Evolución Cósmica

El hidrógeno es un gas ligero, inodoro, que, dado un tiempo suficiente, se convierte en gente.

- Edward Robert Harrison

Eric Chaisson es astrofísico y profesor en Harvard y autor del libro Cosmic Evolution. Ha recibido múltiples premios y es miembro de la National Academy of Sciences. En Cosmic Evolution toma como referencia el mítico libro de Erwin Schrödinger, What is Life?, e investiga los principios y leyes físicas que pueden ser la base de la vida. Según Chaisson, todos los sistemas organizados que evolucionan, sean físicos, biológicos o culturales comparten una serie de similitudes y homologías, y, por ello, deberíamos ampliar nuestro pensamiento evolucionista tanto a los dominios prebiológicos como post-biológicos. Los científicos se están dando cuenta de que todos los objetos conocidos -desde átomos a galaxias, de células a cerebros, y de personas a sociedades- están relacionados entre sí.

Definida de forma sencilla, Evolución Cósmica quiere decir el estudio del cambio, del vasto número de cambios que se han acumulado desde el Big Bang hasta el ser humano. Miremos al telescopio o al microscopio la característica que más observamos en el Universo es el cambio: las cosas se van haciendo diferentes en forma, naturaleza o contenido. La evolución darwiniana o biológica sería una parte de un esquema evolucionista mucho más amplio, en el espacio y el tiempo, que no se limita a los seres vivos. Se trataría de que no veamos de forma diferente a la materia de la Tierra, o de nuestros cuerpos, de la de las estrellas o galaxias del espacio. El objetivo de Chaisson en su libro es buscar una ley unificadora que trascienda la selección darwiniana y que explique todos los procesos que crean orden y mantienen toda la estructura del Universo.

Hay que decir que el programa de  Chaisson no tiene nada de antropocéntrico en el sentido de considerarnos el fin y objetivo del Universo (rechaza de plano el principio antrópico, por ejemplo), busca definir cuál es el papel que juega la vida en el esquema general de las cosas. Lo que sí plantea, y esto se ha discutido hasta la saciedad, es que la complejidad ha aumentado a lo largo del tiempo, los sistemas han evolucionado (no siempre, pero sí en general) hacia una mayor diversidad y complejidad. De hecho, el objetivo del libro es buscar una explicación para el aumento de orden, estructura, información y organización que se observa en el Universo a lo largo del tiempo. Es una visión contradictoria porque es a la vez reduccionista y holista. 

Chaisson no se rompe la cabeza definiendo complejidad y acepta la utilización del lenguaje normal y la identifica en el libro por dos aspectos: la cantidad de información necesaria para describir la estructura y función de un sistema, y también por la medida de la tasa de energía que fluye a través de un sistema con una masa determinada. La aportación más importante de Chaisson en el libro es que cualifica y mide esa complejidad, como luego veremos.

Son muchos los autores que han intentado integrar la Física y la Química con la Biología y la Psicología y han intuido que tiene que haber alguna ley o principio general subyacente a todas ellas (un vínculo evolucionista en toda la Naturaleza), empezando por el propio Darwin. Darwin no trató el problema del origen de la vida en sus libros pero sí habla de ello en sus cuadernos y en sus cartas (ver el artículo al que enlazo). Harlow Shapley dice, por ejemplo: “Nada parece ser más importante filosóficamente que la revelación de que el impulso evolucionista, que ha barrido recientemente todo el campo de la biología, también incluye la evolución de las galaxias, las estrellas, los átomos y todas las cosas materiales”. Existe una tendencia al aumento de la complejidad con el tiempo, tanto en sistemas inanimados como animados.

La herramienta que utiliza Chaisson para explicar este aumento de complejidad es la ciencia de la Termodinámica, en concreto la Termodinámica del no-equilibrio. Analiza los cambios en el Universo desde su estado inicial de plasma y radiación a la posterior aparición de la materia, cambio fundamental para él. Se crean ahí unos gradientes de energía que dan lugar a las condiciones ambientales necesarias para el surgimiento de galaxias y estrellas. Y da mucha importancia a la expansión misma del Universo, que amplia esos gradientes, como condición necesaria (aunque tal vez no suficiente) para la aparición de estructuras ordenadas a todos los niveles.

En la Introducción, Chaisson explica las leyes de la termodinámica de una manera muy didáctica y clara porque son la base de su pensamiento. Coincide con muchos otros, por ejemplo con Dorion Sagan y Eric Schneider, autores del libro Termodinámica de la vida,  en la importancia de la segunda ley de la termodinámica (hay que decir que la obra de Chaisson es anterior,2001, a la de Sagan y Schneider, 2005). Como ejemplo de la centralidad y trascendencia de esta ley os copio este párrafo del astrónomo británico Arthur Eddington extraído de una de sus conferencias (lo citan tanto Chaisson como Sagan y Schneider):

“La ley de que la entropia siempre aumenta -la segunda ley de la Termodinámica- ocupa, yo creo, una posición suprema entre las leyes de la Naturaleza. Si alguien te señala que tu querida teoría acerca del Universo está en desacuerdo con las ecuaciones de Maxwell, entonces peor para las leyes de Maxwell. Si resulta que contradice las observaciones, bueno, pues los experimentadores a veces se confunden y mezclan las cosas. Pero si se encuentra que tu teoría va en contra de la Segunda Ley de la Termodinámica, no te puedo dar ninguna esperanza, a tu teoría no le queda otra que colapsar en la humillación más profunda”

El sentido detrás de la segunda ley de la termodinámica es que la Naturaleza tiene una tendencia inherente a eliminar desigualdades, a igualarlo todo, a un equilibrio (que para los seres vivos sería la muerte). Los seres vivos evitan esta tendencia y mantienen su estructura y su orden incorporando energía desde el ambiente porque son sistemas abiertos. La energía va del orden al desorden, nada en la naturaleza va espontáneamente a un estado más ordenado. Esta ley también dice que el tiempo va en una dirección (las leyes de Newton son independientes del tiempo), y en el darvinismo la historia pasada de un sistema contribuye a sus propiedades subsiguientes. Para muchos autores esta flecha del tiempo es consecuencia de la propia expansión del Universo.

Una idea interesante que se deduce de esta visión termodinámica de la vida es que todos los sistemas organizados, sean físicos, biológicos o culturales, tienden a optimizar (por unidad de volumen o masa) el flujo de energía que pasa a través de ellos. Aplicado esto a los organismos vivos veríamos que tienden a hacer el mejor uso posible de la energía, que existe una competencia entre ellos por la energía. Es decir, si un organismo es capaz de aprovechar la energía mejor que otro, y transformarla en más descendencia, lo desplazará. Creo que esta idea explica muy bien uno de los resultados del experimento de Richard Lenski cultivando bacterias durante generaciones en las mismas condiciones ambientales. Los investigadores monitorizaron  lo rápido que las bacterias se reproducían comparado con sus ancestros. A lo largo del experimento la adaptación mejoró en un 70%, lo cual significa que los descendendientes más recientes doblan la población 1,7 veces en el tiempo en que los originales la doblaban una sola vez. Este resultado creo que encaja muy bien con lo que estamos comentando.

Tabla 1

Para Chaisson el cambio más grande en la historia del Universo es la transformación de la radiación en materia. La radiación domina la primera gran era en la historia cósmica y es sólo a partir de los cambios en la radiación que emerge la materia. Ahora la observamos como esa radiación de fondo que es una reliquia, o un “fósil”, de la explosión primaria. En la tabla 1 tenemos las épocas en la historia del Universo. Las cuatro primeras, desde caos hasta nuclear, es la era de la radiación y las tres últimas la era de la materia. Tras una breve etapa inicial llamada caos aparece la época de los hadrones, partículas como protones, mesones y neutrones. Un microsegundo después del origen ya aparecen estas partículas (por el proceso de “pair production”) pero dadas las tremendas condiciones de presión y temperatura, colisionan, se autodestruyen , no interactúan entre ellas y desaparecen. Le sigue otra época de unas partículas diferentes, los leptones (electrones, neutrinos, muones). Antes de que pasara el primer segundo estos leptones se autoaniquilan también. Al de unos segundos del inicio de todas las cosas, quedan protones, neutrones, electrones y neutrinos y todas las partículas anteriores desaparecen (se pueden recrear actualmente en los aceleradores de partículas). Desde los primeros minutos hasta unos miles de años se van formando átomos (de Helio, de deuterio, tal vez de Litio, pero no de núcleos más pesados). Desde unos 10.000 años hasta un millón de años después del Big Bang es la época de los átomos en la que las partículas , debido a sus cargas electromagnéticas se estructuran en átomos. Luego viene la época de las galaxias que se formaron hace más de 10.000 millones de años, ya que las observaciones indican que no hay ninguna posterior a esa fecha. Y por último la época estelar, ahora sí se están formando nuevas estrellas a partir del polvo  y gas galáctico. El cambio de era de radiación a era de la materia se sitúa aproximadamente en los 10.000 años tras el Big Bang.

Al principio no hay gradientes de temperatura y la información es cero, todo era uniforme y aburrido. Pero al empezar la era de la materia ya aparecen dos temperaturas, una para la radiación y otra para la materia. La radiación es un gas en expansión compuesto fundamentalmente de fotones. Esta aparición de un gradiente de temperatura cósmico es el hecho esencial. El resultado es un gran flujo de energía entre dos campos y la disponibilidad de energía para realizar un trabajo. Y a lo largo de la era de la materia ese desequilibrio se ha acentuado por la expansión del Universo. Para Chaisson la expansión cósmica es el motor principal de la construcción  de una jerarquía de entidades complejas a través del Universo. Así el Universo autogenera un gradiente térmico que se incrementa con el tiempo. Debido a ello orden y desorden pueden aumentar en el Universo a la vez (pero en sitios diferentes) y empieza a aparecer orden en forma de galaxias, aunque los detalles de este paso no se conocen muy bien.

La aparición de la vida no entra en contradicción con estas fuerzas cósmica, es un paso más, aunque los detalles de su aparición (como la de las galaxias) no se conocen todavía. Autores como Boltzmann, Morowitz, o Lotka han enfatizado la importancia de este flujo de energía. Según Lotka, la selección natural operará para aumentar el flujo de energía a través del sistema y favorecerá a lo que mejor capten y aprovechen esa energía para la creación de descendencia. Mientras haya un margen de energía no utilizada la especie que mejor la aproveche sobrevivirá. Toda la vida depende de la absorción de los fotones solares, si se bloqueara su paso, la vida en el planeta desaparecería.

Tabla 2

Por último, Chaisson realiza un cálculo cuantitativo que muestra cómo existe una relación entre el aumento de la complejidad en el universo y el aumento de energía disponible. Chaisson utiliza una medida, la tasa de densidad de energía libre, pero no vamos a entrar en los complejos detalles de sus cálculos. En la tabla 2 podemos ver esas cifras y vemos cómo aumenta esa energía a lo largo de la historia cósmica. Lógicamente el flujo de energía es mayor en una galaxia que en un cerebro humano, porque es mucho más grande, pero la tasa específica, la tasa de densidad de energía libre, es mayor en el cerebro. La tasa de energía libre aumenta a la vez que lo hacen la complejidad y el orden. Este análisis sugiere que las galaxias dan lugar a ambientes propicios para el nacimiento de estrellas; algunas estrellas dan lugar a ambientes que favorecen la formación de planetas; y un número de planetas desconocido da lugar a ambientes listos para la emergencia de la vida.

Resumiendo, algunas de las ideas de Chaisson serían que el uso de la palabra evolución no debe ser privilegio exclusivo de la Biología, que la evolución biológica se puede estudiar como un proceso físico, que la expansión del Universo es el fenómeno que subyace al desarrollo de orden y complejidad y que los gradientes de temperatura han propiciado cambios ambientales que han ido favoreciendo la aparición de estructuras cada vez más complejas.

@pitiklinov

Referencias

Cosmic Evolution, página de Chaisson sobre la Evolución Cósmica con textos, animaciones y vídeos

Eric J Chaisson. Cosmic EvolutionThe rise of complexity in Nature. Harvard University Press 2001

Peretó J , Bada JL y Lazcano A. Charles Darwin and the origin of life. Orig Life Evol Biosph. 2009 October; 39(5): 395–406.

Eric D Schneider y Dorion Sagan. La Termodinámica de la vida. Tusquets 2008

Muy buen comentario del libro Cosmic Evolution en español en el blog Qué vida esta