Termodinámica
Leyes de la Termodinámica y los Sistemas Biológicos
Termodinámica
Las leyes de la termodinámica describen las propiedades y el comportamiento de la energía en los sistemas, por lo que todos los sistemas deben cumplir estas.
En otras palabras, los intercambios de energía que ocurren en seres vivos tienen que seguir las leyes de la física. Vamos a ver como la primera y la segunda ley de la termodinámica se aplican a sistemas biológicos.
La primera ley de la termodinámica
La primera ley es la ley de la conservación de la energía. Esta establece que la energía en el universo es constante. Ni se crea, ni se destruye, solo se transforma. Esto significa que nunca podrá ocurrir ningún proceso dentro de ningún sistema (sea biológico o no) en el cual el sistema gane energía de algún tipo sin que el entorno la pierda.
La aplicación de la primera ley a los sistemas biológicos de cualquier tamaño, desde una pequeña bacteria, hasta un ser humano. Se trata simplemente de un equilibrio de energía.
Podemos ver a nuestros alimentos como fuentes de energía, las “calorías» que comemos. La grasa corporal, que es una de las formas como el cuerpo almacena energía, representa el nivel de energía interna, mientras que w, el trabajo que hace el sistema, es el ejercicio. Visto así, la primera ley nos da una explicación muy sencilla para entender por qué engordamos. Siempre que comamos alimentos, es decir, calorías, si no las quemamos haciendo ejercicio para devolverlas al entorno, entonces estas se van a almacenar en forma de energía interna, es decir, en forma de grasa corporal.
Esta ley nos permite establecer de manera clara qué procesos son posibles y cuáles son imposibles. Adelgazar ingiriendo más calorías de las que quemamos es sencillamente imposible.
La entropía y la segunda ley de la termodinámica
La segunda ley establece que, en todo proceso natural o espontáneo, siempre se pierde parte de la energía interna en forma de calor. Para entender cómo se aplica a esta rama de la ciencia, primero debemos comprender los conceptos de entropía y de energía libre de Gibbs, y cómo estas se relacionan con la segunda ley.
La medida del desorden en un sistema se llama entropía. Puesto que sabemos que cada transferencia de energía resulta en la conversión de una parte de energía en una forma no utilizable (como calor) y que el calor que no realiza trabajo se destina a aumentar el desorden del universo, podemos establecer una versión relevante para la biología de la segunda ley de la termodinámica: cada transferencia de energía que se produce aumentará la entropía del universo y reducirá la cantidad de energía utilizable disponible para realizar trabajo (o en el caso más extremo, la entropía total se mantendrá igual).
En otras palabras, Todo proceso natural o espontáneo, necesariamente implica un aumento en la entropía del universo
Una de las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica es que, para que un proceso se lleve a cabo, de algún modo debe aumentar la entropía del universo.
Por ejemplo, revisemos los intercambios de energía que ocurren en nuestro cuerpo cuando caminamos, al contraer los músculos de las piernas para mover el cuerpo hacia delante, estamos utilizando energía química de moléculas complejas, como la glucosa, y la convertimos en energía cinética (y, si estás caminando cuesta arriba, energía potencial). Sin embargo, esto lo hacemos con eficiencia muy baja: una gran parte de la energía de nuestras fuentes de combustible simplemente se transforma en calor, parte del calor mantiene tu cuerpo caliente, pero gran parte se disipa en el ambiente circundante.
Esta transferencia de calor aumenta la entropía del entorno, al igual que el hecho de que tomas grandes y complejas biomoléculas y las conviertes en muchas pequeñas moléculas simples, como dióxido de carbono y agua, cuando metabolizas el combustible para poder caminar. Las células no incrementan su desorden interno cuando consumen y metabolizan los nutrientes. En cambio, el entorno del organismo aumenta su entropía
En resumen, el alto grado de organización de los seres vivos se mantiene gracias a un suministro constante de energía y se compensa con un aumento en la entropía del entorno.
Energía libre de Gibbs
Por otro lado, la importancia de la energía de Gibbs es que, bajo las condiciones normales en las que la vida y los procesos biológicos ocurren, la variación de la energía libre de Gibbs, es decir, ΔG, se relaciona directamente con la variación de la entropía del universo (ΔSU), de tal forma que si conocemos el signo de ΔG, entonces podemos inferir el signo de ΔSU, por lo que la podemos utilizar como criterio de espontaneidad para las reacciones químicas y demás procesos que ocurren dentro de las células de nuestro cuerpo.
ΔSU < 0 (negativo) | Proceso espontáneo | |
ΔG < 0 (negativo) | ΔSU > 0 (positivo) | Proceso no espontáneo |
ΔG = 0 | ΔSU = 0 | Sistema en equilibrio termodinámico |
En pocas palabras, los procesos espontáneos liberan energía de forma natural, mientras que los procesos no espontáneos no pueden ocurrir espontáneamente a menos que se proporcione la energía libre necesaria para que ocurran. Esto significa que se puede utilizar una reacción espontánea para proporcionar la energía necesaria para que ocurra otra que no es espontánea.
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