¿Por qué los organismos no pueden usar el calor como única fuente de energía?

Las respuestas dadas hasta ahora se centran en la falta de maquinaria celular para convertir el calor en trabajo, pero no enfatizan el punto principal. Para convertir el calor en trabajo en un ciclo, como un motor térmico, debe aprovechar el flujo de calor desde un depósito de alta temperatura a un depósito de baja temperatura. Es decir, necesita un gradiente térmico y uno grande para que el proceso sea eficiente. Esto es prácticamente una declaración de la Segunda Ley de la Termodinámica. En consecuencia, no puede simplemente tomar una bacteria extremófila y ponerla en agua súper caliente y esperar que funcione. Tendría que desplazarse entre agua fría y caliente, de alguna manera.

La máxima eficiencia teórica de un motor térmico viene dada por la fórmula [T (2) -T (1)] / T (2), donde T (2) es el depósito de alta temperatura y T (1) es el depósito de baja temperatura . Como toda la vida tal como la conocemos requiere agua líquida, el rango de trabajo es de aproximadamente 100 grados C a 0 grados C, y si se conecta a la fórmula (usando grados K), encontrará que la eficiencia teórica máxima es del 27%. Por supuesto, ninguna máquina real puede lograr el ideal.

Con estos principios iniciales en mente, ¿cómo “diseñamos” un organismo para que funcione como un motor térmico? Tal vez podríamos hacerlo cerca de un respiradero de aguas profundas donde tenga un fuerte gradiente de temperatura. Un extremo del organismo podría estar en agua súper caliente y el otro extremo en agua fría, que está casi congelada.

No sé a dónde ir desde allí, al menos no sin tomarme unas semanas para resolver los detalles.

El calor, en el sentido de cierto nivel de movimiento de los átomos, es una forma de energía altamente caótica, por lo que tiene una entropía muy alta. Si lo desea, es la forma final de la mayoría de los procesos de cambio de energía, el “producto residual” final del uso de energía.

Sin embargo, los organismos necesitan energía en formas que puedan almacenar y usar gradualmente y con un propósito definido. En otras palabras, necesitan energía que tenga una entropía mucho más baja, esté más “ordenada” y pueda controlarse. Por lo tanto, comúnmente almacenan energía como algún tipo de químico, por ejemplo, glucosa. Luego pueden administrar el producto químico en particular y moverlo a donde necesita estar a las velocidades que se necesitan, así como almacenarlo para un usuario posterior.

La glucosa en los animales se descompone en las células y la energía de los enlaces químicos cuando se libera es capturada por varios otros compuestos en las mitocondrias, que la pasan alrededor de la célula como otros productos químicos, que a su vez proporcionan la energía para cambiar otros enlaces químicos, por ejemplo , metabolizan proteínas de carbohidratos complejos y construyen proteínas. Nada de esto se puede hacer con calor.

Si el calor era todo lo que se requería, ¡poner un trozo de carne en una sartén lo devolvería a la vida! ¡Una perspectiva aterradora si cocinas pollos o pavos enteros!

Ningún proceso de conversión de energía es 100% eficiente. Ese porcentaje ineficiente tiende a perderse como calor, especialmente en sistemas biológicos. Ese calor es el final del proceso, y es la cantidad de calor que se puede usar como una indicación del aumento de la entropía en tales sistemas. Los sistemas biológicos tienden a generar calor que es insuficiente para ser utilizado para cualquier otro propósito, aunque los animales de sangre caliente generan calor como un medio para mantener sus sistemas funcionando en sus niveles más óptimos.

Pero puedes imaginar algo similar con una máquina de vapor. Proporciona una gran fuente de calor para evaporar el agua, y el vapor resultante bajo presión impulsa la turbina o el pistón para hacer el trabajo de girar un eje. Ha realizado una conversión de energía, desde la energía química almacenada en el combustible a la energía mecánica en el eje giratorio que sale del motor. Pero se pierde mucho calor, tanto de los componentes del motor que están calientes e irradian ese calor, como del vapor que debe enfriarse para continuar el ciclo. El calor perdido es insuficiente para hervir más agua, por lo que se disipa y esa energía está al final de su utilidad para el proceso.

Cuando su cuerpo usa glucosa para alimentar sus diversos procesos químicos, una cierta cantidad de calor es un subproducto de esas conversiones de energía. Algunos si se usan para mantener la temperatura de su cuerpo contra las pérdidas al medio ambiente, y el resto se disipa al medio ambiente. Pero si sale a correr, está poniendo mucha más energía en los procesos químicos y mecánicos que operan sus músculos, y está ocurriendo mucha conversión de energía, que produce proporcionalmente más calor. Su cuerpo trabajará para disipar ese exceso de calor a fin de garantizar una temperatura corporal constante al sudar.

P: ¿Por qué los organismos no pueden usar el calor como única fuente de energía?

Bueno, pensemos. ¿Qué podemos hacer con el calor?

1. Podemos causar aumento de temperatura y cambio de fase.
2. Podemos causar expansión o presurización (o ambas) de gas en un sistema.
3. Podemos aumentar la solubilidad de la mayoría de los solutos en agua.
4. Podemos disminuir la solubilidad del oxígeno diatómico en agua.
5. Podemos proporcionar la energía de activación para cierto rango de reacciones químicas. Este rango dependería de cuáles eran normalmente nuestras temperaturas base, cuáles eran normalmente nuestras temperaturas calentadas y las capacidades de calor del sistema de reacción, y contendría solo un número selecto de reacciones químicas.
6. Podemos cambiar el equilibrio de las reacciones químicas reversibles en una dirección u otra, dependiendo de la reacción.

Por lo tanto, para que un organismo dependa únicamente del calor para todas sus necesidades de energía, tiene que desarrollar de alguna manera sistemas biológicos que usen solo estas propiedades (y cualquiera que haya pasado por alto, es una lista ad hoc) para impulsar su respiración celular (o cualquier análogo a eso puede o no poseer). En la Tierra, hemos desarrollado la fotosíntesis con luz y productos químicos en el aire, el agua o el suelo, la quimiosíntesis con minerales disueltos y calor en ambientes con agua no iluminada (esto sería lo más cercano a su escenario), y el consumo de material orgánico y la digestión para proporcionar los componentes. necesario para conducir las funciones de la vida. En todas estas estrategias se utilizan múltiples entradas y se desarrollan múltiples productos finales. Si miramos dentro de la caja negra, encontramos innumerables reacciones químicas, esquemas de almacenamiento de energía y actividades de procesamiento de residuos.

Parece exagerado imaginar los efectos de la absorción de calor por sí solo al poder conducir un sistema tan complicado, pero, por supuesto, es porque, como entendemos la vida, no puede. Esto no significa en absoluto que sea imposible que exista un organismo que utilice la absorción de calor solo para impulsar cualesquiera que sean sus funciones biológicas, solo que, por definición, es un concepto extraño y difícil de imaginar.

Las generaciones futuras (con suerte) van a pasar un momento muy interesante descubriendo los misterios que tiene el cosmos cuando finalmente (con suerte) salgamos a la luz.

Debido a que simplemente no tienen los dispositivos de transformación de energía necesarios (en este caso, órganos) que pueden convertir la energía térmica en las diversas formas de energía necesarias para realizar sus tareas biológicas esenciales, como la energía química que es la única (si no) la única forma de energía utilizable en organismos.