La termodinámica en los sistemas biológicos

ENSAYO

‘La termodinámica en los sistemas biológicos’

La termodinámica es la ciencia que estudia el movimiento del calor a través de los sistemas, mediante variables como presión, volumen y temperatura, a un nivel microscópico y macroscópico. También se puede entender como el estudio de la circulación de energía y cómo ésta infunde movimiento.

Un sistema es un conjunto de objetos, fenómenos o sujetos relacionados entre sí para lograr un objetivo en común. Definido de otra forma, un sistema es el conjunto de materia limitado por una superficie real o imaginaria. Esta se puede clasificar en 3 grupos dependiendo de cómo sea el intercambio de energía y materia, por lo cual pueden ser:

• Abiertos, cuando el intercambio de energía y materia es con el medio ambiente
• Cerrado, cuando el intercambio de materia es dentro de los límites del sistema, pero intercambia energía con el medio
• Aislado, cuando no hay intercambio de energía y masa con el medio exterior.

Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, por ejemplo una máquina térmica, o de una manera ideal como la máquina de Carnot, cuando se trata de abordar un estudio teórico.

Por su parte el sistema biológico es material capaz de realizar por sí mismo tres funciones denominadas funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Los sistemas biológicos son sistemas abiertos ya que intercambian constantemente energía y materia con su entorno. Estos sistemas no están en equilibrio termodinámico, y por lo tanto no son fáciles de analizar. A pesar de su complejidad los sistemas biológicos se componen de cuatro elementos simples; hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno.

En los sistemas biológicos la base estructural y funcional es la célula, de este modo está se convierte en el principal punto termodinámico en dónde a través de una serie de pasos la célula puede producir o consumir energía para realizar un flujo energético celular. La célula puede describirse como un sistema abierto isotérmico que se perpetúa y se replica por sí solo, a través de una serie de reacciones que deben de ser consecutivas y que son generadas por la misma célula además de producirse fundamentalmente a una temperatura, presión y volumen constante. El total de las reacciones consecutivas se denomina metabolismo.

El metabolismo se refiere a la quema de alimentos como los carbohidratos, grasas y proteínas. En cuanto a esto podemos decir que el cuerpo disipa energía al medio ambiente a un ritmo específico, lo que significa que el cuerpo convierte los alimentos en energía química, esta energía va aumentando con el nivel  de actividad que ejerce el sujeto; además otro factor que hace variar la cantidad de calor es el sexo, el tamaño corporal, las condiciones generales de salud y la edad.

Metabolismo energético es el conjunto de reacciones que almacenan energía; se divide en dos: el anabolismo donde se incluye principalmente la producción de moléculas orgánicas complejas y el catabolismo que comprende los procesos de degradación. Los ejemplos claros en dónde se produce o se consume energía son: fotosíntesis, fosforilación, glucolisis, respiración, ciclo de Krebs, etc., a todas estas reacciones metabólicas se aplica el principio de conservación de la energía en donde el aporte de energía deber ser igual a la producción.

Aplicando la primera ley de la termodinámica, que nos habla sobre la conservación de la energía, se puede determinar que la variación de entropía en una reacción es igual a la variación de energía. De esto ha surgido la clasificación de las reacciones en 2 tipos que son:

• Exotérmicas, cuando el sistema cede energía al medio externo.
• Endotérmicas, cuando absorbe calor del medio.

Pero estas variaciones de entalpía solo ocurren en sistemas que están bajo un estado termodinámico estándar, en los organismos vivos este estado se caracteriza por estar a una atmosfera de presión a 25ºC y con un pH neutro.

La segunda ley de la termodinámica, basada en los conceptos de entropía y energía libre nos explica la dirección en la cual las reacciones se dirigen, con esto se pueden determinar que existen reacciones reversibles e irreversibles. Los organismos vivos como se dijo antes, son sistemas abiertos, en los cuales la entropía tiende a disminuir solo si la entropía del medio aumenta. Cuando un organismo está en equilibrio con el medio externo, significa que ese organismo está muerto lo cual es una reacción irreversible.

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