ENERGÍA Y METABOLISMO. GENERALIDADES

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(Tomado de Prociencia. Biología. Módulo I: Hacia la vida: ¿Es posible encontrar el camino?, pp. 215-217)

Organismo, información, energía

“Sabemos que los organismos biológicos tienen un grado de organización tan característico que si alguien encuentra un objeto con cierta organización estructural puede fácilmente decir si es biológico o no. En realidad, la estructura está tan ligada al funcionamiento que, por ejemplo, cuando un patólogo mira una pieza de anatomía puede decir mucho de la historia de los procesos que llegaron a producirla. Tengamos en cuenta que tanto para organizar y producir una estructura como para reconocerla, se requiere de información y que la información cuesta energía. Un organismo biológico, por más simple que sea, tiene una organización producto de una historia, durante la cual se acumuló una gran cantidad de información a expensas de una cantidad también muy grande de energía.

El origen energético de la organización biológica se cuestionó en todos sus aspectos apenas se hubo asimilado las primeras enseñanzas de la termodinámica. Veamos a continuación algunos de estos aspectos.

Antes de que apareciera la vida en la Tierra, el mar era una especie de sopa donde abundaban las moléculas orgánicas del tipo de las que hoy constituyen a los seres vivos. Fue natural que algunos científicos postularan que, en tantos millones de años y dado el enorme volumen de este mar prebiológico y la enorme cantidad de sustancias adecuadas que poseía, las circunstancias fortuitas hicieran que se “armara” algo vivo y así comenzara la vida en el planeta. Había sido como si pusiéramos las piezas de un reloj en una bolsita y jugáramos con ella, tirándola, pateándola para todos lados, con lo cual las piezas adoptarían distintas distribuciones, y pasáramos millones de años tratando de ver si de repente, el azar, en alguno de esos ordenamientos, se armara un reloj. Esta forma de ver las cosas atrajo a muchos científicos.

En contra de esta teoría, Harold Morowitz hizo el siguiente cálculo. Tomó como base la bacteria Escherichia coli, uno de los seres más simples, y calculó la energía contenida en las uniones de sus moléculas. El cálculo no era complicado: al saber cuántas proteínas, cuántos azúcares, cuántos lípidos, cuántos fosfatos, cuántos ácidos desoxirribonucleicos, etc. contiene una bacteria, y los tipos de enlaces que tienen los átomos que constituyen dichas moléculas, pudo hacer una estimación de la energía que debe contener la bacteria para ser catalogada como algo viviente. Luego supuso que todos los átomos que componen la E. coli están sueltos en el volumen que ocupa dicha bacteria. Se preguntó entonces cuál era la probabilidad de que, en un sistema en equilibrio una fluctuación diera fortuitamente una E. coli.

El equilibrio es una situación en la que no hay trabajos netos. Cada vez que aparece una desviación del estado de equilibrio, una fluctuación, se crea un gradiente; dicho gradiente genera una fuerza, esa fuerza crea un trabajo y ese trabajo consiste en conducir de nuevo al equilibrio.

La pregunta de Morowitz era: ¿Cuál es la probabilidad de que, todos los carbonos libres, oxígenos, hidrógenos, azufres, necesarios para formar una bacteria lleguen a organizarse de repente en una fluctuación del estado de equilibrio – como el reloj de que hablábamos recién- y aparezca una bacteria? Para hallar la respuesta, calculó que cantidad de energía mínima (qué alejamiento fortuito del equilibrio) se necesita para hacer de moléculas sueltas una E. coli. Esa fluctuación, como cualquier fluctuación de un estado de equilibrio, tiene una probabilidad (p). Morowitz calculó qué probabilidad había de que alcanzara la energía necesaria para formar un ser vivo tan simple como una E. coli. La respuesta fue: p= (10)-1011

Este es un número tan pequeño, que aunque desde el origen del Universo (El famoso Big Bang o gran explosión inicial) se “ensayara” la posibilidad de producir una simplísima E. coli., esta posibilidad pertenece al orden de 10-99999999866, o sea, es imposible. En síntesis, había que dejar de lado la idea de que la vida pudiera haber surgido como una fluctuación de un estado de equilibrio. Esa era, por aquel entonces, la mejor teoría disponible para explicar científicamente el origen de la vida en la Tierra. ¡Pensar que estamos hablando de hace apenas veinte años! La solución tomó muchos años y esfuerzos. A continuación veremos otras de las vías que condujeron hacia los conceptos actuales.

El abandono de los modelos de equilibrio

Los primeros pasos de la termodinámica fueron dados a través de los modelos de equilibrio. Los de la Fisiología también: no sólo comúnmente (y a veces incorrectamente) aplicamos ecuaciones válidas sólo para estados de equilibrio, sino que el concepto homeostasis es central al enfoque biológico. Típicamente, los fisiólogos nos ocupamos de cómo hace el organismo para mantener constante su glucemia, su pH, su contenido de sodio, su volumen sanguíneo. Pero es claro que los modelos de equilibrio no llevan más que a imposibilidades (como las que ilustré anteriormente con el cálculo de Morowitz). Con esos enfoques no podríamos explicar el fenómeno más evidente de la vida en la Tierra: su evolución a organismos más complejos. Peor aún, equilibrio significa detención de todo trabajo. Si nosotros mantuviéramos realmente el equilibrio, estaríamos muertos: caería nuestra temperatura hasta la del medio ambiente, cesarían de contraerse nuestros músculos, de circular nuestra sangre, se escaparía el potasio de nuestras células, se llenarían de sodio, y nuestro equilibrio consistiría lisa y llanamente en la muerte, es decir, en la no vida. Entonces, ¿por qué los biólogos aplicamos ecuaciones de equilibrio para estudiar los sistemas biológicos? Porque son más fáciles que las ecuaciones de desequilibrio. Si nos cuesta entender las cosas cuando se quedan quietas, cuando aparece la dinámica las cosas se tornan más complicadas aún. Por eso siempre se partió de estudiar las cosas en equilibrio, aunque éste no existiera o fuera sólo una aproximación. Más no es correcto tratar con leyes de equilibrio a los sistemas biológicos. Los sistemas biológicos no tienden al equilibrio, sino que tienden sólo a mantener constante la temperatura, la presión arterial, -aunque no tan constante, porque está fluctuando-, el pH, la concentración de sodio… Si tomamos más agua, vamos a orinar más, y si tomamos menos, vamos a orinar menos: el fisiólogo se preocupa justamente por ver cómo hacen nuestros sistemas para recuperar el valor normal