El coste invisible de la vida: la energía que las células gastan para que no ocurran cosas
La vida no solo gasta energía en hacer cosas, sino también en impedirlas. Un equipo de científicos ha descubierto el precio termodinámico oculto que pagan las células para mantener unas rutas metabólicas y silenciar todas las demás.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Aunque parezcan descansar, las células gastan energía de forma constante para mantener activas unas rutas metabólicas y bloquear otras alternativas. Un nuevo estudio muestra que ese “no hacer nada” tiene un coste termodinámico invisible pero fundamental para la vida. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón Producciones
La física y la biología han aprendido a medir con gran precisión cuánta energía se necesita para que ocurra algo: mover un músculo, replicar una molécula de ADN, sintetizar una proteína. Pero hay un tipo de gasto que siempre se ha escapado a los balances clásicos: la energía necesaria para que no ocurra algo. Para impedir reacciones químicas indeseadas, silenciar rutas metabólicas alternativas o mantener un sistema químico en un estado poco probable, pero funcional.
Ese coste invisible —ni trabajo mecánico ni calor disipado de forma evidente— es el que un nuevo estudio acaba de poner sobre la mesa con una formulación rigurosa y sorprendentemente general.
El trabajo, publicado en la revista Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT) y desarrollado por investigadores de instituciones como la Universidad de Tokio, la Universidad de Viena y el Santa Fe Institute, propone, desde una perspectiva termodinámica, una forma de calcular el gasto mínimo que deben asumir las células para mantener activas ciertas rutas metabólicas y bloquear otras posibles. En otras palabras: cuánto cuesta, en términos termodinámicos, que la vida sea selectiva.
🗣️ «La vida nace junto con ese esfuerzo de compartimentación y de elección —explica Praful Gagrani, investigador de la Universidad de Tokio y primer autor del estudio. Y añade—: Desde el momento en que existe un dentro y un fuera, el sistema tiene que invertir energía para mantener esa distinción y para decidir qué reacciones químicas sí ocurren y cuáles no».
No solo hacer cosas cuesta energía
La idea central de la investigación parte de una paradoja bien conocida por los físicos: en los análisis clásicos de procesos irreversibles, las condiciones de contorno —los muros que impiden que algo suceda— no consumen energía. Sin embargo, tanto los sistemas vivos como los diseñados por ingenieros pagan continuamente un precio para mantener esas restricciones.
Un ejemplo cotidiano en biología es la especificidad enzimática. Así es, las enzimas no solo aceleran reacciones útiles, sino que también evitan que ocurran muchas otras que serían químicamente posibles, pero biológicamente desastrosas.
«Desde el punto de vista de la física tradicional, impedir una reacción no cuesta nada —señala Gagrani—. Pero desde el punto de vista de un sistema vivo, mantener esa prohibición requiere un esfuerzo constante».
Ese esfuerzo puede consistir en producir y renovar enzimas, sostener concentraciones químicas alejadas del equilibrio o reorganizar redes metabólicas completas.
Redes químicas como mapas de decisión
Para abordar el problema, los investigadores trabajan con un modelo muy general: las redes de reacciones químicas (CRN, por sus siglas en inglés). Estas redes no solo describen procesos químicos, sino que también se utilizan para modelar metabolismo, ecología, epidemiología o incluso ciertos procesos de computación biológica.
En una red química abierta, como la de una célula, entran nutrientes y salen desechos. Entre ambos extremos existen múltiples rutas metabólicas posibles para transformar unas moléculas en otras. Algunas rutas son directas; otras, más largas o menos eficientes. La biología, sin embargo, no explora todas esas posibilidades: selecciona unas pocas y bloquea el resto.
🗣️ «Lo que inspiró este nuevo trabajo —cuenta Gagrani— es que Eric Smith, uno de los coautores, utilizó MØD, un software desarrollado por Christoph Flamm y sus colaboradores, para enumerar todas las posibles vías que pueden construir moléculas orgánicas a partir del CO₂».
El estudio introduce una definición precisa de lo que significa una vía metabólica desde el punto de vista termodinámico: un subconjunto de reacciones capaz de sostener un flujo fijo de materia entre el exterior y el interior del sistema. A partir de ahí, se plantea la pregunta clave: ¿cuál es el coste mínimo de forzar a la red a utilizar solo esa vía y no las alternativas?
Fuente hidrotermal a casi 3.000 metros de profundidad en la dorsal mesoatlántica. Algunas hipótesis sostienen que estos entornos del fondo marino pudieron ofrecer condiciones favorables para el origen de la vida, gracias a los gradientes químicos y energéticos capaces de sostener sistemas químicos primitivos y procesos similares al metabolismo. Cortesía: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen
Dos tipos de coste, una misma moneda
La respuesta tiene dos componentes bien diferenciados:
1️⃣ El primero es el coste de mantenimiento: la energía necesaria para sostener un estado estacionario fuera del equilibrio. Este gasto es conocido y se corresponde con la producción de entropía, una magnitud habitual en la termodinámica de procesos irreversibles.
2️⃣ El segundo componente es más novedoso: el coste de restricción. Es el precio termodinámico de impedir que las reacciones alternativas, que el sistema podría realizar espontáneamente, entren en juego. No implica disipación directa de calor ni realización de trabajo mecánico, pero sí la creación de un estado altamente improbable desde el punto de vista estadístico.
«Eric utilizó el algoritmo para enumerar todas las vías que pueden realizar la misma conversión que el ciclo de Calvin, esto es, el conjunto de reacciones químicas de la fotosíntesis en el que las plantas capturan dióxido de carbono (CO₂) y lo transforman en azúcares, usando la energía obtenida previamente de la luz —recuerda Gagrani, en referencia a uno de los trabajos previos de Smith sobre el proceso fotosintético. Y añade—: Luego empleó lo que ahora llamamos en nuestro artículo el coste de mantenimiento para clasificarlas».
Las células, sistemas complejos y ruidosos
Ambos costes se miden en la misma unidad: tasas de improbabilidad. En lugar de contabilizar joules, que indican cuánta energía se necesita para realizar un trabajo o producir un cambio, el enfoque se basa en cómo de improbable es mantener de forma sostenida una determinada secuencia de eventos químicos frente a lo que dictaría el equilibrio.
Es una forma de termodinámica estadística que bebe de la teoría de las grandes desviaciones y de los teoremas de fluctuación, herramientas desarrolladas en las últimas décadas para comprender sistemas complejos y ruidosos, como las células.
En aquel análisis, el resultado fue revelador: la ruta metabólica elegida por la naturaleza no era una rareza histórica, sino una de las opciones menos costosas desde el punto de vista energético. «Impresionante, ¿no?», comenta Gagrani.
Cuando la bioquímica se parece a un circuito eléctrico
Uno de los resultados más elegantes del trabajo aparece cuando los autores analizan redes cercanas al equilibrio químico. En ese régimen, muestran que una red química balanceada con detalle —una red en la que cada reacción tiene su inversa— se comporta matemáticamente como un circuito eléctrico.
Las concentraciones químicas juegan el papel de voltajes; los flujos de reacción, el de corrientes; y las resistencias eléctricas se corresponden con resistencias termodinámicas. En ese marco, una ley conocida de la ingeniería reaparece con una interpretación biológica clara: añadir caminos en paralelo reduce la resistencia total.
Traducido al metabolismo, esto significa que una red más rica en rutas alternativas puede sostener un mismo flujo con menor coste energético. Al revés, restringir una red a una vía más estrecha —por ejemplo, eliminando reacciones— aumenta inevitablemente el coste mínimo para mantener el mismo rendimiento.
«Vimos cosas que no esperábamos, pero que tienen sentido cuando las piensas», explica Gagrani.
Pero la vida no siempre juega cerca del equilibrio
El estudio también muestra que esta relación ordenada se rompe cuando los sistemas operan lejos del equilibrio, una situación habitual en la biología real.
En redes no lineales, en especial aquellas con ciclos autocatalíticos, pueden aparecer múltiples estados estacionarios posibles para un mismo flujo externo.
En algunos de esos estados, una vía más restringida puede resultar —paradójicamente— menos costosa que una red más amplia. No porque viole las leyes de la termodinámica, sino porque el sistema se sitúa en un punto inestable, similar a una frontera de fase en física. Son situaciones delicadas, difíciles de sostener, pero que podrían haber desempeñado un papel en la evolución temprana de los metabolismos.
Embrión vegetal de ocho células. Dr. John Runions / Universidad Oxford Brookes / https://www.nikonsmallworld.com/
Implicaciones para el origen y la evolución de la vida
Más allá de los detalles matemáticos, el trabajo apunta a una cuestión de fondo: la vida no solo paga por hacer cosas, sino también por decidir cuáles no hacer. Esa decisión tiene un coste termodinámico inevitable, incluso antes de considerar el coste evolutivo de construir las enzimas o la maquinaria molecular que implementa esa selectividad.
Esto permite, por primera vez, comparar en una misma escala el gasto de mantener un metabolismo activo y el de hacerlo específico. También sugiere límites fundamentales a cuánta optimización biológica puede lograrse: no existe una vía metabólica perfectamente eficiente si se considera el precio de excluir todas las alternativas.
«Por ejemplo, que utilizar múltiples vías al mismo tiempo es menos costoso que utilizar solo una —señala Gagrani. Y propone—: Imagínate a cuatro personas que necesitan ir del punto A al punto B a través de túneles estrechos. Si cada persona tiene su propio túnel —cuatro túneles— llegan más rápido que si solo hay tres o menos, porque dos o más personas se estorbarían en el mismo pasaje estrecho».
En el contexto del origen de la vida, estos resultados ofrecen una pista sugerente. Las primeras redes químicas de la Tierra primitiva, tal vez muy promiscuas y poco específicas, podían ser desde el punto de vista energético baratas. A medida que la evolución fue imponiendo rutas más especializadas, el sistema tuvo que asumir un sobrecoste invisible, compensado por los beneficios funcionales de la especificidad metabólica.
🗣️ «Es cierto que en la naturaleza suele imponerse una vía sobre muchas —dice Gagrani—. Pero en los sistemas biológicos a menudo interviene la catálisis —las enzimas—, que aceleran las reacciones y las hacen menos costosas, logrando el mismo efecto que tener múltiples vías en paralelo. Además, mantener muchas vías puede tener otros inconvenientes, como producir moléculas potencialmente tóxicas».
Un paso hacia una termodinámica de la organización
El estudio no pretende describir mecanismos moleculares concretos —no explica cómo una enzima bloquea una reacción ni cómo se paga exactamente ese bloqueo—, sino establecer un límite inferior: el coste mínimo que cualquier mecanismo deberá asumir. En ese sentido, se sitúa en la tradición de principios como el principio de Landauer, que fija un coste energético mínimo para borrar información.
Aquí, el mensaje es claro: organizar un sistema, imponerle una estructura funcional y mantenerla en el tiempo tiene un precio termodinámico ineludible. La vida, como toda forma de organización lejos del equilibrio, existe gracias a que paga continuamente ese precio.
«Nuestro método es una herramienta útil para estudiar el origen y la evolución de la vida —comenta Gagrani. Y concluye—: Es así porque nos permite evaluar los costes de elegir y mantener procesos metabólicos específicos. Nos ayuda a entender cómo surgen ciertas vías, pero explicar por qué se seleccionaron precisamente esas requiere un esfuerzo verdaderamente multidisciplinar».▪️
Información facilitada por SISSA Medialab
