Queridos amigos de taringa como les va, vengo a contarles un poco de que se trata metabolismo y energía,para los amantes de la biología, o para quienes lo tienen que cursar e aquí[/cor]
La vida depende del flujo de energía procedente de las reacciones termonucleares que tienen lugar en el núcleo del sol, una célula puede entenderse como un complejo de sistemas especializados en transformar energía. Una pequeña fracción - menos del 1 por ciento- de la energía del sol que llega a la tierra se transforma, por medio de una serie de procesos que ocurren en las células de las plantas y otros organismos fotosinteticos, en la energía que impulsa todos los procesos vitales. Los sistemas vivos transforman la energía radiante del sol,en distintos tipos de energía, entre ellas química y mecánica que a su vez son utilizadas por todo ser vivo. Este flujo de energía es la esencia de la vida.
En los organismos vivos, las funciones vitales se llevan a cabo a través de mecanismos que involucran millares de reacciones químicas. Estos mecanismos, reciben el nombre de METABOLISMO..
Clases de energía y transformaciones energéticas
A que nos referimos exactamente cuando hablamos de energía? Dado que la energía no es tangible, su definición exacta es difícil de establecer, su denominación proviene del griego: "en", dentro y ergon, acción, trabajo.
La energía se manifiesta en nuestro ámbito físico de diferentes formas: energía eléctrica, energía radiante, energía química, energía nuclear, etc. A pesar de que ante nuestros sentidos estos tipos de energía se presentan de manera muy diferente, estas formas energéticas pueden ser interconvertidas casi en restricciones; solo se requiere un medio o dispositivo adecuado para producir esta conversión
La energia electrica- asociada con la electricidad- puede convertirse en energia luminica- asociada con la luz y en calor cuando la corriente electrica fluye por el filamento de tungsteno de una lampara, en este caso el filamento de la lampara es el dispositivo fisico que vincula las diferentes formas de energia.
En un motor, la energia quimica almacenada en un combustible se transforma en calor (energia cinetica-de movimiento de las moleculas de los gases), que luego se convierte parcialmente en los movimientos mecanicos- es decir, trabajo mecanico- de las partes del motor
Hasta ahí vamos, ahora bien, dentro de las células de los organismos vivos puede ocurrir gran parte de los tipos de transformaciones energéticas que se observan en el mundo físico. en estos casos los dispositivos que permiten las transformaciones entre los distintos tipos de energía suelen ser en su mayoría proteínas. Proteínas especiales de las células musculares son capaces de convertir la energía química almacenada en los enlaces químicos de ciertas moléculas de movimiento mecánico.
Las luciérnagas tienen células especializadas en las que la energía química por medio de ciertas proteínas se convierte en energía lumínica, este fenómeno se lo denomina bioluminiscencia
El 15 de mayo de 1879, el buque de guerra Vulture navegaba por el golfo pérsico cuando su tripulación avisto unas "enormes ruedas giratorias" que emitían pulsaciones luminosas. Se pensó en la presencia de seres extraterrestres. Sin embargo, mas tarde se supo que el responsable es un organismo unicelular, el Dinoflagelado Gonyaulax Polyhedra. Estos organismos tienen propiedades bioluminiscentes, por lo que también se los denomina "linternas vivientes" del mar
Por otro lado el fenómeno de la visión esta ligado a la conversión de energía lumínica en eléctrica; así, en la retina, las células fotorreceptoras (conos y bastones) son capaces de sintetizar fotopigmentos, moléculas sensibles a la energía luminosa, que la transforman en un impulso bioelectrico. En las celulas vegetales, ciertos fotopigmentos convierten la energía lumínica en energía química, que sera utilizada para la biosintesis de azucares a partir de dióxido de carbono
Principio de la conservación de la energía: 1ra ley de la termodinámica
Se suele pensar que la tecnología deriva del complejo proceso de la creación científica. Si bien esto es cierto en una innumerable cantidad de ejemplos, no se aplica a la historia de la termodinámica. Ya circulaban trenes a vapor cuando aun se comprendía muy poco sobre cuales eran los principios que gobernaban aquellas transformaciones energéticas. Fueron los trabajos del físico ingles James Joule (1818-1889), realizados en Gran Bretaña y publicados en 1850 los que llevaron a conocer inequivocamente la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor. Los experimentos realizados por Joule permitieron concluir que cuando a un sistema aislado de su exterior, es decir, que no intercambia materia y energía con el ambiente, se le suministra trabajo mecánico
, sin importar en la forma en que se haga, se obtiene una cantidad equivalente de energía térmica.
Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico de calor. Las pesas se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro, La cuerda pasa por dos poleas. La altura de las pesas sobre el suelo es conocida y la temperatura del agua se controla mediante el termómetro. Las pesas, al caer, hacen girar las aspas. Este movimiento produce un aumento de la energía cinética del agua lo cual se produce un cambio de temperatura registrado por el termómetro
A diferencia del aparato diseñado por Joule, los sistemas biológicos son abiertos, es decir que pueden intercambiar libremente materia y energía con su entorno. Aun así, en los sistemas abiertos el principio de conservación de la energía continua cumpliéndose. La diferencia radica en donde se establecen los limites del sistema en estudio. En un organismo vivo, la energía perdida o disipada por éste es igual a la ganada por su entorno (ambiente) y viceversa.
Sin embargo el principio de la termodinámica se refiere a la conservación de una forma total de energía y no aclara que, cada vez que se realiza un proceso, parte de la energía involucrada se transforma en energía "útil" en energía que no puede ser aprovechada de nuevo. Esta observación incontrovertible modificó ka escena del pensamiento en aquellos científicos que estaban estudiando los balances energéticos en las maquinas térmicas. Una forma de energía, el calor, no era completamente transformable en otras formas de energía, esto es el resultado de un hecho de validez universal en la naturaleza: El trabajo puede transformarse en calor sin restricciones, pero el calor no puede transformarse en trabajo sin restricciones
En rigor, cada vez que se utilice cualquier tipo de energía para conducir un proceso, de manera inevitable parte de ella se perderá como calor. Este hecho generó la aparición de nuevos conceptos, como el de "eficiencia" en la transferencia de la energía. La eficiencia depende del dispositivo que vincule los diferentes tipos de energía. Las viejas locomotoras de vapor tenían eficiencias de menos del 10 por ciento; en los motores se utilizan combustibles fósiles, la eficiencia real es del 50 por ciento, y en las celdas solares, la eficiencia es del 30 por ciento
La primera ley de la termodinámica y los organismos vivos
Los organismos vivos están mas dotados de dispositivos mas eficientes que las maquinas para convertir energía. Por ejemplo, los organismos bioluminiscentes producen una luz verdosa y "fria" que no produce calor alguno. La notable eficiencia energética de este mecanismo ( cercana al 100 por ciento) sigue siendo un misterio para los investigadores. Los organismos fotosinteticos poseen moléculas de pigmento, las antenas mas eficientes para atrapar la luz.
La utilizacion de la energia de la dieta en los mamiferos ha sido objeto de investigación durante un gran período que va desde la época de Leonardo da Vinci (1452-1519) hasta la del químico francés Antoine- Laurent Lavoisier (1743-1794). La idea y estudios pioneros generados por estos investigadores y algunos otros han llevado a pensar que, desde el punto de vista químico, el metabolismo celular guarda algunas semejanzas con el proceso de combustión, proceso rápido en el que generalmente un compuesto que contiene carbono se oxida, liberándose dióxido de carbono, agua y calor si ocurre en forma completa . Sin embargo los seres vivos oxidan carbohidratos , convierten en forma controlada la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía según una reacción global:
Según la primera ley de la termodinámica, la suma de la energía de los productos mas la energía liberada durante la reacción es igual a la energía inicial contenida en las sustancias que reaccionan.Es importante comprender que esta ecuación representa el cambio químico global producido en la degradación de la glucosa. Sin embargo, en los organismos vivos hay una gran cantidad de pasos intermedios que aumentan la eficiencia con que una gran parte de la energía contenida en los enlaces químicos de una glucosa puede ser convertida en energía aprovechable o energía útil
Una consecuencia directa del cumplimiento del principio de conservación de la energía es que, independientemente de cual sea la cantidad de pasos involucrados para llegar desde glucosa y oxigeno a dióxido de carbono y agua, la energía liberada por el proceso sera siempre la misma.
Entonces en la oxidación de la glucosa, la energía liberada esta compuesta por una fracción de energía útil. Pero otra parte se disipa como calor.
Así, la energía total liberada se compone de: .
Cada vez que se emplea una cantidad de energía, entonces, inevitablemente una fracción de ella se disipa como calor.Pero la energía total del universo es siempre la misma y dado que la energía no se crea ni se destruye, resulta claro que el calor va a en constante aumento, en detrimento de otras formas de energía
Al analizar los procesos que ocurren en la naturaleza, nuestra experiencia nos muestra que gran parte de ellos ocurren en forma espontanea y siempre en una dirección , nunca en la inversa. Una roca solo rodará cuesta abajo, el calor solo fluirá de un objeto caliente a uno frío, una pelota que se dejó caer rebotará pero nunca llegará a hasta la misma altura desde la que cayó. Para que ocurran procesos que transforman energía es necesario que existan desniveles o gradientes que, son la fuente de las fuerzas que conducen procesos con transformaciones energéticas asociadas. Estos procesos tienden a homogeneizar el sistema, disipando los gradientes hasta alcanzar un estado de equilibrio. La segunda ley de la termodinámica establece la noción de que existe una dirección hacia la cual cualquier sistema que este fuera del equilibrio tiende a desplazarse. Al hacerlo se disipa energía. Cuando toda la energía útil se haya disipado, en el sistema no podrán ocurrir más procesos.
En términos energéticos, podemos pensar en los desequilibrios y heterogeneidades como almacenamiento de energía útil que permitan que se lleven a cabo los procesos. Como mencionamos, la cantidad de energía útil sera igual a la energía puesta en juego durante el proceso, menos cierta cantidad de energía que inevitablemente se disipará:
En la década de 1950, el físico alemán Rudolf Clausius (1822-1888) formalizó esta ecuación al estudiar el importante papel de esa energía inevitablemente disipada. Expresó esta fracción energética como el producto de la temperatura (T) por un factor al que llamó "Entropia" ( del griego tropos, que significa cambio, transformación ) y lo simbolizó con la letra S.
Supongamos que tenemos una baraja de naipes: una mitad se utiliza para construir un castillo
(sistema 1)
y la otra mitad se deja desordenada al lado del castillo
(Sistema 2)
Tenemos así dos sistemas construidos por el mismo tipo y el numero de componentes pero que tienen dos configuraciones o estados diferentes. Si los abandonamos a su suerte, es fácil suponer que después de transcurrido cierto tiempo, la probabilidad de encontrarlos en sus configuraciones iniciales será mucho menor para el primer sistema que para el segundo. La condición de equilibrio es el estado más probable de un sistema. Por ejemplo, desde el punto de vista de la energía gravitacional de sus componentes, el estado de configuración del castillo es mas ordenado, menos probable y menos uniforme. Cualquiera de los estados desordenados es más probable y más uniforme. Un sencillo experimento para demostrar esto consiste en arrojar los naipes al aire y verificar cuantas veces debemos repetir la experiencia para que un grupo de cartas quede dispuesto en la configuración del castillo. Sin duda, la formación que describa la estructura y utilizar energía para producir orden . Resulta claro que, librado a su suerte y sin un ingreso de energía constante invertido en mantener esta estructura ( castillo de naipes) , el sistema se derrumbará. Disipando la energía potencial gravitacional almacenada.
Durante esta transformación, el sistema disipa energía útil y la energía aumenta. En el estado final de equilibrio, las heterogeneidades iniciales desaparecen y el sistema se homogeneiza y pierde información. Así, el estado más probable es el de mayor desorden o bien de entropia.
En cualquier sistema aislado, los procesos no serán causados por agentes externos a él. Estos procesos internos, que serán considerados espontáneos, ocurren porque en el sistema hay heterogeneidades: si una porción o parte del sistema esta más caliente que el resto, esa porción se enfriará hasta que todo el sistema tenga una temperatura uniforme; si existen diferencias de cargas, se producirán corrientes eléctricas que las compensaran; si existen regiones donde el potencial químico es mayor, éste se disipará hasta homogeneizarse. Cuando todos estos procesos hayan compensado los desniveles o gradientes que los originaron, el sistema habrá alcanzado un equilibrio y toda la energía útil se habrá disipado. entonces la entropia del sistema habrá llegado a un máximo.
Algunos ejemplos gráficos mas de entropia
En síntesis: los dos principios fundamentales de la termodinámica formulados a principios de la segunda mitad del siglo XIX por Clausius, se enuncian como sigue:
Dado que el universo es un sistema completamente aislado:
Primera ley: La energía del universo es constante.
Segunda ley: la entropia del universo tiende a un máximo
Y para terminar.. Qué es la vida?: los sistemas biológicos y la segunda ley de la termodinámica
Podemos establecer una analogía entre el castillo de naipes y las estructuras vivientes. Los organismos vivos son estructuras complejas, en extremo ordenadas, claramente diferenciadas de su entorno, dotadas de información y alejadas por completo del estado de equilibrio
¿Como consiguen mantenerse vivas estas estructuras en un universo donde la entropia tiende a aumentar?¿Como pudieron aparecer estructuras tan improbables desde el punto de vista termodinámico?
Como veremos, los modelos explicativos que vinculan la entropia con los conceptos de orden e información serán de gran utilidad a la hora de entender termodinamicamente el fenómeno de la vida
A medida que las experiencias con las transformaciones energéticas se fueron condensando en las leyes fundamentales de la termodinámica, una visión apocalíptica del Universo se presentaba a los ojos de la ciencia. La entropía funcionaba como una suerte de cuenta regresiva. Dado que todos los procesos llevan inevitablemente a la disipación de gradientes, tarde o temprano éstos desaparecerían. Entonces, cuando ya no hubiera desniveles ni gradientes ni heterogeneidades, ni ocurriera ningún proceso neto, el sistema alcanzaría un equilibrio. La uniformidad reemplazaría a las formas. Toda la energía útil se habría disipado. La entropía habría alcanzado un máximo y entonces el tiempo se habría detenido, ya que en el estado de equilibrio, y sin variaciones en la entropía, el tiempo dejaría de fluir. En el tiempo en el que los físicos concebían un Universo en el que todos los sistemas estaban envejeciendo, los biólogos mostraban que la evolución de la materia viva podría interpretarse por una flecha que parecía desplazarse en el sentido inverso. Los biólogos presentaron la historia de la vida proponiendo que la materia se había ido autoorganizando espontánea y progresivamente, primero formando células simples, luego organismos pluricelulares en los que más tarde las células se especializaron y formaron organismos más sofisticados y complejos. Para los físicos de la época quedaba claramente establecida la controversia. La probabilidad de que moléculas de mayor o menor complejidad se hayan asociado en forma espontánea para formar estructuras tan complejas como una célula, además de la cuantiosa y paulatina ganancia de información por parte de los sistemas vivos, estaba en franca discrepancia con los principios establecidos por la termodinámica. Fue así que los físicos de la época restringieron la aplicación de las leyes de la termodinámica al comportamiento de los sistemas materiales inanimados. Sin embargo, a mediados del siglo XX, Erwin Schrödinger (1887-1961), una figura capital de la ciencia de esa época, aportó la solución a este problema que parecía insalvable. En un pequeño libro titulado ¿Qué es la vida?, publicado en 1944, Schrödinger intentó agrupar conceptos fundamentales de la física, la química y la biología. Hizo notar que en los organismos vivos conviven dos procesos esenciales: la generación de orden a partir de orden y la generación de orden a partir de desorden. Con “orden a partir de orden” Schrödinger intenta explicar la capacidad de los organismos de producir réplicas de sí mismos e incluso de generar variaciones heredables. Schrödinger creía que el gran orden que reina en la materia viva estaba regido por información almacenada en un “microcódigo”. Suponía que algún tipo de cristal aperiódico era el sustrato físico que permitía almacenar esa información y sobre el que podían tallarse las pequeñas variaciones que posteriormente resultarían heredables. Una década más tarde, Watson y Crick describieron la estructura del DNA, una macromolécula que reúne muchas de las condiciones anticipadas por Schrödinger, necesarias para almacenar la información genética. La otra idea de Schrödinger, “orden a partir de desorden”, aunque igualmente anticipadora, no fue bien comprendida. Schrödinger se basó en la observación para entonces irrefutable de que los sistemas vivos están alejados del equilibrio. Schrödinger reconoció que los sistemas vivos son constantemente atravesados por flujos de materia y energía. Por lo tanto, concluyó que para comprender los balances energéticos que existen en estos sistemas abiertos se debe considerar un sistema más amplio: el sistema biológico debe considerarse junto con su entorno. Un sistema biológico se mantiene vivo en su estado organizado tomando energía del ambiente y procesándola a través de su eficiente maquinaria química. Ésta acopla las sucesivas transformaciones energéticas a la producción de trabajo útil, lo que le permite ejercer las diferentes funciones celulares y así mantener su organización interna. Durante estos procesos, las células devuelven a su entorno energía disipada que consiste en calor y otras formas que rápidamente se distribuyen en el ambiente aumentando su desorden y entropía. Así, los organismos vivos ganan orden interno a expensas de generar desorden en su ambiente. La nueva perspectiva del no equilibrio propuesta por Schrödinger reconcilió en parte la autoorganización biológica con la termodinámica. Quienes intentaban estudiar los organismos vivos desde un punto de vista fisicoquímico adecuaron los modelos biológicos a modelos de sistemas en estado estacionario. Mientras que un sistema en equilibrio mantiene su constancia por la ausencia de procesos, un sistema estacionario se mantiene porque existen procesos balanceados. Los conceptos formulados sirven para explicar cómo un sistema ordenado, dotado de información, se sostiene en el tiempo, pero no dicen mucho acerca de cómo estas estructuras pudieron aparecer por primera vez y evolucionar. Las intuiciones iniciales de Schrödinger que llevaron a buscar respuesta a los problemas biológicos en sistemas alejados de los equilibrios una vez más resultaron correctas.
Bueno taringueros despues de varias horas de insomnio productivo eh terminado el post, espero que lo disfruten, le puse mucho esmero y lo mejor de mi.. comentar es agradecer, un abrazo enorme y feliz semana!
La vida depende del flujo de energía procedente de las reacciones termonucleares que tienen lugar en el núcleo del sol, una célula puede entenderse como un complejo de sistemas especializados en transformar energía. Una pequeña fracción - menos del 1 por ciento- de la energía del sol que llega a la tierra se transforma, por medio de una serie de procesos que ocurren en las células de las plantas y otros organismos fotosinteticos, en la energía que impulsa todos los procesos vitales. Los sistemas vivos transforman la energía radiante del sol,en distintos tipos de energía, entre ellas química y mecánica que a su vez son utilizadas por todo ser vivo. Este flujo de energía es la esencia de la vida.
En los organismos vivos, las funciones vitales se llevan a cabo a través de mecanismos que involucran millares de reacciones químicas. Estos mecanismos, reciben el nombre de METABOLISMO..
Clases de energía y transformaciones energéticas
A que nos referimos exactamente cuando hablamos de energía? Dado que la energía no es tangible, su definición exacta es difícil de establecer, su denominación proviene del griego: "en", dentro y ergon, acción, trabajo.
La energía se manifiesta en nuestro ámbito físico de diferentes formas: energía eléctrica, energía radiante, energía química, energía nuclear, etc. A pesar de que ante nuestros sentidos estos tipos de energía se presentan de manera muy diferente, estas formas energéticas pueden ser interconvertidas casi en restricciones; solo se requiere un medio o dispositivo adecuado para producir esta conversión
La energia electrica- asociada con la electricidad- puede convertirse en energia luminica- asociada con la luz y en calor cuando la corriente electrica fluye por el filamento de tungsteno de una lampara, en este caso el filamento de la lampara es el dispositivo fisico que vincula las diferentes formas de energia.
En un motor, la energia quimica almacenada en un combustible se transforma en calor (energia cinetica-de movimiento de las moleculas de los gases), que luego se convierte parcialmente en los movimientos mecanicos- es decir, trabajo mecanico- de las partes del motor
Hasta ahí vamos, ahora bien, dentro de las células de los organismos vivos puede ocurrir gran parte de los tipos de transformaciones energéticas que se observan en el mundo físico. en estos casos los dispositivos que permiten las transformaciones entre los distintos tipos de energía suelen ser en su mayoría proteínas. Proteínas especiales de las células musculares son capaces de convertir la energía química almacenada en los enlaces químicos de ciertas moléculas de movimiento mecánico.
Las luciérnagas tienen células especializadas en las que la energía química por medio de ciertas proteínas se convierte en energía lumínica, este fenómeno se lo denomina bioluminiscencia
El 15 de mayo de 1879, el buque de guerra Vulture navegaba por el golfo pérsico cuando su tripulación avisto unas "enormes ruedas giratorias" que emitían pulsaciones luminosas. Se pensó en la presencia de seres extraterrestres. Sin embargo, mas tarde se supo que el responsable es un organismo unicelular, el Dinoflagelado Gonyaulax Polyhedra. Estos organismos tienen propiedades bioluminiscentes, por lo que también se los denomina "linternas vivientes" del mar
Por otro lado el fenómeno de la visión esta ligado a la conversión de energía lumínica en eléctrica; así, en la retina, las células fotorreceptoras (conos y bastones) son capaces de sintetizar fotopigmentos, moléculas sensibles a la energía luminosa, que la transforman en un impulso bioelectrico. En las celulas vegetales, ciertos fotopigmentos convierten la energía lumínica en energía química, que sera utilizada para la biosintesis de azucares a partir de dióxido de carbono
Principio de la conservación de la energía: 1ra ley de la termodinámica
Se suele pensar que la tecnología deriva del complejo proceso de la creación científica. Si bien esto es cierto en una innumerable cantidad de ejemplos, no se aplica a la historia de la termodinámica. Ya circulaban trenes a vapor cuando aun se comprendía muy poco sobre cuales eran los principios que gobernaban aquellas transformaciones energéticas. Fueron los trabajos del físico ingles James Joule (1818-1889), realizados en Gran Bretaña y publicados en 1850 los que llevaron a conocer inequivocamente la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor. Los experimentos realizados por Joule permitieron concluir que cuando a un sistema aislado de su exterior, es decir, que no intercambia materia y energía con el ambiente, se le suministra trabajo mecánico
, sin importar en la forma en que se haga, se obtiene una cantidad equivalente de energía térmica.
Aparato empleado por Joule en la medición del equivalente mecánico de calor. Las pesas se enrollan por medio de la manivela sobre el cilindro, La cuerda pasa por dos poleas. La altura de las pesas sobre el suelo es conocida y la temperatura del agua se controla mediante el termómetro. Las pesas, al caer, hacen girar las aspas. Este movimiento produce un aumento de la energía cinética del agua lo cual se produce un cambio de temperatura registrado por el termómetro
A diferencia del aparato diseñado por Joule, los sistemas biológicos son abiertos, es decir que pueden intercambiar libremente materia y energía con su entorno. Aun así, en los sistemas abiertos el principio de conservación de la energía continua cumpliéndose. La diferencia radica en donde se establecen los limites del sistema en estudio. En un organismo vivo, la energía perdida o disipada por éste es igual a la ganada por su entorno (ambiente) y viceversa.
Sin embargo el principio de la termodinámica se refiere a la conservación de una forma total de energía y no aclara que, cada vez que se realiza un proceso, parte de la energía involucrada se transforma en energía "útil" en energía que no puede ser aprovechada de nuevo. Esta observación incontrovertible modificó ka escena del pensamiento en aquellos científicos que estaban estudiando los balances energéticos en las maquinas térmicas. Una forma de energía, el calor, no era completamente transformable en otras formas de energía, esto es el resultado de un hecho de validez universal en la naturaleza: El trabajo puede transformarse en calor sin restricciones, pero el calor no puede transformarse en trabajo sin restricciones
En rigor, cada vez que se utilice cualquier tipo de energía para conducir un proceso, de manera inevitable parte de ella se perderá como calor. Este hecho generó la aparición de nuevos conceptos, como el de "eficiencia" en la transferencia de la energía. La eficiencia depende del dispositivo que vincule los diferentes tipos de energía. Las viejas locomotoras de vapor tenían eficiencias de menos del 10 por ciento; en los motores se utilizan combustibles fósiles, la eficiencia real es del 50 por ciento, y en las celdas solares, la eficiencia es del 30 por ciento
La primera ley de la termodinámica y los organismos vivos
Los organismos vivos están mas dotados de dispositivos mas eficientes que las maquinas para convertir energía. Por ejemplo, los organismos bioluminiscentes producen una luz verdosa y "fria" que no produce calor alguno. La notable eficiencia energética de este mecanismo ( cercana al 100 por ciento) sigue siendo un misterio para los investigadores. Los organismos fotosinteticos poseen moléculas de pigmento, las antenas mas eficientes para atrapar la luz.
La utilizacion de la energia de la dieta en los mamiferos ha sido objeto de investigación durante un gran período que va desde la época de Leonardo da Vinci (1452-1519) hasta la del químico francés Antoine- Laurent Lavoisier (1743-1794). La idea y estudios pioneros generados por estos investigadores y algunos otros han llevado a pensar que, desde el punto de vista químico, el metabolismo celular guarda algunas semejanzas con el proceso de combustión, proceso rápido en el que generalmente un compuesto que contiene carbono se oxida, liberándose dióxido de carbono, agua y calor si ocurre en forma completa . Sin embargo los seres vivos oxidan carbohidratos , convierten en forma controlada la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía según una reacción global:
C6H12+602+6H20+ENERGIA
Glucosa+Oxigeno= Dióxido de carbono+Agua+ Energia
Según la primera ley de la termodinámica, la suma de la energía de los productos mas la energía liberada durante la reacción es igual a la energía inicial contenida en las sustancias que reaccionan.Es importante comprender que esta ecuación representa el cambio químico global producido en la degradación de la glucosa. Sin embargo, en los organismos vivos hay una gran cantidad de pasos intermedios que aumentan la eficiencia con que una gran parte de la energía contenida en los enlaces químicos de una glucosa puede ser convertida en energía aprovechable o energía útil
Una consecuencia directa del cumplimiento del principio de conservación de la energía es que, independientemente de cual sea la cantidad de pasos involucrados para llegar desde glucosa y oxigeno a dióxido de carbono y agua, la energía liberada por el proceso sera siempre la misma.
Entonces en la oxidación de la glucosa, la energía liberada esta compuesta por una fracción de energía útil. Pero otra parte se disipa como calor.
Así, la energía total liberada se compone de: .
Energía total liberada+ Energía útil +Calor
Cada vez que se emplea una cantidad de energía, entonces, inevitablemente una fracción de ella se disipa como calor.Pero la energía total del universo es siempre la misma y dado que la energía no se crea ni se destruye, resulta claro que el calor va a en constante aumento, en detrimento de otras formas de energía
Dirección de los procesos naturales: segunda ley de la termodinámica
Al analizar los procesos que ocurren en la naturaleza, nuestra experiencia nos muestra que gran parte de ellos ocurren en forma espontanea y siempre en una dirección , nunca en la inversa. Una roca solo rodará cuesta abajo, el calor solo fluirá de un objeto caliente a uno frío, una pelota que se dejó caer rebotará pero nunca llegará a hasta la misma altura desde la que cayó. Para que ocurran procesos que transforman energía es necesario que existan desniveles o gradientes que, son la fuente de las fuerzas que conducen procesos con transformaciones energéticas asociadas. Estos procesos tienden a homogeneizar el sistema, disipando los gradientes hasta alcanzar un estado de equilibrio. La segunda ley de la termodinámica establece la noción de que existe una dirección hacia la cual cualquier sistema que este fuera del equilibrio tiende a desplazarse. Al hacerlo se disipa energía. Cuando toda la energía útil se haya disipado, en el sistema no podrán ocurrir más procesos.
En términos energéticos, podemos pensar en los desequilibrios y heterogeneidades como almacenamiento de energía útil que permitan que se lleven a cabo los procesos. Como mencionamos, la cantidad de energía útil sera igual a la energía puesta en juego durante el proceso, menos cierta cantidad de energía que inevitablemente se disipará:
Energía útil = Energía total-Energía disipada
En la década de 1950, el físico alemán Rudolf Clausius (1822-1888) formalizó esta ecuación al estudiar el importante papel de esa energía inevitablemente disipada. Expresó esta fracción energética como el producto de la temperatura (T) por un factor al que llamó "Entropia" ( del griego tropos, que significa cambio, transformación ) y lo simbolizó con la letra S.
Energía disipada= T x S
Supongamos que tenemos una baraja de naipes: una mitad se utiliza para construir un castillo
(sistema 1)
y la otra mitad se deja desordenada al lado del castillo
(Sistema 2)
Tenemos así dos sistemas construidos por el mismo tipo y el numero de componentes pero que tienen dos configuraciones o estados diferentes. Si los abandonamos a su suerte, es fácil suponer que después de transcurrido cierto tiempo, la probabilidad de encontrarlos en sus configuraciones iniciales será mucho menor para el primer sistema que para el segundo. La condición de equilibrio es el estado más probable de un sistema. Por ejemplo, desde el punto de vista de la energía gravitacional de sus componentes, el estado de configuración del castillo es mas ordenado, menos probable y menos uniforme. Cualquiera de los estados desordenados es más probable y más uniforme. Un sencillo experimento para demostrar esto consiste en arrojar los naipes al aire y verificar cuantas veces debemos repetir la experiencia para que un grupo de cartas quede dispuesto en la configuración del castillo. Sin duda, la formación que describa la estructura y utilizar energía para producir orden . Resulta claro que, librado a su suerte y sin un ingreso de energía constante invertido en mantener esta estructura ( castillo de naipes) , el sistema se derrumbará. Disipando la energía potencial gravitacional almacenada.
Durante esta transformación, el sistema disipa energía útil y la energía aumenta. En el estado final de equilibrio, las heterogeneidades iniciales desaparecen y el sistema se homogeneiza y pierde información. Así, el estado más probable es el de mayor desorden o bien de entropia.
En cualquier sistema aislado, los procesos no serán causados por agentes externos a él. Estos procesos internos, que serán considerados espontáneos, ocurren porque en el sistema hay heterogeneidades: si una porción o parte del sistema esta más caliente que el resto, esa porción se enfriará hasta que todo el sistema tenga una temperatura uniforme; si existen diferencias de cargas, se producirán corrientes eléctricas que las compensaran; si existen regiones donde el potencial químico es mayor, éste se disipará hasta homogeneizarse. Cuando todos estos procesos hayan compensado los desniveles o gradientes que los originaron, el sistema habrá alcanzado un equilibrio y toda la energía útil se habrá disipado. entonces la entropia del sistema habrá llegado a un máximo.
Algunos ejemplos gráficos mas de entropia
En síntesis: los dos principios fundamentales de la termodinámica formulados a principios de la segunda mitad del siglo XIX por Clausius, se enuncian como sigue:
Dado que el universo es un sistema completamente aislado:
Primera ley: La energía del universo es constante.
Segunda ley: la entropia del universo tiende a un máximo
Y para terminar.. Qué es la vida?: los sistemas biológicos y la segunda ley de la termodinámica
Podemos establecer una analogía entre el castillo de naipes y las estructuras vivientes. Los organismos vivos son estructuras complejas, en extremo ordenadas, claramente diferenciadas de su entorno, dotadas de información y alejadas por completo del estado de equilibrio
¿Como consiguen mantenerse vivas estas estructuras en un universo donde la entropia tiende a aumentar?¿Como pudieron aparecer estructuras tan improbables desde el punto de vista termodinámico?
Como veremos, los modelos explicativos que vinculan la entropia con los conceptos de orden e información serán de gran utilidad a la hora de entender termodinamicamente el fenómeno de la vida
La entropia y la flecha del tiempo
A medida que las experiencias con las transformaciones energéticas se fueron condensando en las leyes fundamentales de la termodinámica, una visión apocalíptica del Universo se presentaba a los ojos de la ciencia. La entropía funcionaba como una suerte de cuenta regresiva. Dado que todos los procesos llevan inevitablemente a la disipación de gradientes, tarde o temprano éstos desaparecerían. Entonces, cuando ya no hubiera desniveles ni gradientes ni heterogeneidades, ni ocurriera ningún proceso neto, el sistema alcanzaría un equilibrio. La uniformidad reemplazaría a las formas. Toda la energía útil se habría disipado. La entropía habría alcanzado un máximo y entonces el tiempo se habría detenido, ya que en el estado de equilibrio, y sin variaciones en la entropía, el tiempo dejaría de fluir. En el tiempo en el que los físicos concebían un Universo en el que todos los sistemas estaban envejeciendo, los biólogos mostraban que la evolución de la materia viva podría interpretarse por una flecha que parecía desplazarse en el sentido inverso. Los biólogos presentaron la historia de la vida proponiendo que la materia se había ido autoorganizando espontánea y progresivamente, primero formando células simples, luego organismos pluricelulares en los que más tarde las células se especializaron y formaron organismos más sofisticados y complejos. Para los físicos de la época quedaba claramente establecida la controversia. La probabilidad de que moléculas de mayor o menor complejidad se hayan asociado en forma espontánea para formar estructuras tan complejas como una célula, además de la cuantiosa y paulatina ganancia de información por parte de los sistemas vivos, estaba en franca discrepancia con los principios establecidos por la termodinámica. Fue así que los físicos de la época restringieron la aplicación de las leyes de la termodinámica al comportamiento de los sistemas materiales inanimados. Sin embargo, a mediados del siglo XX, Erwin Schrödinger (1887-1961), una figura capital de la ciencia de esa época, aportó la solución a este problema que parecía insalvable. En un pequeño libro titulado ¿Qué es la vida?, publicado en 1944, Schrödinger intentó agrupar conceptos fundamentales de la física, la química y la biología. Hizo notar que en los organismos vivos conviven dos procesos esenciales: la generación de orden a partir de orden y la generación de orden a partir de desorden. Con “orden a partir de orden” Schrödinger intenta explicar la capacidad de los organismos de producir réplicas de sí mismos e incluso de generar variaciones heredables. Schrödinger creía que el gran orden que reina en la materia viva estaba regido por información almacenada en un “microcódigo”. Suponía que algún tipo de cristal aperiódico era el sustrato físico que permitía almacenar esa información y sobre el que podían tallarse las pequeñas variaciones que posteriormente resultarían heredables. Una década más tarde, Watson y Crick describieron la estructura del DNA, una macromolécula que reúne muchas de las condiciones anticipadas por Schrödinger, necesarias para almacenar la información genética. La otra idea de Schrödinger, “orden a partir de desorden”, aunque igualmente anticipadora, no fue bien comprendida. Schrödinger se basó en la observación para entonces irrefutable de que los sistemas vivos están alejados del equilibrio. Schrödinger reconoció que los sistemas vivos son constantemente atravesados por flujos de materia y energía. Por lo tanto, concluyó que para comprender los balances energéticos que existen en estos sistemas abiertos se debe considerar un sistema más amplio: el sistema biológico debe considerarse junto con su entorno. Un sistema biológico se mantiene vivo en su estado organizado tomando energía del ambiente y procesándola a través de su eficiente maquinaria química. Ésta acopla las sucesivas transformaciones energéticas a la producción de trabajo útil, lo que le permite ejercer las diferentes funciones celulares y así mantener su organización interna. Durante estos procesos, las células devuelven a su entorno energía disipada que consiste en calor y otras formas que rápidamente se distribuyen en el ambiente aumentando su desorden y entropía. Así, los organismos vivos ganan orden interno a expensas de generar desorden en su ambiente. La nueva perspectiva del no equilibrio propuesta por Schrödinger reconcilió en parte la autoorganización biológica con la termodinámica. Quienes intentaban estudiar los organismos vivos desde un punto de vista fisicoquímico adecuaron los modelos biológicos a modelos de sistemas en estado estacionario. Mientras que un sistema en equilibrio mantiene su constancia por la ausencia de procesos, un sistema estacionario se mantiene porque existen procesos balanceados. Los conceptos formulados sirven para explicar cómo un sistema ordenado, dotado de información, se sostiene en el tiempo, pero no dicen mucho acerca de cómo estas estructuras pudieron aparecer por primera vez y evolucionar. Las intuiciones iniciales de Schrödinger que llevaron a buscar respuesta a los problemas biológicos en sistemas alejados de los equilibrios una vez más resultaron correctas.
Bueno taringueros despues de varias horas de insomnio productivo eh terminado el post, espero que lo disfruten, le puse mucho esmero y lo mejor de mi.. comentar es agradecer, un abrazo enorme y feliz semana!