Las simetrías físicas y sus efectos en la evolución de la vida.

Aquellos que me sigáis desde hace tiempo sabréis que no es ningún secreto mi interés en explicar todos los fenómenos emergentes a partir de efectos físicos fundamentales. Al fin y al cabo, como dice la famosa viñeta de xkcd, todas las ciencias dependen en última instancia de las leyes fundamentales de la naturaleza. Esta idea fue también adaptada en versión comic por la web abstruse goose de una forma parecida.

Viñeta pureza

Viñeta de xkcd

Viñeta subcampo.png

Viñeta de Abstruse Goose

Es importante machacar esta idea porque en general se tiene la idea de que la física aplica cuando hablamos de estrellas, auroras, electricidad, aceleradores de partículas y poleas, entre otros, pero que más allá todo es competencia de otras ramas del saber. Gran parte de la culpa de esto la tiene el sistema educativo, donde las asignaturas se enseñan parceladas y con apenas interacción entre ellas. ¿Cuántos de vosotros habéis visto en un libro de texto de física problemas aplicados a biología, neurología o sociología? Apuesto a que ninguno. Las matemáticas sí que se meten más o menos en otras ramas durante los cursos de enseñanza obligatoria, pero al llegar a cursos superiores se van aislando más. ¿Cuántos habéis visto problemas con matrices en segundo de bachillerato cuya finalidad no fuese exclusivamente hacer cuentas con matrices? Dando clases, recuerdo a un chaval teniendo que elevar una suma al cuadrado se dejó el término de “doble del primero por el segundo” y al hacérselo notar me dijo “ah, ¿pero eso no es solo en matemáticas?”. 

En esta entrada no voy a detallar mucho esta cuestión en general, sino que voy a hablar de un ejemplo concreto y sencillo de cómo juntar dos ramas de la ciencia para beneficio de la comprensión de ambas. Un ejemplo que tengo que agradecer a Richard Dawkins y su obra de arte en forma de libro llamada “El cuento del antepasado”: la influencia de las simetrías físicas en la evolución de la vida terrestre (y presuntamente en otros lugares del universo). Pero empecemos hablando de cada una de estas cosas por separado.

Simetrías en física:

Desde los inestimables aportes de Lagrange a la mecánica clásica, sabemos que la energía potencial es la clave de todo movimiento. No voy a volver a detallar esto mucho, puesto que ya lo hice a nivel divulgativo en esta entrada y a nivel técnico en esta otra.

Baste decir que las simetrías contextuales de un problema físico imponen restricciones a lo que sucederá con el mismo. Así, si un cuerpo está sometido a una energía potencial que solo varía en vertical únicamente adquirirá aceleraciones en dicha dirección y en ninguna otra debido a la misma. Los cuerpos escapan de la energía potencial como principio fundamental de la naturaleza, el principio de Hamilton, y todos los sistemas evolucionan de forma acorde a las simetrías de la misma.

Supongamos que tenemos una carga en nuestro origen de coordenadas y, a una cierta distancia, una carcasa con forma esférica llena de cargas de signo opuesto. Como las cargas opuestas se atraen, todas esas cargas se verán atraídas por la del origen, pero por otra parte se repelerán entre ellas. Uno podría pensar que el movimiento de todas ellas en cuanto las soltemos será completamente caótico, pero nada más lejos de la realidad.

Dado que el problema tiene una simetría esférica (todo está igual a la misma distancia del origen) está condenado a mantener dicha simetría. Y simplemente por esta conservación de la simetría podemos deducir dos cosas: la carga del centro no se moverá hacia ningún sitio (se cargaría la simetría esférica haciendo que la dirección de su movimiento fuese privilegiada) y todas las otras se moverán en bloque, bien sea hacia fuera porque gane la repulsión o hacia dentro porque gane la atracción. Por mucho que pase el tiempo seguiremos teniendo una carga central y una carcasa esférica de carga opuesta. Únicamente se puede modificar el radio de la segunda. Al haber una simetría esférica, es inviable cualquier deformación de los componentes del sistema que haga de deje de haberla.

TierraAplicación de la simetría física a la estructura de la Tierra:

Últimamente abunda en internet mucho gañán diciendo que la Tierra está hueca por motivos que van desde que una expedición entró dentro y vio una población de reptilianos
descendientes de dinosaurios hasta que los gobiernos nos ocultan imágenes del polo norte para que no veamos los agujeros que dan acceso, pasando por supuestos cálculos de físicos de hace siglos, que o bien eran erróneos en forma o en los datos que usaban. Tristemente, cuando hablé sobre ello forjé la entrada con mayor densidad de comentarios con burradas que he tenido que leer.

La energía gravitatoria tiene una simetría esférica con respecto a la masa que la crea, lo que implica que solo puede inducir aceleraciones en la dirección que une con dicha masa, y por este motivo si solo hubiese gravedad interna actuando sobre los planetas todos tendrían que tener una forma esférica exacta.

Sin embargo, sucede que la inmensa mayoría de astros también rotan. Y la rotación crea una energía centrífuga de rotación con simetría cilíndrica y efecto repulsivo. Es decir, si consideramos el eje de la Tierra, la energía centrífuga solo depende de la distancia a dicho eje.

La combinación de la energía gravitatoria y la centrífuga, tendiendo la primera a hacer una esfera y la segunda a alejar todo del eje de rotación, consigue únicamente achatar un poco los polos desplazando toda esa masa al ecuador. Nada más. Se puede ver en otra entrada que hice al respecto que la Tierra tendría que girar más de mil veces más rápido para que la energía centrífuga tuviese algo relevante que decir frente a la gravedad.

La cuestión es que únicamente en base a conceptos de simetría y energía la potencia predictiva que podemos alcanzar en física es enorme. No en vano la inmensa mayoría de teorías modernas y aún no verificadas son apreciadas por la misma, empezando por la propia supersimetría.

La evolución de la vida:

Dicen los biólogos que para que haya evolución en los seres vivos tienen que darse tres condiciones: variabilidad, transmitividad y selección (podéis ampliar en el blog de mi colega Omar Flores ).

La variabilidad hace referencia al hecho de que los seres vivos tengan que poder elegir entre unas características u otras. Es decir, que no sean todos iguales o bien que, en el caso de que lo fueran, puedan dejar de serlo. El mecanismo más conocido para crear variabilidad son las mutaciones genéticas aleatorias.

La transmitividad hace referencia a la posibilidad de que un ser vivo pueda transmitir sus características a otro, siendo el caso más conocido la reproducción.

Por último, la selección hace referencia a que tiene que haber algún factor que haga que dentro de toda la variabilidad existente, unos rasgos sean preferibles frente a otros. Por ejemplo, cuando la atmósfera empezó a llenarse de oxígeno creando extinciones masivas, el factor de selección fue tener la capacidad de respirarlo y beneficiarse de él.

El factor de selección es crucial (como los otros dos), ya que según el mismo una misma especie podría tener tendencia a evolucionar en un sentido o en el contrario. Claro ejemplo de ello son los mamíferos y reptiles cuyas cadenas evolutivas divergieron y mientras unos seguían siendo terrestres otros volvieron al agua. Cada rama, en su contexto, hizo lo que le era más óptimo.

Medusa

Las medusas tienen simetría radial.

Simetrías radial y bilateral en la vida:

Una de las características más notorias de la vida en la Tierra es que casi todas sus manifestaciones pertenecen a uno de dos grandes grupos de simetría en su apariencia externa: los seres con simetría radial/cilíndrica o radiados, y los seres con simetría bilateral, plana o de espejo.

En general se explican estas simetrías por su utilidad práctica en los últimos estadios evolutivos. Así, se dirá que la simetría bilateral es útil porque nos ayuda a los bípedos a mantenernos de pie con gran facilidad y tener una visión estereoscópica, que equilibra mejor nuestro peso y demás cosas que en realidad importaron tirando a poco cuando dicha simetría surgió. Es como explicar el origen de la rueda por la utilidad para que despeguen aviones.

Gato

Los gatos tienen simetría bilateral.

Cuando surgió el primer ser bilateral, presumiblemente parecido a un gusano, la importancia de repartir bien el peso, mantenerse de pie a dos patas y tener visión estereoscópica era tirando a baja.

Además, explicando las simetrías en base a cómo nos benefician a los humanos estamos tirando piedras contra la propia biología, porque es algo muy fácil de secuestrar y malinterpretar por creacionistas.

La perfecta unión entre simetrías físicas y biológicas:

Vayamos al origen de las simetrías de la vida, y vayamos empezando por la pregunta básica: ¿cómo tendría que ser una forma de vida elemental basada en átomos si estuviera suelta en el espacio y no necesitase respirar?

Aplicando el principio de reducción al máximo de la energía potencial, y dada la no necesidad de deformarse por ninguna fuerza que no fuese la electrostática entre los átomos, cabría esperar una esfera perfecta. Cualquier otra propuesta debería caer ante la implacable ley de optimizar los recursos. ¿Qué gana no siendo esférica una forma de vida que solo flota en el espacio? ¿Para qué quiere deformarse complicando su inercia? El principio de Hamilton, perteneciente a la física, nos indica este resultado por sí solo.

Supongamos ahora que nuestra forma de vida esférica está en la superficie de la Tierra, donde existe una energía gravitatoria que crea diferencias entre “arriba” y “abajo”. En estas circunstancias, y siempre en aras de optimizar la energía, sí que resultaría mucho más rentable para la vida redistribuirse de forma que la gravedad sea menos molesta.

Debido al factor de selección “gravedad”, las variaciones que crean diferencias entre arriba y abajo pueden llegar a ser óptimas y no perjudiciales, como en el espacio. Y los seres que son simétricos respecto a un eje, como decíamos arriba son los radiados. Cabe destacar que la inmensa mayoría de formas de vida que apenas se mueven y conocemos tienen esta simetría: desde las plantas hasta las medusas, pasando por los hongos. Para todas esas especies lo “único” importante es distinguir entre arriba, abajo, y distancia a su eje central. Y todas ellas descienden de la primera forma de vida que se adaptó satisfactoriamente a la gravedad. Dado que la gravedad existe desde antes que la vida en este planeta, resulta comprensible que su efecto haya repercutido tanto y tan notoriamente en la evolución.

Pensemos ahora en los seres vivos que además de limitarse a estar en la superficie terrestre se desplazan. Para ellos además de la gravedad existe algo conocido como rozamiento, que en general es energía electrostática de repulsión del medio en el que se apoyan para desplazarse. Supongamos que nos tumbamos en el suelo y empezamos a movernos arrastrándonos como seguramente hizo el primer ser vivo sin extremidades. En seguida notamos que el suelo se opone a nuestra intención de desplazarnos, ya que hacemos que nuestros átomos froten los suyos creando un efecto repulsivo entre las cargas. La energía de rozamiento afecta en la dirección de movimiento, distinguiendo entre “delante” y “detrás” y facilitando un nuevo criterio de selección natural.

Al combinar la simetría axial gravitatoria con la simetría axial del movimiento surge, salvo que el ser vivo en cuestión solo se mueva hacia arriba y abajo, una simetría plana más conocida como simetría bilateral. Y así justificamos la presencia dominante de dicha simetría en los seres terrestres que se desplazan en horizontal.

Es decir, que la energía, un tema que normalmente se enseña como exclusivamente centrado en la física y la tecnología, da respuestas inmediatas a cuestiones biológicas fundamentales. Y no solo eso, sino que además nos permite extrapolar conclusiones a cualquier otro planeta donde hayan podido surgir seres vivos móviles. Sería muy raro que no tuviesen simetría bilateral.

Y explicar esto considero que es tanto o más importante que explicar lo del sistema de cargas del principio, ya que se fundamenta en la misma idea y ayuda mucho más a interiorizar que la física abarca prácticamente todo.

Preguntas, correcciones y debate son bien recibidos.

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