Las células no son sistemas tranquilos. En su interior, proteínas consumen energía, generan fuerzas y reorganizan estructuras sin descanso. Desde el punto de vista de la física, esto significa que una célula viva nunca está en equilibrio térmico: siempre está gastando energía y produciendo movimiento. Comprender cómo medir esa “distancia” respecto al equilibrio es uno de los grandes retos de la biofísica actual.
El trabajo de Narinder y Fischer-Friedrich, publicado en Physical Review X bajo el título “Time Irreversibility, Entropy Production, and Effective Temperature Are Independently Regulated in the Actin Cortex of Living Cells”, se adentra precisamente en esta cuestión. El estudio analiza cómo se comportan tres medidas distintas del desequilibrio en células humanas vivas y muestra que no siempre evolucionan de la misma manera. El foco está puesto en la corteza de actina, una fina red de proteínas situada justo bajo la membrana celular.
La corteza de actina como laboratorio del no equilibrio
La corteza de actina es una red de filamentos proteicos que da forma y resistencia a la célula. Además, está asociada a proteínas motoras, como la miosina, que consumen ATP (la moneda energética celular) para generar fuerza. Este entramado convierte a la corteza en un sistema activo, es decir, en un material que produce movimiento gracias a un aporte continuo de energía.
Para estudiar sus fluctuaciones, los autores emplearon una técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM). Insertaron la punta de un diminuto cantiléver en la corteza de células humanas en mitosis y registraron cómo fluctuaba su posición. Esas pequeñas desviaciones actúan como un sensor mecánico de la actividad interna. Según describen, “la punta de AFM incrustada se acopla mecánicamente a la corteza de actina, y su deflexión sirve como una lectura eficaz de las fluctuaciones activas locales dentro de la capa cortical”.
Las mediciones revelaron algo llamativo: la punta no solo vibraba suavemente, sino que experimentaba picos abruptos, especialmente hacia afuera de la célula. Estos eventos mostraban una subida rápida y una relajación más lenta, con una escala temporal característica de aproximadamente 1,5 segundos. Además, la distribución estadística de los desplazamientos no era gaussiana, lo que indica la presencia de procesos activos más allá del simple ruido térmico.
Temperatura efectiva y producción de entropía: cuando las medidas no coinciden
En sistemas en equilibrio, existe una relación precisa entre fluctuaciones y respuesta mecánica, conocida como teorema de fluctuación-disipación (FDT). Cuando esta relación se viola, el sistema está fuera del equilibrio. Una forma habitual de cuantificar esa violación es definir una temperatura efectiva (Teff), que mide cuánto exceden las fluctuaciones al nivel térmico esperado.
Los investigadores comprobaron que, cuando se analizan las fluctuaciones más lentas —las que ocurren en escalas de tiempo de segundos—, la corteza celular no se comporta como un sistema en equilibrio. En ese rango de frecuencias bajas, las fluctuaciones eran mucho más intensas de lo que permitiría el simple calor del entorno. En otras palabras, el movimiento observado no puede explicarse solo por el “ruido térmico”.
Al traducir esa desviación a la llamada temperatura efectiva, el resultado es llamativo: en escalas de tiempo largas, esta temperatura puede ser hasta cien veces mayor que la temperatura ambiente de la célula. Esto no significa que la célula esté más caliente, sino que sus componentes internos están generando actividad adicional. Esa energía extra proviene de procesos biológicos como la acción de las proteínas motoras de miosina o el crecimiento y reorganización de los filamentos de actina, que empujan y tensan la red cortical de forma continua.
Sin embargo, la temperatura efectiva no es la única medida relevante. A través de la relación de Harada-Sasa, puede estimarse la producción de entropía, que cuantifica cuánta energía se disipa irreversiblemente. Al inhibir la actividad de la miosina o reducir el recambio de actina con fármacos específicos, los investigadores comprobaron que la producción de entropía disminuía en ambos casos. Pero la temperatura efectiva no siempre seguía la misma tendencia.
De hecho, el artículo concluye que “la irreversibilidad temporal, la temperatura efectiva y la tasa de producción de entropía pueden seguir tendencias opuestas en sistemas vivos activos”. Esta observación cuestiona la idea, bastante extendida, de que la temperatura efectiva sea un indicador fiable y único del grado en que un sistema se aleja del equilibrio térmico.
Irreversibilidad temporal: el rastro del tiempo en las fluctuaciones
Otra forma de detectar el no equilibrio consiste en analizar si las trayectorias son iguales al invertir el sentido del tiempo. En un sistema en equilibrio, las fluctuaciones hacia adelante y hacia atrás son estadísticamente indistinguibles. Cuando no lo son, existe irreversibilidad temporal.
Los autores calcularon esta irreversibilidad mediante la divergencia de Kullback-Leibler entre las trayectorias originales y sus versiones invertidas. Encontraron que la medida de irreversibilidad disminuía cuando se reducían la actividad motora o el recambio de actina. Es decir, al atenuar la actividad biológica, las señales se volvían más “simétricas” en el tiempo.
Tres medidas del no equilibrio que no siempre evolucionan juntas. Fuente: Physical Review X
Un resultado clave es que los picos asimétricos —subidas rápidas y descensos más lentos— contribuyen de manera decisiva a esta irreversibilidad. En sus simulaciones, los investigadores mostraron que aumentar el ruido térmico puede reducir la irreversibilidad, mientras que incrementar la amplitud de los picos asimétricos la eleva. Esto sugiere que no basta con tener más fluctuaciones; importa su estructura temporal.
El propio estudio subraya que “nuestros hallazgos cuestionan la validez de la temperatura efectiva como un indicador fiable de la distancia respecto al equilibrio térmico”, especialmente cuando cambian las propiedades mecánicas del material.
Un equilibrio delicado entre mecánica y actividad biológica
El trabajo propone que en sistemas vivos puede existir un acoplamiento entre el nivel de ruido y la frecuencia de eventos asimétricos, como espigas de tensión o pulsos de calcio. Estos procesos, típicos de dinámicas excitables, introducen direccionalidad en el tiempo. Sin embargo, si cambian las propiedades mecánicas —por ejemplo, si la corteza se vuelve más sólida—, esa relación puede romperse.
En conjunto, el estudio demuestra que tres magnitudes —temperatura efectiva, producción de entropía e irreversibilidad temporal— no son intercambiables. Cada una capta un aspecto distinto del comportamiento fuera del equilibrio. En materiales vivos, donde la actividad modifica tanto las fuerzas como la estructura mecánica, estas medidas pueden desacoplarse.
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