domingo, febrero 08, 2015

Las matemáticas de nuestra conducta

Colaboración de Samuel Graván



"Empiezas con un grupo de átomos al azar, y si los iluminas durante un tiempo suficiente, no sería ninguna sorpresa que obtengas una planta." 
Jeremy England (2014), entrevista con Natalie Wolchover


Jeremy England
Dr. Jeremy England, físico del MIT(Massachusetts Institute of Technology)

















Si las ideas del equipo liderado por Jeremy England en el MIT se confirman, traerá serias implicaciones en terrenos más allá del origen y desarrollo de la vida. En este artículo, voy a hablar de una de tales implicaciones secundarias: el hecho de que toda la conducta animal, incluida la conducta humana, estarían subordinadas a la tarea de disipar energía.

En otras entradas previas, ya he explicado a fondo mediante un amplio desarrollo matemático y con bastantes ejemplos prácticos, todo lo que este equipo propone. Para entender en condiciones el contenido de esta entrada es requisito previo, al menos, tener una idea de lo que estos autores hablan; por lo que voy a comenzar haciendo un repaso de toda la base teórica propuesta para pasar, posteriormente, a detallar nuevas consecuencias que se pueden deducir de este supuesto:

Resumen esquemático del trabajo de Jeremy England:

Dado un supuesto sistema, el cual cumple con la condición de ser:

1) Un gran sistema lejos del equilibrio térmico con abundante y variada cantidad de materia (como por ejemplo, la Tierra).
2) Que posee una fuente constante de energía externa entrando en dicho sistema (como es el caso del Sol).
3) Y que posee también un gran baño térmico donde disipar calor (como es el caso de la atmósfera o el océano en la Tierra).

La teoría matemática dice que, en un sistema tal, se producirá,  inmediata y espontáneamente, una tendencia a aumentar la entropía mediante tres alternativas diferentes:

1) Siguiendo la tendencia natural que hace que la evolución de un sistema tienda hacia aquellos estados más desordenados, debido a que existen muchas más posibilidades de estados desordenados que ordenados. 

El ejemplo típico, es el supuesto de lanzar 40 monedas al aire y ver cuántas salen caras y cuántas cruz. El sistema de las 40 monedas en el suelo sigue una combinación de caras o cruces y, si se estudia la distribución de combinaciones, se puede comprobar como las posibilidades donde las 40 monedas estén ordenadas de modo que sean en su mayoría cara o cruz, son mucho menores que las probabilidades donde exista un completo desorden de monedas.

Sólo hay, por ejemplo, dos configuraciones donde al caer las 40 monedas se produce un patrón donde una moneda sea cara y la siguiente cruz, y que luego continué ese patrón cara-cruz. Y sólo hay una configuración posible con todas las monedas caras o todas cruz. El sistema tiende, pues, espontáneamente, a seguir la evolución con más caminos favorables; y este es el caso de la distribución más numerosa que engloba al mayoritario conjunto de estados con las monedas distribuidas azarosamente en caras y cruces sin seguir ningún patrón ordenado. Se tiende, por lo tanto, a evolucionar espontáneamente hacia el desorden y contra la aparición de patrones.

Esta es la explicación típica que ofrece la segunda ley de la termodinámica clásica, la cual sólo aplica en sistemas en equilibrio térmico. Sin embargo, en sistemas lejos del equilibrio (como el que estamos estudiando, y del cual la Tierra es un ejemplo), hay otros dos modos en que un aumento de entropía puede ocurrir en el sistema:

2) Siguiendo la tendencia natural que hace que la evolución de un sistema tienda hacia aquellos estados más reversibles. Es decir; siguiendo aquellos trayectos más reversibles, que son los caminos más accesibles a un estado inicial determinado.



Un ejemplo imaginario muy sencillo de entender es el siguiente:


Imaginemos que partimos de Cádiz, y que hay 50 carreteras distintas que nos llevan a Madrid, pero que sólo hay 1 carretera que parte de Cádiz y nos lleva a Valencia. Como la elección de una carretera determinada es azarosa (azar que es de aplicar en el sentido de que el movimiento molecular es caótico), es más fácil que terminemos en Madrid que en Valencia, puesto que Madrid es más accesible. Hay más formas de llegar a Madrid que a Valencia.

Es decir; que Jeremy England afirma que, en un sistema lejos del equilibrio térmico, la evolución del sistema se producirá hacia sistemas más accesibles y reversibles. De nuevo, se evitan los patrones o los sistemas ordenados con esta tendencia natural, puesto que un estado  muy reversible o muy accesible, requiere de gran cantidad de posibilidades de ser alcanzado, mientras que un estado ordenado o con un patrón establecido, debe seguir un camino (o unos pocos caminos) muy concretos para ser alcanzado; lo que va en contra de la probabilidad dentro del caos que conforma la evolución molecular de estos sistemas. Se evoluciona espontáneamente, pues, hacia la accesibilidad y la reversibilidad, lo que supone un aumento probable del desorden (aumento de entropía).

3) Siguiendo la tendencia natural que hace que la evolución de un sistema tienda hacia aquellos estados que más y mejor disipan calor. Las matemática así lo dicen: cuanto más calor disipa un estado determinado, más aumenta la entropía del sistema (lejos del equilibrio), por lo que será un estado con buenas probabilidades de ser alcanzado. 



Ya lo vimos en el ejemplo de mi entrada anterior sobre este tema. Si se fijan las condiciones, de modo que los puntos 1) y 2) que hemos estudiado antes, queden fijos de manera que no puedan influir en la evolución del sistema, el que determinará la evolución será este punto 3). Es decir; que fijados 1) y 2), el sistema va a tender espontáneamente hacia estados donde se disipe cada vez más calor.


Imaginemos que partimos de Cádiz, y sólo hay dos carreteras, una que lleva a Madrid y otra que lleva a Valencia. En este caso, la condición 1) es irrelevante: sería el equivalente a lanzar 1 única moneda al aire, o sale cara o sale cruz ( ln 1 = 0). La condición 2) también es irrelevante, ya que ambas ciudades son igual de accesibles (una única carretera para cada estado).



La cuestión es que, según la regla 3), si para ir a Madrid se necesita consumir 100 J de energía, y para ir a Valencia, solo 50 J; el sistema va a tender espontáneamente a realizar el trabajo necesario para conseguir evolucionar hacia el estado final en el que sea necesario disipar el mayor calor posible. El sistema va a tender siempre a alcanzar el estado que requiera un mayor consumo de energía.


Si imaginamos, ahora, que hay 3 estados de destino posibles, los cuales necesitan respectivamente de 100 J, 50 J, y 10 J, para ser alcanzados, el sistema automáticamente evolucionaría de modo que cada vez pueda alcanzar objetivos más disipativos. ¡Y es precisamente esta tendencia natural el origen de todo proceso evolutivo en el universo (incluida la evolución biológica)! Todo proceso evolutivo estaría guiado por esta natural propensión de los sistemas lejos del equilibrio térmico hacia la optimización en su capacidad para disipar calor (es decir; en su eficiencia consumiendo cada vez más energía y realizando más trabajo con ella). Evidentemente, cuanto más calor se disipe, más desorden se genera, lo que implica nuevamente un aumento de entropía.

¿Cuál es la explicación de que esta tercera regla 3) ocurra?

Los dos puntos anteriores 1) y 2), son fácilmente entendibles de un modo meramente intuitivo y lógico (utilizando sencillos ejemplos como los que yo he propuesto, que son bastante visuales), sin embargo, este tercer punto requiere de un estudio más complejo para comprender su causa. El paper original contiene una explicación muy formal, que yo intenté desarrollar un poco más en una entrada de mi blog; pero, en mi opinión, es un ejemplo poco claro visualmente. Voy a intentar explicar a continuación este punto con un ejemplo, menos formal, pero más intuitivo:

La probabilidad pasar de un microestado a otro por parte de una partícula, está determinado en parte, por una barrera de activación, que viene a ser algo así como la energía necesaria para alcanzar un estado determinado. Entre cada par de microestados i, j; la barrera de activación va a tener un valor independiente entre ellos, pero dependiente en ciertos casos, del valor de la fuerza externa en un momento dado t. Es decir; que la probabilidad de pasar de i a j, viene determinada por la cantidad de energía necesaria para poder alcanzar j: a mayor barrera, menor probabilidad.

Si el valor o altura de estas barreras fuesen constantes en el tiempo, no tendría sentido la propuesta 3), ya que el efecto sería justo el contrario, habría una tendencia hacia estados fáciles de alcanzar (que requiriesen poca energía para ser alcanzados), sin embargo, las matemáticas del trabajo dicen lo contrario, y esto se debe a que los estados energéticos, y las barreras de activación para ser alcanzados, varían con el tiempo y de un modo dependiente a la fuente de energía externa: la barrera de activación puede, pues, variar en función del tiempo (Bij(t)).

La probabilidad entre cada par de estados i,j, va a ir variando, por lo tanto, en el tiempo; según sea la cantidad, el tipo, y el modo en que se reciba la fuerza procedente de la energía externa en cada momento determinado. Esta variación en el tiempo, va a depender de varios detalles descritos por la física de partícula y la mecánica estadística; pero nos vale con la idea de que se puede producir una variación en la probabilidad con el tiempo, y de que dicha variación va a estar determinada, entre otras cosas, por el modo en que el microsistema i se vea o no ayudado o impulsado, en un momento determinado, para superar la barrera:

Es decir; que la variación de la barrera en el tiempo (la variación de Bij(t)), puede dar lugar, en ciertos instantes, a una bajada en la altura de la barrera de activación, de modo que la probabilidad de alcanzar j sea mayor que la de otras trayectorias alternativas.

Hasta aquí perfecto. Ahora bien; ¿si se baja la barrera de activación, cómo es que se disipa más calor? La respuesta es la siguiente:

Los estados energéticos i,j también pueden variar con el tiempo (Ei(t)), lo cual influye en el calor disipado, que no es más que el incremente de calor producido al pasar de i a j (Calor generado = Ej - Ei). Y la cuestión es que; la cantidad, tipo, y modo de la fuerza presente que consigue bajar al máximo la barrera de activación, puede al mismo tiempo, llevar al mínimo el estado energético destino j, lo cual lleva a que la diferencia entre Ej (destino) y Ei (origen) sea máxima, lo que representa una gran disipación de calor en el proceso de cambio.

Es decir, que bajo ciertas circunstancias, puede producirse una especie de acoplamiento entre una alta probabilidad de alcanzar un estado, que sea de bajo potencial energético. Y la teoría dice que un microsistema capaz de presentar este acoplamiento; es decir; un microsistema cuyas propiedades internas favorezcan la aparición de este tipo acoplamiento relacionado con una fuente de energía externa particular, se verá favorecido por la termodinámica, puesto que será un eficiente productor de entropía (será un buen disipador de calor, es decir; un buen generador de desorden).

Todo esto sigue sin ser muy visual. Vamos a intentar poner un símil que lo deje más claro:

Imaginemos que partimos de la ciudad de Cádiz, y que tenemos un presupuesto para viajar a otra ciudad, y volver luego de nuevo a Cadíz (con ese dinero, hay que pagar gasolina, peajes, pensiones, averías, etc.). La clave, es que nos imponen, además, la tendencia a que nos sobre el máximo dinero posible una vez terminemos el recorrido.

Como destino, tenemos a nuestro alcance muchas ciudades; cada una con un coste distinto para ser alcanzada: algunas tienen peaje en el camino, otras tienen pensiones más caras, otras están más lejos y requieren más gasto en gasolina, etc. Es decir; que cada ciudad requiere de un gasto fijo determinado para su acceso desde Cádiz (el coste del camino de ida y de vuelta es el mismo).

Si este gasto es un valor fijo para cada ciudad, y pretendemos que nos sobre el máximo dinero posible, nos moveremos sin duda hacia la ciudad que estimemos más accesible (más barata de alcanzar). Si colocamos, ahora, a muchas personas en Cádiz, y repetimos este ejemplo un gran número de veces; observaremos que comienza a aparecer un patrón (o distribución) donde el conjunto de ciudades más baratas de alcanzar, son mucho más frecuentemente elegidas que aquellas ciudades más caras; las cuales serán tanto menos seleccionadas cuanto más caras sean de alcanzar (puesto que cuanto más cara sea, más evidente será que no son viables como candidatas para maximizar el ahorro, y menos personas lo intentarán con ellas).

Por lo tanto, si el coste de acceso de cada ciudad es constante en el tiempo, la probabilidad de que cierta persona elija un destino concreto, viene determinado por esta distribución de probabilidad que acabamos de describir. Si además catalogamos ciertos subconjuntos de ciudades según alguna propiedad que tengan en común, podremos afirmar cosas como, por ejemplo, que el conjunto de ciudades costeras suele ser más barato de alcanzar de media que las ciudades de montaña. Si este fuera el caso; la probabilidad de cierta ciudad, podría ser determinada simplemente sabiendo si es una ciudad de costa o de montaña. La probabilidad de que alguien pretenda ahorrar visitando un remoto pueblo perdido entre montañas es pues, casi nula; por lo que será un fenómeno imposible de observar en la práctica.

Pues este ejemplo, que parece tan evidente, no es ni más ni menos, que la descripción de los dos puntos primeros que hemos estudiado 1) y 2). Y, si no hubiera ninguna fuente de energía externa dirigiendo el comportamiento del sistema, estos dos puntos serían los únicos que determinarían el modo en que el sistema iría cambiando en el tiempo.

Sin embargo, estamos estudiando sistemas lejos del equilibrio térmico y dirigidos por una fuente de energía externa (como el Sol en el caso de la Tierra), lo cual, en el ejemplo visual que estamos contemplando, significa lo siguiente:

Hasta este momento, en nuestro ejemplo hemos tomado el coste de llegar a cada ciudad como algo constante (gasto de gasolina, longitud de la carretera, coste del peaje si lo hay, etc.) pero, en sistemas dirigidos, esto no es siempre así. Podemos imaginar este caso suponiendo que en determinados momentos, algunas ciudades hacen descuentos especiales a los turistas, o, lo que es lo mismo, que en determinadas épocas, algunas ciudades (las costeras, por ejemplo) ven encarecidos sus costes debido, por ejemplo, a la temporada turística (en verano). Esto supone una posible oscilación con el tiempo respecto del coste de viajar a una determinada ciudad.

Cuando el Sol aprieta, las ciudades costeras suben precios, lo que altera su accesibilidad; mientras que las ciudades de montaña hacen por el contrario descuentos en esta época del año. De este modo, la energía externa (el Sol) va a dirigir el sistema, en el sentido de que consigue variar, con el tiempo, la accesibilidad de las distintas ciudades.

Si colocamos ahora muchos coches que partan desde Cádiz, la distribución en la probabilidad de que una ciudad concreta sea visitada (de modo que se ahorre el máximo), ya no depende sólo de lo lejos que esté o del número de peajes, sino que también va a depender de la época del año en que estemos. En primavera y otoño, este factor temporal será menos determinante (predominando los 2 primeros factores), mientras que en invierno y verano habrá que tener muy en cuenta este factor externo.

Pues bien, las matemáticas nos dicen que, un sistema dirigido de esta forma descrita por una fuente de energía externa, va a tender a alcanzar los estados que más calor disipen; es decir; aquellos estados cuyo potencial energético final sea el menor posible respecto del inicial, ya que esto supone una gran diferencia energética que se habrá disipado en forma de calor en el proceso. Y esto es así, porque de este modo se consigue un gran aumento de entropía, que es lo que el Universo requiere por ley.

En nuestro ejemplo de las ciudades, este máxima disipación, se produce en aquellas ciudades que, no sólo se vuelven más accesibles abaratando el coste del viaje (peaje gratis en ciertas épocas, y descuento en gasolina), sino que, además, también premian al viajero por ejemplo con un cheque regalo a su llegada (o con precios baratos en sus servicios). Algunas ciudades sólo abaratarán el viaje, y otras sólo darán un incentivo con un regalo, pero; serán aquellas ciudades que presenten un acoplamiento de ambas circunstancias (que abaraten el viaje y que regalen un cheque al turista o que bajen los precios de sus servicios al mismo tiempo) las que consigan la mejor probabilidad para ser visitadas de entre sus rivales, ya que son las mejores candidatas para que el viajante ahorre lo máximo posible.

Lo más importante de todo esto, es comprender que, por motivos temporales, y gracias a un eficiente acoplamiento entre una fuente de energía externa y las propiedades de un microestado determinado, es posible que, estados poco accesibles, ordenados y complejos, sean alcanzados con una probabilidad mucho mayor, que la que tendrían sin ese acoplamiento.

Esto no significa que la complejidad y el orden sea algo fácil de acontecer (y observar), sino que su probabilidad puede mejorar muchísimo si se consigue el acoplamiento adecuado. Es decir; que este acoplamiento no significa, siguiendo con nuestro ejemplo, que sea fácil conseguir que los viajeros tomen el pueblo perdido en la montaña del que ya hablamos como un destino viable para lograr el mayor ahorro posible, pero sí significa que, si el acoplamiento es lo suficientemente atractivo (eficiente), la probabilidad puede pasar de imposible en la práctica, a tener cierto peso si se espera el tiempo suficiente.

El mérito del trabajo:



El mérito real detrás de todo el trabajo del equipo de Jeremy England, consiste en haber conseguido formalizar matemáticamente, y exclusivamente deduciendo a partir de una base física ya establecida (termodinámica y mecánica estadística) todo lo que acabamos de hablar. Todo este asunto (en sistemas lejos del equilibrio térmico) ya había sido tratado anteriormente, de un modo exclusivamente intuitivo y muy vago por diversos autores; pero ya no se trata de meras especulaciones, sino que ahora disponemos de una firme teoría física detrás de esta argumentación. Si la teoría se confirma experimentalmente (están en ello), no habrá más remedio que aceptar todas sus consecuencias (de las que hablaremos a continuación), o renegar literalmente de los preceptos físicos usados de base (lo que complicado, dado el nivel de corroboración ya conseguido).




La competición entre las 3 alternativas descritas:




El Universo requiere de un aumento de entropía constante. Y hemos visto que, en los sistemas lejos del equilibrio térmico como la Tierra, hay tres modos en que este aumento puede ocurrir, lo cual determina, al mismo tiempo, la distribución en la probabilidad de observar un determinado fenómeno macroscópico. Y esto es así, porque la teoría matemática que estudiamos nos dice que la probabilidad de ocurrencia de cualquier estado macroscópico, será mayor, cuanto mayor sea el valor de los 3 términos que hemos examinado.


Sin embargo, puede ocurrir, dada la oportunidad material y energética, que alguno de los términos domine sobre los otros dos en la ocurrencia de un fenómeno determinado, lo cual lleva, si el que domina es el tercer término, a que acontezcan fenómenos que pueden parecer paradójicos desde el punto de vista termodinámico clásico (en sistemas en equilibrio), pero que son lógicamente explicados en esta nueva teoría para sistemas lejos del equilibrio (como el que acontece aquí en la Tierra). Las matemáticas de esta nueva teoría termodinámica, la cual ha sido derivada completamente de teorías previas establecidas y aceptadas en el campo de la termodinámicas y la mecánica estadística, afirman que, dada la oportunidad material y energética, es sólo cuestión de tiempo que en sistemas de este tipo, surjan estructuras materiales macroscópicas altamente ordenadas y poco accesibles (lo que implica un primer y segundo término muy bajo), pero cuya alta eficiencia en su capacidad para disipar calor mediante la realización de trabajo, hacen que el tercer término sea lo suficientemente grande como para sobreponerse al bajo valor de los dos primeros; de este modo, dicha estructura compleja pero eficiente disipadora, tendrá una probabilidad aceptable de ocurrir en un espacio de tiempo abordable (cientos de millones de años). Pero hay que tener en cuenta que, sin esta eficiente capacidad disipativa, una estructura material tan ordenada sería tan improbable, que no habría literalmente la posibilidad de observar tal fenómeno macroscópico en cientos de miles de millones de años. Es decir, que lo que una alta eficiencia para disipar calor (o, lo que es lo mismo, un buen rendimiento en el uso de la energía disponible para realizar trabajo mecánico) hace, es simplemente aumentar la probabilidad de observar macroscópicamente una alta organización estructural de baja accesibilidad, pasando de cientos de miles de millones de años, a "sólo" algunos millones.

Es un hecho que las propiedades materiales (cantidad y tipo de átomos y moléculas) de algunos sistemas lejos del equilibrio termodinámico (como lo son la Tierra, Marte, etc.), les confieren una diferencia en su capacidad para poder utilizar la energía externa que reciben (del Sol, en nuestro caso) para realizar trabajo; por lo que algunos sistemas tendrán un potencial mayor que otros para albergar estructuras materiales muy organizadas y eficientes en menor cantidad de tiempo. Esto quiere decir que, aunque existan muchos planetas que cumplan las premisas de ser sistemas lejos del equilibrio con una fuente de energía externa y un baño térmico donde disipar, las características de los materiales (la cantidad y tipo de átomos y moléculas que constituyan ese planeta), harán que la oportunidad de que el tercer término consiga sobreponerse a un bajo valor en los dos primeros sea diferente. A mayor potencial, mayor oportunidad y probabilidad, lo que implica un menor tiempo de espera hasta que un fenómeno tal acontezca.

La estructura de los copos de nieve, las dunas de arena, los huracanes,
los remolinos en los fluidos, etc., podrían ser todos ejemplos de
adaptación espontánea dirigida hacia una eficiente disipación de calor.
También hay que tener en cuenta los diferentes modos en que este tercer término puede dominar. Un tornado, es un fenómeno altamente ordenado del tipo que estamos estudiando; y su probabilidad de ocurrencia es mucho mayor que la de la formación del ADN (que es otra estructura altamente ordenada y con eficiencia disipativa). Ambas disipan calor de modo eficiente, pero el ADN requiere más complejidad (un menor valor para los primeros dos términos) para suceder.

Por ese modo, es algo común ver estructuras muy ordenadas en muchos planetas del tipo de tornados, dunas de arena, remolinos en fluidos, etc; pero, hasta ahora, no hemos observado estructuras mucho más complejas y ordenadas, como es el caso de las estructuras biológicas que vemos aquí en la Tierra. En algunos casos, este fenómeno tan sumamente complejo será sólo cuestión de tiempo que ocurra, y en otros; el potencial material del planeta será tan poco favorable que haría falta esperar un periodo de tiempo astronómico e inabordable (en la práctica se podría hablar de imposibilidad).

Evolución biológica.

En la Tierra se cumple, desde hace miles de millones de años, las condiciones de ser un sistema lejos del equilibrio térmico, con una fuente continua de energía externa entrando en el sistema(el Sol), y con una fuente o baño térmico hacia donde disipar calor (el océano y la atmósfera). Además, el potencial del material disponible (la cantidad y tipo de átomos y moléculas disponibles) es favorable para alcanzar una altísima eficiencia disipativa mediante el uso de la energía del Sol para realizar trabajo. Y es este alto potencial disipativo, el que hizo posible que, en unos pocos cientos de millones de años, apareciese espontáneamente estructuras muy complejas y autorreplicantes.

La autorreplicación aparece, dado el momento y la oportunidad, debido al modo en que matemáticamente está constituido el tercer término del que hemos hablado 3). Este término se divide en dos: la suma del calor disipado de media entre todos los caminos posibles que llevan a un estado destino, y la resta de la desviación típica en la cantidad de calor generado por todos esos caminos posibles (las fluctuaciones perjudican en la probabilidad de que un estado destino sea alcanzado). Un eficiente método para que una estructura altamente compleja consiga mantener el tercer término de la ecuación en un valor muy alto, consiste en reducir la fluctuación (la desviación de la media del calor generado); y el mejor modo de reducir la fluctuación, y aún así generar el calor suficiente para sobreponerse al bajo valor relativo de los dos primeros términos, es la copia o replicación de una estructura material (suprimiendo así fluctuaciones) y  consiguiendo además en el proceso de copia, que cada vez se produzca más energía, puesto que la estructura a copiar va a ser también una eficiente disipadora de calor (para aumentar en lo posible el calor medio disipado).

Eso ocurrió en la Tierra con la estructura de ADN. El ADN es una estructura molecular compleja, pero con una enorme capacidad para generar calor. Y su capacidad intrínseca para hacer copias exactas de si misma, hace que la fluctuación de calor sea mínima, y que la cantidad de calor disipado siga una proporción exponencial. Probablemente, la aparición del ADN como tal, siguió un proceso evolutivo previo, donde otras estructuras materiales previas consiguieron cierta capacidad replicativa, aconteciendo una selección espontánea de las estructuras que mejor se copiaban y que más eficientemente disipaban calor en su formación y mantenimiento.

Aparecen las células.

La replicación molecular es un gran paso hacia la complejidad (baja entropía o alto orden) en aras de la eficiencia para utilizar la energía externa del Sol para realizar un trabajo mecánico que disipe una gran cantidad de calor hacia la atmósfera o el océano. Sin embargo, una vez iniciado el proceso, la teoría de Jeremy England apunta a que los procesos macroscópicos evolucionarán, con mayor probabilidad, hacia estados que disipen más calor que el anterior. Esto es así puesto que, llegado el momento en que el tercer término domina con claridad a los otros dos, la evolución de tales microsistemas va a estar siempre ya dominada por dicho tercer término (puesto que son poco reversibles).

Si tenemos un sistema constituido por estructuras materiales muy complejas; como por ejemplo, un charco de agua lleno de estructuras replicativas, sabemos que es poco probable que todas esas estructuras complejas se disuelvan a la vez aumentando los dos primeros términos lo suficiente. Esto es así, puesto que el camino que ha llevado a toda esa complejidad es poco accesible; o, lo que es lo mismo, es poco reversible estadísticamente. Es decir, que una vez iniciado el proceso, ya no hay vuelta atrás, la evolución biológica está en marcha.

Y como no es ya viable en estos casos una vuelta atrás donde vuelvan a dominar los dos primeros términos en exclusiva, la teoría nos dice que el sistema en estudio va a evolucionar o tender hacia estados cada vez más eficientes en la disipación de calor térmico. Esto supone pequeñas mejoras durante un tiempo, pero puede también suponer grandes saltos evolutivos en otras. Cada gran salto evolutivo supone también un paso hacia la complejidad y contra la reversibilidad del proceso, por lo que, una vez acontecido, es poco probable una vuelta atrás fortuita.

Esto mismo debió de ocurrir con la aparición de la primera célula (o con las estructuras precelulares). La formación evolutiva de complejas maquinas materiales, altamente efectivas en el uso de la energía del Sol, y favorecidas por la baja fluctuación que supone contener las instrucciones (o la información) para su construcción en moléculas replicativas de ADN, fueron haciendo aparición en la Tierra. Y cada nueva mejora acontecida espontáneamente en dicha máquina, era un pequeño salto en favor de la disipación de calor.

Aparecen los organismos multicelulares.

Pronto acontece un nuevo salto en la eficiencia disipativa. Algunas de estas máquinas celulares, por puro azar en los cambios ocurridos en la replicación de sus instrucciones de formación, comienzan a presentar, paulatinamente, una buena afinidad unas por otras. Esta afinidad, supone en efecto, una mayor complejidad, pero también un nuevo salto hacia la mejora en la capacidad para realizar trabajo y generar calor. En pocas palabras: una colección de células cooperando, requiere mayor complejidad en su creación y mantenimiento, pero acarrea también una mucho mayor capacidad disipativa; puesto que la cooperación asegura un mayor tiempo de existencia, y una mayor probabilidad para hacer más y más copias durante ese tiempo.

Y así continuó el camino evolutivo. Las estructuras eran cada vez más complejas, y cada vez disipaban más energía en su construcción, mantenimiento y replicación. Es importante hacer notar, que esta misma tendencia continúa hoy día.

Aparecen las plantas y los animales.

Con el paso del tiempo, la aparición de estructuras multicelulares capaces de llevar a cabo la fotosíntesis fue factible, y eso supuso un nuevo salto en cuanto a la eficiencia disipativa. Más tarde, esto hizo viable la aparición de estructuras materiales aún más complejas, las cuales harían uso de las anteriores para metabolizar (alimentarse de) energía con una alta eficiencia. La aparición del reino animal, de este modo, supuso un gran salto evolutivo en favor de una mayor disipación de calor, puesto que el movimiento organizado y continuado de una estructura material tan compleja, supone el uso de una enorme cantidad de energía en forma de trabajo mecánico. Los animales consumen muchas plantas (o consumen otros animales los cuales sí consumen muchas plantas), y eso es un gran salto en pos del consumo energético: son más complejos de construir y de mantener, y su movimiento es muy costoso energéticamente hablando.

Y es muy importante comprender que, cuando alguna de estas estructuras, por algún motivo, es superada en capacidad disipativa por otras de su entorno, estas últimas, al ser más eficientes consumidoras de energía, tienden a reemplazar a la primera. Este proceso, por supuesto espontáneo, constituye lo que se ha dado a llamar desde la biología el proceso por selección natural, aunque ahora podemos comprobar qué es realmente lo que mueve a un nivel más básico tal proceso: la optimización en el uso de la energía disponible.

Aparece la conducta.

Llega un punto en que, las estructuras animales, para poder mejorar el consumo de energía, necesitan "aprender" o "prever" el comportamiento futuro del entorno. No vale sólo con alimentarse de otras estructuras, es necesario saber cómo y donde encontrar esas estructuras. Además, es necesario "prever", que es "bueno" o "malo" para poder cumplir la tarea disipativa eficientemente: hay que "prever" las circunstancias que pueden llevar a la destrucción de la propia estructura y "aprender" a evitarlo.

Pongo todas esas comillas, porque el uso de esas palabras tan comunes en biología o psicología pueden llevar a engaño. No hay ningún objetivo o fin racional en todo el proceso que estamos comentando. Dada la aparición espontánea de los animales cuando la oportunidad fue la adecuada, y puesto que este suceso suponía un gran aumento en el calor disipado medio, la aparición de la conducta fue también un acto igualmente espontáneo y automático, totalmente determinado por esa misma tendencia física que consiste en aumentar la energía media utilizada para generar calor mediante la realización de trabajo, y para disminuir, en lo posible, las fluctuaciones en el calor disipado.

Y no hay más explicación. Cualquier otra finalidad, o supuesto objetivo, en la conducta, no es más que una abstracción ideada por la mente humana. Realmente no existe eso que identificamos por especie, ni por individuo: todo lo que hay, son trillones de diferentes partículas interactuando dentro de un sistema físico lejos del equilibrio térmico, y dirigido por una fuente de energía externa continua. La teoría matemática de Jeremy England explica cada uno de los fenómenos macroscópicos acontecidos en tales sistemas, y podemos comprobar que todas esas cualidades que definimos como pertenecientes a la vida, han ocurrido simplemente gracias a una tendencia natural que permite la aparición de estructuras de gran complejidad estructural a expensas de generar una enorme cantidad de calor en el proceso. Y nada más.

Aparece el hombre.

Y, por fin, llegamos al quid de la cuestión. Mediante este mismo proceso que hemos descrito, fue sólo cuestión de tiempo, una vez dada la oportunidad, que aconteciera la aparición de un ser consciente. El hombre, en cierto sentido, es un caso muy especial en la historia evolutiva. Su complejidad estructural y conductual es enorme, y eso debe llevar aparejado un inmenso potencial para consumir energía, de modo que tal complejidad sea viable.

Es más, conforme el genero homo se diferencia y avanza hacia lo que denominamos homo sapiens, se ha producido un aumento constante en la cantidad de energía utilizada por persona y día. No se trata sólo de los 9000 kJ consumidos de media para mantener nuestros procesos corporales y estructurales, sino que, nuestra complejidad social y conductual, hacen que necesitemos y dediquemos una cantidad de energía por individuo nunca vista hasta ahora. Esto ocurre principalmente mediante el coste de energía extra que suponen todos los procesos sociales, culturales y tecnológicos.

Nuestra gran complejidad estructural, permite y favorece así, la aparición de normas sociales, de rituales culturales, y de un gran consumo tecnológico y de ingeniería (que comienza con el uso del fuego), lo que lleva a un nuevo y enorme salto evolutivo en cuanto a la capacidad de explotación energética. Conforme han transcurrido los siglos, el homo sapiens ha ido incrementando linealmente la cantidad de calor generado al entorno pero; tras cierto tiempo, se alcanzó la técnica necesaria para hacer uso de los combustibles fósiles, y una nueva fuente de energía, distinta de la del Sol, estuvo a nuestro alcance. El consumo de energía externa comenzó así un crecimiento exponencial en el tiempo.

Como era de esperar, hicimos -y hacemos- uso de toda esa energía de un modo voraz. Es la tendencia natural que llevamos estudiando desde el principio: somos, como el resto de animales, máquinas diseñadas espontáneamente para consumir energía; y el descubrimiento de cada nueva fuente de energía, lleva aparejada un incremento de complejidad (esta vez social y técnica) y de un incremento en la replicación (incremento de la población), lo cual consigue el consumo y explotación más eficiente de toda esa nueva energía disponible. Se estima, por ejemplo; que hoy día se consumen aproximadamente 240.000 Kcal por persona y día (algo inaudito que explica que un fenómeno tan complejo como el hombre actual pueda existir sin violar las leyes termodinámicas). 



Y es que, si somos tan buenos como especie, si hay algo que nos caracteriza, es precisamente este potencial para consumir energía: hay otras especies que se replican más y mejor que nosotros, pero no hay especie en el mundo que consiga un consumo energético ni remotamente parecido al nuestro. Y es este potencial el  asegura nuestra supervivencia como fenómeno, y es también lo que explica nuestro evidente dominio sobre otras formas de vida.


Recapitulando.


Visto de otra forma, podemos decir que el fenómeno macroscópico que supone la aparición de una estructura compleja, que no sea al mismo tiempo eficiente consumiendo energía, es prácticamente imposible que acontezca en nuestro Universo. Esta limitación, como todo en termodinámica, se basa en la baja probabilidad práctica, y no en la imposibilidad teórica:


Un ejemplo clásico de semejante proceso de limitación práctica, sería aquel en el que todo el aire de una habitación se moviera espontáneamente a una mitad de la habitación, dejando vacío en la otra mitad. Tal compresión libre reduciría en un factor de 2^N el número de posibles estados microscópicos. En teoría, ¡este proceso no es imposible! La probabilidad de hallar una molécula dada en una mitad de la habitación es de 1/2, y la probabilidad de hallar todas las moléculas en la misma mitad es (1/2)^N. Esta probabilidad no es cero. Sin embargo, por si te preocupa encontrarse repentinamente sin aire en la mitad evacuada de tu habitación, considera que ésta podría contener 1000 moles de aire, de manera que N = 1000xNA = 6.02x10^26 moléculas. La probabilidad de que todas las moléculas estén en la misma mitad del cuarto es entonces (1/2)^6.02x10^26. Dada la probabilidad tan insignificante de que tal compresión libre ocurra, es casi seguro que nunca ha ocurrido en el Universo desde el principio de los tiempos. Concluimos que, en la práctica, la segunda ley de la termodinámica (y el resto de propuestas derivadas de esta, como es el caso de todo lo que estamos estudiando) nunca se viola.



Tenemos pues, un sistema lejos del equilibrio térmico (la Tierra), rico en cantidad y variedad de materia (lo que facilita la aparición de la oportunidad necesaria en favor de la disipación y la complejidad, reduciendo el tiempo necesario para que tal camino comience), con una fuente continua de energía externa (el Sol), y con dos grandes baños térmicos hacia los que disipar calor (océano y atmósfera).


Bajo estas condiciones, las matemáticas nos dicen que es sólo cuestión de tiempo, que cierta organización empiece a acontecer, con el único requisito de que dicha complejidad sea compensada con una eficiente capacidad para disipar calor hacia el entorno. Una vez esto sucede, el camino evolutivo hacia la complejidad en favor de un cada vez mayor uso de la energía disponible ha comenzado. Este camino, finalmente da lugar a todo lo que conocemos por vida y a todo lo relacionado con ella (incluida cultura y tecnología humana).

Las matemáticas de nuestra conducta.



La conducta animal está determinada por esta tendencia a utilizar la mayor cantidad de energía posible desde sus inicios. Su aparición fue posible, precisamente porque el hecho de poseer las habilidades conductuales adecuadas, favorece enormemente el potencial para consumir energía. Además, cualquier conducta que no favorezca a la eficiencia de este fin disipativo, está condenado a desaparecer, puesto que su complejidad no será respalda por la disipación del calor necesario, lo cual iría contra las leyes de la física. Por lo tanto; según la teoría de Jeremy England, en la práctica es imposible observar comportamientos conductuales complejos que no ser orienten y favorezcan, de un modo u otro, el uso y consumo de energía.


Merece la pena mencionar aquí, la consecuencia que todo esto tiene sobre nuestra supuesta libertad de acción (libre albedrío). Evidentemente, no hay cabida para una verdadera libertad de acción en este escenario que estamos describiendo:

Sí la teoría es correcta, es en la práctica imposible que se observe ningún fenómeno macroscópico en el mundo, cuya complejidad no se vea respaldada por una mayor eficiencia consumiendo energía. Y un fenómeno tan enormemente complejo como es la conducta humana, no puede existir, según las leyes físicas, si no va acompañado por una aún más enorme capacidad para consumir energía y disipar calor. Pero es que de esta forma, se está condicionando indudablemente lo que el hombre puede o no puede hacer: puede hacer todo aquello que favorezca la disipación, y no puede hacer aquello que vaya en contra de esta tendencia. Sólo hay una libertad muy parcial y relativa, que simplemente permite elegir, de entre varias alternativas, aquella que se prevé que otorgará mejores resultados disipativos en el futuro.

De este modo, debemos perder toda esperanza de que la especie humana haga un uso razonable de la energía y de los recursos naturales: simplemente no podemos. No podemos dejar de crecer en número, y no podemos dejar de acaparar y utilizar toda la energía que caiga en nuestras manos: es nuestro sino, nuestra naturaleza y nuestro ser. Por poner un símil, podemos ver al ser humano como el equivalente a una población de bacterias en una placa de Petri, que simplemente tiende a crecer en número aprovechando toda la energía y recursos disponibles. No es posible que las bacterias detengan su tendencia hacia el crecimiento y el uso energético, ni es posible que nosotros lo hagamos, puesto que incluso nuestro raciocinio es sólo un fenómeno complejo más, y que debe, por lo tanto, obedecer la misma tendencia disipativa que permitió su aparición, y que permite, ademásque siga existiendo.

Con el tiempo, una vez que tengamos que utilizar energías menos eficaces que las fósiles y la nuclear (las renovables), habrá reajustes en la población, pero la tendencia a consumir la mayor cantidad de energía posible seguirá aún con nosotros, y lo hará por siempre jamás, ya que la física del mundo no permite otra cosa: Así es la física, así es el mundo, y así es el hombre.


Aquí tenéis todas las referencias necesarias para seguir este interesante asunto:
  1. http://www.englandlab.com/publications.html (web oficial del equipo de investigación de Jeremy England. Aquí irán subiendo los avances que se produzcan en este asunto).
  2. G. E. Crooks, Phys. Rev. E 60, 2721 (1999). [3] R. A. Blythe, Phys. Rev. Lett. 100, 010601 (2008)(Este estudio de Crooks, es el que sirve de base para todo el trabajo de Jeremy).
  3. Perunov, N., Marsland, R., and England, J. "Statistical Physics of Adaptation", (preprint), arxiv.org, 2014. (Este es el paper de diciembre que ha levantado tanta expectación).
  4. England, J. L.  "Statistical Physics of self-replication." J. Chem. Phys.139, 121923 (2013). (Este es un paper del 2013, donde el equipo comenzó a dar forma definida a toda la línea de investigación).
  5. https://www.youtube.com/watch?v=e91D5UAz-f4#t=1720 (Vídeo con una charla del propio Jeremy England donde explica la línea de investigación).
  6. http://www.scientificamerican.com/article/a-new-physics-theory-of-life/ (Artículo divulgativo en la revista Scientific American sobre el trabajo de Jeremy England).
  7. https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/ (Artículo divulgativo en la revista Quanta Magazine sobre el trabajo de Jeremy).
  8. http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2014/12/las-matematicas-de-la-vida.html
  9. http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-ii.html
  10. http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-iii.html
  11. http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-iv.html
  12. http://quevidaesta2010.blogspot.com.es/2015/01/las-matematicas-de-la-vida-v.html
Autor: Samuel Graván

27 comentarios:

Carlos Remis dijo...

Impresionante cómo logras aumentar el nivel del blog constantemente.
Supongo que demuestras la teoría con ese derroche de trabajo.
Brutal la entrada y gracias por la explicación.

Pitiklinov dijo...

Bueno, en este caso el mérito es de Samuel y hay que darle las gracias por acercarnos las ideas de England

idea21 dijo...

El tema es muy interesante y el resumen que ha hecho Pitiklinov es sin duda impresionante, pero creo que esto...

"debemos perder toda esperanza de que la especie humana haga un uso razonable de la energía y de los recursos naturales: simplemente no podemos. No podemos dejar de crecer en número, y no podemos dejar de acaparar y utilizar toda la energía que caiga en nuestras manos: es nuestro sino, nuestra naturaleza y nuestro ser."

... es una exageración injustificada. El uso de la energía, ciertamente aumentará, pero la tecnología será la que diga si la energía futura implicará o no un "uso razonable" de los recursos. Recordemos que ciertas culturas han restringido su población o el uso de sus recursos para adaptarlos a su forma de vida. Y que los físicos especulan con la aparición de energías "limpias y abundantes" en el futuro (la energía de fusión).

En cualquier caso, será la evolución cultural la que determine qué hacer con la tendencia a consumir más energía actual. Ahora vivimos en el capitalismo, la economía del mercado y el consumo que exige un incremento constante del PIB. Bueno, ya veremos cuál es el sistema económico que demanda la evolución cultural dentro de un para de siglos...

Samu dijo...

idea21:

Si la propuesta del equipo de Jeremy England se confirma, eso implicará, automáticamente, una subordinación (por ley) de la cultura humana (y del resto de nuestra conducta), hacia el único objetivo de conseguir realizar el mayor consumo de energía posible en cada momento y circunstancias particulares.

Precisamente de eso trata todo el artículo; de que todo fenómeno complejo debe obedecer una concreta ley física que le obliga a disipar todo el calor posible hacia el entorno. Cualquier fenómeno que no consiga mantener esta estrecha relación entre complejidad y eficiencia disipativa está inevitablemente condenado a desaparecer.

La conducta humana es sin duda un fenómeno muy, muy complejo, por lo que la cantidad de consumo energético debe ser, y siempre será, proporcional a tal complejidad; ya que, de otro modo, no sería posible su existencia práctica en el mundo.

La ilusión del libre albedrío está muy arraigada en el sentido común; y comprendo que es algo difícil de rechazar, pero si las ideas de Jeremy son correctas, no habría cabida para ninguna libertad de acción (en el sentido clásico): todo fenómeno del mundo seguiría una tendencia insoslayable hacia el mayor consumo energético posible.

Un saludo.

Samu dijo...

Cuando digo: " todo fenómeno del mundo seguiría una tendencia insoslayable hacia el mayor consumo energético posible.", me refiero a todo fenómeno complejo.

Antonio dijo...

Extraordinario artículo, enhorabuena y gracias por haberlo desarrollado de una manera tan didáctica y comprensible (dentro de lo que cabe y teniendo en cuenta la complejidad del tema).

Sinceramente no estoy seguro de haberlo comprendido todo en su profundidad, pero lo que menos claro me queda es la relación de la investigación con el "libre albedrío".

Admitiendo que efectivamente todo ser vivo posee la tendencia a efectuar el mayor consumo energético posible...¿no sería posible que este consumo energético máximo pudiera efectuarse de diversas maneras, dejando por tanto al ser vivo cierto grado de elección en como hacerlo?

Es que se me hace difícil admitir que cualquier manifestación humana (componer una sinfonía, escribir un poema, ayudar a un congénere) pueda explicarse exclusivamente en términos de consumo de energía.

O tal vez se me escapa algo, como decía al principio.

Samu dijo...

Gracias por tus palabras, Antonio.

Respecto a lo del libre albedrío; se hace referencia al concepto de libre albedrio clasico (el cual dice que el ser humano nace con la cualidad de poder decidir libre e incondicionalmente todos sus actos). Sin duda existe un buen grado de libertad en la conducta humana, pero si la teoria en estudio es cierta, es necesario que esa libertad parcial se enfoque hacia esta tendencia subyacente a consumir energia.

Un saludo, amigo.

idea21 dijo...

Ahora me acuerdo de haber leído en este libro... http://unpocodesabiduria21.blogspot.com.es/2014/04/por-que-fracasan-los-paises-2012.html

...este dato sobre la producción industrial a lo largo de la historia...

"a partir de alrededor del año 500 a. C. se había producido un aumento claro en los contaminantes atmosféricos. Las cantidades atmosféricas de plomo, plata y cobre aumentaron de forma constante y alcanzaron un punto máximo en el siglo I d. C. Cabe destacar que esta cantidad de plomo atmosférico solamente se vuelve a dar en el siglo XIII. Estos descubrimientos muestran lo intensa que fue la minería romana en comparación con lo que hubo antes y después."

Eso quiere decir que durante más de mil años se mantuvo una disminución en el consumo de energía por parte de la comunidad humana. Los datos se han obtenido mediante un instrumento de lo más ingenioso

http://es.wikipedia.org/wiki/Proyecto_de_muestras_de_hielo_del_norte_de_Groenlandia

Samu dijo...

idea21:

Dejando a un lado la muy, muy dudosa validez en la deducción que haces, sobre el hecho de que una disminución del uso de sólo 3 recursos concretos, implica necesariamente una disminución del total de energía consumida por todos los recursos disponibles en cierta época. Es que eso, aún dándolo por válido (y en mi opinión es una falacia), tampoco refuta en nada la teoría.

La teoría habla de una tendencia a conseguir la máxima eficiencia posible en cada momento determinado. No es necesario un aumento constante de consumo, simplemente es necesario que sea el mayor consumo posible según las circunstancias.

En un futuro muy cercano, el "peak oil" acarreará un reajuste en nuestro consumo y crecimiento, pero la cuestión es que seguiremos utilizando toda la energía que esté a nuestro alcance vorazmente; porque, sencillamente, no podemos actuar de otra forma.

Un saludo, amigo.

Enric Rodríguez dijo...

Samu,

Hace una interpretación del trabajo de J. England un tanto sesgada, desde mi opinión. Tal vez no le interpreto bien, pero me da la sensación de que para usted la vida es, no un sistema físico que disipa energía (lo cual hace décadas que ya sabemos), sino que es SÓLO eso, y creer que ese SÓLO es lo que empieza a quedar refrendado con los trabajos de J. England (¿¿??).

La dinámica de un sistema físico no es del modo que es “PARA” que así ocurra esto o lo otro, no tiene mucho sentido físico decir eso (sí biológico, social…). Decir que toda la vida, como sistema físico, ha surgido PARA algo; como por ejemplo: “para” disipar más energía: decir eso sería poco acorde con lo que requiere la física, y no creo que usted diga eso, por eso creo que es una sensación que tengo y que seguro me desmentirá.

Un sistema vivo disipa energía porque así queda descrito por la leyes físicas que lo describen (termodinámica fuera del equilibrio y de la física estadística, por ejemplo), pero no lo hace “para” disipar más energía. La disipación de energía es “una consecuencia de la física”, no un “fin” de la misma. Más concretamente, es una consecuencia en el sentido de que dadas ciertas condiciones hay caminos dinámicos de un sistema que son más probables que otros (mírelo si quiere en el espacio de los microestados de la colectividad estadística que se requiera).

En el fondo England sólo dice que bajo ciertas condiciones, es más probable que un sistema se autoreplique que qué no lo haga. Usted no para de decir por ejemplo, y eso me parece una extrapolación con poco sentido desde mi punto de vista; que un sistema vivo hace esto o lo otro (por ejemplo las conductas) porque así disipa más energía. Pero no es para disipar más energía que se disipa más energía en las conductas sino que se hace porque todo sistema que sea negaentrópico, y la vida lo es, sólo puede hacerlo de esa manera, por la pura necesidad que se requiere desde el segundo principio de la termodinámica.

sigo...

Enric Rodríguez dijo...

...sigo

Que la vida “siga” el segundo principio de la termodinámica, no significa que su existencia se explique por éste segundo principio. Lo que Jeremy hace, o intenta hacer, titulares reclamativos al margen, es explicar que la vida tal vez sólo pueda funcionar en virtud de su capacidad autoreplicativa, y que esa capacidad permite la negaentropia necesaria: Es el modo tal vez necesario para poder ser vida (y no materia inerte), es una “genial inspiración” relacionar la autoreplicación con la negaentrópia, pero eso no significa que la vida sea exclusivamente eso. Como creo que el propio England establece, con ello tal vez consigamos que la teoría de la evolución quede ENCUADRADA dentro de las descripciónes propias de la física. Pero Encuadrada no significa REDUCIDA a mera física, significa que sigue “el río” propio que permite la física, no va contracorriente, pero seguir ese río, no significa ser el río.

Usted habla de necesaria complejidad, o la de “átomos en proporciones adecuadas”, o la necesidad de tiempo cuasi infinito, para que se den las condiciones propias para la formación de estas “islas negaentrópicas”o “sistemas disipativos”, propios de la vida. Si hacemos hincapié en esa complejidad, en la necesidad de esa proporciones de átomos adecuados, en la distancia al sol adecuada, en la existencia de fuentes térmicas adecuadas, en el tiempo necesario relativo a la edad del universo adecuado, para que se produzcan esas “islas disipativas”… es decir, si hacemos hincapié en que hay más elementos físicos y existentes que están involucrados para explicar cómo la materia inerte se hace vida; vemos que hay más realidad física que se requiere para explicar la vida, que el simple hecho de mostrar que si hay vida esta es necesariamente un sistema disipativo que seguramente requiera “la capacidad” de autoreplicación.

Esa capacidad de autoreplicación se requiere a cierto nivel si queremos que la materia se autoorganice en forma de vida, pero esa capacidad no la construye el segundo principio de la termodinámica, sino las condiciones materiales y energéticas adecuadas que así lo permiten. La complejidad requiere “disipar energía”, pero no es sólo eso. Eso no es ya la explicación de la complejidad, ni mucho menos, eso no es ya la explicación de qué es la vida. Para poder hacerse complejo un sistema se requiere inevitablemente disipar energía y comer “energía baja entrópicamente”, pero esa complejidad no es ocasionada por eso, sino gracias a todos aquellos factores físicos y relacionales que lo permiten. Hay otros sentidos diferentes (otras relaciones físicas) que el mero e inevitable “disipar más energía”. La vida no se explica exclusivamente como mero disipar energía, sino por muchos otros factores, creo yo, la mayoría aún desconocidos por la ciencia.

Un saludo.

idea21 dijo...

"La teoría habla de una tendencia a conseguir la máxima eficiencia posible en cada momento determinado. No es necesario un aumento constante de consumo, simplemente es necesario que sea el mayor consumo posible según las circunstancias."

Bueno, pero esto no es lo mismo que lo que se afirmaba en el artículo.

"debemos perder toda esperanza de que la especie humana haga un uso razonable de la energía y de los recursos naturales: simplemente no podemos"

"El mayor consumo posible según las circunstancias" implica, me parece a mí, también la circunstancia de que el uso de la energía y los recursos naturales puedan a llegar a ser "no razonables". Es decir, cambios en el modelo de producción que tengan en cuenta "las circunstancias".

En cuanto a si es falaz el indicador de la contaminación atmosférica por metales derivados de la industria en cuanto al consumo de energía... en base a lo que sabemos de los modos de consumo de energía en la época histórica me parece que se trata de un indicador razonable... sobre todo porque no hay ningún dato en contra, solo una serie de conclusiones que se sacan de una teoría no demostrada,y eso sí es falaz.

"se ha producido un aumento constante en la cantidad de energía utilizada por persona y día."

Como yo soy partidario de la tecnología, yo también pienso que el aumento de consumo de energía por parte de la humanidad seguirá incrementándose... pero existen tendencias culturales contrarias (es razonable incluso especular con que la humanidad llegue a autoextinguirse voluntariamente... ¿para qué tener hijos?)... y el futuro de la humanidad depende de estos factores culturales que no tienen equivalente en el reino animal.

Masgüel dijo...

En general, una entrada muy interesante. Algunas objeciones:

El ADN no se autorreplica. Necesita una célula para hacerlo y sus predecesores moleculares probablemente también cumplieron su función porque formaban parte de conjuntos autocatíticos. La teoría metabólica del origen celular parece más acorde con esta forma de entender la vida como fenómeno termodinámico.

"Dada la aparición espontánea de los animales cuando la oportunidad fue la adecuada, y puesto que este suceso suponía un gran aumento en el calor disipado medio, la aparición de la conducta fue también un acto igualmente espontáneo y automático, totalmente determinado por esa misma tendencia física que consiste en aumentar la energía media utilizada para generar calor mediante la realización de trabajo, y para disminuir, en lo posible, las fluctuaciones en el calor disipado."

Clarifiquemos conceptos. Que la aparición espontánea de estructuras complejas como los animales esté determinada por una tendencia natural hacia la eficiencia en la disipación de calor no determina las estructras concretas que realizarán esa labor. Que su aparición sea espontánea no implica que sea "mecánica" o "automática", si con tales términos se quiere dar a entender una determinación de cada estructura concreta y sus propiedades por las de sus partes constituyentes. La única propiedad macroscópica que estará determinada será esa eficiencia disipativa. Cómo lo haga, las características del trabajo que realiza dicha tarea, seguirá siendo un resultado contingente de las circunstancias históricas de su aparición y del azar.

"Y no hay más explicación. Cualquier otra finalidad, o supuesto objetivo, en la conducta, no es más que una abstracción ideada por la mente humana. Realmente no existe eso que identificamos por especie, ni por individuo: todo lo que hay, son trillones de diferentes partículas interactuando dentro de un sistema físico lejos del equilibrio térmico, y dirigido por una fuente de energía externa continua."

Eso es fisicalismo eliminativista. La reducción no elimina lo reducido. Las trillones de partículas no son menos abstracciones ideadas por la mente humana que las especies, los individuos y sus finalidades. Es arbitrario conceder peso ontológico a las partes y no al complejo. Que el complejo obedezca las leyes de la física no implica que la física pueda ofrecer una explicación del fenómeno. Para eso hemos desarrollado disciplinas científicas que estudian fenómenos locales como los seres vivos.

"La teoría matemática de Jeremy England explica cada uno de los fenómenos macroscópicos acontecidos en tales sistemas, y podemos comprobar que todas esas cualidades que definimos como pertenecientes a la vida, han ocurrido simplemente gracias a una tendencia natural que permite la aparición de estructuras de gran complejidad estructural a expensas de generar una enorme cantidad de calor en el proceso. Y nada más."

Mucho más. Lo que hay de más un día, que no había el día anterior, lo que hay de nuevo cuando aparece, son las estructuas complejas mismas y la manera en que funcionan como condiciones de posibilidad para los estados posteriores de su evolución. La teoría de England no explica cada uno de los fenómenos macroscópicos acontecidos en tales sistemas. Proporciona el marco general que han de satisfacer.

La objeción de Gould sigue en pie. En un sistema solar idéntico al nuestro hasta la última molécula también habrá una tendencia natural a producir estructuras disipativas crecientemente eficaces y complejas, pero su evolución seguirá siendo divergente e impredecible. No producirá una biosfera como la terrestre y el vector de la complejidad creciente no sería el ser humano, sino el "vete a saber".

sigo

Masgüel dijo...

"Sí la teoría es correcta, es en la práctica imposible que se observe ningún fenómeno macroscópico en el mundo, cuya complejidad no se vea respaldada por una mayor eficiencia consumiendo energía."

Eso no se sigue. En la práctica lo que ocurrirá es que aparezcerán multitud de estructuras más o menos adaptativas con predominancia y paulatina sustitución de unas por otras.

"de esta forma, se está condicionando indudablemente lo que el hombre puede o no puede hacer: puede hacer todo aquello que favorezca la disipación, y no puede hacer aquello que vaya en contra de esta tendencia. Sólo hay una libertad muy parcial y relativa, que simplemente permite elegir, de entre varias alternativas, aquella que se prevé que otorgará mejores resultados disipativos en el futuro."

Puede hacer todo lo que se le ocurra para evitar la disipación y perecer en el esfuerzo. Y si también hay libertad para la elección y creación de alternativas para una disipación eficaz, ya tienes toda la que hace falta.

"De este modo, debemos perder toda esperanza de que la especie humana haga un uso razonable de la energía y de los recursos naturales: simplemente no podemos."

Depende de lo que entiendas por "razonable". Podemos seguir aumentando nuestro consumo de energía y otros recursos naturales de forma sostenible desarrollando nuevas fuentes de energía, nuevos materiales, etc. Uso razonable no es dejar de usar o usar menos.

"No podemos dejar de crecer en número"

Eso tampoco se sigue. Podemos disminuir la población, podemos desarrollar conductas poco adaptativas y podemos extinguirnos. De la teoría solo se sigue que la biosfera encotrará otros caminos evolutivos para disipar calor. A medida que avanza la entrada, pronuncias más afirmaciones maximalistas sobre premisas insuficientes.

Masgüel dijo...

P.D. Disculpa Pitiklinov. Dado que firmas la entrada te adjudiqué su autoría. Si es con Samu, no me interesa seguir discutiendo. Aquí me bajo.

Enric Rodríguez dijo...

Masgüel,

Lástima que se baje. Es siempre instructivo ir en su mismo tren. ;)

saludos

Pitiklinov dijo...

Masgüel,
el autor es Samuel. Lo he vuelto a poner al final para que quede más claro porque al publicarlo yo en el blog sale mi nombre.
Me parecen muy oportunas las objeciones que planteas y vamos a ver lo que te contesta Samu.
Estoy de acuerdo con Enric en que es una pena que te bajes porque siempre es interesante leerte.
Un saludo

Masgüel dijo...

Gracias a los dos, pero aunque no atine con las conclusiones, aquí todo el mérito es de Samu, que es el que se ha currado la entrada. Además, publiqué mi comentario antes de leer el resto y no hago más que repetir a Eric y a Idea21.

Este enfoque no es nuevo. Arranca con Prigogine y llega hasta Deacon, del que escuchos ecos constantes en la teoría de England. Por aquí ya hemos pasado.
http://ilevolucionista.blogspot.com.es/2013/12/evolucion-cosmica.html

Yo diría que lo que proporciona England es justo lo contrario a lo que cree Samu. No es una refutación del emergentismo, sino su andamiaje matemático.

Samu dijo...

El equipo deduce una simple fórmula matemática, de la que se desprende que la probabilidad de un fenómeno macroscópico complejo está relacionada íntimamente con la cantidad de calor que disipa.

Y si, como argumentáis, un fenómeno muy complejo (ya existente), empieza, por el motivo que sea, a consumir menos (realizar menos trabajo, y disipar menos calor); la teoría nos dice que: o su complejidad evoluciona a la baja, o sencillamente, la probabilidad de que dicho fenómeno siga aconteciendo tiende a disminuir en el tiempo (y en proporción a la menor cantidad de disipación propuesta).

La conducta, como el resto de nuestro ser, es el resultado de un aumento continuo de complejidad; y la física requiere que esa complejidad se relacione estrechamente, y en proporción, con un continuo aumento de consumo energético: y en estas condiciones, es imposible que aparezca una verdadera libertad.

Y no hay libertad, porque, como hemos visto, no es físicamente posible que un fenómeno complejo actúe en contra del consumo energético. Mantener la complejidad, requiere mantener el consumo; aumentar la complejidad, requiere aumentar el consumo, y disminuir el consumo, requiere disminuir la complejidad (o desaparecer, al disminuir la probabilidad de observar el fenómeno). Esa tendencia, dicta nuestros actos, como dicta el modo en que los fenómenos complejos pueden o no existir.

Y es que, además, es de lógica. Pensad un momento que pasa cuando uno intenta disminuir el consumo energético:

A nivel corporal: desnutrición y mal funcionamiento. Conforme disminuye la cantidad de alimentos, agua y oxígeno que consumimos, por debajo de cierto umbral, el cuerpo como fenómeno complejo deja de ser viable; terminando, en casos extremos (por ejemplo ante la falta total de oxígeno que consumir) en la desintegración corporal. No hay libertad en este caso, para consumir menos de lo necesario para mantener nuestra complejidad estructural.

A nivel social: si el consumo disminuye mucho también lo hace la producción: sin energía no hay trabajo ni productos que consumir o utilizar. Sin recursos, la sociedad debe disminuir en número y en complejidad: Ya no es posible hacer todo lo que antes se hacía. Si se disminuye el consumo más allá de cierto umbral, y durante el tiempo adecuado, las matemáticas apoyan lo que el sentido común dicta: la sociedad iría obligatoriamente simplificándose, hasta llegar a una nueva edad media (guión de la mayoría de las pelis de desastres naturales). No hay libertad social para consumir menos de lo necesario para mantener la complejidad estructural social

sigo...

Samu dijo...


Esto son dos ejemplos; pero se puede universalizar fácilmente: No hay libertad para que un fenómeno macroscópico complejo, consuma y disipe menos calor del necesario para mantener su complejidad. Es una tendencia insoslayable de la que todos formamos parte en nuestro ser.

Y antes de que alguien salte: recordar que cuando se habla de determinismo en este asunto, es al modo en que se hace desde la teoría de Jeremy; la cual permite ciertas fluctuaciones locales. Pueden ocurrir fluctuaciones muy locales y en baja proporción dentro de un fenómeno (siempre que la desviación típica que implique esa fluctuación no afecte demasiado al tercer término). Un ejemplo de este tipo de fluctuación sería el suicidio: es algo admisible, siempre y cuando se de en una proporción lo suficientemente baja como para que no influya demasiado en la media del consumo (a partir de cierto umbral, el aumento en la fluctuación hacen que la viabilidad del fenómeno baje: para más detalles, estudiar a fondo el trabajo de Jeremy en este punto concreto). De hecho, es muy posible que el grado de libertad que el hombre posee para actuar, esté acotado precisamente por este umbral en el potencial de fluctuaciones (habría una especie de ajuste espontáneo entre el grado de libertad permitido, el potencial para fluctuar asociado, y la mejora que supondría esa libertad parcial para conseguir mejorar la eficiencia disipativa).

En fin, que nos puede gustar más, o nos puede gustar menos; pero si la teoría de Jeremy England es cierta, habría una tendencia física de obligado cumplimiento para todo fenómeno macroscópico complejo; incluida nuestra conducta.

Ya con esto no sé qué más decir, y creo que no añadiré nada más; porque realmente, cuando existen prejuicios hacia una persona, poco de lo que esta persona diga va a significar mucho.

Un saludo, amigos.

Enric Rodríguez dijo...

Samu,

· "En fin, que nos puede gustar más, o nos puede gustar menos; pero si la teoría de Jeremy England es cierta, habría una tendencia física de obligado cumplimiento para todo fenómeno macroscópico complejo; incluida nuestra conducta.

·
Lo que usted extrapola de la teoria de Jeremy no es lo que dice la teoria de Jeremy.

·
Me da la sensación de que se pierde en las matemáticas y la termodinámica estadística que Jeremy utiliza, y que no entiende bien lo que expresa, pero eso es un prejuicio mío, no me haga mucho caso.

·
Lo que usted extrapola (con una mala comprensión desde mi punto de vista de lo que establece Jeremy) lo puede seguir manteniendo (un fisicalismo a ultranza) al margen de si la teoria de Jeremy se confirma o no. Si se confirma lo puede seguir manteniendo, si no se confirma también. Y es que lo que usted cree que se deriva de la teoria de Jeremy no es nada diferente a lo que hace decadas ya sabemos, solo lo articula matematicamente relacionandolo con l autoreplicación (Que no es poco !!). Lo que establece England se encuadra dentro de como surge los patrones autoorganizados, dentro de los sitemas disipativos, y la termodinamica sociada a loa procesos irreversibles fuera del equilibrio, a, procesos irreversiblles fuera del equilibrio, y que muchos articulamos como una muestra de validez de las teorías emergentistas, justo lo contrario de su fisicalismo. Es decir, pienso lo mismo que decía Masgüel, que England se puede utilizar mejor para establecer la validez emergentista, que no su materialismo eliminativo.

En fin...

Un saludo.

Samu dijo...

Enric. Aunque lo diga usted con ironía, sí que habla desde el prejuicio (hacia mi persona, y hacia el tema que he tratado).

Yo no extrapolo nada de la teoría de Jeremy, me limito casi exclusivamente a traducir las palabras del propio autor en los diversos medios y formatos. A veces amplío sus explicaciones un poco, y otras, simplemente pongo ejemplos prácticos de lo que él dice. Si se molestase usted en estudiar el trabajo a fondo, se daría cuenta de lo poquísimo (casi nada) que he añadido yo por mi parte a la propuesta que hace Jeremy en su conjunto.

Con que por favor, no intente justificar sus disonancia cognitiva con errores de interpretación por mi parte: yo sólo digo lo que Jeremy y su teoría afirman. Si quiere usted negar la mayor, intente, si puede, negar la propia teoría física del autor.

Además, ya he dicho que no voy a entrar en más debates negacionistas; aunque quería aclarar esto.

Un abrazo, amigo.

Pitiklinov dijo...

Yo creo que Samu ha hecho un gran trabajo. Como señala Masgüel, la ideas de England no son totalmente nuevas. Si leéis esta entrada de Eric Chaisson, sobre la evolución cósmica coincide en lo esencial con England:
http://ilevolucionista.blogspot.com.es/2013/12/evolucion-cosmica.html
y hay otros autores en esa misma línea de contemplar la vida desde la Termodinámica.
En el fondo creo que se trata de un fenómeno que ya intuyó Darwin, dilucidar si la evolución biológica forma parte de un fenómeno físico más amplio y cada vez hay más consenso en ese sentido.
En lo que podemos diferir es en las consecuencias, especulaciones y valoraciones, como no podía ser menos.

Enric Rodríguez dijo...

Pitlikinov,

·En lo que podemos diferir es en las consecuencias, especulaciones y valoraciones, como no podía ser menos.

A eso me refiero. Pero para Samu pareciera que diferir en eso es ser negacionista de lo que dice England. Él hace valoraciones, extrae consecuencias y especula, pero si otro valora de modo diferente, o extrae otras consecuencias o especula de otro modo; según él, lo que hace es negar el trabajo de England. Es ser negacionista ¿¿¿???.

En fin...

Antes de Darwin hubo muchos que especularon con que la vida es pura física. Pero sobre la posible utilización de la termodinámica para definir los peculiares rasgos de la vida respecto a esa disciplina, creo yo, el pionero, es el creador de la mecanica cuántica ondulatoria, E. Schrödinger, y su exquisito librito ¿Que es la vida?(http://campus.usal.es/~licesio/Biofisica/QEV.pdf )
Es cierto que sólo especula y propone en ese librito, pero es de justicia afirmar que es él el que establece la necesaria relación que hay entre vida y termodinamica (sistemas negaentrópicos), y es eso en esencia sobre lo que está trabajando, concretizándolo y articulándolo matemáticamente, J. England.

Un saludo

Samu dijo...

Enric:

Cada vez tengo más dudas de que se haya leído el artículo. Se lo digo de verdad.

Justo a la mitad hay un apartado que se llama "El mérito del trabajo:". Lea usted lo que pone, por favor.

Un saludo.

Enric Rodríguez dijo...

Samu,

Soy consciente de que usted explicita que hay antecedentes a los trabajos de England, y que encuadra perfectamente en ellos tal trabajo. No era una crítica a su entrada, que dicho sea de paso me parece estupenda, y bien trabajada.
Otra cosa, como puede entrever es que yo no comparta las conclusiones que usted establece, esencialmente cuando dice "no hay nada más". O lo relaciona con las conductas, o con el determinismo causal físico. Usted dice que eso no son extrapolaciones, pero yo no veo en qué sentido no lo son, lo siento.

El comentario iba a Pitiklinov,que también hacía referencia a los antecedentes y los ámbitos científicos desde los que contextualizar el trabajo de England. Y en ese sentido quise recordar que Schrödinger, por lo que yo sé, es el primero en hablar de la relación entre termodinámica y vida, y que era justo mencionarlo. Sólo quise complementar lo dicho por Pitlikinov, sin ánimos de crítica alguna.

Pero repito, seguro que usted sabe mejor que yo cuáles son esos contextos y antecedentes, y estoy convencido que los tenía muy presentes como explícitamente se muestra en la misma entrada. No le objeto nada en ese sentido.
Disculpe el equívoco.

Un saludo.

Masgüel dijo...

Acabo de escuchar la conferencia de England que enlaza la entrada y, no es solo que su orientación sea emergentista. Es que lo menciona explícitamente en varias ocasiones. Si hace falta, señalo los momentos exactos en que lo hace, pero si lo escucháis vosotros (entero, no a partir de la marca), me ahorráis el trabajo.