Vincent Torley es un filósofo que contribuye publicaciones a The Skeptical Zone. El año pasado, escribió un artículo criticando mis escritos sobre el origen de la vida en el que presentó varios contraargumentos basados en una variedad de artículos populares y académicos.
Acá abordaremos errores que cometió en su descripción de la termodinámica y el significado de la literatura en la que se apoyó, aunque sus errores fueron completamente comprensibles. No ha estudiado extensamente la termodinámica del no equilibrio, y las ideas pueden ser bastante sutiles. Además, tomó afirmaciones que especulaban sobre los orígenes como piezas de hojaldre que exageraron en gran medida los resultados experimentales. Incluso, intentó debatir conceptos como la complejidad, que a menudo están mal definidos y no se usan de manera uniforme incluso en artículos técnicos. Sin embargo, ha reunido una muestra bastante completa de los errores comunes relacionados con la conversación de los orígenes, por lo que sus esfuerzos fueron de gran valor. Hoy corregiré los errores relacionados con la termodinámica.
El problema central de la termodinámica para el origen de la vida es que la naturaleza siempre tiende a moverse hacia estados de mayor entropía o estados de menor energía o ambos. Más específicamente, la entropía y la energía (o entalpía a presión constante) se combinan comúnmente en la medida de la energía libre, y todos los procesos espontáneos sin asistencia externa se mueven hacia la energía libre más baja. Como una analogía, imagina una biblioteca con una cantidad de libros en los estantes y mucha más cantidad en el piso. Los estantes superiores corresponden a estados de energía más altos. También imagine que un pequeño porcentaje de los libros se han organizado de acuerdo con el sistema de Clasificación de la Bibliotecas, pero la mayoría se distribuye al azar. Los libros más dispuestos al azar corresponden a una entropía más alta. Cualquier estado de vida correspondería entonces a la mayoría de los libros en los estantes superiores (alta energía) con un gran porcentaje dispuesto en orden según la Clasificación de la Bibliotecas (baja entropía).
Las tendencias de conducción en la naturaleza en la Tierra primitiva habrían sido análogas a los temblores sísmicos que reordenan los libros de la biblioteca. Durante los temblores, algunos de los libros en el piso saltaban a los estantes, y algunos de los libros en los estantes saltaban a otros estantes o al piso. La tendencia natural en el tiempo sería que los libros en los estantes superiores cayeran a los estantes inferiores, y el número más grande residiría finalmente en el piso. Además, los libros que se secuenciaron hasta cierto punto en un orden específico tendían a mezclarse aleatoriamente. Los libros nunca terminarían altamente ordenados en el estante superior. De la misma manera, cualquier disposición de productos químicos en casi cualquier etapa de fusión en la primera célula se alejaría de ese objetivo y hacia moléculas simples dispuestas aleatoriamente. Agregar más energía no ayudaría, ya que cualquier fuente de energía natural actuaría como un terremoto más intenso que impacta en la biblioteca. El sistema se movería vilentamentee en la dirección opuesta a la vida.
Como digresión técnica, la analogía de los libros de la biblioteca funciona mejor para aquellos que se sienten cómodos con el formalismo de la entropía configuracional. Sin embargo, el principio sigue siendo válido incluso para aquellos que desean pensar solo en términos de entropía termodinámica tradicional. La conclusión es que la vida tiene una energía más alta y una entropía más baja por definición que las moléculas de las que surgió. Por lo tanto, la naturaleza siempre resistiría su formación espontánea. El hecho de que los aminoácidos deban organizarse en un orden altamente específico podría simplemente agregarse a la entropía como una parte de configuración. Alternativamente, la probabilidad de que se unan adecuadamente podría considerarse como un desafío probabilístico independiente, además del desafío de entropía. De cualquier manera, la barrera de entropía / configuración es insuperable.
En relación con la energía, una creencia común es que la adición de energía desvía fuertemente a las moléculas hacia estados de mayor energía. Esta suposición es completamente incorrecta. Los sistemas tenderán a configurarse en estados con una probabilidad que se reduce exponencialmente con el aumento de energía, como se ilustra crudamente en la analogía de los libros. En otras palabras, los estados de energía más bajos siempre son más probables que los estados de energía más altos a menos que los estados de energía más altos sean considerablemente más numerosos. En el equilibrio, cualquier sistema se movería hacia la Distribución de Boltzmann. Si se agrega energía, el efecto neto sería elevar la temperatura, lo que provocaría que la distribución de los estados de mayor energía cayera más lentamente. En otras palabras, agregar energía no causa que un gran porcentaje de los estados de energía más bajos salten a una energía significativamente más alta. Los estados de energía más bajos todavía dominan, solo que en menor grado.
Además, agregar energía siempre hace que la entropía aumente. Como ejemplo, imagina un entorno que contenga muchos aminoácidos individuales y algunas cadenas de aminoácidos de longitud variable. Un desafío es que los aminoácidos se combinen con las cadenas para alargarlas, ya que esa reacción es termodinámicamente desfavorable. La adición de energía aumentaría la velocidad a la que los aminoácidos se combinan en cadenas más largas ya que, en promedio, tendrían más energía cinética para superar las barreras de reacción. Sin embargo, la energía añadida provocaría en gran medida que las cadenas existentes se rompieran ya que la ruptura de un enlace peptídico solo tiene que superar la barrera de energía de activación que es más pequeña. De manera similar, deshidratar un estanque podría ayudar a los aminoácidos a combinarse en cadenas, pero el proceso probablemente destruiría las cadenas existentes. El efecto neto siempre sería alejarse de un gran número de cadenas más largas que serían esenciales para la vida.
La única solución es que algún motor procese una fuente de energía y luego redirija esa energía para realizar un trabajo útil. Además, se requeriría información, por lo que el trabajo podría dirigirse correctamente para ensamblar y operar la celda. En la vida, el procesamiento de la energía requiere estructuras celulares acopladas a ciclos químicos que usan la luz solar o la descomposición del combustible (por ejemplo, glucosa) para producir moléculas de alta energía tales como ATP. Y la información está integrada en las secuencias altamente específicas de cadenas de aminoácidos en las proteínas. La secuencia hace que las cadenas se doblen en las estructuras correctas (enzimas) que impulsan las reacciones necesarias para construir los componentes celulares correctos y mantener el metabolismo. Las enzimas también vinculan la descomposición de las moléculas de alta energía con las reacciones y otros procesos que se mueven enérgicamente cuesta arriba, por lo que el cambio neto en la energía libre es negativo. La energía de la reacción anterior se utiliza para conducir los procesos cuesta arriba, superando así la barrera de energía libre.
Torley escribe que el trabajo de Jeremy England ha superado todos estos desafíos al demostrar que los procesos naturales pueden mover un sistema hacia una mayor energía libre. Esta afirmación representa una total incomprensión de su investigación. Las simulaciones de England estudian cómo la energía puede ser absorbida de alguna fuente y luego liberada (disipada) en el medio ambiente. Sus modelos presuponen que la energía está fácilmente disponible y que se puede acceder directamente para generar reacciones de interés específico. En otras palabras, si sus simulaciones se relacionan con el origen de la vida, habría supuesto que el problema central de procesar y redirigir una fuente de energía disponible ya se habría resuelto.
Sin embargo, en ninguno de sus documentos técnicos relaciona directamente alguno de sus trabajos con investigaciones concretas sobre el origen de la vida. Simplemente afirma que sus modelos podrían ofrecer posibles analogías e identifica la disipación de calor mínima en la autorreplicación. Los artículos de nivel popular han hecho una fuerte conexión con el origen de la vida, pero sin ninguna justificación. Por el contrario, el trabajo de England se basa en teoremas de fluctuación que demuestran que los sistemas impulsados desde el equilibrio tienden hacia estados de mayor entropía y una mayor disipación de energía, la dirección opuesta a la necesaria para la primera célula. Para tener una perspectiva del problema: la combinación de moléculas básicas en una bacteria requiere que la energía se absorba (opuesta a la disipada) del ambiente en una cantidad de aproximadamente 0.27 ev / átomo. Este valor, si se escala, sería paralelo a una bañera de agua a temperatura ambiente que absorba suficiente calor del ambiente para comenzar a hervir. Una clara imposibilidad.
Torley también hace referencia a un artículo de David Ruelle que trata de explicar cómo los desafíos de la energía libre para el origen de la vida podrían superarse basándose en la mecánica estadística. El documento es bastante técnico y abstracto, por lo que los argumentos subyacentes no son de fácil acceso. Además, Ruelle se refiere principalmente a otras investigaciones altamente teóricas, y no intenta fundamentar sus argumentos en la realidad física. Sin embargo, el punto clave es bastante sencillo. Primero reconoce por completo que los procesos físicos tienden a una menor energía libre. A continuación, describe cómo podría formarse un conjunto de reacciones estables que extraen energía libre de «nutrientes» externos que actúan como combustible. En otras palabras, Ruelle presupone la existencia de un motor que puede procesar combustible y mecanismos que luego redirigen la energía hacia reacciones químicas específicas.
Todos los demás documentos que proponen soluciones a los desafíos termodinámicos utilizan el mismo enfoque. Ignoran casi todos los desafíos prácticos y desasocian completamente su trabajo de los experimentos realistas. Y asumen la existencia de una fuente ilimitada de energía, un convertidor de energía eficiente (motor) e información. Sin embargo, el convertidor y la información requerida ya deben existir antes de que se pueda crear el convertidor. La única explicación para la aparición repentina de tal maquinaria molecular y la información es un proceso guiado o inteligente.
Artículo originalmente escrito en inglés por Brian Miller Ph.D.
Crédito de la imagen: Estantes de la biblioteca después de un terremoto, por la Biblioteca Pública de San José, a través de Flickr.
