El fenómeno vida a los ojos de un físico

¿Cómo comprender la vida desde la física? Vemos que los acontecimientos que se suceden en un organismo vivo lo hacen con una regularidad y un orden admirables, llevados a un nivel desconocido por la materia inanimada: su comportamiento vegetativo, las relaciones metabólicas de carácter molecular que se dan en su seno, la operatividad de los órganos… todo se da en una especie de organización plástica, perfectamente engranada, con la capacidad de adaptarse mágicamente a diversas situaciones. Todo este despliegue «lo encontramos controlado por un grupo de átomos maravillosamente bien ordenados que sólo representan una pequeña fracción de la suma total en cada célula», dice Schrödinger. Esta peculiaridad consiste en ser capaz de ‘atraer orden’ sobre sí mismo, sorteando la progresión hacia el caos atómico propio de todo devenir natural de la materia inanimada, absorbiendo orden apropiadamente de su entorno; todo lo cual está relacionado con esas moléculas ‘mágicas’ semejantes a las de los sólidos aperiódicos que denominamos cromosomas, «las cuales representan, sin duda, el grado más elevado de asociación atómica que conocemos ―mucho más elevado que el cristal periódico común― en virtud del papel individual que cada átomo y cada radical desempeña aquí». Lo que hace la materia viva es, partiendo de un orden existente, mantenerlo.

Esto visto para un físico no puede menos que ser considerado sorprendente, en tanto que rompe con el comportamiento habitual de sus objetos de estudio, en los cuales el comportamiento ordenado de los átomos es infrecuente, tanto como para afirmar que responde a una irregularidad completa, de la cual sólo se puede hablar de regularidad en términos estadísticos, como valor medio de un número elevado de casos. En la materia viva, un solo grupo de átomos es capaz de provocar acontecimientos debidamente ordenados, armonizados entre ellos y el entorno, de acuerdo con leyes todavía por conocer, difícilmente imputables a mecanismos probabilísticos. Este pequeño grupo de átomos ‘directores’ aparece en cada una de las células que componen el organismo, como si fueran diminutas estaciones de gobierno local, que participan todas de un mismo código común. Todo ello es totalmente desconocido en otra materia que no sea la viva: «el físico y el químico, al examinar las materias inanimadas, nunca han presenciado fenómenos que hubieran tenido que interpretar en esta forma».

Ello nos lleva a la identificación de dos procesos distintos mediante los cuales se pueden obtener sucesos ordenados: el estadístico que produce orden del desorden, y el biológico que produce orden del orden. Paradójicamente, el segundo parece el más lógico para el sentido común, y seguramente lo sea, pero es en el fondo el más misterioso de los dos. Es razonable pensar que el ‘mismo objetivo’ sea alcanzable según dos procesos distintos, por las mismas leyes. Cuáles sean en el caso biológico, no pueden ser explicadas desde las leyes de la física. Es preciso estar abiertos a algún nuevo tipo de ley física, so pena de tener que calificarla como una ley no-física. No es ésta última la opinión de Schrödinger, para lo cual habría que matizar una afirmación anterior, a saber: que todas las leyes físicas están basadas en la estadística.

Ello no nos debe llevar a confundirnos con las apariencias. En muchos casos, la regularidad observada (la de los planetas girando en el sistema solar, la de las manecillas del reloj marcando la hora) es efectivamente dependiente de la irregularidad atómica. Pero ya Planck realizó una observación en este sentido, diferenciando en un estudio lo que en su título ya indica: “Leyes de carácter dinámico y leyes de carácter estadístico”, que es la distinción que acabamos de establecer entre leyes que rigen el ‘orden del orden’ y leyes que rigen el ‘orden del desorden’, respectivamente. Lo que Planck trataba de establecer, ajeno al problema que nos ocupa pero que apunta hacia él, era la demostración de cómo las leyes que rigen el comportamiento a gran escala se establecen sobre la base de las leyes dinámicas que son las que se suponen que gobiernan los sucesos a pequeña escala, es decir, las interacciones entre átomos y moléculas. Desde esta lectura, esta nueva ley de ‘orden del orden’ no sería tan ajena al mundo de la física como en un principio se pudiera haber pensado: de hecho, y según Planck, este principio debe poder aplicarse también a los fenómenos de la física moderna. La conclusión a la que llega Schrödinger es, pues, que la ley ‘orden del orden’ debe regirse también por leyes físicas, de carácter físico, o mecánico, pero entendido desde el planteamiento cuántico, y aplicado a sistemas orgánicos.

¿Por qué se para un reloj? Pues porque, una vez le hemos dado cuerda, va perdiendo energía por rozamiento y por calor, según procesos físicos ciertamente complejos, hasta que se para. Pero el físico cuántico sabe que el proceso inverso es posible, aunque sea altamente improbable (tal y como estableció Boltzmann), de modo que un reloj sin cuerda podría ponerse a andar de repente, a expensas de la energía térmica de sus componentes y de la del entorno. ¿No es eso lo que hace la materia viva? No debemos perder de vista que, frente a la estabilidad de su funcionamiento, un reloj debe su actividad a la naturaleza estadística del proceso, y en cualquier momento podría invertir su movimiento, por ejemplo. Lo que diferencia este segundo suceso de su funcionamiento normal, no es su imposibilidad, sino su improbabilidad. Aunque se trate de una probabilidad mínima, infinitesimal, siempre existe en potencia. Desde esta perspectiva, la diferencia entre ‘orden del orden’ y ‘orden del desorden’ se difumina, prevaleciendo la que dicte la actitud del observador.

Ahora bien, lo que sigue pendiente de respuesta es cómo las leyes tipo ‘orden del orden’ están tan presentes en el ámbito biológico, y no tanto en los físico-químicos como tales. Una posible aproximación es la que establece Schrödinger en estos términos y que, sinceramente, a un servidor se le escapa, aunque trataré de exponerla de un modo fiel: «¿Cuándo un sistema físico ―cualquier clase de asociación de átomos― desarrolla la ‘ley dinámica’ (en el sentido de Planck), o caracteres del ‘mecanismo del reloj’? La teoría cuántica ofrece una contestación muy breve para esta pregunta: en el cero absoluto de temperatura. Al aproximarse a dicho grado de temperatura, el desorden molecular deja de tener influencia alguna sobre los acontecimientos físicos». Una temperatura, el cero absoluto, que nunca puede ser alcanzada, sino sólo aproximativamente: es la conocida como ‘tercera ley de la termodinámica’ de Walther Nernst. La mecánica cuántica permite fundamentar racionalmente esta ley de carácter empírico; y, lo que es más importante: nos permite comprender cuánto debe acercarse un sistema al cero absoluto para poder desplegar un comportamiento aproximadamente ‘dinámico’. Entiendo que, a esa temperatura, desde un lado el sistema presentará leyes del tipo ‘orden del desorden’, y desde el otro del tipo ‘orden del orden’. No necesariamente esa temperatura ha de ser siempre muy baja; de hecho, Nernst la dedujo en temperaturas ambientales investigando cómo la entropía afectaba a reacciones químicas. Para nuestro reloj, el ‘cero absoluto’ se corresponde con la temperatura ambiental, razón por la que funciona en nuestras casas de forma dinámica.

La entropía de la vida

Veíamos cómo un ‘trozo de materia viva’ tiene un comportamiento muy diferente a un ‘trozo de materia inerte’, no tanto en sentido existencial, sino que, siguiendo el hilo del pensamiento de Schrödinger, en términos termodinámicos. Efectivamente, mientras la materia inerte tiende a aumentar la entropía, la viva hace lo contrario, la disminuye. ¿Cómo es eso? Sabido es que, todo organismo, realiza distintas funciones para mantenerse en vida: se alimenta, respira, etc. Lo que no nos lleva sino a retrotraer la pregunta: ¿cómo puede, en base a qué, un organismo es capaz de realizar dichas funciones?, ¿qué posee un organismo que es capaz de metabolizar todos esos recursos, con la consecuencia de disminuir su entropía?

Como vemos, desde un punto de vista físico, ocurre en los organismos algo que contradice la dinámica generalizada de la naturaleza. Todo lo que ocurre en ésta supone un incremento de la entropía en esa parte del mundo en que acontece; en principio esto es algo de lo que debería participar también todo sistema orgánico, aproximándose paulatinamente a ese estado de entropía máxima que sería su muerte, como parece que el universo tiende hacia ese estado de muerte entrópica. ¿Cómo lo evita? Pues invirtiendo el proceso entrópico, haciendo decrecer en sí mismo este aumento de la entropía, para lo cual se abastece de la entropía negativa que encuentra a su alrededor: por decirlo así, un organismo se alimenta de entropía negativa. De esta manera puede aplazar la consecución del estado inerte de entropía máxima. Schrödinger explica un ejemplo intuitivo: ocurre aquí lo mismo que a un montón de papeles encima de una mesa, que tienden a desordenarse, y hace falta una persona que continuamente los vaya ordenando para que sigan siendo útiles y ofreciendo posibilidades de trabajo. Algo así hace el organismo con los ‘papeles’ que encuentra a su alrededor.

Pues bien, en la medida en que un organismo tenga más posibilidades para atrapar la entropía negativa de su entorno, tendrá más posibilidades de mantenerse vivo. Si la entropía es la medida del desorden, su inversa será la medida del orden; «en esta forma, la treta mediante la cual un organismo se mantiene en estado estacionario, a un nivel admirablemente elevado de orden (un nivel admirablemente bajo de entropía) consiste, en realidad, en absorber continuamente el orden del ambiente que lo rodea», dice Schrödinger.

A ello le dio explicación von Bertalanffy apelando al carácter abierto de los sistemas vivos, salvando así la contradicción existente entre la tendencia a la degradación de la materia hasta la muerte térmica del universo y la evolución de los seres vivos hacia sistemas orgánicos cada vez más complicados y con niveles de organización más elevado. Siguiendo la postura de Schrödinger, observa que en los sistemas abiertos tenemos no sólo procesos de producción de entropía debida a procesos irreversibles, sino también entrada de entropía precisamente gracias a su carácter abierto: «así ―dice― los sistemas vivos, manteniéndose en estado uniforme, logran evitar el aumento de entropía y hasta pueden desarrollarse hacia estados de orden y organización crecientes».

Después de emplear este orden que roba del entorno, el sistema vivo lo devuelve al entorno mucho más degradado, aunque no del todo, ya que sus excrementos y restos pueden ser utilizados por otros organismos vivos. Podemos decir en este sentido, que la luz solar es el gran suministro de ‘entropía negativa’ para las plantas. Para realizar esta tarea, no es posible pensar la materia viva tal y como pensamos habitualmente la inerte: es necesario comprenderla sin sujetarse a las leyes ordinarias de la física y de la química. Con esto no quiere decir Schrödinger que haya que buscar una causa extraordinaria, una ‘fuerza oculta’ o algo similar, que se encargaría de dirigir el comportamiento de cada uno de los átomos que la componen según unos cauces determinados en el seno del organismo viviente, sino porque su estructura es diversa en tanto que materia viva a la de la materia inerte, y hay que comprenderla en su diversidad. Sería algo así como si un ingeniero térmico quisiera conocer cómo funciona un motor eléctrico: no podrá comprender los principios en virtud de los cuales funciona, pues precisa cambiar la clave. En el caso de los sistemas orgánicos entran en juego leyes biológicas difícilmente reducibles ―a mi modo de ver, y creo que es por donde iba Schrödinger― a las físico-químicas.

La extraña relación entre lo biológico y lo entrópico

Hay un asunto muy interesante en biología, que tiene que ver con cómo se despliega ontogenéticamente un individuo en virtud de su código genético. Se trata de estudiar, no cómo o de qué están compuestos los genes, sino de cómo, a efectos prácticos, esos genes propician que un organismo se vaya constituyendo como tal. Algo debe tener el código genético para que esté en perfecta correspondencia con un plan de desarrollo altamente complejo y definido, conteniendo los medios para el despliegue orgánico del individuo, en su carácter progresivo. ¿Cómo lo hace?, se pregunta acertadamente Schrödinger; ¿cómo trabaja, en definitiva, la sustancia hereditaria? Resolver esta cuestión es el auténtico leitmotiv de estas reflexiones del austríaco. Recordemos que él trataba de discernir hasta qué punto las leyes de la física (él fue uno de los padres de la mecánica cuántica) se hacían presentes en los fenómenos biológicos, y de qué modo lo hacían, cuál era su alcance.

Su punto de partida se puede resumir en lo siguiente: «la materia vital, si bien no elude las ‘leyes de la física’, tal como están establecidas hasta la fecha, probablemente abarque ‘otras leyes físicas’ desconocidas hasta ahora, las cuales, una vez descubiertas, formarán, sin embargo, una parte tan integral de esta ciencia como las anteriores».

De alguna manera, su postura se endereza hacia la idea de que lo biológico puede ser explicado por lo físico-químico, aunque para ello haya que ensanchar un poco la esfera de lo físico-químico, tal y como está considerada en la actualidad. Es decir, se puede decir que Schrödinger se endereza hacia un reduccionismo fisicalista. Lo cierto es que hoy en día ―hasta donde yo sé― esas otras leyes de la física y química aún siguen buscándose.

Una de estas líneas de investigación (Kauffman) es la que tiene que ver con la posibilidad de ampliar la aplicación de las leyes de la termodinámica para poder aplicárselas a sistemas abiertos autoconstructivos, es decir, a organismos. Ya se vio cómo las leyes de la física son de carácter estadístico, aunque a la escala macroscópica se vean fenómenos perfectamente determinados; en cuanto se aumenta la escala, se observa cómo esta percepción determinista no se ajusta a la realidad de las cosas. Lo cierto es que, paradójicamente, la estabilidad macroscópica de las leyes de la física hay que agradecérsela al carácter estocástico de las partículas que componen las cosas. En opinión de Schrödinger, algo de esto parece que hay en las ‘cosas vivas’, pero no del todo; dice: «la vida parece ser el comportamiento, ordenado y regido por leyes, de la materia, sin estar basada exclusivamente en su tendencia de pasar del orden al desorden, sino basado en parte en un orden existente, constantemente mantenido». O, dicho de otro modo: el organismo vivo parece ser un sistema macroscópico cuyo comportamiento, en parte, se aproxima al comportamiento puramente mecánico (en contraste con el termodinámico) al que tienden todos los sistemas cuando se acercan al cero absoluto, suprimiendo paulatinamente el desorden molecular (estado de Bose-Einstein). O sea, si lo he entendido bien, que el comportamiento macroscópico de lo vivo se adecúa, en parte, al comportamiento de la materia cuando ésta se aproxima al cero absoluto, momento en el que su desorden molecular se ordena.

Lo que se plantea Schrödinger hasta qué punto tiene esto sentido. ¿Qué relación hay entre la vida y el desorden? ¿Cuándo se puede predicar de un ‘trozo de materia’ que está vivo? Un criterio que se podría barajar es: cuando sigue comportándose de una manera determinada más tiempo que el que suponemos que duraría un trozo de materia inerte bajo las mismas circunstancias. Me explico. En un sistema inerte, en un trozo de materia inerte, todo movimiento que pueda llevar se paralizará prontamente debido a diversas fuerzas que se le oponen, hasta que alcanza una nueva situación de estabilidad. Si tiramos una piedra, al poco la piedra se detendrá plácidamente allá donde caiga. Aunque en algunos casos esta nueva situación de estabilidad puede ser alcanzada con no demasiada rapidez (pensemos en los planetas girando alrededor del Sol), podemos considerar correcta esta afirmación, por la idea que le subyace. El comportamiento de la materia viva es radicalmente diverso: lo enigmático de su comportamiento es que no cede con esa prontitud a ese estado de equilibrio, sino que se resiste a él: lo vivo tiende a todo menos a quedarse parado, está en continuo movimiento, resistiéndose a todo aquello que lo quiera frenar. Tanto es así que antiguamente se suponía que los entes animados albergaban en su interior una energía especial, un ánima, idea que, en la época contemporánea se ha mantenido bajo distintas formulaciones (el élan vital de Bergson, la entelequia de Driesch), formulaciones que hay que comprender bien para no reducirlas a meros tópicos. Pero algo de eso hay.

O sea: mientras que la materia inerte a lo que tiende es a incrementar su entropía, de modo que cada vez tiene menos capacidad de trabajo, los organismos vivos hacen totalmente lo contrario: con su comportamiento disminuyen la entropía, por lo menos en el seno del sistema que conforman. Y el asunto es: ¿y cómo hace el organismo viviente para resistirse a esa pronta situación de estabilidad?

La suerte del carácter isomérico de los genes

Estuvimos viendo en el anterior post la importancia de dos fenómenos: a) de la existencia de moléculas isoméricas que permitan cierta posibilidad de cambio, y b) de que algunos de estos isómeros fueran lo suficientemente estables como para garantizar la vida segura de la molécula. Veíamos cómo Schrödinger realizaba este estudio a la luz de las moléculas que forman parte de nuestros genes. Una característica fundamental que es más que razonable suponer en nuestros genes, que no dejan de ser unas moléculas, es que sean lo suficientemente estables como para permitir la vida de las especies, y no sucumbir con demasiada facilidad ante los embates que le sobrevengan del exterior. Se pregunta Schrödinger: «¿Estas estructuras [los genes], compuestas de relativamente pocos átomos, son capaces de resistir durante largos períodos la influencia perturbadora del movimiento térmico a la cual queda continuamente expuesta la substancia hereditaria?».

Es decir: los genes, ¿son lo suficientemente estables como para poder asumir las variaciones energéticas que el entorno les pueda propiciar, sin por ello verse alterados? Si no fuera así, cualquier alteración energética originada en el entorno podría afectarlos, alterándolos considerablemente o incluso destruyéndolos.

Las moléculas biológicas deben estar hechas de tal modo que los aportes externos de energía térmica que le puedan llegar usualmente desde la naturaleza no les suponga, por lo general, cambios relevantes. O, como dice él: «los umbrales de energía que separan la configuración de energía de cualquier configuración isomérica posible, deben ser bastante altos (en comparación con la energía térmica media de un átomo) para hacer que los cambios de nivel sean un acontecimiento raro». Como es fácil pensar, entre esos ‘acontecimientos raros’ no están sino las mutaciones. Observando la figura del anterior post, interesa que los puntos tipo 3 sean razonablemente elevados: ni muy poco, porque entonces los genes serían muy inestables, pero tampoco demasiado, pues entonces el tránsito de un isómero al otro sería prácticamente imposible, impidiendo las mutaciones, y las mutaciones es un fenómeno biológico muy útil en determinadas circunstancias.

Pues bien, queda por comprobar si esto que estamos comentando se cumple efectivamente según el comportamiento de la materia viva. Y ciertamente los resultados apuntan en esta dirección. Por ejemplo, esos ‘valores de umbral’ que habíamos establecido desde un punto de vista físico-químico, son ratificados por la investigación biológica. Según la naturaleza de las moléculas génicas se comprueba que, efectivamente, suelen ser muy estables, lo que no es óbice para que una fluctuación fortuita de la energía pueda llevarlas a un estado isomérico diferente, acontecimiento lo suficientemente raro (pero que se da) como para poder ser interpretado como una mutación espontánea. «De este modo, debido a los principios mismos de la mecánica cuántica, explicamos el más asombroso hecho relacionado con las mutaciones, gracias al cual ellos atrajeron por primera vez la atención a de Vries: que son variaciones ‘a saltos’, sin que se produzcan formas intermedias».

Es razonable pensar que la naturaleza haya propiciado que los códigos genéticos de los organismos posean una estabilidad relevante, so pena de verse modificados por circunstancias menores, lo que pondría en entredicho la continuidad de la especie. Frente a los niveles de la radiación natural, las moléculas genéticas no presentan riesgo de mutación salvo en circunstancias muy puntuales: «no debemos extrañarnos mucho de que la Naturaleza haya logrado crear una serie tan sutil de ‘valores de umbral’ como la necesaria para hacer que la mutación sea un fenómeno poco frecuente». Se comprueba en el laboratorio que en condiciones energéticas más intensas (exposición a rayos X de los genes de la mosca Drosophila, por ejemplo) las mutaciones son más frecuentes, según la fórmula que ya vimos para el tiempo de expectación: t=τe^(W⁄kT). Se comprobó cómo la baja mutabilidad de los genes naturales quedó visiblemente aumentada por la sobreexposición energética. La conclusión a la que llega Schrödinger es que el modelo cuántico-biológico responde muy bien a los hechos experimentales.

Entre isómeros y mutaciones

Hemos visto (en este post) cómo las moléculas orgánicas no dejan de ser eso, moléculas, y están sujetas a los desequilibrios que les puedan causar agentes externos como cualquier otra molécula del universo; desequilibrios que podían darse más fácil o difícilmente, en función de la estabilidad de la molécula. Ante cualquier agente externo, moléculas más estables mantendrían su composición con mayor éxito que moléculas inestables. Y Schrödinger se hacía eco de que las moléculas base de los organismos debían poseer cierta estabilidad pues, en caso contrario, difícilmente podrían contribuir a que dicho organismo se mantuviera vivo. Una estabilidad que, por otra parte, no podía ser tan férrea que no permitiera ciertas alteraciones importantes, y que darían lugar a las mutaciones.

 

Al respecto, Schrödinger realiza dos matizaciones. Una, que antes de que las moléculas cambien de un estado a otro de modo sustancial en la naturaleza, suelen darse con frecuencia transiciones a estados que no implican cambios apreciables en la configuración de la molécula vista en su conjunto, sino más bien a su comportamiento interno (relacionado con sus estados vibratorios, por ejemplo). Estas modificaciones vibratorias son relativamente fáciles de conseguir y, aunque físicamente puedan ser relevantes (no olvidemos de dónde provenía Schrödinger), poseen poca relevancia biológica, motivo por el cual no serán objeto de nuestra atención. Cuando hablemos de modificaciones moleculares, nos referiremos siempre a aquellas que suponen un cambio significativo en su configuración.

La segunda matización es un poco más compleja, y es más relevante a nuestros efectos. Tiene que ver con estos cambios significativos entre niveles diferentes. Por donde va Schrödinger es por el hecho de que, aunque los momentos origen y final de un cambio puedan estar relativamente próximos, y no presentar una dificultad demasiado grande para darse, sí que puede dificultarse por la existencia de algún estado intermedio por el que tenga que pasar la molécula en ese proceso de cambio, y que salvarlo sea más difícil.

Muy bien, a causa de un agente externo, se podría cubrir la diferencia de nivel entre los extremos, pero a causa de ese estadio intermedio ya no da. De modo que el tránsito puede quedar truncado por motivos ajenos al del mero suministro de energía. Sabido es que un mismo conjunto de átomos puede agruparse según diversas configuraciones moleculares: son los isómeros. La existencia de los isómeros es muy común; cuanto mayor sea la molécula, mayor es la probabilidad que se ofrece de isómeros. Es muy curioso cómo, en no pocos casos, con una pequeña variación en la configuración, aun contando con el mismo número de los distintos átomos, las propiedades físico-químicas de las sustancias son muy diferentes. Esto va a tener su relevancia en las mutaciones biológicas. De hecho, en su opinión será en estos casos difíciles en los que el cambio molecular es relevante.

Schrödinger explica —como se ve en la figura— que en no pocas ocasiones el paso de un estado a otro no es lineal, sino que hay obstáculos intermedios. Imaginémonos los isómeros correspondientes a los estados 1 y 2 de la siguiente figura; se observa cómo ambas moléculas son perfectamente estables, cada una en su nivel de energía; en cada caso, una leve modificación de su estado revierte sobre sí mismo, en beneficio de la estabilidad; como dice Schrödinger, ambas moléculas se comportan como si fueran ‘dos estados más bajos’. Se observa cómo no hay transiciones espontáneas de un estado al otro, sino que para que se dé dicha transición, es preciso pasar por el estado intermedio 3, un estado energético considerablemente más elevado. A juicio de Schrödinger serán este tipo de transiciones las únicas interesantes desde el punto de vista biológico: aquellas en que el salto de un isómero a otro está mediado por un estado que requiere una carga energética relevante, y que de alguna manera ‘protege’ a los estados 1 y 2 ya que, si bien es complicado pasar del 1 al 2, tampoco es sencillo volver del 2 al 1 (aunque el salto energético que tenga que salvar sea inferior, no deja de ser apreciable). Se aprecia como la energía que hay que suministrar para pasar del estado 1 al 2 no es la diferencia de nivel entre ellos dos, sino desde el estado 1 al 3. Y, en sentido opuesto, ese pico protege al nuevo estado 2 alcanzado, que ya no volvería inercialmente al nivel 1 por encontrarse a un nivel superior de energía, ya que, para hacerlo, debe salvar el punto 3. ¿Por qué son interesantes únicamente este tipo de transiciones? Pues porque, cuando no son así, su existencia es muy reducida, y los efectos de estos cambios no son duraderos, pasando inadvertidos, ya que, cuando se producen, suelen recaer en el estado primitivo puesto que no hay nada que lo impida, sin mayores consecuencias.

Del salto cuántico a las mutaciones

Veíamos aquí cómo, desde el punto de vista molecular, el hecho de que la energía se transmitiera a golpes tenía sus ventajas, ya que ello propiciaba la estabilidad de la molécula ante ciertas variaciones energéticas pequeñas, siendo necesaria que éstas superen un determinado umbral para provocar un cambio en su estructura; en el ámbito que nos ocupa, moléculas orgánicas, ese cambio estructural se traduciría en una mutación. El hecho de que las mutaciones, o cambios estructurales moleculares, se hagan a golpes, va a ser fundamental para la vida.

Este suministro de energía a las moléculas biológicas se realiza sobre todo mediante el calor: es necesario ‘calentar’ la molécula para sacarla de su estado estable y llevarle a otro. Los efectos de la energía calorífica son un poco irregulares; es decir, no es estrictamente cierto que, a una temperatura exacta, siempre la misma, se produzca el salto; sólo se puede estimar ese salto probabilísticamente. Con otras palabras: cuando se ‘baña térmicamente’ a moléculas similares, no todas saltan exactamente igual, sino que cada una lo hace cuando lo hace, siendo imposible prever cuándo ‘esta molécula en concreto’ va a saltar. Lo que sí se puede hacer, como se hace en casos similares a éste, es hablar de valores medios; en nuestro caso, la variable que se emplea es el tiempo de expectación, es decir, «el tiempo medio que hay que esperar hasta que se produzca la elevación».

Unos pocos datos técnicos. Polanyi y Wigner investigaron a fondo este tiempo de expectación (t), y averiguaron que dependía de dos variables energéticas, a saber: la primera relacionada con la cantidad de energía a suministrar para propiciar el salto (W), y la segunda con la intensidad del movimiento térmico propio, el cual depende de la temperatura en que se encuentre la molécula previamente (si la temperatura es T, este valor se define como kT, siendo k la constante de Boltzmann). Decíamos que el tiempo de expectación dependía de estas dos variables, de W y de kT. Es fácil pensar que, cuanto mayor sea W, cuanta más energía haya que suministrar, mayor será dicho tiempo; y que cuanto mayor sea kT, más ‘agitadas’ estarán las partículas, por lo que dicho tiempo será menor. Por lo tanto, el tiempo de expectación será proporcional a W/kT. Se ha comprobado que para W/kT = 30, el tiempo de expectación es de una décima de segundo; para un valor de 50 aumentaría hasta casi un año y medio; y para un valor de 60 hasta nada menos que treinta mil años.

Se observa claramente una escala logarítmica, según la cual se puede expresar así al tiempo de expectación: t=τe^(W⁄kT), siendo τ una constante muy pequeña, del orden de 10⁻¹³ – 10⁻¹⁴ segundos. Esta ecuación tiene una importancia fundamental, pues viene a indicarnos la probabilidad de que una determinada molécula cambie de estado ante una incidencia accidental de energía; probabilidad que ―como decía― depende del cociente W/kT, aumentando exponencialmente conforme crece linealmente este cociente, lo que tiene una relevancia en el mundo de la vida fundamental.

Pues aquí está el meollo. Cuanto menos agitada esté una molécula orgánica, y más energía haya que aplicarle para que dé el salto, más estable será, y menos facilidad tendrá para mutar; y viceversa: cuanto más agitada esté, y menos energía haya que suministrar, más inestable será y más fácil será que mute. Por lo general estas mutaciones no son sino modificaciones en el seno de la molécula; más que cambiar sus componentes, se suelen reconfigurar atendiendo a órdenes distintos, algunos más relevantes que otros. Es fácil pensar que las moléculas orgánicas tienen una estabilidad suficiente que les posibilite existir con cierta garantía, siendo preciso algún fenómeno anómalo para que la mutación se dé. En caso contrario, no existirían moléculas lo suficientemente estables para posibilitar la existencia de especies o de individuos, o de la misma vida.

Pensando lo cuántico (para la vida)

Como comentábamos en este post, Schrödinger nos explica que era preciso que tanto la mecánica cuántica como la teoría del mecanismo genético de la herencia maduraran antes de poder estudiar su posible contacto. Quizá el punto de inflexión se diera con la teoría de Heitler-London (de 1926-27), la cual estudiaba el enlace químico de las partículas en sus principios más generales (orbitales, electrones desapareados, etc.), asumiendo los conceptos propios de la mecánica cuántica. El conocimiento cuántico de la materia estaba ya lo suficientemente consolidado como para poder aplicarlo, en este caso, al comportamiento de la materia viva. Es lo que Schrödinger trató de hacer pensando el fenómeno de las mutaciones.

La gran revelación de la teoría cuántica fue poner de manifiesto cómo, a fenómenos que se mostraban continuos a la observación, les subyacían estados discretos; y ello en un contexto (energetista) en el que todo aquello que no fuera ‘continuidad’ era visto poco menos que absurdo. Aunque los experimentos propiciaron que lo cuántico se fuera imponiendo por la fuerza de los hechos. No es de extrañar esta reticencia. Lo cierto es que, en el espíritu de una época en la que la realidad de los átomos todavía no estaba asumida, era evidente que, por ejemplo, la energía, cambiaba de modo continuo en los cuerpos: cuando el calor fluía de un cuerpo a otro, cuando la energía potencial se convertía en cinética, etc., todos estos fenómenos aparecían continuos a los ojos del observador. ¿Cómo podía ocurrir que en los ‘cuerpos’ de escala atómica no sucediera lo propio?, ¿por qué, a nivel microscópico, ocurrían las cosas de modo diferente a como sucedían a nivel macroscópico? No era fácil dar respuesta a esta pregunta, respuesta que permanecía incomprensible para la mayoría de la gente de la época.

Pero ―como decía― los hechos se fueron imponiendo, y el salto cuántico se fue erigiendo en algo corriente: se asumió que, «un sistema pequeño, a causa de su misma naturaleza, posee sólo determinadas cantidades discretas de energía, llamadas sus niveles de energía particulares. La transición de un estado al otro es un acontecimiento bastante misterioso, y se llama, por regla general, un ‘salto cuántico’», explica Schrödinger.

La consecuencia es que no toda disposición de las partículas subatómicas es posible en la configuración de un átomo, sino que, por su propia dinámica sistémica, sólo pueden adquirir unas disposiciones y no otras. El paso de una disposición a otra es lo que tiene que ver con el salto cuántico, salto en la medida en que no hay estados intermedios que le sirvan a modo de peldaños, o mejor, de rampa, sino que ese paso sólo se puede hacer a una, ‘a la brava’ como decía un querido profesor mío. Dada una disposición o estado inicial, si el otro supone un estado energético más elevado, será necesario proveer de energía desde fuera al sistema en una cantidad como mínimo la diferencia entre ambos niveles; si supone un estado energético menos elevado, la transición podrá darse espontáneamente emitiéndose el sobrante de energía a modo de radiación. Cuanto más alta es la montaña, más difícil será superarla; y viceversa.

Esta idea extraída del comportamiento de un átomo podía ser extendida al ámbito molecular. En una molécula, los átomos están dispuestos según una situación energética estable; para que la molécula pueda existir, es condición indispensable su estabilidad, de modo que no cambie su configuración a menos que se le suministre energía suficiente desde el exterior; energía suficiente para llevarle a un estado de nivel energético superior. De alguna manera, esta diferencia de nivel define el grado de estabilidad de la molécula: cuanto más grande sea la diferencia de nivel con respecto al estado superior, más estable será la molécula. Si lo pensamos, la repercusión biológica de esto es importante, ya que esta estabilidad estará estrechamente vinculada con su capacidad de sufrir alteraciones, léase, mutaciones.

¿Qué tienen que ver las mutaciones con los saltos cuánticos?

Un asunto interesante es reflexionar sobre la frontera entre dos fenómenos que, si bien están íntimamente vinculados, pertenecen ya a dos esferas de la materia radicalmente diversa, como son los propios de la materia inanimada y los de la materia animada. Toda la materia viva está compuesta también por átomos, pero su comportamiento ya no se debe a procesos propios de los átomos, fundamentalmente caracterizados por su carácter estocástico. Ciertamente, esto ocurre también en el seno de la materia inanimada: el comportamiento de una piedra es muy distinto al comportamiento de los átomos que la componen; pero, como es fácil observar, en el caso de la materia viva este hecho posee una especificidad propia, tal y como corresponden a los procesos biológicos a diferencia de los propios de la materia inerte. No obstante, los biológicos no pueden entrar en contradicción con los de la materia en general, asunto que es el que le interesa a Schrödinger.

Ya estuvimos viendo en otro post que todo organismo vivo debe poseer una estructura de un determinado tamaño mínimo, a escala mucho más elevada que la atómica, para no tener que depender del modo estocástico de comportamiento a nivel atómico. Lo cual no es óbice para que, efectivamente, esos procesos estocásticos a nivel atómico se sigan dando en los fenómenos biológicos. ¿Cómo puede ser esto, cómo se produce esa adaptación entre ambos tipos de fenómenos? Se podría pensar que, en principio, se trata de una pregunta ociosa, pues ya no los órganos y los tejidos, sino que cada una de nuestras células, albergan grandes cantidades de átomos de distintas clases; si esto es así, se podría pensar que ya no ha lugar a la pregunta, pues con tan grandes cantidades de átomos, no afecta a la materia viva el problema de la consideración de su carácter estocástico.

Pues bien, a juicio de Schrödinger esta opinión no es acertada. Porque el caso es que hay grupos increíblemente pequeños de átomos, demasiado minúsculos para que puedan ser sometidos a leyes estadísticas exactas, los cuales desempeñan un papel dominante en los acontecimientos ordenados y metódicos que tienen lugar dentro de los organismos vivientes. Esto no deja de ser asombroso: procesos estadísticos que determinan con una invariabilidad notable caracteres macroscópicos que los organismos adquieren en su desarrollo, como características morfológicas, funcionales, etc., y todo con ‘leyes biológicas muy definidas y exactas’.

El caso que nos presenta el padre de la famosa ecuación de onda es el del gen, preguntándose literalmente: «¿Cómo podemos, desde el punto de vista de la física estadística, hacer concordar el hecho de que la estructura del gen parece comprender sólo un número comparativamente reducido de átomos (un número de orden de 1000 y posiblemente mucho menos) a pesar de lo cual despliega una actividad regularísima y ordenada con una permanencia que raya en el milagro?». Esta pregunta no ha estado ausente de la mente de físicos, químicos y biólogos, ubicándose justamente en la línea difusa donde estas disciplinas se entremezclan. Inicialmente se pensaba que la estabilidad biológica era debida fundamentalmente a la estabilidad propia que acompaña a toda molécula (un gen no deja de ser una molécula); lo que lleva, si se piensa bien, a retrotraer la pregunta un poco más atrás: cómo se puede fundamentar la estabilidad de una molécula, sobre todo si es orgánica; y bueno, cómo se produce ese tránsito de influencias del ámbito molecular al ámbito de lo vivo. Sí, algo hay de eso: efectivamente, la estabilidad molecular tiene que ver con la estabilidad funcional del gen; aunque había que bucear todavía un poco más en su investigación, paso que se pudo dar gracias a la mecánica cuántica.

Casualmente —o no tan casualmente— tanto la teoría de los quanta (de Max Planck) como la ‘puesta de largo’ de la del mecanismo genético de la herencia (que dieron a conocer Vries, Correns y Tschermak, aunque, como es sabido, fue descubierta por Mendel algunas décadas antes) ocurrieron en torno a 1900. Se puede decir —con permiso de Mendel— que ambas teorías aparecieron en el panorama científico simultáneamente. Siendo todavía teorías jóvenes, difícilmente se podían vislumbrar sus posibilidades más allá del ámbito en el que nacieron; como dice Schrödinger, «poco puede extrañarnos que ambas tuvieran que alcanzar cierta madurez antes de que se estableciera un contacto entre ellas» (Schrödinger, 1947: 69). Fue preciso que transcurriera un cuarto de siglo para que se propusiera la lectura del comportamiento biológico del gen a partir de las leyes que rigen los átomos que lo componen. Y pronto se vio que las mutaciones genéticas no estaban distantes de los saltos cuánticos que se pueden dar en el seno de la física de partículas.

Los límites de la probabilidad cuántica en la percepción

Una aplicación importante de la ley √n que nos explica Schrödinger (y que veíamos en este post), está directamente relacionada con nuestros procesos perceptivos, poniendo de manifiesto lo complejo que sería que dichos procesos se debieran a leyes estocásticas, tal y como acontecen en la materia atómica, y lo diferente que sería nuestra vida, si es que en estas condiciones fuera posible.

Uno de las metodologías que utilizan los científicos para medir de un modo cada vez más fino, es emplear, en la medida en que la tecnología así lo permite, instrumentos de elevadas sensibilidades. Por ejemplo, si se quiere medir la actividad de un determinado campo energético o de fuerzas, que sea lo suficientemente débil, se utiliza un material liviano pendido de un hilo; como se puede suponer, cuanto más liviano sea el material empleado, más débil será la fuerza que lo pueda desplazar de su postura de equilibrio. Éste es el principio de la balanza de torsión, el cual encuentra un límite curioso; es decir, que no siempre es oportuno recurrir a cuerpos cada vez más livianos, ya que a la postre, podía resultar contraproducente. Efectivamente, si se eligen cuerpos cada vez más ligeros, se llega a un momento en que estos cuerpos se ven afectados no tanto por aquello que se quiere medir, como por los choques propiciados por los movimientos térmicos de las partículas que les rodean. Así, no es posible alcanzar una posición de equilibrio a partir de la cual comenzar a medir, por lo que el experimento quedaría imposibilitado.

Ciertamente, este efecto ocurre siempre, aunque, cuando se trata de estudiar fuerzas más elevadas, se puede despreciar sin ninguna alteración significativa del resultado. No obstante, cuando las fuerzas son débiles, hay que afinar y repetir varias veces el experimento para poder eliminar los efectos del movimiento browniano de las partículas sobre nuestro material de medición.

El mismo Schrödinger lanza la idea que me hizo pensar en este post. Porque, si nos damos cuenta, nuestros órganos sensibles no dejan de ser una especie de instrumentos, sensibles a la alteración que les pueda advenir desde el entorno. Si nuestros órganos no tuvieran un tamaño mínimo, difícilmente podrían asumir su función, como es la de ofrecernos una noticia fiable del entorno a la escala en que nuestra vida es viable (y así, con cualquier otra especie). Para tamaños más pequeños, su relación con la realidad sería indefectiblemente diversa, siendo afectados por una información que cualitativamente ya no se debería únicamente a la información que nos pudieran transmitir de nuestro entorno (y que necesitamos para relacionarnos con el mismo), sino que también registraría otra serie de afecciones propiciadas por dicho movimiento browniano. De alguna manera tal información también sería una información del medio, pero no nos ofrecería un contenido informativo válido para poder desplegar nuestras vidas, por lo menos tal y como éstas se encuentran en nuestro estado evolutivo.

Como dice el gran físico, gracias a esto «podemos convencernos de lo inútiles que serían nuestros órganos en el caso de que llegaran a poseer una excesiva sensibilidad». Supongo que lo mismo se podría afirmar de cualquier otra especie.

Creo que esto enlaza con una cuestión especialmente importante, como es qué sea la realidad: ¿la que vemos nosotros, la que ven otras especies, la que detectan nuestros aparatos a nivel subatómico? Normalmente se nos dice que lo que percibimos no existe como tal, que es un constructo nuestro. En mi opinión, esto es una verdad a medias. ¿Acaso, cuando afirmamos que percibimos átomos y quarks, no se trata también de un constructo, de una interpretación de la realidad? Yo creo que sí. Igual que lo mismo acontece ante la percepción de cualquier otra especie. Yo creo que preguntar cómo es la realidad, si cómo la percibimos nosotros, o cómo la perciben los murciélagos, o los delfines, o las hormigas… o que no es ninguna de ellas porque se trata de pequeños corpúsculos de materia y energía, no es una pregunta adecuada.

A mi modo de ver, creo que la realidad es, en todos los casos, un constructo entre la información que nos proporciona la realidad en sí misma, y la elaboración que realice cada especie según sus posibilidades fisiológicas. Decir que una es más realidad que otra creo que no es una afirmación justa. Creo que para poder discernir todo ello, debemos decir en qué nivel de realidad nos situamos. Tan real puede ser un color, como tan irreal si nos situamos en otro nivel de realidad (a nivel fotónico, por ejemplo).

La ley de √n

Una de las preocupaciones de Schrödinger, el padre de la ecuación de onda, fue establecer vínculos entre la física y la biología. Ya estuvimos hablando de su libro ¿Qué es la vida?, cuya motivación fundamental comenté aquí. En él se plantea una idea ciertamente interesante, como es por qué los seres vivos somos de una escala tan enorme en referencia a la escala atómica. Su opinión al respecto la estuvimos viendo en este post. Lo que pretendo hacer aquí es, desde este punto de partida, dar a conocer una ley muy sencilla, que nos ayuda a hacernos una idea del orden de magnitud necesario para que se comiencen a convertir los fenómenos atómicos, totalmente impredecibles, en movimientos de grupos de partículas que ya responden a leyes funcionales: la ley de √n. Para ello voy a introducir el asunto, con algunos ejemplos del propio Schrödinger, para pasar a comentar dicha ley.

Todos hemos oído alguna vez el carácter estocástico característico de las partículas atómicas y subatómicas. Los científicos hablan de que, como mucho, se pueden prever mediante determinadas leyes probabilistas los comportamientos de grandes grupos de partículas, pero no de una sola. Algo que llama la atención: probabilísticamente podemos determinar el comportamiento de una muestra de gas de un cierto tamaño, por ejemplo, sin poder llegar a determinar cuál será el comportamiento de una sola de sus partículas; cada una seguirá su camino, independientemente de que, junto con todas las demás, sí que podamos saber con un reducido porcentaje de error el comportamiento conjunto de todas ellas. Los átomos sueltos, por su parte, tienden a adoptar un comportamiento desordenado, imposibilitando describirlo mediante leyes perceptibles. «Únicamente en la cooperación de una cantidad enorme de átomos, las leyes estadísticas empiezan a ser aplicables, controlando el comportamiento de esos ‘conjuntos’ con una exactitud que va en aumento conforme al incremento de la cantidad de átomos abarcados en el proceso», dice Schrödinger.

Al respecto propone algunos ejemplos. Sabido es que, en un gas, sus moléculas siguen trayectorias erráticas deambulando por el recipiente que las contiene, sea un tubo de ensayo o el salón de nuestra casa. Además de este movimiento errático, cada una de ellas posee una vibración propia que las hace girar sobre sí mismas. Pues bien, cuando a un gas se le aplica un campo magnético, sus moléculas tienden a orientarse según dicho campo, de modo que van alcanzando una orientación paulatinamente paralela. Evidentemente, la orientación que provoca el campo se encontrará siempre con la oposición desordenadora de las propias moléculas del gas. Pues bien, ante una magnetización suave, algunas moléculas irán orientándose parcialmente y otras no, sin saber a ciencia cierta cuáles de ellas harán una cosa o la otra, ni siquiera si su orientación se acoplará al cien por cien con la del campo o sólo parcialmente.

El segundo ejemplo tiene que ver con el hecho de que, cuando tenemos en un líquido partículas en suspensión, una vez agitado y dejado reposar, vemos cómo el nivel de las partículas va descendiendo poco a poco. Y, el caso, es que cada una de esas partículas no sigue un movimiento rectilíneo hacia abajo, como sería de suponer, análogo a cuando dejamos caer una piedra desde una altura, sino que sigue una trayectoria muy irregular, descrita como movimiento browniano o de Brown. Una por una, somos incapaces de determinar sus trayectorias, pero sabemos calcular el ritmo según el cual, tomadas en conjunto, van depositándose en el fondo.

Más llamativo es el fenómeno de la difusión. Supongamos que tenemos partículas de un sólido disueltas en agua, y que se encuentran desigualmente distribuidas en un recipiente, más concentradas en un lado y menos en el otro. Sabemos que, con el tiempo, las partículas tenderán a distribuirse uniformemente en todo el recipiente. Lo que no tenemos tan claro es el motivo por el cual esto ocurre así. Tendemos a pensar que, en la zona en las que hay más partículas, algunas de éstas ‘empujan’ a sus vecinas hacia el lado más vacío, porque hay más presión.

Pero el caso es que, cada una de estas partículas, se comporta de modo totalmente independiente al del resto; es decir, el movimiento que sigue cada una es independiente de que, a su lado, haya ninguna o miles de partículas. Por demás está decir que no es posible predecir el movimiento de ninguna de ellas, el cual estará sometido al continuo choque con las partículas del agua, sin poder saber qué trayectoria seguirá. Pero el caso es que ese es el único motivo que hará que se muevan las partículas, independientemente de que haya una sola o miles. ¿Por qué, entonces, las partículas tienden a distribuirse uniformemente por todo el recipiente? El motivo es muy sencillo. Supongamos que distribuimos dicho recipiente (como el de la figura) en compartimentos verticales estrechos, de modo que cada uno de ellos posea una concentración más o menos concreta. Las partículas de cada uno de estos compartimentos, saldrán con la misma probabilidad (en su marcha azarosa) hacia la izquierda o hacia la derecha. Por este mismo motivo, si cogemos cualquier plano vertical, le llegarán siempre más partículas por la izquierda que por la derecha, pues a la izquierda están los compartimentos más cargados de partículas. En cualquier plano vertical que miremos, ocurrirá esto: siempre le llegarán más partículas desde la izquierda que desde la derecha, «y mientras subsista tal estado de cosas, el balance de los movimientos se revelará en un flujo regular de izquierda a derecha, hasta lograr una distribución uniforme», el cual se puede predecir según la ley de la difusión. Pero se puede predecir el comportamiento general, no el de cada partícula.

¿Y qué tiene que ver todo esto con la ley de √n? No podemos predecir de ninguna manera el comportamiento de una partícula; y el de grupos de partículas lo podemos predecir con cierta probabilidad, pero no con una certeza absoluta. Esta probabilidad depende del número de partículas que estamos trabajando, y se cumple de modo bastante aproximado que es del orden de √n. Si trabajamos con 100 partículas, el grado de desviación será 1/√n, es decir: 10%. Si trabajamos con un millón, será del 0’1%. Con lo que, cuanto más grande sea el número de partículas de un cuerpo, más estable y fiable será su comportamiento, en tanto que responderá a leyes cada vez más exactas. En el caso de un organismo vivo esto es muy importante, pues a éste ‘le interesa’ que tanto las leyes biológicas para su funcionamiento interno como para su relación con el entorno sean bastante exactas. Los organismos muy pequeños, como de hecho así ocurre, dependen y mucho de su interacción con el medio, influyendo incluso las partículas de éste en sus movimientos. Podemos pensar que una desviación del 0’1% es razonable pero, tal y como nos dice Schrödinger, para nada es suficiente «como para justificar que una cosa merece la honrosa denominación de ‘Ley natural’».

Sobre por qué los átomos son tan pequeños… o no

Es de todos conocido el reducido tamaño de los átomos. Cuando hablamos de la cantidad que hay en minúsculas porciones de materia, salen cifras astronómicas cuyo orden de magnitud se nos escapa. Como se suele decir, hay más estrellas en el universo que granos de arena en un desierto; pero no somos tan conscientes de que en cada grano de arena hay unos dos trillones de átomos; o de que en un glóbulo rojo hay unos 10 billones de átomos. También se puede enfocar intercambiando la perspectiva: si los átomos de nuestro organismo fueran como naranjas, seríamos tan grandes que podríamos coger el sistema solar con nuestras manos. En fin, como digo, todas estas comparaciones van más allá de nuestra imaginación.

Podríamos preguntarnos por qué los átomos son tan pequeños dado que, cualquier porción de materia, por muy pequeña que sea, los contiene en cantidades desorbitadas. Pero no podemos olvidar una cosa, aunque sea de Perogrullo: y es que cuando nos preguntamos por qué los átomos son tan pequeños, no lo hacemos sino en referencia a nuestro orden de magnitud. Evidentemente, el tamaño de un átomo es pequeño cuando lo comparamos respecto a nuestras medidas de longitud, pero no lo sería si los comparásemos, por ejemplo, respecto a las partículas subatómicas. Por tanto, más que hablar de si son grandes o pequeños, deberíamos plantear la cuestión en otros términos, a saber: por qué hay tanta diferencia entre las dimensiones de los átomos y las nuestras.

Cuando Erwin Schrödinger se plantea esta cuestión en ¿Qué es la vida? (obra de la cual ya dijimos algo aquí), le da un giro que a mi parecer es genial. Tenemos la tendencia de plantearnos las cosas en referencia a nosotros, lo cual por otra parte es lógico, pues nos planteamos las cosas en tanto que nos afectan, en tanto que afectan a nuestras vidas. Pero, dado que, desde los orígenes del universo, el átomo existió como tal mucho antes que cualquier organismo y, evidentemente, que nosotros, deberíamos preguntarnos: «¿Por qué nuestros cuerpos tienen que ser tan grandes en comparación con el átomo?».

A pesar de estar compuestos por átomos, no podemos percibirlos, nuestros sentidos fisiológicos no son aptos para tener noticia de ellos lo cual, si lo pensamos un poco, no deja de ser sorprendente. ¿Por qué es esto así?, ¿por qué no podemos ver, o escuchar, o tocar átomos aislados, cuando nuestros dedos, nuestros ojos, etc., están compuestos por átomos?

La respuesta que propone Schrödinger es sugerente. Es razonable pensar que, si pudiéramos percibir los átomos, deberíamos ser de un orden de magnitud cercano a ellos, mucho más pequeños de lo que somos ahora y, por ende, deberíamos sujetarnos a las leyes del comportamiento que los rigen a ellos. Sin embargo, las leyes que rigen nuestros procesos fisiológicos (biológicos, cognitivos, etc.) así como los procesos físicos que rigen las cosas entre las que estamos, precisan gozar de cierta estabilidad, de cierto orden, de cierta armonía, pues, en caso contrario, ¿cómo sería posible vivir subsumidos en los estados estocásticos característicos de las partículas atómicas? Por aquí hay que situar el argumento de Schrödinger.

Efectivamente, llama la atención que, nuestro cerebro, por ejemplo, necesite estar constituido por un sinnúmero de átomos para que pueda funcionar correctamente y que, en cambio, no pueda percibir los ‘ladrillos’ a partir de los cuales está ‘construido’. Llama la atención que, para poder ser funcional, no le baste con ser del orden de magnitud de dichos ladrillos, sino que precise ser exageradamente más grande. Y llama la atención también que, en el seno de dicha funcionalidad, no pueda percibir —como digo— a partículas similares a sus propios ladrillos.

Gracias a que es como es, las funciones que realiza el cerebro son de alguna manera regulares, estables. El cerebro piensa, siente, percibe… funciones que no puede realizar aleatoriamente, sino desde cierta regularidad. Y, por este mismo motivo, aquello con lo que se relacione debe tener características afines, es decir, contenidos que posean un orden de regularidad similar. Para que el ojo funcione —por ejemplo— debe estar sujeto a procesos fisiológicos bien definidos, ya que en caso contrario no podría sencillamente funcionar; es razonable pensar que, aquello que perciba, sea afín a su propia estructura (a la del ojo) y a su funcionamiento; es decir, que, de alguna manera, sea ‘visualizable’ podríamos decir.

Esas son las dos importantes consecuencias que obtiene Schrödinger de aquí. La primera es que todo sistema físico que adquiera cierta independencia y autonomía en su funcionamiento, debe estar lo suficientemente ordenado para que las leyes que se den en su seno obedezcan a un grado de estabilidad y fiabilidad elevado. Y, la segunda, que aquella información que afecte a dicho sistema físico, debe ser de características similares a él, es decir, de un orden de magnitud similar y también de cierta regularidad y orden, de modo que dicha información debe proceder de cuerpos físicos que obedezcan a leyes físicas también rigurosas.

Y lo que se plantea este autor es lo siguiente: ¿se podría alcanzar ese mínimo de estabilidad, regularidad y exactitud en estructuras físicas compuestas por un número reducido de átomos? Es sabido que los átomos describen movimientos desordenados, lo cual impide describir leyes estables de comportamiento considerando únicamente un número reducido de los mismos. Sólo cuando alcanzan ya cierto número empiezan a ser aplicables las leyes estadísticas para controlar el movimiento, ya no de cada uno de ellos, sino del comportamiento del conjunto. Control o definición del movimiento que va ganando en exactitud conforme aumenta el número de átomos incluidos en el conjunto, hasta que, los procesos adquieran ‘un aspecto verdaderamente ordenado’. Es por esto que los cuerpos, para que puedan existir, necesitan el número mínimo de átomos cuyo comportamiento sea estable. Y esto no se consigue con unos pocos. Así lo explicó Gamow en su famoso libro Biografía de la física, haciéndose eco de este planteamiento de Schrödinger, comentando el famoso ‘demonio de Maxwell’: «“¿Por qué los átomos son tan pequeños?” A primera vista esta pregunta parece en absoluto sin sentido, pero lo tiene y se puede responder si se invierte y preguntamos: ¿Por qué somos tan grandes (comparados con los átomos)? La respuesta es sencillamente que un organismo tan complejo como un ser humano, con su cerebro, sus músculos, etc., no puede ser construido con unas cuantas docenas de átomos del mismo modo que no se puede construir una catedral gótica con unas cuantas piedras. (…). Cuanto más pequeño el número de partículas,  tanto mayores las fluctuaciones estadísticas en su comportamiento, y un automóvil en el cual una de las cuatro ruedas saltara espontáneamente para convertirse en el volante mientras el radiador se convertía en el depósito de gasolina y viceversa, no sería un vehículo que se pudiera conducir. Del mismo modo, un demonio de Maxwell, real o mecánico, haría tantos errores al manejar las moléculas que todo el intento fracasaría por completo».

Schrödinger y la vida

Cada uno de nosotros, en tanto que organismos vivos, contamos con distintos sistemas (respiratorio, digestivo, sanguíneo…), los cuales están constituidos por órganos, éstos por tejidos, éstos por células, éstas por distintos elementos celulares… y si seguimos llegaremos a hablar de moléculas, de átomos, de partículas subatómicas… Es interesante pensar cómo puede ser que elementos inertes puedan conformar elementos orgánicos dotados de vida. ¿Cómo puede ser? ¿Cómo puede ser que, elementos inertes sujetos a las leyes mecánicas propias de la materia inerte, puedan estar a la base de elementos orgánicos sujetos ya a las leyes biológicas correspondientes a la materia viva? Esta cuestión estuvo muy presente en Erwing Schrödinger, uno de los padres de la mecánica cuántica. Él la planteaba en estos términos:

«¿Cómo pueden ser explicados por la física y la química, los acontecimientos que en el tiempo y en el espacio, se producen dentro de las limitaciones materiales de un organismo viviente?».

Schrödinger era consciente de que, a la altura de sus tiempos, la física y la química poco podían aportar a este conocimiento biológico de la materia; pero creía que en un futuro podía no ser así. De hecho, en su libro ¿Qué es la vida? atiende a esta cuestión. Fue publicado en 1944, época en la que todavía no se conocían muchas de las cosas que hoy ya aparecen en los libros de texto de los colegios. Entonces se pensaba que los genes estaban constituidos por proteínas; más o menos por esta época, se empezó a postular que los caracteres hereditarios se vehiculaban mediante las moléculas del ácido desoxirribonucleico, hallado en el núcleo de las células; y entonces aún no se conocía la estructura del ADN, algo que Watson y Crick definirían pocos años después empleando la información obtenida a partir de las investigaciones de Wilkins y Franklin.

La idea de Schrödinger era tratar de comprender el comportamiento de las moléculas fundamentales de la vida en términos de las leyes de la física. No era fácil conciliar el comportamiento ‘estadístico’ de la materia en cuerpos inertes con su comportamiento en organismos vivos. Como muy bien dice, «resulta poco menos que inimaginable que leyes y regularidades así descubiertas puedan aplicarse inmediatamente al comportamiento de sistemas que no presentan la estructura en la que están basadas tales leyes y regularidades». Porque no deja de ser asombrosa la estabilidad de estas moléculas genéticas que gestionan todas las especies que desde milenios habitan nuestro planeta; se mantienen estables durante mucho tiempo salvo cuando una mutación tiene éxito, algo que acontece muy raramente. El hecho de que estas mutaciones o se den de modo progresivo, sino como a saltos, fue enseguida asociado por este autor a los procesos cuánticos. «Toda la meditación de Schrödinger acerca de la vida descansa sobre este asombro que le produce la inmutabilidad y singular persistencia de este grupo de átomos agrupados en forma de doble espira, de caprichosa doble escalera de caracol, que es el ácido desoxirribonucleico», explica Rof Carballo.

Personalmente me llama fuertemente la atención que un físico de pura cepa (no hace mucho me enteré que también era filósofo) se planteara estas cuestiones. A este respecto tuve la suerte de encontrar un tweet de César Nombela en el que precisamente se daba explicación a esta cuestión. La verdad es que se trata de un asunto interesante. César Nombela fue rector durante años de la UIMP, la cual hace ya bastantes años acogió al flamante premio Nobel (al siguiente año de su concesión, en el 1934). Invitado por un no muy conocido entre nosotros Blas Cabrera (un físico español como la copa de un pino, que estuvo presente en alguna de las famosas conferencias Solvay), Schrödinger accedió a impartir unas lecciones sobre su aportación al mundo de la mecánica cuántica en el palacio de la Magdalena, en Santander. Casualmente también, o no tanto porque eran muy conocidos entre ellos, fue Xavier Zubiri el encargado de traducir al español dichas lecciones. El motivo de las mismas era dar a conocer el estado de la cuestión de la mecánica cuántica, mostrando el nuevo paradigma que se hacía preciso adquirir para poder iniciarse en ella.

Si digo todo ello es porque en dichas lecciones se puso de manifiesto el interés de Schrödinger por la biología. Debido a otro reciente descubrimiento en el mundo de la medicina (la transmisión genética mediante los cromosomas), el padre de la ecuación de onda se comenzó a plantear la influencia que pudieran tener las leyes físicas en los fenómenos biológicos. Tanto es así que, unos años después, dictará en el Trinity College algunas lecciones sobre esta cuestión, lecciones que cristalizaron en el libro que he comentado: ¿Qué es la vida?

Uno de los caracteres implícitos de la materia es su entropía creciente, es decir, su tendencia al desorden, de modo que la capacidad de generar trabajo disminuye inexorablemente. Sin embargo, en los fenómenos biológicos, en la vida, ocurre todo lo contrario. Esta idea se la leí por primera vez a James Lovelock hace ya unos cuantos años, en su libro Las edades de Gaia, un libro que leí por ‘obligación’ académica y que sinceramente me sorprendió, y en el que hacía referencia precisamente a esta obra de Schrödinger. Como ya apuntaba Lovelock, el físico concluyó que, metafóricamente hablando, «la propiedad más sorprendente de la vida es su capacidad de desplazarse hacia arriba contra el flujo del tiempo», en tanto que es una contradicción paradójica a la segunda ley de la termodinámica. La vida se puede definir, entonces, como esos procesos en los que la entropía no sigue su creciente tendencia, sino al contrario: la materia se organiza generando capacidad de trabajo; es decir, se consume materia inerte y se alcanza materia viva capaz de generar trabajo. Un organismo vivo es capaz de transformar la materia en energía productiva, lo que es lo mismo que decir que un organismo se mantiene vivo en la medida en que es capaz de disminuir la entropía (en el sistema que es él mismo). Ciertamente, algo hay de esto en no pocos procesos de la materia inerte, en los que determinados sistemas alcanzan entidad desafiando la segunda ley de la termodinámica: desde el sencillo fuego encendido por una cerilla, pasando por una nube en el cielo, hasta sistemas complejos como los cristales, o un ecosistema. Aunque no pueden compararse a los sistemas vivos, cuyas propiedades exceden a las de aquéllos, comprenderlos bien puede ayudarnos a comprender mejor la aparición de la vida. Porque la vida no deja de ser algo anodino en el universo, a pesar de que ya lleva formando parte de él un período nada despreciable. Si un chef cósmico cogiera los elementos atómicos que forman parte de la Tierra, los agitara en una coctelera cósmica y los dejara en reposo, la probabilidad de que se combinaran como las primeras moléculas orgánicas es nula.

Pues bien, uno se puede aproximar a esta realidad no tanto desde lo biológico del organismo vivo, sino de las estructuras físico-químicas que le subyacen, tal y como proponía Schrödinger. Y este esfuerzo no cayó en saco roto. Todo lo contrario: ello supuso un giro en las investigaciones de la biología, hasta entonces todavía centradas en los procesos celulares, en el nivel biológico estrictamente hablando. Pero el hecho de atender a los procesos físico-químicos que subyacían a estos procesos biológicos —como nos dice Nombela— tuvo pronto su eco en la investigación biológica con el estudio de las proteínas, los genes, los ácidos nucleicos (Severo Ochoa) o la doble hélice (Watson y Crick), entre otros. En ellos, «el pensamiento interpretativo de las observaciones biológicas incorporó de forma decidida un razonamiento físico-químico», hecho que hay que agradecer al talento de Schrödinger.