Producción de entropía: la variable física que podría ser usada para detectar vida en otros planetas

La primera ley de la termodinámica nos dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. La segunda ley añade que, en toda transformación de energía, una proporción de ésta sale de un sistema hacia el ambiente en forma de calor. Todos los sistemas, incluidos los vivos, están sujetos a estas leyes.

De acuerdo con la termodinámica, existen dos tipos de estructuras en la naturaleza: las estructuras de equilibrio y las estructuras disipativas.

Las primeras surgen como resultado de que la naturaleza minimiza un potencial (como la energía libre de Gibbs), para un sistema aislado o cuasi aislado, identificados así porque no intercambian materia o energía con el entorno. Un ejemplo de lo anterior es la forma esférica de la Tierra o las estructuras de las proteínas.

Por otro lado, las estructuras disipativas surgen como resultado de la aplicación de un potencial termodinámico generalizado (por ejemplo, un gradiente de temperatura, una concentración de material o un potencial eléctrico o fotónico) sobre un sistema abierto.

Los huracanes, el ciclo del agua, los ecosistemas, la vida misma o las sociedades humanas son estructuras disipativas, que además dependen del intercambio de materia y energía con el entorno y que fomentan la disipación de los potenciales termodinámicos.   

Los fenómenos de equilibrio o disipación de un sistema termodinámico, descritos anteriormente, es lo que en física se conoce como entropía.

Los seres vivos tienen la capacidad de transformar la energía que recibe del entorno para llevar a cabo su metabolismo y vivir. Es así que un ejemplo importante de la estructuración disipativa se da cuando las plantas u otros organismos fotosintéticos se “autoorganizan” bajo el espectro solar incidente y forman pigmentos orgánicos que tienen la capacidad de absorber parte del espectro solar y convertirlo en calor. La disipación de la luz en forma de calor por parte de dichos pigmentos orgánicos es, por mucho, el mayor productor de entropía en la Tierra.

En un trabajo publicado a inicios del 2022 por investigadores de la UNAM, uno de ellos el doctor Karo Michaelian, del Departamento de Física Nuclear y Aplicaciones de la Radiación en el Instituto de Física de la UNAM, se comparó la entropía producida por diferentes materiales orgánicos e inorgánicos al ser expuestos a la luz solar.

Aplicando una derivación de la fórmula de Planck para la entropía de un haz de fotones arbitrario, y desde el marco de la teoría de la termodinámica clásica irreversible de la escuela de Ilya Prigogine, sus resultados mostraron que los materiales orgánicos son los mayores productores de entropía.

Así pues, las hojas de las plantas y el fitoplancton producen mayor entropía en comparación con el agua y el suelo de arena y roca, todos desprovistos de vida. Los bosques clímax -aquellos que han llegado a su máxima composición vegetal- mostraron la mayor producción de entropía debido a la evolución de máxima absorbancia y emisividad en comparación con material sin vida.

Con base en sus resultados, los investigadores sugieren que la naturaleza evoluciona hacia un estado de mayor producción global de entropía y no hacia la optimización de la supervivencia. Es decir, no hace más óptima a la fotosíntesis o a la reproducción, como sugiere la teoría evolutiva desde la perspectiva Darwiniana.

De hecho, el trabajo de estos investigadores propone que, tanto en las plantas como en el fitoplancton, la máxima absorción de energía por parte de los pigmentos se da entre los 430 y 550 nanómetros (nm), rango entre el cual también se da la mayor producción de entropía dado nuestro espectro solar.

Refieren que, si los organismos fotosintéticos estuvieran optimizados para la reproducción, el crecimiento y la supervivencia -como apunta la teoría darwiniana-, la absorción por parte de los pigmentos se daría entre los 600 y 700 nm, donde el número incidente de fotones es mayor y la fotosíntesis es más eficiente. 

Todo lo anterior apoya a la teoría disipativa termodinámica del origen de la vida, que postula que las moléculas orgánicas fundamentales para la vida, es decir las que están presentes en los dominios Bacteria, Archaea y Eukarya –como los ácidos nucleicos, los aminoácidos, ácidos grasos, etc. –, eran, en principio, pigmentos en el rango de la radiación utlravioleta (UV-C)  y tenían la misma función termodinámica que los pigmentos de las plantas actuales: la disipación de fotones en forma de calor.

Sin embargo, los pigmentos que absorben y disipan luz en el espectro visible se autoorganizaron posteriormente, poco a poco ganando terreno en el planeta.  

Con este trabajo, los investigadores también sugieren la posibilidad de usar los espectros entrantes y salientes globales de un planeta para determinar la producción de entropía y así saber si existe o no vida extraterrestre.

Aclaran que sería particularmente conveniente usar este método para detectar vida en planetas y estrellas similares al nuestro, ya que en otros planetas de otras estrellas existen las condiciones mínimas del espectro superficial en el UV-C necesarias para que se dé la autoorganización disipativa de pigmentos orgánicos que, con el paso del tiempo, pudieran dar lugar a ecosistemas mucho más complejos y disipativos.

 Fuentes:

Michaelian K, Cano Mateo RE. (2022). A Photon Force and Flow for Dissipative Structuring: Application to Pigments, Plants and Ecosystems. Entropy. 24(1):76. doi: 10.3390/e24010076. Entropy | Free Full-Text | A Photon Force and Flow for Dissipative Structuring: Application to Pigments, Plants and Ecosystems (mdpi.com).

Michaelian K, Santillán Padilla N. (2014) Fundamentos termodinámicos del origen de la vida, en Visiones de la Física Experimental en el Siglo XXI, Ed. Esbaide Adems Chahin, Fondo de Cultura Económica, México, diciembre de 2012, disponible en (10) Karo Michaelian (researchgate.net).

Michaelian, K. (2022) Non-Equilibrium Thermodynamic Foundations of the Origin of Life, Foundations 2, no. 1: 308-337. https://doi.org/10.3390/foundations2010022 Foundations | Free Full-Text | Non-Equilibrium Thermodynamic Foundations of the Origin of Life (mdpi.com)