Termodinamica De La Vida Pdf

[Elvisa Schimke]

Laprimera ley de la termodinmica se refiere a la ley de conservacin de la energa. Esta ley afirma que un aumento en algunas de las formas de energa debe estar acompaado por una disminucin en alguna otra forma de la misma, por lo tanto la energa interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. En la prctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

La segunda ley de la termodinmica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. La entropa es una forma de expresar la segunda ley de la termodinmica ya que se puede entender como el desorden o el grado de deterioro de un sistema. De igual forma la podemos entender como una medida de la distribucin aleatoria de un sistema.

Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropa. Un sistema en una condicin improbable tendr una tendencia natural a reorganizarse a una condicin ms probable (similar a una distribucin al azar), esta reorganizacin resultar en un aumento de la entropa. La entropa alcanzar un mximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzndose la configuracin de mayor probabilidad.

La entropa, coloquialmente, puede considerarse como el desorden de un sistema. Un ejemplo domstico, sera lanzar un vaso de cristal al suelo, este tender a romperse y esparcirse mientras que jams conseguiremos que lanzando trozos de cristal se forme un vaso.

El ciclo vital de todos los organismos vivos termina con la muerte, que es cuando los componentes del organismo se integran al medio ambiente para su degradacin, de ese modo aumentan el grado de desorden o de entropa propuesto en la misma ley.

Para mantener la vida de cualquier organismo, es necesario reponer la energa que ste gasta constantemente, con la cual se conserva la estructura y buen funcionamiento de los seres vivos. Para el estudio de estas transformaciones, es importante centrar nuestra atencin en la bioenergtica.

En los sistemas cerrados, como el Universo, la energa se conserva sin importar la cantidad de transformaciones que se hayan propiciado en ella, ya que el total de la energa contina siendo siempre la misma. La cantidad de energa libre, que se gener como consecuencia de la gran explosin conocida como el Big bang, qued atrapada en los diferentes sistemas materiales que se han ido formando. Es curioso darnos cuenta que actualmente la cantidad total de energa es la misma que entonces, pese a la gran diferencia de aos transcurridos.

Hablemos de un tipo de energa, la energa potencial. Los cuerpos, debido a su posicin respecto a la gravedad acumulan una cierta energa la cual es til slo cuando se libera porque se realiza algn trabajo; por ejemplo, cuando una roca que se encuentra en la cima se despea o cae, transforma su energa potencial en energa cintica.

Veamos otro ejemplo: El dnamo que se acopla a una bicicleta, al pedalear genera energa elctrica que en una lmpara, se transforma en luz. Sin embargo, aunque la energa se conserva, en cada transformacin se libera calor. La energa elctrica producida en el dnamo es menor que la aplicada con el pedaleo, pero el dnamo se calienta y hay prdida de energa. La electricidad obtenida ms el calor producido, corresponden a la fuerza ejercida con el movimiento de los pedales.

Ahora hablemos de un ejemplo muscular. Caminar es un trabajo muscular que emplea la energa qumica obtenida de los alimentos, pero parte de esta energa se transforma en calor, el cual ocasiona que el organismo eleve su temperatura. La suma del calor producido y la energa empleada en el desplazamiento, representan la cantidad de energa qumica liberada del alimento, es decir, la cantidad de molculas orgnicas oxidadas. Al final del ejercicio, el organismo ha perdido energa interna, dado que al moverse ha utilizado parte de sus reservas energticas o de su energa potencial.

Continuemos con los ejemplos. La sntesis de protenas en el organismo, a partir de los aminocidos, requiere de un esfuerzo fsico o trabajo, as el organismo gana energa interna, para despus transferirla del medio a su propio sistema.

Un sistema aislado conserva el calor que se produce con el trabajo, por tanto todas sus partes se calientan, con lo cual el sistema poco a poco se desorganiza hasta que llega el momento en que toda la energa queda en forma de calor o energa cintica desordenada y, el sistema queda totalmente destruido. Cuando esto sucede, se dice que el sistema ha alcanzado el equilibrio termodinmico porque todas sus molculas estn distribuidas por igual, de la misma forma en que la energa est distribuida en todo el sistema y, ya no puede realizar trabajo alguno.

El tiempo que tarda en llegar al equilibrio termodinmico, va en razn del trabajo que realiza. Hay que tomar en cuenta que el hecho de mantener la organizacin es ya un trabajo (las molculas se mueven constantemente, slo a 0 K cesan los movimientos moleculares) por tanto a pesar de no realizar ningn otro trabajo, como el mantenimiento de la organizacin implica gasto de energa (es un trabajo), el destino del sistema ser el mismo.

En un sistema abierto aunque sucede lo mismo, el calor se difunde en el entorno y afecta menos la estructura del sistema, su energa interna disminuye, el sistema se desgasta y tambin acaba destruido en ocasiones ms rpido que el sistema cerrado, pues si bien el calor que produce se disipa, los cambios de temperatura y otras alteraciones del entorno lo afectan y ayudan a acelerar este proceso.

El punto ms alto de optimismo fue en la dcada de 1950, cuando el experimento de Stanley Miller produjo varios de los componentes bsicos de la vida; es decir, aminocidos. Desafortunadamente, los gelogos ms tarde reconocieron que los gases usados en ese experimento no coincidan con la qumica de la Tierra primitiva. Cuando la qumica de la tierra primitiva es tomada en cuenta, los experimentos producen escasos aminocidos como para contribuir a los escenarios del origen de la vida. Adems, el examen detallado de los intentos modernos de sintetizar los precursores de la vida revela que la formacin de muchos de ellos en la Tierra primitiva en cantidades significativas es prcticamente imposible. Sin embargo, el desafo ms fundamental de la termodinmica es tan serio que opaca estos obstculos.

Escritor de divulgacin cientifica estadounidense, es autor de varias obras sobre cultura, evolucin, e historia y filosofa de la ciencia.

Dos de sus obras ms importantes son Las Ciencias de Avatar: de la Antopologa a la Xenologa y La Muerte y el Sexo, con la que obtuvo el primer lugar en la categora de no ficcin en la edicin 2010 del New York Book Show. En el fro (Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics, and Life), en coautora con Eric D. Schneider, trata sobre la relacin entre la termodinmica del no equilibrio y la vida.

En una primera parte se introducen la termodinmica y la Mecnica stadstica necesarias para estudiar la vida. Se plantea despus el fenmeno de la vida en un contexto cosmolgico, buscando leyes universals que tendran que cumplir no solo los seres vivos terrestres sino cualquier tipo de vida extraterrestre as como la materia inanimada. Existe un fluido vital cuya densidad tiende a ser mayor en los sistemas de baja entropa que favorece un tipo de mutaciones que se caracterizan por un decremento de entropa. El resultado neto es que la complejidad crea complejidad.Existen unas ondas vitales que favorecen la difusion de mutaciones. Tambin se aborda con las mismas leyes el origen de la vida. Una tercera parte considera las implicaciones filosficas de esta teora. No es vitalista, ni teleolgica ni est basada en el Principio Antrpico. Finalmente se define el concepto de ser vivo, a la luz de las ideas expuestas.

Es evidente que cualquier ser vivo, desde una ameba unicelular hasta un elefante, mantiene un alto grado de orden interno, pudiendo ser considerado como un sistema abierto, es decir, un sistema que intercambia energa (fundamentalmente en forma de calor) y materia (consume y produce una amplia gama de sustancias) con el medio que le rodea. La termodinmica de sistemas abiertos es una disciplina de enorme inters y su aplicacin a las ciencias de la vida se debe a Bertalanffi y sobre todo a Prigogine, quien consigui el premio Nobel de qumica en 1977 por sus trabajos sobre la teora de estructuras disipativas.

De las evidencias anteriores puede parecernos a primera vista, que el orden estructural viola la segunda ley de la termodinmica que dice la entropa (desorden) de un sistema aislado debe aumentar, luego segn este principio, es improbable la estructuracin o alto grado de orden de los seres vivos?

Para la interpretacin de esta ley no basta con considerar al ser vivo aisladamente sino junto a su entorno. As, para que un ser viva y sus estructuras crezcan, debe metabolizar y al hacerlo se auto ordena a costa de desordenar el medio ambiente. Por lo tanto el fenmeno de la vida no contradice esta ley si tenemos en cuenta que, contrariamente a la creencia popular, la finalidad de comer, beber o respirar no es solo proporcionar energa para las funciones vitales sino tambin liberar al organismo de la entropa (desorden) que no puede evitar producir por el hecho de estar vivo. Este comportamiento queda resumido en la celebre frase de Schrdinger: un ser vivo en crecimiento se mantiene vivo en su estado altamente organizado a costa de extraer continuamente entropa negativa (orden) de su medio ambiente.

Se puede afirmar por tanto que el fenmeno de la vida no contradice la segunda ley de la termodinmica y posee las siguientes etapas: durante el perodo de crecimiento (grandes cambios) un ser vivo extrae una gran cantidad de entropa negativa (orden) del medio ambiente, el adulto (pocos cambios) alcanza un estado estable y en la senectud, la importacin de entropa negativa del medio es cada vez menor y esta situacin conduce a un estado de equilibrio en el cual va perdiendo contacto con el exterior, lo que lo lleva inexorablemente a la inanimacin o muerte.

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