Termodinámica y evolución

Termodinámica y evolución 

Discurso inaugural del año académico 2010/2011

Dr. Antonio Hernando Grande

Académico de número de la

Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.

"Nothing tends to the advancement of knowledge as the 
application of a new instrument" . Sir Humphry Davy (1778-1829), 
respecto al termómetro. "La medida del calor sin saber lo que era desveló su natu- 
raleza". Carlos Sánchez del Río 

INTRODUCCIÓN 

A lo largo de este trabajo eminentemente sintético se invita a una reflexión sobre la superposición de dos ramas de evolución de la materia que aunque íntimamente relacionadas fluyen con ritmos temporales enormemente distantes. Por un lado la evolución natural y espontánea de la materia en la biosfera que es donde se centra la descripción que aquí se establece. Por otro lado la evolución cultural que surgiendo del córtex de los humanos avanza a un ritmo millones de veces más rápido que el de la evolución natural. Pero el córtex es también un producto de la evolución de la materia y en concreto de la materia viva. La termodinámica es el lenguaje adecuado para intentar comenzar a comprender los secretos apasionante s de las transformaciones energéticas que tienen lugar en la biosfera y cuya fuente es la energía de tan alta calidad que nos llega continuamente del sol. Tanto la evolución darwiniana como la cultural son manifestaciones del esfuerzo por conservar parte de la calidad de la energía que nos regala el sol sin convertirla inmediatamente en puro desorden. 

 Existe una aparente contradicción entre la perspectiva que nos ofrece el segundo principio de la termodinámica y la que parecen señalar la biología y la sociología. Mientras el segundo principio indica que el tiempo es irreversible para los estados macroscópicos y que la evolución espontánea de los sistemas fluye hacia estados de desorden creciente, la biología nos muestra que la evolución potencia un ascenso progresivo de complejidad y orden. La enorme dificultad que conlleva establecer una termodinámica de la evolución no impide comprender que tal contradicción es solo aparente. En física es de máxima relevancia el conocimiento de las condiciones iniciales de cualquier sistema. Este aserto no es tenido a veces en cuenta por la intuición elemental. Así se sorprende el neófito en mecánica cuando escucha que el movimiento de caída de un grave obedece exactamente a la misma ley que el movimiento de un satélite artificial. Si uno cae y otro no cae es solamente por las diferentes condiciones iniciales. Aun respetando que toda evolución incrementa el desorden, es posible atravesar en el proceso configuraciones de orden si la situación inicial era más ordenada. Citando a un amigo físico y sobresaliente periodista, Miguel Ángel Aguilar, a la pregunta: ¿Es posible conseguir una pequeña fortuna con un negocio ruinoso? Se puede responder: Si, siempre que al iniciarse la experiencia se cuente con una gran fortuna. Esta verdad ilustra la enorme generalidad con la que las condiciones iniciales influyen en la evolución de los sistemas. Nuestra gran fortuna es la riqueza en calidad de la energía que nos llega del sol, el negocio ruinoso es el que describe el segundo principio de la termodinámica, y nuestra pequeña fortuna es la biosfera. Para conseguir no degradar toda la calidad de la energía entrante, no gastarse toda la fortuna en una sola partida de cartas, es preciso el mecanismo del motor que gobierna las transformaciones energéticas, canalizando la energía saliente de modo que no sea todo lo desordenada que pudiera. Cualquier mecanismo concreto, un cigüeñal o una proteína, es un instrumento que conserva información y, por tanto, retarda la llegada de la ruina final. 

Tanto la evolución como el progreso reposan sobre dos conceptos a los que dedicamos atención en las líneas que siguen: la máquina y la información. Como máquina puede considerarse cualquier sistema capaz de transformar una energía de calidad que entra en otra forma de energía de calidad que sale. La energía que sale de una máquina, en variadas formas, es en media de calidad inferior a la que entra. A mayor perfeccionamiento de la máquina más puede acercarse la calidad de la saliente a la de la entrante. Ambas serían iguales en el caso ideal de una máquina reversible. Tanto las máquinas fabricadas directamente por la naturaleza como las diseñadas indirectamente, a través del cerebro humano, han evolucionado incrementando la complejidad de sus mecanismos. El orden surge de la acción de las cuatro interacciones fundamentales que conocemos a día de hoy. En el caso de la vida su orden es electromagnético. El orden a medida que se hace más complejo aumenta su capacidad evolutiva. 

Los electrones son idénticos entre ellos, los átomos son idénticos y de simetría aproximadamente esférica, pero pueden estar ionizados o no, o pueden expresarse como isótopos. Las moléculas son todas idénticas pero presentan muchos grados de excitación y mucha mas información que los átomos al rebajar las simetrías debido a la direccionalidad de los enlaces. Las macromoléculas y los agregados poliméricos presentan posibilidades enormes de variación tanto en el orden de sus bases elementales como en su distribución espacial y tipos de plegamientos. En esta complejidad creciente hay que buscar tanto la manifestación como la fuerza motriz del cambio. La información, que significa baja entropía y alta energía libre, conduce los cambios continuos de la biosfera.