Coveney, R. Highfield, La freccia del tempo (La flecha del tiempo), Rizzoli, Milán 1991
10. Pues al revés de lo que Bichat sostenía (cfr.: Recherches physiologiques sur la vie et la mort, nueva ed., Masson y Charpentier, París 1852) no existe un real y propio antagonismo entre organismo vivo y naturaleza inanimada sino más bien una armonía.
11. «So constitutive for life is the possibility of not-being that its very being is essentially a hovering over this abyss a skirting of its brink: thus being itself has become a constant possibility rather than a given ever anew to be laid hold of en opposition to its ever-present contrary not-being which will invevitably engulf it in the end». H. Jonas, The Phenomenon of Life. Toward a Philosophical Biology, Introduction, Northwestern University Press 2001
12. C. Fabro, L’Io e l’esistenza e altri brevi scritti (El yo y la existencia y otros breves escritos), traducido por A. Verdes, Ediciones Universidad de la Santa Cruz, Roma 2006, p. 79.
13. Miren por ejemplo M. Polanyi, The structure of consciousness, in Brain, Vol. LXXXVIII (1965), pp. 799-810.
14. M. Polanyi, La struttura irriducibile della vita, in Conoscere ed essere (La estructura irreducible de la vida, en Conocer y ser), Armando, Roma 1988, p. 266-267.

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