Sólo somos máquinas de devorar energía (II)

"Somos máquinas de supervivencia, vehículos autómatas programados a ciegas con el fin de preservar las egoístas moléculas conocidas con el nombre de genes." ("El gen egoísta: Las bases biológicas de nuestra conducta", Richard Dawkins)
"You start with a random clump of atoms, and if you shine light on it for long enough, it should not be so surprising that you get a plant." Jeremy England (2014), interview commentary with Natalie Wolchover

Mucho he hablado ya en el blog sobre la interesante y reciente propuesta de Jeremy England[1][2][3] sobre la abiogénesis. Y también he intentado personalmente poner a prueba dicha teoría mediante simulaciones físicas por ordenador, con un resultado en apariencia favorable[4][5]. Sin embargo, ya empiezan a aparecer experimentos reales (y no meras simulaciones) que empiezan a evidenciar empíricamente las palabras del físico del MIT. Yo realmente espero una futura oleada de nuevas pruebas a favor de esta propuesta, pero dado lo reciente de la teoría subyacente (que data de finales del 2013, hasta el día de hoy[6][7]), es ya importante el hecho de que comiencen a aparecer experimentos en laboratorios que la sustenten.

Pues bien. El trabajo de constatación en cuestión lo han realizado los científicos Dilip Kondepudi, Bruce Kay, y James Dixon, pertenecientes al departamento de química de la Wake Forest University (en Carolina del Norte). Dicho trabajo se titula: "End-directed evolution and the emergence of energy-seeking behavior in a complex system"[8], y viene a resumirse en la siguiente sentencia:

"Se ha estudiado cómo en un sistema lejos del equilibrio térmico, y dirigido por una fuente de energía eléctrica externa, unas pequeñas esferas de aluminio inmersas en un fluido viscoso dan lugar a la gradual aparición de complejas estructuras en forma de árbol, las cuales exhiben un movimiento dinámico muy parecido al de ciertos organismos unicelulares, y ofreciendo por tanto una búsqueda activa hacia aquellos estados de máximo consumo de energía (y, por tanto, de máxima disipación): es decir; que se ha comprobado cómo bajo ciertas condiciones, y de un modo espontáneo, aparecen fenómenos que buscan activamente estados de máxima producción entrópica. Estas formaciones o estructuras complejas se forman y se mueven, por tanto, de manera tal que favorecen siempre estados de mínima energía libre; y además, si el sistema es perturbado de manera que pierden su eficiente estructura, en el momento que la perturbación finaliza, comienzan a regenerar de nuevo su formación hasta que se alcanza de nuevo un estado de máximo consumo energético."

El que un experimento tan simple en su construcción presente unas características tan parecidas a las de ciertos organismos vivos simples, es realmente impresionante (e inesperado). Es más, el hecho de que las esferas de aluminio no presenten, como era de esperar, una dinámica caótica con choques y movimientos aleatorios, parecen indicar claramente un comportamiento ontológico del mundo favoreciendo en este ambiente un proceso evolutivo dirigido hacia aquellos estados finales que maximicen (y no sólo que aumenten) la producción global de entropía.

Todo esto encaja y parece apoyar fuertemente la teoría de Jeremy England, el cual ha desarrollado una completa formulación matemática[6][7] a partir de preceptos termodinámicos, concluyendo que las estructuras complejas acontecidas en sistemas lejos del equilibrio, deben presentar características tales que favorezcan la máxima absorción media de una fuente de energía externa. Esto es precisamente lo que se ha observado en el experimento del que os hablo: una evolución temporal hacia estados que ofrecen mínima resistencia eléctrica (y con ello, máxima absorción energética de la fuente eléctrica externa, y por tanto, máxima disipación y máxima producción de entropía).

La posibilidad de que la vida primitiva  haya surgido en un proceso espontáneo muy similar al acontecido en este experimento (aunque con una mayor complejidad y diversidad en las fuerzas termodinámicas implicadas, y mediante intervalos de tiempo mucho mayores), es bastante plausible. Es más, la conjunción de este tipo de experimentos, junto con formulaciones teóricas tan apasionantes como la del físico del MIT, hacen de esperar en los próximos años un acuerdo de la comunidad científica sobre el modo en que el proceso de abiogénesis vino a ocurrir.

Y si hay algo por lo que estos trabajos son realmente apasionantes, es precisamente porque suponen la explicación última tan buscada sobre dos de las grandes preguntas filosóficas: ¿de donde venimos (qué causó nuestra aparición en el mundo)? ¿y adónde vamos (cuál es la finalidad de nuestra existencia)?

Pues bien. Si futuros trabajos experimentales de este estilo siguen dando resultados positivos; las respuestas serán que nuestro origen es fruto de un proceso natural espontáneo por el cual el Universo favorece la aparición gradual de estructuras complejas en sistemas lejos del equilibrio (como es el caso de la Tierra), a condición de que de ese modo se alcance (dentro de un entorno determinado) estados de máxima producción en la entropía global del Universo.

De este modo, se puede esquematizar el origen de la vida (y del ser humano) con el siguiente vídeo del experimento que tratamos. Este vídeo, ofrecido junto al paper original, nos muestra así un fenómeno parecido (aunque simplificado), al que pudo dar forma aquí en la Tierra a las primitivas estructuras abióticas complejas que luego, gradualmente, llevaron a la formación de los primeros organismos propiamente vivos:

La pregunta sobre nuestra finalidad (¿adónde vamos?), se responde desde esta perspectiva científica, afirmando que todo lo que cualquier organismo vivo debe hacer (cualquier fenómeno complejo, en realidad), es favorecer la aparición de los estados termodinámicos de máxima entropía. Esa es nuestra finalidad, ese es nuestro fin y nuestra misión: replicarnos y consumir toda la energía que caiga en nuestras manos de modo que se maximice en lo posible (según un entorno concreto) la producción global de entropía en el Universo. Y este objetivo impuesto por la física es ineludible, y es compartido por todos los fenómenos complejos (vivos y no vivos), que aparecen en el mundo. De hecho, cuando una especie desaparece del planeta, es por no poder ya maximizar en su entorno la producción de entropía, siendo tal especie sustituida por otra que realiza mejor esa función.(esta sería, de hecho, la base física subyacente escondida tras la abstracta teoría de la evolución biológica).

Se puede decir que este otro vídeo, también suplemento del paper, esquematiza por tanto la finalidad de todos y cada uno de nuestros actos (volitivos o no): maximizar el consumo energético.

Cuando te creas un ser especial, dotado de maravillosas capacidades racionales, recuerda que todos tus actos (tanto los instintivos como los reflexivos) son en esencia equivalentes a los de esas bolas de aluminio buscando estados de máximo consumo: puesto que no te quepa duda de que no hay diferencia material alguna entre ambos fenómenos (la racionalidad de hecho, es sólo un modo en que la naturaleza ha conseguido maximizar en gran medida la eficiencia en el consumo energético gracias a una mejor previsión de los fenómenos futuros).

Y aunque las implicaciones filosóficas son enormes, no voy a entrar a ello en este artículo. Baste decir que todo apunta a que nuestra lucha como seres vivos, no es más que parte de un intrincado proceso por el cual hemos conseguido ser los seres que más y mejor han conseguido acaparar y devorar todo el potencial energético disponible en la Tierra. Si esta "finalidad" es merecedora de tanto dolor y sufrimiento pasado, presente y futuro ya es otra cuestión, pero los hechos son los que son: sólo somos máquinas de devorar energía.

Referencias de interés:

[1] http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/02/las-matematicas-de-la-conducta.html
[2] http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2014/12/las-matematicas-de-la-vida.html, http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-ii.html, http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-iii.html, http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-iv.html, http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-v.html
[3] http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2014/12/solo-somos-maquinas-de-devorar-energia.html
[4] http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/11/experimento-en-favor-de-la-teoria-de.html
[5] http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/03/evidencia-favor-de-la-teoria-de-jeremy.html
[6] http://arxiv.org/pdf/1412.1875v1.pdf (Perunov, N., Marsland, R., and England, J. "Statistical Physics of Adaptation", (preprint), arxiv.org, 2014.)
[7] http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf (England, J. L. "Statistical Physics of self-replication." J. Chem. Phys., 139, 121923 (2013).)
[8] End-directed evolution and the emergence of energy-seeking behavior in a complex system (Dilip Kondepudi, Bruce Kay, and James Dixon Phys. Rev. E 91, 050902(R) – Published 18 May 2015)

Experimento en favor de la teoría de Jeremy England (III)

Encendemos un termostato sobre un recipiente de volumen constante con un gas monoatómico en su interior siguiendo un potencial Lennard-Jones.

Dicho potencial tienen una componente positiva que resulta en una fuerza repulsiva actuando a pequeñas distancias entre partículas (simulando el resultado de la sobreposición de los orbitales electrónicos, conocido como la repulsión de Pauli). De esta manera, las partículas no puede solaparse a partir de cierta distancia mínima. Por otra parte, hay una componente negativa del potencial que simboliza una fuerza atractiva que actúa a mayores distancias entre partículas (simulando la fuerza de Van Der Waals, o fuerza de dispersión).

Comportamiento normal del sistema en estas condiciones.

Si comenzamos con un sistema de N partículas monoatómicas inicialmente en reposo, al activar el termostato a una determinada temperatura kT, el sistema comienza a adquirir energía cinética y las partículas van adquiriendo velocidad. El potencial L-J descrito decide más tarde cómo se producen las fuerzas interacción entre partículas (evitando solapamiento, y favoreciendo la atracción mutua entre pares en relación inversa a su distancia).

Si el termostato se mantiene fijo en la misma temperatura kT, pasado un cierto número de segundos el sistema alcanza un equilibrio térmico caótico de máxima entropía: en este punto no se observan ya grandes variaciones en las medidas energéticas y de velocidad.

Esta sucesión de acontecimientos es la que se observa siempre que se repite el experimento no importa el número de veces que se realice, ni el tiempo que se espere. El hecho de que un fenómeno complejo ocurra en estas condiciones, como por ejemplo que N / 2 partículas se agrupen muy cerca unas de otras es casi imposible dada las pocas configuraciones que muestran este estado en comparación con los billones de configuraciones que presentan un estado caótico como el observado.

¡Nuevo paper de Jeremy England!

"You start with a random clump of atoms, and if you shine light on it for long enough, it should not be so surprising that you get a plant." Jeremy England (2014), interview commentary with Natalie Wolchover

¡Acabo de comprobar que han publicado un nuevo paper del físico del MIT (Massachusetts Institute of Technology), Jeremy England!

Esto puede no significar mucho para la mayoría de vosotros (xDD), pero para mí es una noticia extraordinaria porque llevo ya tiempo siguiendo el trabajo de este autor y llevaba todo este 2015 esperando una nueva publicación.

Por si hay algún interesado, el trabajo es el siguiente:

England, J. L. "Dissipative Adaptation in Driven Self-assembly." Nature Nanotechnology, 10, 920 (2015)

En cuanto me lo empape a fondo prometo hacer un artículo divulgativo en este blog. También ha participado en este otro paper:

Brock, K. P., Abraham, A., Amen, T., Kaganovich, D. and England, J. L. "Structural Basis for Modulation of Quality Control Fate in a Marginally Stable Protein."  Structure, 23, 1169 (2015).

¡Un saludo!