Las leyes actuales de la termodinámica pueden ser insuficientes para explicar completamente el comportamiento de los organismos vivos, y experimentos recientes con células humanas sugieren la necesidad de una cuarta ley adaptada a los sistemas biológicos. Los principios establecidos de la física, en particular los que rigen el calor y la entropía, son sólidos para los sistemas no vivos idealizados. Sin embargo, la complejidad inherente de la vida (sus células interconectadas y su consumo activo de energía) introduce factores que las leyes existentes luchan por capturar.
El desequilibrio único de la vida
Los sistemas vivos están fundamentalmente fuera de equilibrio. A diferencia de la materia inerte, las células mantienen un estado dinámico a través de mecanismos de retroalimentación y entrada de energía constante. Esto se ejemplifica con un “punto de ajuste” celular, donde los procesos internos se autorregulan para mantener la estabilidad, de forma muy parecida a un termostato. La termodinámica estándar, diseñada para sistemas pasivos, no se adapta fácilmente a este comportamiento activo.
Para investigar esto, investigadores de la Universidad Tecnológica de Dresde (Alemania) realizaron experimentos utilizando células humanas HeLa, una controvertida línea celular derivada sin consentimiento de Henrietta Lacks en la década de 1950. Al detener la división celular y sondear sus membranas con microscopía de fuerza atómica, analizaron las fluctuaciones en el comportamiento celular en diversas condiciones.
Los límites de los modelos existentes
El estudio reveló que las medidas termodinámicas convencionales, como la “temperatura efectiva”, se quedan cortas cuando se aplican a los sistemas vivos. La temperatura efectiva intenta cuantificar el desequilibrio de manera similar a cómo calentar una olla con agua aumenta su temperatura. Sin embargo, las células no se comportan de la misma manera. En cambio, los investigadores descubrieron que la “asimetría de inversión del tiempo” ofrece una medida más precisa del desequilibrio en los procesos biológicos.
La asimetría de inversión del tiempo explora cuán diferente sería un proceso si se ejecutara hacia atrás en lugar de hacia adelante. Los procesos biológicos, impulsados por la supervivencia y la replicación, exhiben inherentemente asimetría, lo que los distingue de las reacciones físicas reversibles. Esto sugiere que el grado en que un sistema desafía la simetría del tiempo se correlaciona directamente con su “vivacidad”.
Implicaciones e investigaciones futuras
Los hallazgos proporcionan herramientas valiosas para cuantificar el desequilibrio en los sistemas vivos. Expertos como Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam enfatizan la importancia de medir con precisión hasta qué punto un sistema se desvía del equilibrio. Yair Shokef, de la Universidad de Tel Aviv, señala que este estudio es novedoso por su capacidad para medir múltiples características de desequilibrio simultáneamente.
El objetivo final es desarrollar una cuarta ley de la termodinámica específica de la materia viva, donde los procesos operan alrededor de un punto establecido. Los investigadores ya están trabajando para identificar indicadores fisiológicos mensurables que podrían servir de base para esta nueva ley.
Comprender la vida a través de principios termodinámicos requiere una investigación adicional significativa. La capacidad de medir y cuantificar el desequilibrio único de los sistemas biológicos es un paso crucial hacia una comprensión más completa de la física fundamental de la vida.
