Entropia eta biziduna

Termodinamika eta biziaren arteko gatazka, edo ea puntu batzuetan biak kontrajarriak ez ote diren azaltzea eta filosofatzea da artikulu honen helburua, teoria biribilik proposatu gabe, noski. Horretarako, termodinamika klasiko makroskopikoan eta biziaren eboluzio kimikoan oinarrituko garela aitortu behar dugu. Jakin badakigu beste mota batzuetako termodinamikak ere badaudela (agian bizitza bezalako prozesu itzulezinak deskriba tzeko egokiagoak izan daitezkeenak, eta artikulu honetan aipatuko direnak) eta biziaren sorrerari buruzko beste teoriak ere bai (hala nola Jaungoikoarena edo pansperniarena), baina goian aipatutakoei soilik ekingo diegu.

Irudiak iradokitzen duenaren kontra, termodinamikaren ikuspuntutik izaki bizidunak ordena handiagotzen ari den eskualde lokalizatu bezala defini daitezke.

Errazago ulertzearren ahalik eta formula matematiko eta kimiko gutxien erabiltzea dugu helburutzat, noizean behin bat edo beste ekiditea ezinezkoa suertatu bazaigu ere.

Termodinamika klasiko makroskopikoa hiru postulatuetan oinarriturik dago, zeintzuei ez bait zaie salbuespenik aurkitu. Erraz defini daitezke lehenengo biak; gure helbururako garrantzia daukatenak, alegia.

Lehenengo postulatuak honakoa dio: energia ezin da ez sortu eta ez desegin, era batetik beste batera aldatu ahal izan arren. Hau da, Unibertsoko energia konstantea da. Postulatu honek inplikazio zuzenak dauzka, esate baterako, energia minimoa lortzeko asmoz sistema guztiak berez mugitzean, hau da, gorputzak goitik behera erortzen dira eta berez ez dira altxatzen.

Ura goitik behera doa beti, eta sekula santan ez dugu ikusi ura behetik gora berez doanik, edo hegazkina motorerik gabe erori egiten da. Beste motako behaketa batzuk ere badaude postulatu honekin lotuta. Esate baterako, ur beroa eta izotza batera jarri eta izotza urtu egingo da, edo transistoreko pilak agortu egiten dira, etab. Nolabait esan, energetikoki mintzatuz aldapan behera joateko joera dago.

Aurreko baieztapen horiek ulertzeko eta barneratzeko egokiak badira ere, termodinamikaren lehenengo printzipioak hurrengo galderei ezin die erantzun: ikusi al duzue inoiz ur-masa handi bat "berez" bitan banatzen, zati bat ur beroa eta bestea izotza izanik? Edo puxika bateko airea bapatean mutur batean kontzentratu egiten dela beste aldea hutsa geratuz? Dirudienez, gertatzen diren prozesuetan energia minimoaren printzipioa ez da aski berezkotasuna azaltzeko, eta beste postulatu berri bat planteatzen du termodinamikak.

Bigarren printzipioak honela dio: Unibertsoan berez gertatzen diren prozesu guztietan desordena handiagotu egiten da, hau da, "entropia" handiagotu egiten da. Hitz hau jatorriz grekoa da, eta kaos edo desordena adierazi nahi du. Kontzeptualki, sistema ordenatuek entropia txikia daukatela esan ohi da, eta sistema desordenatuek entropia handia. Ordena/desordena neurgailu bezala ere erabiltzen da giza zientzietan. Naturan desordenaren jarrrerak agintzen du. Gelak berez desordenatzen dira eta ordenatzeko lana egin behar dugu. Horregatik ur-masa horretatik ezin dira berez ur beroa eta izota banandu; hain zuzen ere, banaketa horrek ordena bat sortzea inplikatzen bait du.

Termodinamikaren ikuspuntutik izaki bizidunak ordena handiagotzen ari den eskualde lokalizatu bezala defini daitezke. Hots, Lurrean bizia agertzeak eta irauteak estrukturazioetatik informazioa transmititzeko ahalmena daukaten egitura organizatuetara pasatzeak (biziaren definizio zabaltzat hartuta) ordenatze-prozesu bat esan nahi du, eta ondorioz bigarren printzipioaren kontra egon daitekeela pentsa liteke. Horregatik, batzuetan, zailtasunak edota gaizki-ulertzeak agertzen dira.

Hemendik aurrera hauetan murgilduko gara. Bizia eta bere iraupena ez direla prozesu isolatua gogoratu behar da, baizik sistema irekia dela, bere inguru eta guzti, zeinarekin energia eta masa trukatzen den. Beraz, sistemako ordenatze-prozesuak aldi berean inguruko desordenatze-prozesua inplikatzen du, eta bion batura desordenerantz abiatzen da. Paradoxikoa dirudi, baina horrela da.

Pentsatu al duzue inoiz sustraietatik hartutako ura eta gatzak zuhaitz baten tontorreraino igotzeak zein neketsu izan behar duen!

Orain dela 4.600 miloi urte Lurra nebulosaren kondentsazioz eratu zenetik 1.000 miloi urte geroago bizitzaren lehenengo organismo zelulabakar sinpleenak agertu arte gertatu behar izan zuten prozesuak oso korapilotsuak eta geldoak izan zirelakoan gaude. Seguraski gertaera txikien segida infinitu baten bidez gertatu ziren, eta gertatzen ziren une bakoitzean atzera jotzea ezinezkoa zen, hau da, prozesu itzulezina zen. Erraz ondoriozta daitekeenez, prozesu itzulezinen termodinamika erabili beharko genuke, baina hori ez da gure helburua.

Ildoari jarraituz, garai horretan Lurra atmosfera erredaktorez inguratuta zegoela kontsidera dezakegu, bere osaketa kimikoa zehatz-mehatz deskribatu gabe. Oxigeno molekularra (0₂) libre ez zegoela esan behar dugu eta, beraz, oxidazioak ezin zirela gertatu. Atmosfera hori, N₂, CO, NO, H₂O, NH₃-z eratuta egon zitekeela proposatu da, beti atmosfera ez-oxidatzailea, gaur egungoa ez bezalakoa, osatuz. Horrelako at mosfera erredaktorean, Eguzkiak bidalitako argi ultramoreari esker (garai hartan seguraski ozonorik ez zegoela gogoratu behar da) eta iharduera bolkanikoak zein ekaitzek emandako energia guztiari esker, gas inerte horiek erreakzionatu egin zutela egiaztatu da. Esate baterako, 1953an, S. Miller-ek horrelako atmosferan konposatu kimiko orga niko asko eta asko lortzen zirela frogatu zuen, eta harritzekoa dena, bizia oinarritzen den konposatu kimikoak dira! Ikus 1. irudia.

Arlo inorganikotik arlo organikora pasatzea oso erraza izan daitekeela onartzea eta jakitea badirudi betidaniko gauza dela (gutxi gorabehera Lurra biribila dela dioen baieztapena bazatakoa), baina 1832.ean Wöhler-ek egindako esperimentu bategatik dakigu hori (hain zuzen ere konposatu inorganiko bat, amonio zianatoa, berotuta konposatu organiko bat, urea, lor zezakeela frogatu zuen). Betidanik pentsatu da esparru organikoa ondo ezagutzen ez den indar eragile batekin, "bizi-indar" deritzonare kin, erlazionatuta zegoela. Gaur egun badakigu arlo batetik bestera pasatzea zeharo gauza kimikoa dela.

Millerrek egindako saioetan, atmosferatik eroritako konposatu organiko asko uretan bilduta zeudela frogatu zen (Ikus 1. irudia eta saioaren deskribapena). Lehengai inorganiko horietatik konposatu organiko hauetara pasatzeak, desordenatik ordenara pasatzea inplikatzen du, eta guzti hori Eguzkiak emandako energiari esker gertatzen da. Nolabait esan, energia ordenatzeko erabiltzen da.

1. taula. Polimero batzuen Gibbsen energi aldaketa. Erraz ikus daitekeenez, positiboa da kasu guztietan.

Polimerizazioa

Molekula monomeroko hauek egitura kimiko organiko korapilotsu (zeintzuek informazio kimikoa gordetzeko ahalmena bait daukate) bilakatzeko zergatik elkartu ziren (polimerizazio izenez ezaguturiko prozesua zergatik gertatu zen alegia) azaltzea askoz zailagoa da eta kontsiderazio batzuk egingo ditugu horiek argitu asmoz.

Erreakzio kimiko bat berez, naturalki, gerta daitekeen ala ez jakiteko kimikariok termodinamikaren alderdi bi aztertzen ditugu, hau da, energia minimoaren postulatua eta entropiarena. Jarrera bi hauek bateratzeko Gibbsen energi aldaketa erabiltzen dugu: tenperatura jakin batean Gibbsen energia txikiagotuz badoa, erreakzio hori berez, espontaneoki, gerta daitekeela esaten dugu. Esate baterako, ikatza oxigenoarekin batera erre egiten da, berorren Gibbsen energi aldaketa negatiboa bait da, ondoko erreakzioan ikus daitekeenez (horregatik oxigenoa aske daukan atmosfera oxidatzailea da):

Polimerizazio-prozesuetan, molekula sinpleek (monomeroek) azukre, lipido, proteina, azido nukleiko eta abar eratu behar dituztenean, Gibbsen energia handiagotuz doa eta ondorioz ez dirudi erreakzioa berez gerta daitekeenik (Ikus ondoko 1. taulan idatzitako polimero batzuen Gibbsen energi aldaketa modifikatua). Zer gertatzen da? Izaki bizidunongan, gure gorputzongan, erreakzio horiek beti gertatzen ari direla esanda (bestela hilik egongo ginateke) erantzuna eman dugu, baina nola eta zergatik gertatzen dira?

Zelula barnean gertatzen diren erreakzioak (zelula elementu bizidun sinpleentzat hartuta) sistema isolatuetan ez direla gertatzen esan behar da; zelula bera sistema irekia bait da, hots, elkartrukea dago. Polimerizazio-erreakzioak, une berean beste erreakzio oso exergonikoak (Gibbsen energia askatzen duten horietarikoak) gertatzen ari direlako burutzen dira.

Erreakzio exergoniko hauek energia asko askatzen dutenak dira. Metaforikoki mintzatuz, eguzki kimiko lokalak dira. Askaturiko energia horrek polimerizazioari laguntzen dio. Bes terik gabe, Adenosin Trifosfatoaz (ATP) hitz egiten ari gara, zeinak hidrolizatzean energia aske asko askatzen bait du. Bizidunengan gertatzen diren polimerizazio guztiak ATPari esker gertatzen dira (Ikus 1. taula). Laburki honela idatz daiteke:

ATP molekulari energiaren gordeleku deritzo. Agian polimerizazio batzuk ATP gabe gerta daitezke, seguraski bera bezalako molekula baliokideek parte hartzen dutelako.

Gaur egungo polimerizazioak ATPari esker gertatzen badira, zeharo mekanismo unibertsala delarik, nola gerta zitezkeen aipaturiko garaian? Biziaren eboluzio kimiko horretan jadanik ATP eratuta al zegoen? Galdera hauek, zer esanik ez, ez daukate termodinamikarekin zerikusirik, eta guk, kimikariok, ezin diegu erantzun zuzenik eman. Dena dela, 2. taula horretan "eguzki lokal" bezala erabili ahal izan ziren molekula batzuk idatzita daude, zeinak Millerrek egindako saioetan erraz sintetiza daitezkeen. Kasualitate hutsa? Argi eta garbi utzi behar dena hau da: polimerizazio-prozesuak, hau da, desordenatik ordenara pasatzeak, energia askea (edo Gibbsen energia) askatzen duten erreakzio batzuen laguntzaz gertatu ahal izan zirela.

Ikuspuntu energetikotik aztertuta, gaur egungo biziaren balantze energetikoa nolakoa den eta hortik zer-nolako ondorioak erator daitezkeen aztertuko dugu orain. Dakigunez, Eguzkiak energia asko igortzen du eta bidaia luzea egin eta Lurraren atmosferako "iragazkiak" (ozono-geruza, etab.) gainditu ondoren lurrazaleraino iristen da. Energia ikuskorra soilik erabiltzen da fotosintesi deituriko prozesuan, non energia horri esker CO₂ eta H₂O lehengaietatik glukosa (C₆H₁₂0₆) sintetizatzen den. Erreakzio honetan Gibbsen energi aldaketa endergonikoa izan arren, Eguzkiak emandako energiari esker burutu egiten da, ondoko ekuazioaren arabera:

Landare berdeek gauez (iluntzean) glukosa hauxe erabiltzen dute eta oxigenoarekin erre egiten dute, bertan askaturiko energiarekin beste polimerizazio-prozesu batzuk aurrera eraman ahal izateko. Animali erreinuak, landare berdeek egindako fotosintesiaren lan kimikoa aprobetxatu egiten du (jan egiten du) eta glukosazko erreketari esker (edo koipe edo beste substantziazkoari esker) energia lortzen du.

Aiparturiko erreketa hau sutan egur edo ikatza erretzea bezala gertatuko balitz, berehala ondoriozta genezake "gorputza" erretzea besterik ez litzatekeela lortuko; hau da, erreketa horretan askaturiko energiak konposatu biokimikoen lotura kimikoak apurtuko lituzke eta hauek C0₂ eta H₂O emanez degradatu egingo lirateke.

Biziaren eboluzioak, Naturak, hemen esandakoa baino azkarragoa izanik, energia hau emeki-emeki askatzen duen mekanismoaren bidezko eboluzio naturala pairatu du, eta gainera eguzki-energia energia kimiko gisa metatu egiten du. Berriz ere ATP molekula hura datorkigu burura.

Bizidunok, energia kontsumitzen dugu lan-mota desberdinak gauzatzeko, hau da, termodinamika klasiko makroskopikoak definiturikoaren arabera berez gertatuko ez liratekeen prozesu batzuk aurrera eramateko. Prozesuok honela adieraz ditzakegu:

• Entitate biziduna osatzen duten zelula guztietara eraman, garraiatu, behar dira oligoelementuak eta lehengaiak, hau da, "janaria". Horretarako lana egin behar da, eta kontzentrazio edota garraio-lan hau ez da batere erraza. Pentsatu al duzue inoiz sustraietatik hartutako ura eta gatzak zuhaitz baten tontorreraino igotzeak zein neketsu izan behar duen?, edo behatzeraino odola bidaltzeko bihotzak egin behar duen ponpaketa eta halaber kontsumitzen duen energia nolakoa den? Gauza asko garraiatu eta kontzentratu behar gorputzetan.
• Honez gain, energia asko behar da polimerizatzeko, adibidez DNA molekulak sintetizatzeko, zeintzuek ondorengoei arbasoen informazio genetikoa transmititzeko, ahalmena bait daukate. Hots, biziaren iraupena segurtatzeko energia behar da. (Azken finean, epe motzera elikatzen garelako diraugu bizirik, baina epe luzera espezie bezala erreproduzitzen bagara bakarrik diraugu).
• Azkenik, lan fisiko batzuk egiten ditugu, hala nola giharreak uzkurtzea ..., eta beroa askatzen duen edozein lan. Azken hau da, bizidunak askatzen duen beroaalegia, inguruneak zurgatzen
  duena, eta ondorioz bertako entropia handiagotzen duena. Horregatik, berezko prozesu natural honetan, bizian, unibertsoaren entropia ala desordena handituz doa.

Orain arte aipaturikoaren arabera, honakoa esan daiteke: Lurra planetan bizia agertzea eta garatzea ez direla termodinamikaren bigarren printzipioaren kontrako prozesuak. Guk printzipioa betetzen duen horietariko bat azaldu nahi izan dugu. Egia biribila esatekotan, hurbilketa besterik ez dugula egin aitortu behar genuke, eta ondoko lerroetan hori agerian ipintzen ahaleginduko gara.

Alde batetik, erabilitako termodinamika klasiko makroskopikoak orekaturiko sistema makroskopikoetan gerta daitezkeen aldaketak aurresaten ditu, eta horixe aplikatu diogu zelulari. Hausnarketa eginez ordea, hurbilketa honen ahuleziaz ohartuko gara. Dakigunez, zelula oso gauza mikroskopikoa da. Beraz, kontzentrazio makroskopikoak eta bertako kontzentrazioak oso bestelakoak izan daitezke. Are gehiago, zelula bera ez da sistema isolatua: irekia baizik, lehen aipatu denez, eta, beraz, sistema orekatua ez eta sistema ez-orekatua da. Hala ere, lehengai asko eta askoren kontzentrazioa ia konstante mantentzen da deboran zehar. Horregatik egoera honi egoera geldikor (sasiorekatu) deitzen zaio.

Bizia agertzea funtsean, berezko prozesua izan da, eta, beraz, itzulezina. Kasu honetan termodinamika klasikoa baino askoz egokiagoa izango litzateke termodinamika itzulezina erabiltzea, zeina deskribatzea artikulu honetatik kanpo geratzen bait da.

Chicagoko unibertsitatean S. Miller eta H. Urey-k erabilitako tresneriaren eskema. Bertako baldintza esperimentalak Lur primitiboan bide zeudenak simulatzen ziren. Ezkerreko giltzatik gas erredaktorez osatutako atmosfera sarrerazi zen, zeina txinpart elektriko gogor batez eszitatzen bait zen (garai hartan Eguzkiak bidalitako energiatzat kontsidera daiteke). Beheko matrazeko ura berotu egiten zen (garai hartan Lurra oso bero zegoela pentsatzen bait da) eta kondentsadore baten bidez hoztu egiten zen euri tanta modura eroriz. Ur-tanta horietan disolbaturiko konposatuak metatu egiten ziren beheko aldean eta bertako giltzaren bidez noizean behin laginak atera egiten ziren.

Saio hauetan metano eran sartutako karbono guztiaren % 15, konposatu biokimiko bihurtuta zegoen, hala nola glizina, alanina, azido glutamiko, urea, etab. (gutxienez hogeiren bat konposatu desberdin) eta beste portzentaia handi bat mundrun moduko hondar erara. Harrigarria da proteinak osatzen dituzten aminoazido gehienak saio hauetan lortu ahal izatea eta are gehiago biziaren oinarri diren konposatu gehienak lortu ahal izatea. Kasualitate hutsa al da ala biziak konposatu hauen eboluzioz agertu ahal izan zuen?