Ecodinámica: la nueva síntesis (segunda parte)

La termodinámica podría ser la clave que permita a la ecología teórica convertirse en una ciencia dura. En este artículo damos un repaso a aquellos personajes que están propiciando dicho salto.

De la ecología se ha dicho que es una ciencia huérfana. En contraste con la física teórica, las ciencias del espacio y el proyecto genoma humano, la ecología atrae poco dinero. El presupuesto federal de Estados Unidos para la ecología teórica se cuenta en decenas de millones de dólares, mientras que los campos antes citados recaban decenas de miles de millones de dólares.” Con esta reflexión se lamentaban recientemente los investigadores Eric D. Schneider y Dorion Sagan del limitado peso de la ecología teórica en el concierto científico actual, una situación que lleva al absurdo de que por cada dólar que se gasta, pongamos por caso, en el desarrollo de modelos teóricos sobre la deforestación de la Amazonia, se inviertan mil en el estudio de diminutos quarks o de remotos agujeros negros.

Mucho ha llovido desde que Lotka y Volterra desarrollaran las ecuaciones que llevan su nombre; pero, siendo honestos, hemos de reconocer que la capacidad predictiva de la ecología no ha mejorado sustancialmente desde entonces. En esta idea incidía el matemático P.T. Saunders cuando escribió: “Las ecuaciones de Lotka-Volterra pueden parecer equivalentes a aquellas a las que estamos acostumbrados en física, pero son en realidad muy diferentes. No son la ‘leyes de Newton’ de la ecología teórica; en el mejor de los casos, son una aproximación muy grosera a las interacciones que realmente tienen lugar. (...) No encontraremos en ninguna parte tablas de las constantes de las ecuaciones de Lotka-Volterra que nos permitan llevar a cabo la misma clase de predicciones fiables que nos permite, por ejemplo, la ley de Snell y una lista de índices de refracción.”
Se trata de una crítica dolorosamente cierta y que explica el hecho de que, hoy en día, la ecología teórica busque desesperadamente el paradigma que le permita dar el salto para convertirse en una genuina “ciencia dura”. ¿Podría ser que semejante cabriola se ejecute de la mano de una ciencia tan aparentemente anodina como la termodinámica?
Miscelánea de heterodoxos
Posiblemente fue el ecólogo catalán Ramón Margalef el primero que, persuadido de esta necesidad, supo traducir la teoría de la información y la termodinámica a la ecología. En 1966 dio una serie de conferencias en la Universidad de Chicago, que luego publicó en forma de libro: Perspectivas de la teoría ecológica (1968). Margalef popularizó la idea de que las tasas metabólicas podrían emplearse como medida de la eficiencia de los ecosistemas. Para él y para Eugene Odum, el cociente entre la producción y la biomasa de un ecosistema (P/B) es una medida de su salud, una suerte de temperatura metabólica. En 1978 el investigador japonés K. Matsuno demostró que este cociente equivalía a una medida de la entropía específica del ecosistema. Y es que, tanto el cociente P/B como la entropía específica, decrecen a lo largo de la sucesión ecológica y por eso los ecosistemas maduros producen menos entropía por unidad de masa que los más jóvenes, aunque su producción de entropía total sea mayor.

Desde que Margalef iniciara la exploración de aquel vasto territorio, diferentes científicos han tomado el testigo para contribuir a levantar el ensamblaje de la nueva termodinámica ecológica. Repasemos someramente el trabajo de alguno de estos enfants terribles.

Jeffrey Wicken (1940-1990) era bioquímico de formación, pero se pasó a la biología teórica y a la termodinámica en los años setenta porque su laboratorio del Behrend College de la Universidad de Pennsylvania, donde trabajaba, estaba pobremente dotado. Su fuerte personalidad, acentuada por un parche negro que le tapaba un ojo y por la vehemencia con la que expresaba sus puntos de vista, ejercía un intenso magnetismo sobre sus alumnos, que año tras año lo elegían como el mejor profesor del centro. En su opinión, la vida existía precisamente por la segunda ley de la termodinámica, a diferencia del criterio generalizado que ha considerado desde siempre a la entropía como un obstáculo para la vida. “La disipación es la fuerza motriz de la tendencia constructiva o integrativa del universo”, explicaba desde la tarima a su entregada audiencia. “La disipación entrópica propulsa la estructuración evolutiva; las fuerzas de la naturaleza le dan forma.”
Si el discurso de Wicken suena heterodoxo, el de Arthur Peacocke (1924) no le va a la zaga. Por de pronto, resulta chocante que una de las máximas autoridades mundiales en termodinámica biológica sea al mismo tiempo sacerdote anglicano y experto en ciencia y cristianismo. Y que uno de los grandes objetivos que se haya propuesto sea reconciliar la teoría de la evolución con el cristianismo: “El Darwinismo no es un enemigo de la religión”, asegura, “sino un amigo.” Dentro del campo de la termodinámica sus opiniones no son menos controvertidas. Según su punto de vista, las reacciones bioquímicas no requieren una elevada energía de activación, por lo que no pueden encontrarse muy lejos del equilibrio. Tal vez , barrunta, la vida se encuentre mucho más cerca del equilibrio de lo que siempre se ha creído, lo que abriría una perspectiva fascinante, porque pondría a disposición de la biología todo el formidable aparato matemático de la termodinámica lineal del no equilibrio.

Reduciendo gradientes
Pero, sin duda, una de las figuras más relevantes en esta aventura es James Kay (1955-2004), que murió a los 49 años de edad víctima de una enfermedad degenerativa. Kay trabajó toda su vida en la aplicación de la termodinámica del no equilibrio a los ecosistemas. Su artículo de 1994 se considera uno de los más importantes de ecología publicados en la pasada década.

Kay consideraba especialmente valiosa la “exergía”, una magnitud que se emplea en ingeniería energética y que recientemente ha sido adoptada por la ecología. La exergía mide la calidad de la energía, la máxima capacidad de un sistema energético para realizar trabajo útil a medida que se acerca al estado de equilibrio. “La exergía nos habla de los límites teóricos de lo que se puede hacer con la energía”, afirmaba Kay. “La exergía tiene que ver con el potencial de hacer algo con la energía, mientras que la entropía nos dice qué le ha ocurrido a la energía.”
Una cuestión capital en ecología es determinar el papel de la biosfera en el flujo de energía que va del Sol al espacio. A este respecto Margalef había escrito: “Aunque no existiera la vida sobre la Tierra, el balance termodinámico del sistema solar podría ser aproximadamente el mismo, en términos de aumento de entropía. Ahora se utiliza, pero podría no utilizarse, y mayores posibilidades ciertamente no se utilizan. Ocurre como con la evolución. La evolución se puede aceptar también como gratuita, en el sentido de que no ha costado muertes suplementarias. Se trataba simplemente de usar de una manera y no de otra las muertes que son inevitables en la organización de la biosfera.”
Kay no estaba de acuerdo con esta afirmación. Para él la complejidad de cada ecosistema se relaciona con la energía que consume, que a su vez favorece la reducción del gradiente de temperatura entre el Sol y el espacio exterior. Lo que viene a decir es que, después de todo, la biosfera sí modifica el balance termodinámico del sistema solar. Por ello propuso comparar la energía solar que entra en un ecosistema con la temperatura de la energía que éste emite al espacio. Kay suponía que, a igualdad de energía incidente, los ecosistemas más maduros emitirían radiación a una temperatura más baja, lo que podría usarse como criterio para cuantificar su grado de complejidad.

Frío tropical
Para confirmar su hipótesis, James Kay, en colaboración con Eric Schneider, consultó los datos del Centro de Análisis del Clima de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, que genera un mapa mensual de temperaturas vía satélite de toda la Tierra. Tal y como habían supuesto ambos investigadores, los indicadores mostraron que la temperatura de la energía radiante era menor cuanto más complejo fuera el ecosistema. Durante el mes más cálido, por ejemplo, las selvas emiten una radiación de 200 vatios por metro cuadrado, la misma que el norte de Canadá durante su frío invierno. Ante estos datos algunas voces objetaron que las mediciones en las selvas se habían hecho sobre la cubierta de nubes, mientras que las mediciones de los desiertos habían sido tomadas a ras de suelo, por lo que los datos no eran comparables. A lo que ambos autores replicaron que las nubes también forman parte del ecosistema selvático.

Los trabajos de Kay y Schneider han recibido posteriormente nuevas confirmaciones. El astronauta y científico atmosférico Pierre Sellers, junto con Yale Mintz, de la NASA, calcularon la insolación, el albedo, la absorción neta de radiación de onda corta y la emisión de radiación de onda larga de cuatro grandes ecosistemas: la selva amazónica, los bosques del centro y el este de Estados Unidos, los cultivos y las selvas de Asia y el desierto del Sahara. Sus datos revelaron que el primero degrada el 70% de la radiación incidente, los bosques estadounidenses el 61%, los ecosistemas asiáticos el 50% y el Sahara el 2%.

Por su parte, el climatólogo Jeffrey Luvall, de la división geológica de la NASA, y el ecólogo de campo H.R. Olbo, de la Universidad de Oregón, diseñaron un termómetro de cuerpo negro montado en los bajos de un avión que podía tomar la temperatura de cualquier ecosistema. De esta forma determinaron que la temperatura superficial de una cantera y de un bosque talado superaba los 50ºC; la de un bosque natural poco maduro y la de una plantación de abetos de Douglas no llegaba a los 30ºC; y la de un bosque de 400 años era de 24’7ºC.

James Kay tuvo así la satisfacción de ver refrendado su punto de vista antes de morir. “La ecología”, dejó escrito, “es una joven ciencia que está alcanzando un excitante estado de integración que cambiará nuestra visión del mundo de la misma manera que lo hizo la integración de la física por Kepler, Galileo y Newton. (...) Nuestra contribución a esta integración ha sido reconciliar la biología y la termodinámica a través del desarrollo de la expresión ‘orden a partir del desorden’ de Schrödinger. Hemos contemplado esto como la piedra angular en la emergente ciencia del estudio de los sistemas complejos, una ciencia que encierra la promesa de la comprensión de la autoorganización y los ecosistemas. Nuestra auténtica preocupación es si el desarrollo y aceptación de la nueva ecología llegará a tiempo para tratar los problemas de degradación ambiental que afectan a nuestro planeta.”


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Las tres leyes de la termodinámica
Por suerte para el profano, una ciencia tan compleja como la termodinámica puede resumirse en unas pocas leyes de aplicación universal.

Primera Ley
La energía se conserva en todas las transformaciones físicas o químicas.

Segunda Ley
Es, sin duda, la que más literatura ha generado y la que puede enunciarse de diversas maneras. En su forma clásica, afirma que el calor pasa al frío y no al revés. Un enunciado más moderno dice que en todas las transformaciones físicas o químicas se produce un incremento neto de entropía.

Tercera Ley
Si la temperatura alcanza el cero absoluto (0º Kelvin) la entropía se anula.

Estas tres leyes constituyen el armazón sobre el que se asienta el complejo edificio de la termodinámica. Sin embargo, otras leyes pugnan por hacerse un hueco en este elitista club. Una de ellas es la llamada Ley Cero, porque condensa en un solo enunciado las tres anteriores. Dice así: Cuando un sistema termodinámico situado en el interior de un recipiente cerrado, de paredes rígidas y adiabáticas, llega a un punto en el que ya no hay cambio, el sistema ha alcanzado un estado de equilibrio térmico.

Para el codiciado puesto de Cuarta Ley hay varias candidatas. Una de las mejor situadas es la del investigador Harold Morowitz: en los sistemas en estado estacionario el flujo de energía a través del sistema hace que la materia describa ciclos. Otra candidata es la propuesta por el biólogo Stuart Kauffman: la vida explora todo el espacio de posibilidades químicas y funcionales, lo adyacente posible, para adaptarse a las más óptimas.