La paradoja del diablillo de Maxwell

Sin lugar a dudas, James Clerk Maxwell fue un genio de primer orden que consagró su intelecto al servicio de la ciencia, su nombre pasó a la historia y siempre estará relacionado con el electromagnetismo, la termodinámica teórica y la teoría cinética de los gases.

Si quieres leer el artículo mas tarde, descárgatelo en PDF y léelo cuando te plazca: Descárgalo Aquí

La paradoja del diablillo de Maxwell

La paradoja del diablillo de Maxwell vio la luz pública en 1872 con la publicación de su libro Theory of heat. En la última sección de su libro, que trata sobre las limitaciones del segundo principio de la termodinámica, menciona los aspectos clave de su famosísima paradoja, aquí está la versión en español de uno de los pasajes más importantes:

Pero si concebimos un ser cuyas facultades son tan finas que puede seguir el curso de cada molécula, dicho ser, cuyos atributos siguen siendo en esencia finitos como los nuestros, podría estar capacitado para hacer algo que en el presente es imposible para nosotros (…) Ahora supongamos que dicho recipiente está dividido en dos partes, A y B, por una división en la que hay un pequeño agujero, y que un ser, que puede observar las moléculas individualmente, abre y cierra el agujero, permitiendo el paso únicamente de las moléculas más rápidas de A a B, y el paso de las lentas de B a A. Este ente haría, sin la entrada de trabajo, que la temperatura de B aumentara y la de A disminuyera, en contradicción con la segunda ley de la termodinámica. (Maxwell, 1872)

La propuesta de Maxwell derroca las limitaciones impuestas por la segunda ley, o por lo menos parece hacerlo. Para contextualizar un poco, la segunda ley de la termodinámica expresa que no es posible generar diferencias de presión o temperatura en un sistema en equilibrio sin la adición de trabajo, en otras palabras, la entropía del universo siempre aumenta tras un proceso. Con aquel ente concebido por Maxwell sería posible generar gradientes de temperatura sin adicionar trabajo y, además, al poner los sentidos del ser muy finos pero finitos, no se cae en planteamientos sobrenaturales, lo que hace más crítico el panorama para la segunda ley.

Place your ad here
Loading... En 1948 Claude E. Shannon publica un artículo en donde define el concepto de entropía informática basado en probabilidades. Este aporte cerró el debate, al menos parcialmente. Para que el diablillo pueda percatarse de la velocidad de las moléculas y así seleccionarlas, debe realizar mediciones sobre ellas. Cualquier mecanismo para medir la velocidad y la posición de las moléculas requerirá energía para su funcionamiento, lo que de entrada suma una fuente de entropía que inicialmente se despreció. Por su parte, la información que el diablillo recibe del instrumento de medida tiene asociada entropía informática, tal como lo planteó Shannon. De esta suerte, al considerar la degradación de la energía en el instrumento y la entropía informática asociada a los procesos de medición, el cambio de entropía del sistema se hace positivo, lo que se traduce en un aumento de la entropía del universo dejando la irrevocabilidad de la segunda ley intacta (Aguilar, 1981).

James Clerk Maxwell

Años más tarde, el diablillo de Maxwell vuelve a aparecer, esta vez para hacer sus triquiñuelas en el metabolismo. Las enzimas, que son las responsables de catalizar todas las reacciones del metabolismo, imponen el ritmo al que se desarrolla la vida, se encargan de captar estímulos externos que les indican la posición del metabolito de interés, se asocian con otras moléculas para sufrir cambios de conformación que exponen sus sitios activos, se enlazan a los sustratos, aumentan la energía de los mismos y finalmente llevan a cabo la reacción saliendo indemnes, pues de forma neta las enzimas no sufren cambios químicos durante la reacción, tal y como sucede con cualquier catalizador inorgánico.

&version;&appId; Las dos características principales de las enzimas son: 1.) Solo catalizan un solo tipo de reacción. 2.) Aunque existen muchas sustancias en el organismo susceptibles de sufrir ese tipo de reacción, generalmente la enzima solo es activa con uno de ellos. Estas dos características se resumen en especificidad reactiva y de sustrato. Así, como el metabolismo es un gran entramado de reacciones, cada organismo tiene un gran número de enzimas, una para cada tipo de reacción y cada tipo de sustrato. Como botón de muestra, las enzimas solo son activas con uno de los dos isómeros ópticos de una sustancia, aun cuando ambos son tan impresionantemente similares, que con la tecnología química que se tiene hoy difícilmente pueden separarse de una mezcla sin utilizar una cantidad descomunal de energía. El punto es que la enzima no tiene problema en reconocer uno de los dos (Monod, 1970). Esto solo puede explicarse si se piensa que el sitio activo de una enzima está perfectamente diseñado, átomo a átomo, para recibir una sola molécula como sustrato, se habla entonces de especificidad estérica sin ir más lejos. Con todas estas características especiales, las enzimas pueden considerarse como demonios de Maxwell, tal como lo expresa Jaques Monod (1970). Las enzimas ejercen una labor similar a la del polémico diablillo, pues son generadoras de orden a escala molecular al seleccionar las moléculas adecuadas entre un mar químico que es un organismo vivo, catalizar siempre la misma reacción y salir intactas para continuar con su labor, sin perder de vista que en todo el proceso hay transferencia de información cuando la enzima reconoce el sustrato y por tanto debe tenerse en cuenta el aporte de entropía informática generada.

Por su gran complejidad molecular, y por la labor lejos del equilibrio y asociada a transferencia de información que realizan, las enzimas son un punto clave de investigación en ciencias de la vida.

Autor: Horacio Serna para revistadehistoria.es

Si quieres leer el artículo mas tarde, descárgatelo en PDF y léelo cuando te plazca: Descárgalo Aquí

Referencias
Aguilar, J. (1981). Curso de Termodinámica. Madrid: Alhambra.
Kauffman, S. (2003). Investigaciones. Barcelona: Tusquets Editores.
Maxwell, J. C. (1872). Theory of heat. Londres: Longmans, Green and Co.
Monod, J. (1970). El azar y la necesidad. Barcelona: Ediciones ORBIS, S.A.
Shannon, C. E. (1948). A mathematical theory of communication. The Bell System Technical Journal, 27, 379–423, 623–656.
Thomson, W. (1874). Kinetic Theory of the Dissipation of Energy. Nature, 441–444.
Wagensberg, J. (1998). El progreso ¿Un concepto acabado o emergente? In El progreso ¿Un concepto acabado o emergente? (pp. 17–54). Barcelona: Tusquets Editores.

¿Nos invitas a un café?

Si quieres donar el importe de un café y “Adoptar un Historiador”, incluiremos tu nombre como agradecimiento en calidad de mecenas en un Artículo Histórico, puedes hacerlo Aquí:

También puedes apoyarnos compartiendo este artículo en las redes sociales o dándote de alta en nuestro selecto boletín gratuito:

Déjanos tu Email y te avisaremos cuando haya un nuevo Artículo Histórico

La entrada La paradoja del diablillo de Maxwell aparece en Revista de Historia.