TERMODINÁMICA Y CEREBRO

 

23. TERMODINÁMICA Y CEREBRO

Según el primer principio de la termodinámica la energía no se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma. El primer principio también establece la equivalencia entre trabajo y calor. El primer principio fue intuido por Mayer en 1840 y enunciado en 1845. Energía viene del griego, de la palabra “ergón”, que significa acción. El concepto de energía fue introducido por Young, en 1807 (el mismo de la “teoría tricromática”). El primer principio establece que la energía, en el universo, permanece constante, pero no dice cómo evoluciona en el tiempo; de éso se encarga el segundo principio, que dice que la entropía aumenta con el tiempo. El segundo principio se gestó en 1824, en los trabajos de Carnot, que luego fueron difundidos por Clapeyron y Clausius. Clausius aclaró que el calor no pasa espontáneamente de un cuerpo frío a un cuerpo caliente. El aumento de la entropía con el tiempo es el enunciado del segundo principio de la termodinámica. Clausius acuñó el término entropía en 1854, con el significado del contenido de transformación de un cuerpo.

El primer principio es un principio de conservación de la energía. El segundo principio es un principio de evolución. Ambos han sido comprobados. Según el segundo principio los procesos sistemáticos son irreversibles: una vez que un sistema cambia no puede volver al estado inicial. El nuevo estado estará desordenado en comparación con el estado anterior, así que el desorden la entropía, aumenta con el tiempo de modo inevitable. Esta irreversibilidad implica que no se puede ir marcha atrás en el tiempo, lo cual quiere decir que se establece una flecha temporal, vinculante para los fenómenos físicos, que va del pasado al futuro: un sistema no se reordena, recuperando su estado anterior. Aunque recuperase un estado similar al anterior no sería el estado anterior, sólo lo parecería. Por ejemplo: si se tira sin querer un jarrón al suelo y se vuelve a colocar en el mismo sitio ya no sería el mismo sitio, pues, sin ir más lejos, el propio planeta Tierra ya no estaría en el mismo sitio, pues se habrá desplazado algo en su órbita alrededor del Sol.

La información es la inversa de la entropía, la entropía es la medida del aumento del desorden de un sistema y la información es la medida del aumento del orden. De acuerdo con la definición de Shannon y Weaver, de 1949, en su libro, The mathematical theory of communication, la información es una interacción entre objetos y un cambio de sus estados, que implica una comunicación de dicha información. La información es la medida de la inversa de la entropía en un sistema constituido por objetos e interacciones. La información no es más que otra medida del desorden, a fin de cuentas, pues es la inversa del desorden, según definición de Shannon. Para determinar la inversa del desorden es preciso un observador que haga la operación, que mida el desorden. La información aparece cuando los elementos de un sistema se ordenan, lo cual ocurre cuando la entropía permanece constante o disminuye, para lo que se requiere la presencia de un observador, de algo que lleve a cabo una interacción con el sistema, actuando como observador del sistema. En la mecánica cuántica el observador es idéntico a la observación: cuando la partícula A, por ejemplo, un fotón, interacciona con la partícula B, por ejemplo, un electrón, el cambio en B es una medida de A, por lo que B es el observador de A y también el cambio observable. En la mecánica clásica el observador puede ser un tercero, distinto a la interacción observada, por ejemplo, puede ser un espectador viendo por televisión como chocan dos bolas de billar, durante la retransmisión de una partida de snooker.

La información, el orden, es otra forma de desordenarse el sistema, aunque con apariencia de orden en presencia de un observador que mide el cambio al verificarse dicha interacción. Desde este otro punto de vista, el desorden parecerá orden, parecerá, por ejemplo, una mente coherente, porque se habrá consumido energía, aportada desde fuera del sistema, al ser abierto, para que desde dentro del sistema, como si en apariencia fuese cerrado, parezca que se ha ordenado. Al observarlo, al actuar como si fuese cerrado, se ordena en apariencia, gracias a que para el proceso de observación se invierte energía traída desde fuera, al no ser un sistema cerrado.

Boltzmann, en 1877, dio la interpretación microscópica del aumento de entropía: el aumento de entropía en un sistema, y la irreversibilidad de su evolución, consiste en una evolución desde un estado más ordenado a uno menos ordenado de las partículas del sistema. Para esta explicación se desarrolló el concepto de entropía estadística, de modo que, en vez de recurrir al concepto del calor del sistema, se recurrió a hablar de los microestados del sistema, del estado, o probabilidad de la ubicación, de cada elemento del sistema. Según Boltzmann (1877) la entropía se define como el número de estados microscópicos, distintos, en los que pueden hallarse las partículas de un trozo de materia, de manera que siga pareciendo el mismo trozo desde un punto de vista macroscópico. Extrapolando esta descripción al cerebro, pues resulta que el cerebro, que es un objeto macroscópico, también cambia de estado, al cambiar de estado sus elementos constituyentes, las neuronas, por ejemplo, que son objetos microscópicos y que cambian de estado: a veces están en reposo y a veces descargando potenciales de acción. Aunque el cerebro cambie de estado en la escala microscópica, en la escala macroscópica sigue siendo el mismo cerebro, a ciertos efectos, por ejemplo, al efecto de la estabilidad del yo consciente, que ilusoriamente aparece, de manera persistente y continua (salvo cuando se duerme profundamente), como un mismo espectador u observador consciente de una realidad cambiante a simple vista. El cerebro, definido como sistema con entropía, encaja entonces dentro de esta descripción de Boltzmann de la entropía: a pesar de los cambios microscópicos en el cerebro, a pesar de las millones de transmisiones heterogéneas en las sinapsis, en cada instante el yo consciente sigue siendo una misma experiencia macroscópica, confinada, única e individual, de manera estable a lo largo del proceso.

El cerebro se autoorganiza, es decir, funciona, a ciertos efectos, como si su dinamismo dependiese de su propia energía, como si fuese un sistema termodinámico cerrado. El cerebro no es cerrado, sólo lo parece a ciertos efectos, porque es un sistema abierto que irradia calor incesantemente. El cerebro es un sistema vivo, autoorganizado, de modo que localmente, de manera localizada en la cabeza, parece reducirse la entropía (ésto se denomina “neguentropía”), pues aumenta el orden localmente a ciertos efectos. Por ejemplo: se edifica la estructura funcional del cerebro de modo organizado, en niveles, a escala neuronal, a escala de red, etc. (recuérdese también, por ejemplo, la somatotopía). Pero, en todo momento en que la autoorganización ocurre, el cerebro irradia calor, así que no es un sistema cerrado a todos los efectos, por lo que, en el cómputo global, a pesar de esa autoorganización local aparente, dicha irradiación de calor, fruto de la oxidación de la glucosa en las neuronas, supone que la entropía aumenta de hecho, aunque parezca lo contrario a simple vista. La continua entrada de suficiente glucosa en el cerebro, desde el exterior del cerebro, y la alta tasa de oxidación, hacen posible el engaño temporalmente, garantizan que la producción de calor y la pérdida de calor se compensen, dando la impresión de haber autoorganización y neguentropía temporalmente, dando lugar a la convincente ilusión de la mente racional como sistema de control.

Supóngase que el universo fuese como una sopa de letras, con las partículas elementales, las letras, en la sopa del vacío. En tal caso la expansión del universo y el movimiento sistemático de las partículas, de acuerdo con las fuerzas electromagnética, gravitatoria, nuclear fuerte y nuclear débil, conllevaría que en la sopa de letras se fueran formando grupos desordenados de letras, al remover con la cuchara, las fuerzas, en la sopa. Las palabras que se formen le parecerán, a un observador, orden que surge en el seno del desorden. Al ser observadores de palabras, parecerán además tener sentido, el de los significados de las palabras, y, de hecho, lo tendrán a ciertos efectos dentro de un margen de error aceptable en la práctica (por ejemplo: al efecto de la comunicación con un lenguaje), pero es un orden aparente, porque las palabras se formarían al desordenarse las letras, no al ordenarse. Algunos grupos de letras serán palabras que a un observador de palabras le parecerán orden dentro del desorden, al tener la forma esperada por ese observador de palabras: forma de palabras. Sin embargo, dichas palabras serán otro modo de desordenarse las letras en la sopa de letras. La neguentropía refuerza aun más este aspecto aparentemente ordenado localmente del desorden a ciertos efectos. Sin embargo, en ningún plato de sopa dejará de aumentar la entropía, aunque ilusoriamente parezca un sistema cerrado a ciertos efectos, por neguentropía local, ya que, en último extremo, todo plato de sopa humea, todo plato se enfría, todo plato irradia calor al resto del universo, por muy frío que esté. El cerebro también es un sistema local, es otro plato de sopa de letras, y el cerebro irradia calor todo el rato, oxida la glucosa que toma del exterior para formar palabras e irradiar calor.

El cerebro no es un sistema cerrado, sólo lo parece a veces, a ciertos efectos, por ejemplo, cuando emerge el yo consciente. La entropía aumenta con el tiempo en todas partes, en el cerebro también. Para que un sistema quebrantase la segunda ley todas las letras del plato tendrían que formar palabras del diccionario, algo imposible, al ser la flecha temporal vinculante. En todo caso habrá letras que no formen palabras conocidas, es decir, en todo caso habrá irradiación de calor al medio. Los sistemas vivos consiguen generar mucho orden local (otra de las razones por las que la vida, la bioquímica, no es tan improbable como parece, además de la alta velocidad de los choques moleculares y la existencia de enzimas), consiguen generar más palabras de lo esperado en la sopa de letras, por su peculiar forma de evolucionar sistemáticamente, de modo neguentrópico, por ejemplo, por su autoorganización en niveles, molecular (incluyendo la actividad enzimática), celular, etc., por intervención de la conveniencia evolutiva, etc., pero todo ello sigue siendo desorden, no obstante. Cuanto más neguentrópico el sistema, cuanto más alejado del equilibrio, más neguentrópico será a continuación y más palabras se formarán. Si fuera más neguentrópico aun, si irradiase más calor, las palabras incluso formarían conceptos con sentido, frases, etc., y así sucesivamente, hasta llegar a un equilibrio entre la glucosa que se consigue oxidar y el calor que se irradia como consecuencia. El equilibrio se alcanzaría cuando las letras estuviesen tan separadas como para no poderse formar más palabras, desde el punto de vista de cualquier observador.

Según el segundo principio de la termodinámica, para todo sistema cerrado la entropía no aumenta si la transformación del sistema es reversible, de lo contrario, aumenta en busca del equilibrio. El cerebro puede ser tomado como sistema cerrado a simple vista, a ciertos efectos, porque en el cerebro la entropía aumenta, pero a escala macroscópica y confinada no se percibe a ciertos efectos, por ejemplo, al efecto de que tenga efecto de manera patente el yo consciente. El yo consciente persiste mientras esté teniendo lugar la percepción, de modo que, aunque el proceso de percepción transcurra mediante un proceso de cambio, dado que se perciben unas cosas y después otras, no obstante ese cambio se producirá como si tuviese lugar ante un mismo yo consciente de las cosas durante todo ese tiempo, como si la entropía aparentemente no aumentase a efectos de la percepción consciente, como si la mente fuese un sistema cerrado al efecto de la percepción, al efecto ilusorio de la efectividad del yo consciente como ente dotado de existencia concreta en la forma de un espectador continuo e individual de la realidad que lo rodea. Como el observador es el propio proceso de observación, el yo consciente es una recreación de una identificación entre observación y observador en el terreno de la abstracción, sujeto y objeto son una sola cosa, pero en el terreno de la abstracción, al tratarse de una representación del hecho, no una interacción cuántica.

A finales del siglo 20 se demostró que era posible, localmente, pasar de un estado menos ordenado a uno más ordenado sin contradecir el segundo principio. La aportación de Prigogine fue fundamental para entender la posibilidad de esta situación característica de los seres vivos en particular, seres caracterizados por esta capacidad para la autoorganización mediante neguentropía. Para entender un orden local como el de la mente no bastaba con entender que, a pesar del ordenamiento local, el desorden general siguiese aumentando. Para entender estos fenómenos con tanto orden local aparente, como la mente, se requería, según Prigogine, la neguentropía, que localmente aumentase la entropía justo alrededor del foco que se ordenaba aun más que en el resto, aun más que el aumento de entropía media del resto del entorno. Este requisito se cumpliría en el caso del cerebro, dada su gran tasa de irradiación de calor. Al enfriarse a tanta velocidad se justificaría la posibilidad de su gran orden local. El mecanismo molecular necesario para lograr este equilibrio es complejo, y relativamente costoso. Se necesita una cantidad determinada de kilocalorías al día para sostener esta situación. El 25% de la energía del cuerpo es consumida por el cerebro, cuando este órgano supone el 2% del peso del cuerpo en comparación. El mecanismo, además, debe acoplarse a diversas escalas, lo cual constituye una termodinámica no lineal. Un sistema en equilibrio tiene menos posibilidades para generar tanto orden, orden que ocurre preferentemente en sistemas alejados del equilibrio, que permiten impulsar una evolución del sistema de este tipo, constructiva.

La autoorganización conlleva orden. Tómese, por ejemplo, el carácter regular de la actividad neuronal: de modo regular, una y otra vez, se verificará que, o bien se descarga un impulso bioeléctrico, o bien no se descarga. El carácter oscilatorio de la actividad neural tiene que ver con el tipo de sistema dinámico al que corresponde el cerebro. Prigogine propuso que no puede haber oscilaciones (periodicidad) en un sistema termodinámico cerrado, sino sólo en uno abierto, que continuamente esté intercambiando energía con el exterior del sistema, como es el caso del cerebro. Un sistema dinámico, capaz de este grado de orden, debe estar además en un equilibrio homeostático, lo que se conoce en fisiología como un desequilibrio estable, a lo que Prigogine llamó “estructura disipativa”. Los sistemas se ajustan al dirigirse al equilibrio (en fisiología al ajuste inconsciente se le llama regulación y al consciente se le llama control). Prigogine señaló que este tipo de sistemas abiertos, con periodicidad, deberían ser no lineales en las relaciones entre fuerzas y flujo, como es el caso del cerebro, que son los sistemas que exhiben el fenómeno del caos. El caos es la forma de desordenarse un sistema dinámico. El caos se caracteriza por la impredecibilidad y el aumento de la complejidad. Complejidad quiere decir que el estado siguiente será distinto al anterior, lo cual incluye también la irrepetibilidad o carácter no ergódico del sistema. La complejidad se debe al aumento del desorden o entropía en el sistema. También se puede entender, la complejidad, como el aumento de estados del sistema, tanto en cantidad de elementos como en tipos de elementos y tipos de interacciones. El caos puede deberse a la incorporación de la energía que entra en el sistema en forma de elementos, como al llenar de agua una piscina, al cambio de las interacciones entre los elementos del sistema, como en un caleidoscopio, o a ambos, como en el cerebro. Estas ideas que se están barajando también deben gran parte de su contenido a la cibernética de Wiener.

Al ser un sistema suficientemente complejo, es posible que el cerebro presente lo que Bonev denomina “intermitencia”, en su artículo, Teoría del caos, lo cual quiere decir que del caos puede surgir el orden, y del orden el caos, sucesivamente, incluyendo la alternancia entre irregularidad y periodicidad también, lo cual incluiría la posibilidad de la sincronización neuronal.

Hay un trabajo: Coherencia global inducida por ruido o diversidad en sistemas excitables, llevado a cabo por Tessone C. J., Sciré A., Toral R. y Colet P., según el cual, en sistemas excitables, como el neuronal, tomados como “rotores activos globalmente acoplados”, un aumento del desorden, a escala microscópica, puede tener como resultado, a escala macroscópica, un mayor orden. Dicho aumento del desorden podría deberse a un aumento del ruido, a la diversidad en las frecuencias naturales, o a una disminución del acoplamiento entre los osciladores implicados, que tienden a sincronizarse, a desincronizarse y a fluctuar entre ambos estados, alrededor de un punto fijo.